Способ подземной газификации углей

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 В 43/295

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4649860/03 (22) 13.02.89, (46) 15;04.92. Бюл. М 14 (71) Ташкентский политехнический институт им. А. Р; Бируни (72) А. Н. Кузнецов, С. А. Баев, В. И. Пащенко, Б. P. Раимджанов и М. М. Халматов (53) 662.747;6(088.8) .(56) Патент СШАМ4069867,кл. Е21 843/24, 1976.

Патент США %4537252, кл. С 10 J 5/00, 1985. (54) СПОСОБ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ (57) Изобретение относится к подземной гаэификации углей и м.б. использовано для дополнительного вовлечения выработанных газогенераторов (ГГ), дающих некондиционный газ, в процесс получения высококалорййного газа, т.е, для догазификации выработанных ГГ. Цель — догазификаИзобретение относится к подземной газификации углей и может быть использовано для дополнительного вовлечения выработанных газогенераторов, дающих некондиционный газ, в процесс получения высококалорийного газа, т.е. для догазификации выработанных газогенераторов.

Известен способ подземной газификации угля, заключающийся в том, что в подземный слой угля эакачивают низший алифатический спирт, который диссоциирует в пласте на окись углерода и водорода, и эакачивают воду, которая взаимодействует с углем с образованием дополнительных количеств С0 и Н2, для повышения тейлотворной способности отходящих газов.

Недостатками этого способа являются его дороговизна иэ-за использования сравЫ! «1726739 А1

I ция выработанных ГГ при одновременном повышении теплотворной способности продуктивного газа действующих ГГ. Перед газификацией угольную залежь разделяют на

ГГ, Производят последовательную отработку ГГ. При этом каждый ГГ отрабатывают в две стадии. На первой стадии в очаг горения подают кислородсодержащее дутье с содержанием 65 — 75% кислорода. Продуктивный отходящий гаэ выдают в выработанные ГГ, где происходит хранение продуктивного газа и его догазификация. На второй стадии газ из выработанного ГГ подают в раскаленный очаг действующего ГГ. Начинают вторую стадию газификации при наличии в продуктивном газе избыточного содержания двуокиси углерода. Отношение расхода дутья на первой стадии поддерживают больше его расхода на второй стадии в три и более раза. 1 ил., 4 табл. нительно дорогого реагента - алифатического спирта, а также неприемлемость для газификации выработанных газогенераторов, где будет происходить значительное разубоживание отходящего газа углекислотой из-за небольшой температуры и невозможности протекания гидрогазификации.

Известен также способ подземной газификации угля, позволяющий увеличить концентрацию окиси углерода в газообразном продукте газификации угля.

Бурят в угольный пласт две скважины, отстоящие одна от другой на расстоянии, достаточном для образования зоны горения в каждой скважине, причем газообразные продукты из первой зоны горения движутся . через угольный пласт между скважинами во вторую зону горения, где СОр в гаэообраэ1726739 ных продуктах эндотермически реагирует с ния, подачи кислородсодержащего дутья и горячим углеродом, ом образующим стенки откачки продуктивного газа, каждый газогевторой зоны горения, ения что приводит к пре- нератор отрабатывают в две стадии: на первой стадии подают кислородсодержащее

-7

Недостатками способа являются: нали- 5 дутье с содержанием кислорода 65- 5 чие двух зон горен горения водном газогенерато- для интенсивного горения угля, а отходяре, что усложняет управление процессом; щий газ подают в выработанный газогенебыстрое прогорание пласта и образование ратор для хранения и догазификации больших выгазованных пространств, .что оставшихся запасов угля, а на второй стаприводит к падени нию калорийности отходя- 10 дии гаэ иэ выработанного газогенератора щих газов; невозможность способа для до- подают в раскаленный очаг действующего работки старых, сильно выгазованных газогенератора, причем вторую стадию наподземных газогенераторов, дающих не- чинают при наличии в продуктивном газе кондиционный газ. избыточного содержания двуокиси углероНаиболее близким к предлагаемому 15 да, а расход дутья на первой стадии поддерспособу является способ преобразования в живают больше расхода его на второй в три жидкие и газообразные продукты угля и дру- и более раза. гогоуглеродистоготвердогоматериала, при На чертеже показан способ газификакотором в угольный пласт бурят несколько ции бурых углей. групп скважин, каждая из которых содер- 20 Способ осуществляется следующим обжит не менее 2-х пар скважин, нагнетают в разом. пару первои гру ы о руппы газ содержащий кисло- На первом этапе угольная залежь род для начала процесса горения между вскрывается двумя группами скважин вводпервои парои скв ро скважин и второй парой этой ными и выводными по известной технологруппы, После этого блокируют скважины, в 25 гии. Бурением скважин угольная. залежь которые подавался 0> и нагнетают получен- условно делится на газогенераторы, предную смесь газов и пар в скважину первой ставляющие собой угольные блоки, размеры группы, связанн занную с блокированной сква- которых диктуются горно-геологическими.и жиной, удаляя жидкие и газообразные про- технологическими условиями выработки. д кты по меньшей мере из одной и соседней 30 Для задействования в эксплуатацию гаскважины первой группы. Блокированные зогенераторов производят сбойку скважин люскважины деблокируют и вводят в них газ, бым изизвестных способов, После розжигаугольсодержащий 0 для газификации угля и ногопластауглеводороднымфакеломсприобугленного материала. Из скважин, сооб- менением кислородсодержащего дутья щающихся со скважинами, в которые нагне- 35 можно приступать к двустадийной отработтают 0„, удаляют смесь газов, ке каждого газогенератора.

