Спосіб рекуперації тепла при підземній газифікації твердого палива

Спосіб рекуперації тепла при підземній газифікації твердого палива, що включає буріння вертикально-горизонтальних свердловин, їх збійку між собою, запалювання пласта, подачу дуття, газифікацію твердого палива, закладку деформованих порід покрівлі та вигазованого простору й отримання продуктів газифікацій, рекуперації їх тепла та отримання теплової та електричної енергії який відрізняється тим, що попередньо визначають зони розподілу тепла з відповідними діапазонами температур, в які далі бурять горизонтальні свердловини у підошві вугільного пласта і формують впродовж цих зон відповідні контури рекупераційної системи, по яких рекуперують тепло вугільного пласта і його вміщуючих порід на місці підземної газифікації в шахтних умовах. Винахід належить до галузі підземної розробки родовищ корисних копалин шляхом підземної газифікації вугільних та сланцевих пластів. Відомий спосіб і пристрій для передачі теплової енергії газоподібних продуктів підземної газифікації (спалювання) вугілля теплоносію при термохімічній відробки вугільних пластів з поверхні землі та в шахтних, що вимагає буріння свердловин по пласту, збійку між ними, запалювання пласта, отримання високотемпературних газоподібних продуктів газифікації й установку пристрою з рекуперації теплової енергії на газовідвідній свердловині підземного газогенератора [Патент Росії № 2096605, МКИ 3, кл. Е21В 43/295 від 30.05.96]. Недоліки - висока собівартість кінцевого продукту, трудомісткість та небезпечність процесу, значні втрати тепла при транспортуванні високотемпературних продуктів на поверхню шахти. Найбільш близьким технічним рішенням є шахтний спосіб підземного спалювання вугілля і виробництва електроенергії, який включає спалювання відбитого вугілля в стаціонарних підземних топках і видачу високотемпературних продуктів на поверхню шахти в паросилову установку для виробництва електроенергії [Заявка RU 94023017, опубл. 10.06.1996]. Недоліки значні втрати тепла у зв'язку з транспортуванням і нагрівом вміщуючих порід, низький ККД та ефективність пристрою для передачі теплової енергії, де як теплоносій використовується вода. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу рекуперації тепла при підземній газифікації твердого палива шляхом введення нових технологічних операцій та технологічних параметрів, досягається можливість одержання тепла з породного масиву під час вигазовування вугільного пласта, а також після закінчення процесу видобутку та отримання теплової й електричної енергії, і за рахунок цього підвищення ефективності процесу підземної газифікації й економічної привабливості вигазовування вугільних пластів некондиційної потужності. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі рекуперації тепла при підземній газифікації твердого палива, що включає буріння вертикально-горизонтальних свердловин, їх збійку між собою, запалювання пласта, подачу дуття, газифікацію твердого палива, закладку деформованих порід покрівлі та вигазованого простору й (19) UA (11) 97274 (13) C2 (21) a200912906 (22) 14.12.2009 (24) 25.01.2012 (46) 25.01.2012, Бюл.№ 2, 2012 р. (72) ФАЛЬШТИНСЬКИЙ ВОЛОДИМИР СЕРГІЙОВИЧ, ДИЧКОВСЬКИЙ РОМАН ОМЕЛЯНОВИЧ, ТАБАЧЕНКО МИКОЛА МИХАЙЛОВИЧ, МЕДЯНИК ВОЛОДИМИР ЮРІЙОВИЧ, СВЕТКІНА ОЛЕНА ЮРІЇВНА, ПОЧЕПОВ ВІКТОР МИКОЛАЙОВИЧ (73) ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД "НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ" (56) RU 2096605 C1, 20.11.1997 RU 94023017 A1, 10.06.1996 UA 17722 C2, 15.08.2001 UA 21863 C2, 30.04.1998 SU 1836876 A3, 30.12.1994 EP 0030430 A1, 17.06.1981 RU 2012791 C1, 15.05.1994 3 отримання продуктів газифікацій, рекуперації їх тепла та отримання теплової та електричної енергії відрізняється тим, що попередньо визначають зони розподілу тепла з відповідними діапазонами температур, в які далі бурять горизонтальні свердловини у підошві вугільного пласта і формують впродовж цих зон відповідні контури рекупераційної системи, по яких рекуперують тепло вугільного пласта і його вміщуючих порід на місці підземної газифікації в шахтних умовах. На фіг. 1 представлена технологічна схема триконтурного рекуператора тепла підземного газогенератора; на фіг. 2 - поперечний переріз підземного газогенератора по А-А; на фіг. 3 - конструкція рекуператора «труба у трубі» з розташуванням теплоносіїв: 1 - вугільний пласт; 2 - цементна перемичка; 3 - повітроподавальна горизонтальна свердловина; 4 - газовідвідна горизонтальна свердловина; 5 - вигазований простір; 6 - реакційний канал газогенератора; 7 - вогневий вибій; 8 - берма повітроподавального штреку; 9 - газовідвідна вертикальна свердловина; 10 - повітроподавальний штрек; 11 - тепловідвідний штрек; 12 - трубопровід з холодним теплоносієм (вода); 13 -керовані клапани розподілу води; 14 - трубопровід з теплоносієм (розчин рідких лужних металів Na або гліколь); 15 - барабан для гнучкого повітроподавального трубопроводу (d=32 мм); 16 - трубопровід (d=75-100 мм) з теплоносієм (Na або гліколь); 17 - трубопровід (d=50-75 мм) з теплоносієм (вода); 18 - трубопровід з парою; 19 - паропровід (d=100-120 мм); 20 - керовані клапани розподілу пари; 21 - гнучкий повітроподавальний трубопровід; 22 - ділянка трубопроводу з киплячим теплоносієм (Na або гліколь, ТК=260-620 °С); 23 - керовані клапани розподілу