Спосіб підземної газифікації пласта твердого палива

Реферат: Винахід належить до гірничо-видобувної промисловості, а саме до безшахтної розробки родовищ вугілля й інших горючих копалин. Спосіб підземної газифікації пласта твердого палива включає буріння з поверхні землі або у шахтних умовах похило-горизонтальних або горизонтальних експлуатаційних свердловин, з бурінням горизонтальної частини свердловини по пласту твердого палива, монтаж в експлуатаційних свердловинах дуттьового керуючого трубопроводу, запалювання пласта твердого палива, подачу окислювального реагенту керуючим трубопроводом та подачу свердловиною решти компонентів дуття до реакційного каналу, отримання продуктів газифікації. Спосіб характеризується тим, що для стабілізації довжини й напрямку вогневого вибою підземного газогенератора подачу в дуттьовій свердловині припиняють, дуттьовий трубопровід на поверхні і свердловину герметизують, продукти газифікації з газогенератора відсмоктують газовідвідною свердловиною та після розгерметизації дуттьового трубопроводу і свердловини подачу дуття здійснюють газовідвідною свердловиною, отже забезпечують зміну або реверс активних зон реакційного каналу, а видачу продуктів термохімічної деструкції твердого палива здійснюють дуттьовою свердловиною, таким чином стабілізують довжину, напрямок реакційного каналу, рівномірність посування вогневого вибою газогенератора. Винахід забезпечує повноту вигазовування твердого палива, зменшення витрат дуття і генераторного газу, підвищення герметичності підземного газогенератора, керованість, направленість і варіантність процесу вигазовування пластів палива, екологічність процесу, збільшення продуктивності та якості. UA 103861 C2 (12) UA 103861 C2 UA 103861 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до гірничо-видобувної промисловості, а саме до безшахтної розробки родовищ вугілля й інших горючих копалин шляхом підземної газифікації пластів твердого палива на місці їх залягання та може бути використаний на некондиційних пластах твердого палива, а також у шахтах (вугільних розрізах), які вичерпали термін експлуатації та мають локальні запаси твердого палива. Відомий спосіб видобутку корисних копалин, що включає буріння похило-горизонтальних свердловин, горизонтальні ділянки яких розташовані у покладі паралельно один до одного у площині максимальної проникності, збійку горизонтальних ділянок свердловин, подачу одними свердловинами дуття й відведення іншими свердловинами продуктивного газу за допомогою рухомої насадки, при цьому подачу дуття й відбір продуктивних газів виконують дискретно по довжині горизонтальних ділянок свердловин, починаючи від вибоїв, а точки подачі дуття та відбір продуктивних газів послідовно переміщають у міру відпрацювання покладу у напрямку до устя свердловини [авт. св. СРСР №1066216, кл. C10J/5/00, Ε 21Β 43/24, опубліковане 13.01.1982]. Недоліками відомого способу є те, що відсутність реверсу активних зон реакційного каналу підземного газогенератора веде до зміни напрямку й збільшення довжини реакційного каналу, дисбалансу й некерованості процесом газифікації твердого палива, низької концентрації утворених штучних паливних газів. Відомий спосіб підземної газифікації палив, що включає розкриття пласта низкою свердловин на відстані, яка дорівнює довжині окислювальної зони, де кінці свердловин з'єднуються між собою гідрозбійкою, дуття подається у дві свердловини, а газ видається однією свердловиною, розташованою між дуттьовими і газовідвідними свердловинами, містить декілька закритих контрольних свердловин; у процесі газифікації палива подача дуття і відведення газів поступово пересуваються на одну свердловину, при цьому в одній частині панелі окислювальна зона пересувається по дуттю, а у іншій - проти дуття, а з метою запобігання вибуху газу перед реверсом виконують продувку панелі парою або інертним газом [авт. св. СРСР №61941, кл. С10 J 5/00, опубліковане у "Бюлетені винаходів та товарних знаків" №2, за 1965 p.]. До недоліків відомого способу належать значні витрати на бурові роботи, дисбаланс в термохімічному процесі реакційного каналу через продувку реакційного каналу інертним газом або водяною парою, що потребує часу і витрат на виведення газогенератора у режим газифікації, неповне вигазовування твердого палива, значні втрати дуття і продуктів газифікації в умовах зміни тиску через велику кількість свердловин у полі газогенератора, недостатні продуктивність, якість і різноманітність газу, а також значні витрати на вироблення, очистку і переробку продуктів підземної газифікації. