Подземная газификация твердого топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Подземная газификация твердого топлива

Дорофеев О.А., Зарецкая M.А.

ТОГУ г. Хабаровск

Абстракт

В статье рассматриваются проблемы ресурсосбережения. Представлена технология подземной газификации твердого топлива как один из вариантов экологически безопасного способа добычи, направленного на охрану окружающей среды. Описаны история, сущность технологии, преимущества и недостатки относительно традиционных методов, состояние и применение в современный период, технические и экологические проблемы метода и его перспективы. Отдельно выделено состояние развития технологии подземной газификации угля в европейских странах, США и Канаде. Указаны возможности для развития предприятий подземной газификации углей на российском Дальнем Востоке.

Ключевые слова: подземная газификация углей (ЛГУ), безлюдная технология, скважинная добыча полезных ископаемых, генераторный газ, газогенератор, углехимия.

Dorofeev О.А., Zaretskaia М.А.

PNU, Khabarovsk, Russia

Underground coal gasification

The article deals with the problems of resource saving. The technology of underground gasification of solid fuel is presented as one of the variants of environmentally safe method of production aimed to environmental protection. The history, essence of the technology, advantages and disadvantages of traditional methods, state and application in the modem period, technical and environmental problems of the method and its prospects are described. The state of development of underground coal gasification technology in European countries, the USA and Canada are highlighted. The possibilities for the development of underground coal gasification enterprises in the Russian far East are indicated.

Keywords: underground coal gasification, deserted technology, down hole mining, generator gas, gasogene, coal chemistry.

Введение

Уголь - важнейший вид ископаемого топлива, история добычи и использования которого насчитывает несколько десятков веков. Он стал главным топливом промышленной революции, позволившей обеспечить угольную промышленность техникой и технологиями и достичь огромных объёмов его добычи.

Подземная газификация угля - процесс физико-химического превращения угля непосредственно в месте его залегания в газ, который затем можно использовать в качестве топлива или химического сырья.

С самой зари угольной эры по сегодняшний день, несмотря на большой скачок в развитии традиционных технологий добычи полезных ископаемых и предпринимаемые меры безопасности, люди сталкиваются с массой трудностей и опасностей. Несмотря на отработанность технологии и предпринимаемые меры по безопасности, на горных предприятиях происходят аварии и несчастные случаи, приводящие зачастую к летальным исходам. Среди специалистов отрасли бытует мнение, что даже при самых благоприятных условиях работы горняков на один миллион тонн добытого угля приходится одна человеческая смерть. И это мнение, к большому сожалению, подтверждается то и дело появляющимися новостями об авариях и чрезвычайных ситуациях на горных предприятиях по всему миру. Особенно остро проблема стоит на угольных шахтах. Связано это в первую очередь с опасными проявлениями горного давления и взрывами метана, вызывающими обрушение кровель подземных выработок, велико влияние человеческого фактора, поскольку к чудовищным последствиям может привести несоблюдение мер техники безопасности.

К тому же, легкодоступные балансные запасы угля существенно истощены и возникает необходимость разработки труднодоступных или забалансных запасов угольных месторождений. Промышленность нуждается в относительно экономичном, экологичном и безопасном способе извлечения угля. Одним из таких © Дорофеев О. А., Зарецкая М. А., 2020 способов является технология подземной газификации. В настоящее время эта технология обращает на себя внимание крупных государств и угледобывающих компаний в связи с тем, что метод исключает присутствие человека в подземных выработках.

История метода

Впервые идею подобной технологии высказал Д. И. Менделеев в 1888 г. в одной из своих работ. Позднее, знаменитый английский химик У. Рамзай (W.Ramsay) предложил организовать опыты по газификации. Однако первые промышленные эксперименты в данном направлении были проведены лишь в 1934-1935 гг. на двух опытно-промышленных станциях: Лисичанской и Ленинской.

