ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Технология подземной газификации угля (ПГУ) — нетрадиционный способ разработки угольных месторождений, открывающий новые возможности в отработке угольных пластов со сложными горно-геологическими условиями залегания, совмещающий добычу, обогащение и переработку угля. Сущность технологии подземной газификации угля заключается в бурении с поверхности земли скважин до угольного пласта, со сбойкой (соединением) их в пласте одним из известных способов, в последующем розжиге (создании управляемого очага горения) угольного пласта и обеспечении условий для превращения угля непосредственно в недрах в горючий газ и в выдаче произведенного газа по скважинам на земную поверхность. Таким образом, все технологические операции по газификации угольного пласта осуществляются с наземной поверхности, без применения подземного труда работающих, а разработка угольного пласта происходит экологически приемлемым способом.

Подземная газификация угля выгодна на тех угольных пластах, которые удовлетворяют следующим критериям:

- пласт должен лежать на глубине от 30 до 800 м;

- мощность (толщина) пласта должна быть более 5 м;

- зольность угля не должна превышать 45%;

- пласт должен иметь минимальные разрывы;

- рядом не должно быть водоёмов, чтобы исключить загрязнение питьевой воды.[2]

К основным достоинствам технологии ПГУ относятся:

а) экономическая привлекательность — себестоимость газа ПГУ заметно ниже себестоимости добычи природного газа;

б) довольно высокая степень экологической безопасности — особенно в сравнении с традиционными способами добычи угля, приводящими к возникновению ситуации экологического бедствия в регионах разработки угольных месторождений;

в) обеспечение эффекта «газосбережения», выражающееся в замещении газом ПГУ на ТЭЦ и в котельных использовавшегося там природного газа.[3]

1. Актуальность темы

Развитие современных промышленных предприятий сопровождается постоянно возрастающим потреблением топливно-энергетических ресурсов, вследствие чего затраты на энергоресурсы в структуре себестоимости выпускаемой продукции составляют от 20 до 50%. Общемировая тенденция к увеличению цен на углеводородные топлива подталкивает потребителей искать более дешевые альтернативные энергоносители. Зависимость Украины от импортного топлива требует детального пересмотрения политики использования собственных энергоресурсов, в первую очередь угля.

Известно, что запасы угля в Украине гораздо богаче, нежели собственные запасы газа. Газа по разным оценкам Украине еще на 50 лет хватит, а угля в Украине до 400 лет запаса. Одним из путей поддержания конкурентоспособности ряда производств является газификация твердых топлив. Ученые оценивают залежи угля, пригодные к газификации в 40,1 млрд тонн или порядка 30% имеющихся запасов (117 млрд т). По их мнению, сырьем украинцы обеспечены на столетия. Согласно расчетам ученых, для получения 1 куб. м газа необходимо переработать порядка 2 млн тонн угля. На данное время для подземной газификации могут быть задействованы около 20 млрд т балансовых и 3,8 млрд т забалансовых запасов каменного угля.[5]

В процессе реструктуризации угольной промышленности в Украине значительное количество нерабочих пластов угля остаётся вне баланса и не используется. Возобновление производственной деятельности шахт, которые находятся в процессе закрытия, для доработки этих пластов обычными методами экономически не эффективно. Наиболее перспективным решением является подземная газификация угля, которая даст возможность получить значительный эколого – экономический эффект. На сегодняшний день подземная газификация угля является конкурентоспособной технологией, в результате использования которой производятся бензин, дизельное и авиационное топлива, электричество и множество различных химических веществ. Для подземной газификация угля не требуется внешнего источника воды, что является основным положительным фактором для сохранения окружающей среды в противоположность водоёмким процессам добычи, переработки угля и получения электроэнергии на угольных ТЭС. Многие технологические процессы требуют большого количества тепловой энергии, которую можно легко получить путем сжигания синтез - газа, полученного газификацией угля. Кроме того, синтез - газ может быть использован в газопоршневых электроагрегатах, что является актуальным для автономного энергообеспечения отдаленных производственных и гражданских объектов.

