Спосіб коксування вугілля

1. Спосіб коксування вугілля, що включає попередню геологічну розвідку, буріння свердловин, спрямованих до вугільного пласта, здійснення теплової дії на пласт в місцях залягання до стадії його агрегатного перетворення, створення транспортних зв'язків з наземними спорудами, який відрізняється тим, що теплову дію на пласт ведуть 3 сутності окислювача. Крім того, у вказаному нижче патенті, як недолік, що відноситься до цього патенту, вказано, що технологічний регламент, що забезпечує послідовну реалізацію процесів дегазації і підземної газифікації в єдиній системі свердловин не запропонований. Цей недолік запропоновано усунути в патенті РФ №2251000 "Способ комплексной разработки угольного пласта". Його відмітною ознакою від попереднього є поєднання процесів дегазації і газифікації через систему одних і тих же свердловин. Та принцип газифікації залишається той самий. Цей спосіб комплексної розробки вугільного пласта, полягає в бурінні системи гідравлічно зв'язаних свердловин, спрямованих та горизонтальних обсаджених і необсаджених по вугільному пласту. Через них здійснюють гідравлічну і вогневу дію на пласт. Процеси дегазації і газифікації вугільного пласта здійснюють послідовно за допомогою системи гідравлічно зв'язаних свердловин і підпалу вугільного пласта в одній із свердловин та термічного опрацьовування бурових каналів по вугіллю протиточним переміщенням осередку горіння, нагнітання нейтрального газу в систему гідравлічно зв'язаних свердловин і гасіння запаленої золи. Потім вилучають вугільний метан з декількох свердловин, обладнаних для дегазації. Після закінчення процесу дегазації здійснюють процес газифікації вугільного пласта за допомогою повторного підпалу через спеціально пробурену вертикальну свердловину і нагнітають дуття в спрямовані обсаджені свердловини та відводять горючий газ, що утворився, через спрямовані необсаджені свердловини. Всі відомі способи газифікації вугілля і дегазації вугільного метану мають одну загальну ознаку буріння системи свердловин складної конфігурації, вогневе опрацьовування створених штучних колекторів у вугільному пласті, вживання для протиточного осередку горіння повітря, збагаченого киснем. Не запропоновані методи діагностики і коректування вогневого опрацювання штучних колекторів у вугільному пласті. Це говорить про те, що при видобутку газу описаними і вживаними способами, вугілля повинно випалюватися до золоутворення, тобто процес горіння має довільний характер. Такий метод може бути у пригоді при використанні низькосортного; вологого, високозольного вугілля рентабельного лише при їх газифікації або в умовах малозручних для традиційних способів видобутку. Процес підземної газифікації має багато позитивних сторін - відсутність важкої фізичної праці шахтарів, легкість передачі газоподібного палива на відстань та інші. Та, враховуючи різноманіття цінних продуктів, які можливо одержувати звичайною вуглепереробною наземними технологіями, існуючи способи підземної газифікації вугілля з врахуванням сказаного вище не може бути віднесена до прогресивних технологій. Скоріше - до застарілих. Тому, крім підземної газифікації в геотехнології ведуться пошуки інших не механічних методів видобутку корисних копалин. Стосовно вугілля це, зокрема, відоме зрідження. Суть цього методу 49660 4 полягає в хіміко-фізичному переведенні вугілля в рідкий агрегатний стан в надрах землі - так звана, реакція суперкритичного розчинення. Схема такого процесу у вугільному пласті була представлена таким чином. Між двома пробуреними згори свердловинами робиться (наприклад, вибуховим методом) збійка, яка утворює як би природний реактор. Потім через свердловину подається теплоносій і розчинник (наприклад, ізопропиловий спирт), забезпечується висока температура (400-450°С і тиск 10-20Мпа,) при цьому відбувається зрідження вугілля. [И.А. Тарковская "Сто профессий угля." Киев: Наук. Думка, 1990. - C.33]. Ця ідея має виключно гіпотетичний характер. Її автор погоджується, що "осуществление еѐ далеко не такое простое", але в ній закладено орієнтацію на перетворення вугілля в рідкий агрегатний стан на місці залягання. Реалізація цієї технології в сьогоднішніх реаліях передбачала б формування на поверхні цілих інфраструктур - складних споруд, для обслуговування яких потрібна велика кількість персоналу і фахівців. Перспектива інтенсивного розкладання вугілля під дією теплової енергії в місцях його залягання є поки єдиним шляхом до "одновременной добычи і переработки угля" (там же). Але конкретного рішення цієї задачі (крім газифікації) відтоді запропоновано не було. Перспектива і нинішні наземні методи вуглепереробки перестають задовольняти як економічним, так і екологічним вимогам промисловості і суспільства. Візьмемо до уваги, наприклад, переробку вугілля на кокс. Кокс, кам'яновугільні смоли, пік, речовини і матеріали, які з них отримують є цінними і необхідними в металургійній і хімічній промисловості продуктами переробки вугілля. Технологія отримання коксу не змінилася з того часу, коли було створено коксову піч. Вона є як би частиною складного процесу видобутку вугілля з шахт, транспортування його безпосередньо до печі, яка опалюється газом або нагрівається електричним струмом. Отримання