Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА (СО)ИЗ ГАЗА ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ (ПГУ)

Изобретение относится к области горного дела, а именно к способам сокращения выброса диоксида углерода (СО₂) при подземной газификации угля (ПГУ).

Известна технология ПГУ, основанная на бурении на угольный пласт серии дутьевых и газоотводящих скважин, предназначенных для газификации угля на месте его естественного залегания, а также улавливания из образовавшейся горючей смеси компонента СО₂ в поверхностном химическом комплексе [Крейнин Е.В. Подземная газификация углей: основы теории и практики, инновации. - М., 2010. - с.280-284].

Известны также технические предложения по использованию СО₂ для нагнетания в нефтеносные пласты с целью повышения их нефтеотдачи [White D.J., Burrowes G., Davis Т. et al. Greenhouse gas sequestration in abandoned oil reservoirs: The International energy agency Weyburn pilot project. // Журнал GSA Today, 2004, vol. 14, №7, pp.4-10].

Эти технические решения не предусматривают вариантов полезного использования и возможного захоронения СО₂ непосредственно при ПГУ.

Известным техническим решением улавливания СО₂ является широко применяемый в химической промышленности моноэтаноламинный метод [Крейнин Е.В., Карасевич A.M. Парниковый эффект: гипотезы, Киотский протокол, технические рекомендации. - М., 2007. - сс.143-146], согласно которому из смеси газов поглощают СО₂ по реакции HO(CH₂)₂NH₂+CО₂=HO(CH₂)₂NHCO(OH).

Однако получаемый моноэтанолкарбоксиламин термически нестоек и распадается по обратимой выше приведенной реакции, поэтому для условий подземного газогенератора этот метод малопригоден. Необходимы новые надежные технологии химического связывания СО₂.

Известно также техническое решение по регулированию состава газа ПГУ путем нагнетания в подземный газогенератор СО₂ и Н₂О [Патент РФ №2293845, 2007 г.].

Однако это техническое решение лишь частично отвечает задаче утилизации образовавшегося при ПГУ СО₂. Необходимо техническое решение технологии ПГУ, отличающейся полным отсутствием выбросов СО₂.

Задачей данного изобретения является выявление универсального решения по полной утилизации СО₂ при ПГУ (на эксплуатируемом и на отработанном подземных газогенераторах).

Технический результат - предотвращение выбросов СО₂ на предприятиях ПГУ.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в способе утилизации СО₂ из газа ПГУ, характеризующемся генерированием горючей смеси газов путем газификации угля на месте его естественного залегания с помощью серии дутьевых и газоотводящих скважин подземного газогенератора, а также улавливанием из упомянутой горючей смеси газов СО₂ в поверхностном химическом комплексе, выделенный в поверхностном химическом комплексе СО₂ делят на два потока, при этом первый из них нагнетают в дутьевые скважины работающего подземного газогенератора, инициируют в его зонах газификации эндотермическую химическую реакцию СО₂+С=2СО-173 кДж/моль и обогащают газ ПГУ горючим компонентом - монооксидом углерода (СО), а второй поток СО₂ нагнетают в отработанный газогенератор для захоронения.

Способствует достижению технического результата то, что:

- количество СО₂, нагнетаемого в дутьевые скважины работающего подземного газогенератора, определяют в зависимости от величины температуры в окислительной зоне газификации и состава газа, отводимого по соседней скважине, при этом повышают количество нагнетаемого СО₂ по мере увеличения концентрации О₂ в дутье и уменьшения притока подземных вод в зоны газификации, а также снижают его после стабилизации и возрастания концентрации СО₂ в отводимом газе;

- золошлаковую массу отработанного газогенератора пропитывают специальным раствором, преимущественно водным раствором гашеной извести [Са(ОН)₂], путем нагнетания его в скважины отработанного газогенератора до стабилизации концентрации этого раствора, для чего периодически отбирают его пробы и подвергают их химическому анализу;

- после стабилизации концентрации специального раствора в анализируемых пробах начинают нагнетать в скважины отработанного газогенератора СО₂ для его химической сорбции;

- нагнетание СО₂ в отработанный газогенератор прекращают после возрастания его концентрации в периодически отбираемых из скважин пробах до 90%.

Сопоставленный анализ предлагаемого решения с известными показывает, что данный способ в предложенной совокупности существенных признаков формулируется впервые и позволяет осуществить полную утилизацию СО₂ из газа ПГУ. Это указывает на соответствие данного решения критерию «новизна».

Предлагаемый способ соответствует также критерию «изобретательский уровень», так как в известных решениях существующего уровня техники не выявлены предложения по максимальной утилизации СО₂ непосредственно в подземном газогенераторе.

Способ иллюстрируется графическими изображениями. Фиг.1 - принципиальная схема отработанного подземного газогенератора. Фиг.2 - принципиальная технологическая схема подготовки к использованию газа ПГУ.

