Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ В НЕДРАХ ЗЕМЛИ

Изобретение относится к технологии подземной газификации угольных пластов посредством преобразования угля на месте его залегания в горючий газ, который в качестве топлива может использоваться в энергоустановках разного типа.

В настоящее время интенсифицировались работы по созданию и внедрению технологий подземной газификации углеродсодержащего минерального сырья, представленного, в основном, углями и горючими сланцами. Несмотря на еще значительные запасы углеводородов в нашей стране российские разработчики вносят свой вклад в развитие этой тенденции.

Известен способ газификации угля (патент РФ №2354820) для получения водорода и синтез-газа, включающий организацию в подземном генераторе окисления угольного материала кислородом, который генерируют непосредственно в зоне горения в результате термического разложения паров воды и экзотермической реакции взаимодействия алюминия с водой, который подают в зону горения подземного газогенератора в виде приготовленной суспензии порошкообразного алюминия в водной среде с pH>10 при соотношении Al:H₂O=1:4-5 вес.ч. и распыляют в воду угольного пласта, обеспечивая соотношение подаваемой суспензии к воде 1:50-100 вес.ч.

Недостатком данного технического решения является высокая стоимость суспензии порошкообразного алюминия, используемая в качестве катализатора.

Известна заявка на изобретение №95102723, МПК E21B 43/295, опубл. 20.12.1996: способ, включающий переработку угля в пласте, который превращают в водяной синтез-газ при подаче в канал газификации сухого насыщенного или перегретого водяного пара с теплосодержанием на уровне, превышающем тепловой эффект эндотермической реакции восстановления водяного пара углеродом.

Недостатками заявленного способа являются пониженное содержание водорода в горючем газе и низкая степень переработки угля.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ подземной газификации угля по патенту РФ №2490445. Согласно этому способу бурят дутьевую и газоотводящую скважины в угольном пласте, устанавливают скважины в угольном пасте, устанавливают колонны труб, скважины соединяют по пласту гидроразрывом, образуя канал, в который загружают оксид железа, количество оксида железа составляет 0,25-0,35 от массы газифицируемого пласта угля, осуществляют розжиг пласта, нагревая его до температуры 300-500°C, в канал подают перегретый пар той же температуры, а горючий газ с концентрацией водорода 17-34% и теплотворной способностью 6,5-15,2 мДж/м³ в зависимости от температуры процесса отводят через газоотводящую скважину. К недостаткам данного технического решения можно отнести относительно большую стоимость используемого катализатора (оксида железа) и трудности по набивке канала катализатором в объеме 1/3 от массы угольного пласта.

Цены на порошкообразные оксиды железа находятся в диапазоне 15-45 руб. за 1 кг. Удельный расход катализатора на выгазовку 1 т угля по данному способу составит 250-350 кг. Тогда средняя удельная стоимость катализатора составляет около 10 тыс. руб./т. При использовании в качестве железистого катализатора отходов металлургического и металлообрабатывающего производств (окалина, пыль, стружка и т.п.) с учетом расходов на транспортировку и подготовку отходов к закачке в угольный пласт удельная стоимость катализатора будет сопоставима с указанной.

Технология гидроразрыва пласта угля заключается в подаче в скважину с помощью мощных насосных станций жидкости (вода, гель, кислота) под давлением выше давления разрыва пласта.

Расклинивание трещины осуществляют проппантом, обработанным кварцевым песком или другими материалами фракции 0,5-1,5 мм. Закачиваемый в пласт раствор на 98-99% состоит из жидкости и проппанта, а на 1-2% приходятся химические добавки. Объем закачиваемого раствора может составлять до 16 тыс. т при соотношении твердого к жидкому Т:Ж=1:10 под давлением до 70 МПа в течение 3-10 дней (из опыта компании Haliburton, 1947-2013 гг.). Таким образом, после гидроразрыва угольного пласта образованный канал будет забутован проппантом, и загрузить его оксидом железа в большем количестве предствляется затруднитильным.

Поставлена задача - обеспечить полную загрузку углежегового канала катализатором на основе оксидов железа, снизить стоимость катализатора.

Поставленная задача в заявленном изобретении решена посредством применения в операции гидроразрыва угольного пласта в качестве проппанта материала катализатора в виде окисленной железной руды, например гидрогетитовых бурых железняков оолитового строения.

Железорудная мелочь, содержащая оксиды железа FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, закачанная в трещину гидроразрыва угольного пласта, расклинивает его при полной забутовке как проппант, загружая образованный углежеговый канал пористым катализатором, проницаемым для потоков водяного пара и горючего газа.

При использовании гидрогетитовых бурых железняков оолитового строения в качестве проппанта в углежеговом процессе при температурах 250-500°C будет происходить дополнительная парогенерация за счет отдачи внутрикристаллической влаги минералом гидрогетитом с одновременным развитием эффективной поверхности материала катализатора при разрушении оолитов.

Стоимость железорудной мелочи (за 1% Fe в руде) колеблется в диапазоне 0,45-1,22 долл. США, что соответствует средневзвешанному значению для бурых железняков около 700 руб./т. Это более чем в 40 раз дешевле стоимости катализатора в способе-прототипе.

Предложенный способ газификации угля в недрах земли иллюстрируется следующим примером его возможного применения.

В период 2006-2014 гг. в рамках государственного заказа выполняются работы по воспроизводству минерально-сырьевой базы твердых полезных ископаемых на территории Томской области РФ: «Поисково-оценочные работы на бурые железняки в южной части Западно-Сибирского железорудного бассейна (междуречье рр. Андармы и Иксы, Томская область)» и «Оценка Бакчарского железорудного проявления для отработки методом скважинной гидродобычи».

