Физике-химические и горно-технические особенности ПГУ по методу «потока»

ПОДЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ (ПГУ)

Основные понятия и представления

Подземная газификация угля (ПГУ) - это процесс физико-химического превращения твердой его массы в горючий газообразный теплоноситель непосредственно в месте залегания угольного пласта и пригодныйдля энергетических и химико-технологических целей.

Производство газа происходит в подземном газогенераторе, которыйпредставляет собой систему дутьевых и газоотводящих скважин, соединенных в единую систему.

Дутьевые скважины могут быть вертикальными или наклонными и служат для нагнетания в подземный газогенератор дутья-окислителя(воздуха; воздуха, обогащенного кислородом; технического кислорода).Вместе с окислителем может нагнетаться водяной пар.

Газоотводящиескважины могут быть вертикальными или наклоннымии служат для отвода из подземного газогенератора горючего газа ПГУ.Охлаждение отводимого газа осуществляется непосредственно в скважине, как правило, водой, контактным или бесконтактным способом.

Сбойка (соединение) скважин между собой в единую связанную систему осуществляется:

· огневой фильтрационной сбойкой путем противоточного перемещения очага горения по нетронутому угольному пласту навстречу нагнетаемому в него, как правило, воздушному дутью;

· гидравлическим разрывом угольного пласта водой и активной промывкой ею образовавшейся щели;

· направленным вертикально-горизонтальным или наклонно-горизонтальным бурением.

Огневой забой (очаг горения) - это воспламененная (реакционная)поверхность угольного пласта, на которой происходят химические окислительно-восстановительные реакции взаимодействия кислорода, углерода и продуктов их промежуточного реагирования.

Зоны газификации образуют последовательно расположенные по ходудвижения дутья в канале газификации кислородную, восстановительнуюи (термически) подготовительную реакционные зоны.

Канал газификации представляет собой свободный объем, периметркоторого образован породными и угольными стенками, обычно частичнозаполнен осыпавшимися кусками угля и породы.

Сдвижение горного массива (прежде всего вышележащего) характернодля ПГУ по мере выгазовывания (отработки) угольного пласта, качественные и количественные особенности которого обусловлены углом залегания угольного пласта, его мощностью, а также характеристиками покрывающей толщи (кровли).

Осушение подземного газогенератора осуществляется через дренажные скважины, обсаженные перфорированными трубами в определенныхинтервалах горного массива, и водоотливными скважинами, соединенными c каналом газификации. Наблюдение за величиной гидростатическогостолба подземных вод на участке ПГУ осуществляется с помощью специальных гидронаблюдательных скважин.

Экологические преимущества (по сравнению с традиционной добычейугля) ПГУ обусловлены использованием газообразного энергоносителя(вместо угля) со свойственным ему отсутствием золы и несгоревших твердых частиц, низким содержанием NO₂ и SO₂ и более плавным оседаниемкровли угольного пласта за счет частичного заполнения выгазованногопространства обрушившимися кусками породы.

История развития ПГУ

Впервые идею о превращении угля под землей в искусственный горючий газ высказал в 1888 г. Д. И. Менделеев: «Настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что угля из земли вынимать не будут, а там, в земле,его сумеют превращать в горючие газы и их по трубам будут распределять на далекие расстояния».

Несколько позже он сформулировал основное техническое решениепроблемы подземной газификации углей: «Пробурив к пласту несколько отверстий, одно из них должно назначить для введения - даже вдувания - воздуха, другое - для выхода - даже вытягивания (например,инжектором) - горючих газов, которые затем легко уже провести дажена далекие расстояния к печам».

Первые опытные работа по ПГУ были начаты в нашей стране в 1933г. в Московском бассейне на Крутовском буроугольном месторождении, в Донбассе - с Лисичанским каменным углем и вг. Шахты - с антрацитом.

Первоначально конструкторы и исследователи пытались перенести в подземные условия технологию освоенного на практике процесса газификации в наземных газогенераторах. Считалось необходимым дробить угольпод землей.