В Лисичанске опыты проводились на крутопадающем маломощном пласте Бобровский (0,7 м, уголь длиннопламенный с выходом летучих веществ 36,4%). По мере продвижения очистного забоя уголь разрыхлялся, для чего в пласт были заложены взрыв-патроны. Опыты проведены с февраля по октябрь 1934 г. Состав газа был непостоянен, о теплотворной способности газа не сообщается. Подчёркивается, что управлять процессом не удалось. Следующие опыты были проведены в целике угля на кислородном дутье, теплотворная способность газа доходила до 2270 ккал/м³, при газификации угольного целика на воздушно-паровом дутье теплотворная способность газа колебалась в пределах 2000-2500 ккал/м³. В 1948 г. Лисичанская станция ПГУ введена в эксплуатацию как производственная единица для производства газа в количестве 200 млн. м³ в год. Сообщается, что за время с 1948 по 1950 годы станция в среднем выдавала ежегодно около 93 млн. м³ газа с теплотой сгорания 800-1000 ккал/м³, т.е. газ относится к группе бедных газов.

На Ленинском участке в Кузбассе опыты проводились с июня по сентябрь 1934 г. на пласте Журинский (угол падения - 20, мощность около 5 м). Состав газа был довольно пестрым, что сказалось на большом разбросе теплоты сгорания - от 2000 ккал/м³ до 5000 ккал/м³. Отмечается, что определения теплоты сгорания газа были неточными. В начале июля, после того как в панели выгорело около 200 т угля, штрек под давлением вышележащих пород обрушился, но не настолько, чтобы прекратилось просасывание газа. В завале шло коксование угля, что отразилось на составе газа - повышенное содержание метана и водорода. Газификация была прекращена ввиду образования прогаров и завалов. В конце апреля 1935 г. на Журинском пласте была подготовлена вторая панель и начались эксперименты. При установившемся процессе газификации (июнь месяц) теплота сгорания газа составила около 1000 ккал/м³.

Позже работа опытных станций ПГУ была остановлена в связи с напряжённой обстановкой в мире. Тем не менее, после Великой Отечественной войны данные первых опытов позволили усовершенствовать технологию и построить несколько новых станций ПГУ в районах основных угольных бассейнов СССР для освоения запасов угля там, где его было невозможно или нецелесообразно добывать открытым или подземным способом. Дальнейшее развитие работ по ПГУ велось созданным в 1934 г. Институтом ВНИИ Подземгаз (позже ВНИИ Промгаз, ВНПО «Союзпромгаз», ныне ОАО «Газпром промгаз») [7, с. 106].

К настоящему времени в России и СНГ большая часть из созданных в Советский период опытно-промышленных станций подземной газификации угля из- за нерентабельности были закрыты, в работе находятся Южно-Абинская (Киселёвск была закрыта в 1996 г. по причине физического износа оборудования, реконструирована и вновь запущена в 2002 г.), и Ангренская (Узбекистан).

подземная газификация твердое топливо

Сущность технологии

Технологически подземная газификация угля состоит из нескольких этапов. Вначале разрабатываемый пласт обуривается сетью скважин: дутьевых, через которые подаётся дутьевой агент - воздух, воздушнопаровая смесь, и газоотводящих, через которые ведётся отвод продуктов газификации. Сеть скважин может иметь различные конфигурации в плане в зависимости от применяемого способа газификации и принятого направления выгазовывания пласта. Скважины могут быть наклонно-направленными и вертикальными (рис. 1 а). Практикуется бурение скважин под малым углом с выходом в пласт параллельно ему. Такой способ используется для отработки шахтных запасов угля, оставленных в целиках (рис. 1 б) [6 с. 21].

Рис. 1 а)- газификация пласта через вертикальные скважины, б) - газификация целиков угля в отработанном пространстве шахты

Скважины цементируются таким образом, чтобы обеспечить проницаемость боковой поверхности на уровне залегания пласта угля. Затем выполняют сбойку цементированных скважин, например, методом гидравлического разрыва пласта. После - разжигают пласт через дутьевые скважины и начинают подачу дутьевого агента под давлением вместе с отведением продуктов газификации. В процессе выгазовывания угля огневой забой перемещается, оставляя за собой разрыхлённые шлак и золу, а кровля пласта и вышележащие породы проседают и обрушаются в выгазованное пространство, что может привести к просадкам грунта на дневной поверхности.

