Перспективы развития подземной газификации горючих ископаемых

Аннотация

Чумарина А. В., Голубев А. В. Перспективы развития подземной газификации горючих ископаемых. В работе рассмотрены перспективы технологии подземной газификации различных видов топлива. Проанализированы достоинства и выявлены основные трудности процесса. Предложены направления повышения эффективности подземной газификации угля.

Подземная газификация 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.

Подземная газификация топлива является одним из перспективных направлений эксплуатации природных месторождений горючих ископаемых и заключается в их превращении под землей в горючий газ для энергетического и технологического использования. 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.

Процессы превращения в горючие газы твердого топлива на поверхности в особых аппаратах (газогенераторах) при высокой температуре с помощью воздуха, водяного пара, технического кислорода или других газов давно известны и широко применялись в промышленности. В результате этих процессов получался горючий газ, во многих случаях с высокой теплотой сгорания, и такие важные для промышленности продукты, как бензол, аммиак, фенол, креозол, синтетический бензин, керосин, сера, серная кислота, смазочные вещества и т. д.

Преимущества подземной газификации угля перед традиционными способами разработки месторождений горючих ископаемых:

• возможность разработки пластов, которые нерентабельно разрабатывать другими способами;
• газ легче чем твердое топливо очищается от вредных сернистых и других соединений, что дает возможность уменьшить выбросы;
• возможность полной автоматизации весьма трудоемких процессов добычи угля, при других способах угледобычи (особенно при шахтном), пока не поддающихся комплексной механизации и автоматизации;
• ликвидация тяжелого, опасного, нередко вредного для здоровья человека шахтного труда;
• создание комфортных условий труда как для персонала, обслуживающего процесс производства подземного газа, так и для персонала котельных, работающих на подземном газе;
• возможность комплексной автоматизации процессов производства тепловых электростанций, работающих на подземном газе, при минимальных затратах по парокотельному хозяйству;
• высокая экономичность тепловых электростанций при постройке их на местах добычи подземного газа;
• более высокий КПД электростанций, работающих на газообразном топливе по сравнению с твердым, особенно при комбинированном парогазовом цикле;
• возможность получения синтез-газа для производства аммиака и метилового спирта;
• полное освобождение железнодорожного транспорта от перевозок топлива;
• удешевление получаемого топлива в переводе на условное, а также и электроэнергии, вырабатываемой на базе использования подземного газа.

Для таких регионов, как Донецкий угольный бассейн, который является одним из крупнейших промышленных угледобывающих регионов Европы, такое направление переработки угля дает возможность строить энергетические предприятия, работающие на «собственном» энергетическом сырье – подземном газе.

Состав газа по данным промышленной эксплуатации предприятий подземной газификации угля характеризуется следующими диапазонами содержания отдельных компонентов газа при технологии воздушного дутья: СО₂ - 12,0-15,3 %; С_mН_n - 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 %; Н₂S - 0,01-0,06 %. В случае применения для нагнетания в газифицируемый угольный пласт воздушного дутья получается низкокалорийный газ с теплотворной способностью порядка 4 МДж/м³ [1]. Данный горючий газ пригоден для успешного использования в газотурбинных установках либо котельных и ТЭЦ.

Первый в мире проект подземной газификации углей был разработан в СССР в 1928 г. В 1933 г. была создана контора «Подземгаз» с целью координации научно-исследовательских, проектных и экспериментальных работ по подземной газификации углей. Основные полигоны: Лисичанская опытная станция, Каменск-Шахтинская станция, Горловская станция (Донбасс) [2]. В послевоенные годы работало несколько промышленных предприятий данного профиля, например, в Кузбассе в течение 40 лет (с 1955 г.) эксплуатировалась Южно-Абинская станция "Подземгаз", бесперебойно снабжавшая горючим газом до 14 малых котельных гг. Киселевска и Прокопьевска и закрытая в 1996 г. по причине физического износа оборудования [1].

