Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТАВА ГАЗА ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ

Изобретение относится к подземной газификации угольных пластов путем превращения угольной массы на месте ее залегания в горючий газ и использования последнего в различных энергетических установках.

Известен способ подземной газификации углей (ПГУ), который высказал и обосновал наш великий соотечественник Д.И.Менделеев еще в 1888 г. [1]. Основное техническое решение он сформулировал следующим образом: "Пробурить к пласту несколько отверстий, одно из них должно назначить для введения - даже вдувания воздуха, другое - для выхода - даже вытягивания (например, инжектором) - горючих газов, которые затем легко уже провести даже на далекие расстояния к печам". Это известное техническое решение естественно не содержало еще конкретных режимных параметров процесса ПГУ. Необходимы были дополнительные эксперименты в естественных условиях, чтобы сформулировать основополагающие конструктивные и режимные параметры технологии ПГУ.

Другим известным техническим решением, развивающим предыдущее, является метод "потока", предложенный в 1935 г. советскими инженерами В.А.Матвеевым, П.В.Скафа и Д.И.Филипповым, согласно которому процесс ПГУ осуществляется в реакционном канале, с одного конца которого нагнетается азото-кислородное дутье, а образующийся горючий газ отводится с другого конца [2].

Однако и это известное техническое решение не содержит рекомендаций по регулированию состава образующегося газа ПГУ.

Наиболее близким техническим решением является предложение осуществления процесса ПГУ в две стадии [3]. Способ заключается в нагнетании азото-кислородной смеси (N₂+O₂) в дутьевые скважины подземного газогенератора, извлечении образующейся горючей смеси, содержащей в том числе монооксид углерода (СО) и водород (Н₂), из газоотводящих скважин, а также нагнетании в подземный газогенератор по трассе канала газификации диоксида углерода (CO₂) и водяного пара (Н₂O) для повышения в извлекаемой горючей смеси соответственно содержания СО и H₂.

В процессе осуществления способа получают извлекаемые продукты ПГУ постоянного нерегулируемого состава. Однако, для нужд потребителей необходимо получать газ с переменным соотношением компонентов извлекаемого газа, в зависимости от области применения газа ПГУ.

Известные способы решение этой задачи не обеспечивают.

Задачей настоящего изобретения является создание универсального и практически реализуемого способа регулирования состава газа ПГУ.

Техническим результатом является обеспечение возможности регулирования состава извлекаемой горючей смеси.

Технический результат достигается тем, что способ регулирования состава газа подземной газификации углей осуществляют нагнетанием в дутьевую скважину подземного газогенератора азотно-кислородной смеси, образующуюся при этом горючую смесь, содержащую в том числе монооксид углерода и водород, извлекают из газоотводящей скважины, причем дополнительно нагнетают диоксид углерода до получения извлекаемой горючей смеси с соотношением компонентов СО/Н₂ от 2:1 до 1:2, или дополнительно нагнетают водяной пар до получения горючей смеси с соотношением СО/Н₂ от 1:2 до 1:5.

Способ может быть осуществлен также с помощью дополнительных операций:

- получения диоксида углерода путем извлечения его из горючей смеси газа ПГУ;

- получения водяного пара бесконтактным охлаждением извлекаемого горючего газа в газоотводящих скважинах;

- увеличения доли кислорода в азотно-кислородной смеси одновременно с нагнетанием диоксида углерода или водяного пара;

- предварительного подогрева азотно-кислородной смеси и диоксида углерода в теплообменнике, встроенном в газопровод извлекаемых горючих газов.

Заявляемое предложение соответствует критерию "существенные отличия", т.к. способ обладает универсальностью и возможностью управлять составом получаемого газа ПГУ в зависимости от сферы его использования в наземных энергетических установках (котельная и печная техника, различные органические симбиозы на базе СО+Н₂).

Предлагаемый способ регулирования состава газа ПГУ реализуется следующим образом.

В дутьевую скважину подземного газогенератора нагнетают азотно-кислородное (N₂+O₂) дутье. Соотношение этих компонентов может быть различным - от воздуха (21% O₂ и 79% N₂) до чистого технического кислорода (95-98% O₂ и 2-5% N₂), а также дополнительно нагнетают диоксид углерода (CO₂) и водяной пар (Н₂O).

Из газоотводящих скважин извлекают горючую смесь (генераторного) газа ПГУ, содержащую горючие компоненты СО, Н₂ и СН₄, а также балластные компоненты CO₂, N₂ и водяные пары Н₂O.

