Деякі екологічні аспекти процесу підземної газифікації вугілля

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 502.66

Інститут геології і геохімії горючих копалин НАН

ДЕЯКІ ЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ ПРОЦЕСУ ПІДЗЕМНОЇ ГАЗИФІКАЦІЇ ВУГІЛЛЯ

Д.В. Брик

Залежно від світової економічної та політичної ситуації питання перетворення вугілля у горючі гази або синтетичне рідке паливо привертає до себе поперемінно більшу чи меншу увагу. Однак, враховуючи не так віддалену перспективу вичерпання спочатку нафтових, а потім газових родовищ, та ціну нафти і природного газу, що зростають, не дивно, що спостерігається загальна тенденція до інтенсифікації науково-дослідних та пілотно-промислових робіт у згаданих напрямках. Ще одним фактором, який сприяє зацікавленню такими дослідженнями, є можливість використання низькосортних (високозольних, засолених, малопотужних) покладів вугілля; особливо це стосується процесу підземної газифікації вугілля (ПГВ). Але, незважаючи на перспективність та, здавалось би, простоту цього методу, при спробах його реалізації виникає низка труднощів, екологічного характеру спрямування. забруднення підземний газифікація вугілля

В Інституті геології і геохімії горючих копалин НАН України та НАК “Нафтогаз України” під керівництвом професора Е. Б. Чекалюка була сконструйована та змонтована стендова установка [1] для моделювання процесу підземної газифікації вугілля. На основі проведених досліджень можна зробити деякі висновки і щодо екологічної сторони проекту. Проте, як і для усіх нових технологій, при перенесенні даних процесу підземної газифікації вугілля з модельної чи стендової установки на великомасштабне виробництво можна очікувати виникнення низки не лише технологічних, але й несподіваних принципових екологічних проблем. Хоча, в принципі, ПГВ відносно мало відрізняється за технологією та складом одержуваних продуктів від таких процесів наземної переробки вугілля як коксування, напівкоксування, газифікація (в тому числі з одержанням синтез-газу (СО+Н2)) тощо, але здійснення власне термічної стадії (горіння вугілля) у практично важкоконтрольованих підземних умовах може призвести до низки труднощів, викликаних особливостями залягання вугільних пластів, складом та властивостями супутніх порід (крівлі та підошви пласта), наявністю чи відсутністю тріщинуватості, гідрогеологічним режимом. Щоправда, досвід ПГВ, набутий в експериментальних та промислових умовах як у колишньому СРСР, так і в інших країнах, дає низку цінних, але дуже загальних вказівок відносно необхідних заходів щодо організації виробництва, техніки безпеки, питань екологічного контролю, тощо. Поки що ж одержаними результатами породжується ширше коло запитань, ніж відповідей, а, отже, без сумніву, при побудові нових станцій ПГВ необхідними будуть детальні дослідження з метою прив'язки принципової схеми до конкретних умов вугільних родовищ.

Основним токсичним та пожежонебезпечним компонентом отримуваних газів буде оксид вуглецю СО. Термодинамічний аналіз систем, що складаються з вуглецю, водяної пари та кисню, а також метану та водяної пари, показує, що при температурах вище 9000С вони зсунуті в сторону суміші СО + Н2. Також двооксид вуглецю СО2 в присутності вуглецю при температурах вище 7000С перетворюється в СО. Ця реакція є ендотермічною і тому, подібно до реакції С + Н2О = СО + Н2, може реалізуватись лише при високих температурах. Проте, у промисловості та побуті вже давно засвоєне використання СО чи його суміші з воднем (генераторний газ, водяний газ). Тому, за винятком можливих випадкиів нещільностей, аварій тощо, робота з газом ПГВ не складатиме особливих проблем.

Немає також підстав допускати, що утворювані при ПГВ смоли та підсмольні води будуть принципово відрізнятись від таких же продуктів, утворюваних в процесах коксування, напівкоксування чи наземної газифікації, хоча їхня кількість та характер можуть змінюватись, залежно від параметрів процесу чи природи вугілля. Очевидно, не слід нехтувати наявністю в них таких токсичних речовин як феноли, піридинові основи, а також амоняк, який виступатиме у формі сульфіду амонію, але способи використання таких продуктів та їхньої екологічної нейтралізації відомі. Небезпека може з'явитись лише у випадку неконтрольованих, аварійних проривів у наземних технологічних лініях чи підземних колекторах.

Детальний огляд токсикологічних властивостей речовин, утворюваних у процесах термічної переробки вугілля поданий в низці робіт, наприклад [2]. Характеристика підземних вод, отриманих на модельній установці процесу підземної газифікації вугілля Львівсько-Волинського басейну при високих термобаричних умовах, наведена у нашій роботі [3].