Реальность такого проекта была проверена на закрытой шахте «Селидовуголь». В общем за период 1985 – 1991 гг. здесь в экспериментальном порядке было газифицировано около 3,5 тыс. т угля. Продуктивный газ направлялся в котёл – утилизатор системы теплоснабжения. Основной вопрос о нерентабельности шахт Донбасса так же может быть решен за счёт использования метода подземной газификации. Средняя глубина которых составляет до 700 м, более 15% шахт имеют глубину более 1000 м. Около 85 % угля содержится в пластах мощностью 1,2 м и только 15% имеют большую толщину. Для производства синтез - газа целесообразно использование углей марок Б, Д и ДГ. [5] [7]

Реализация проектов по переведению реструктуризированных шахт в разряд газодобывающих даст возможность уменьшить бюджетные затраты на закрытие неперспективных шахт приблизительно на 50 – 60% и снизить социальную нагрузку при закрытии шахт, создавая дополнительно 40 – 50 рабочих мест, на одну позицию.

2. Цель и задачи магистерской работы

Целью работы является проведение анализа перспектив и методов использования газа подземной газификации с целью разработки энергоэффективных решений по экономии энергоресурсов. Для раскрытия данной цели необходимо решить ряд задач:

1. Рассмотрение процесс подземной газификации каменного угля

2. Провести экспертизу пригодность каменного угля Донбасса для процесса газификации

3. Определить более подходящий метод газификации для Донбасса

4. Перспективы дальнейшее использование синтез – газа

5. Оценка изменения экологического состояния окружающей среды

3. Обзор исследований и разработок

Обеспеченность энергоресурсами является обязательным условием развития экономики любой страны. Процесс подземной газификации угля рассматривается и изучается на протяжении многих лет, так как является одним из наиболее перспективных решений переработки угля и получения горючего газа.

3.1 Обзор международных исследований и разработок

Сегодня практически во всех крупных угледобывающих странах мира резко возрос интерес к подземной газификации угля. Интенсивные работы исследовательского и практического характера проводятся в Китае, в Австралии, где в 2003 г. построено крупное предприятие данного профиля - с использованием в этих странах применявшейся ранее в бывшем СССР технологической схемы газификации угольных пластов. Проявляется активный интерес к этой технологии в таких странах, как Индия, Казахстан, Украина, США, Вьетнам, ЮАР, КНДР, Южная Корея и многих других.

Работы по подземной газификации углей во Франции проводила "Исследовательская группа по проблемам газификации углей" (СЕС), состоящая из четырех частных и государственных организаций. Программа экспериментов проектной стоимостью 155 млн. франков реализовывалась с 1979 г. и была рассчитана до 1995-2000 г. Она была направлена на газификацию тонких угольных пластов мощностью менее 2 м на глубинах порядка 1000-2000 м (запасы порядка 2 млрд. т).

В Великобритании работы по ПГУ вело Национальное угольное бюро. Осуществлены технико-экономические оценки возможностей применения ПГУ. Признано экономичным вести разработку пластов на парокислородном дутье высокого давления на глубинах от 500 до 1000 м при подготовке каналов бурением. Составлены карты угольных месторождений, пригодных для разработки методом ПГУ, которые находятся под дном Северного моря. Определены критерии экономичности их разработки. [22]

В Германии эксперименты по ПГУ проводились с 1975 г. С 1982 г. все работы координировались новым исследовательским учреждением, созданным горнопромышленными фирмами ФРГ, "Исследовательским обществом новых технологий добычи угля" (К2Г). Была разработана обширная программа. В первой ее части речь шла об исследованиях свойств угля на больших глубинах и условиях его химического преобразования на месте залегания. Вторая часть связана с определением свойств углей и перспектив их газификации по геологическим данным. Все эти работы не были связаны с практическим применением ПГУ. [19]

В Нидерландах существовала долгосрочная программа исследовательских работ по ПГУ, состоящая из трех этапов. Первый включает лабораторные исследования и закончился в 1990 г. По его результатам можно выбирать методы и объемы полевых исследований. Центр исследований находится в Университете г. Дельфта.

В США в течение 1972-1992 гг. реализовалась программа изучения основ подземной газафикации угля. Было проведено около 30 экспериментов в природных условиях на угольных месторождениях пяти штатов (Вайоминг, Западная Вирджиния, Иллинойс, Нью Мек-сико, Техас). [21]

3.2 Обзор национальных исследований и разработок

В области подземной газификации угля Украина обладает передовыми позициями. В свое время на территории бывшего СССР работало несколько промышленных предприятий данного профиля. Некоторые из этих предприятий успешно функционировали на протяжении нескольких десятилетий. Так, в Кузбассе в течение 40 лет эксплуатировалась Южно-Абинская станция «Подземгаз», бесперебойно снабжавшая горючим газом до 14 малых котельных Киселевска и Прокопьевска и закрытая в 1996 г. по причине физического износа оборудования.