B 1934 г. инженерами В.А. Матвеевым, П.В. Скафой и Д.И. Филипповым был предложен оригинальный метод ПГУ, не требующий дробленияугля под землей. По пласту проходят две наклонные выработки, соединяемые с поверхностью земли вертикальными скважинами. Наклонныевыработки соединяются между собой горизонтальной, называемой огневой выработкой. После розжига горение распространяется по угольнойповерхности канала, процесс газификации осуществляется нагнетаниемдутья (воздуха) в одну скважину и отводом образующегося горючего газаиз другой. Горящая поверхность угольного пласта называется огневым зaбоем. Угольный пласт выгорает постепенно снизу вверх, и огневой забойпри этом перемещается по восстанию угольного пласта.

По мере выгазования пласта выгоревшее пространство заполняется обрушивающимисяпородами кровли и зольным остатком угля. Поток воздуха, омывая поверхность огневого забоя, газифицирует уголь с образованием горючегогаза. Этот метод ПГУ бал назван поточным, так как поток воздуха, проходя по горящему каналу, превращался в горючийгаз. Первый же опытосуществления ПГУ по поточному методу на Горловской станции «Подземгаз» дал положительные результаты. Теплота сгорания достигала 4,19МДж*м³ (1000 ккал/м³).

В дальнейшем метод ПГУ усовершенствовался и к настоящему времени готов к широком использованию в различных горно-геологическихусловиях.

Многочисленные зарубежные проекты в природных условиях повторяли российскую технологию. В настоящее время наибольший рост строительства объектов ПГУ в Китае, где в 2004 г. было построено 29 установок.

Технология ПГУ

В табл. 16.1. приведены и проанализированы основные технологические операции ПГУ.

Создание каналов в угольном пласте. Процесс прожига в угольномпласте канала очагом горения, который перемещается навстречу дутьевому потоку или по его направлению, называется фильтрационной сбойкойскважин. В первом случае сбойку называют противоточной‚во второмпрямоточной. Противоточная фильтрационная сбойка осуществляетсяследующим образом. Бурится и обсаживается ряд скважин. Необсаженнойостается только нижняя часть. Затрубное пространство тампонируется.

Затем приступают к отжатию влаги из пласта. Для этого нагнетают дутьев две, три или во все скважины (в зависимости от наличия дутья и принятого порядка сбойки). После предварительной сушки прекращают нагнетание дутья в одну из скважин, называемую розжиговой, соединяют сатмосферой и зажигают угольный пласт.

Развитие очага горения обеспечивается сравнительно непродолжительным нагнетанием дутья врозжиговую скважину и ее периодическойразгрузкой (продукты горения выбрасываются в атмосферу). После достижения устойчивого горения угля из розжиговой скважины в течениевсей сбойки отводится газ. Дальнейшее горение угля поддерживается засчет кислорода дутья, нагнетаемого в соседние скважины и фильтрующегося в направлении к очагу горения. Завершающий этап сбойки для всехуглей характеризуется резким падением давления, на дутьевой скважине бурным выделением газов и повышением их качества. С этого моментаканал считается готовым для ведения процесса газификации.

Фильтрационная сбойка на новых участках может вестись в одном, двух, трех иличетырех направлениях одновременно.

При наличии вблизи сбиваемой скважины выгазованного пространства сбойку ведут непосредственно на него и сбоечные газы смешиваются с газами газификации. На скорость сбойки и удельный расход дутьявлияют зольность угля, его пористость и проницаемость, характер почвыи кровли пласта, интенсивность нагнетания дутья, мощность пласта и егообводненность, расстояние между скважинами, состав дутья и др.

При прямоточной сбойке угольный пласт зажигается в забое сбиваемой скважины, в которую нагнетается дутье. Образующиеся при этомгазы распространяются по порам и трещинам пласта. Прямоточная сбойка применяется в редких случаях (в основном при первичном розжиге), так как она сопровождается уменьшением проницаемости пласта из-законденсации паров воды и смолы в порах и кливажных трещинах(Кливаж - это расслаивание горных пород, ориентированное перпендикулярно направлению давления), плавным контуром огневого забоя и поэтому большим объемом выгорающегоугля, и вследствие этого большей продолжительностью сбойки нагнетательной скважины с соседней, с которой надо соединиться.

