Способ подземной газификации угля с производством электроэнергии Российский патент 2024 года по МПК E21B43/295 F02C3/20 E21F7/00 

Изобретение относится к области горного дела и теплоэнергетики и может быть использовано при подземной газификации угля и выработке тепловой и электрической энергии с нулевыми выбросами.

Известен способ получения электроэнергии на месте залегания угольных пластов (Патент РФ 2287056, Е21В 43/295, E21F 7/00), основанный на бурении серии нагнетательных и газоотводящих скважин до угольного пласта, дегазации пластов путем отсоса метана через скважины на одном участке пласта с одновременной углегазификацией в подземном газогенераторе на другом участке пласта, с последующей механической и химической очисткой горючий газов и выработкой электроэнергии в парогазотурбинном генераторе.

Недостатком такого способа является отсутствие полезного использования или утилизации углекислого газа, образующегося в процессе газификации угля и сжигания синтез-газа для энергетических нужд.

Известно техническое решение (Патент US 8,776,532 В2), представляющее собой кислородно-топливный энергетический цикл с использованием углекислоты в качестве рабочего тела. В качестве топлива используется синтез-газ, вырабатываемый внутрицикловым газификатором угля. Благодаря кислородной газификации в синтез-газе отсутствует азот, а продуктами его кислородного сжигания являются углекислый газ и водяные пары, которые непрерывно обновляют рабочее тело цикла. Эквивалентное количество непрерывно выводится за рамки цикла: вода конденсируется, а оставшийся чистый CO₂ направляется на захоронение. Благодаря этому может быть достигнут нулевой выброс парниковых газов при производстве электроэнергии на основе угля.

Недостатком такого способа является, что он предусматривает только улавливание углекислого газа, тогда как пространство для захоронения или схемы иной утилизации образующегося CO₂ в данном технологическом комплексе отсутствуют. Другим недостатком является необходимость извлечения угля из недр для вовлечения в энергетический процесс, что влечет за собой связанные экологические проблемы добычи, транспортировки и подготовки угля для наземного газификатора, золошлаковые отходы которого затем так же вызывают экологические трудности.

Известен способ утилизации диоксида углерода из газа подземной газификации угля (Патент РФ 2513947, Е21В 43/295), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, основанный на поверхностном химическом комплексе по отделению CO₂ из состава синтез-газа с его последующим частичным использованием для углекислотной газификации, при которой CO₂ в подземном газогенераторе восстанавливается до горючего монооксида углерода и захоронением оставшейся части CO₂ в отработанном подземном газогенераторе в присутствии гашеной извести для надежного связывания углекислого газа.

Недостатками такого способа являются:

- необходимость поверхностного химического комплекса по выделению CO₂ из состава синтез-газа, без которого невозможна утилизация образующегося при подземной газификации CO₂.

- отсутствие утилизации CO₂, образующегося при дальнейшем энергетическом использовании (сжигании) выработанного синтез-газа.

Кроме того, в указанном способе образующийся в процессе подземной газификации угля углекислый газ, по сути, остается «балластом» технологии, который не участвует в производстве энергии.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа разработки угольных месторождений путем их подземной газификации с производством экологически чистой электроэнергии без извлечения угля из недр с нулевым выбросом парниковых газов.

Технический результат - предотвращение выбросов парниковых газов в атмосферу и необходимости извлечения угля из недр при разработке угольных месторождений и производстве электроэнергии.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в способе подземной газификации угля с производством электроэнергии и нулевым выбросом парниковых газов обеспечивается генерирование горючего синтез-газа путем кислородной газификации угля непосредственно в недрах при организации подземного газогенератора с помощью серии дутьевых и газоотводящих скважин с поверхности земли и использовании получаемого синтез-газа в качестве топлива для кислородно-топливного энергетического цикла с применением в качестве рабочего тела углекислого газа, избыток которого подлежит захоронению в отработанном подземном газогенераторе для достижения нулевых выбросов.

При этом использует кислород с чистотой свыше 99,5%, чтобы сократить примеси посторонних газов в составе рабочего тела, образующегося при кислородном сжигании синтез-газа), вырабатываемый единой для данного технологического комплекса воздухоразделительной установкой, а рабочим телом энергетического цикла являются продукты кислородного сжигания синтез-газа, вырабатываемого в процессе подземной газификации угля, предварительно очищенного от механических и смолистых примесей, основу которого составляет углекислый газ. При этом энергетический цикл является не замкнутым, и рабочее тело непрерывно обновляется в камере сгорания за счет окси-сжигания синтез-газа, а удаляемые из цикла излишки углекислого газа разделяют на 4 потока: для рециркуляции в энергетическом цикле, для охлаждения деталей турбины, для обогащения дутья подземного газогенератора углекислым газом, для захоронения в отработанном подземном газогенераторе. При этом улавливается и утилизируется не только углекислый газ на стадии производства синтез-газа, но и на стадии его энергетического использования, что позволяет обеспечить нулевой выброс парниковых газов в едином производственном комплексе.

Сущность технического решения поясняется функциональной схемой установки, представленной на чертеже, и реализующей предлагаемый способ.

Система, реализующая предложенный способ, содержит подземный газогенератор (1), блок очистки и охлаждения вырабатываемого синтез-газа (2), блок повышения давления газа (3), кислородно-топливную камеру сгорания (4), соединенную с турбиной (5), приводимую в движение продуктами сгорания и вращающую электрогенератор (6), расположенный на выхлопе турбины регенеративный теплообменник (7), блок повышения давления рабочего тела (8), а также воздухоразделительную установку (9) для выработки кислорода, блок повышения давления кислорода (10) и отработанный подземный газогенератор (11).

