Спосіб отримання водню з вугільного пласта

Заявляється корисна модель, що стосується вуглевидобувної галузі промисловості і може бути використаний при геотехнологічній розробці вугільних пластів при їх підземній газифікації з одержанням молекулярного водню. Відомими с способи безшахтної підземної газифікації вугільного пласта "in situ" геотехнологічним методом при допомозі свердловин, що бурять з поверхні Землі [1, 2]. Недоліком цих способів є неможливість отримання технічно чистого водню. Відомим є також способи [3, 4, 5] отримання синтетичних речовин, наприклад, синтез-газу (СО + H2), шляхом підземної газифікації вугілля з одержанням на першій стадії процесу діоксиду вуглецю СО2, з метою максимального розігріву пласта для подальшого отримання на другій стадії суміші газів СО + H2. Відомі і вказані способи підземного отримання суміші газів СО + H2 з вугілля є енерговитратними та непридатними для переробки з цією метою вугільних пластів на місці їх залягання. Найближчим за технічною суттю до способу, що заявляється, є відомий спосіб [6], який обрано за прототип, що полягає у підземній газифікації вугілля для отримання суміші і азів СО + H2. Відомий спосіб [6] має наступні ознаки, спільні з ознаками пропонованого технічного рішення, а саме: буріння нагнітальної та газовідвідної свердловини на вугільний пласт: з'єднання свердловин по пласту гідророзривом з наступним бутуванням щілини гідророзриву крупнозернистим піском; розпал пласта навколо вибою нагнітальної свердловини; почергову подачу повітря для підігріву пласта до температури 1250°С та подачу підігрітої води в нагрітий пласт через нагнітальну свердловину; підтримання наперед заданих термодинамічних умовин у пласті для отримання цільових продуктів. Відомий спосіб дає можливість отримати газову суміш (СН4, СО2, H2, CO та ін), aлe (малоефективним для одержання технічно чистого водню. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищити ефективність процесу за рахунок отримання технічно чистого водню, а також зниження енергоємності цього процесу геотехнологічним методом, за рахунок більш ефективного регулювання термодинамічних умовин у вугільному пласті. Поставлена задача вирішується тим, що в відомому та найбільш близькому за технічною суттю до запропонованого методу [6], який містить буріння нагнітальної га газовідвідної свердловин на вугільний пласт, з'єднання свердловин по пласту гідророзривом, розпал пласта навколо вибою нагнітальної свердловини, почергову подачу повітря для підігріву пласта до температури 1250°С та подачу підігрітої води у нагрітий пласт через нагнітальну свердловину, почерговий відвід продуктів горіння та синтез-газу через колону труб у газовідвідній свердловині, де підтримують задані термодинамічні умови, згідно з корисною моделлю колону труб у газовідвідній свердловині на стадії розігріву пласта заповнюють з поверхні відпрацьованим сорбентом, з якого попередньо вилучено оксид вуглецю (CO) з метою його регенерації газами горіння, підтримання в колоні газовідвідної свердловини на стадії отримання синтез-газу температури 65-70°С і тиску 1,3-1,4МПа для найбільш ефективного поглинання сорбентом СО та наступне винесення на поверхню відпрацьованого сорбенту для вилучення з нього CO2. Причинно-наслідковий зв'язок між ознаками, що відрізняю! ь та характеризують корисну модель, і технічним результатом, який буде досягнутий полягає у наступному: розміщення колони труб заповненої сорбентом у газовідвідній свердловині дає можливість отримувати водень безпосередньо у цій свердловині, підтримуючи і регулюючи в ній термодинамічні умовини сорбції CO, що є необхідним та достатнім для одержання технічно чистого водню; підтримання температури 65-70°С і тиску 1,3-1,4МПа для одержання з синтез-газу (СО + H2) водню забезпечує максимальну чистоту отримання водню; винесення з газовідвідної свердловини відпрацьованого сорбенту на поверхню дає можливість