Гидравлический разрыв угольного пласта. Одним из основных недостатков процесса гидроразрыва угольного пласта является отсутствиечеткой его направленности. Чтобы обеспечить направленность, прибегают к одновременному нагнетанию воды и разгрузке скважины, на которойнеобходимо осуществить гидроразрыв. Эксплуатационные затраты пригидроразрыве каменноугольного пласта и последующей огневой проработке щелей гидроразрыва в 3-4 раза ниже затрат при воздушной фильтрационной сбойке.

Конструкция подземных газогенераторов. Различают наземную иподземную части газогенераторов. К наземной части относятся головкидутьевых и газоотводящих скважин, трубопроводы для подвода дутья кскважинам, газопроводы, аппараты для очистки и охлаждения газа, обслуживающие газогенератор. Сюда же входят приборы для контроля и управления работой отдельных скважин и газогенератора в целом. Подземнаячасть газогенераторов включает дутьевые и газоотводящие скважины, каналы газификации, а также водоотливные, дренажные и наблюдательныескважины (если они требуются).

Конструкция подземных газогенераторов для горизонтальных и пологих угольных пластов может иметь прямой или боковой газоотводы.

В первом случае на месторождении бурятся ряды вертикальных скважинпо квадратной или прямоугольной сетке. Расстояние между скважинамив каждом ряде колеблется от 25 до 60 м и выбирается в зависимости отстепени выгазования угля. В газогенераторах данной конструкции каждаяскважина поочередно выполняет функции дутьевой и газоотводящей.

В противоположность этому в газогенераторах с боковымгазоотводом однискважины служат в качестве дутьевых, другие - только для отвода газа.

Система выгазования(газификация) угольных пластов - это определенный порядокпроведенияподготовительных и огневых работ во времени и пространстве. Подготовительные работы включают бурение скважин, подготовкуканалов газификации, обеспечение водоотлива. Под огневыми работамиподразумевается собственно процесс газификации угля.

Выгазование наклонных и крутых пластов можно вести либо по восстанию, либо по простиранию. Выбор той или иной системы зависит оттехнических, технологических и экономических факторов, таких, как наличие технических средств для бурения скважин и подготовки каналовгазификации, рациональная длина последних с точки зрения полноты выгазования угля и устойчивости качества газа, размеры единовременныхкапитальных затрат на строительство подземных газогенераторов.

Выгазование пластов по простиранию может вестись от центра участка к его границам, от границ участка к центру и от одной границы участках другой. Во всех этих системах могут применяться конструкции газогенераторов с отводом газа в угольный массив или в выгазованное пространство.

При отработке свиты пластов выбор системы выгазования осложняется, так как необходимо снизить до минимума потери газа и водопритокавподземный газогенератор, а также обеспечить благоприятныеусловия для бурения скважин.

Процесс сдвижения пород при подземной газификации происходитобычно с малой скоростью и весьма плавно. Отработка свиты пластовснизу вверх предпочтительнее.

Технологическая схема станции подземной газификации. Станцииподземной газификации могут производить газ энергетический и технологический, совместно и раздельно. Наиболее простую технологическуюсхему имеет станция, производящая энергетический газ на воздушном дутье. В ее состав входят четыре цеха - компрессорный, газогенераторный,очистки и охлаждения газа, транспортирования газа.

В компрессорном цехе устанавливаются компрессоры двух типоввысокого и низкого давления. Первые предназначаются для подачи в подземный газогенератор дутья высокого давления (5-6 МПа) на фильтрационную сбойку или проработку каналов газификации. Компрессорынизкого давления (турбовоздуходувки) подают дутье на газификацию поддавлением 0,2-0‚3 МПа. Из компрессорного цеха дутье поступает в газогенераторный цех по двум системам трубопроводов и далее подводится ксоответствующим скважинам.

Для отбора газа из газоотводящих скважин служат коллекторы изметаллических труб. Дутьевые и газовыеколлекторы не являются постоянными сооружениями и периодически переносятся по мере отработки запасов угля. На каждом газовом коллекторе устанавливаются циклоны - аппараты для улавливания крупной пыли, выносимой газом изгазоотводящих скважин. Далее газ направляется в цех охлаждения и очистки.

