» » Газификация угля

Газификация угля

07.08.2016

Метод, который дает сегодня возможность использовать угольные месторождения для получения тепла и электроэнергии с большей радиационной безопасностью, — реализация идеи Рамзая — Менделеева о подземной газификации углей и очистке полученных газов в подземных газогенераторах.
Физико-химический процесс превращения угля в горючие газы с помощью свободного или связанного кислорода непосредственно в недрах земли осваивалась в бывш. СССР с 1930 г. В 1933 г. И.Е. Коробчанским, В.А. Матвеевым, В.П. Скафа и Д.И. Филипповым предложено проводить газификацию угля в горизонтальном канале шахтным способом. В 1945—1948 гг. разработана бесшахтная технология подземных газогенераторов, включающая в себя вскрытие угольного пласта вертикальными, наклонными и наклонно-горизонтальными буровыми скважинами и создание в нем каналов газификации.
Подземная газификация угля — скважинный способ разработки угольных месторождений, основанный на физико-химическом превращении углей в газы с помощью кислорода на месте залегания. Идея газификации принадлежит Д.И. Менделееву.
Первая попытка промышленной подземной газификации сделана в Англии в 1912 г. В. Рамсеем через 25 лет после открытия Д.И. Менделеева. В СССР практическое воплощение идеи Менделеева началось в 1920 г. В 30-х годах работы по газификации углей продолжались. После 2-й мировой войны опыт СССР стали использовать в США, Великобритании, Франции, ФРГ, Бельгии и других странах. Спустя почти двадцать лет с начала исследований в СССР было принято решение о широком развертывании работ по подземной газификации.
В 1933 г. в СССР впервые в мире была осуществлена газификация углей с отводом газа. В промышленных масштабах газификация углей была освоена на бурых углях Ангрена в Средней Азии, на бурых углях Подмосковного бассейна (Шатская станция) и на каменных углях Кузбасса (Южно-Абинская станция), которые производили энергетического газа до 1,5 млрд M3 /год. Преимущественно применяется для разработки некондиционных для традиционной технологии месторождений и для доработки потерянных запасов угля.
Технология разработки включает в себя бурение технологических и контрольных скважин с поверхности, подачу высокотемпературного воздушного или комбинированного парокислородно-воздушного потока, создание в пласте между рабочими скважинами реакционных каналов, в которых уголь взаимодействует с потоками газа, собственно газификацию продуктивных пластов полезного ископаемого, улавливание и отвод газа на поверхность, обогащение, очистку и транспортирование газа.
Для создания в пласте каналов используется сбойка скважин с применением электрического тока. Уголь превращается в газ, а в выгоревшем пространстве остается зола, занимающая меньший объем. По мере газификации реакционные зоны перемещаются, а породы кровли заполняют пустоты. Благодаря этому структура и размеры каналов газификации в течение длительного времени остаются постоянными, что обусловливает стабильность состава.
Теплота сгорания и состав газа зависят от вида дутья, качества углей и условий их залегания. Минимальной считается мощность пластов 1,5 м, ниже которой тепловые потери возрастают настолько, что технология становится нерентабельной. Теплота сгорания газа при газификации бурых углей 3,3 МДж/м3, каменных углей — 4 МДж /м3. Применение дутья, обогащенного кислородом (65 %), увеличивает теплоту сгорания газа до 6,9—7,5 МДж/м3. По химическому составу газ пригоден для синтеза аммиака и углеводородов.
Химические реакции, протекающие в каналах подземной газификации, аналогичны газогенераторному процессу. Дутье подается или со стороны угольного целика с отводом газа через выработанное пространство, или со стороны выработанного пространства с отводом газа со стороны целика по скважинам.
К достоинствам технологии относится небольшой по сравнению с традиционным способом объем работ, отсутствие необходимости предварительной подготовки полезного ископаемого к добыче, сохранность земли в пределах отвода (отсутствие отвалов хвостов горного и обогатительного переделов), сохранение чистоты воздушного и водного бассейнов в регионе добычи, низкая по сравнению с традиционным способом стоимость получаемого топлива, безопасность добычи и расширение сырьевой базы за счет низкокачественных запасов.
Основные преимущества технологии по сравнению с традиционной технологией получения и переработки угля:
• возможность независимого от рыночной конъюнктуры энергетического обеспечения промышленных районов в случае широкомасштабного промышленного использования технологии;
• исключение опасного труда горнорабочих при подземной добыче угля;
• уменьшение масштабов вредного воздействия на верхний слой литосферы Земли, характерного для традиционной добычи угля открытым способом.
