Способ подземной газификации углей

(5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(21) 4649860/03 ция выработанных ГГ при одновременном(22) 13.02.89 повышении теплотворной способности про- , (46) 15;04.92. Бюл, М 14 дуктивного газа действующих ГГ. Перед га(71) Ташкентский политехнический инсти-зификацией угольную залежь разделяют на тут им. А. Р; Бируни ГГ, Производят последовательную отработ- (72) А, Н. Кузнецов, С. А. Баев, В. И. Пащен- ку ГГ. При этом каждый ГГ отрабатывают в ко, Б, Р, Раимджанов и М. М. Халматов две стадии. На первой стадии в очаг горения (53) 662.747;6(088,8) подают кислородсодержащее дутье с содер- .(56) Патент СШАМ 4069867,кл. Е 21 В 43/24, .жанием 65 - 75% кислорода. Продуктивный1976, отходящий гаэ выдают в выработанные ГГ,Патент США %4537252, кл. С 10 3 5/00, 1985. где происходит хранение продуктивного га- (54) СПОСОБ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКА- за и его догазификация. На второй стадии ЦИИ УГЛЕЙ газ из выработанного ГГ подают в раскален- (57) Изобретение относится к подземной га- ный очаг действующего ГГ, Начинают втоэификации углей и м.б. использовано для рую стадию газификации при наличии в дополнительного вовлечения выработан- продуктивном газе избыточного содержаных газогенераторов (ГГ), дающих неконди- ния двуокиси углерода. Отношение расхода ционный газ, в процесс получения дутьянапервойстадииподдерживаютбольвысококалорййного газа, т.е, для догазифи- ше его расхода на второй стадии в три и кации выработанных ГГ. Цель - догазифика- более раза. 1 ил., 4 табл. Изобретение относится к подземной газификации углей и может быть использовано для дополнительного вовлечения выработанных газогенераторов, дающих некондиционный газ, в процесс получения высококалорийного газа, т.е. для догазификации выработанных газогенераторов.Известен способ подземной газификации угля, заключающийся в том, что в подземный слой угля эакачивают низший алифатический спирт, который диссоциирует в пласте на окись углерода и водорода, и эакачивают воду, которая взаимодействует с углем с образованием дополнительных количеств СО и Н 2, для повышения тейлотворной способности отходящих газов.Недостатками этого способа являются его дороговизна иэ-за использования сравнительно дорогого реагента - алифатического спирта, а также неприемлемость для газификации выработанных газогенераторов, где будет происходить значительное раз- С убоживание отходящего газа углекислотой из-за небольшой температуры и невозможности протекания гидрогазификации. )Известен также способ подземной газификации угля, позволяющий увеличить кон- ф центрацию окиси углерода в газообразном продукте газификации угля.Бурят в угольный пласт две скважины, отстоящие одна от другой на расстоянии, достаточном для образования зоны горения в каждой скважине, причем газообразные продукты из первой зоны горения движутся . через угольный пласт между скважинами вовторую зону горения, где С 02 в гаэообраэ 1726739ных продуктах эндотермически реагирует с ния, подачи кислородсодержащего дутья и горячим углеродом,ом образующим стенки откачки продуктивного газа, каждый газогевторой зоны горения,ения что приводит к пре- нератор отрабатывают в две стадии: на первой стадии подают кислородсодержащееНедостатками способа являются: нали дутье с содержанием кислорода 65- 5 чие двух зон горенгорения водном газогенерато- для интенсивного горения угля, а отходяре, что усложняет управление процессом; щий газ подают в выработанный газогенебыстрое прогорание пласта и образование ратор для хранения и догазификации больших выгазованных пространств, что оставшихся запасов угля, а на второй стаприводит к паденинию калорийности отходя дии гаэ иэ выработанного газогенератора щих газов; невозможность способа для до- подают в раскаленный очаг действующего работки старых, сильно выгазованных газогенератора, причем вторую стадию наподземных газогенераторов, дающих не- чинают при наличии в продуктивном газе кондиционный газ. избыточного содержания двуокиси углероНаиболее близким к предлагаемому 15 да, а расход дутья на первой стадии поддерспособу является способ преобразования в живают больше расхода его на второй в три жидкие и газообразные продукты угля и дру- и более раза.гогоуглеродистоготвердогоматериала, при На чертеже показан способ газификакотором в угольный пласт бурят несколько ции бурых углей.групп скважин, каждая из которых содер Способ осуществляется следующим обжит не менее 2-х пар скважин, нагнетают в разом.