Спосіб підземної газифікації вугілля для почергового отримання метану та синтез-газу

Реферат: Спосіб підземної газифікації вугілля для почергового отримання метану та синтез-газу включає буріння робочої та експлуатаційної свердловин з колонами труб на вугільний пласт, з'єднання свердловин по пласту, розпал пласта на вибої робочої свердловини, почергову подачу повітря для розпалу пласта, відвід продуктів горіння. Проводять наступну подачу підігрітої води/пари в зону горіння, почерговий відвід продуктів горіння та цільового газу, в основному метану, через експлуатаційну свердловину при заданих термобаричних параметрах. Після стадії отримання метану через експлуатаційну свердловину у пласт закачують водяну пару і на вибої робочої свердловини отримують синтез-газ, підтримують температуру від 950 С до 1150 С і тиск в діапазоні від 0,5 МПа до 1,0 МПа. Після зменшення виходу СО і Н2 з робочої свердловини знову проводять розпал пласта та приступають до стадії отримання метану. UA 101723 U (54) СПОСІБ ПІДЗЕМНОЇ ГАЗИФІКАЦІЇ ВУГІЛЛЯ ДЛЯ ПОЧЕРГОВОГО ОТРИМАННЯ МЕТАНУ ТА СИНТЕЗ-ГАЗУ UA 101723 U UA 101723 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі гірничої промисловості, та може бути використаний при підземній газифікації вугільних пластів з одержанням горючих газів для промисловості. Відомими аналогами є способи [1,2] отримання синтез-газу (СО + Н2) шляхом підземної газифікації вугілля з максимальним розігрівом пласта на першій стадії для подальшого отримання на другій стадії суміші газів (CO + Н2). Відомі аналоги - способи підземного отримання суміші газів (CO + Н2) з вугілля є енерговитратними, крім того, при цьому отримують гази переважно для хімічної промисловості. Найближчим аналогом до корисної моделі є спосіб [3], що полягає у підземній газифікації вугілля для отримання метану СН4. Відомий спосіб [3] має наступні ознаки, спільні з ознаками пропонованого технічного рішення, а саме: буріння робочої та експлуатаційної свердловини з колонами труб на вугільний пласт; з'єднання свердловин по пласту, наприклад гідророзривом; розпал пласта навколо вибою робочої свердловини; почергову подачу повітря для підігріву пласта до температури розпалу та подачу підігрітої води (пари) в нагрітий пласт для отримання метану; підтримання наперед заданих термобаричних параметрів у пласті для отримання цільових продуктів. Найближчий аналог дає можливість отримати переважно метан СН 4, а також газову суміш (Н2, CO, CO2 та ін.), отже для цього способу характерна мала частка синтез-газу (СО + Н2). В основу корисної моделі поставлена задача підвищити ефективність процесу за рахунок збільшення виходу синтез-газу (СО + Н2) при отриманні також максимальної кількості метану і зниженні енергоємності процесу завдяки почерговому введенню реагентів та більш ефективному регулюванню термобаричними параметрами у вугільному пласті. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб включає буріння робочої та експлуатаційної свердловин з колонами труб на вугільний пласт, проведення гідророзриву по пласту між свердловинами, розпал пласта на вибої робочої свердловини, почергову подачу повітря для розпалу пласта, відвід продуктів горіння, наступну подачу підігрітої води / пари в зону горіння, почерговий відвід продуктів горіння та цільового газу, в основному метану, через експлуатаційну свердловину при заданих термобаричних параметрах, згідно з корисною моделлю, після стадії отримання метану через експлуатаційну свердловину у пласт закачують водяну пару, а на вибої протилежної робочої свердловини отримують синтез-газ, підтримують температуру від 950 С до 1150 С і тиск в діапазоні від 0,5 МПа до 1,0 МПа, а після зменшення виходу СО і Н2 з робочої свердловини знову проводять розпал пласта та приступають до стадії отримання метану. Причинно-наслідковий зв'язок між ознаками, що відрізняють та характеризують корисну модель, і технічним результатом, який буде досягнутий полягає у наступному: після стадії отримання метану через експлуатаційну колону у пласт закачують пару насичену киснем, що інтенсифікує процес реакції С + Н 2О +О2 та призводить до зменшення енерговитрат на отримання як метану, так і синтез-газу в залежності від термобаричних умовин процесу; підтримання