Результат интеллектуальной деятельности: Установка для подземной газификации топлива

Изобретение относится к устройствам для выработки тепловой и электрической энергии преобразованием твердых углеводородных топлив в газообразное топливо за счет осуществления внутрипластовой подземной огневой газификации. Изобретение может быть использовано для снабжения тепловой и электрической энергией промышленных и хозяйственных объектов в удаленных районах РФ.

Известна установка для подземной газификации топлива, содержащая газовую турбину, электрогенератор, воздушный компрессор, парогенератор, газоочиститель, газоотводяшую скважину, дутьевую скважину, газовый ресивер, гибкую трубу, газовую горелку, газоочиститель, электроприводные задвижки, розжиговую скважину, сбоечный канал (см. описание изобретения по патенту РФ №2595126 от 29.06.2015 г., МПК Е21В 43/295, C10J 3/00 Доступ: https://yandex.mlpatents/doc/RU2595126C1_20160820). Недостатки известной установки:

1. Невысокая теплота сгорания образующегося при газификации синтез-газа из-за пониженного содержания СО и Н₂ по причине низкой температуры в зоне горения вследствие повышенного притока воды.

2. Малая производительность процесса газификации из-за зашлаковывания зоны газификации и отсутствия возможности выбора оптимального положения розжиговой горелки в сбоечном канале для повышения содержания СО и Н₂ в синтез-газе.

Указанные недостатки устранены в заявляемом изобретении, которое направлено на решение задачи повышения эффективности технологического процесса подземной газификации за счет увеличения теплоты сгорания получаемого синтез-газа и за счет ускорения реакций газификации.

Технически в заявляемом изобретении эта задача решена путем выполнения дренажа излишней нагретой воды из зоны газификации и подачи этой воды в парогенератор в качестве питательной воды, а повышение производительности процесса осуществлено за счет применения розжиговой вибрационной горелки и непрерывного перемещения ее вместе с очагом горения.

На фиг. 1 приведена заявляемая схема установки, где позициями обозначены следующие элементы и узлы:

1 - атмосферный воздух,

2 - воздушный компрессор,

3 - уровень верхнего слоя земли,

4 - розжиговая скважина,

5 - угольный пласт,

6 - очаг горения,

7 - гибкая труба,

8 - сбоечный канал газификации,

9 - газоотводящая скважина,

10 - дутьевая скважина,

11 - газовая турбина,

12 - электрогенератор,

13 - розжиговый газ,

14 - газовый ресивер,

15 - очищенный и охлажденный синтез-газ потребителям,

16 - газоочиститель,

17 - парогенератор,

18 - блок водоочистки,

19 - перегретый водяной пар,

20 - розжиговая горелка вибрационного горения,

21 - дренажная скважина,

22 - насос,

23 - сжатый воздух,

24 - дренажная вода,

25 - блок перемещения гибкой трубы,

26 - электроприводные задвижки,

27 - нагретый пластовый синтез-газ от газификации угля,

28 - вода из аварийного запаса,

29 - пар потребителям.

По схеме, показанной на фиг. 1, можно, вместо угля 5, газифицировать другое твердое топливо: горючий сланец, торф, газовый гидрат при достаточной толщине пласта.

Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.

Воздушный компрессор 2 служит для сжатия атмосферного воздуха 1 и подачи его в розжиговую скважину 4.

Розжиговая скважина 4 предназначена для первичного розжига угольного пласта 5 и последующего поддержания его неполного горения при малом коэффициенте подвода воздуха, равном в среднем 0,5, тогда как стехиометрическое значение коэффициента подвода воздуха, при котором происходит полное сгорание, равно 1,0. Коэффициент подвода воздуха это отношение количества действительно подводимого воздуха на горение к теоретически необходимому для полного сгорания топлива.

Гибкая труба 7 служит для подвода по ней розжигового газа 13 к горелке 20 и перемещения горелки вместе с очагом неполного горения 6 по сбоечному каналу газификации 8, который предназначен для накопления и подвода продуктов неполного горения, образующих состав синтез-газа, к газоотводящей скважине 9.

Сбоечный канал газификации 8 выполняется методом гидроразрыва пласта 5 между скважинами 4 и 9 при близком расстоянии до скважин 10 и 21 до розжига горелки 20.

Газоотводящая скважина 9 служит для отвода из сбоечного канала 8 образующегося синтез-газа 27 к газоочистителю 16.

Дутьевая скважина 10 предназначена для подачи перегретого водяного пара 19 через угольный пласт 5 в очаг неполного горения 6.

Газовая турбина 11 служит для преобразования потенциальной энергии давления поступающего из скважины 9 через газоочиститель 16 синтез-газа 27 во вращательное движение, которое передается на электрогенератор 12 для выработки электроэнергии.

Розжиговый газ 13, в качестве которого может быть применен синтез-газ, служит для первоначального розжига и последующего поддержания очага горения 6.

