Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Кафедра «Химической технологии топлива и промышленной экологии»
РЕФЕРАТ по теме
«Подземная газификация каменных углей»
Руководитель С.Г. Стахеев
Студент К.М. Куркина
Екатеринбург, 2019
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ИСТОРИЯ
2. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ
3. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ПГУ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ВВЕДЕНИЕ
Подземная газификация углей -- способ разработки угольных месторождений, основанный на физико-химических превращениях полезных ископаемых в горючие газы с помощью свободного или связанного кислорода в недрах на месте залегания. ПГУ относится к нетрадиционным экологически чистым технологиям разработки угольных пластов и сжигания угля.
Основная задача подземной газификации -- получение горючего газа для энергетики и промышленности газовых синтезов.
Сегодня практически во всех крупных угледобывающих странах мира резко возрос интерес к подземной газификации угля. Для энергетики регионов, в которых имеются запасы угля (каменного или бурого), открываются новые возможности, а именно: строительство энергетических предприятий, работающих на «собственном» энергетическом сырье - газе подземной газификации угля.
1. ИСТОРИЯ
Идея подземной газификации принадлежит Д. И. Менделееву и, судя по его записным книжкам, впервые зародилась у него в начале 80-х годов XIX века: «достаточно поджечь уголь под землей, превратить его в светильный, или генераторный, или водяной газ и отвести его по трубам из бумаги, пропитанных смолой и обвитых проволокой». Первое официальное изложение идеи встречается в 1888 г. в статье Д. И. Менделеева «Будущая сила, покоящаяся на берегах Донца». Позже (1912 г.) эту же идею высказал английский химик У. Рамзай.
Первый в мире проект подземной газификации углей был разработан в 1928 г. в СССР. В 1933 г. в СССР была создана контора (позже трест) «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).
Первый удачный метод, т.н. «поточный», был разработан группой бывших студентов Сталинского (Донецкого) углехимического института под руководством профессора И. Е. Коробчанского и при активной помощи профессора В. С. Крыма. После лабораторных испытаний в 1934 году результаты исследования были внедрены этой группой на лисичанской шахте «Подземгаз» и горловской шахте № 4 «Подземгаз».
Наиболее известными опытно-промышленными предприятиями подземной газификации были: Южно-Абинская станция «Подземгаз» в Кузбассе (город Киселевск), пущенная в эксплуатацию в 1955 году и прекратившая свое существование в 1996 году, и Ангренская станция «Подземгаз» в Узбекистане (город Ангрен), построенная в 1963 году и работающая по сей день.
Развитие работ подземной газификации продолжалось институтом ВНИИПодземгаз (позже ВНИИПромгаз, ВНПО «Союзпромгаз», ныне ОАО «Газпром промгаз»).
За пределами СССР первые опыты подземной газификации были проведены в 1946 г. в США (штат Алабама) и в 1947 г. в Италии (у Вальдорио близ Флоренции).
1970-80-е годы знаменуются всплеском интереса к подземной газификации углей за рубежом: почти все крупные угледобывающие государства мира приобрели у Советского Союза лицензии на технологию подземной газификации углей. В этот период Советский Союз посещали многие делегации, зарубежные специалисты знакомились с достижениями советских инженеров, перенимали опыт ведения процесса, который во многом был передовым в мире в области подземной газификации (ПГУ). Однако в самом СССР, начиная с середины 1970-х интерес к ПГУ начал падать в связи с открытием крупных газовых месторождений на Севере.
В начале XXI века интерес к ПГУ вырос в США, Индии и Китае, где в настоящее время ведутся экспериментальные и промышленные работы.
подземная газификация уголь
2. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ
Процесс подземной газификации состоит из следующих основных стадий:
бурение с поверхности земли на угольный пласт вертикальных, наклонных и наклонно-направленных скважин;
установление гидравлической связи между скважинами по угольному пласту для осуществления процесса газификации;
розжиг угольного пласта и ведение процесса газификации угольного массива.
Бесшахтный способ вскрытия угольного пласта заключается в бурении нагнетательных и газоотводных скважин на угольный пласт на определенном расстоянии одна от другой.
Для создания в пласте реакционных каналов используются фильтрационно-огневая (или фильтрационная) сбойка скважин, гидравлический разрыв пласта, направленное бурение скважин по угольному пласту, сбойка скважин с применением электрического тока. В каналах формируются реакционные зоны и начинается процесс газификации углей, который носит полуобращённый характер. В процессе газификации горючая масса угля превращается в газ, а в выгоревшем пространстве остаётся зола; по мере газификации углей пласта реакционные зоны перемещаются и под действием горного давления происходит сдвижение пород кровли, заполнение ими выгазованного пространства. Благодаря этому размеры и структура каналов газификации в течение длительного времени остаются постоянными, что обусловливает также относительную стабильность состава получаемого газа.
В процессе газификации кислород дутья взаимодействует с углеродом угольного пласта. При этом образуются двуокись, окись углерода, а затем и водород. Кроме того, в газе содержится ряд других горючих компонентов: метан, непредельные углеводороды, сероводород.
