Утилізація техногенних масивів геотехнологічними методами: деякі способи для отримання енергії

Размещено на http://allbest.ru

Інститут геології і геохімії горючих копалин НАН України та НАК “Нафтогаз України”

УДК 66.071 + 622.278 + 662.76 + 622.276 / 277

Утилізація техногенних масивів геотехнологічними методами: деякі способи для отримання енергії

Д.В. Брик, О.В. Гвоздевич, Ю.В.Стефаник

Львів

В надрах Львівсько-Волинського кам'яно-вугільного басейну (ЛВБ) розміщені значні (більше 1 млрд. т) запаси, некондиційного (забалансового) вугілля, зокрема, сапропелітового, яке часто залягає в безпосередньому контакті з пластами гумусового вугілля, а інколи і у вигляді самостійних покладів.

Потужність пластів сапропелітів змінюється в межах 0,5--1,0 м, в окремих місцях вона зростає до 1,5 м і навіть до 2,65м (пласт n₇^в, свердл. 2174, Забуський вуглепромисловй район).

В загальному 8-ма шахтами ЛВБ видається на поверхню значна частина сапропелітового вугілля, яке, не дивлячись на достатньо високу теплоту згорання (в середньому 33 МДж/кг), не використовується паливно-енергетичними підприємствами в зв'язку із високим вмістом золи (50 % і більше) та відсутністю ефективної технології спалювання такого вугілля в котлах. В результаті майже весь видобутий сапропеліт поступає у відвали.

Геологічна будова та літолого-петрографічний склад пластів сапропелітів відображені в роботах [1,2], хоча до теперішнього часу не проведено точного підрахунку їх запасів. Найбільш повна характеристика покладів і складу сапропелітового вугілля описана в монографії [2].

У Львівсько-Волинському басейні питома вага сапропелітового вугілля в загальній органічній масі досить велика: тільки в пластах n₇^н, n₇^в, n₈^в воно складає більше 75 %, а по пласті n₈ лише по Межирічинському родовищу біля 40 % усіх запасів.

За даними [2] запаси сапропелітового вугілля ЛВБ становлять більше 100 млн. тонн. На деяких ділянках суцільна площа розповсюдження сапропелітів досягає 50-80 км² при середній потужності пласта 0,5-0,7 м. В межах басейну дане вугілля залягає в інтервалі глибин від 200 до 1300 м.

Елементний склад сапропелітового вугілля ЛВБ , % daf, наступний: С-85,7; Н-6,75; N-1.65; S-0,95; O-4,95.

В роботах [2,3] приводиться технічний аналіз сапропелітового вугілля, а саме,%: вологість (W^a) 0,8-2,7; зольність (A^d) 40,6-56,3; вихід летких на горючу масу (V^daf) 37,5-44,9; вміст сірки на суху масу (S_t^d) 0,5-3,0.

Зола сапропелітів складається, % ваг.: SiO₂ - 15,1-61,9; TiO₂ - 0,2-0,4; Al₂O₃ - 15,2-39,9; Fe₂O₃ - 5,0-63,3; CaO - 0,4-9,7; MgO -0,1-7,9; SO₃-0,6-3,0, причому вміст окремих компонентів змінюється в широких межах. Зазначимо, що в золі сапропелітів ЛВБ зафіксовано 29 мікроелементів, в т.ч. із рідкісних та розсіяних: галій, германій, титан, берилій, лантан, нікель, молібден, ітрій, цирконій.

Лабораторні дослідження, які виконані ВХІНом [4], показують, що сапропелітове вугілля ЛВБ відрізняється від гумусового підвищеним вмістом водню (до 8 %), значно вищим виходом летких на горючу масу (до 52 %). При коксуванні воно виділяє багато первинної смоли, що затрудняє спалювання його в традиційних котлах.

Експериментальні роботи з газифікації сапропелітового вугілля, які були виконані в ІГГГК НАН України та НАК “Нафтогаз України” на стендовій установці [5], ставили за мету вибір оптимальних технологічних параметрів, котрі забезпечували б максимальне наближення якості і кількості цільової продукції (газу та смоли) до граничних теоретично можливих показників.

Досліджувались вплив температури, тиску, витрат і якісного складу реагентів на вихід та теплотворність синтезованого горючого газу і смоли, вплив зон деструкції на збереження отриманого газу в залежності від температурних умов процесу.

Виходи широких фракцій смоли газифікації сапропеліту на повітряному і водоповітряному дутті показані в таблиці.

