ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Технологія підземної газифікації вугілля (ПГУ) - нетрадиційний спосіб розробки вугільних родовищ, що відкриває нові можливості у відпрацюванні вугільних пластів зі складними гірничо-геологічними умовами залягання, що поєднує видобуток, збагачення і переробку вугілля. Сутність технології підземної газифікації вугілля полягає в бурінні з поверхні землі свердловин до вугільного пласта, зі збійкою (з'єднанням) їх у пласті одним з відомих способів,  в подальшому розжигу (створення керованого вогнища горіння) вугільного пласта і забезпеченні умов для перетворення вугілля безпосередньо в надрах у горючий  газ і у видачі виробленого газу по свердловинах на земну поверхню. Таким чином, всі технологічні операції з газифікації вугільного пласта здійснюються  з наземною поверхні, без застосування підземного праці робiтникiв, а розробка вугільного пласта відбувається екологічним способом.

Підземна газифікація вугілля вигідна на тих вугільних пластах, які задовольняють наступним критеріям:

- пласт повинен лежати на глибині від 30 до 800 м;

- потужність (товщина) пласта повинна бути більше 5 м;

- зольність вугілля не повинна перевищувати 45%;

- пласт повинен мати мінімальні розриви;

- поруч не повинно бути водойм, щоб виключити забруднення питної води. [2]

До основних достоїнств технології ПГУ відносяться:

а) економічна привабливість - собівартість газу ПГУ помітно нижче собівартості видобутку природного газу;

б) досить високий ступінь екологічної безпеки - особливо порівняно з традиційними способами видобутку вугілля, приводять до виникнення ситуації екологічного лиха в регіонах розробки вугільних родовищ;

в) забезпечення ефекту «газозбереження», що виражається в заміщенні газом ПГУ на ТЕЦ і в котелень використовувався там природного газу. [3]

1. Актуальність теми

Розвиток сучасних промислових підприємств супроводжується постійно зростаючим споживанням паливно-енергетичних ресурсів, внаслідок чого витрати на енергоресурси в структурі собівартості продукції, що випускається складають від 20 до 50%. Загальносвітова тенденція до збільшення цін на вуглеводневі палива підштовхує споживачів шукати дешевші альтернативні енергоносії. Залежність України від імпортного палива вимагає детального переглядення політики використання власних енергоресурсів, в першу чергу вугілля.

Відомо, що запаси вугілля в Україні значно багатщi, ніж власні запаси газу. Газу за різними оцінками Україну ще на 50 років вистачить, а вугілля в Україна до 400 років запасу. Одним із шляхів підтримки конкурентоспроможності ряду виробництв є газифікація твердих палив. Вчені оцінюють поклади вугілля, придатні до газифікації в 40,1 млрд тонн або близько 30% наявних запасів (117 млрд т). На їх думку, сировиною українці забезпечені на сторіччя. Згідно з розрахунками вчених, для отримання 1 куб. м газу необхідно переробити близько 2 млн тонн вугілля. На даний час для підземної газифікації можуть бути задіяні близько 20 млрд т балансових і 3,8 млрд т позабалансових запасів кам'яного вугілля. [5]

У процесі реструктуризації вугільної промисловості в Україні значна кількість неробочих пластів вугілля залишається поза балансом і не використовується.  Поновлення виробничої діяльності шахт, які знаходяться в процесі закриття, для доопрацювання цих пластів звичайними методами економічно не ефективне.  Найбільш перспективним рішенням є підземна газифікація вугілля, яка дасть можливість отримати значний еколого - економічний ефект. На сьогоднішній  день підземна газифікація вугілля є конкурентоспроможною технологією, в результаті використання якої виробляються бензин, дизельне та авіаційне палива,  електрика і безліч різних хімічних речовин. Для підземної газифікація вугілля не потрібно зовнішнього джерела води, що є основним позитивним  чинником для збереження навколишнього середовища на противагу водоємним процесам видобутку, переробки вугілля і отримання електроенергії на вугільних ТЕС. Багато  технологічні процеси вимагають великої кількості теплової енергії, яку можна легко отримати шляхом спалювання синтез - газу, отриманого газифікацією вугілля.  Крім того, синтез - газ може бути використаний в газопоршневих електроагрегатах, що є актуальним для автономного енергозабезпечення віддалених виробничих  і цивільних об'єктів.

