Способ подземной газификации угля

Изобретение относится к способам подземной газификации угольных пластов путем превращения угольной массы на месте ее залегания в горючий газ, который может использоваться в различных энергетических установках. Способ включает бурение дутьевой и газоотводящей скважин в угольном пласте, установку колонны труб, соединение скважин по пласту гидроразрывом, образуя канал. В канал загружают оксид железа, количество оксида железа составляет 0,25-0,35 от массы газифицируемого пласта угля. Осуществляют розжиг пласта, нагревая его до температур 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. Технический результат заключается в увеличении теплотворной способности горючего газа и количества водорода в нем, степени переработки угля в горючий газ. 1 ил.

 

Изобретение относится к способам подземной газификации угольных пластов путем превращения угольной массы на месте ее залегания в горючий газ, который может использоваться в различных энергетических установках.

Известен способ скважинной добычи угля (патент РФ №2177544, МПК Е21В 43/295, опубл. 27.12.2001), включающий бурение как минимум двух скважин, создание подземного газогенератора путем формирования сбоечного канала между скважинами, розжиг угля в канале и выгазовывание угольного массива с подачей в подземный газогенератор дутья по одной из скважин и отводом образующегося при этом газа по другой. В процессе газификации используют предпочтительно попеременно кислородное и паровое дутье, при этом отходящий газ резко охлаждают до температуры, обеспечивающей сохранение равновесия между паром и продуктами его диссоциации. Кроме того, отходящий газ охлаждают посредством сжиженного азота, подаваемого в герметизированное затрубное пространство газоотводящей скважины. Кроме того, отходящий газ охлаждают посредством сжиженного диоксида углерода, подаваемого в герметизированное затрубное пространство газоотводящей скважины. Кроме того, подачу охлаждающего агента осуществляют непосредственно к нижнему концу газоотводящей скважины.

Недостаток данного способа - в продуктах газификации угля содержится низкий процент водорода, для охлаждения полученного газа подают азот, на что тратится дополнительная энергия, в подземном газогенераторе благодаря кислородному дутью образуются оксиды азота NO_x, ухудшающие экологическую обстановку.

Известен способ газификации угля для получения водорода и синтез-газа (патент РФ №2354820, МПК Е21В 43/295, С01В 3/00, опубл. 10.05.2009), включающий 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 способа подают в зону горения подземного газогенератора в виде приготовленной суспензии порошкообразного алюминия в водной среде с pH>10 при соотношении Аl: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 способа в зону горения подземного газогенератора подают приготовленную суспензию порошкообразного алюминия в водной среде при соотношении Аl: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·H, где Р - давление при Н=0 м, мПа; γ - удельный вес подаваемой суспензии, кг/м и Н - глубина подземного газогенератора, м.

Недостаток данного способа - использование дорогостоящей суспензии порошкообразного алюминия в качестве катализатора.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ (заявка на изобретение №95102723, МПК Е21В 43/295, опубл. 20.12.1996), включающий переработку угля в пласте, который превращают в водяной синтез-газ или эпизодически перемещаемой вслед за каналом газификации подачей в канал сухого насыщенного или перегретого водяного пара с температурой ниже температуры интенсивного образования фенолов и других высокомолекулярных ядовитых веществ. А теплосодержание пара, подаваемого в пласт на газификацию угля, поддерживают на уровне, превышающем тепловой эффект эндотермической реакции восстановления водяного пара углеродом.

Недостатком данного способа является пониженное содержание водорода в горючем газе, низкая степень переработки угля.

Задача изобретения - увеличение теплотворной способности горючего газа и количества водорода в нем, степени переработки угля в горючий газ.

Поставленная задача решена следующим образом. Производят бурение дутьевой и газоотводящей скважин в угольном пласте, устанавливают колонны труб, скважины соединяют по пласту гидроразрывом, образуя канал. В канал загружают оксид железа, количество оксида железа составляет 0,25-0,35 от массы газифицируемого пласта угля. Осуществляют розжиг пласта, нагревая его до температур 300-500°С. 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 температуры процесса отводят через газоотводящую скважину. Верхний предел температуры термической обработки выбран из соображения использования в технологическом процессе парогенераторов и трубопроводов пара из дешевых углеродистых сталей, не способных работать при температурах выше 500°С.