шляхом скидання тиску виділити з нього CO і направити разом з окиснювачем в нагнітальну свердловину на стадії розігріву, що підвищить температуру розігріву пласта за рахунок екзотермічної реакції 2СО + O2 ® 2СО2; заповнення колони труб газовідвідної свердловини на стадії розігріву пласта відпрацьованим сорбентом, з якого видалений CO, дає можливість повністю регенерувати сорбент за рахунок фізичного тепла газів горіння вугілля. Техніко-економічні переваги пропонованого способу є підвищення ефективності процесу за рахунок отримання технічно чистого водню, а також зменшення енергоємності процесу за рахунок проведення регенерації сорбенту у вугільному пласті. Отже, пропонований спосіб є економічно та екологічно доцільним, оскільки направлений на енерго-ресурсозабезпечення, а також дозволяє отримати водень з некондиційних вугільних пластів (малопотужних, глибокозалягаючих, сильно обводнених, високозольних тощо). Спосіб пояснюється кресленнями: на Фіг. - технологічна схема виконання пропонованого способу для отримання водню з вугільного пласта, де 1 - вугільний пласт на який пробурені нагнітальна 2 та газовідвідна 3 свердловини; 4 - колона труб. навколо якої розміщений трубний змієвик 5, сполучений на виході з патрубком 6 для подачі гарячої води для підігріву відпрацьованого сорбенту; 7, 8 - засувки на колоні труб 4 та на газовідвідній 3 свердловині; 9 - насос-компресор; 10 - патрубок для підводу гарячої води з накопичувача 12 до змієвика 5; 13 трубопровід відводу технічного водню; 14 - рухома зона розпалу (газифікації) вугільного пласта; 15 - канал гідророзриву; 16 - сорбент; 17 - термопара: 18 - манометр; 19, 20, 21 - засувки на трубопроводі відводу Н2; 22 накопичувач відпрацьованого сорбенту; 23 - вакуум-насос; 24 - компресор; 25, 26, 27 - трубопроводи; 28 газгольдер. Спосіб реалізується наступним чином. До геотехнологічної розробки долучаються переважно некондиційний малопотужний (наприклад, потужністю менше 0,5м) вугільний пласт 1, придатний для свердловинної переробки з поверхні Землі методом підземного спалювання. З поверхні Землі на вугільний пласт 1 бурять до підошви нагнітальну 2 та газовідвідну 3 свердловини на відстані 80-100м одна від одної, вибої яких сполучаються між собою каналом газифікації 15, створеним методом гідророзриву і забутованим крупнозернистим піском. Для цього на вибій свердловини 2 опускають свердловинний гідромонітор [7] (на Фіг. не показаний) з метою проведення орієнтовного з'єднання свердловин 2 і 3. Свердловинний гідромонітор має гнучкий робочий орган - зонд, який просувають по пласту в напрямку від нагнітальної 2 до газовідвідної 3 свердловини, після чого в утворені канали під тиском вище геостатичного нагнітають воду, виконуючи гідророзрив і бутують тріщини гідророзриву крупнозернистим піском. Далі свердловинним пристроєм [8] (на Фіг. не показаний) або іншим відомим способом, на вибої нагнітальної 2 свердловини формують зону розпалу (газифікації) 14 з температурою 1250°С, для чого насос - компресором 9 через патрубок 10 на гирлі-свердловини 2 подають в зону розпалу 14 окиснювач - повітря або технічний кисень. В цей час патрубок колони труб, заповнений відпрацьованим сорбентом (наприклад, |Cu2(NH3)2.2H2O|Cl2 з якого на поверхні вилучено СО), закритий засувкою 7, відкривають засувку 8 на газовідвідній 3 свердловині і утворений в результаті процесу спалювання вугільного пласта 1 газ (С + 0,5О2®CO2) відводять через накопичувач 12 води. 65 -70 o C ¾ При цьому в колоні 4 труб відбувається регенерація сорбенту за схемою |Cu2(NH3)2.2H2O|Cl2 ¾¾¾ ¾ ® Сu2СІ 2 + 2NH4OH. При досягненні в рухомій зоні розпалу 14 вугільного пласта 1 температури 1250°С припиняють подачу повітря в нагнітальну 2 свердловину і через патрубок 10 в неї подають підігріту в накопичувані 12 воду для утворення у вугільному пласті 1 синтез-газу (оксиду вуглецю СО та водню Н2) за реакцією С + Н2О ® СО + Н2. На цій стадії