Способ подземной газификации угля и устройство для его осуществления

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ и 652899 Союз Советских Социалистииеских Республик(23) П ет аударственный комет СССР по делан нзобретеннй н открытнй(088.8) Опубликовано 15.03.79.Бюл тень М а опубликования описания 17.03.79 2) Авто ностранец эл С Терри(54) СПОСОБ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕН Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной газификации угля.Известен способ подземной газификации угля через скважины, включающий оборудование скважин обсадными трубами, розжиг угольного пласта, нагнетание в пласт воздуха и выдачу образующихся газов по скважине на поверхность 1.Недостатком известного способа подземной газификации угля является то, что по лезное тепло образующихся газов не утилизируется.Известен также способ подземной газификации угля через скважины, включающий оборудование скважин обсадными трубами и теплообмецником, розжиг угольного плас 5 та через скважину, инжекцию в нее раскаленных гранул, температура которых выше температуры воспламенения угля, для воспламенения и выгорания угля с получением полезных газов, выдаваемых по скважине 20 на поверхность, нагнетание в пласт воздуха, обеспечивающего регулирование процесса газификации с учетом притока пластовых вод, охлаждение отводимых из пласта полезных газов путем их пропускания через теплообменник, размегценный в скважине, в который подают теплоприемный агент 12. Для осугцествления способа подземной газификации применяется устройство, включающее устанавливаемый в обсадной трубе скважины теплообменник, инжекциоцный трубопровод для подачи сжатого воздуха на забой скважины, выводной газопровод, соединяющий забой скважины с поверхностью, вводной и выводной патрубки, расположенные на оголовке скважины.Недостатком указанного способа является низкая эффективность процесса газификации из-за того, что тепло получаемых газов снимается не по всей длине скважины, а также из-за невозможности поддержания выгазованного пространства.Цель изобретения - повышение эффективности процесса газификации путем сьема тепла по всей длине скважины и поддержания выгазованного пространства.Цель достигается тем, что в качестве гранул используют невоспламеняемые твердые вещества, которь 1 е"подают в скважину длявводной патрубок 5 и выводной патрубок 6,размещенные на оголовке обсадной трубы 2.Теплообменник 1 изготовлен в виде трубы,внутри которой установлены перегородки 7,делящие теплообменник 1 на вертикальнорасположенные друг над другом отсеки 8,выполненные с соосными отверстиями 9 дляпропуска инжекционного трубопровода 4 ис соосными отверстиями 10 для пропускавыводных газопроводов 3. Все перегородки,кроме нижней, имеют отверстия 11, расположенные не соосно по вертикали относительно друг друга. Перегородки 7 выполнены в форме дисков и прикреплены к внутренней стенке 12 трубы теплообменника 1.Инжекционный трубопровод 4 пропущен через соосные отверстия 9 перегородок 7 иснабжен на нижнем конце подьемньпл бойком 13 с насадкой 14 для инжекции воздуха. Нижний конец 15 бойка 13 выполненв виде конуса.Выводные газопроводы 3 пропущены через соосные отверстия 10 и своими верхними концами выведены в верхний отсек теплообменника 1, которыйимеет отверстие длятрубопровода 16 для отвода газа. Нижниеконцы выводных газопроводов 3 на участке нижнего отсека теплообменника выполнены в виде диффузоров 17, большие основания которых обращены к забою скважины.Вводной патрубок 5 сообщен с отсеками 8, а выводной патрубок 6 - с нижнимО отсеком теплообменника 1 и снабжен теплойзоляцией. Верхняя часть обсадной трубы2 герметически закрыта крышкой 18.Способ подземной газификации осуществляют при помощи указанного устройстваследующим образом,С поверхности 19 земли по покрывающей породе 20 бурят скважину 21, например, диаметром 600 мм до кровли угольного пласта 22, Скважину обсаживают трубой 2, например, диаметром 500 мм и цео ментируют затрубное пространство. Послеустановки обсадной трубы 2 скважину 21заглубляют до подошвы угольного пласта22 на участке 23, напр. имер, диаметром400 мм. В подготовленной таким образомскважине устанавливают устройство для осуществления подземной газификации.