коксу як і раніше відбувається в коксових печах за наступною технологією: - при нагріванні до 200-250°С волога вугільна шихта спочатку підсушується, потім починається виділення газу (переважно двоокис і оксид вуглецю). - при температурі 300-450°С виділяються смолянисті речовини, сировина розм'якшується, відбувається інтенсивне розкладання органічної речовини з переходом вугілля в пластичний стан, що супроводжується виділенням газу (в основному метану) та первинного дьогтю. - в межах 500-550°С ця маса твердіє. Утворюється, пористий продукт -напівкокс. - в процесі подальшого нагрівання до температури 750°С напівкокс ущільнюється. Мало міцний напівкокс втрачає велику частину легких речовин, головним чином, водню, зазнає усадку, що приводить до його розтріскування. - при температурі від 750 до 1100°С та вище напівкокс ущільнюється і перетворюється на кокс. 5 У процесі коксування отримують високотемпературний кам'яновугільний дьоготь, кам'яновугільну смолу. бензол, коксовий газ та ін. Вказані температури можуть коливатися в залежності від складу і властивостей вихідної сировини та інших причин. Час протікання процесу так само не однозначно та залежить від якості сировини та складає 13-18 годин. [Украинская советская энциклопедия. - Киев, 1981 - Т.5. - С.166-167]. Таким чипом, процес протікає практично без доступу окислювача при тепловій дії на вугілля в досить широкому діапазоні температур. Вивчаючі ідею "одновременой добычи і переработки угля" з метою отримання як кінцевого продукту коксу, автори прийшли до висновку, що описані вище методи вогневої дії при зустрічному збагаченому киснем дутті не можуть бути використані для підземного коксування вугілля. У той же час, задача коксування вугілля під землею не може розв'язуватися з дотриманням технологічних параметрів процесу, що відбувається в коксовій печі через умови його проведення, тобто в місцях залягання. Тому пропонований спосіб враховує цю особливість. Виходячи із того, що спільною ознакою з способом, що заявляється, є здійснення процесу під землею та наявність, в загальному понятті, теплової дії на пласт, як прототип вибраний згаданий вище патент РФ №2251000 на "Способ комплексной разработки угольного пласта". Цей спосіб, як і інші відомі способи газифікації вугілля і дегазації вугільного метану мають одну спільну ознаку і спільний недолік - буріння системи свердловин складної конфігурації, вогняне опрацьовування створених штучних колекторів у вугільному пласті і, застосування для протиточного осередку горіння повітря, збагаченого киснем. Для отримання цільового продукту - газу - необхідне цілковите спалювання корисного пласта вугілля. Про рентабельність і доцільність цього способу можна посперечатись, оскільки ніхто не веде облік спаленого вугілля. Але проблема полягає у відсутності джерела тепла, яке могло б замінити спалювання однієї частини вугільного пласта, для того, щоб змінити агрегатний стан іншого. Продуктом, що залишився після переробки, є зола. В основу корисної моделі поставлено задача удосконалення способу комплексної розробки вугільного пласта, в місцях його природного залягання за рахунок здійснення агрегатного перетворення вугільного пласта під землею без доступу окислювача шляхом теплової (а не вогневої) дії на нього енергією джерела, в якому енергія поглиненого випромінювання перетворюється в теплову та здатного створити діапазон температур, відповідний технологічним фазам процесу коксування. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у відомому способі комплексної розробки вугільного пласта, що передбачає попередню геологічну розвідку, буріння свердловин, спрямованих до вугільного пласта, здійснення теплової дії на пласт в місцях залягання до стадії його агрегатного перетворення, створення транспортних зв'язків з наземними спорудами, згідно з винахідницьким 49660 6 задумом теплову дно па пласт ведуть без доступу повітря або іншого окислювача з дотриманням параметрів процесу коксування вугілля і здійснюють його енергією джерела ядерного випромінювання, закладеного в радіонепроникний контейнер для перетворення енергії поглиненого випромінювання в тепло і який розміщують безпосередньо у вугільному пласті (або під ним), а підсилення та спрямування теплової енергії в пласт здійснюють за допомогою тепловоду, наприклад, мідного, розташованого навколо теплового джерела, яки її розраховують на температурні параметри процесу коксування у відповідності до класу вугілля від 200 до 1100°С і вище. На Фіг. представлено схему коксування вугілля, де: 1 - свердловина з транспортно-монтажною системою ; 2 - продуктовивідна система; 3 - контейнер - джерело теплової енергії; 4 - зона агрегатного перетворення вугілля; 5 - поклади вугілля; 6 - пласт породи; 7 - наземні споруди. Для реалізації способу використовують результати розвідувальних робіт, об'єднаних в комплекс геологічних, хіміко-технологічних і спеціальних видів досліджень для промислової оцінки родовищ вугілля і метою встановлення об'єму покладу, до якого класу відноситься вугілля в ньому довгополум’яне, газове, жирне, коксівне, збіднене, таке, що спікається, пісне або антрацит. Віднесення покладу до того або іншого класу дає уявлення про хімічний склад, виділення легких продуктів при