Непосредственно в зоне горения угля, без учёта взаимодействия с примесями и включениями, при подаче паровоздушной смеси в качестве дутьевого агента одновременно протекает целый комплекс из семи химических реакций. Из которых основные:

2С + О2 = 2СО + 219 кДж/моль; С + Н2О = СО + Н2 - 130,5 кДж/моль;

СН4 + Ог = СО + Н2 + Н2О + 491 кДж/моль

Их выход, качество продуктов и температура зависят от состава дутьевого агента, а также от объёма газопроницаемого пространства над огневым забоем. В результате, изменяя состав подаваемого агента, в частности, содержание кислорода, можно управлять температурой реакций и выходом главного компонента - угарного газа СО.

При сравнительно небольшой массовой концентрации кислорода, равной 0,1-0,15, газификация протекает при температуре, не превышающей 800 К, а массовая концентрация горючего газа в образующихся газообразных продуктах не превышает 27 %. Концентрации водорода и метана при этом малы: концентрация водорода не превышает 0,27 %, а метана менее 1,2 %

Увеличение массовой концентрации кислорода до 0,25 и выше, в закачиваемой в угольный пласт паровоздушной смеси, приводит к смене режима протекания процесса. Температура газификации для данного режима возрастает до 1300К даже при условии подачи холодной паровоздушной смеси. Массовая концентрация горючего газа в образующихся газообразных продуктах возрастает до 45 %. Концентрации водорода и метана также возрастают, но незначительно: концентрация водорода повышается до 1,8 %, а метана до 1,3 % [11 с. 46].

Проблемы и перспективы метода

Рассматриваемая технология не способна полностью заменить собой традиционные способы разработки твёрдого топлива, поскольку она имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, газификация значительно снижает энергетическую эффективность угля, поскольку основным компонентом продуктов непосредственно газификации является угарный газ СО, удельная теплота сгорания которого ниже, чем угля. Во-вторых, кроме угарного газа, в состав выдаваемой скважинами смеси входят горючие водород Нг и метан СЬЦ и негорючие водяной пар НгО и углекислый газ СО2. Помимо этого, в угле содержатся примеси, характерные для ископаемых топлив, - сера, аммиак и тяжёлые металлы, которые являются ядовитыми сами по себе и в соединениях, и которые также можно обнаружить в продуктах газификации. Следовательно, выдаваемая сырая смесь тоже нуждается в глубокой очистке и выделении опасных соединений, а это - дополнительный технологический передел и затраты, в случае, если газ должен быть использован в качестве топлива. Однако, такой пестрый состав позволяет использовать его в качестве химического сырья [10, с. 26]. Теплотворность неочищенного газа невелика. Для повышения теплотворности применяют обогащенное кислородом дутье и модификацию газа после очистки в метан, в результате по свойствам он приближается к природному газу и называется его заменителем (ЗПГ). В-третьих, из-за того, что управлять движением дутья по пласту и огневому забою невозможно, возникают существенные потери угля (до 15-20%), а в результате обрушения кровли и вышележащих пород, происходят утечки газа (до 27%) [7, с. 108].

Однако, данная технология имеет и весомые достоинства. Первое: присутствие человека непосредственно в подземных выработках полностью исключается. Это главное преимущество подземной газификации углей перед шахтным и даже открытым способом разработки. Вторым преимуществом является относительная экологичность метода по сравнению с подземным и высокая - по сравнению с открытым. Объём земляных работ необходимый для подготовки площадок ПГУ мал по отношению к шахтной разработке и ничтожен по отношению к объёму работ при разработке разреза. Отсюда вытекают сравнительно низкие капитальные затраты на подготовку месторождения к газификации. Положительным моментом является то, что зола, которая может достигать 60% и более массы бурого угля, остаётся на месте залегания пласта. Третье преимущество - поточность технологического процесса и газообразное состояние продуктов газификации, позволяющие использовать удобный и высокопроизводительный трубопроводный транспорт для доставки готового газа потребителю.

Обобщив сказанное, можно заключить, что, на данный момент, применение этой технологии является наиболее целесообразным в случаях необходимости отработки маломощных пластов, забалансных запасов, месторождений со сложными горно-геологическими условиями, когда применение традиционных способов невозможно или нецелесообразно.

