Подземная газификация углей

Сущность процесса подземной газификации. Подземная газификация угольных пластов (ПГУ) – высокотемпературный химический перевод полезного ископаемого непосредственно в условиях его естественного залегания в газообразное состояние с последующей выдачей газа по скважинам на земную поверхность.

Для подачи воздушного или паро-кислородно-воздушного дутья и отвода образовавшегося газа технология ПГУ предусматривает бурение вертикальных, наклонных и наклонно-горизонтальных скважин. Их располагают одну от другой на расстоянии 20-35 м и соединяют по угольному пласту сбойками – реакционными каналами, предназначенными для зажигания угля и взаимодействия его с потоками дутья и газа (рис. ).

Часть угольного пласта, подготовленного горными выработками для подземной газификации, называется подземным газогенератором.

Реакционные каналы создаются фильтрационно-огневой сбойкой, гидравлическим разрывом пласта, направленным бурением скважин по угольному пласту, применением электрического тока. Пласт зажигают химическими воспламенителями.

Подземная газификация угля имеет ряд специфических особенностей:

§ зависимость процесса газификации от горно-геологических условий залегания месторождения, так как окружающие газогенератор боковые породы играют роль стенок реактора. На небольшой глубине они не обеспечивают достаточную герметичность подземного газогенератора и его изоляцию от водоносных горизонтов;

§ отсутствие движения топлива;

§ отсутствие газопроницаемых стенок, вследствие чего канал проницаемости непосредственно граничит с угольным пластом, который подвергается термическому воздействию на определенную глубину;

§ соприкосновение зоны горения с горными породами, химические включения которых могут каталитически влиять на процесс;

§ проникновение подземных вод в газогенератор, вследствие чего повышается эффективность газификации даже на одном воздушном дутье, поскольку процесс протекает с участием водяного пара.

Системы подземной газификации угольных пластов. При бесшахтных технологических схемах подземной газификации вскрывающими выработками являются скважины, пробуренные с дневной поверхности. Подготовка участка к газификации заключается в создании канала проницаемости по угольному пласту. Собственно газификация угольного пласта происходит в канале при нагнетании дутья в одни скважины и отводе продуктивного газа из других.

Месторождения могут вскрываться вертикальными скважинами (рис. ), наклонными (рис. ), совместно наклонно- горизонтальными и вертикальными (рис. ), направленными (наклонно-горизонтальными) скважинами (рис. ).

При вскрытии мощного крутого пласта выполняют на некотором расстоянии друг от друга наклонные скважины как непосредственно по пласту угля, так и полевые (рис. ). Нижние концы скважин соединяют горизонтальным каналом проницаемости путем направленного бурения или гидроразрыва. В нем производится розжиг, затем через одни скважины подается дутье, а через другие получают продуктивный газ. Главной технологической особенностью этой схемы является то, что процесс газификации (огневой забой) движется вверх по восстанию пласта. Этот метод газификации называется поточным.

При наличии горизонтальных пластов применяется схема вскрытия наклонно-горизонтальными и вертикальными скважинами (рис. ). Обсадка таких скважин трубами производится до горизонтального пласта. Вертикальные скважины могут включаться в работу одновременно или последовательно по всей длине горизонтального участка наклоннонаправленной скважины.

Одна из наиболее рациональных – схема вскрытия наклонно-горизонтальными скважинами (рис. ), горизонтальная часть которых может иметь длину 200 м и более. Количество скважин в этой схеме значительно сокращено. Процесс газификации протекает между скважинами в плоскости пласта при обтекаемой форме огневого забоя.

Искусственные каналы проницаемости – важный элемент подземного газогенератора. В них происходит процесс газификации, т.е. взаимодействие кислорода с углеродом угольного пласта. В результате окислительной реакции образуют газы (окись углерода, водород, метан и др.).

Каналы проницаемости создают фильтрационной сбойкой скважин, гидравлическим разрывом пласта – водой или воздухом, бурением и электросбойкой.

Технологический комплекс станции подземной

газификации угля (ПГУ)

Станция ПГУ состоит из следующих подземных и наземных элементов: подземного газогенератора; цехов: компрессорного, газогенераторного, очистки и охлаждения газа, транспортирования газа; буровой.