Предварительное охлаждение газа может производиться непосредственно в газоотводящих скважинах. Для этого в каждую из нихопускается водоподающая трубка диаметром 12-18 мм с распылителемна конце. В состав цеха охлаждения и очистки газа входят – скрубберы (Скруббер — устройство, используемое для очистки твёрдых или газообразных сред от примесей в различных химико-технологических процессах), градирня(Гради́рня — устройство для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха), циркуляционная система охлаждающей воды, отстойники,электрофильтры, установка сероочистки. Вначале газ поступает в скрубберы, где охлаждается до температуры 30-35°С и одновременно дополнительно очищается от пыли и частично от смолы. Далее он поступаетв электрофильтры, где окончательно очищается, а после этого- в скрубберы сероочистки для извлечения сероводорода. Затем он направляетсяв транспортный цех, где установленытурбогазодувки, подающие газ потребителям.

Вместо сооружения компрессорного цеха целесообразно перейтик установке передвижных компрессоров у скважин. Отказ от централизованной подачи воздуха в подземный газогенератор может дать рядвыгод.

· во-первых, отпадает необходимость в сооружении воздухопроводов;

· во-вторых, в скважины будет поступать воздух непосредственно из компрессоров, где он будет нагреваться, что приведет к улучшению теплового баланса подземного газогенератора.

Возможность переработки газов ПГУ на химическую продукцию.При переработке газов в химическую продукцию используются природный газ, отходы газов металлургических и нефтеперерабатывающихпроизводств, коксовые газы. Основные виды химической продукции, получаемой из газов, аммиак и метанол. Основным сырьем для их производства в настоящее время служит природный газ. В последние годы вряде стран начато производство аммиака, метанола, мочевины на основегазов, получаемых газификацией углей. Например, в Индии действуютпредприятия с производительностью свыше 1 млн.т мочевины в год поданной технологии.

Схема переработки газа ПГУ приведена на рис. 13.5. Одно из основных требований к газу как сырью для химического производства – низкоесодержание соединений серы. Как правило (исключая редкие случаи малосернистых газов), это связано с необходимостью предварительной сероочистки газов. В настоящее время для извлечения серы из природного газаприменяют физико-химические методы мокрой очистки с использованием в качестве поглотителя растворов этаноламинов (Этаноламин HO-CH₂CH₂-NH₂ (2-аминоэтанол, тривиальное название коламин) — простейший стабильный аминоспирт, является первичным амином и первичным спиртом.). Выделенный сероводород перерабатывают на серу по методу Клауса.

Для синтеза аммиака производится каталитическое превращение окиси углерода c водородом (или водяным паром) в двуокись углерода и водород - конверсия СО, затем аммиачное вымывание окиси углерода. Остаточные компоненты газа в вице метана, окиси углерода вымораживаютсяжидким азотом. В обработанный таким образом газ вводят азот для получения аммиака со стехиометрическимсоотношением (Стехиоме́трия — система законов, правил и терминов, обосновывающих расчёты состава веществ и количественных [относительных] соотношений между массами (объёмами для газов) веществ в химических реакциях.)Н₂:N₂ = 3:1.

Для синтеза метанола необходимо поддерживать определенное соотношение Н₂:СО или H₂:(СО+С0₂) в зависимости от типа катализатора.Основные стадии этого синтеза: компрессия газа, синтез метанола, егоперегонка (дистилляция).

Метанол не только сырье для химического синтеза, но может быть использован как теплоноситель и горючее. Полупромышленные опыты доказали пригодность его в качестве добавки к обыкновенному горючему,также в качестве самостоятельного горючего. При производстве водорода,используемого в восстановительных процессах и методах гидролиза, обессеренный газ подается на метанизацию (Метанизация (methanization) — выражается химически в постепенном обогащении газа алифатическими углеводородами при одновременном возрастании количеств легких фракций) с получением метана.

Образующаяся вода конденсируется, а двуокись углерода отмывается. В будущем, возможно, что водород найдет применение для гидрогенизации угля, в томчисле и подземной.

Физике-химические и горно-технические особенности ПГУ по методу «потока»

На рис. 16.2. - схема ПГУ по методу «потока» (основному в отечественной технологии) применительно к наклонным угольным пластам.