Реальність такого проекту була перевірена на закритій шахті «Селидіввугілля». Загалом за період 1985 - 1991 рр.. тут в експериментальному порядку було газифіковано близько 3,5 тис. т вугілля. Продуктивний газ прямував в котел - утилізатор системи теплопостачання. Основне питання про нерентабельність шахт Донбасу так само може бути вирішене за рахунок використання методу підземної газифікації. Середня глибина яких становить до 700 м, більше 15% шахт мають глибину більше 1000 м. Близько 85% вугілля міститься в пластах потужністю 1,2 м і тільки 15% мають велику товщину. Для виробництва синтез - газу доцільно використання вугілля марок Б, Д і ДГ. [5] [7]

Реалізація проектів з переведення реструктуризованих шахт в розряд газовидобувних дасть можливість зменшити бюджетні витрати на закриття неперспективних шахт приблизно на 50 - 60% і знизити соціальне навантаження при закритті шахт, створюючи додатково 40 - 50 робочих місць, на одну позицію.

2. Мета і задачі магістерської роботи

Метою роботи є проведення аналізу перспектив і методів використання газу підземної газифікації з метою розробки енергоефективних рішень щодо економії енергоресурсів. Для розкриття даної мети необхідно вирішити ряд задач:

1. Розглянути процес підземної газифікації кам'яного вугілля

2. Провести експертизу придатність кам'яного вугілля Донбасу для процесу газифікації

3. Визначити більш відповідний метод газифікації для Донбасу

4. Перспективи подальшого використання синтез - газу

5. Оцінка зміни екологічного стану навколишнього середовища

3. Огляд досліджень та розробок

Забезпеченість енергоресурсами є обов'язковою умовою розвитку економіки будь-якої країни. Процес підземної газифікації вугілля розглядається і вивчається протягом багатьох років, так як є одним з найбільш перспективних рішень переробки вугілля та отримання пального газу.

3.1 Огляд міжнародних досліджень та розробок

Сьогодні практично у всіх великих вугледобувних країнах світу різко зріс інтерес до підземної газифікації вугілля. Інтенсивні роботи дослідницького і практичного характеру проводяться в Китаї, в Австралії, де в 2003 р. побудовано велике підприємство даного профілю - з використанням в цих країнах застосованої раніше в колишньому СРСР технологічної схеми газифікації вугільних пластів. Проявляється активний інтерес до цієї технології в таких країнах, як Індія, Казахстан, Україна,  США, В'єтнам, ПАР, КНДР, Південна Корея і багатьох інших.

Роботи з підземної газифікації вугілля у Франції проводила "Дослідницька група з проблем газифікації вугілля" (СЕС), що складається з чотирьох приватних і державних організацій. Програма експериментів проектною вартістю 155 млн. франків реалізовувалася з 1979 р. і була розрахована до 1995-2000 р. Вона була спрямована на газифікацію тонких вугільних пластів потужністю менше 2 м на глибинах порядку 1000-2000 м (запаси близько 2 млрд. т).