Оценочный подсчет объема нагнетаемых в дутьевую скважину компонентов может быть осуществлен на основе экспериментальных данных. Процесс подземной газификации углей относится к числу трудно управляемых технологий, поэтому расчетные и экспериментальные данные не всегда совпадают.

Таким образом, чтобы получить извлекаемые в процессе ПГУ горючие смеси заданного состава, соответствующего требованиям потребителя, на выходе газоотводящей скважины осуществляют контроль состава извлекаемой горючей смеси путем хроматографического исследования. По результату исследования извлекаемой горючей смеси, в случае получения ее состава, не совпадающего с заданным, дополнительно в дутьевую скважину нагнетают диоксид углерода или водяной пар до получения извлекаемой горючей смеси с заданным соотношением компонентов СО/Н₂. Для этого открывают задвижку на соответствующем трубопроводе, подводящем компоненты к дутьевой скважине.

Пример осуществления способа.

Для использования газов ПГУ в химических технологиях в качестве синтез-газа (СО+Н₂) требуются различные соотношения этих компонентов: СО/Н₂=1:3 (синтез метана) и СО/Н₂=1:4,1:5 (синтез жидких углеводородов).

С этой целью необходимо получение горючей смеси (генераторного) газа ПГУ с соотношением компонентов СО/Н₂ от 1:2 до 1:5. Поэтому на выходе газоотводящей скважины осуществляют контроль состава извлекаемых горючих газов с использованием хроматографического исследования. Если состав смеси не соответствует заданным параметрам, открывают задвижку на линии подачи водяного пара (Н₂O) и дополнительно нагнетают его в дутьевую скважину до получения извлекаемой горючей смеси с соотношением компонентов СО/Н₂ от 1:2 до 1:5.

При этом водяной пар получают путем бесконтактного охлаждения газа ПГУ в газоотводящих скважинах от 600-700°С на входе в скважину до 150-180°С на головке скважины. Рекуперативное охлаждение газа ПГУ позволяет повысить энергетический КПД процесса ПГУ на 8-12%. Для других технических целей необходимо получать газ ПГУ с соотношением СО/Н₂ от 1:2 до 2:1.

Аналогичным путем определяют состав извлекаемых продуктов. По результатам определения состава извлекаемой горючей смеси, в случае недостаточного выхода СО, открывают задвижку на линии подачи CO₂ и в дутьевую скважину дополнительно нагнетают диоксид углерода (CO₂), повышая долю СО в извлекаемой горючей смеси до заданного соотношения СО/Н₂ от 1:2 до 2:1.

Диоксид углерода может быть получен автономно извлечением его из горючей смеси газа ЛГУ путем охлаждения ее в абсорбере при давлении около 6 МПа.

Для энергетического использования газа ПГУ увеличивают долю СО, т.к. низшая теплота сгорания монооксида углерода выше теплоты сгорания водорода (СО - 12,68 МДж/м³; Н₂ - 10,83 МДж/м³). Практически в составе генераторного газа содержание СО не может превышать содержание Н₂ больше, чем в 2 раза.

Так как реакции восстановления CO₂ (CO₂+С=2СО) и Н₂O (Н₂O+С=Н₂+СО) эндотермические, и требуют подвода дополнительного тепла, в процессе нагнетания CO₂ или Н₂O, в составе дутья целесообразно увеличивать долю кислорода для повышения температуры в зоне газификации угля на его раскаленной поверхности. Таким образом, активизируется процесс восстановительных реакций и выход конечного продукта.

Целесообразно также предварительно подогревать дутье с диоксидом CO₂ в поверхностном газопроводе, горячие газы в котором имеют температуру до 150°С.

Итак, заявляемое изобретение позволяет регулировать состав газа ПГУ, повышая его энергетические и другие потребительские свойства, рационально используя температурный потенциал в зоне газификации подземного газогенератора на реакции восстановления CO₂ и Н₂O до СО и Н₂.

Учитывая возросший интерес в мире к совершенствованию технологии ПГУ, предлагаемое изобретение может найти широкое применение в России и за рубежом.

Источники информации

1. Крейнин Е.В. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекаемых топлив: уголь, углеводородное сырье. - М.: ООО "ИРЦ Газпром", 2004 г., с.7.

2. Там же, с.8 и 14.

3. Там же, с.107.