Способ газификации угля для получения водорода и синтез-газа (варианты)

Группа изобретений относится к способам газификации угля и может быть использовано для получения водорода и синтез-газа. Способ включает организацию в подземном газогенераторе окисления угольного материала кислородом, который генерируют непосредственно в зоне горения в результате термического разложения паров воды и экзотермической реакции взаимодействия алюминия с водой, который в первом варианте изобретения подают в зону горения подземного газогенератора в виде приготовленной суспензии порошкообразного алюминия в водной среде с pH>10 при соотношении

Al:Н₂O=1:4-5 вес.ч. и распыляют ее в воду угольного пласта, обеспечивая соотношение подаваемой суспензии к воде 1:50-100 вес.ч. Во втором варианте изобретения в зону горения подземного газогенератора подают приготовленную суспензию порошкообразного алюминия в водной среде при соотношении

Al:Н₂O=1:4-5 вес.ч. с водой в соотношении 1:50-100 вес.ч. под давлением Р в подающей скважине, которое обеспечивает условия сверхкритического состояния воды в зоне горения с учетом глубины Н подземного газогенератора Р≥23-10^-5·γ·Н, где Р - давление при Н=0 м, мПа; γ - удельный вес подаваемой суспензии, кг/м и Н - глубина подземного газогенератора, м. Обеспечивает увеличение процентного содержания водорода и сокращение вредных соединений азота в продуктах газификации угля, повышение температуры в зоне горения при взаимодействии алюминия с водой, способствующем увеличению полноты переработки исходного материала газификации. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к водородной энергетике и может быть использовано для получения водорода, в частности, при подземной переработке нерентабельных залежей угля.

Известен способ производства водорода, в котором используют электроэнергию для электролиза воды с получением водорода и кислорода [см. патент RU №2180366, МПК C25B 1/4, 2002].

Недостатком данного способа являются высокие затраты электроэнергии на килограмм полученного водорода.

Известен способ получения водорода, основанный на взаимодействии с водой порошкообразного алюминия, покрытого водорастворимой полимерной пленкой, при этом для обеспечения возможности эффективного горения металлосодержащих веществ с выделением водорода процесс ведут при давлении более 22,12 мПа и температуре - выше 647,3 K (см. патент RU № 2165388, МПК С01В 3/10, 2001).

Недостатком способа является высокий удельный расход алюминия на единицу массы полученного водорода.

Известен способ получения водорода, заключающийся в поиске зон рифтогенеза с выходом вещества мантии в земную кору, бурении скважин в вещество мантии, формировании в нем реакционной полости, подаче в нее воды и выводе на поверхность через скважину газообразного водорода, образующегося в результате реакции интерметаллических соединений, содержащихся в веществе мантии, с водой (см. патент RU № 2244817, МПК Е21В 43/295, 2005).

К недостаткам данного способа следует отнести значительные капитальные затраты на глубинное бурение скважин в вещество мантии.

Известен способ подземной переработки угольного вещества (см. авт. свид. SU № 1686885, МПК Е21В 43/295, 1990), включающий бурение двух систем скважин для подачи окислителя и отвода продуктов газификации, в котором для повышения температуры и эффективности переработки угольного вещества перед созданием очага горения в пласт через систему отводных скважин закачивают насыщенный раствор селитры.

Недостатком данного способа является повышенное содержание в продуктах газификации двуокиси углерода.

Наиболее близким из известных технических решений является способ подземной газификации угля (см. патент RU № 2090750, МПК Е21В 43/295, 1997), включающий вскрытие угольного пласта буровыми скважинами, розжиг подземного газогенератора, его осушение и выгазовывание угольного пласта, при котором поддерживают соотношение между давлением в подземном газогенераторе и давлением столба подземных вод равным 0,75-1,0 путем регулирования степени открытия задвижки на газоотводящих скважинах и уровня воды в водопонижающих скважинах.

Недостатком известного способа является то, что в продуктах газификации угля содержится низкий процент водорода, для окисления угля используется кислород воздуха, с которым в подземный газогенератор подают огромное количество азота, на что тратится дополнительная энергия, и в подземном газогенераторе образуются окислы азота NO_x, ухудшающие экологию, отвод и сепарацию исходящих газов.

Задачей данного изобретения является увеличение выхода водорода и снижение негативных воздействий на окружающую среду при газификации углеводородов, в частности при подземной газификации угля.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в существенном увеличении процентного содержания водорода и сокращении вредных соединений азота в продуктах газификации угля, повышении температуры в зоне горения при взаимодействии алюминия с водой, способствующем увеличению полноты переработки исходного материала газификации.

Решение задачи и технический результат в первом варианте изобретения достигаются тем, что в способе газификации угля для получения водорода и синтез-газа, основанном на вскрытии угольного пласта буровыми скважинами и формировании подземного газогенератора, розжиге подземного газогенератора, выгазовывании угольного пласта, контроле за основными технологическими и гидрологическими параметрами, их регулировании, отводе из подземного газогенератора исходящих газов, подают в зону горения подземного газогенератора приготовленную суспензию порошкообразного алюминия в водной среде с pH>10 при соотношении Al:Н₂О=1:4-5 вес.ч., распыляют ее в воду угольного пласта, регулируют уровень грунтовых вод и подачу воды в зону распыления суспензии при соотношении подаваемой суспензии к воде 1:50-100 вес.ч.