пару первои гру ыо руппы газ содержащий кисло- На первом этапе угольная залежь род для начала процесса горения между вскрывается двумя группами скважин вводпервои парои сквро скважин и второй парой этой ными и выводными по известной технологруппы, После этого блокируют скважины, в 25 гии. Бурением скважин угольная. залежь которые подавался О и нагнетают получен- условно делится на газогенераторы, предную смесь газов и пар в скважину первой ставляющие собой угольные блоки, размеры группы, связаннзанную с блокированной сква- которых диктуются горно-геологическими.и жиной, удаляя жидкие и газообразные про- технологическими условиями выработки. д кты по меньшей мере из одной и соседней 30 Для задействования в эксплуатацию гаскважины первой группы. Блокированные зогенераторов производят сбойку скважин люскважины деблокируют и вводят в них газ, бым изизвестных способов, После розжигаугольсодержащий О для газификации угля и ногопластауглеводороднымфакеломсприобугленного материала. Из скважин, сооб- менением кислородсодержащего дутья щающихся со скважинами, в которые нагне можно приступать к двустадийной отработтают О, удаляют смесь газов, ке каждого газогенератора,К йедостаткам прототипа. относятся: На первой стадии через вводные сквасложность осуществления процесса; доро- жины газогенератора подают богатое кисговизна, связанная с большим объемом бу- лородом дутье (65-75 О,) с расходом, рения скважин; большой расход кислорода, 40 установленным эмпирически, но дрстаточзатрачиваемого не только для экзотермиче- ном для интенсивного горения угля.ских реакций горения на первой стадии, но Из выводной скважины газ, содержа- и для непосредственной газификации угля в щий значительное (до 30 О ) количество двудальнейшем; низкокалорийный газ первой оксида углерода, подают в выработанный стадии не используется для газификации уг газогенератор для хранения и догазификаля и обугленного материала; неприемле- ции оставшихся запасов угля, при этом вымость способа для догазификации старых, водная скважина выработанного выработанных газогенераторов. газогенератора временно закрывается.Цель изобретения - повышение эффективности газификации эа счет догазифика Через определенный промежуток вреции выработанных газогенераторов при мени, отвечающий достижению избыточно- одновременном повышении теплотворной го содержания углекислого газа в газе после способности продуктивного газа действую- первой стадии, выводная скважина вырабощих газогенераторов. танного газогенератора открывается и газЭта цель достигается тем, что в способе 55 по трубам поступает на вводную скважину подземной газификации углей, включаю- действующего газогенератора на раскаленщем вскрытие угольной залежи скважина- ный очаг, причем с расходом в три и более ми, условное разделение залежи на раз меньшим, чем на первой стадии, для газогенераторы и последовательную стра- получения высококалорийного газа, пригодботку последних путем создания очага горе- ного для получения тепловой энергии.5 10 15 20 25 30 40 50 55 После продувания всего объема газа на второй стадии процесс повторяют вновь в аналогичном порядке.Лабораторные эксперименты осуществлялись на действующей модели газогенератора, приведенной ранее,П р и м е р. В герметичный стальной ящик 1 размером 40 х 20 х 20 см, выложенный изнутри огнеупорными. блоками из. суперлегковеса, закладывают кусок угля 2 размером примерно 35 х 15 х 15 см с просверленным продольным отверстием диаметром 1,5 см. Пустоты в ящике заполняют асбестовой крошкой. В качестве замазки в огнеупорной кладке используют смесь асбестовой крошки (70 %) и жидкого стекла (30 %). После закладки угольного блока 2 ящик 1 закрывают стальной крышкой 28 с прокладкой из термостойкой резины 27. Крышка 28 крепится к ящику 1 болтами,На ящике 1 имеются два патрубка (диаметр 2 см, длина 15 см): один 3 с торца - для подачи дутья, другой 4 на крышке 28 - для отвода отходящих газов,После закрытия крышки 28 осуществляли розжиг угольного блока 2 с помощью закладки в просверленное отверстие угольного блока 2 горящего деревянного факела с намотанной на него паклей, смоченной мазутом. Розжиг осуществляли в течение 15 - 20 мин подачей в ящик дутья, на 40 % обогащенного кислородом следующим образом,Для подачи в систему воздуха в сеть переменного тока включали компрессор УК - 1 М 5, Воздух иэ компрессора 5 по шлангу-газопроводу 14 через трехходовой кран 6 и расходомер 7 для контроля его расхода (1 0 л/мин) поступает в сосуд 8 постоя нного давления для создания стабильного давления в системе и хорошего перемешивания компо-. нентов дутья, Туда же, в сосуд 8 постоянногодавления подается технический кислород из баллона 9, который открывают одновременно с подключением компрессора 5.