После розжига горение распространяется по угольной поверхностиогневого штрека. Процесс газификации осуществляется нагнетаниемдутья (воздуха) в одну скважину и отводом образующегося газа из другой. Угольный пласт выгорает постепенно снизу вверх, при этом огневой забойперемещается по восстанию угольного пласта.

По мере выгазования пласта выгоревшее пространство заполняетсяобрушивающимися породами кровли и зольным остатком угля. Сечениеогневого штрека остается практически одинаковым, а поверхность огневого забоя - свободной для доступа потока дутья. Поток, смывая поверхность огневого забоя, газифицирует уголь с образованием горючего газа.В процессе газификации угля, будь это его слой или канал, отмечаютдве стадии.

Первая - стадия термического разложения, при которой изугля выделяются влага и летучие парогазовые вещества и остается коксовый остаток, горючую часть которого составляет углерод.

Вторая - стадия газификации, при которой, во-первых, углерод коксового остатка спомощью свободного или связанного кислорода превращается в горючиегазы, и, во-вторых, эти газы взаимодействуют с кислородом и водянымпаром. Именно стадия газообразования является главной, определяющейсостав газа подземной газификации.

При газификации угля в канале газообразование происходит в процессе тех же химических реакций, что и в обычном наземном слоевом газогенераторе, то есть:

реакции горения углерода, водорода, окиси углерода и метана:

С + 0₂ : СО₂ + 394 кДж/моль; (16.1)

2С + 0₂ : 2СО + 221 кДж/моль; (16.2)

H₂ + ½0₂ : Н₂О + 242 кДж/моль; (16.3)

СО + ½0₂ : СО₂ + 286 кДж/моль; (16.4)

CH₄ + 20₂ = СО₂ + 2Н₂0 + 801 кДж/моль; (16.5)

реакции восстановления двуокиси углерода и водяного пара:

СО₂ + С = 2СО - 173 кДж/моль (реакция Будуара); (16.6)

H₂O +C = СО + Н₂ - 130 кДж/моль (реакция водяного пара); (16.7)

2Н₂0 + С = CO₂ + H₂ - 80,3 кДж/моль; (16.8)

другие реакции:

CО + H₂O = CO₂ + Н₂ + 41,8кДж/моль; (16.9)

СО + ЗН₂= CH₄ + Н₂О + 205 кДж/моль; (16.10)

C +2H₂ = СН₄ +75,3 кДж/моль (гидрогазификация). (16.11)

B приведенных уравнениях реакций заключена информация толькооб их стехиометрии и энергетике, без каких-либо данных о полноте реакций и характере их протекания.

Основным источником энергии, необходимой для превращения угляв газ, является газифицируемый уголь. Тепло для газификации выделяется в результате реакций (16.1)-(16.3) и дополнительно - реакций (16.4),(16.5), (16.9) и (16.10). Выделившееся тепло обеспечивает протекание реакций газификации (16.6)-(16.8) и дальнейшее термическое разложениеугля.

Таким образом, при неполном сгорании топлива, выделяется лишь часть тепла, так называемое физическоетепло Q_ф, которое расходуется на нагрев продуктов газификации и на потери в окружающую среду.

Другая часть тепла является потенциальным теплом, заключенным вгорючих компонентах продуктов газификации. Эта часть тепла топливаназывается химическим теплом газов Q_х.

Общее количество тепла топлива Q_т (теплота сгорания топлива) вусловиях газификации равно

Q_т = Q_ф+Q_х (16.12)

Разделив правую и левую части уравнения на Q_т, получим химический КПД процесса газификации

и коэффициент теплоиспользования

В идеальном случае, если бы удалось все физическое тепло газов перевести в химическое тепло, т.е. при =0, химический КПД процесса достиг бы наибольшего своего значения = 1. B реальных процессах < 1, а

B отличие от газификации угля в наземных установках при подземнойгазификации проявляется ряд особенностей.

