Способ подземной газификации твердых полезных ископаемых и устройство для его осуществления

 

При нагнетании в реакционный канал воздуха в процессе газификации осуществляют отсос из этого канала через газоотводящую скважину продуктов газификации, при этом поддерживают соотношения между объемными расходами отсасываемых продуктов газификации и нагнетаемого воздуха согласно математическому выражению. В устройстве воздухоподающая и газоотводящая скважины соединены через регулируемые дроссели с коллекторными воздухо- и газопроводом. Устройство имеет струйный эжектор, всасывающая камера которого сообщена с газоотводящей скважиной, а рабочее сопло установлено в коллекторном газопроводе после газоотводящей скважины одного из подземных газогенераторов, 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для отработки месторождений твердых полезных ископаемых путем подземной газификации. Известен способ подземной газификации твердых полезных ископаемых, включающий проведение к газифицируемому участку пласта полезного ископаемого воздухоподводящей и газоотводящей выработок, соединение их выработкой по полезному ископаемому, в которой инициируют процесс газификации, поддерживаемый путем нагнетания в эту выработку воздушного дутья, и отвод продуктов газификации на поверхность. Недостатком данного способа является большая трудоемкость проведения горных выработок и обусловленная этим высокая себестоимость получаемых продуктов газификации. Известен способ подземной газификации твердых полезных ископаемых, включающий бурение воздухоподающей и газоотводящей скважин, соединение их по полезному ископаемому реакционным каналом, инициирование в нем процесса газификации, поддержание его путем нагнетания в реакционный канал воздуха через воздухоподающую скважину, замер объемных расходов нагнетаемого воздуха и выходящих продуктов газификации, их газовый анализ и сбор продуктов газификации. Недостатком этого способа газификации являются потери нагнетаемого воздуха и получаемых продуктов газификации в окружающую среду. Цель изобретения повышение эффективности процесса газификации за счет уменьшения потерь воздуха и продуктов газификации в окружающую среду. Это достигается тем, что в способе подземной газификации твердых полезных ископаемых, включающем бурение воздухоподающей и газоотводящей скважин, соединение их по полезному ископаемому реакционным каналом, инициирование процесса газификации, поддержание его путем нагнетания в реакционный канал воздуха через воздухоподающую скважину, замер объемных расходов нагнетаемого воздуха и выходящих продуктов газификации, их газовый анализ и сбор продуктов газификации, при нагнетании в реакционный канал воздуха осуществляют отсос из этого канала через газоотводящую скважину продуктов газификации, при этом поддерживают соотношение между объемными расходами отсасываемых продуктов газификации и нагнетаемого воздуха согласно следующему выражению (1) где Q_г, Q_в объемные расходы продуктов газификации и воздуха на устьях газоотводящей и воздухоподающей скважин, приведенные к нормальным условиям, т.е. к Т273,15 К и Р 101325 Па, нм³/с; N_в содержание азота в воздухе, об. N содержание азота в газофицируемом полезном ископаемом, мас. d коэффициент избытка воздуха; V^о_с.в. теоретический объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг полезного ископаемого, приведенный к нормальным условиям, нм³/кг; N_с,г содержание азота в сухих, т.е. без паров воды, продуктах газификации, об. W влажность продуктов газификации, об. d_в влагосодержание воздуха, отнесенное к 1 нм³ сухого воздуха, кг паров воды/нм³ сухого воздуха. Устройство для осуществления данного способа подземной газификации твердых полезных ископаемых, включающее подземные газогенераторы с воздухоподающими и газоотводящими скважинами, соединенными через регулируемые дроссели с коллекторными воздухо- и газопроводом, оборудованными расходомерами и газоанализаторами, снабжено струйным эжектором, всасывающая камера которого сообщена с газоотводящей скважиной для отсоса продуктов газификации, а рабочее сопло установлено в коллекторном газопроводе после газоотводящей скважины одного из подземных газогенераторов. Кроме того, оно снабжено теплообменником, дымососом и горелкой для дожигания горючих газов в отсасываемых продуктах газификации, связанной через регулируемые дроссели с газоотводящей скважиной для отсоса продуктов газификации и коллекторными воздухо- и газопроводом, при этом теплообменник расположен между дымососом и горелкой. На чертеже показано устройство для реализации предложенного способа газификации. Способ подземной газификации твердых полезных ископаемых включает создание подземных газогенераторов путем бурения для каждого из них воздухоподающей и газоотводящей скважин, соединение их по полезному ископаемому реакционным каналом, в котором инициируют процесс газификации, поддерживаемый путем нагнетания в воздухоподающую скважину воздуха с объемным расходом Q_в и одновременного отсоса через газоотводящую скважину продуктов газификации с объемным расходом Q_г. Для обеспечения последнего на устье газоотводящей скважины создают зону разрежения. Одновременно осуществляют газовый анализ воздуха и отсасываемых продуктов газификации, в ходе которого определяют содержание всех газовых компонентов (СО, Н₂, О₂ и т.