Перспективы развития ПГУ на Дальнем Востоке России

На сегодняшний день немалые возможности для развития предприятий ПГУ имеет Дальний Восток России. Специалисты Инженерной школы Дальневосточного федерального университета (бывшего ДВГТУ) с 1983 г. занимаются усовершенствованием и внедрением технологии подземной газификации углей. В 2008 г. при ДВГТУ был создан отдел подземной газификации углей ОАО «Газпром промгаз» в г. Владивостоке. Одна из основных задач отдела - внедрение технологии ПГУ на угольных месторождениях Дальнего Востока. В 2007 г. ОАО «Амуруголь» принято решение о возможности применения ПГУ на эксплуатируемых разрезах. В 2010 г. на техсовете Артемовской ТЭЦ был заслушан вопрос о строительстве станции «Подземгаз» на Шкотовском буроугольном месторождении. В 2011 г. на техсовете ОАО «Кинг Коул» принято решение подготовить проект отработки технологией ПГУ пласта ниже технической границы разреза на Суражевском месторождении.

По технологии ПГУ ведутся переговоры с КНР, Республикой Корея, Японией, КНДР. Достигнуты договоренности о совместных исследованиях с Институтом технологии Муроран (Япония), Пекинским центром ПГУ в области Внутренней Монголии. С японской стороной достигнута договоренность по поиску финансирования станции ПГУ на Дальнем Востоке. В течение 3 лет отделом подземной газификации углей были подготовлены технико-экономические предложения строительства пилотных станций по ряду месторождений Дальнего Востока: Ланковскому (Магаданская область.), Ургальскому каменноугольному месторождению (Хабаровский край), Шкотовскому, Раковскому, Тавричанскому буроугольным месторождениям (Приморский край). В настоящее время ведутся работы по применению технологии ПГУ на Бикинском буроугольном месторождении^ с. 214].

Ведутся исследования вопроса о создании комплексного горного химико-энергетического комплекса на базе предприятия ПГУ. Разработаны технологические схемы ПГУ, позволяющие осуществлять контроль над процессом подземной газификации, получая высококачественный газ с низкой себестоимостью. Исследована возможность органического синтеза высших углеводородов из компонентов ПГУ, в составе которых присутствуют окись углерода и водород, которые являются основой органического синтеза [4 с. 36]. Это открывает возможность использовать продукты газификации угля после удаления из них сернистых соединений как сырье для синтеза метанола, углеводородов, гидроформилирования. В результате можно получить газообразное или жидкое топливо, либо сырье для нефтехимии [10, с. 26]. Кроме этого ведется разработка технологий извлечения попутных полезных компонентов из сырого газа и отходов ПГУ путём их очистки и переработки. Например, созданы технологии для извлечения из газа ПГУ мышьяка [1 с. 25], селена [2 с. 30], ртути [3 с. 42]. Разработана технология фильтрации фенолов из сточных вод ПГУ [5, с. 102]. Предлагаются способы утилизации измельчённых резиносодержащих отходов подземной газификацией их совместно с углем [12 с. 197].

Обзор состояния технологии в некоторых странах мира

В США две компании разрабатывают проекты ПГУ типа «ЛГУ-ТЭС» на месторождении пласты которого залегают на глубинах от 200 до 1000 м и «ПГУ - синтез жидкого топлива» на участке месторождения, на котором уже проводились опыты по ПГУ, первый проект уже на стадии реализации. Одна из канадских компаний разрабатывает проект типа «ПГУ-ТЭС» для пластов, залегающих на глубине 1400м. В Великобритании одна из компаний планирует газифицировать пять пластов, другая - разработать этим методом пласты, залегающие на глубинах от 1000 до 2000м. Франция, Бельгия и Северная Испания в 1970-1980 гг. проводили изыскания по газификации пластов, залегающих на большой (до 1000м) глубине, но испытали трудности со сбойкой скважин, возникшие из-за горного давления. Китайские компании разрабатывают и реализуют проекты газификации целиков угля, оставленных в отработанном пространстве шахт, используя в качестве дутьевых и газоотводящих каналов готовые выработки. Австралийские предприятия реализуют газификацию мощных пластов по схемам «ПГУ-ТЭС» и «ПГУ - синтез жидкого топлива», активно занимаются повышением экологичности процесса путём снижения загрязнения сточных вод. Компания из ЮАР реализует проект по частичному переходу одной из ТЭС на газ, получаемый при ПГУ, и строительству нового предприятия типа «ПГУ-ТЭС». Вьетнам реализует программу по снижению импорта угля за счёт отработки собственных запасов технологией ПГУ. В Индии ведётся разработка некондиционных запасов бурого угля в виде пластов, рассредоточенных на глубинах от 230 до 900 м, для энергетических нужд [9 с. 40].