робіт перекривають засувку 8, відкривають засувку 7 і синтез-газ направляється через перфораційні отвори у колону 4 труб, яка виконує роль сорбенту СО. У випадку коли зона горіння 16 знаходиться достатньо далеко від газовідвідної 3 свердловини і гази горіння (СО2) нос гупають в її порожнину з температурою меншою за необхідну температуру для ефективної сорбції СО в колоні 4. через змієвик 5, що розташований навколо колони 4, закачують через патрубок 6 гарячу воду отриману в накопичувачі 12 і підігріту газами горіння (СО;). Таким чином підтримують температурний режим в колоні 4 труб і досягають температури в її порожнині рівної 6570°С. тобто температури необхідні для найбільш ефективною сорбування СО в колоні 4 труб із суміші газів СО і Н2. Тиск 1,3-1,4 MПa процес) сорбції СО у колоні 4 регулюють засувкою 7. При цих температурі та тиску забезпечують максимальну сорбцію СО у колоні 4 труб. Наповнення колони 4 труб пористим сорбентом дає можливість провести отгримання водню безпосередньо в цій колоні, підтримуючи в ній термодинамічні умови процесу сорбції СО, котрі є необхідними та достатніми для одержання технічно чистого водню. Одержаний технічний водень з температурою 65-70°С через відкритий патрубок 7 подають по трубопроводу 13 в охолоджувач, а далі через компресор закачують у балони чи інші ємності для зберігання та подальшого транспортування до споживача (на Фіг. охолоджувач, компресор і балони не показані). Перед закінчення подачі води у нагнітальну 2 свердловину закривають засувку 7 і створюють у пласті надлишковий тиск. який енергією стиснених у пласті газів видавлює відпрацьований сорбент через засувку 19 у накопичувач відпрацьованого сорбенту 22. Даля при закритих засувках 19 і 20 відкривають засувку 21 і вакуумнасосом 23 відкачують, з накопичувача відпрацьованого сорбента 22 через трубопровід 27 подають його у газгольдер 28. Після припинення вакуумування закривають засувку 21, відкривають засувку 20 і компресором 24 через трубопровід 25 подають у колону 4 труб відпрацьований сорбент, з якого вилучено CO, після чого закривають засувку 20. Робочий цикл отримання технічно чистого водню (подачу води у вугільний пласт 1) припиняють, коли продуктивність виробництва водню різко спадає. Тоді знову розпочинають розпал золи 14, розігрів пласта до температури 1250°С, при цьому насос-компресор 9 нагнітають у пласт разом з повітрям накопичений у газгольдері 28 діоксид вуглецю, після чого процес продовжують шляхом нагнітання нових порцій води, як описано вище. Таким чином, спосіб отримання технічно чистого водню з вугільного пласта забезпечує виконання поставленої задачі. Джерела інформації: 1. Патент США №4313499, кл-ClOj5/00,1982 2. Патент України №4483 SU 1481409, A1 МПК4 Е21С43/00, С10j5/00. Спосіб метанізації обводнених покладів вугілля// Бюл. пром. власн. - 1994.- №6 -1. Опубл. 27. 12.94. 3. Шелдон Р.А. Химические продукты на основе синтез-газа: Пер. с англ./ Под ред. С. М. Локтева. М.: Химия, 1987, с.23-24. 4. Гойхрах И. М., Пинягин Н. Б. Химия и технология исскуственного жидкого топлива. М.: Гос. науч-техн. издво нефт. и горно-топл. л-ры. 1954, с.189-202. 5. Патент України №4482 SU 1428764, АІ МПК4 С10j5/00. Спосіб газифікації вуглевміщуючого пласта // Бюл. пром. власн. - 1994.- №6 -1. Опубл. 27. 12.94. 6. Патент України №4481 SU 1390238, A1 МПК4 С10j5/00. Спосіб підземної газифікації вугілля // Бюл. пром. власн. - 1994.- №6 -1. Опубл. 27. 12.94.-прототип 7. Степанчиков А. Е., Гвоздевич О. В., Баширов В. В., Темпов Г. М. Скваженные гидростуйные аппараты для интенсификации для интенсификации процеса нефтеизвлечения. - М.: ВНИИОЭНГ, 1990, С.44 8. Гвоздевич О.В., Стефаник Ю. В., Степанчиков А. Е. О розжиге углесодержащих массивов при геотехнологических разработках месторождений // Сб. науч. тр. АН УССР. Ин-т геологии и геохимии горючих ископаемых/ Отв. ред. Э. Б. Чекалюк. -Киев: Наук. Думка, 1989. с.25 - 32.