На фигуре 1 изображена экспериментальная установка для осуществления способа подземной газификации, которая обеспечивает адекватность лабораторных условий реальным, имея в виду, что объем экспериментального реактора теплоизолирован в той же степени, что и уголь, находящийся в пласте. Что касается давления внутри реактора, то его не требуется повышать ввиду того, что предложенный способ ориентирован на газификацию углей, залегающих непосредственно у поверхности.

Установка состоит из реактора 1, помещенного в печь 2. В реакторе установлена термопара 3 для контроля температуры угля, помещенного в реактор, а также трубка для ввода пара 4 из парогенератора 5. Реактор с помощью термостойкого шланга 6 соединен с газоанализатором 7. Работа установки осуществляется следующим образом.

Уголь помещают в реактор 1, где с помощью печи 2 нагревают без доступа кислорода до 300-500°C, температуру контролируют с помощью термопары 3. Затем через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с той же температурой. Полученный горючий газ, обогащенный водородом, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7.

Заявляемое изобретение поясняется примерами.

Пример 1.

В реактор 1, помещенный в печь 2, загружают бурый уголь с окислами железа в соотношении 10:3. Производят нагрев реактора без доступа кислорода, контролируя температуру процесса термопарой 3. При достижении температуры бурого угля 490°C через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с температурой 490°C. Горючий газ, выходящий из реактора, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7. Концентрация водорода в полученном горючем газе составляет 34%, теплотворная способность горючего газа равна 15,2 МДж/м³.

Пример 2.

В реактор 1, помещенный в печь 2, загружают бурый уголь с окислами железа в соотношении 10:3. Производят нагрев реактора без доступа кислорода, контролируя температуру процесса термопарой 3. При достижении температуры бурого угля 450°C через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с температурой 450°C. Горючий газ, выходящий из реактора, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7. Концентрация водорода в полученном горючем газе составляет 32%, теплотворная способность горючего газа равна 14,5 МДж/м³.

Пример 3.

В реактор 1, помещенный в печь 2, загружают бурый уголь с окислами железа в соотношении 10:3,5. Производят нагрев реактора без доступа кислорода, контролируя температуру процесса термопарой 3. При достижении температуры бурого угля 400°C через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с температурой 400°C. Горючий газ, выходящий из реактора, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7. Концентрация водорода в полученном горючем газе составляет 30%, теплотворная способность горючего газа равна 12,5 МДж/м³.

Пример 4.

В реактор 1, помещенный в печь 2, загружают бурый уголь с окислами железа в соотношении 10:2,5. Производят нагрев реактора без доступа кислорода, контролируя температуру процесса термопарой 3. При достижении температуры бурого угля 300°C через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с температурой 300°C. Горючий газ, выходящий из реактора, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7. Концентрация водорода в полученном горючем газе составляет 15%, теплотворная способность горючего газа равна 6,5 МДж/м³. Низкая теплотворная способность и малое содержание Н₂ приводит к выводу, что использование температуры процесса и перегретого пара меньше 300°C нецелесообразно.

Способ позволяет решить поставленные задачи, а именно: теплотворная способность горючего газа достигает 6,5-15,2 МДж/кг, концентрация водорода в нем составляет 17-34% в зависимости температуры разогрева пласта угля и перегретого пара. Степень переработки угля в синтез-газ приведена в таблице 1.

Таблица 1
Массовый выход продуктов газификации.
Газифицируемое сырье	Продукты газификации, %
Углеродистый остаток	Горючий газ	Влага	Смола
Бурый уголь Таловского месторождения	20,0	25,0	50,0	5,0

Способ подземной газификации угля, включающий газификацию угля в пласте, подачу в канал перегретого пара, отличающийся тем, что бурят дутьевую и газоотводящую скважину в угольном пласте, 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 температур 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.