температури в діапазоні від 950 °C до 1150 °C і тиску від 0,5 МПа до 1,0 МПа для одержання з синтез-газу (СО + Н2) забезпечує згідно термодинамічних розрахунків рівноважних характеристик продуктів реакції максимальний вихід і найвищу теплоту згорання газу (див. фіг. 1 - теплофізичні характеристики рівноважного стану газу у реакції С + Н2О+О2); встановлення зменшення кількості синтез-газу з робочої свердловини та проведення повторного розпалу пласта з подальшим отриманням метану дозволяє зробити процес циклічним, тобто з однаковою високою ефективністю отримувати почергово як метан СH4, так і синтез-газ СО+Н2. В джерелах патентної та науково-технічної інформації не виявлені вищенаведені нові ознаки способу, що заявляється. Отже, можна стверджувати, що новий спосіб почергового отримання метану та синтез-газу з вугільного пласта відповідає критерію "новизна". Крім того, наведені вище ознаки нового способу, що відрізняють його від способу прототипу є суттєвим для реалізації способу та достатніми для досягнення технічного результату, який забезпечує винахід, отже відповідає критерію "суттєві ознаки". Техніко-економічними перевагами пропонованого способу є підвищення ефективності процесу за рахунок максимального, почергового. виходу як метану, так і синтез-газу, а також зменшення енергоємності процесу за рахунок вибраних термобаричних параметрів. Отже, пропонований спосіб є економічно, а також і екологічно доцільним, оскільки направлений на енерго-ресурсозабезпечення, а також дозволяє отримати горючі гази з некондиційних вугільних пластів (малопотужних, глибокозалягаючих, сильно обводнених, високозольних тощо). Корисна модель пояснюється кресленнями, де: 1 UA 101723 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На фіг. 1 показані теплофізичні характеристики рівноважного стану газу у реакції С + Н 2О, а також С + Н2О + О2; а) – вміст СН4 у мольних частинах, б) – вміст СО у мольних частинах, в) – 3 вміст Н2 у мольних частинах, г)- теплотворна здатність 1м сухого газу у МДж; на фіг. 2 технологічна схема виконання корисної моделі підземної газифікації вугілля для почергового отримання метану та синтез-газу, де: 1 - вугільний пласт; 2 - зона горіння; 3 - зона прогріву пласта; 4 - свердловина робоча; 5 - теплоізольована колона труб; 6 - експлуатаційна свердловина для нагнітання води (пари); 7 - канал газифікації, 8 - вентиль. Корисну модель виконують наступним чином. До геотехнологічної розробки долучають переважно некондиційний малопотужний вугільний пласт 1, придатний для свердловинної переробки з поверхні землі методом підземної газифікації. На вибої робочої свердловини 4 проводять розпал вугільного пласта 1 і, подаючи повітря, утворюють потужну зону горіння 2, при цьому відводять продукти згорання (димові гази) через створений попередньо канал газифікації 7 у пласті в експлуатаційну свердловину 6. Після досягнення в зоні 2 горіння температури близько 1200 °C подачу повітряного дуття припиняють та подають через свердловину 4 на 1-ій стадії процесу воду/водяну пару, підтримуючи у вугільному пласті 1 температуру 1150 °C (з поступовим зниженням температури до 950 °C) та максимально можливий тиск для сприяння проходження реакції отримання метану за схемою 2С + 2Н2О= СН4+СО2. При цьому тиск не повинен перевищувати гідростатичний і його величину регулюють в залежності від глибини залягання вугільного пласта 1, не допускаючи розривів покрівлі вугільного пласта у процесі. Загалом для максимального виходу метану згідно розрахунків (див. рис. 1) доцільно підтримувати якомога вищий тиск. Після І стадії отримання метану за відомим способом, в момент зменшення його виходу, через експлуатаційну свердловину 6 у пласт закачують водяну пару (за потреби насичену киснем) і на вибої робочої свердловини 4 підтримують температуру від 950 °C до 1150 °C і тиск в діапазоні від 0,5 МПа до 1,0 МПа, регулюючи вентилі 8 на гирлі свердловин та проводячи підігрів пласта 1. Підтримання даних термобаричних параметрів забезпечує згідно термодинамічних розрахунків рівноважних характеристик продуктів реакції (рис. 1) максимальний вихід і найвищу теплоту згорання газу (див. рис. 1 - теплофізичні характеристики рівноважного стану газу у реакції С + Н 2О + О2) на