ЦИКЛИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ Российский патент 2010 года по МПК C10J3/00 E21B43/295 

Изобретение относится к угледобывающей промышленности и может быть использовано при геотехнологических разработках маломощных угольных пластов посредством их подземной газификации с получением и выведением на поверхность энергетического газа.

Известны способы бесшахтной газификации маломощных угольных пластов геотехнологическим способом с помощью бурения скважин с поверхности Земли [1], [2].

Недостатком таких способов является невозможность получения энергетических газов с высокой теплотой сгорания.

Известны более эффективные способы, описанные в [3], [4], [5], которые обеспечивают получение энергетического газа способом непрерывной газификации углей. Однако такие способы получения энергетического газа из угля являются более энергозатратными и не пригодными для разработки угольных пластов в местах их залегания.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому способу является способ подземной газификации угля для получения метана из обводненных залежей угля [6]. Известный способ включает бурение дутьевой и газоотводящей скважин к угольному пласту, соединение скважин по пласту гидроразрывом с созданием зоны синтеза, розжиг пласта на выбоине дутьевой скважины, поочередную подачу воздуха и водоугольной суспензии, содержащей 50-60% воды, в пласт через дутьевую скважину для подогрева пласта до температуры 1600 К, и последующий поочередный отвод образованных продуктов горения и энергетического газа через газоотводящую скважину.

В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности процесса получения горючих газов, получения более чистого и в большем количестве водорода, посредством снижения энергоемкости процесса геотехнологическим методом, за счет осуществления отделения в угольном пласте негорючих газов, таких как СО₂ и N₂, а также посредством более эффективного регулирования термобарических условий в угольном пласту.

Поставленная задача решается тем, что в циклическом способе подземной газификации угля, включающем бурение дутьевой и газоотводящей скважин к угольному пласту, соединение скважин по пласту гидроразрывом с созданием зоны синтеза, розжига пласта на выбоине дутьевой скважины, поочередную подачу воздуха и воды в пласт через дутьевую скважину для подогрева пласта до температуры 1600 К, и последующий поочередный отвод образованных продуктов горения и энергетического газа через газоотводящую скважину, в газоотводящей скважине предварительно поддерживают заданные термобарические условия, после прекращения подачи воздуха в дутьевую скважину в выгазованное пространство угольного пласта посредством вдавливания вводят перфорированную на конце трубу с наконечником, через перфорацию перфорированной трубы и наконечник подают воду и СаО, при этом цикл оканчивается достижением и поддерживаемой в зоне синтеза температуры 700 К, а трещины гидроразрыва заполняют крупнозернистым песком.

В сравнении с прототипом, также как и в сравнении с другими известными из науки и техники способами подземной газификации углей существенными отличительными признаками заявленного технического решения, позволяющими обеспечить достижение положительного эффекта и поставленной цели, есть такие:

- в газоотводящей скважине предварительно поддерживают заданные термобарические условия:

- после прекращения подачи воздуха в дутьевую скважину в выгазованное пространство угольного пласта вводят перфорированную на конце трубу;

- перфорированную трубу вводят посредством вдавливания;

- труба перфорирована перед наконечником, который закреплен на конце перфорированной трубы;

- через перфорацию перфорированной трубы и наконечник подают воду и СаО;

- каждый цикл оканчивается достижением и поддерживаемой в зоне синтеза температуры 700 К;

- трещины гидроразрыва заполняют крупнозернистым песком.

Причинно-следственная связь между существенными признаками изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что:

- крупнозернистый песок подается в угольный пласт для предотвращения смыкания трещин гидроразрыва после снятия давления гидроразрыва, - этим достигается сбойка (соединение) скважин по угольному пласту, через которые впоследствии подают воздух, воду и СаО, при этом СаО реагирует в угольном пласте с СО₂, которое образовывается на стадии разогрева пласта по реакции СаO+СО₂→СаСО₃, - оставаясь в пласте, СаСО₃ заполняет (бутирует) выгоревшее пространство угля и тем самым предотвращает проседание почвы.