1. Отсутствует движение топлива, а выгорание угля происходит засчет перемещения зоны горения, вместе с которой перемещаются и другиезоны газификации (зона восстановительных реакций, зона сухой перегонки и подсушки угля, зона транспортировки газа). По мере выгазованияугольного пласта под действием горного давления происходит сдвижениепород кровли и заполнение ими выгазованного пространства. Благодаряэтому размеры и структура каналов газификации остаются определенноевремя неизменными, что обусловливает постоянство состава газа в этотпериод времени, но впоследствии вызывает дополнительные затраты тепла на нагрев пород и приводит к образованию обводных потоков дутья,дожигающих горючие компоненты газа.

2. Отсутствуют газонепроницаемые стенки, поэтому в процессегазообразования участвует не только влага угля, но и влага вмещающихпород, а также гравитационные подземные воды.

3. Реакционный канал непосредственно граничит с массой угля,подлежащей газификации, что приводит к термоподготовке угольногопласта.

4. Расстояния между скважинами в угольном пласте во много разпревышают необходимую длину зон реагирования.

Состав и теплота сгорания получаемого газа зависят как от составаподаваемого на газификацию дутья и качества угля, так и от геологическихусловий залегания угольного пласта. Горючие компоненты газа - СО, H₂,CH₂.

Теоретически теплота сгорания газа при газификации углерода навоздушном дутье не может быть более 4,4 МДж/м³. Однако благодарятому, что в процессе участвует определенное количество водяных парови разлагается органическая масса угля, теплота сгорания газа подземнойгазификации на воздушном дутье может достигать 4,6-5,0 MДж/м³. Приприменении дутья, обогащенного кислородом (концентрация кислорода65 %), теплота сгорания газа достигает 6,3-6,7 МДж/м³.

Отношение СО/СО₂ в первичных продуктах зависит от кинетическихи гидродинамических условий горения углерода и имеет существенноезначение не только для газообразования, но и для интенсивности расходования кислорода и, следовательно, протяженности кислородной зоны.

Отношение СО/СО₂ существенно изменяет интенсивность выгорания углерода, так как в случае реакции (16.2) углерода выгорает в два раза больше,чем в случае реакции (16.1). Из-за различия экзотермических эффектовреакции (16.1) и (16.2) изменяется тепловой баланс процесса или температурный режим горения углерода со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Реакции (16.4) и (16.6) оказывают влияние на интенсивность горенияуглерода и тормозят первичные реакции (16.1) и (16.2).

Реакции (16.7), (16.8) и (16.9) оказывают существенное влияние нагазообразование только при участии в процессе значительного количества водяных паров. При ПГУ эти реакции, как правило, имеют большоепрактическое значение.

Отметим, что при совместном протекании реакций (16.6) и (16.7)скорость реакции (16.7) в несколько раз больше скорости реакции (16.6).Скорость каждой из этих реакций определяется не только температурой взоне реагирования, но и соотношением парциальных давлений компонентов газовой смеси. Вначале протекает реакция (16.7), а затем, после израсходования значительной части H20, протекает реакция (16.6).

Эта особенность совместного протекания реакций (16.6) и (16.7) объясняет, в частности, высокую концентрацию СОв продуктах газификациина паровоздушном и парокислородном дутье. Этим же свойством реакций (16.6) и (16.7) на паровоздушном дутье объясняется более быстроеувеличение концентрации водорода, чем концентрации окиси углерода.

Такая особенность совместного протекания реакций (16.6) и (16.7) имеетисключительно большое практическое значение для процесса ПГУ, осуществляемого при значительном участии водяных паров.Реакции метанообразования (16.10) и (16.11) B процессе ПГУ,осуществляемом при давлении 100-300 кПа, практически не протекают.

Повышение давления в процессе газификации существенно их интенсифицирует. Наличие CH₄в газе ПГУ объясняется, в основном, обогащением его метаном “летучих веществ” (термического разложения угля) и метаном, сорбированным угольным пластом.

Изменение состава газа по длине реакционного канала подземногогазогенератора приведено на рис. 16.2. При анализе этих данных преждевсего следует учесть, что процесс осуществлялся на воздушном дутье.