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу підземної газифікації пласта твердого палива, в якому під час вигазовування твердого палива в окислювальній зоні довжина реакційного каналу збільшується за рахунок відставання відновлювальної зони, припинення подачі дуття в дуттьову свердловину для стабілізації й напрямку довжини вогневого вибою підземного газогенератора, герметизація дуттьового трубопроводу на поверхні і свердловини, відсмоктування продуктів газифікації з газогенератора газовідвідною свердловиною, подача дуття газовідвідною свердловиною після розгерметизації дуттьового трубопроводу та свердловини, зміна активних зон реакційного каналу, видача продуктів термохімічної деструкції твердого палива дуттьовою свердловиною, стабілізація довжини, напрямку реакційного каналу та рівномірність посування вогневого вибою газогенератора, забезпечують керованість гірським тиском, збалансованість термохімічних реакцій і фізичних швидкостей процесу газифікації, цим забезпечується повнота вигазовування твердого палива, зменшення втрат дуття і генераторного газу, підвищення герметичності підземного газогенератора, керованості, направленості і варіантності процесу вигазовування пластів палива, екологічність процесу свердловинної підземної газифікації, збільшення продуктивності, якості і різноманітності газу, а також зниження витрат на вироблення, очистку і переробку продуктів підземної газифікації з отриманням теплової, електричної енергії та хімічних речовин і уведенням в експлуатацію вилучених запасів твердого палива. Поставлена задача вирішується тим, що у способі підземної газифікації пласта твердого палива, що включає буріння з поверхні землі або у шахтних умовах похило-горизонтальних або горизонтальних експлуатаційних свердловин, з бурінням горизонтальної частини свердловини по пласту твердого палива, монтаж в свердловинах дуттьового керуючого трубопроводу, запалювання пласта твердого палива, подачу окислювального реагенту керуючим трубопроводом, й подачу решти компонентів дуття свердловиною до реакційного каналу, отримання продуктів газифікації, 1 UA 103861 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 згідно з винаходом передбачені наступні відміни: - збільшується довжина реакційного каналу в окислювальній зоні за рахунок відставання відновлювальної зони під час вигазовування твердого палива; - для стабілізації і напрямку довжини вогневого вибою підземного газогенератора подачу дуття в дуттьовій свердловині припиняють; - дуттьовий трубопровід і свердловину герметизують; - продукти газифікації відсмоктують з газогенератора газовідвідною свердловиною; - після розгерметизації дуттьового трубопроводу та свердловини здійснюють подачу дуття газовідвідною свердловиною, отже відбувається зміна активних зон реакційного каналу; - видачу продуктів термохімічної деструкції твердого палива виконують дуттьовою свердловиною, при цьому відбувається стабілізація довжини, напрямку реакційного каналу, рівномірність посування вогневого вибою газогенератора. Крім того, реверс активних зон реакційного каналу газогенератора розраховують згідно з параметрами матеріально-теплового балансу процесу та показниками контрольновимірювальної апаратури; безпеку реверсу забезпечують шляхом герметизації частин дуттьового трубопроводу, який прилягає до устя дуттьової свердловини; видачу генераторного газу газовідвідною свердловиною виконують за допомогою димососа; керуючий трубопровід в експлуатаційних свердловинах посувають у міру посування вогневого вибою газогенератора та подають або припиняють подачу дуття, враховуючи зміни геометричних параметрів та активних зон реакційного каналу й активних зон реакційного каналу підземного газогенератора; під час реверсу охолодженої зони на розжарену зону й вирівнювання лінії вогневого вибою забезпечують рівномірність посування вогневого вибою реакційного каналу, стабільність температурного режиму і кінетику термохімічних реакцій згідно з фізичними швидкостями процесу. Спосіб підземної газифікації твердого палива пояснюється наступними технологічними схемами: Фіг. 1 - схема виникнення потреб реверсу активних зон реакційного каналу підземного газогенератора; Фіг. 2. - схема роботи підземного газогенератора після реверсу активних зон реакційного каналу підземного газогенератора. Технологічна схема способу підземної газифікації пластів твердого палива містить вигазований простір 1, реакційний канал 2, який складається з двох основних активних зон: окислювальної зони 3 та відновлювальної зони 4, дуттьову свердловину 5, газовідвідну свердловину 6, вогневий вибій 7, дуттьовий компресор 8, димосос 9, дуттьовий трубопровід 10, продукт газифікації 11, подачу дуття 12, запірну арматуру 13, устя 14 свердловини, ємність 15 з азотом, гнучкий керуючий трубопровід 16, кисневу установку 17, пласт 18 твердого палива, перфоровану жаростійку насадку 19. Спосіб реалізують наступним чином. При здійсненні способу перевага надається некондиційним пластам твердого палива, а також шахтам (вугільним розрізам), які вичерпали термін експлуатації та мають локальні запаси твердого палива. Розкриття та підготовку підземного газогенератора здійснюють з поверхні землі або у шахтних умовах (вугільний розріз) похило-горизонтальними або