У Великобританії роботи з ПГУ проводило Національне вугільне бюро. Здійснено техніко-економічні оцінки можливостей застосування ПГУ. Визнано економічним вести розробку пластів на парокисневому дуття високого тиску на глибинах від 500 до 1000 м при підготовці каналів бурінням. Складені карти вугільних родовищ, придатних для розробки методом ПГУ, які знаходяться під дном Північного моря. Визначено критерії економічності їх розробки. [22]

У Німеччині експерименти щодо ПГУ проводилися з 1975 р. З 1982 р. всі роботи координувалися новим дослідною установою, створеним гірничопромисловими фірмами ФРН, "Дослідницьким суспільством нових технологій видобутку вугілля" (К2Г). Була розроблена велика програма. У першій її частині йшлося про дослідження властивостей вугілля на великих глибинах і умовах його хімічного перетворення на місці залягання. Друга частина пов'язана з визначенням властивостей вугілля і перспектив їх газифікації по геологічними даними. Всі ці роботи не були пов'язані з практичним застосуванням ПГУ. [19]

У Нідерландах існувала довгострокова програма дослідних робіт з ПГУ, що складається з трьох етапів. Перший включає лабораторні дослідження і закінчився в 1990 р. За його результатами можна вибирати методи та обсяги польових досліджень. Центр досліджень знаходиться в Університеті м. Дельфта.

У США протягом 1972-1992 рр.. реалізувалася програма вивчення основ підземної газафікаціі вугілля. Було проведено близько 30 експериментів у природних умовах на вугільних родовищах п'яти штатів (Вайомінг, Західна Вірджинія, Іллінойс, Нью Мек-сико, Техас). [21]

3.2 Огляд національних досліджень та розробок

В області підземної газифікації вугілля Україна володіє передовими позиціями. У свій час на території колишнього СРСР працювало кілька промислових підприємств даного профілю. Деякі з цих підприємств успішно функціонували протягом декількох десятиліть. Так, в Кузбасі протягом 40 років експлуатувалася Південно-Абінська станція «Подземгаз», безперебійно снабжавшая горючим газом до 14 малих котелень Кисельовська та Прокопьевска і закрита в 1996 р. з причини фізичного зносу обладнання.

У Дніпробасу (Південно-Синельниковське родовище) газифікували буровугільний пласт потужністю 3,5 м на глибині 60 м. Вміщуючими породами були глини і піски палеогенового віку порівняно пухкої структури. У грунті вугільного пласта мався потужний (до 30 м) водоносний горизонт з величиною напору до 50 м і коефіцієнтом фільтрації 8 м/добу. Потужність надвугільної водоносного горизонту становила близько 20 м з коефіцієнтом фільтрації 4-6 м/добу. Потужність розділяють водотривів становила в покрівлі вугільного пласта 10-16 м, у грунті 1-3 м. У подугольном водоносному горизонті проводили водозниження.

У Донбасі підземну газифікацію проводили на Лисичанській станції «Подземгаз». Там газифікували похилі (38-60 °C) кам'яновугільні пласти потужністю 0,5-1 м на глибині 60-250 м. Вміщають вугільний пласт породи: глинисті сланці і пісковики кам'яновугільного періоду. Вугільний пласт водоносний, з напорами до 300-400 м над горизонтом розпалювання. Типовим для цих ділянок була мала водообільность вугільного пласта, що визначається невеликою потужністю вугільного пласта і коефіцієнтом фільтрації 0,1 м/добу. Покрівля і грунт вугільних пластів представлені водотривкими породами. У даних умовах заздалегідь знімали натиск підземних вод у вугільному пласті і проводили водовідлив з вигазованного простору. [15]

Розробкою технологій підземної газифікації вугілля і вивченням процесів горіння під землею займалися: В.А. Матвєєв, Н.А. Федоров.  Крейнін.Которие запропонували проводити підземну газифікацію вугілля в горизонтальна каналі при підготовці газового генератора шахтним способом.  Значний внесок у розвиток ідей і технології підземної газифікації внеc П. В. Скафа.

 

У книзі "Технологія підземної розробки пластових родовищ корисних копалин" Бондаренко В.І., Кузьменко А.М., Грядущий Ю.Б., Дзвонів О.В., Харченко В.В., Табаченко Н.М., Почеп В.М.  приводять загальні принципи формування моделі підземної розробки пластових родовищ. Вивчають технологічні властивості корисних копалин і вміщали порід. Розглядають технологічні заходи щодо зниження екологічного навантаження в гірничодобувному регіоні при підземній розробці родовищ. Перспективи використання ресурсів вугільних родовищ Донбасу розглянуті в книзі Герасимова Є.С. Загальний процес газифікації та історичний розвиток розглянуті Г.А. Папафанасопуло. Новий етап розвитку підземної газифікації вугілля в Росії і в світі вивчали Лазаренко С.М., Кравцов П.В.