д.) в продуктах газификации и воздухе, и измеряют объемные расходы нагнетаемого в воздухоподающую скважину воздуха Q_в и отсасываемых из газоотводящей скважины продуктов газификации Q_г. По результатам газового анализа воздуха и продуктов газификации определяют величины W, N_в и N_с.г. и по известным нормативным формулам рассчитывают d_в и d. Используя справочные данные по элементному составу газифицируемого полезного ископаемого, определяют величину N и рассчитывают теоретический объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг полезного ископаемого V^о_с.в. Для уменьшения потерь воздуха и продуктов газификации в окружающую среду в процессе газификации твердых полезных ископаемых необходимо обеспечить соотношение между объемными расходами отсасываемых продуктов газификации и нагнетаемого воздуха согласно выражению (1). Для этого, используя показатели N_в, N, d, V^о_с.в., V_с.г. W, d_в, рассчитывают правую часть выражения (1), что дает теоретический выход продуктов газификации с 1 нм³ подаваемого на газификацию воздуха. Полученный результат сравнивают с отношением Q_г/Q_в, т.е. с практическим выходом продуктов газификации с 1 нм³ подаваемого на газификацию воздуха. Если отношение Q_г/Q будет меньше правой части выражения (1), то это означает, что при данных режимах нагнетания воздуха и отсоса продуктов газификации имеются потери и воздуха, и продуктов газификации в окружающую среду. Для их устранения снижают давление нагнетания воздуха, или, если этот возможно, повышают степень разрежения на устье газоотводящей скважины, осуществляя постоянный газовый анализ продуктов газификации (состав воздуха за относительно небольшой промежуток времени практически не изменится) и замер величин Q_г и Q_в. Подбором давления нагнетания воздуха и степени разрежения на устье газоотводящей скважины обеспечивают равенство (в идеале полное) левой и правой частей выражения (1). На этих найденных режимах нагнетания воздуха и отсоса продуктов газификации в дальнейшем и осуществляют процесс газификации. Если же отношение Q_г/Q_в будет равно (больше оно быть не может) правой части выражения (1), то значит при данных режимах нагнетания воздуха и отсоса продуктов газификации их потерь в окружающую среду нет. Для повышения массовой скорости газификации полезного ископаемого, если это необходимо, увеличивают давление нагнетания воздуха, и, если это возможно, степень разрежения на устье газоотводящей скважины, осуществляя при это постоянный газовый анализ продуктов газификации и замер величин Q_г и Q_в. Повышение давления нагнетания воздуха осуществляют до тех пор, пока будет соблюдаться равенство левой и правой частей выражения (1). Верхний предел степени разрежения, создаваемого на устье газоотводящей скважины, определяется возможностью применяемых для этого технических средств. При равенстве левой и правой частей выражения (1) абсолютное давление газов в газогенераторе будет постоянно и минимально отличаться от атмосферного давления. При этом весь объем нагнетаемого воздуха и получаемых продуктов газификации будет стремиться к устью газоотводящей скважины, где абсолютное давление меньше атмосферного на величину разрежения. Давление же в окружающей среде, т.е. во вмещающих породах, больше, чем на устье газоотводящей скважины. Таким образом в газогенераторе устанавливается режим, при котором все продукты газификации попадают на поверхность только через газоотводящую скважину. В случае, если объемный расход нагнетаемого в газогенератор воздуха превысит критическую для данных конкретных условий величину, то получаемый при этом объем продуктов газификации не может быть отсосан из газогенератора с необходимым расходом. В результате начнет увеличиваться давление в газогенераторе и появятся потери как воздуха, так и продуктов газификации в окружающую среду и, соответственно, равенство левой и правой частей выражения (1) нарушится. Устройство для осуществления способа подземной газификации твердых полезных ископаемых содержит подземные газогенераторы 1 и 2, отрабатываемые, соответственно, в режиме только нагнетания воздуха и нагнетания воздуха с одновременным отсосом продуктов газификации. Воздухоподающие 3 и 4 и газоотводящие 5 и 6 скважины этих