Газовый ресивер 14 предназначен для промежуточного хранения синтез-газа перед поставкой его потребителям 15 и перед его использованием в качестве розжигового газа 13.

Газоочиститель 16 служит для очистки синтез-газа 27 от пылевидных загрязнений и от вредных соединений сернистого газа и оксидов азота.

Парогенератор 17 генерирует водяной пар за счет теплоты, подводимой от охлаждаемого синтез-газа 27.

Блок водоочистки 18 очищает высоко нагретую дренажную воду 24 перед подачей ее в парогенератор 17 от минеральных примесей и растворенных в ней газов и является отличительным признаком заявляемого изобретения, обеспечивающим получение положительного технического результата по повышению экономичности процесса газификации, так как на нагрев дренажной воды перед подачей в парогенератор не расходуется дополнительная теплота.

Розжиговая горелка вибрационного горения 20 служит для первоначального возбуждения и последующего поддержания вибрационного режима горения за счет пульсационных высокоамплитудных колебаний пламени, которые разрушают шлак по контуру очага горения 6 и интенсифицируют проникновение кислорода и водяных паров в зону газификации.

Применение вибрационного режима горения является отличительным признаком заявляемого изобретения, позволяющим получить положительный технический результат по повышению производительности процесса газификации, так как зашлаковывания зоны газификации не происходит и шлаковая корка непрерывно разрушается высокоамплитудными колебаниями давления газообразных продуктов горения в зоне пламени.

Дренажная скважина 21 предназначена для удаления насосом 22 излишней дренажной воды 24, образующейся от грунтовых вод и конденсата водяного пара с возможностью использования дренажной воды в качестве питательной для парогенератора, и является отличительным признаком заявляемого изобретения, позволяющим получить положительный технический результат вследствие устранения повышенного притока воды в зону газификации.

Блок 25 служит для непрерывного перемещения гибкой трубы 7 и горелки 20 вместе с очагом горения 6, что позволяет иметь возможности выбора оптимального положения горелки 20 относительно угольного пласта 5 по данным химических анализов состава синтез-газа.

Наличие блока 25 является отличительным признаком заявляемого изобретения, позволяющим получить положительный технический результат по увеличению производительность процесса газификации, так как положение горелки в сбоечном канале 8 выбирается исходя из наибольшей концентрации водорода и оксида углерода в синтез-газе по результатам химического анализа.

Электроприводные задвижки 26 служат для регулирования параметров процесса газификации при выборе оптимальных режимов.

Вода из аварийного запаса 28 служит для поддержания генерации водяного пара 19 в парогенераторе 17 в случае отсутствия или недостаточного количества дренажной воды 24.

Избыточный пар 29 подается собственным и внешним потребителям для горячего водоснабжения, отопления и технологических целей.

Заявляемая установка работает следующим образом.

Электрогенератор 12 в стартерном режиме запускает в работу воздушный компрессор 2, сжатый воздух 23 после которого нагнетается в коаксиальное пространство розжиговой скважины 4.

Из газового ресивера 14 по гибкой трубе 7 подается розжиговый газ 13 в горелку 20, в которой производится его электроподжиг.

При сгорании газа 13 выделяется теплота, за счет которой воспламеняется угольный пласт 5, прилегающий к сбоечному каналу 8, и образуется очаг неполного горения 6, газообразные высоко нагретые продукты которого, входящие в состав синтез-газа, по сбоечному каналу 8 и далее по газоотводящей скважине 9 под давлением поступают в газоочиститель 16, а после него в турбину 11, за счет вращения которой электрогенератор 12 из стартерного режима переходит в режим генерации электроэнергии.

После турбины 11 синтез-газ идет в ресивер 14 для промежуточного хранения.

Отсасываемая насосом 22 через скважину 21 вода подается в блок 18 для очистки и после него поступает в парогенератор 17, в котором нагревается за счет отбора теплоты от синтез-газа и превращается в водяной пар 19, подаваемый для получения парового дутья в скважину 10.

При поступлении водяного пара в нагретый угольный пласт и далее в очаг горения 6 в результате конверсии образуются водород и окись углерода, составляющие основу высоко кондиционного синтез-газа с высокой теплотой сгорания.

Использование отсоса через скважину 21 нагретой дренажной воды 24 и последующая ее подача в парогенератор является отличительным признаком заявляемого изобретения, позволяющим достигнуть положительного технического результата за счет снижения потерь теплоты вследствие повышенного притока воды в прилегающие к очагу горения 6 зоны угольного пласта 5. Одновременно на предварительный нагрев воды, подаваемой в парогенератор, не расходуется теплота от постороннего источника, так как дренажная вода 24 имеет достаточно высокую температуру.

Блоком 25 посредством гибкой трубы 7 производится непрерывное перемещение горелки 20 по сбоечному каналу 8 для обеспечения газификации угля 5 с высокой производительностью, что является отличительным признаком заявляемого изобретения, обеспечивающим получение положительного технического результата.