Скважины для подвода дутья и отвода газа бурятся по определенной схеме и образуют подземный газогенератор. На поверхности расположены трубопроводы для нагнетания в скважины рабочих агентов (воздуха или обогащенного кислородом воздуха) и транспортировки газа для его очистки на промплощадке, на которой расположены цех для производства рабочих агентов и нагнетания их в подземные газогенераторы и установки для очистки газа и его охлаждения. Очистка газа происходит в скрубберах.
Состав и теплотворная способность получаемого газа зависит от технологических условий залегания угольного пласта, качества угля, состава подаваемых на газификацию рабочих агентов и от технологических приемов при газификации, очистке газа от тех или иных компонентов.
Теоретически установлено, что теплота сгорания газа при газификации углерода на воздушном дутье составляет не более 4,4 МДж/м3 (1050 ккал/м3).
Но так как в процессе участвуют водяные пары и продукты разложения органической массы угля, теплота сгорания газа ПГУ на воздушном дутье может достигать 4,6-5,0 МДж/м3 (1100-1200 ккал/м3). При применении дутья, обогащенного кислородом (концентрация О2 - 65%), теплота сгорания газа может достигать 6,7 МДж/м3 (1600 ккал/м3). Газ подземной газификации является низкокалорийным.
Расчетный состав газов характеризуется диапазонами, в которых изменяется содержание некоторых компонентов:
а) при использовании воздушного дутья: СО2 - 12,0-15,3 %; CmHn - 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 %.
б) при использовании парокислородного дутья: СО - 35,0 %; Н2 - 50,0 %; СН4 - 7,5 %; CmHn - 1,2 %; О2 - 0,3 %; N2 - 5,0 %.
Выход газа на 1 кг угля изменяется от 1,5 до 5,5 м3/кг. Процесс газификации и поддержания теплоты сгорания газа с определенными параметрами осуществляется регулированием количества дутья и отводимого газа технологическими методами. Контроль за процессом подземной газификации на подземных газогенераторах ведется технологическим, геологическим и маркшейдерским методами и позволяет определять степень выгазовывания угольных пластов на подземных газогенераторах.
Состав выходящего газа можно изменить, нагнетая в шахту различные смеси газов. Так, например, если газ направляют на заводы для синтеза жидкого горючего, в шахту нагнетают чистый кислород с парами воды. Если газ хотят использовать для синтеза аммиака, в шахту подают воздух с содержанием кислорода 50-60%, смешанный с парами воды. Для топливного газа в шахту нагнетают воздух с содержанием кислорода 25-30%.
Схема подземной газификации приведена на рисунке 1.
Рис. 1 - Схема подземной газификации углей
3. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ПГУ
Основные достоинства ПГУ: относительно небольшой объём подземных работ; низкие затраты на вскрытие залежей (по сравнению с шахтной и открытой добычей); сохранность плодородного слоя почвы в пределах горного отвода (отсутствие породных отвалов и др.); чистота воздушного бассейна; более низкая (при прочих равных условиях) по сравнению с традиционными способами добычи стоимость топлива.
Основные недостатки: относительно невысокая теплота сгорания газа; сложность управления внутрипластовым движущимся очагом горения; зависимость от геологической структуры месторождения; необходимость очистки газа от пыли и образующихся химический соединений; возможность утечки газа через трещины в кровле залежи.
Газ, проводимый путем подземной газификации угля, применяют для энергетических нужд (в основном как котельное топливо). Себестоимость газа (в перерасчете на условное топливо) ниже себестоимости угля, добываемого шахтным способом, и выше себестоимости угля открытой добычи. Технико-экономические показатели подземной газификации угля определяются масштабами производства газа. При подземной газификации угля отпадает необходимость в труде людей под землей. Однако газ, полученный на воздушном дутье, по теплотехническим свойствам существенно уступает природному.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В мире вновь возвращаются к идее подземной газификации углей, т.к. потенциальные достоинства данного способа позволяют устранить многие проблемы, характерные для традиционных способов добычи и переработки угля. Очевидно, что при проектировании предприятий ПГУ необходимо проводить специальные геоэкологические исследования, геологический мониторинг и гидрогеологические расчеты. Должны быть разработаны рекомендации по снижению или устранению вредного воздействия загрязненных сред, образующихся при ПГУ на природные комплексы.
Подземную газификацию углей сегодня нужно рассматривать как технологию средней перспективы, которая пока не в состоянии конкурировать с природным газом и нефтью, однако, скважинная технология ПГУ является наиболее вероятным способом освоения угольных ресурсов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. КиберЛенинка. Подземная газификация углей [Электронный ресурс]. - URL:.https://cyberleninka.ru/article/n/podzemnaya-gazifikatsiya-ugolnyh-plastov-kak-naibolee-effektivnyy-variant-ekologicheski-chistoy-ugolnoy-tehnologii-v-toplivnoy (дата обращения 05.11.2019)
2. Википедия. Подземная газификация угля: [Электронный ресурс]. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Подземная_газификация_угля (дата обращения 05.11.2019)
3. Крейнин Е.В., Федоров Н.А., Звягинцев К.Н., Пьянкова Т.М. Подземная газификация угольных пластов. - М.: Недра, 1982. - 151.
4. Е. В. Крейнин. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекаемых топлив: уголь, углеводородное сырье. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. - 302.