Способ подземной газификации углей дает возможность эксплуатировать глубокозалегающие пласты угля и пласты малой мощности. Например, запасы каменного угля в ФРГ составляют примерно 230 млрд т, из которых традиционными методами может быть извлечено лишь 24 млрд т, т.е. около 90 % запасов угля остаются неиспользованными. В США газ подземной газификации в 1,3—3,9 раза дешевле газа, добываемого на Аляске, и в 1,45 раза дешевле газа из газогенератора.
Подземная газификация исключает тяжелый и очень вредный труд горнорабочих: транспортировку, погрузку и разгрузку, дробление угля, которые требуют больших энергетических затрат и загрязняют окружающую среду. Они заменяются безвредной и простой транспортировкой очищенного горючего газа в места его использования. Подземная газификация предпочтительнее открытой добычи угля в угольных разрезах, так как не нарушает верхнего покрова Земли.
К недостаткам относятся невысокая теплота сгорания газа, а также трудность контроля полноты извлечения полезного компонента и управления процессом. Катастрофический уровень воздействия процесса газификации на окружающую природную среду определяется тем, что химическое загрязнение вод при подземной газификации углей приобретает стойкий и прогрессирующий характер. Комплексное загрязнение может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.), неорганическим (соли, кислоты, щелочи) или токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.). Ореол химического загрязнения подземных вод распространяется до 10 км и более.
Несмотря на появление новых технических решений по снижению капиталоемкости, энергетических и материальных затрат, издержек на обслуживание, повышению надежности процесса, подземная газификация угля не получила эффективного развития из-за объективных трудностей, в том числе:
• сложность транспортировки газа, который вследствие высоких температур и влажности является агрессивной средой и содержит большое количество смолы. При изменении температуры, а также при уменьшении скорости течения газа смола осаждается в трубопроводе, особенно в местах установки дроссельных устройств;
• процессы газификации опасно воздействуют на экосистемы природной среды, что проявляется в деформации пород, в тепловых, химических и гидрогеологических явлениях;
• при подземной газификации происходит труднопрогнозируемое разрушение пород вплоть до земной поверхности;
• при подземной газификации углей температура горных пород достигает 1600 °С, что приводит к спеканию вмещающих пород и потере первоначальных свойств. Это обусловливает повышение температуры подземных вод и их химическое загрязнение.
Сильными токсичными свойствами обладают содержащиеся в фенольных стоках цианиды, сероводород и весьма вредный даже при незначительных концентрациях свободный аммиак. Даже при активном разбавлении фенольные стоки опасны для биосферы. На Ангренской станции загрязняющими компонентами в конденсате являются летучие фенолы (до 500 мг/л), органические кислоты жирного ряда (до 200 мг/л), пиридиновые основания (до 500 мг/л), смолы (до 160 мг/л), аммиак (до 1000 мг/л). Кроме того, в воде содержатся токсичные нитриты, нитраты и соединения серы.
Метод подземной газификации угля открывает возможность утилизировать большую часть его некондиционных, сбалансированных запасов и получать при этом синтезированное «голубое» топливо. Оно не потребует дополнительной очистки, поскольку почти не содержит сернистого газа и потому будет подаваться непосредственно для нужд энергетики, теплофикации, химической промышленности и других отраслей.
Одним из перспективных шагов в этом направлении является принципиально новая геотехнологическая схема циклического способа подземной газификации угля водяным паром при высоких термодинамических условиях с целью получения горючего «водяного» газа СО+Н2О с незначительным количеством метана. Например, на подземном пласте шахты «Великомостовская» Червоноградского углепромышленного района эти данные такие: температура 800—1000 °С, давление — 4 МПа, мощность угольного пласта от 0,2 м и более. Газификация 2,4 млн т угля из исследованного участка позволяет получить около 5 млрд м3 газа с теплотой сгорания 7,8 МДж/м3. Себестоимость такого топлива вдвое ниже, чем на Ангренской станции «Подземгаз» в Узбекистане.
Особо актуальна проблема подземной газификации некондиционного угля там, где он достигает семидесяти процентов от геологических запасов, которые нецелесообразно осваивать традиционными способами.
Подземная газификация находится в большой зависимости от геологических и гидрогеологических условий залегания угля. При воздушной, кислородной и паровой газификации трудно получить устойчивый процесс с постоянным составом газа.
Подземная газификация твердого топлива — это бесшахтный способ использования угольных залежей, исключающий создание терриконов возле угольных залежей и отвалов золы около тепловых электростанций.
Перспективы развития технологий газификации твердого топлива включают в себя разработку процессов; парогазового цикла, плазменной газификации топлива и др.