В Днепробассе (Южно-Синельниковское месторождение) газифицировали буроугольный пласт мощностью 3,5 м на глубине 60 м. Вмещающими породами являлись глины и пески палеогенового возраста сравнительно рыхлой структуры. В почве угольного пласта имелся мощный (до 30 м) водоносный горизонт с величиной напора до 50 м и коэффициентом фильтрации 8 м/сут. Мощность надугольного водоносного горизонта составляла около 20 м с коэффициентом фильтрации 4-6 м/сут. Мощность разделяющих водоупоров составляла в кровле угольного пласта 10-16 м, в почве 1-3 м. В подугольном водоносном горизонте проводили водопонижение.

В Донбассе подземную газификацию проводили на Лисичанской станции «Подземгаз». Там газифицировали наклонные (38-60°C) каменноугольные пласты мощностью 0,5-1 м на глубине 60-250 м. Вмещающие угольный пласт породы: глинистые сланцы и песчаники каменноугольного периода. Угольный пласт водоносный, с напорами до 300-400 м над горизонтом розжига. Типичным для этих участков являлась малая водообильность угольного пласта, определяемая небольшой мощностью угольного пласта и коэффициентом фильтрации 0,1 м/сут. Кровля и почва угольных пластов представлены водоупорными породами. В данных условиях предварительно снимали напор подземных вод в угольном пласте и проводили водоотлив из выгазованного пространства. [15]

Разработкой технологий подземной газификации угля и изучением процессов горения под землей занимались: В.А. Матвеев,Н.А. Федоров. Крейнин.Которые предложили проводить подземную газификацию угля в горизонтальная канале при подготовке газового генератора шахтным способом. Значительный вклад в развитие идей и технологии подземной газификации внёc П. В. Скафа.

В книге "Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых" Бондаренко В.И., Кузьменко А.М., Грядущий Ю.Б., Колоколов О.В., Харченко В.В., Табаченко Н.М., Почепов В.Н. приводят общие принципы формирования модели подземной разработки пластовых месторождений. Изучают технологические свойства полезных ископаемых и вмещающих пород. Рассматривают технологические мероприятия по снижению экологической нагрузки в горнодобывающем регионе при подземной разработке месторождений. Перспективы использования ресурсов угольных месторождений Донбасса рассмотрены в книге Герасимова Е.С. Общий процесс газификации и историческое развитие рассмотрены Г.А. Папафанасопуло. Новый этап развития подземной газификации угля в России и в мире изучали Лазаренко С.Н., Кравцов П.В.

4. Технология производства газа подземной газификации

Сущность технологии подземной газификации угля заключается в первоначальном бурении двух скважин (наклонных или вертикальных), затем выработки соединяются между собой горизонтальным каналом, называемым огневым штреком. На рисунке 3 указаны основные элементы: 1 – буровые скважины; 2 – реакционные каналы; 3 – газоходы.

Рисунок 1 – Основные элементы подземной газификации угля

Для создания горизонтального канала используются такие методы как прожиг, гидравлический разрыв, наклонно-горизонтальное бурение, шахтный метод и др. После розжига горение распространяется по угольной поверхности огневого штрека. Подземная газификация угля осуществляется под действием высокой температуры (1000-2000°С). Процесс осуществляется под давлением дутья - различных окислителей (как правило, воздуха, О2 и водяного пара, реже-СО2). Для подвода дутья и отвода газа газификацию проводят в скважинах, расположенных в определенном порядке и образующих так называемый подземный генератор. В нем идут те же химические реакции, что и в обычных газогенераторах.