газогенераторов соединены между собой по полезному ископаемому реакционными каналами и посредством магистралей 7, 8, 9 и 10, которые оборудованы регулируемыми дросселями 11, 12, 13 и 14, связаны с коллекторными воздухопроводом 15 и газопроводом 16. Для анализа состава воздуха и продуктов газификации и измерения их объемных расходов магистрали 7, 8, 9 и 10 снабжены газоанализаторами 17 и расходомерами 18. Газоотводящая скважина 6 связана с коллекторным газопроводом 16 через всасывающую камеру 19 струйного эжектора, рабочее сопло 20 которого установлено в коллекторном газопроводе 16 после газоотводящей скважины 5 газогенератора 1. Газоотводящая скважина 6 посредством магистрали 21, снабженной регулируемым дросселем 22, связана последовательно с циклоном 23 для очистки отсасываемых из скважины 6 продуктов газификации от твердых частиц породы, полезного ископаемого, золы и шлаков, горелкой 24 для дожигания в этих продуктах газификации горючих газов, теплообменником 25 для отбора физического тепла из продуктов полного сгорания, образующихся после дожигания в отсасываемых продуктах газификации горючих газов, и дымососом 26, создающим зону разрежения на устье газоотводящей скважины 6. Горелка 24 посредством магистралей 27 и 28, в которых установлены регулируемые дроссели 29 и 30, связана, соответственно, с коллекторными воздухопроводом 15 и газопроводом 16. Газификацию пласта полезного ископаемого осуществляют путем последовательного ввода в работу газогенераторов 1 и 2, причем первым вводится в работу газогенератор 1, в котором газификация полезного ископаемого осуществляется исключительно в режиме нагнетания в воздухоподающую скважину 3 воздушного дутья. После монтажа всего поверхностного комплекса газогенератора 2 и соединения воздухоподающей 4 и газоотводящей 6 скважин по полезному ископаемому искусственно создаваемым реакционным каналом в нем инициируют очаг горения, из которого формируют стабильные зоны горения и газификации. В связи с тем, что в этот период качество продуктов газификации довольно низкое, формирование стабильных зон горения и газификации осуществляют в режиме нагнетания в скважину 4 воздушного дутья из магистрального воздухопровода 15 и одновременного отсоса из скважины 6 продуктов газификации дымососом 26. Для этого перекрывают дроссель 14 и открывают дроссели 13 и 22, причем 13 частично, а 22 полностью. Регулируя режим работы дымососа 26, устанавливают максимально возможную степень разрежения на устье газоотводящей скважины 6. С помощью дросселя 13 постепенно увеличивают давление нагнетания воздуха на устье воздухоподающей скважины 4. При этом газоанализаторами 17 и расходомерами 18, установленными в магистралях 9 и 21, периодически осуществляют газовый анализ и замер объемных расходов нагнетаемого в скважину 4 воздуха и отсасываемых из скважины 6 продуктов газификации. Используя эти результаты, а также данные по элементному составу газифицируемого полезного ископаемого, рассматривают левую и правую части выражения (1). Сопоставляя величины этих частей, подбирают максимально возможное для данных условий давление нагнетания воздуха в скважину 4, что даст возможность сократить до минимума период формирования в реакционном канале газогенератора 2 стабильных зон горения и газификации. Одновременно с началом процесса формирования стабильных зон горения и газификации в реакционном канале газогенератора 2 открывают дроссели 29 и 30 и подают в горелку 24 с необходимыми расходами из воздухопровода 15 воздух, а из газопровода 16 продукты газификации из газогенератора 1. Запускают горелку 24 и обеспечивают такой режим ее работы, при котором осуществляется полное дожигание горючих газов в подаваемых в нее продуктах газификации из газогенератора 2. Эффективная работа горелки 24 только на продуктах газификации из газогенератора 2 в период формирования в его реакционном канале стабильных зон горения и газификации невозможна, т.к. в этот период продукты газификации обычно содержат довольно мало горючих газов. Для обеспечения более качественного процесса дожигания горючих газов в отсасываемых продуктах газификации последние перед попаданием в горелку 24 очищают в циклоне 23 от имеющихся в них частиц породы, полезного ископаемого, золы и шлаков. Получаемые после дожигания горючих газов продукты полного сгорания попадают в теплообменник 25, где из них извлекают физическое тепло, отправляемое далее потребителям в виде горячей воды, пара и т.