Статья: Эффективное использование водородо-содержащих отходов при шахтной добыче угля

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Эффективное использование водородо-содержащих отходов при шахтной добыче угля

А.П. Данилов Инженер-механик, горный инженер Автор теории Поглощения энергии, советник генерального директора ООО «Компания «Восточный уголь»

Е.А. Деулин Доктор технических наук, профессор

г. Москва

Аннотация

В статье говорится, что атомарный водород, являющийся попутным видом топлива при добыче каменного угля появляется в виде раствора атомов водорода в частицах угольной пыли, являющейся продуктом воздействия рабочего органа комбайна или струговой установки на добываемый уголь. Мелкая угольная пыль, появляющаяся во время добычи угля и оседающая на стены и пол выработок шахт и, отдельно, забоев представляет собой «вакуумную взрывчатку», которая представляет собой опасность, с другой стороны она представляет собой уже, обогащенное водородом топливо, которое нам надо научиться утилизировать для получения дополнительной прибыли при угледобыче и на ТЭЦ, что нано-структурированное топливо в 2-3 раза дешевле дизельного топлива и приближается низкой стоимости водоугольного топлива, хотя по теплотворной способности значительно превосходит последнее, приближаясь к дизельному топливу.

Основные термины и слова: уголь, угольная пыль, атомный водород, нано-структурированное топливо, шахтные выработки.

Abstract

The article states, that atomic hydrogen, which we consider as a by-product of coal mining appears as a solution of hydrogen atoms in the particles of coal dust, which is the product of the impact of the working body of the combine or plow installation on the extracted coal. Fine coal dust that appears during coal mining and settles on the walls and floor of mine workings and, separately, the faces is a "vacuum explosive", which is a danger, on the other hand, it is already hydrogen-enriched fuel, which must be learned to recycle for additional profit in coal mining and in the mills of thermal power plants, we show that nano-structured fuel is 2-3 times cheaper than diesel fuel and approaching the low cost of coal fuel, although the calorific value is much superior to the latter, approaching the diesel fuel.

Basic terms and words: coal, coal dust, atomic hydrogen, nanostructuredfuel, mine workings.

Говоря об отходах при шахтной добыче угля напомним, что одним из наиболее часто упоминаемых попутных продуктов, появляющихся при добыче каменного угля является метан, взрывоопасность которого хорошо известна, тем не менее задача утилизации угольного метана в газоносных бассейнах РФ, например , на основе концепции локальных угле-газ-энергетических комплексов (ЛУГЭК) уже рассматривается [1]. Мировой опыт извлечения угольного метана и его использования в промышленных целях [2] уже доказал свою эффективность в США, Китае, и может быть рекомендован для создания углеэнергетических комплексов в Кузбассе, Печерском и Дальневосточном угольных бассейнах. По данным [1] метан, находящийся в угольных пластах в свободной фазе легко поддается извлечению, в то время как метан содержащийся в микропористой фазе трудно извлекаем. По тем же данным теплотворная способность метана, добавляемого в газовое топливо составляет около 10 МДж/м3

В данной статье речь идет о другом известном, но хорошо забытом попутном продукте - атомарном водороде, являющимся более эффективным чем метан, и в то же время попутным газообразным топливом, появляющемся при добыче каменного угля. Использование водорода при угледобыче еще не нашло применения, хотя это технологически просто реализуемо, о чем далее пойдет речь. Известен ряд российских и иностранных патентов на так называемое водо-угольное топливо [3,4,5] которое использует угольные частицы, размером от1мкм до 10мм, размещаемые в воде, используемой в качестве носителя основного продукта топлива. Авторы указанных патентов используют хорошие тепловыделяющие свойства мелких угольных частиц, но при этом они пошли по кратчайшему и простейшему технологическому пути, используя воду в качестве носителя, не учитывая того, что при сгорании угольной составляющей топлива вода должна испаряться, забирая большую теплоту идущую на парообразование. Этот недостаток устранен авторами в патенте [7], рассматриваемом ниже.