В варианте, представленном на рис.16.3а‚ каменноугольный пласт былхорошо осушен и влажность угля составляла всего 6 %. Кислород воздухарасходуется по реакциям (16.1), (16.2) и B какой-то мере - (16.3), (16.4) и(16.5). На расстоянии около 10 м от дутьевой скважины он практическиисчезает в газе. В этом же месте в газе содержится около 25 % СО. Большоезначение соотношения СО/СО₂ свидетельствует о высокой температуре вокислительной зоне газификации и малой доле участия в процессе водяных паров.

Уменьшение концентрации СО и увеличение концентраций Н₂ и СО₂(особенно на расстоянии 30 м от дутьевой скважины) свидетельствует обинтенсивном протекании реакции конверсии (16.9), продолжающейся подлине канала вплоть до 100 М.

В процессе ПГУ более существенное влияние оказывают водяныепары приточной влаги, что приводит к более высокой концентрации вгазе СО₂ и более низкой концентрации СО, чем в случае, рассмотренномна рис. 16.3a. B подтверждение этого на рис. 16.3б приведено изменениесостава газа по длине канала подземного газогенератора с существеннымпритоком подземных вед. Протекание в канале реакции конверсии (16.9)снижает теплоту сгорания газа как из-за замены окиси углерода водородом, так из-за разбавления газа углекислотой.

В основе процесса газификации угля в канале лежат зкзотермическиереакции горения (16.1)-(16.5)‚ которые происходят в так называемой кислородной зоне канала (зоне окислительных реакций). Именно в этой зонепроисходит максимальное выделение тепла, которое должно обеспечитьпротекание эндотермических реакций восстановления двуокиси углерода и разложения водяного пара (16.6)-(16.8) в, так называемой, восстановительной зоне канала. Кислородная зона канала является источникомэнергии и исходных продуктов для последующего образования горючихкомпонентов газа.

Характерной особенностью подземной газификации угля в каналеявляется то, что в кислородной зоне наряду с коксом присутствуют летучие вещества и влага угля и окружающих пород. Однако при этом определяющими реакциями являются гетерогенные реакции взаимодействияуглерода коксового остатка с кислородом.

Интенсивность суммарного процесса горения углерода теоретическивсегда зависит как от кинетики (скорости химического реагирования), таки от интенсивности подвода и отвода реагирующего газа и продуктов реакции. Роль этих двух резко различных по своему характеру факторов зависит от конкретных условий процесса горения.

Закономерности кислородной и восстановительной зон по типу протекающих реакций канал по направлению газового потока условно можноразделить на две части: в первой в газовом потоке еще содержится свободный кислород (по крайней мере до 1 об. % (один процент от оборота)), вследствие чего в ней преобладают окислительные реакции - кислородная зона; во второй части каналапроходят в основном восстановительные реакции – восстановительнаязона (рис. 16.4).

Таким образом, от длины кислородной зоны и температуры выходящих из нее газов в значительной мере зависит минимально необходимоерасстояние между эксплуатационными скважинами (дутьевыми и газоотводящими), а также глубина превращения газовых компонент в горючиесоставляющие (СО, Н₂, СН₄).

B кислородной зоне гетерогенные реакции разогревают стенку и газ,в результате чего в последнем появляются горючие компоненты. Горючиекомпоненты сгорают в гомогенных реакциях, еще более разогревая газ исокращая кислородную зону (как правило, она не превышает 10 м).

B восстановительной зоне реакционная поверхность увеличивается засчет растрескивания угля вследствие температурного перепада, обусловленного эндотермическими реакциями внутри пор и микротрещин. Всеэто благоприятствует росту горючих компонент (СО, H₂) B сравнительнокоротких угольных каналах (несколько десятков метров).

На рис. 16.5 показаны картины состояния газификационных каналовгоризонтальных и наклонных угольных пластов.

В начальной стадии угольный пласт устойчив, породы кровли и почвыеще не вскрыты. Вся поверхность канала представляет собой термическиподготовленный уголь, нижняя часть канала заполнена сплавившимисязолой и шлаками.

Согласно данным вскрытия подземных газогенераторов, прогревугольного пласта до температуры 600-700°С за счет теплопроводностиугля при температуре реакционной поверхности огневого забоя 1400-1600°С достигает 1,0-1,5 м. Это приводит к образованию достаточнопротяженных макротрещин в угольном пласте. Процесс газообразованияидет не только на внешней поверхности огневого забоя, но и на поверхности многочисленных внутренних трещин.