4. Технологія виробництва газу підземної газифікації

Сутність технології підземної газифікації вугілля полягає в первісному бурінні двох свердловин (похилих або вертикальних), потім вироблення з'єднуються між собою горизонтальним каналом, званим вогневим штреком. На малюнку 3 зазначені основні елементи: 1 - бурові свердловини; 2 - реакційні канали, 3 - газоходи.

Малюнок 1 - Основні елементи підземної газифікації вугілля

Для створення горизонтального каналу використовуються такі методи як пропалення, гідравлічний розрив, похило-горизонтальне буріння, шахтний метод та ін Після розпалу горіння поширюється по вугільній поверхні вогневого штреку. Підземна газифікація вугілля здійснюється під дією високої температури (1000-2000 °С). Процес здійснюється під тиском дуття - різних окислювачів (як правило, повітря, О2 і водяної пари, рідше-СО2). Для підведення дуття і відведення газу газифікацію проводять в свердловинах, розташованих в певному порядку і утворюють так званий підземний генератор. У ньому йдуть ті ж хімічні реакції, що і в звичайних газогенераторах.

Стиснене повітря з компресорного цеху з повітропроводів направляється в газогенератор, де він реагує при високій температурі з вугіллям, в результаті утворюється генераторний газ. Газ надходить на поверхню, де охолоджується, очищається і подається до споживача (ТЕЦ) за рахунок тиску, що розвивається дуттьовими машинами при нагнітанні повітря в газогенератор. Палаюча поверхню вугільного пласта називається вогневим забоєм. Вугільний пласт вигорає поступово знизу вгору, при цьому вогневої забій переміщається по повстанню вугільного пласта. У міру вигазовиванія пласта вигоріле простір заповнюється обрушуються породами покрівлі та зольним залишком вугілля. Перетин вогневого штреку залишається практично однаковим, а поверхня забою вільною для доступу дуття. Потік, омиваючи поверхню вогневого забою, газифікує  вугілля з утворенням горючого газу. У процесі газифікації вугілля існує дві стадії: стадія термічного розкладання, при якій з вугілля виділяється волога і леткі  парогазові речовини і залишається коксовий залишок; стадія газифікації, при якій вуглець коксового залишку за допомогою вільного або пов'язаного кисню перетворюється  в горючі гази і ці гази, взаємодіють з киснем і водяною парою. [7]  [9]

Таким чином, всі технологічні операції з газифікації вугільного пласта здійснюються із земної поверхні, без застосування підземного праці працюючих, а розробка вугільного пласта відбувається екологічно прийнятний спосіб. Особливості технології дозволяють використовувати навіть ті родовища, розробка яких традиційними способами неефективна.

Принципова схема ПГУ представлена на малюнку 2, де 1 - підземний газогенератор; 2 - стиснене повітря, 3 - низькокалорійний газ, 4 - установка очищення газу; 5 - повітря;  6 - компресор; 7 - камера згоряння; 8 - пароперегрівач; 9 - димові гази з температурою 800-850 °С; 10 - газова турбіна; 11 - витяжна труба; 12 - економайзер;  13 - генератор змінного струму; 14 - електромережа; 15 - парова турбіна; 16 - конденсатор; 17 - насос; 18 - пара з температурою 250 °С; 19 - вода.  

 

Малюнок 2 - Принципова схема підземної газифікації вугілля

Передбачуваний склад виробленого газу характеризується наступними діапазонами зміни змісту окремих компонентів газу:

а) при використанні в технології ПГУ повітряного дуття: С02 - 12,0-15,3%; СmНn - 0,1-0,7%; О2 - 0,2%; СO - 10,0-14,0%; Н2 - 12,1-16,2% ; СН4 - 2,0-4,0%; N2 - 55,0-60,0%; H2S - 0,01-0,06%.