II-ій стадії процесу. При проходженні через зону 2 пласта 1 продукти згорання прогрівають прилеглі зони 3 вугілля до температури піролізу. Далі, на другій стадії, через експлуатаційну свердловину 6 подають у розігрітий вугільний пласт 1 реагент -водяну пару або воду (у напрямку, протилежному пересуванню зони горіння), де протікає реакція утворення синтез-газу за схемою С + Н2О → СО + Н2+131,3 кДж /моль Н2О. Синтезований газ поступає на вибій свердловини 4 та відводять на поверхню. Воду або водяну пару, як реагент, подають до моменту вичерпання запасів тепла у зоні газифікації пласта 1, котре необхідне для протікання реакції. З метою охолодження сталевих труб у колоні 5 та стабілізації складу горючих компонентів отриманого газу на її вибої проводять його швидке охолодження (~ до 310-320 °C), чим максимально усувають пониження калорійності утвореного газу. Запропонована геотехнологічна схема забезпечує отримання максимально можливого вмісту в генераторному газі оксиду вуглецю і водню і наступну утилізацію їх фізичного тепла. Безперервне, почергове отримання газів можна здійснити шляхом організації роботи двох і більше ділянок з сіткою свердловин на кожній, що працюють у протилежних фаза, тобто одна група свердловин працює на отримання метану, в той час як інша - на виробництво синтез-газу. Для енергетичних потреб пропонується варіант виробництва висококалорійнішого газу (основний горючий компонентом в продуктах реакції є метан) за низькотемпературною стехіометричною схемою синтезу 2С + 2Н2О → СН4 + СО2+15,5 кДж із значно меншим поглинанням тепла (17 разів), ніж за попередньою стехіометричною схемою для синтез-газу. При цьому, отриманий цільовий синтез - газ (СО + Н2) є хімічною сировиною для виробництва на поверхні синтетичних рідких вуглеводнів, наприклад, бензину. Після зменшення виходу синтез-газу приступають знову до стадії виробництва метану, чергуючи стадії отримання різних за призначенням газів. Таким чином, пропонована свердловинна геотехнологічна схема для почергового отримання метану та синтез-газу шляхом поперемінного розігріву вугільного пласта до температури, газифікації (950-1150 °C) з наступним закачуванням водяної пари або води у розжарену зону вугілля полягає у почерговій зміні напрямків подачі двох реагентів газифікації повітря для розігріву пласта в одному напрямку та водяної пари(води), як реагенту, у протилежному напрямку для отримання цільових газів. 2 UA 101723 U 5 10 Таким чином, корисна модель забезпечує виконання поставленої задачі та дозволяє отримувати безперебійно як енергетичний газ (СН 4), так і технологічний синтез-газ (СО + Н2) для подальшої хімічної переробки для отримання рідких вуглеводнів. Джерело інформації: 4 1. Патент України № 4482 SU 1428764, А1 МПК С 10 j 5/00. Спосіб газифікації вуглевміщуючого пласта // Бюл. пром. власн.-1994.- № 6-1. Опубл. 27. 12.94. 4 2. Патент України № 4481 SU 1390238, А1 МПК С 10 j 5/00. Спосіб підземної газифікації вугілля // Бюл. пром. власн.-1994.- № 6-1. Опубл. 27. 12.94. 4 3. Патент України № 4483 SU 1481409, А1 МПК Е 21 С 43/00, С 10 j 5/00. Спосіб метанізації обводнених покладів вугілля// Бюл. пром. власн.-1994-№ 6-1. Опубл. 27. 12.94. - прототип. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Спосіб підземної газифікації вугілля для почергового отримання метану та синтез-газу, що включає буріння робочої та експлуатаційної свердловин з колонами труб на вугільний пласт, з'єднання свердловин по пласту, розпал пласта на вибої робочої свердловини, почергову подачу повітря для розпалу пласта, відвід продуктів горіння, наступну подачу підігрітої води/пари в зону горіння, почерговий відвід продуктів горіння та цільового газу, в основному метану, через експлуатаційну свердловину при заданих термобаричних параметрах, який відрізняється тим, що після стадії отримання метану через експлуатаційну свердловину у пласт закачують водяну пару і на вибої робочої свердловини отримують синтез-газ, підтримують температуру від 950 С до 1150 С і тиск в діапазоні від 0,5 МПа до 1,0 МПа, а після зменшення виходу СО і Н2 з робочої свердловини знову проводять розпал пласта та приступають до стадії отримання метану. 3 UA 101723 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4