Таблиця. Виходи широких фракцій смоли газифікації сапропеліту на повітряному і водоповітряному дутті

Примітка:* Для смоли на водоповітряному дутті втрата по відгонці за рахунок легких фракцій, що не конденсуються, і залишків води складають 6-8% ( в середньому 7%). Загальний залишок разом з втратами дорівнював 30,7 %. Тоді 30,7-7=23,7% і цю величину віднесено до п.3, що разом із 28,2 дало вихід 51,9 % фр.>320⁰С. В середньому вихід смоли склав 14 % вагових.

На установці при температурі 900 - 1100 ⁰С було прогазифіковано більше однієї тонни сапропелітового вугілля та відібрано 35 проб горючого газу наступного складу, % об.: СО- 15,0-21,8; Н₂ -10,3-20,3; СН₄-0,5-0,9; решта негорючі компоненти. Теплота згорання газу-4,1- 5,4 МДж/м³ . Вищенаведені результати близькі до даних в роботах [6, 7].

Таким чином, було встановлено придатність некондиційного сапропелітового вугілля до наземної термічної переробки з отриманням горючого газу та смоли.

Крім того, значна кількість некондиційних пластів гумусового вугілля, яке контактує із сапропелітовим, а також підземних вугільних блоків відпрацьованих шахт та наземних техногенних масивів - вугільних відвалів зумовлюють екологічну доцільність та необхідність їх розробки геотехнологічними способами при допомозі свердловин (підземна газифікація, утилізація відвалів "in sіtu", тощо).

Видобувати корисні копалини, а також розробляти техногенні відвальні нагромадження (вугільні терикони, полігони твердих побутових відходів, тощо), що не піддаються традиційним методам розробки є основним завданням геотехнології.

Найбільш реальним шляхом для визначення оптимальних технологічих режимів процесу підземної газифікації вугільного пласта та "насипного" масиву (вугільного терикону) є розрахунок параметрів на основі законів хімічної термодинаміки в залежності від складу вихідних реагентів та термодинамічних умов синтезу.

Значним джерелом паливно-енергетичних ресурсів є також вугільні блоки відпрацьованих шахт та інші техногенні масиви: вугільні терикони, полігони твердих побутових відходів. В Інституті розроблено ряд технологічних схем видобутку корисних копалин геотехнологічним методом, який не тільки вважається екологічно чистішим за шахтний видобуток, але також може застосовуватись при розробці некондиційних покладів.

Далі наведемо приклад комплексного підходу до утилізації некондиційних вугільних масивів шляхом підземної газифікації вугільних пластів та вугільних блоків відпрацьованих шахт разом з відходами вуглевидобутку. утилізація підземний газифікація вугільний

Схема утилізації техногенних вугільних масивів показана на рисунку. Суть запропонованої технології полягає в наступному. Відходи вугільної промисловості закладають у виробітки відпрацьованих шахт. Разом з підземними вугільними блоками, що залишилися після шахтного видобутку вугілля, відходи утворюють гіпотетично “суцільний вугільний пласт”, який газифікують через свердловини, пробурені з поверхні землі. Запалювання такого пласту та нагнітання в нього окислювача проводять через дегазаційні свердловини, що були пробурені перед шахтним видобутком вугілля. Технологія буде ефективною при попередній дегазації вугільного пласта із вилученням супутнього газу - метану.

Такий комплексний підхід до видобутку вугілля проходитиме в три етапи:

попередня дегазація вугільного пласта;

шахтний видобуток вугілля;

підземна газифікація некондиційних вугільних пластів та вугільних блоків відпрацьованих шахт разом з відходами вугільної промисловості, які попередньо закладають у виробітки.

При цьому ліквідують вугільні терикони, що забруднюють довкілля, а також отримують енергоносій в залежності від проведення відповідного геотехнологічного процесу. Це може бути суміш горючих газів (СО, Н₂), яку отримують при проведенні процесу підземної газифікації вугілля, або -теплоносій, наприклад, гаряча вода - при повному спалюванні залишкових покладів.

В основу пропонованої технології [8] поставлено задачу підвищити енергопродуктивність способу одночасної енергокомплексної розробки некондиційних вугільних масивів, а саме: вугільного відвалу, підземних вугільних блоків та некондиційних пластів, що залишилися після шахтного видобутку вугілля. Це досягається наступним чином:

одночасно з газифікацією вугільного відвалу [9] та вугільного блоку до процесу підземної свердловинної газифікації долучають некондиційний вугільний пласт [10];

після газифікації вугільних відвалу, блоку та пласта проводять процес утилізації тепла вигазованого простору одночасно по меншій мірі в одному з вугільних масивів, чередуючи цей процес помасивно з іншими відомими та вищеназваними процесами;

Для цього на поверхні землі, в місці розміщення вугільних масивів, створюють комлекс вуглеенергетичних підприємств, які технологічно поєднують та формують спільний для підприємств блок утилізації газів і тепла для виробництва, наприклад, електроенергії.