Теперь вернемся к водороду, учитывая, что водород- это составляющая атмосферы, и при этом содержание водорода в атмосфере очень мало (Рн =3*10-4 Торр), и его получение, реализуемое на практике электролизом воды просто, но не эффективно и опасно. С другой стороны, технология получения водорода, как элемента топлива, основанная на использовании свойств многих материалов активно поглощать атомы водорода в процессе трения, подробно описана в публикации [6] и может быть промышленно реализуема. Эта технология вызывает наводораживание материала, которое на 3-4 порядка превышает наводораживание, достигаемое традиционными методами [8]. Опыт авторов показывает возможность накопления водорода и его изотопов в нано частицах предлагаемого топлива, основанного на использовании водорода, что подробно описано в патенте на способ получения нано-структурированного топлива [7]. Рассмотрим физику получения водорода, используемого в топливе из окружающей нас воды, согласно запатентованной технологии. Вода, всегда входящая в состав атмосферы сорбируется на всех поверхностях шахтного забоя и при работе инструмента её молекулы диссоциируют на Н + ОН составляющие [8].

Н2О = Н + ОН. [9].

Рис. 1 Вид процесса образования атомов водорода Н на поверхностях твердых частиц угля (С) и их диффузии в материал от поверхности трения. Зона диффузии атомов водорода выделена темным цветом

Основа технологического процесса базируется на процессе проникновения атомов водорода внутрь нано частиц перемалываемого угля с их поверхности, а именно, из первого монослоя сорбата (слева и в центре на рис.1),, где он возникает в результате диссоциации сорбированных на поверхности молекул воды:

Представленный на рис 1 процесс происходит при т.н. «сухом трении» везде и всегда, но становится взрывоопасным лишь при очень малых размерах измельчаемых частиц , в нашем случае угольной пыли. Существенным преимуществом способа является то, что с целью предотвращения взрывов смеси процесс измельчения производится в вакууме, при рабочем давлении насыщающих паров воды, а процесс проникновения продуктов измельчения в жидкость - носитель также производится в вакууме [6,10]. Время, затрачиваемое на измельчение, определяется среднеквадратичным расстоянием х от поверхности до центра нано частицы, а расчётная концентрация растворённого в центре частицы водорода и его изотопов составляет [9]:

(1)

Fт -расчётная площадь поверхности нано частицы, подвергнутая трению,

С5surfH - исходная концентрация атомов водорода или его изотопа в первом монослое, сорбированном на поверхности нано частицы;

- коэффициент покрытия поверхности трения сорбированным водородом или его изотопом

Е1 - теплота физической адсорбции 1го слоя Дж-кмоль-1;

ЕL - теплота парообразования L-го слоя, Дж-моль-1;

р, рх - истинное давление и давление насыщающих паров сорбата, Па;

Я - универсальная газовая постоянная;

Т - температура сорбата,

ЭДП--число «мест» для сорбируемых молекул водорода или его изотопов на единичной площади поверхности частицы угля, подвергаемой трению do-- диаметр молекулы сорбата (До= 0,3 нм)

С1 - начальная концентрация водорода или его изотопа в объеме материала накопителя ат/см 3;

Б - коэффициент диффузии водорода или его изотопа в материале нано частицы,

х - среднеквадратичное расстояние от поверхности до центра нано частицы, образующей топливную суспензию;

Накопление требуемого М количества атомов водорода или его изотопов в единице объёма отдельно рассматриваемой нано частицы зависит от указанных выше параметров процесса трения при измельчении сырья и определяется выражением: атомарный водород топливо угольный

Тогда суммарное количество атомов водорода, накопленное в объёме нано частицы топлива составляет:

При этом теплотворная способность производимого нами топлива будет равна:

Где: Nyi -Число нано частиц твердой

составляющей в единичном объёме топлива, /м3 VP - объём растворителя, приходящийся на объём одной нано частицы, м3

V n - среднестатистический объём одной нано частицы АОН - энергия связи атомов водорода и кислорода (работа окисления атома водорода), Дж/ атом

Ар - удельная теплотворная способность растворителя топлива, Дж/ м 3

Полученное выражение ф.(5) позволило авторам произвести оценку теплотворной способности описываемого нано-структурированного топлива [7] и сравнение с другими видами топлива, предлагаемыми на мировом рынке. Авторами был произведен расчёт теплотворной способности топлива-суспензии для 3х вариантов топлива :Вариант I -суспензия: 30.74% уголь, 68% этанол.