Подземную газификацию начинают с розжига угля. Для этого полость участка 23скважины 21 через выводные газопроводы 3устройства заполняют раскаленными граО нулами 24,изготовленными из гравия, керамических шариков и других негорючих материалов. Гранулы 24 должны быть накалены выше температуры возгорания угля,например до 427 С. Заполнение скважины55гранулами 24 производят до тех пор, покавыводные газопроводы 3 не заполнятся этимматериалом, Вступая в контакт с углем, раскаленные гранулы 24 способствуют нагреву заполнения выгазованного пространства, атеплоприемный агент пропускают через теплообменник, установленный вдоль всей длины обсадной колонны, при этом в качествегранул используют керамические шарики5или гравий,Кроме того, в процессе газификации периодически подают пластовые воды в зону,газификации путем попеременного увеличения и уменьшения давления нагнетаемогов пласт воздуха относительно гидростатического напора пластовых вод.Указанный способ может быть осуществлен устройством, включающим устанавливаемый в обсадной трубе скважины теплообменник, инжекционный трубопровод дляч 15подачи сжатого воздуха на забои скважины, выводной газопровод, соединяющии забой скважины с поверхностью, вводной ивыводной патрубки, расположенные на оголовке скважины, отличающимся тем, что теплообменник выполнен в виде трубы, внутрикоторой установлены перегородки, образующие вертикально расположенные друг наддругом отсеки, сообщающиеся между собойпри помощи отверстий, сделанных в каждой перегородке, за исключением перегородки, размещенной у кровли пласта, и выполненные с возможностью пропуска теплоприемного агента от устья до кровли угольногопласта.Кроме того, инжекционный трубопроводсделан гибким с возможностью его подачизв любом направлении в угольном пласте.Перегородки описываемого устройства выполнены в форме дисков, прикрепленных к.внутренней стенке трубы теплообменника.Устройство снабжено средством для осу 3ществления повышенной теплопередачи, установленным в отсеке, расположенном укровли пласта. При этом указанные средстваизготовлены в виде диффузоров, больц 1 иеоснования которых обращены к забою скважины. лНа фиг. 1 изображено устройство дляосуществления предлагаемого способа, размещенное в скважине, вид сбоку; на фиг. 2 -вертикальный разрез нижней части теплообменника устройства; на фиг. 3 - вертикальный разрез нижней части скважины дляподземной газификации угля перед розжигом угольного пласта; на фйг. 4 - вертикальный разрез нижней части скважины дляподземной газификации угля, заполненнойраскаленными грануМами для розжига уголь 5ного пласта; на фиг, 5 - вертикальный раз, рез нижней части скважины для подземнойгазификации угля и выгазованной полости,заполненной гранулами.Устройство содержит теплообменник 1,установленный в обсадной трубе 2 скважины расположенные в нем выводные газопроводы 3, инжекционный трубопровод 4,и возгоранию угля. По мере того как угольный пласт 22 начинает гореть, в нем образуется полость 25. Гранулы 24 будут продолжать поступать в эту "полость, пока их навал не приобретет угол естественного откоса. 5Гранулы 24 вокруг буровой скважины 21 внутри пласта 22 служат агентом, способствующим проницаемости пласта и помогающим газу протекать в буровую скважину в случае непредвиденной усадки или откола покрывающей породы 20 вблизи буровой скважины 21.После розжига угольного пласта 22 в зону реакции через инжекционный. трубопровод 4, боек 13 и насадку 14 вводят окислительный агент, йапример обогащенный кис лородом воздух, под соответствующим давлением, например 18,5 кг/см, для вытеснения пластовой воды. Инжекцию окислителя производят до тех пор, пока не будет создана зона реакции объемом, например, 27 м. 2 О Затем давление подачи окислителя снижают до равновесия с давлением гидростатического напора пластовой воды, например 6 кг/см. Пластовую воду при необходимости выводят из зоны реакции путем поддержания давления в ней выше гидростатического или, наоборот, вводят воду путем снижения указанного давления. Давление регулируют в соответствии с плановым выходом образующегося в процессе газификации угля газа. Образующийся газ выводят из скважины через выводные газопроводы 3 и трубопровод 16.