Перевагами технології є те, що при її використанні отримують неперервно енергоносії за рахунок помасивного регулювання процесами.

На рисунку зображено: вугільний відвал 1, покритий теплотривким шаром ізоляції 2 з вікнами 3, в масив якого пробурена робоча 4 свердловина для подачі реагентів, наприклад, повітря для підтримання та переміщення зони горіння 5 та відвідна 6 свердловина для подачі через вакуум-помпу 7 цільових продуктів геотехнологічної розробки вугільного відвалу в наземний блок 8 утилізації. При свердловинній розробці підземних суміжних вугільних блоків 9 в гірничу виробку закладено вуглисті відвальні породи 10, а на блоки 9 з поверхні землі пробурена свердловина 11 для подачі реагентів та продуктивна 12 свердловина для відводу енергоносіїв за допомогою вентиляційного димососа 13 в наземний утилізаційний блок 8. Для підземої газифікації некондиційного вугільного пласту 14 на нього бурять свердловину 15 для подачі за допомогою компресора 16 реагента в зону горіння або у вигазований простір 17, а також - експлуатаційну 18 свердловину для відводу енергоносіїв в блок 8 на утилізацію.

Технологію реалізують наступним чином.

На шахтному полі, в місці розміщення вугільних масивів 1, 9, 14, створюють комлекс вуглеенергетичних підприємств, які технологічно поєднують одне з одним та формують спільний для підприємств блок 8 утилізації газів і тепла для виробництва, наприклад, електроенергії.

На I-ому етапі геотехнологічної розробки ведуть свердловинну газифікацію (або спалювання способом ПГВ) масивів 1, 9, 14. Процес підземної газифікації вугілля здійснюють, наприклад, при високій температурі та тиску з утворенням метану за реакцією: 2С + 2Н₂О = СН₄ + СО₂ з наступною утилізацією фізичного тепла парогазової суміші.

Одночасно з розробкою масиву 1 на етапі II проводять утилізацію тепла частково вигазованого високотемпературного простору 17 підземних вугільних блоків 9. Для цього через свердловину 11 подають водовугільний шлам та ведуть процес при низьких тисках та високих температурах з отриманням висококалорійного "водяного газу" за ендотермічною реакцією: С + Н₂О = Н₂ + СО.

На наступних етапах свердловинної розробки вугільних масивів, реалізують відомі процеси, утилізуючи цільовий продукт в утилізаційному блоці 8.

Рисунок. Схема геотехнологічної утилізації техногенних вугільних масивів

Таким чином, помасивна зміна процесів генерації газів та їх утилізації, а також проведення процесу утилізації тепла простору вказаних вугільних масивів та проведення одночасно по меншій мірі в одному з вугільних масивів вищеназваних процесів дозволяє отримувати енергоносій .

Наступним техногенним об'єктом, який пропонується для геотехнологічної утилізації з вилученням звалищного біогазу, є полігон твердих побутових відходів (ТПВ).

Звалищний газ - це по суті горючий газ, що містить в своєму складі 40-60% метану - СН₄ (решта - СО₂), і який після очищення може бути використаний для заправки автомобілів, що працюють на газовому паливі, для отримання теплої води та обігріву теплиць, для використання в газових магістралях природного газу, тощо. При цьому вирішуються очевидні екологічні проблеми складування побутових відходів.

Утворення біогазу в досить значних кількостях проходить найбільш інтенсивно в перші 5-7 років складування ТПВ і продовжується практично десятки років. Технологія [11] отримання енергії з полігонів побутових відходів запатентована Інститутом і буде використана в проекті рекультивації Львівського міського полігону твердих побутових відходів.

Таким чином, запропоновані вище технології дозволять задіяти для господарських потреб некондиційні забалансові запаси вугілля, відходи вуглевидобутку та сміттєзвалища, отримати додатково енергоносії та зменшити забруднення довкілля.

Перелік посилань

1. Каменные угли Львовско-Волынского бассейна. Под общ. ред. В.З.Ершова. -Львов: «Вища школа», изд-во Львовского госуниверситета, 1978. - 175 с.

2. Кушнірук В.О., Бартошинська Є.С. Сапропеліти Львівсько-Волинського басейну. - К.: Наукова думка, 1971. - 137 с.