Газ, обладающий достаточно высокой теплотой сгорания, можно получить при газификации не только качественных, но и низкосортных видов топлива, таких, как бурые угли, торф, горючие сланцы. При этом так же, как при газификации каменных углей, получают в качестве побочных большое количество ценных продуктов (даже при сухой перегонке торфа может быть извлечено до 200 наименований продуктов, включая парфюмерные и медицинские препараты).

Однако промышленному способу подземной газификации угля на воздушном дутье, как и любому другому техническому процессу, присущ ряд недостатков: не очень высокий энергетический КПД; зависимость от горно-геологических условий и, прежде всего, гидрологических особенностей; в ряде случаев недостаточная стабильность процесса; значительный объем буровых работ; неразрешенные затруднения при газификации на больших глубинах.

По нашему мнению, мероприятиями, способными повысить эффективность технологии подземной газификации угля, являются:

1. Использование парокислородного дутья для получения синтез-газа. Экспериментальные данные, полученные при проведении исследований на опытных станциях «Подземгаз» показывают, что при искусственном обогащении дутьевого воздуха кислородом газ соответственно улучшался. По сравнению с обычным воздушным дутьем содержание окиси углерода и водорода было больше, содержание азота снижалось, теплотворная способность закономерно повышалась. Влияние состава дутья на теплотворную способность газа показано на рисунке 1 [3].


Рисунок 1 – Влияние состава дутья на теплотворную способность газа

2. Использование специальных режимов работы (различное количество дутья, различная продолжительность периода) на воздушном дутье, позволяющие раздельно получать топливный и технологический газ (синтез-газ). Данный прием аналогичен получению «водяного» газа на традиционных слоевых газогенераторах [3].
3. Выполнение газоотводящей скважины в виде теплообменника, позволяющего утилизировать тепло отходящего газа. Это облегчит эксплуатацию скважины и повысит энергетический КПД процесса.
4. При работе на воздушном дутье не имеет смысла строить единый компрессорный цех. Целесообразнее размещать дутьевые компрессоры непосредственно возле скважины.
5. Использование современных разработок в бурении наклонных и горизонтальных скважин большого диаметра для процессов газификации.
6. Использование для подземной газификации инфраструктуры закрываемых шахт, в том числе подземные выработки. Это позволит значительно увеличить размеры подземного газогенератора до 250х300 м [3], тогда как при полном исключении подземных работ размер панели не превышает 40х100 м [3]. Кроме того, при частично шахтной разработке значительно проще решаются вопросы водоотведения и проведения подземной газификации на больших глубинах.

Перспективными, на наш взгляд, направлениями развития подземной газификации могут стать: газификация горючих сланцев и газификация нефтяных пластов.

Горючие сланцы – это низкосортное топливо с высоким содержанием золы, а в ряде случаев и влаги, но в то же время, они являются сырьём для комплексной переработки с получением жидких, газообразных и твёрдых топлив.

Подземная газификация нефтяных пластов является вторичным методом добычи нефти, предложенный для истощенных необводненных пластов, который заключается в создании в районе нагнетательной скважины очага горения в нефтяном пласте, поддерживаемого за счет нагнетания в пласт воздуха, при этом предполагается, что меньшая часть нефти будет расходоваться на горение, а большая часть нефти, находящейся в пласте, подвергнется разложению на более легкие фракции, которые будут отобраны соседними эксплуатационными скважинами [4].

Библиографические ссылки

1. Подземная газификация угля - новые возможности для энергетики - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bourabai.ru/toe/new.htm
2. Бакулев Г. Д. Подземная газификация углей в СССР и за рубежом / Г. Д. Бакулев – Москва:Углетехиздат, 1957. – 68 с.
3. Нусинов Г. О. Подземная газификация углей / Нусинов Г. О. – Москва: ГОНТИ НКТП СССР, 1938. – 128 с.
4. Аренс В. Ж., Семененко Д. К. Физико-химические методы разработки месторождений каустобиолитов. – М.: ОНТИ института Госгорхимпроект, 1971. – 130 с.