Описываемое устройство располагают в буровой скважине 21, и оно служит в качестве теплообменника, создавая средства для циркуляции воспринимающего теялоагента, такого как, например, вода, с поверхности земли к низу аппарата и последовательно с этим обратно к земной поверхности 19 через выводной патрубок 6. Устройство имеет два назначения, из которых основ в ным является отвод выделяемого тепла из выходных газов и передача отобранного тепла в форме пара на электрогенераторную ус,тановку или подобный агрегат. Вторичное назначение устройства заключается в отводе тепла от обсадной трубы 2 для того, 45 чтобы последняя не перегревалась и не теряла свою прочность. Полученные при газификации газы входят в буровую скважйну в общем случае при температуре 1095 С. При этом происходит нагрев выводных газопроводов 3. Для утилизации тепла в теплообменник 1 через вводной патрубок 5 вводят теплоприемный агент, например воду. Введенная в теплообменник 1 вода циркулирует по отсекам 8 теплообменника 1, перетекая из верхнего отсека в нижний через отверстия 11 в перегородках 7, При достижении водой нижнего отсека теплообменника 1 она начинает циркулировать вокруг диффузоров 17 выводных газопроводов 3. Если при этом температура диффузоров 17 выше, чем температура испарения воды при имеющемся давлении, вода будет закипать и под действием образующегося пара подниматься по выводному патрубку 6 на поверхность. Если температура диффузоров 17 ниже температуры испарения воды при имеющемся давлении, то давление вводимой в теплообменник воды поддерживают на уровне, позволяющем нагретой воде подниматься по выводному патрубку 6 на поверхность. Полученные таким образом горячую воду или пар можно использовать в любой известной системе для генерации электроэнергии или другого вида энергии.Скорость циркуляции воды в теплообменнике регулируют так, чтобы температура выдаваемого газа на головке скважины 21, например 260 С, оставалась выше точки росы получаемого газа. Поддержание состояния выходящих газов выше точки росы особенно важно, когда скважина работает в окислительной среде, так как получаемая в этом случае серная кислота в газовой фазе не должна конденсироваться, пока не достигнет определенной технологической точки в наземном оборудовании.Процесс газификации осуществляют следующим образом.После того как зона реакции устанавливается в нижней части угольного пласта 22, регулируют инжекцию окислителя в сторону обеднения кислородом среды, чтобы происходило неполное сгорание. Сторона угля вдоль зоны реакции при этом выгорает и высвобождает большие количества окиси углерода. Уголь же, расположенный вблизи горящей стороны, нагревается и выделяет летучие компоненты в выходные газы в качестве высококалорийных компонентов добываемых газов. Влагосодержимое угля переводится в состояние пара, который, в свою очередь, вступает в реакцию с остальными веществами, давая светильный газ. Метан в непосредственной близости от зоны реакции выводится в добываемые газы. Прилегающие слои угля, после отдачи своих легко- летучих компонентов, становятся карбонизированными и сами горят по мере достижения фронта огня, Путем направления по разным местам пласта инжектируемого окислителя почти весь уголь на этом участке может быть пережжен в остаточную золу,Вслед за этапами, где создается сначала окислительная среда, что дает в результате низкокалорийный газ с .теплоотдачей примерно 890 ккал/мз, идут другие этапы. На следующих стадиях среда меняется на восстановительную и теплотворная способность газа заметно улучшается до уровней порядка 4450 - 6230 ккал/мз, Именно в этот7период происходит отдача метана, газификация легколетучих компонентов и образование светильного газа. По мере того как содержимое метана и легколетучих компонентов в зоне действия-скважины приходит к истощению, теплосодержание полученных газов начинает уменьшаться. Влагосодержание угля служит ограничением для объема светильного газа, который может образоваться естественной влагой, по сравнению с тем объемом, который получают при введении дополнительного пара в зону реакции.В предпочтигельном варианте добавоч-ный пар вводят в зону реакции,когда теплосодержание получаемого газа падает ни-.же планового уровня, например 4450 ккал/м,зчто осуществляют сбросом давления в шахте отдельной скважины в течение некоторого запланированного периода времени, например 1 ч, чтобы создать условия для просачивания воды в горячую зону для образования там паров. Это сопровождается подачей давления путем инжекции окислителя до планового рабочего давления шахты, например почти равновесного (равного) с давлением гидростатического напора, и поддержайием давления в установленный плановый период времени, например 4 ч. Количество часов для поддерживающей операции поднятия давления зависит от проницаемосТи угольНого пласта и количества воды в формации, поступающей на просачивание.В тех случаях, где просачивание слишкомзамедлено или наличной водь 1 недостаточно, через линию инжекции окислителя закачивают пар или воду с наземных устано вок.