Заключение

Обобщая все сказанное, можно сделать вывод о том, что, на данный момент, Россия, унаследовала отработанную технологию, богатый опыт и наработки в проектировании и эксплуатации станций подземной газификации углей от СССР. В совокупности с работами специалистов из ОАО «Газпром промгаз» и работающих в этом направлении компаний и учёных, она имеет самую обширную опытно-технологическую базу для развития предприятий ПГУ в мире. Такая база в ситуации истощения запасов нефти и природного газа позволит удовлетворить потребность в энергоносителях и нефтехимическом сырье за счёт разработки угольных месторождений по технологии подземной газификации углей. В ближайшей перспективе эти знания позволяют развить сеть комплексных горно-химических предприятий, которые смогут производить помимо топлива и химического сырья электроэнергию и редкоземельные элементы в качестве побочных продуктов, которые при обычном сжигании угля попадают в атмосферу. Подземная газификация углей - перспективная альтернатива традиционным способам добычи твердого топлива.

Библиографические ссылки на источники

1. Алферов Б. А., Кузнецова Л. В. Очистка газообразных продуктов подземной газификации угля с попутным извлечением мышьяка и его соединений // Безопасность труда в промышленности. - М.: Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности, 2010. - 2010. - № 6. - С. 25-26.

2. Алферов Б. А., Кузнецова Л. В Повышение экологической безопасности подземной газификации угля попутным извлечением селена - М.: Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности, 2010. - 2010. - № 8. - С. 4243.

3. Алферов Б. А., Кузнецова Л. В Извлечение ртути из продуктов подземной газификации угля // Безопасность труда в промышленности. - М.: Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности, 2010. - 2010. - № 11. - С. 30-32.

4. Белов А. В., Гребенюк И. В. Перспективы газификации угля с получением энергетического газа и синтетического жидкого топлива // Горная промышленность. - М.: Научно-производственная компания «Гемос Лимитед», 2009 -2009.-№ З.-С. 36-39.

5. Еремина А. О. Сточные воды подземной газификации угля и их очистка // Современные наукоемкие технологии. - Пенза: Издательский Дом «Академия Естествознания», 2006. - 2006. - № 3. - С. 102-103.

6. Зоря А. Ю. Совершенствование технологии подземной газификации угля как безопасного способа разработки угольных месторождений // Безопасность труда в промышленности. - М.: Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности, 2009. - 2009. - № 1. - С. 20-23.

7. Исхаков X. А., Кочетков В. Н. Исторические аспекты подземной газификации углей // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово: Изд-во КузГТУ, 2005. - 2005. - № 2. - С. 106-109.

8. Кондырев Б. И. Состояние и перспективы развития подземной газификации угля на Дальнем Востоке России // Вологдинские чтения. - Владивосток: Изд-во ДВФУ, 2012. - 2012. - № 80. - С. 213-215.

9. Крейнин Е. В., Стрельцов С. Ю., Сушенцова Б. Ю. Анализ и перспективы современных проектов подземной газификации углей в мире // Уголь. - М.: ООО «Редакция журнала «Уголь», 2011. - 2011. - № 3. - С. 40-43.

10. Ю.Лапидус А. Л. Синтез углеводородов из модельного газа подземной газификации углей // Химия твёрдого топлива. - М.: Изд-во РАН, 2011. - 2011. - № 3. С. 26-29.

11. П.Мазаник А. С., Субботин А. Н. Два режима тепломассопереноса при подземной газификации бурого угля // Теплофизические основы энергетических технологий: сб. трудов Всерос. Конф. (Томск, 06-08 окт. 2011 г.). - Томск: Изд-во НИ ТПУ, 2011. - С. 46-50.

12.Писаренко М. В. Утилизация резиносодержащих отходов при подземной газификации углей // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: сборник трудов конференции (Кемерово, 18-21 сент. 2012 г.). - Кемерово: Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН, 2012. - С.196-198.

Размещено на Allbest.ru