Сжатый воздух из компрессорного цеха по воздухопроводам направляется в газогенератор, где он реагирует при высокой температуре с углем, в результате образуется генераторный газ. Газ поступает на поверхность, где охлаждается, очищается и подается к потребителю (ТЭЦ) за счет давления, развиваемого дутьевыми машинами при нагнетании воздуха в газогенератор. Горящая поверхность угольного пласта называется огневым забоем. Угольный пласт выгорает постепенно снизу вверх, при этом огневой забой перемещается по восстанию угольного пласта. По мере выгазовывания пласта выгоревшее пространство заполняется обрушивающимися породами кровли и зольным остатком угля. Сечение огневого штрека остается практически одинаковым, а поверхность забоя свободной для доступа дутья. Поток, омывая поверхность огневого забоя, газифицирует уголь с образованием горючего газа. В процессе газификации угля существует две стадии: стадия термического разложения, при которой из угля выделяется влага и летучие парогазовые вещества и остается коксовый остаток; стадия газификации, при которой углерод коксового остатка с помощью свободного или связанного кислорода превращается в горючие газы и эти газы, взаимодействуют с кислородом и водяным паром. [7] [9]

Таким образом, все технологические операции по газификации угольного пласта осуществляются с земной поверхности, без применения подземного труда работающих, а разработка угольного пласта происходит экологически приемлемым способом. Особенности технологии позволяют использовать даже те месторождения, разработка которых традиционными способами неэффективна.

Принципиальная схема ПГУ представлена на рисунке 2, где 1 – подземный газогенератор; 2 – сжатый воздух; 3 – низкокалорийный газ; 4 – установка очистки газа; 5 – воздух; 6 – компрессор; 7 – камера сгорания; 8 – пароперегреватель; 9 – дымовые газы с температурой 800–850°С; 10 – газовая турбина; 11 – вытяжная труба; 12 – экономайзер; 13 – генератор переменного тока;14 – электросеть;15 – паровая турбина; 16 – конденсатор; 17 – насос; 18 – пар с температурой 250 °С; 19 – вода.

Рисунок 2 – Принципиальная схема подземной газификации угля

Предполагаемый состав производимого газа характеризуется следующими диапазонами изменения содержания отдельных компонентов газа:

а) при использовании в технологии ПГУ воздушного дутья: СO2 — 12,0-15,3%; СmНn — 0,1-0,7%; О2 — 0,2%; СО — 10,0-14,0%; Н2 — 12,1-16,2%; СН4 — 2,0-4,0%; N2 — 55,0-60,0%; H2S — 0,01-0,06%. Теплотворная способность такого низкокалорийного газа — порядка 4 МДж/м3.

б) при использовании парокислородного дутья (после очистки газа от CO2): СО — 35,0%; Н2 — 50,0%; СН4 — 7,5%; CmHn — 1,2%; О2 — 0,3%; N2 — 5,0%.

Теплотворная способность производимого при этом газа — 10-13 МДж/м3.[14]

Различные варианты использования газа как технологического сырья просто не поддаются обзору. Укрупненно можно выделить три потенциальные сферы его применения:

1. Использование основных компонентов (СО + Н2) как сырья для широкого спектра процессов химического синтеза, которые уже освоены промышленностью. Здесь, прежде всего, следует выделить производство метанола и особенно диметилового эфира как перспективной альтернативы нефтяному дизельному топливу.

2. Второе направление связано с выделением водорода (его содержание в продуктовом газе составляет 20-25%). Это - универсальный продукт, потребление которого радикально возрастет уже в ближайшем будущем. Сфера его применения чрезвычайно обширна: от топлива для водородной энергетики до питательного субстрата для бактерий при производстве синтетических кормов для животноводства и биоразрушаемых полимеров, которые должны прийти на смену традиционному полиэтилену и полипропилену. Очень важно отметить, что в настоящее время промышленное внедрение всех перечисленных технологий сдерживается только высокой ценой водорода.

3. Использование газа как восстановителя в металлургических процессах прямого восстановления железа и других металлов. Необходимо заметить, что ориентация на производство газа химического назначения требует изменения параметров процесса по сравнению с вариантом производства энергетического газа. Экономическая привлекательность проектов газификации угля наиболее высокая, особенно применительно к низкокачественному сырью с практически нулевой стоимостью. Внедрение технологии газификации в производственный процесс предприятия даёт возможность извлечь максимальное количество энергии из сырья, а также сократить расходы на утилизацию и снизить воздействие на окружающую среду. [10][17]

Выводы

Создание эффективных угольных технологий с пониженной эмиссией вредных веществ в пределах технологического цикла, позволяющих получать конкурентоспособные продукты и генерировать электрическую и тепловую энергию, является приоритетной задачей мировой энергетической стратегии.