После выгазования угольного пласта на определенную ширину подвлиянием горного давления начинается прогиб, а затем и обрушение пород кровли. При этом, чем больше глубина залегания выгазовываемотоугольного пласта и его мощность, тем при меньшем шаге выгазования начинается обрушение кровли. Кроме того, под влиянием горного давленияраздавливается верхняя часть термически подготовленного, а следовательно, и механически непрочного угольного пласта.

Согласно такой последовательности формирования канала, установившаяся стадия газификации характеризуется процессом газообразования не только на реакционной поверхности внешнего огневого забоя ивнутренних разветвленных трещин, но и частично в слое отвалившихсякусков угля. При этом периметр такого канала образован не только активной углеродной поверхностью, но и инертными стенками кровли и почвыугольного пласта.

Остановимся на двух факторах, наиболее существенно влияющих наход процесса. Один из них - удельный водоприток в зоны газификации.Только небольшая его величина благоприятно сказывается на процессегазификации. При достижении запредельного роста удельного водопритока снижается температура в зонах газификации, растет их длина, падаетвыход горючих компонент в извлекаемой газовой смеси. Согласно практическим данным эффективно эксплуатируемого подземного газогенератора удельныйводоприток составляет примерно 0,6 м³ воды на 1 т газифицируемого угля. Величина 0,6 м³/т принята нами постоянной в расчетноймодели.

Второй существенный фактор - размер реакционной поверхностиили степень развитости реакционной угольной поверхности. При горенииугля происходит неравномерный прогрев угольного пласта, а также возникают перегруженные области за счет развития выгазованного объема.

Это приводит к растрескиванию и осыпанию угля, в результате чего реакционная поверхность угольного канала может существенно отличатьсяот видимой геометрической поверхности канала (со своим соотношением угольной и породной частей), учитываемой в газодинамических и теплофизических расчетах рассматриваемой модели. В связи с изложеннымвводится новое понятие коэффициента увеличения угольной поверхности, определяемого отношением площади фактической реакционной поверхности к площади видимой геометрической поверхности.

Расчеты показали, что коэффициент увеличения угольной поверхности в кислородной зоне с ростом сечения реакционного канала увеличиваетсяот 2-3 до 25. При этом длина зоны, как правило, не превышает 10 м.В восстановительной зоне основные эндотермические реакции проходят на угольной поверхности. В газовой же фазе могут проявляться лишьреакции типа: СО + Н₂О = СО₂ + H₂ и СО + ЗН₂ = СН₄ + Н₂О. Для образования горючих компонент в этой зоне, имеющей длину несколько десятков метров, необходима большая реакционная поверхность.

Рост величины коэффициента увеличения угольной поверхности ввосстановительной зоне может быть объяснен протеканием эндотермических реакций не только на поверхности, омываемой газом, но и на внутренней поверхности пор и микротрещин. Последнее приводит к возрастанию температурного перепада между омываемой горячим газом внешнейповерхностью канала и внутренней поверхностью, охлаждаемой за счетэндотермики. Температурный перепад приводит к растрескиванию угляи дополнительному увеличению реакционной поверхности угольного канала.

Особенности поведения горного массива. Процесс ПГУ происходитв толще пород, вмещающих угольный пласт или свиту пластов. На местевыгазованного угольного пласта образуется полость, в которую после обнажения до определенных размеров перемещаются породы кровли угольного пласта, на поведение и степень деформации которых влияют горноедавление, а также высокотемпературный режим в газогенераторе, механические, термические свойства и структура пород.

Общие закономерности проявления горного давления, определенные для шахтной выемки угольного пласта, могут быть использованы приПГУ.

Некоторые отличия в поведении пород при ПГУ и шахтных разработках связаны с количественными величинами их деформации: увеличением в объеме обрушенных пород под влиянием высоких температур,характером выгазования угольного пласта по мощности, направлениемвыгазования по площади в пределах подземного газогенератора, отсутствием крепления в призабойной зоне и т. д.

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 613; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!