Совпадающие результаты поисково оченочных работ в середине 50-х годов (при открытии железорудного проявления) и середины первого десятилетия нового века указывают на наличие в породах вскрыши буроугольных пластов, имеющих промышленное значение.

Например, геологический разрез восточного Полынянского участка Бакчарского железорудного проявления площадью 37,5 кв.км демонстрирует залегание буроугольного пласта мощностью 3,5-5,0 м в интервале глубин 125-130 м (при залегании бурожелезнякового рудного пласта средней мощностью 35,0 м глубже отметки 192 м).

Выполненные на опытно-промышленной стадии работы (Оценка Бакчарского железорудного проявления для отработки методом СГД/Научно-техн. отчет: Том «Опытно-методические работы по отбору валовой пробы бакчарской железной руды методом скважинной гидродобычи (ОМР СГД - 2008)». - отв. исп.: В.И. Лунев, 157 с., прилож. 128 с. // Томск: ООО «НПО»ТомГДКруда» - Томскнедра, 2009. - Гос. рег. №35-06-20; патент РФ №2431527 «Способ обогащения твердых полезных ископаемых при скважинной гидродобыче и устройство для его осуществления» / Авторы: В.И. Лунев и др. // Опубл. 20.10.2011, бюл. №29) позволили изучить качественные характеристики как керного материала, так и намытого в процессе СГД на двух картах намыва (восточном Полынянском и западном Бакчарском участках) рудного россыпного материала в объеме 1700 т.

Практически установлено (Особенности соства продуктов скважинной гидродобычи бакчарской железной руды / Авторы: В.И. Лунев и др. - М.: Горный информационно-аналитический бюллетень, №3, 2009. - Деп. в Изд. МГГУ. - 9 стр.), что по гранулометрическому и минералогическому составам бакчарская бурожелезняковая руда представлена оолитами и обломочным материалом (кварцем). Оолиты в основном гетит-гидрогетитового состава. Размеры оолитов находятся в диапазоне от 0,25 до 2 мм с преобладанием 1,0 мм на карте намыва. Оолиты имеют концентрически-скорлуповатое строение, в центре которых наблюдаются обломки кварца. Основной рудный минерал - гидрогетит. Содержание железа в добытой методом СГД бакчарской окисленной руде составляет 39,4-43,9%, в основном в форме оксидов железа гидрогетита HFeO₂*nH₂O гетита HFeO₂ и сидерита FeCO₃, в сумме составляющих до 2/3 состава руды.

Из приведенных сведений следует, что залегание пластов угля может сочетаться с залеганием в одном месторождении твердого минерального сырья, одновременно обладающего качествами проппанта и катализатора разложения воды на водород и кислород, представленного окисленными железными рудами. При этом оцененная стоимость такого катализатора-проппанта, в случае бакчарской гидрогетитовой бурожелезняковой руды оолитового строения, добытой методом СГД, составляет от 500 до 1000 руб. за 1 т.

Это обстоятельство обуславливает целесообразность предложенного усовершенствования способа-прототипа.

Последовательность операций в предложенном способе реализуется в следующем порядке.

Бурят дутьевую и газоотводящую скважину в угольном пласте, устанавливают колонны труб, скважины соединяют по пласту гидроразрывом с образованием канала, заполненного катализатором разложения воды с образованием водорода и кислорода.

При этом операции гидроразрыва пласта угля и загрузки образованного канала катализатором совмещены в одну за счет использования в качестве проппанта материала катализатора, например окисленной железной руды фракции 0,5-1,5 мм, в том числе гидрогетитовой бурожелезняковой руды оолитового строения. Количество руды, содержащей оксиды железа, составляет 0,30-0,45 от массы газифицируемого пласта угля.

Затем осуществляют розжиг пласта, нагревая его до температур 300-500°C, в канал подают перегретый водяной пар той же температуры.

Поведение основных рудных железонесущих минералов определяется в этих условиях эндоэффектами дегидратации и диссоциации. Гетит при нагревании до 300-420°C переходит в гематит Fe₂O₃ с выделением воды. Гидрогетит при нагревании до 50-200°C переходит в гетит, с выделением воды, а при дальнейшем нагреве до 380-410°C переходит в гематит с выделением воды. Сидерит при нагревании до 420-500°C диссоциирует на FeO и Fe₃O₄ с образованием диоксида углерода CO₂.

Гидрогетитовые оолиты при нагревании более 320-340°C растрескиваются и разрушаются, генерируя перегретый пар, полученный из внутрикристаллической воды, который более эффективно образует водород и кислород на активированной поверхности обломков оолитов при каталитическом воздействии оксидов железа.

Полученный при газификации угля горючий газ в зависимости от температуры процесса отводят через газоотводящую скважину.

Поскольку бурые угли, перекрывающие почти всю территорию Томской области, имеют близкие теплотехнические и другие характеристики, то и бакчарские угли во вскрыше Полынянского участка Бакчарского железорудного проявления будут близки по массовому выходу продуктов газификации бурых углей Таловского месторождения (согласно прототипу): горючий газ - 25,0%; углеродистый остаток - 20,0%; влага - 50,0%; смола - 5,0%. Горючий газ будет получаться с концентрацией водорода 17-34% и теплотворной способностью 6,5-15,2 МДж/м³.

Скважинную гидродобычу россыпной бакчарской бурожелезняковой руды в качестве проппанта-катализатора и совмещенную операцию гидроразрыва угольного пласта с заполнением канала проппантом-катализатором можно выполнить с помощью мобильного комплекса, выпускаемого Консорциумом «Русская фрактуринговая компания» (www.fracturing.ru 2013 г.).

Технический результат заключается в ускорении на несколько суток процесса газификации угля в недрах земли при одновременном снижении стоимости получаемого горючего газа.