- введение в прогретый угольный пласт подвижной перфорированной трубы и подачи через нее воды с СаО дает возможность:

- поддерживать давление Р=2,0 МПа в выгазованном пространстве за счет реакции СаО+СО₂→СаСО₃, продукт которой заполняет образованный объем угольного пласта в результате его сжигания;

- очищать при этом пласт от негорючего балласта СО₂;

- обеспечить невозможность проседания поверхности грунта за счет бутирования выгоревшего пространства угольного пласта карбонатом кальция (СаСО₃);

- перемещение подвижной трубы по простиранию пласта в меру отдаления от ее конца зоны горения каждый раз необходимо для подвода в наиболее нагретую зону пласта воды для получения при эндотермической реакции водорода H₂, оксида СО и метана CH₄.

Устройство для ввода перфорированной трубы в угольный пласт состоит из металлической трубы с просверленными в ней отверстиями, заканчивающимися примерно на расстоянии 1 м от наконечника на конце этой трубы. Труба вставляется в скважину наконечником вниз и через отклонитель на забое скважины силой вдавливается через другой конец, выходящий наружу из скважины. По мере введения трубы в выгазованное пространство ее наращивают на поверхности. Перемещение перфорированной трубы зависит от двух факторов: глубины залегания угольного пласта и прочности самой трубы. Поэтому с увеличением прочности материала трубы рабочее расстояние до пласта увеличивается. Например, широко используемая водопроводная труба диаметром 3/4, будучи перфорированной, при глубине угольного пласта 300 м может перемещаться на расстояние до 80 м.

Расстояние по залеганию пласта выгазованного угля определяется длиной трубы, введенной в угольный пласт и измеренной на поверхности. Это поясняется тем, что дальше выгазованного пространства перфорированная труба в угольный пласт не продвинется.

Дозировка подаваемой в пласт воды и СаО зависит от количества израсходованного в пласте углерода, а он определяется по химическому составу и объему газов, полученных и измеренных на поверхности. Было установлено, что примерно на 1 кг израсходованного углерода в пласт подается 0,675 кг воды и примерно - 0,35 кг СаО.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого способа являются повышение эффективности процесса за счет получения высокоэнергетического газа за счет более эффективного регулирования термобарических условий в технологическом процессе и очищения газа от негорючего балласта. Предложенный способ является экономически и экологически целесообразным, поскольку направлен на энерго- и ресурсосбережение, а также позволяет ввести в оборот запасы обводненных, маломощных, низкокалорийных, высокозольных угольных пластов и тех, которые залегают на больших глубинах.

На чертеже изображена схема циклического способа подземной газификации угля.

В соответствии с заявленным техническим решением схема циклического способа подземной газификации угля состоит из: угольного пласта 1, пробуренного дутьевой 2 и газоотводящей 3 скважинами; подвижной трубы 4 с перфорацией 5 на ее конце и наконечником 6; отклонителя 7; компрессора 8; водяного насоса 9; емкости 10 для СаО; механизма подачи СаО - 11; гибкого шланга 12 - для подачи окислителя (воздух), воды и СаО; заслонок 13, 14, 15 - на линиях подачи соответственно воздуха (13), воды (14) и СаО (15); трубопровода отвода 16 энергетического газа; подвижной зоны 17 (зоны синтеза) разогрева и газификации угольного пласта; зоны гидроразрыва 18 угольного пласта; заслонки 19 для выхода энергетического газа; заслонки 20 для выхода СО₂.

Способ реализуют следующим образом.

К геотехнологической разработке способом подземной газификации преимущественно привлекают маломощные, например до 0,5 м, угольные пласты 1, - они более подходят для осуществления скважинной разработки с поверхности земли. С поверхности на угольный пласт 1 бурят дутьевую 2 и газоотводящую 3 скважины, их располагают примерно на расстоянии 40-60 м друг от друга, и забой которых совмещают между собой подвижной зоной 17 (зона синтеза) разогрева и газификации, созданной способом гидроразрыва с последующим бутированием ее крупнозернистым песком. Далее, с использованием, например как в [6], скважинного устройства (на чертеже не показан), на забое дутьевой скважины 2 формируют зону разогрева 17 с температурой 1600 К, для этого компрессором 8 через гибкий шланг 12 в зону разогрева через скважину 2 подают окислитель (воздух). В это время заслонки 14, 15, 19 закрыты, а заслонки 13 и 20 открыты для подачи воздуха и вывода образовавшегося в результате горения угольного пласта 1 газа по реакции С+0,5O₂→СО₂.