На фрагменте подземного газогенератора (фиг.1) показана серия скважин единого подземного газогенератора с первоначальным реакционным каналом газификации, представленная газоотводящими 1 и дутьевыми 2 скважинами, которые могут быть наклонно-направленными или наклонно-горизонтальными соответственно для наклонных и горизонтальных угольных пластов. Дутьевые 2 и газоотводящие 1 скважины изначально пересекаются поперечной наклонно-горизонтальной скважиной 3, с которой соединены вертикальные скважины 4.

Конечная стадия завершающей (заключительной) газификации представлена конечной линией 5 выгазовывания угольного пласта, ограничивающей отработанное пространство (выгазованный объем) 6.

Выгазованное (отработанное) пространство (выгазованный объем) 6 заполнено золой, шлаками, обрушившейся кровлей и подземными водами.

Способ осуществляется следующим образом.

Газ ПГУ в наземном химическом комплексе (фиг.2) последовательно проходит подготовку к использованию: охлаждение, очистка, конверсия СО (СО+Н₂О=СО₂+Н₂), улавливание H₂S и, наконец, улавливание СО₂. Оставшиеся горючие компоненты (СО+Н₂+СН₄) направляются потребителю.

Предметом рассмотрения предлагаемого технического решения является утилизация (использование) СО₂, выделенного в завершающей стадии наземного химического комплекса (фиг.2).

Объем выделенного СО₂ делят на два потока. Первый из них нагнетают вместе с дутьем в скважины 2 (фиг.1). При этом в зоне реагирования дутья с раскаленной угольной поверхностью инициируется эндотермическая реакция Будуара: СО₂+С=2СО-173 кДж/моль. Газовая смесь обогащается горючим компонентом (СО) и за счет этого повышается ее теплота сгорания, а следовательно, и энергетическая эффективность технологического процесса ПГУ.

Количество нагнетаемого в дутьевые скважины СО₂ зависит от температурного уровня в зоне газификации. Чем выше концентрация кислорода в дутье (от 21% в воздушном дутье до 95-98% в кислородном дутье) и меньше приток гравитационных вод в зоны газификации угля, тем больше может быть количество СО₂, нагнетаемого в дутьевые скважины. При этом контроль за эффективностью подачи СО₂ в зоны газификации угля осуществляют по составу газа, контролируемого по соседней газоотводящей скважине 1 (фиг.1). После начала роста концентрации СО₂ в отводимом газе снижают количество СО₂, нагнетаемого в дутьевые скважины 2.

Вторую (оставшуюся) часть СО₂, выделенного в наземном комплексе (фиг.2), нагнетают в соседний отработанный газогенератор. На эксплуатируемом предприятии ПГУ, как правило, работают несколько подземных газогенераторов, а ряд газогенераторов завершили свою работу и находятся на вспомогательных операциях (нейтрализация подземных вод, консервация скважин и др.).

Выгазованное пространство отработанного газогенератора заполнено золой, шлаками и обрушившейся породой непосредственной кровли (позиция 6 на фиг.1). Золошлаковая масса занимает 40-60% выгазованного объема и характеризуется высокой пористостью и развитой внутренней поверхностью. Вследствие этого выгазованное пространство отработанного подземного газогенератора может быть использовано для захоронения газообразных веществ, в том числе СО₂.

Для захоронения СО₂ в выгазованном пространстве отработанных газогенераторов в скважины нагнетают водный раствор гидроксида кальция (гашеную известь) Са(ОН)₂. Гидроксид кальция заполняет выгазованное пространство и высокоразвитые поры золошлаковой массы. Путем отбора проб и их химического анализа устанавливают полноту заполнения выгазованного объема подземного газогенератора гашеной известью, о чем свидетельствует прекращение роста ее концентрации в отобранных пробах раствора. После этого начинают нагнетать в отработанный подземный газогенератор СО₂.

Реакция химической сорбции:

Са(ОН)₂+СО₂=CaСО₃↓+H₂О+113 кДж/моль.

Карбонат кальция (СаСО₃) выпадает в осадок и надежно связывает СО₂. Выделяющееся тепло несколько разогревает массив, но, учитывая больше массы жидкости и окружающих пород, возрастание температуры незначительно.

Нагнетание СО₂ в отработанный газогенератор прекращают после появления в отбираемых из скважин и анализируемых пробах концентрации СО₂ около 80-90%. Последнее свидетельствует о близком завершении расходования Са(ОН)₂ и прекращении химического связывания СО₂ до СаСО₃.

Предлагаемый способ утилизации СО₂ планируется реализовать на опытном подземном газогенераторе, проектируемом в Кузбассе. Это будет первый опыт по созданию эффективной технологии в энергетике без выбросов парникового газа (СО₂).