В компрессорном цехе размещаются компрессоры высокого и низкого давления. Компрессоры высокого давления служат для подачи в подземный газогенератор дутья высокого давления (0,5–6 МПа, производительность 5000-6000 м³/ч) на фильтрационную сбойку или проработку каналов проницаемости.

Компрессоры низкого давления (трубовоздуходувный) подают дутье в подземный газогенератор для реализации процесса газификации. Их давление составляет 0,2 МПа при производительности 5000-6000 м³/ч дутья. Из компрессорного цеха дутьевые потоки по обособленным воздухопроводам (высокого и низкого давлений) поступают в газогенераторный цех и далее подводятся к технологическим скважинам (рис. ).

Подземная газификация угля происходит при давлении 0,05–0,5 МПа, под действием которого газ поступает из газогенератора на поверхность в газоотводящий трубопровод. Температура газа на выходе из скважин составляет 250-300°С. Вместе с газом из генератора частично выносятся пыль, смола и другие примеси, поэтому получаемый газ очищают в специальных аппаратах – циклонах, после чего охлаждают в холодильниках – скрубберах до температуры 20-30^оС, а затем пропускают через электрофильтры для окончательной очистки от мелких частиц пыли и смолы.

После полного цикла очистки газ по газопроводам поступает в транспортный цех, а затем к потребителю либо под собственным давлением, либо с помощью турбогазодувок (при расстояниях до потребителя более 5-7 км).

Буровой цех предназначен для бурения технологических и контрольных скважин.

Газ ПГУ как энергетическое топливо превосходит по своим теплотехническим качествам любой уголь: КПД газового топлива на 20…25% выше, чем КПД твердого.

К преимуществам подземной газификации наряду с ликвидацией подземного труда и улучшением экологических условий использования топлива можно отнести следующие:

§ сокращение сроков и затрат на капитальное строительство горных предприятий (на проектирование и строительство шахты уходит 8-12 лет, на создание станции ПГУ – в 2-3 раза меньше, металлоемкость, капиталоемкость и трудоемкость также в 2-3 раза ниже);

§ увеличение производительность труда в 4-5 раз;

§ снижение себестоимости конечной продукции и трудовых затрат на транспортно- погрузочные работы.

Кроме того, при разработке угольных месторождений способом ПГУ не нарушается плодородный слой почвы, нет необходимости в выделении больших площадей для размещения пустой породы, рекультивации земель. Угольные ресурсы можно использовать более полно всвязи с вовлечением в отработку некондиционных и забалансовых запасов угля. Процессы ПГУ и использования газа могут быть автоматизированы и поддаются дистанционному управлению.

К недостаткам ПГУ следует отнести трудности в осуществлении контроля за процессом газификации. Оседание поверхности иногда приводит к прорыву газа вследствие разрушения трубопроводов и оборудования, установленных на поверхности. Подземная газификация может нарушить водоносные горизонты и вызвать загрязнение грунтовых вод. Нужно также отметить, что продуктивный газ со сравнительно низкой удельной теплотой сгорания транспортировать на большие расстояния нерентабельно, т.е. потребители газа должны находиться поблизости от места его производства (25-30 км).

В Днепропетровском горном университете разработана принципиально новая технологическая схема ПГУ (рис. ). С поверхности земли до пересечения с пластом бурятся наклонно- горизонтальные нагнетательные и газоотводящая скважины. Наклонная часть скважин укреплена обсадными трубами с цементацией затрубного пространства, а стенки горизонтальной части скважин, пробуренных по углю, укреплены специальным раствором. Газификация угля происходит в огневом забое между нагнетательными и газоотводящей скважинами. Горение угля поддерживается подвижными воспламенителями.

Интенсификация процесса газификации достигается за счет подачи в подземный газогенератор вместе с дутьем порошкообразного катализатора, что способствует увеличению выхода горючего компонента – монооксида углерода (СО) в 1,5-2,5 раза. Вместе воздушного дутья подается смесь, обогащенная кислородом и диоксидом углерода (СО₂).

Газификация производится с закладкой выгазованного пространства отходами производства (золошлаками и хвостами углеобогащения, содержащими частицы угля), которые в подземном газогенераторе подвергаются газификации.