д. Дожигание горючих газов в продуктах газификации, отсасываемых из газогенератора 2 в период формирования в его реакционном канале стабильных зон горения и газификации позволяет не только повысить степень извлечения энергии при отработке этого газогенератора, но и предотвращает сброс низкокачественных продуктов газификации в атмосферу, что характерно для традиционных, применяющихся в настоящее время, способов газификации твердых полезных ископаемых и наносит значительный ущерб окружающей среде. После завершения формирования стабильных зон горения и газификации в реакционном канале газогенератора 2 и получении продуктов газификации с высоким содержанием горючих газов закрывают дроссели 22, 29 и 30 и открывают дроссель 14. В этом случае газоотводящая скважина 6 соединяется со всасывающей камерой 19 струйного эжектора, в которой зона разрежения создается выходящими из рабочего сопла 20 этого эжектора продуктами газификации из газогенератора 1. В связи с тем, что струйный эжектор позволяет получить на устье газоотводящей скважины 6 более высокую степень разрежения чем любой из современных дымососов, объемный расход отсасываемых эжектором из газогенератора 2 продуктов газификации увеличивается. Следовательно можно будет увеличить и объемный расход нагнетаемого в газогенератор 2 воздуха. Для этого дополнительно открывают дроссель 13 и увеличивают давление нагнетания воздуха в скважину 4 до величины, при которой еще будет обеспечиваться равенство левой и правой частей выражения (1). Это обеспечит максимальную для данных условий массовую скорость газификации твердого полезного ископаемого. Соответственно, в процессе увеличения давления нагнетания воздуха в скважину 4 контролируют и состав нагнетаемого воздуха и отсасываемых продуктов газификации и их объемные расходы. Если содержание горючих газов в отсасываемых струйным эжектором из газогенератора 2 продуктах газификации снизится и их нельзя будет смешивать с продуктами газификации из газогенератора 1, то струйный эжектор отключают и переходят на отсос продуктов газификации дымососом 26 с последующим дожиганием находящихся в них горючих газов в горелке 24 и отбором физического тепла из получаемых продуктов полного сгорания в теплообменнике 25.

Формула изобретения

1. Способ подземной газификации твердых полезных ископаемых, включающий бурение воздухоподающей и газоотводящей скважин, соединение их по полезному ископаемому реакционным каналом, инициирование процесса газификации, поддержание его путем нагнетания в реакционый канал воздуха через воздухоподающую скважину, замер объемных расходов нагнетаемого воздуха и выходящих продуктов газификации, их газовый анализ и сбор продуктов газификации, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности газификации за счет уменьшения потерь воздуха и продуктов газификации в окружающую среду, при нагнетании в реакционный канал воздуха в процессе газификации осуществляют отсос из этого канала через газоотводящую скважину продуктов газификации, при этом поддерживают соотношение между объемными расходами отсасываемых продуктов газификации и нагнетаемого воздуха согласно следующему выражению где Q_г, Q_в - объемные расходы продуктов газификации и воздуха на устьях газоотводящей и воздухоподающей скважины, приведенные к нормальным условиям, т.е. к Т = 273,5 К и Р = 101325 Па, нм³/с; N_в - содержание азота в воздухе, об.%;
N - содержание азота в газифицируемом полезном ископаемом, об.%;
d - коэффициент избытка воздуха;
V^o_с.в - теоретический объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг полезного ископаемого, приведенный к нормальным условиям, нм³/кг;
N_с.г - содержание азота в сухих, т.е. без паров воды, продуктах газификации, об.%;
W - влажность продуктов газификации, об.%;
d_в - влагосодержание воздуха, отнесенное к 1 нм³ сухого воздуха, кг паров воды/нм³ сухого воздуха. 2. Устройство для подземной газификации твердых полезных ископаемых, включающее подземные газогенераторы с воздухоподающими и газоотводящими скважинами, соединенными через регулируемые дроссели с коллекторными воздухо- и газопроводом и оборудованными расходомерами и газоанализаторами, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности газификации за счет уменьшения потерь воздуха и продуктов газификации в окружающую среду, оно снабжено струйным эжектором, всасывающая камера которого сообщена с газоотводящей скважиной для отсоса продуктов газификации, а рабочее сопло установлено в коллекторном газопроводе после газоотводящей скважины одного из подземных газогенераторов. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью осуществления газификации твердого полезного ископаемого при снижении содержания горючих газов в продуктах газификации, оно снабжено теплообменником, дымососом и горелкой для дожигания горючих газов в отсасываемых продуктах газификации, сообщенной через регулируемые дроссели с газоотводящей скважиной для отсоса продуктов газификации и коллекторными воздухо- и газопроводом, при этом теплообменник расположен между дымососом и горелкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1