3. Дослідження процесу термічної деструкції сапропелітових сланців Львівсько-Волинського басейну з метою отримання рідких та газоподібних вуглеводнів / Я.Й. Сидорович та ін. // Звіт по НДР: Інститут геології і геохімії горючих копалин НАН України № ДР2403Ф. -Львів,1997. - 38 с.

4. Аронов С.Г., Скляр М.Г. Изучение методов химической переработки сапропелитов Львовско-Волынского бассейна. // Отчет по НИР, фонд УХИН, 1991. - 282 с.

5. А.с. СССР № 1506113, МКИ С10J 5/00. Гвоздевич О.В., Брык Д.В., Кухар Я.З., Бутин А.З. Стенд для моделирования процесса подземной газификации угля // Открытия. Изобретения. - 1989. - № 33.

6. Брык Д.В., Гвоздевич О.В. Экспериментальные работы по газификации сапропелитовых углей Львовско-Волынского бассейна // Геотехнологические проблемы топливно-энергетических ресурсов Украины. Сб. научн. тр. - Киев: Наукова думка, 1985 - С. 141-143.

7. Стефаник Ю.В. Геотехнология некондиционных твердых топлив / Отв. ред. Чекалюк Э.Б. АН УССР. Ин-т геологии и геохимии горючих ископаемых.- Киев: Наукова думка, 1990. - С. 97 - 110.

8. Деклараційний патент України № 58070 А МПК ⁷ E21С41/00. Гвоздевич О.В. Спосіб одночасної енергокомплексної розробки некондиційних вугільних масивів // Опубл. 15.07.2003 р., Бюл. № 7.

9. Патент України № 4479, SU1270166 А1, МПК ⁴ C10J 5/00, Е21C 43/00. Гвоздевич О.В., Стефаник Ю.В. Спосіб газифікації вуглистих породних відвалів // Бюл. Пром. власн.- 1994. - № 6-1.- Опубл. 27.12.94.

10. Патент України № 4483, SU1481409 А1.МПК ⁴ Е21C 43/00, C10J 5/00. Чекалюк Е.Б., Стефаник Ю.В., Брик Д.В., Гвоздевич О.В. Спосіб метанізації обводнених покладів вугілля // Бюл. Пром. власн.-1994.- № 6-1. - Опубл. 27.12.94.

11. Деклараційний патент України №45524 А МПК ⁷ E21F 17/16, F23G 5/34, B65G 5/00. Гвоздевич О.В. Спосіб формування полігону твердих побутових відходів // Бюл. Пром. власн. - 2001. - № 7. - Опубл. 15.08.2001.

Анотація

УДК 66.071 + 622.278 + 662.76 + 622.276 / 277

Утилізація техногенних масивів геотехнологічними методами: деякі способи для отримання енергії. Д.В. Брик, О.В. Гвоздевич, Ю.В.Стефаник; Інститут геології і геохімії горючих копалин НАН України та НАК “Нафтогаз України”, Львів

Значна кількість некондиційних пластів гумусового вугілля, яке контактує із сапропелітовим, а також наявність підземних вугільних блоків відпрацьованих шахт та наземних техногенних масивів - вугільних відвалів у Львівсько-Волинському басейні зумовлюють екологічну доцільність та необхідність їх розробки геотехнологічними способами при допомозі свердловин шляхом підземної газифікації, утилізації відвалів "in sіtu", тощо.

Аннотация

Значительное количество некондиционных пластов гумусового угля, который контактирует с сапропелитовым, а также наличие подземных угольных блоков отработанных шахт и наземных техногенных массивов - угольных отвалов в Львовско-Волынском бассейне обуславливают экологическую целесообразность их разработки геотехнологическими способами при помощи скважин путем подземной газификации, утилизации отвалов "in sіtu" и пр.

Annotation

Utilization of the technogenic massifs by the geotechnology methods: some approaches for the obtaining of energy. D.V.Bryk, O.V.Hvozdevych, Y.V. Stefanyk

Institute of Geology & Geochemistry of Combustible Minerals of National Academy of Sciences of Ukraine and of NJSC „Naftogaz of Ukraine“, Lviv

Considerable amount of non - conditioned humic coal layers, which are in contact with sapropelite coal, as well presence of underground coal blocks of worked out mines and surface technogenic massifs - coal dumps in the Lviv -Volynsk basin cause ecological expediency of their geotechnologica mining through wells by underground coal gasification and salvaging of coal dumps " in situ " etc.

Размещено на Allbest.ru