Предпочтительно выстраивать в угольном пласте ряд скважин, например десять рядов в десять скважин. Работа этих скважин строится в шахматном порядке, так что некоторые скважины принимают воду в то время, как другие скважины работают на повышенном давлении, откачивающем воду.Конкретная геометрическая разбивка скважин устанавливается относительно характеристик потока грунтовых вод в данном угольном пласте. Такое расположение с использованием обогащенного кислородом воздуха позволяет получать больше газа с высоким теплосодержанием порядка 2670 ккал/мз и выше, пока угольная залежь не будет полностью истощена. Скважины могут быть взаимосоединены подходящими изолированными системами сборных трубопроводов с одной системой, выдающей горячую воду или пар и транспортирующей горячую воду или пар в теплоэлектростанцию или подобный агрегат, и с другой системой, транспортирующей полученные газы в центральный пункт обработки, где корпускулярные частицы могут быть удалены, где выделяют сероводород и где удаляют пары воды и других газифицированных жидкостей. Остающийся сухой газ может направляться после этого по трубопроводам либо в хранилища газа - газгольдеры, либо прямо на теплоэнергетическую установку электростанции,Предлагаемый способ подземной газификации угля и устройство для его осуществления позволяют повысить эффективность процесса газификации путем более полной утилизации тепла образующегося газа и улучшения проницаемости пласта за счет поддержания выгазованного пространства и получать газ высокой теплотворной спо собности.формула изобретения1, Способ подземной газификации углячерез скважины, включающий оборудование скважин обсадными трубами и теплообменником, розжиг угольного пласта через скважину, инжекцию в нее раскаленных гранул, температураКоТорых выше температуры вос пламенения угля, для воспламенения и выгорания угля с получением полезных газов, выдаваемых по скважине на поверхность, нагнетание в пласт воздуха, обеспечивающего регулирование процесса газификации с учетом притока пластовых вод, охлаждение отводимых из пласта полезных газов путем их пропускания через теплообменник, установленный в скважине, в который подают теплоприемный агент, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса газификации путем съема тепла по всей длине скважины и поддержания выгазованного пространства, в качестве гранул используют невоспламеняемые твердые вещества, которые подают в скважину для заполнения выгазованного пространства, а теплоприемный агент пропускают через теплообменник, установленный вдоль всей дли.-ны обсадной колонны.2, Способ по п, 1, отличающийся тем,что в качестве гранул испальзуют керамические шарики.3. Способ по п, 1, отличающийся тем,что в качестве гранул используют гравий.4, Способ по пп. 1 - 3, отличающиисятем, что в процессе газификации периодически подают пластовые воды в зону газификации путем попеременного увеличения и уменьшения давления нагнетаемого в пласт воздуха относительно гидростатического напора пластовых вод.5. Устройство для осуществления спосо ба по пп. 1 - 3, включающее устанавливаемый в обсадной трубе скважины теплообменник, инжекционный трубопровод для подачи сжатого воздуха на забой скважины, вцводной газопровод, соединяющий забой скважины с поверхностью, вводной и выводной патрубки, установленные на оголовке скважины, отличающееся тем, что теплообменник выполнен в виде трубы, внутри которой установлены перегородки, образующие вертикально расположенные друг над другом отсеки, сообщающиеся между собой при помощи отверстий, выполненных в каждой перегородке, за исключением перегорбдки,"ус- танавливаемой у кровли пласта, и выполненные с.возможностью пропуска теплоприемного агента от устья до кровли угольного пласта,6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что инжекционный трубопровод выполнен гибким с возможностью его подачи в любом направлении в угольном пласте. 7, Устройство по и. 5, отличающеесятем, что перегородки выполнены в форме дисков, прикрепленных к внутренней стенкетрубы теплообменника.8. Устройство по п. 5, отличающеесятем, что оно снабжено средством для осуществления повышенной теплопередачи, установленным в отсеке, расположенном укровли пласта.9. Устройство по п. 8, отличающеесятем, что указанные средства выполнены ввиде диффузоров, большие основания кото- Орых обращены к забою скважины,Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Ариненков Д, М. и Маркман Л. М.Подземная газификация угля. Сталино-Донбасс, 1960, с, 14 - 20.2. Крейнин Е. В. и др, О работе газоотводящих скважин при повышенной температуре. Сб. Проблемы подземной газификации в Кузбассе, Кемерово, 1967, с. 20 -25.