При достижении в зоне разогрева 17 угольного пласта 1 прекращают подачу воздуха в трубу 4, закрывают заслонку 20, по простиранию пласта 1 продвигают трубу 4 на расстояние выгазованного пространства и через открытые заслонки 14 и 15 подают в пласт СаО и воду, при этом открывают заслонку 19 и собирают энергетический газ (СН₄, СО и Н₂), по следующим реакциям:

С+Н₂O→СО+Н₂ и C+2H₂→СH₄.

Рабочий цикл получения энергетического газа (подачу воды и СаО в угольный пласт) прекращают, когда продуктивность по целевому продукту резко уменьшается, а температура в зоне синтеза снижается до 700 К, что соответствует расчетному значению температуры зажигания угольного пласта. В этот момент начинают выполнять следующий цикл, который начинается с процесса разогрева зоны 17 до температуры 1600 К, далее продвигают трубу 4 с наконечником и перфорацией по пласту 1 на расстояние выгазованного объема угля, после чего посредством нагнетания новой порции воды и СаО, как описано выше, - продолжают процесс выгазовывания угля.

Таким образом, циклический способ подземной газификации угля обеспечивает поставленную задачу - получение из угольного пласта высокоэнергетического газа с высокой теплотой сгорания.

Источники информации

1. Патент Украины №4481, SU 1390238, C10J 5/00. Способ подземной газификации углей//Бюл. Пром.собств. - 1994. - №6-1. Опубл. 27.12.94 - аналог.

2. Патент США №4313499, C10J 5/00, 1982 - аналог.

3. Стефаник Ю.В. Геотехнология некондиционных твердых топлив. Киев: Наука, 1990, с.218-222 - аналог.

4. А.с. СССР №1428764, кл. C10J 5/00, 1988 - аналог.

5. Клейменов Ф.И. Газификация углей и горючих сланцев. - М.: Углетехиздат, 1955, с.35-40 - аналог.

6. Патент Украины №4483, SU 1481409, Е21С 43/00, C10J 5/00. Способ метанизации обводненных угольных залежей угля//Бюл. Пром.собств. - 1994. - №6-1. Опубл. 27.12.94 - прототип.

Изобретение может быть использовано при геотехнологических разработках маломощных угольных пластов посредством их подземной газификации с получением и выведением на поверхность энергетического газа. Циклический способ подземной газификации угля включает бурение дутьевой 2 и газоотводящей 3 скважин к угольному пласту 1, соединение скважин по пласту гидроразрывом с созданием зоны синтеза 17, розжига пласта 1 на выбоине дутьевой скважины и поочередную подачу воздуха и воды в пласт 1 через дутьевую скважину 2 для подогрева пласта 1 до температуры 1600 К. После прекращения подачи воздуха в дутьевую скважину 2 в выгазованное пространство угольного пласта 1 посредством вдавливания вводят перфорированную на конце трубу 4 с наконечником 6, через которую подают воду и СаО. Цикл оканчивается достижением в зоне синтеза 17 температуры 700 К. Трещины гидроразрыва заполняют крупнозернистым песком. Изобретение позволяет повысить эффективность процесса получения горючих газов, 1 ил.

Циклический способ подземной газификации угля, включающий бурение дутьевой и газоотводящей скважин к угольному пласту, соединение скважин по пласту гидроразрывом с созданием зоны синтеза, розжига пласта на выбоине дутьевой скважины, поочередную подачу воздуха и воды в пласт через дутьевую скважину для подогрева пласта до температуры 1600 К, и последующий поочередный отвод образованных продуктов горения и энергетического газа через газоотводящую скважину, отличающийся тем, что в газоотводящей скважине предварительно поддерживают заданные термобарические условия, после прекращения подачи воздуха в дутьевую скважину в выгазованное пространство угольного пласта посредством вдавливания вводят перфорированную на конце трубу с наконечником и через перфорацию перфорированной трубы подают воду и СаО, при этом цикл оканчивается достижением в зоне синтеза температуры 700 К, а трещины гидроразрыва заполняют крупнозернистым песком.