Кислород поступает в сосуд 8 постоянного давления по шлангу-газопроводу 14 через трехходовой кран 10 и расходомер 11 (расход 2,5 л/мин). По окончании розжига угольного блока 2, о чем судят по возрастанию температуры в зоне горения, которую показывает термометр 22, температура достигает 1100- 1200 ОС - непосредственно начинают эксперимент.На первой стадии, аналогично вышеизложенному, при розжиге в зону горения подают воздух с расходом 4 л/мин и технический кислород с расходом 8 л/мин. Содержание кислорода в дутье при этом составляет 73 - 75 %, Первая стадия продолжается в течение 10-15 мин. Первые 2-7 мин отводящий газ из ящика 1 сбрасывается в вентиляционную систему. Затем к ящику 1 шлангом-газопроводом 14 подсоединяют расходомер 15 и газгольдер 16 объемом 30 л. заполненный водным раствором МаО (20 %), для сбора отходящего газа в течение оставшихся 2,5-3,0 мин,При сборе газа водный раствор хлорида натрия (20 %), растворяющий минимальный объем газовой смеси, сливается из газгольдера 16 через кран 24 в открытый стеклянный сосуд 25,Собранный в газгольдер 16 газ подвергается анализу: вначале на содержание в нем СО, подачей газа в газоаналиэатор ГОУ21, затем на содержание СО, Н подачей газа в хроматографГазохром 3101" 23.Гаэ перед поступлением в хроматограф 23 последовательно трехкратно очищается от примесей в 25 %-ном растворе гидроксида калия (сосуд 18), 10 %-ном растворе хлорида кальция (сосуд 19) и растворе гидросульфита натрия (сосуд 20).Анализ газовой смеси осуществляют по общепринятой методике согласно инструкциям по эксплуатации вышеназванных газоанализаторов.Результаты анализов: содержание СОг 25,0%; СО 7,5%; Н 23,9%.Далее для осуществления второй стадии процесса газгольдер 16 с отобранным газом первой стадии переносят на высокий уровень по отношению к ящику 1.Кислородный баллон 9 и компрессор 5 отключают от системы, а газгольдер 16 через расходомер 7 подключают. После заполнения колокола газгольдера 16 водным раствором хлорида натрия кран газгольдера 16 открывают, засекают время и гаэ из газгольдера 16 с расходом.3 - 4 л/мин, вытесняемый раствором хлористого натрия, начинает поступает в реакционную зону стального ящика 1 в течение 7-10 мин. От. ходящий гаэ поступает на анализ. Анализ осуществляется аналогично первой стадии. Результаты анализа; содержание СО 2 5,4 %: СО - 41,3 %: Н 2 - 4,4 %; калорийность газа - 5690 кДж/м . Давление во время первой стадии процесса на входе поддерживается на уровне 1,2 атм, причем давление технического кис. лорода из баллона 9 такое же, что и давление воздуха из компрессора 5. Давление во время второй стадии составляет 0,5 атм, на входе в стальной ящик 1. Температура второй стадии 1000-1100 С,Для получения высококалорийного газа нэ вторую стадию процесса необходимо подавать газ с первой стадии, достаточно богатый углекислым газом. С этой точки зрения выбирались оптимальный расход и содержание кислорода для дутья, подаваемого на первую стадию (табл. 1 и 2).Как видно из данных табл. 1 и 2 оптимальными являются содержание кислорода. в дутье 65-75 %, а расход дутья 12 л/мин,С ростом содержания кислорода в дутье, при его избытке, происходит реакция полного экзотермического сгорания углерода угольного блока:С+Ог СОг+О (1)Следовательно, отходящий газ обогащается углекислым газом тем в большей степени, чем больше содержание кислорода в дутье. Однако до определенного предела - 65% Ог. Дальнейший рост содержания кислорода в дутье приводит лишь к росту его содержания в отходящих газах, он остается химически незадействованным.