Решение задачи и технический результат во втором варианте изобретения достигаются тем, что в способе газификации угля для получения водорода и синтез-газа, основанном на вскрытии угольного пласта буровыми скважинами и формировании подземного газогенератора, розжиге подземного газогенератора, выгазовывании угольного пласта, контроле за основными технологическими и гидрологическими параметрами, их регулировании, отводе из подземного газогенератора исходящих газов, подают в зону горения подземного газогенератора приготовленную суспензию порошкообразного алюминия в водной среде при соотношении Al:Н₂О=1:4-5 вес.ч. с водой в соотношении 1:50-100 вес.ч. под давлением Р, которое обеспечивает условия сверхкритического состояния воды в зоне горения с учетом глубины Н подземного газогенератора Р≥23-10^-5·γ·Н,

где Р - давление при Н=0 м, мПа,

γ - удельный вес суспензии, кг/м³,

Н - глубина подземного газогенератора, м.

При этом используют порошкообразный алюминий, покрытый водорастворимой полимерной пленкой.

Основу предлагаемых способов газификации угля для получения водорода и синтез-газа составляет организация в подземном газогенераторе процесса окисления угля кислородом, который генерируют в зоне горения угольного пласта при термическом разложении паров воды и экзотермической реакции взаимодействия алюминия с водой (2Al+3Н₂О=Al₂О₃+3Н₂+↑Q). При этом образуется водород, окись углерода и синтезируется в водородной среде метан.

Принципиальная схема подземного газогенератора для реализации предлагаемых способов газификации угля для получения водорода и синтез-газа показана на чертеже.

Подземный газогенератор формируется при вскрытии угольного пласта 1 буровыми скважинами 2, 3, 4, содержит системы контроля и регулирования основных технологических и гидрологических параметров 5, устройство 6 распыления суспензии в воду угольного пласта и розжига зоны горения 7.

В зависимости от конкретных условий залегания угольного пласта, его мощности, зольности угольного материала, гидрологической обстановки и основных задач подземной газификации угольного материала оптимальным может быть один из предлагаемых способов, которые реализуются следующим образом.

В первом варианте приготовленную суспензию порошкообразного алюминия в водной среде с pH>10 при соотношении Al:Н₂О=1:4-5 вес.ч. подают по скважине 3 в зону горения 7 подземного газогенератора и с помощью устройства 6 распыляют суспензию в воду угольного пласта, регулируют уровень грунтовых вод в специальной водопонижающей скважине 4, поддерживая соотношение подаваемой суспензии к воде 1:50-100 вес.ч. в соответствии с отбором из подземного газогенератора исходящих газов и их составом.

Во втором варианте в зону горения 7 подземного газогенератора по скважине 3 подают приготовленную суспензию порошкообразного покрытого водорастворимой полимерной пленкой алюминия в водной среде при соотношении Al:Н₂О=1:4-5 вес.ч. с водой в соотношении 1:50-100 вес.ч. под давлением Р в подающей скважине, которое обеспечивает условия сверхкритического состояния воды в зоне горения с учетом глубины Н подземного газогенератора Р≥23-10^-5·γ·Н,

где Р - давление при Н=0 м, мПа;

γ - удельный вес подаваемой суспензии, кг/м³ и

Н - глубина подземного газогенератора, м.

Как в первом, так и во втором вариантах в результате реакции взаимодействия алюминия с водой выделяется водород и значительное количество тепла (теплотворная способность алюминиевого топлива составляет 3900 ккал/кг). Температура в зоне горения повышается до 1600 K, происходит возгорание угольного материала с дальнейшим повышением температуры и разложением паров воды на водород и кислород, который участвует в окислении угольного материала. В условиях повышенной температуры и дефицита кислорода углерод сгорает, в основном, с образованием СО, а в зоне горения формируется водородная среда, способствующая синтезу метана. Таким образом, продуктами газификации угольного материала предлагаемыми способами являются Н₂, СО, СН₄ и экологически нейтральный Al₂О₃, который легко сепарируется и может быть реализован как самостоятельный товарный продукт.

Заявленное изобретение основано на результатах лабораторных исследований активации процессов окисления интерметаллов, в частности алюминия, в водных средах в обычном и сверхкритическом состояниях, выполненных в рамках гранта РФФИ 06-0868/01.

1. Способ газификации угля для получения водорода и синтез-газа, заключающийся во вскрытии угольного пласта буровыми скважинами и формировании подземного газогенератора, розжиге подземного газогенератора, выгазовывании угольного пласта, контроле за основными технологическими и гидрологическими параметрами, их регулировании, отводе из подземного газогенератора исходящих газов, отличающийся тем, что подают в зону горения подземного газогенератора приготовленную суспензию порошкообразного алюминия в водной среде с pH>10 при соотношении Al:Н₂O=1:4-5 вес.ч., распыляют ее в воду угольного пласта, регулируют уровень грунтовых вод и подачу воды в зону распыления суспензии при соотношении подаваемой суспензии к воде 1:50-100 вес.ч.

2. Способ газификации угля для получения водорода и синтез-газа, заключающийся во вскрытии угольного пласта буровыми скважинами и формировании подземного газогенератора, розжиге подземного газа генератора, выгазовывании угольного пласта, контроле за основными технологическими и гидрологическими параметрами, их регулировании, отводе из подземного газогенератора исходящих газов, отличающийся тем, что подают в зону горения подземного газогенератора приготовленную суспензию порошкообразного алюминия в водной среде при соотношении Al:H₂O=1:4-5 вес.ч. с водой в соотношении 1:50-100 вес.ч. под давлением Р, которое обеспечивает условия сверхкритического состояния воды в зоне горения с учетом глубины Н подземного газогенератора, Р≥23-10^-5·γ·Н, где Р - давление при Н=0 м, МПа;
γ - удельный вес суспензии, кг/м;
Н - глубина подземного газогенератора, м.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют порошкообразный алюминий, покрытый водорастворимой полимерной пленкой.