Рис. 2 Сравнение весовой (J/kg) теплотворной способности различных видов топлива на мировом рынке, слева-направо: 1-бензин,2-дизельное топливо, 3-уголь каменный,.4- этиловый спирт, 5- нано-структурированное топливо-суспензия

Вариант II -суспензия: 65.32% уголь, 32% Этанол, Вариант III: уголь нано- структурированный (100%) без этанола. На рис.2. представлено сравнение весовой (J/kg) теплотворной способности различных видов топлива на мировом рынке с теплотворной способностью первого варианта топлива - суспензии, (которая у второго варианта выше).

На рис.3 показано объемное и весовое соотношение составляющих нано-структурированного топлива, из которого наглядно виден огромный энергетический вклад маленьких атомов водорода в теплотворную способность нано-структурированного топлива

Рис.3. Диаграммы объемной (J/м3, слева) и весовой (J/kg, справа) теплотворной способности компонентов нано-структурированного топлива: водорода (Hydrogen), угля (Coil), этилена (Alcohol)

Сравнение расчетных цен наноструктурированного топлива [7] с ценами на дизельное и водоугольное топливо[3], представленное в таблице 1 показывает, что цена топлива с увелченным содержанием наводороженного угля (3я строка) в 2-3 раза меньше стоимости дизельного топлива и приближается низкой стоимости водоугольного топлива, хотя по теплотворной способности зпачительно превосходит последнее, приближаясь к дизельному топливу.

Таблица 1

Наглядное представление о процессе обогащения угольной частицы запатентованного [7 ] авторами топлива водородом дает метод ВИМС - анализа (Вторичной Ионной Масс Спектрометрии), позволяющий оценивать распределение концентрации атомов анализируемых газов (у нас изотопов водорода) на глубине до 10 мкм с точностью до .001% . Так на рис. 4 и 5 представлены: вид образца угля ,и результаты трения этого образца, полученные методом ВИМС- анализа на нано-масштабном уровне.

Рис. 4 Вид образца угля, после 30 секунд трения о наждачную бумагу. Цифрами обозначены: 1- зона подвергнутая трению, 2- базовая зона(без трения)

Рис. 5 Результаты проникновения изотопов водорода (Протия H2 и Дейтерия D2) в образец угля на глубину 7 нм после 30 секунд трения (нижние диаграммы -до, верхние-после трения)

Описанный выше простейший эксперимент с куском угля выполненный авторами в лаборатории ВИМС -анализа показал, что любое контактное взаимодействие угледобывающего инструмента с углем приводит к «наводораживанию» как инструмента так и добываемого (измельчаемого) угля. Водород, попадающий при трении в инструмент вызывает его охрупчивание, называемое «водородной болезнью» металла [8], тогда как водород проникающий в уголь увеличивает его теплотворную способность, что наглядно показано в таблице 2 где теплотворная способность наноструктурированного угля на 20% процентов превышает теплотворную способность кусочков угля в топливе «Эковут», согласно патенту [4]

Таблица 2

Физика увеличения теплотворной способности угля при его измельчении известна физикам давно и идея военного использования этого эффекта была реализована гитлеровской Германией в 1943г. в «вакуумной бомбе», основу которой составляла угольная пыль, насыщенная водородом с добавкой тротила. Основой «вакуумного взрыва» является мгновенное чередование ударной взрывной волны, возникающей от скачка давления при окислени взрывчатого вещества (тротила, как в обычной бомбе) чередуемой с резким падением окружающего давления из-за мгновенного уменьшения концентрации молекул газа, происходящего одновременно с окислением основного взрывчатого вещества, которым являлся водород, растворенный в угольной пыли.. Взрывная (ударная) сила вакуумного взрыва немного слабее силы взрыва традиционной взрывчатки но при этом «вакуумный взрыв» способен мгновенно поражать биологические объекты в объёмах, атмосферно связанных с местом взрыва: -в траншеях, окопах, блиндажах, и, естественно. в шахтных выработках и, отдельно, в забоях, где слоями лежит угольная пыль , образовавшаяся при добыче угля. Известно, что угольная пыль многослойно скапливается на тепловых электростанциях, при сухом измельчении угля до подачи его на форсунки котлов. Собранная угольная пыль, наводораживается в металлических мельницах, что приводит к необъяснимым авариям со взрывами на ТЭЦ [10]. Для сжигания наводороженной угольной пыли требуется своя режимная карта и, прежде всего, требуется аккуратное удаление этой «вакуумной взрывчатки » из забоев шахт, и из угольных отвалов на ТЭЦ (см. рис.6) , с целью её эффективной реализации.