горизонтальними експлуатаційними свердловинами, з бурінням горизонтальної частини свердловин по пласту твердого палива, дуттьовою свердловиною 5 і газовідвідною свердловиною 6 з оформленням між ними реакційного каналу 2 і монтаж в експлуатаційних свердловинах гнучкого, керуючого трубопроводу 16 з перфорованою і жаростійкою насадкою 19. Довжина реакційного каналу 2 приймається виходячи з показників матеріально-теплового балансу, розмірів зон впливу екзотермічних і ендотермічних реакцій, геомеханічних параметрів техногенної порушеності породної товщі, що вміщує газогенератор. В окислювальній зоні 3 реакційного каналу 2 відбувається горіння вугілля (точніше вуглецю) і кисню (С+О2) з дуття, яке подається у підземний газогенератор. Хімічна енергія вуглецю переходить у цій зоні в теплову, внаслідок чого температура в окислювальній зоні 3 зростає, досягаючи свого максимуму (1200-1300 °C) на межі переходу окислювальної зони 3 у відновлювальну - 4, де практично повністю спалюється кисень й горіння твердого палива припиняється. Продукти горіння окислювальної зони (СО 2 і Н2О) надходять реакційним каналом 2 газогенератора за рухом газового потоку у відновлювальну зону 4, де тепло газів витрачається на нагрівання вогневого вибою 7 твердого палива, яке тут прогрівається до 700-1100 °C. Розігріта таким чином реакційна поверхня палива продукує ендотермічні реакції (СО 2 + С і Н2О 2 UA 103861 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 + С) і утворення горючих компонентів генераторного газу (CO, Н2, СН4). В цій зоні відбувається основний процес газифікації. Ця особливість і є відмінною від звичайного горіння твердого палива в окислювальній зоні 3. З часом температура вогневого вибою 7 палива у відновлювальній зоні 4 починає знижуватися, процес відновлювальних реакцій пригальмовується і вогневий вибій 7 цієї зони починає відставати від розжареного вибою окислювальної зони 3, лінія реакційного каналу 2 викривлюється збільшуючи свою довжину (фіг. 1). При цьому одночасно згортаються ендотермічні реакції (СО2 + С і Н2 + С), різко знижуються утворення горючих компонентів у генераторному газі (CO, Н2, СН4) і теплота згоряння (споживчі властивості). Для підвищення споживчих властивостей штучного паливного газу розроблена технологічна схема реверсування газодуттєвих потоків з примусовим підвищенням температури (розжарення) масиву твердого палива у відновлювальній зоні 4. Після утворення розжареного вугільного вибою в окислювальній зоні 3, охолодження вогневого вибою 7 у відновлювальній зоні 4, проводять реверсування газодуттєвих потоків. Для цього газовідвідну свердловину 6 переводять у дуттьову, а дуттьова свердловина 5 стає газовідвідною. Реверс свердловин 5, 6 дозволяє розжарену окислювальну зону 3 перевести у розжарену відновлювальну зону 4 (фіг. 2). Така маніпуляція газодуттєвими потоками значно підвищує концентрацію горючих компонентів газів (CO, H2, СН4). Реакції СО2 + С і Н2О + С в утвореній розжареній зоні є основою в процесі одержання штучного паливного газу на повітряному дутті. В процесі зниження температури вогневого вибою 7 у відновлювальній зоні 4 нижче 700-800°С відтворюється зворотне реверсування дуття: охолоджена зона перетворюється в окислювальну, а розжарена окислювальна зона знову стає відновлювальною. Зміна таких циклів відбувається постійно. Спосіб підземної газифікації твердого палива, що вміщує реверс активних зон 3, 4 підземного газогенератора шляхом герметизації дуттьового трубопроводу 10 на поверхні та всмоктування продуктів газифікації 11 з реакційного каналу 2 і газовідвідної свердловини 6 підземного газогенератора та подачу дуття 12 (повітря, пари) до реакційного каналу 2 дуттьовою свердловиною 5 компресорною установкою 8, кисень подається трубопроводом 16, змонтованим у свердловині 5 по газовідвідній свердловині 6 і видачу продуктів газифікації твердого палива 11 по дуттьовій свердловині 5. Реверс здійснюють при випередженні окислювальною зоною 3 відновлювальної зони 4 на 35-56 %, що збільшує довжину вогневого вибою 7, і встановлюють згідно з гірничо-геологічними умовами, параметрів матеріально-теплового балансу і способів інтенсифікації процесу газифікації, для цього виключають дуттьовий компресор 8, закривають шибер в усті дуттьової свердловини 5 і дуттьовий трубопровід 10 заповнюється азотом (N 2) з ємності 15, після цього з газогенератора відсмоктують продукти газифікації 11 за допомогою димососа 9 газовідвідною свердловиною 6 на поверхню. Після контролю наявності горючих газів CO, СН4 і Н2 у газоконденсатній суміші на усті 14 газовідвідної свердловини 6 здійснюють розгерметизацію дуттьового трубопроводу 5 і встановлюють сполучення свердловини 6 з дуттьовим компресором 8 для подачі дуття 12 до реакційного каналу 2 та утворення зони окислення 3 на місці зони відновлення 4, з видачею продуктів газифікації через свердловину 5 на поверхневий комплекс очищення та переробки