Размещение энерготехнологических предприятий, производящих широкую гамму продуктов углепереработки, на небольшом расстоянии от угледобывающих предприятий даст возможность снизить остроту транспортных проблем, связанных с дефицитом подвижного состава для перевозки угля. Кроме того, радикальное увеличение стоимостной «отдачи» одной тонны угля будет способствовать увеличению налогооблагаемой базы и экономическому росту в угольных регионах.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Заря А. Ю., Крейнин Е. В., Лазаренко С. Н. Новые возможности. Перспективы развития технологии подземной газификации углей//Уголь Кузбасса. – 2009.– №4. – С.74 – 77.
  2. Янковский М.А., Макогон Ю.В., Рябчин О.М., Губатенко М.И. Альтернативы природному газу в Украине в условиях энерго- и ресурсодефицита: промышленные технологии/ под ред. Макогона Ю.В. – Донецк: ДонНУ, 2011. – 247 с.
  3. Раимжанов Б.Р., Салтыков И.М., Якубов С.И. Подземная газификация угля: исторические сведения и проблемы // Горный вестник Узбекистана. 2008.
  4. Янко С.В., Громов В.А., Поштук А.З.Подземное сжигание угля // Уголь Украины. – 1995. – №11. – С. 2–5.
  5. Логвиненко В.И., Грядущий Б.А., Чехлатый Н.А. и др. Состояние и основные направления энергосбережения на угольных предприятиях // Уголь Украины. – 2004. – №4. – С. 19-23.
  6. Вольчин И.А. Разработка процесса пиролиза низкосортных уг-лей в кипящем слое с целью использования генераторного газа в про-мышленности: Дис. ... канд. техн. наук: 05.14.04. – К., 1993. – 211 с.
  7. Е.В.Крейнин, Е.И.Шифрин Математическая модель процессов горения и газификации угля в канале подземного газогенератора//ФГВ. 1993, №5 С. 21-28
  8. Шаршанов А.Я., Луценко Ю.В., Олейник В.В., Шульга И.В.Математическая модель процесса газификации углей в газогенераторах // УглеХимический журнал. 2001, № 3-4 С.33-40
  9. Карп И.Н., Пьяных К.Е., Никитин Е.Е. Использование генераторного газа в коммунальной теплоэнергетике // Энерготехнологии и ресурсосбережение. – 2009. ? № 2. – С. 18 – 24.
  10. Клюс В.П., Кислая С.А. Комбинированная схема производства генераторного газа // В. П. Клюс, С. А. Кислая – Відновлювана енергетика ХХІ століття. Матеріали 10-ї ювілейної міжнародної науково-практичної конференції, Крим, 2009. – С. 377 – 380.
  11. Янковський М.А., Макогон Ю.В., Рябчин О.М., Губатенко М.І. Альтернативи природному газу в Україні в умовах енерго- і ресурсодефіциту: промислові технології / під ред. Макогона Ю.В. – Донецьк: ДонНУ, 2011. – 247 с.
  12. Губатенко Н.И. Конкурентоспособность Украины в услови-ях глобализации мировой экономики / Н. И. Губатенко // Проблемы развития внешнеэкономических связей и привле-чения иностранных инвестиций: региональный аспект: сб. науч. тр. – Донецк: ДонНУ, 2006.– Ч.3.– С. 1007-1012.
  13. Караханов Э.А. Синтез-газ как альтернатива нефти. 1. Про-цесс Фишера-Тропша и оксо-синтез // Соросовский образо-вательный журнал. – 1997. – № 6. – С.69.
  14. Кузнецов Б.Н. Новые подходы в химической переработке углей // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 6. – С. 50-58.
  15. Макогон Ю.В., Рябчин А. М. Синтез-газ в Украине // Энер-госбережение. – № 7. – Июль 2010. – С. 16-17.
  16. Химические вещества из угля. : пер. с нем. / под ред. Э. Фальбе. – М.: Химия, 1980. – 616 с.
  17. Шелдон Р.А. Химические продукты на основе синтез-газа: пер. с англ. – М.: Химия, 1987.
  18. Шиллинг Г.Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля :пер. с нем. и ред. С. Р. Исламова. – МЖ Недра, 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.