Теплотворна здатність такого низькокалорійного газу - близько 4 МДж/м3.

б) при використанні парокіслородной дуття (після очищення газу від CO2): СО - 35,0%; Н2 - 50,0%; СН2 - 7,5%; CmHn - 1,2%; О2 - 0,3%; N2 - 5,0%.

Теплотворна здатність виробленого при цьому газу - 10-13 МДж/м3. [14]

Різні варіанти використання газу як технологічної сировини просто не піддаються огляду. Укрупнено можна виділити три потенційні сфери його застосування:

1. Використання основних компонентів (СО + Н2) як сировини для широкого спектру процесів хімічного синтезу, які вже освоєні промисловістю. Тут, перш все, слід виділити виробництво метанолу та особливо діметілового ефіру як перспективної альтернативи нафтовому дизельному паливу.

2. Другий напрямок пов'язаний з виділенням водню (його зміст в продуктовому газі становить 20-25%). Це - універсальний продукт, споживання якого радикально зросте вже в найближчому майбутньому. Сфера його застосування надзвичайно широка: від палива для водневої енергетики до живильного субстрату для бактерій при виробництві синтетичних кормів для тваринництва і біоразрушаемих полімерів, які повинні прийти на зміну традиційному поліетилену і поліпропілену. Дуже важливо відзначити, що в даний час промислове впровадження всіх перелічених технологій стримується тільки високою ціною водню.

3. Використання газу як відновника в металургійних процесах прямого відновлення заліза та інших металів. Необхідно зауважити, що орієнтація на виробництво газу хімічного призначення вимагає зміни параметрів процесу в порівнянні з варіантом виробництва енергетичного газу. Економічна привабливість проектів газифікації вугілля найбільш висока, особливо стосовно до низькоякісного сировині з практично нульовою вартістю. Впровадження технології газифікації в виробничий процес підприємства дає можливість витягти максимальну кількість енергії з сировини, а також скоротити витрати на утилізацію і знизити вплив  на навколишнє середовище. [10] [17]

Висновки

Створення ефективних вугільних технологій із зниженою емісією шкідливих речовин в межах технологічного циклу, що дозволяють отримувати конкурентоспроможні продукти та генерувати електричну та теплову енергію, є пріоритетним завданням світової енергетичної стратегії.