штучного паливного газу. Циклічність проведення реверса регламентується згідно з гірничо-геологічними умовами: потужності пласта, елементного та технологічного складу вугілля, водоприпливу, природної та техногенної тріщинуватості масиву та технологічних параметрів: процесу вигазовування твердого палива, кількісного і компонентного складу дуття, тиску, швидкості і спрямованості посування окислювальної та відновлювальної зон вогневого вибою, температурного режиму у реакційному каналі. Запропонований спосіб ефективний при відпрацюванні пластів твердого палива у складних гірничо-геологічних умовах, а також тонких пластів твердого палива з малим виходом летких при підготовці газогенератора з поверхні землі або в умовах розрізів і шахт, і на цій основі забезпечує безпеку, екологічність, направленість і селективність процесу вигазовування твердого палива шляхом поперемінної керованості активними зонами реакційного каналу підземного газогенератора, реверсом дуттьових сумішей, що дає можливість керувати процесом газифікації за умов зміни техногенної тріщинуватості порід, які вміщують газогенератор, забезпечити рівномірне посування вогневого вибою, повноту вигазовування пласта твердого палива, керованість гірським тиском і газогідрополем у межах реакційного каналу, зменшення виходу баластних газів у складі генераторного газу і знизити витрати на очищення та підготовку продуктів газифікації, поліпшити кількісні й якісні складові процесу газифікації пластів твердого палива. 3 UA 103861 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Теоретичні розрахунки показують, що застосування реверсу активних зон підземного газогенератора в умовах вигазовування тонких вугільних пластів забезпечить вихід горючих компонентів у генераторному газі на 39-84 %, і підвищить теплотворну здатність штучного газу 3 до 4,9-11,5 МДж/м , енергетичну потужність газогенератора в межах 9,2-22,7 МВт, теплову потужність 7,9-19,6 Гкал, підвищить коефіцієнт вигазовування пласта до 0,94-0,98, зменшить втрати тепла 18-22 % та продуктів газифікації 12-19 % в породи покрівлі і підошви пласта та збільшить довжину реакційного каналу на 8-14 %, розширить область застосування технології свердловинної підземної газифікації твердого палива. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб підземної газифікації пласта твердого палива, що включає буріння з поверхні землі або у шахтних умовах похило-горизонтальних або горизонтальних експлуатаційних свердловин, з бурінням горизонтальної частини свердловини по пласту твердого палива, монтаж в експлуатаційних свердловинах дуттьового керуючого трубопроводу, запалювання пласта твердого палива, подачу окислювального реагенту керуючим трубопроводом та подачу свердловиною решти компонентів дуття до реакційного каналу, отримання продуктів газифікації, який відрізняється тим, що під час вигазовування твердого палива, при збільшенні довжини реакційного каналу в окислювальній зоні, за рахунок відставання відновлювальної зони, для стабілізації довжини й напрямку вогневого вибою підземного газогенератора подачу в дуттьовій свердловині припиняють, дуттьовий трубопровід на поверхні і свердловину герметизують, продукти газифікації з газогенератора відсмоктують газовідвідною свердловиною та після розгерметизації дуттьового трубопроводу і свердловини подачу дуття здійснюють газовідвідною свердловиною, отже забезпечують зміну або реверс активних зон реакційного каналу, а видачу продуктів термохімічної деструкції твердого палива здійснюють дуттьовою свердловиною, таким чином стабілізують довжину, напрямок реакційного каналу, рівномірність посування вогневого вибою газогенератора. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що необхідність реверсу активних зон реакційного каналу газогенератора встановлюють з параметрів матеріально-теплового балансу процесу та показників контрольно-вимірювальної апаратури. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що забезпечують безпеку реверса шляхом герметизації частин дуттьового трубопроводу, який прилягає до устя дуттьової свердловини. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що видачу генераторного газу виконують газовідвідною свердловиною за допомогою димососа. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що керуючий трубопровід в експлуатаційних свердловинах посувають у міру посування вогневого вибою газогенератора та подають або припиняють подачу дуття з урахуванням змін геометричних параметрів та активних зон реакційного каналу підземного газогенератора. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в ході реверсу охолодженої зони на розжарену і вирівнювані лінії вогневого вибою забезпечують рівномірність посування вогневого вибою реакційного каналу, стабільність температурного режиму й кінетику термохімічних реакцій згідно з фізичними швидкостями процесу. 4 UA 103861 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 5