Работа системы обеспечивается следующим образом. Газ подземной газификации угля извлекают из подземного газогенератора (1) по газоотводящей скважине на поверхность, где его подают в блок очистки и охлаждения газа (2), в котором удаляют механические примеси и смолистые соединения. Затем очищенный синтез-газ, состоящий преимущественно из CO₂, СО, Н₂, СН₄ направляют в блок повышения давления (3), а затем в камеру сгорания (4). Туда же подают окислитель (кислород высокой чистоты, вырабатываемый воздухоразделительной установкой (9)) и рециркулирующий поток углекислого газа с тем же давлением. Камера сгорания (4) по сути представляет собой смешивающий подогреватель, где раскаленные продукты сгорания синтез-газа смешивают с рециркулирующим в цикле углекислым газом. Таким образом получают рабочее тело цикла, состоящее из углекислого газа и водяных паров, обусловленных водородом топлива, которое направляют на вход в турбину (5). В процессе расширения рабочим телом вращают турбину, соединенную с электрогенератором (6). После процесса расширения рабочее тело поступает в горячий конец регенеративного теплообменника (7), где отдает тепло рециркулирующему в цикле углекислому газу. В процессе теплообмена происходит конденсация водяных паров, которые в виде воды выводятся из цикла. Оставшийся чистый CO₂ поступает в блок повышения давления (8). Затем происходит разделение CO₂ на четыре потока: для рециркуляции в энергетическом цикле, для охлаждения деталей турбины, для обогащения дутья газогенератора углекислым газом, для захоронения в отработанном подземной газогенераторе.

Часть CO₂ отправляют на рециркуляцию, возвращают в холодный конец теплообменника, где тот воспринимает теплоту отработавших в турбине газов, и затем направляют в камеру сгорания. Часть CO₂ направляют для охлаждения турбины. Часть CO₂ направляют на газификацию угля в подземный газогенератор. Оставшееся количество углекислого газа направляют на захоронение в отработанный газогенератор.

Техническим результатом способа является снижение выброса углекислого газа и других парниковых газов в окружающую среду, вплоть до полного отсутствия его негативного воздействия на атмосферу как на стадии подземной газификации угля, так и на стадии энергетического использования получаемого синтез-газа.

Изобретение относится к способу подземной газификации угля с производством электроэнергии. Техническим результатом является предотвращение выбросов парниковых газов в атмосферу и необходимости извлечения угля из недр при разработке угольных месторождений и производстве электроэнергии. Способ включает генерированние горючего синтез-газа путем кислородной газификации угля непосредственно в недрах при организации подземного газогенератора с помощью серии дутьевых и газоотводящих скважин с поверхности земли и использовании получаемого синтез-газа в качестве топлива для кислородно-топливного энергетического цикла с использованием в качестве рабочего тела углекислого газа. Избыток рабочего тела углекислого газа захоранивают в отработанном подземном газогенераторе. Для подземной газификации угля и сжигания вырабатываемого синтез-газа используют кислород с чистотой более 99,5%, вырабатываемый единой для данного технологического комплекса воздухоразделительной установкой и подаваемый для газификации угля и в камеру сгорания. Рабочим телом энергетического цикла являются продукты окси-сжигания синтез-газа, вырабатываемого в процессе подземной газификации угля, предварительно очищенного от механических и смолистых примесей, основу которого составляет углекислый газ. Из камеры сгорания рабочее тело цикла, состоящее из углекислого газа и водяных паров, направляют на вход в турбину. После турбины рабочее тело поступает в горячий конец регенеративного теплообменника, из которого оставшийся углекислый газ поступает в блок повышения давления. После чего выводимый за пределы энергетического цикла углекислый газ разделяют на четыре потока. Первый поток для рециркуляции в энергетическом цикле, возвращающийся в холодный конец теплообменника. Второй поток для охлаждения деталей турбины. Третий поток для обогащения дутья подземного газогенератора углекислым газом. Четвертый поток для захоронения в отработанном подземном газогенераторе. Также способ включает улавливание и утилизацию не только углекислого газа на стадии производства синтез-газа, но и на стадии его энергетического использования. 1 ил.

Способ подземной газификации угля с производством электроэнергии, заключающийся в генерировании горючего синтез-газа путем кислородной газификации угля непосредственно в недрах при организации подземного газогенератора с помощью серии дутьевых и газоотводящих скважин с поверхности земли и использовании получаемого синтез-газа в качестве топлива для кислородно-топливного энергетического цикла с использованием в качестве рабочего тела углекислого газа, избыток которого захоранивается в отработанном подземном газогенераторе, отличающийся тем, что для подземной газификации угля и сжигания вырабатываемого синтез-газа используют кислород с чистотой более 99,5%, вырабатываемый единой для данного технологического комплекса воздухоразделительной установкой и подаваемый для газификации угля и в камеру сгорания, а рабочим телом энергетического цикла являются продукты окси-сжигания синтез-газа, вырабатываемого в процессе подземной газификации угля, предварительно очищенного от механических и смолистых примесей, основу которого составляет углекислый газ, при этом из камеры сгорания рабочее тело цикла, состоящее из углекислого газа и водяных паров, направляют на вход в турбину, после которой рабочее тело поступает в горячий конец регенеративного теплообменника, из которого оставшийся углекислый газ поступает в блок повышения давления, после чего выводимый за пределы энергетического цикла углекислый газ разделяют на четыре потока: для рециркуляции в энергетическом цикле, возвращающийся в холодный конец теплообменника, для охлаждения деталей турбины, для обогащения дутья подземного газогенератора углекислым газом, для захоронения в отработанном подземном газогенераторе; при этом улавливают и утилизируют не только углекислый газ на стадии производства синтез-газа, но и на стадии его энергетического использования.