Основним токсичним компонентом газу ПГВ слід вважати сірководень Н2S та інші супутні сіркові сполуки - СОS, CS2, меркаптани тощо. Проте, процеси їхньої нейтралізації та перетворення у корисні продукти - елементарну сірку чи сірчану кислоту детально розроблені у промисловості - це часткове окиснення та сорбція твердими поглиначами чи абсорбція рідинами [4,5]. Тому, при проектуванні установок чи станцій ПГВ слід особливу увагу звернути на конструкцію вузлів десульфуризації, тим більше, що як сировина для ПГВ буде переважно некондиційне вугілля. Сірка у вугіллі присутня, в основному, у двох формах: органічній, де атом сірки позв'язаний з атомами вуглецю, та неорганічній -, в основному, піритній. Щодо органічної сірки, то в процесах деструкції та оксидації вугілля вона значною мірою переходитиме у двооксид сірки, тому оскільки ця форма є енергетично вигідніша: енергія зв'язку S-C складає 226,26; S-H - 343,58 та S-O - 386,318 кДж/моль. Враховуючи присутність у газовому середовищі значних кількостей водню, можливе і часткове відновлення SO2 до H2S. Основним джерелом утворення H2S , як вказують роботи з вивчення процесів коксування піритвмісного вугілля, буде взаємодія піриту з вуглеводневими структурами. При розгляді питання про сірковмісні компоненти газу слід ще наголосити не лише на їхніх токсичних, але й на корозійних властивостях, що ставитиме підвищені вимоги до конструкційних матеріалів та умов експлуатації.

Певну небезпеку при газифікації вугілля з підвищеним вмістом азоту може мати утворення ціанистого водню HCN. Кількість його зростає з підвищенням температури процесу і понижується із ростом вмісту водяної пари. Проте, утворювана кількість цієї високотоксичної сполуки відносно незначна: згідно з роботою [6] при коксуванні вугілля з відносно високим вмістом азоту, що сягає 1,4%, вміст HCN в газах коксування не перевищує 0,02%. Крім того, в процесі охолодження газового потоку HCN практично повністю поглинається конденсованою підсмольною водою, де, взаємодіючи з надлишковими H2S та NH3, перетворюється в малотоксичний роданід амонію. Автор роботи [6] згадує також про можливе утворення в процесах коксування оксидів азоту, які можуть кородувати апаратуру, однак, в процесах ПГВ при наявності відновного середовища СО + Н2 та високих температур їхнє утворення мало правдоподібне.

Необхідно звернути увагу на ще одне потенційне джерело забруднення: при ПГВ засоленого вугілля в газовому потоці з'являється хлористий водень НCl, який не лише токсичний, але й має висококородувальні властивості. Ця проблема вимагатиме як ретельного термодинамічного аналізу стану рівноваги, так і експериментальної перевірки цих розрахункових даних.

Детальніше питання використання засоленого вугілля представлено в роботі [7].

Про перетворення в умовах ПГВ інших можливих компонентів вугілля, таких як арсен, германій тощо, та пов'язані з цим небезпеки жодних конкретних даних немає, проте, можна допускати, що у випадку їхнього виносу на поверхню, вони концентруватимуться у підсмольній воді.

На відміну від наземної частини комплексу ПГВ, підземні процеси є менш вивченими і, відповідно, їхній хід та наслідки є потенційно небезпечнішими. В гірничій справі відомі випадки аварійного просідання землі над підземними виробленими пустотами. В процесах ПГВ провалювання покрівлі навіть правдоподібніші, тому що, наступне заповнення утворених відпрацьованих пустот пустою породою, як це здійснюється при шахтному видобутку вугілля, тут нереальне. Не менш небезпечною слід вважати можливість прориву гарячих цільових газів в атмосферу через вже наявні в породах тріщини чи новоутворені внаслідок техногенних процесів. Також після виробітку (вигорання) покладу вугілля при поступовому охолодженні вмісних порід можливе попадання фенолів та інших токсичних речовин у підземні води, які інфільтруватимуться в спустошений простір. Тут вирішальне значення матиме детальне геологічне та гідрогеологічне дослідження пропонованого району розміщення станції ПГВ. Слід враховувати, що таке вивчення не зможе з цілковитою певністю передбачити усі можливі фактори, в тому числі зміну властивостей довколішніх порід під впливом дії високих температур: - подібні процеси зустрічаються при вмісних пожежах у вугільних шахтах, хоча внаслідок дефіциту кисню їхняінтенсивність суттєво менша. Найбільш правдоподібною зміною порід при ПГВ може бути розклад карбонатів. Певним фактором, що запобігав би таким аваріям, може бути проведення підземної газифікації покладів вугілля, які знаходяться на достатньо великих глибинах.

Нарешті, потрібно вказати на ще одне потенційно загрозливе місце на станціях ПГВ, а саме: вузол виведення гарячих підземних газів у наземну частину комплексу для подальшого охолодження, очищення та переробки. Власне в місці їхнього переходу з природних підземних комунікацій, одержаних бурінням, у мережу трубопроводів, де виникатимуть напружені термічні та корозійні умови, можна очікувати першочергової появи нещільностей, переносів, тріщин і т.д.

З вищесказаного можна зробити висновок, що при проектуванні та побудові станцій ПГВ необхідною буде комплексна співпраця спеціалістів різного профілю - енергетиків, геологів, хіміків тощо і тісне узгодження їхніх рекомендацій.

Література