згорянні, теплопроводність, умови залягання пласта. Важливою ланкою в роботах, що входять в попереднє дослідження родовища, є розвідувальне буріння, що проводиться для складання по кернах геологічних розрізів карт оконтурювання покладів, фізичних параметрах вугілля, тобто об'ємі (масі) і рельєфі пласта, глибині його залягання і товщині, тиску на глибині залягання. Крім того, складання геологічної і фізичної характеристики породи, що оточує вугільний пласт. Маючи ці дані, формують модель температурного поля і, знаючи питому теплопровідність конкретного вугільного пласта, визначають межі ділянки коксування під впливом сформованого джерелом тепла температурного поля. Бурять свердловину у напрямі пласта, організовують транспортно-монтажний канал 1 в зону розробки, монтують продуктовивідну систему 2. Після цього в ділянку пласта 5, визначеного для коксування, транспортують джерело теплової енергії 3, застосовуючи для його створення джерела ядерних випромінювань. Як джерела ядерних випромінювань використовують, наприклад. радіоактивні відходи атомної енергетики, що підлягають захороненню: наприклад, паливо, яке вилучили з ТВЕлів. Його закладають в закритий радіонепроникний контейнер, в якому енергія поглиненого випромінювання перетворюється в тепло. Температура стінок захисного контейнера зростатиме до тих нір, поки тепло, відведене від джерела унаслідок теплопровідності або конвекції, 7 не дорівнюватиме теплопоглинанню вугільним пластом на стадії коксування. В даному випадку фазові переходи вугілля проходять в тій же послідовності, що і в коксовій печі. Протікання процесу може бути більш швидким, оскільки додаються два чинники: температура надр і тиск з боку довколишньої породи 6, яка під впливом температури вугілля збільшуватиметься в об'ємі, виштовхуючи на поверхню фракції, що утворилися до наземних споруд 7. Температура джерела ядерних випромінювань - величина в кожному окремому випадку розрахункова і може перебувати у межах від 0 до декількох тисяч градусів С. Вона залежить від параметрів покладу, вказаних геологами вище. Для проведення пронесу підземного коксування потужність джерела розраховуюсь на температуру коксування вугілля раніше визначеного певного класу при її постійному зростанні від стартової до технологічної в залежності від окремого випадку. Транспортний канал, по якому контейнер опускають в зону покладу, використовують для вилучення його на поверхню, заздалегідь використовуючи будь-які засоби охолодження, вживані при звичайному транспортуванні контейнерів з ядерними відходами на поверхні. У залежності від класу вугілля і властивостей цільового продукту можливі варіанти джерела теплової енергії з розрахунковою потужністю джерела ядерних випромінювань. Для проведення інтенсивного розкладання органічних речовин і переходу вугілля в інший агрегатний стан, використовують джерело ядерних випромінювань з рівнем питомої радіоактивності і часом дії, відповідними температурам етапу агрегатного перетворення вугілля в кокс 200-1100°С та вище, що не є проблемою для фахівців атомної промисловості. При цьому на проміжних етапах на поверхні збирають і сепарують летючі фракції і відкачують смоли по продуктовивідному каналу. Пропонований винахід мас суттєві переваги над відомими, бо вирішує задачі у двох проблемних галузях: 49660 8 - видозмінюють спосіб захоронення радіоактивних відходів атомної енергетики; - утилізують тепло, що виділяється самими відходами і використовують його для здійснення агрегатних перетворень вугілля під землею; - вирішується проблема, яка була перешкодою до одночасного видобутку і переробки вугілля ще з того часу, коли Д.І Менделєєв в 1888 р. писав: "Настанет, вероятно, даже наверно, такая эпоха, когда уголь из земли винимать не будут...". Але ця ідея реалізована частково, а подальший розвиток її гальмуєтся через відсутність джерела теплової енергії необхідної потужності; - створено автономне, мобільне, довговічне, екологічно чисте джерело теплової енергії програмованої потужності, яке відкриває нові можливості для всієї добувної промисловості; - забезпечена можливість видобутку і переробки вугілля в підземних умовах без використання важкої підземної праці людей; - відпадає необхідність в коксових печах і складуванні коксу. Порівняльний аналіз рішення, що заявляється, з прототипом показує, що пропонується принципово новий спосіб агрегатного перетворення вугілля під землею методом теплової, а не вогневої дії, причому без подання окислювача. Для забезпечення параметрів теплової дії в необхідному діапазоні температур створено принципово нове джерело теплової енергії, в якому енергія поглиненого випромінювання перетворюється в тепло. У місцях природного залягання вугілля створені умови його агрегатного перетворення з дотриманням температурних параметрів цього перетворення. У відомих інформаційних джерелах авторами не виявлено ні однієї ознаки, яка характеризує рішення, що заявляється. Можливості сучасної атомної енергетики та геологічних розробок дозволяють забезпечити промислову здійсненність способу, що заявляється, який, як показав час, не є очевидним для фахівців в даній галузі. 9 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 49660 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601