киплячого теплоносія (Na або гліколю); 24 - котел-рекуператор тепла; 25 - опорна зона; 26 - керовані клапани розподілу між трубопроводами; 27 - покрівля вугільного пласта, що газифікується; 28 - підошва вугільного пласта, що газифікується. Спосіб реалізується наступним чином. При здійсненні способу перевага надається шахтам, які вичерпали термін експлуатації й мають некондиційні, надроблені або підроблені запаси твердого палива. Підготовка підземного газогенератора здійснюється з штреків 10, 11 (повітроподавального, тепловідвідного) в зони розподілу тепла з відповідними діапазонами температур (розподіл температур залежить від відстані до реакційного каналу 97274 4 газогенератора, класу порід та ін.), в які далі бурять горизонтальні свердловини 3, 4 (повітроподавального, газовідвідного) по вугільному пласту 1 зі збійкою бермою з тепловідвідного штреку 11 з подальшим формуванням по бермі реакційного каналу 6 газогенератора. Від штреків вугільний пласт і берму повітроподавального штреку 8 ізолюють цементною перемичкою 2. Для подачі дуття на вибій газогенератора у свердловині 3 монтують гнучкий трубопровід (d=32 мм), який керується за допомогою барабана 15. По довжині реакційного каналу 6 у підошві пласта на відстані 0,15-0,2 м від нього з штреку 10 на штрек 11 по падінню виїмкового стовпа буряться дев'ять похилих (горизонтальних) свердловин, в яких монтується трубопровід 16 (d=75-100 мм) баготоконтурної схеми рекуператорів теплової енергії «труба в трубі» з теплоємким рідким носієм в породи, що вміщують підземний газогенератор, рекуператора тепла з теплоносієм (Na або гліколь) у трубопровід 16 вкладається трубопровід 17 (d=50-75 мм), теплоносієм, в якому є вода. Зі сторони штреку 10 до трубопроводів 16 і 17 підводяться від насосів трубопроводи 12, 14 (теплоносії-вода, Na або гліколь) з автоматично керованими клапанами розподілу 13 теплоносіїв, на штреку 11 трубопровід 17 рекуператора тепла з'єднується з паропроводом 19 (d= 100-120 мм), трубопровід 16 з'єднується з котломрекуператором тепла 24 від киплячого теплоносія (Na або гліколь). Паропровід 10 монтується до паросилової установки з виробки теплової та електричної енергії. У міру розвитку й стабілізації термохімічного процесу переробки вугільного пласта 1 у реакційному каналі 6 по його довженні утворюється розподіл температур з формуванням навколо нього у породах температурного поля, а впродовж цих зон відповідні контури рекупераційиої системи, по яких рекуперують тепло вугільного пласта і його вміщуючих порід на місці підземної газифікації в шахтних умовах. У міру вигазовування вугільного пласта й посуванням вогневого вибою 7 під впливом гірського тиску та температур породи покрівлі 27 обвалюються, формуючи вигазований простір газогенератора 5. Тепло з газогенератора виходить з продуктами газифікації по свердловині 4 і газовідвідній вертикальній свердловині 9, а частка тепла до 3049 % акумулюється в породах, що вміщують газогенератор. Закумульоване тепло від порід у опорній зоні 25, вогневому вибої 7, вигазованому просторі 5 й підошві пласта 28 знімається рекуператором тепла «труба в трубі» згідно з контурною схемою й параметрами формування температурного поля у підземному газогенераторі, з використанням теплоносіїв з різними теплофізичними якостями, що забезпечує ефективність і стабільність роботи системи по рекуперації тепла порід, незважаючи на зміни показників матеріального, теплового балансу процесу та геомеханічних параметрів породної товщі, що вміщує газогенератор. Зовнішній трубопровід 16 з теплоносієм (розчини рідких металів Na, Na-K або гліколь), які ма 5 ють температуру кипіння Тк=260-620 °С передають тепло, отримане від порід газогенератора, на внутрішній трубопровід, де циркулює теплоносій-вода зі швидкістю 0,1-0,15 м/с, попадаючи в зону температур більше 100 °С (трубопровід з парою 10) вода перетворюється в перегріту пару (контур 1 Т1=160-190 °С з тиском Р1=0,3-0,8 МПа; контур 2 Т2=250-340 °С з тиском Р2=1,5-2,7 МПа; контур 3 Т3=180-260 °С з тиском Р3=1,1-2,2 МПа) далі по паропроводу 19, який обладнаний керованими клапанами пари 20, направляється на паротурбіну з показниками пари Т=230-280 °С з тиском Р=1,82,3 МПа. При кипінні зовнішнього теплоносія на ділянці 22 трубопроводу 16, яке може статися зважаючи на показники температур у підземному газогенераторі на контурі 2, киплячий теплоносій скидається у зовнішній кожух котла-рекуператора, де у вну 97274 6 трішньому кожусі знаходиться вода, яка під дією температури перетворюється у пару і направляється з температурою Т=150-260 °С і тиском Р=0,8-1,8 МПа за допомогою керованих клапанів 23 у паропровід 19. Розрахункова теплова потужність контурної рекуперації тепла порід, що вміщують підземний газогенератор, складатиме 4,6-8,5 Гкал/год. (53369860 КВт/год.) з ККД 57-64 %. Термін ефективної роботи рекуператора від 1,8 до 4,6 років. Запропонований спосіб дозволить використовувати тепло підземних газогенераторів і гірських порід, що його вміщують, під час експлуатації і при затуханні процесу, ефективно вести процес газифікації вугільних пластів в умовах техногенної зрушеності масиву і забезпечити економічну привабливість процесу газифікації вугільних пластів малої потужності. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 97274 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601