Содержание СО в отходящих газах проходит через максимум(10,1 %) при содержании кислорода в дутье 49 %, что, видимо, вызвано протеканием реакции неполного окисления углерода угольного блока при этих условиях (недостатке кислорода)С+1/2 Ог - СО+О (2) далее, при все большем избытке кислорода, неизрасходованный, он окисляет СО по реак иицСО+1/20 г + СОг+О) (3)что приводит к падению содержания СО вотходящих газах,При возрастании содержания кислорода в дутье возрастает и температура процесса, что приводит к увеличению содержанияводорода в отходящих газах по эндотермическим реакциямНгОчНг+1/20 г - О (4)НгО+СОНг+СОг 0 (5)НгО+С Нг+СО (6)С ростом расхода дутья содержание углекислого газа СОг растет, а содержание СОв отходящих газах падает. Это вызвано тем,что высокий расход дутья, (для данного газогенератора, с учетом масштаба модели) способствует быстрому обновлению газовыхсмесей в реакционной зоне, обеспечиваетпостоянный приток избыточных количествсвободного кислорода, Однако, при расходедутья более 12 л/мин рост содержания СОгв отходящих газах почти не происходит, чтовызвано тем, что реакция (1) переходит издиффузионной в кинетическую область и лимитируется теперь лишь скоростью собственно химической реакции,Содержание СО продолжает падать сростом расхода дутья потому, что. протекание реакции (3) возможно и за пределаминепосредственно реакционной зоны, на 5 пример на выходе из газогенератора, и чембольше количество неизрасходованногокислорода (т.е, чем больше расход дутья),тем ниже содержание СО в дутье.На второй стадии полученный отходя 10 щий газ первой стадии подается вновь вугольный блок. Оптимальный расход его выбирается с учетом максимального содержания в отходящем газе второй стадии СО иНг, т.е. максимальной теплотворной способ 15 ности газа (табл, 3). Из этих же соображенийвыбирается и оптимальное содержание СОгв подаваемом на вторую стадию газе (табл.4)Кэк видно из данных таблиц, оптималь 20 ным на второй стадии является расходдутья3-4 л/мин, при большем расходе углекислый газ не успевает прореагировать с углеродом угля и частично остаетсянезадействованным в отходящем газе вто 25 рой стадии и количество его возрастает сростом расхода в реакционную зону, соответственно падает содержание СО в отходящем газе.Оптимальным содержанием углекисло 30 го газа в подаваемом на вторую стадиюдутье является 25-30%, Киже этого содержания получается низкокалорийный газ.Выше него падает содержание СО вотходящем газе из-за того, что углекислый газ не35 успевает усваиваться и, соответственно,возрастает содержание последнего в отходящем газе.Таким образом, предлагаемый способгазификации углей обладает рядом досто 40 инств: простота и дешевизна процесса; кислород затрачивается лишь дляэкзотермических реакций горения углеродаугля на первой стадии; низкокалорийныйгаз первой стадии используется для газифи 45 кэции угля,Способ применим для догазификациивыработанных газогенераторов, не поддающихся доработке любым иэ известных способов и дающих низкокалорийный газ,50 Формула изобретенияСпособ, подземной газификации углей,включающий вскрытие угольной залежискважинами, условное разделение залежина газогенераторы и последовательную от 55 работку последних путем создания очага горения, подачи кислородсодержащего дутьяи откачки продуктивного газа, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышенияэффективности газификации за счет догазификации выработанных газогенераторов10 1726739 Таблица 1 Зависимость состава отходящего газа первой стадии двустадийной газификации от содержания кислорода в дутье, 1=1200 С,т =10 мин, Ч= л/минблица 2 Зависимость состава отходящего газа первой стадии двустадийной газида дутья, 1=1200 С т =10 мин, С 02=75 . от расхо при одновременном повышении теплотворной способности продуктивного газа действующих газогенераторов, каждый газогенератор отрабатывают в две стадии: на первой стадии подают кислородсодержа щее дутье с содержанием кислорода 65-75 о для интенсивного горения угля, а отходящий газ подают в выработанный газогенератор для хранения и догазификации10 оставшихся запасов угля, а на второй стадии газ из выработанного газогенератора подают в раскаленный очаг действующего газогенератора, причем вторую стадию начинают при наличии в продуктивном газе избыточного содержания двуокиси углерода, а расход дутья на первой стадии поддерживают больше расхода его на второй в три и более раза.121726739ТаблицаЗ1Зависимость состава отходящего газа второй стадии двустадийной газификации от расхода подаваемого газа с первой стадии 1=1000 - 1100 С, т =10 мин, содержание С со =25,5 %, Ссо=7,5 %аблицЗависимость состава отходящего газа второй стадии двустадийной газификации от содержания С 02 в подаваемом на вторую стадию газе 1=1000 - 1100 С, т=10 мин, Ч 3=4 л/мин.1726739 ММоргент Редактор Н.Шитев Техред ад Корректор Э,Л ов бинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Производствен тельски аказ 1260 ТиражВНИИПИ Государственного комитет113035, Москва, Ж Подписноеизобретениям и открытиям при ГКНТ СССР