Розміщення енерготехнологічних підприємств, що виробляють широку гаму продуктів углепереработки, на невеликій відстані від вугледобувних підприємств дасть можливість знизити гостроту транспортних проблем, пов'язаних з дефіцитом рухомого складу для перевезення вугілля. Крім того, радикальне збільшення вартісної «віддачі» однієї тонни вугілля буде сприяти збільшенню бази оподаткування та економічному зростанню у вугільних регіонах.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Зоря А. Ю., Крейнин Є. В., Лазаренко С. М. Нові можливості. Перспективи розвитку технології підземної газифікації вугілля / / Вугілля Кузбасу. - 2009. - № 4. - С.74 - 77.
  2. Янковський М.А., Макогон Ю.В., Рябчин О.М., Губатенко М.І. Альтернативи природному газу в Україні в умовах енерго-і ресурсодефіціта: промислові технології / під ред. Макогона Ю.В. - Донецьк: ДонНУ, 2011. - 247 с.
  3. Раімжанов Б.Р., Салтиков І.М., Якубов С.І. Підземна газифікація вугілля: історичні відомості та проблеми / / Гірський вісник Узбекистану. 2008.
  4. Янко С.В., Громов В.А., Поштук А.З.Подземное спалювання вугілля / / Вугілля України. - 1995. - № 11. - С. 2-5.
  5. Логвиненко В.І., Грядущий Б.А., Чехлатий Н.А. та ін Стан і основні напрямки енергозбереження на вугільних підприємствах / / Вугілля України. - 2004. - № 4. - С. 19-23.
  6. Вольчін І.А. Розробка процесу піролізу низькосортних уг-лей в киплячому шарі з метою використання генераторного газу в про-мисловості: Дис. ... канд. техн. наук: 05.14.04. - К., 1993. - 211 с.
  7. Крейнін Е.В., Шіфрін Е.І. Математична модель процесів горіння та газифікації вугілля в каналі підземного газогенератора / / ФГВ. 1993, № 5 С. 21-28
  8. Шаршанов А.Я., Луценко Ю.В., Олійник В.В., Шульга І.В.Математіческая модель процесу газифікації вугілля в газогенераторах / / ВУГЛЕХІМІЧНИЙ журнал. 2001, № 3-4 С.33-40
  9. Карп І.М., П'яних К.Є., Нікітін Є.Є. Використання генераторного газу в комунальній теплоенергетиці / / Енерготехнології та ресурсозбереження. - 2009. ? № 2. - С. 18 - 24.
  10. Клюс В.П., Кисла С.А. Комбінована схема виробництва генераторного газу / / В. П. Клюс, С. А. Кисла - Відновлювана енергетика ХХІ століття. Матеріали 10-ї ювілейної міжнародної науково-практичної конференции, Крим, 2009. - С. 377 - 380.
  11. Янковський М.А., Макогон Ю.В., Рябчин О.М., Губатенко М.І. Альтернативи природному газу в Україні в умів енерго-і ресурсодефіціту: промислові технології / под ред. Макогона Ю.В. - Донецьк: ДонНУ, 2011. - 247 с.
  12. Губатенко Н.І. Конкурентоспроможність України в умовах-ях глобалізації світової економіки / Н. І. Губатенко / / Проблеми розвитку зовнішньоекономічних зв'язків і залу-чення іноземних інвестицій: регіональний аспект: зб. науч. тр. - Донецьк: ДонНУ, 2006. - Ч.3. - С. 1007-1012.
  13. Караханов Е.А. Синтез-газ як альтернатива нафти. 1. Про-цес Фішера-Тропша і оксо-синтез / / Соросівський освітньої журнал. - 1997. - № 6. - С.69.
  14. Кузнєцов Б.М. Нові підходи в хімічній переробці вугілля / / Соросівський освітній журнал. - 1996. - № 6. - С. 50-58.
  15. Макогон Ю.В., Рябчин А. М. Синтез-газ в Україні / / Енер-госбереженіе. - № 7. - Липень 2010 року. - С. 16-17.
  16. Хімічні речовини з вугілля. : Пров. з нім. / Під ред. Е. Фальбе. - М.: Хімія, 1980. - 616 с.
  17. Шелдон Р.А. Хімічні продукти на основі синтез-газу: пров. з англ. - М.: Хімія, 1987.
  18. Шилінг Г.Д., Бонн Б., Краус У. Газифікація вугілля: пров. з нім. і ред. С. Р. Ісламова. - МЖ Надра, 1986 - 175 с.
  19. Jonson J.L. Kinetics of coal gasification.- N.Y.: John Wiley&Sons, 1979.
  20. Рeters N. Premixed burning in diffusion flames – the flame zone model of Libby and Economs// Int.J. Heat Mass Transfer/- 1979.-22, N5- P.691-703
  21. NAVARRO TORRES V.F,Modelling and Optimisation of Underground Coal Gasification and CO2 Capture and Sequestration for Clean Energy in Europe.Proposal of European Young Investigator Awards – EURYI Awards 2005
  22. GREEN, M., Overview of worldwide field activity and the Future of UCG. 4th International Conference on Underground Coal Gasification. UCG Partnership, London, February 1011, 2009.
  23. DINIS DA GAMA, C. AND NAVARRO TORRES V.F, A mathematical model to assess an environmental sustainability index for the underground coal gasification process. 4th International Conference on Underground Coal Gasification. UCG Partnership, London, February 1011, 2009.