К йедостаткам прототипа. относятся: На первой стадии через вводные сквасложность осуществления процесса; доро- жины газогенератора подают богатое кисговизна, связанная с большим объемом бу- лородом дутье (65-75 Q с расходом, рения скважин; большой расход кислорода, 40 установленным эмпирически, но дрстаточзатрачиваемого не только для экзотермиче- ном для интенсивного горения угля. ских реакций горения на первой стадии, но Из выводной скважины газ, содержаи для непосредственной газификации угля в щий значительное (до 30 ) количество двудальнейшем; низкокалорийный газ первой оксида углерода, подают в выработанный стадии не используется для газификации yr- 45 газогенератор для хранения и догазификаля и обугленного материала; неприемле- ции оставшихся запасов угля, при этом вымасть способа для догазификации старых, водная скважина выработанного выработанных газогенераторов. газогенератора временно закрывается.

Цель изобретения — повышение эффективности газификации эа счет догазифика- 50 Через определенный промежуток вреции выработанных газогенераторов при мени, отвечающий достижению избыточноодновременном повышении теплотворной го содержания углекислого газа в газе после способности продуктивного газа действую- первой стадии, выводная скважина вырабощих газогенераторов. танного газогенератора открывается и газ

Эта цель достигается тем, что в способе 55 по трубам поступает на вводную скважину подземной газификации углей, включаю- действующего газогенератора на раскаленщем вскрытие угольной залежи скважина- ный очаг, причем с расходом в три и более ми, условное разделение залежи íà раз меньшим, чем на первой стадии, для газогенераторы и последовательную стра- получения высококалорийного газа, пригодботку последних путем создания очага горе- ного для получения тепловой энергии.

1726739

25

40

55

После продувания всего объема газа на второй стадии процесс повторяют вновь в аналогичном порядке.

Лабораторные эксперименты осуществлялись на действующей модели газогенератора, приведенной ранее, Пример. В герметичный стальной ящик 1 размером 40х20х20 см, выложенный изнутри огнеупорными. блоками из. суперлегковеса, закладывают кусок угля 2 размером примерно 35х15х15 см с просверленным продольным отверстием диаметром 1,5 см.

Пустоты в ящике заполняют асбестовой крошкой. В качестве замазки в огнеупорной кладке используют смесь асбестовой крошки (70 %) и жидкого стекла (30 %). После закладки угольного блока 2 ящик 1 закрывают стальной крышкой 28 с прокладкой из термостойкой резины 27. Крышка 28 крепится к ящику 1 болтами, На ящике 1 имеются два патрубка (диаметр 2 см, длина 15 см): один 3 с торца — для подачи дутья, другой 4 на крышке 28 — для отвода отходящих газов, После закрытия крышки 28 осуществляли розжиг угольного блока 2 с помощью закладки в просверленное отверстие угольного блока 2 горящего деревянного факела с намотанной на него паклей, смоченной мазутом. Розжиг осуществляли в течение

15 — 20 мин подачей в ящик дутья, на 40 % обогащенного кислородом следующим образом.

Для подачи в систему воздуха в сеть переменного тока включали компрессор

УК вЂ” 1M 5. Воздух иэ компрессора 5 по шлангу-газопроводу 14 через трехходовой кран 6 и расходомер7 для контроля его расхода (10 л/мин) поступает в сосуд 8 постоя нного давления для создания стабильного давления в системе и хорошего перемешивания компо-. нентов дутья, Туда же, в сосуд 8 постоянногодавления подается технический кислород из баллона 9, который открывают одновременно с подключением компрессора 5.

Кислород поступает в сосуд 8 постоянного давления по шлангу-газопроводу 14 через трехходовой кран 10 и расходомер 11 (расход 2,5 л/мин).

Ilo окончании розжига угольного блока

2, о чем судят по возрастанию температуры в зоне горения, которую показывает термометр 22, температура достигает 11001200 C — непосредственно начинают эксперимент.

На первой стадии, аналогично вышеизложенному, при розжиге в зону горения подают воздух с расходом 4 л/мин и технический кислород с расходом 8 л/мин. Содержание кислорода в дутье при этом составляет 73 — 75 %, Первая стадия продолжается в течение 10-15 мин. Первые 2-7 мин отводящий газ из ящика 1 сбрасывается в вентиляционную систему. Затем к ящику 1 шлангом-газопроводом 14 подсоединяют расходомер 15 и газгольдер 16 объемом 30 л. заполненный водным раствором NaCI {20

%), для сбора отходящего газа в течение оставшихся 2,5-3,0 мин.

При сборе газа водный раствор хлорида натрия (20 %), растворяющий минимальный объем газовой смеси, сливается из газгольдера 16 через кран 24 в открытый стеклянный сосуд 25.

Собранный в газгольдер 16 газ подвергается анализу: вначале на содержание в нем СО, подачей газа в газоаналиэатор

ГОУ-1 21. затем на содержание СО, Н подачей газа в хроматограф Газохром 3101"

23.

Гаэ перед поступлением в хроматограф

23 последовательно трехкратно очищается от примесей в 25 %-ном растворе гидроксида калия (сосуд 18), 10 %-ном растворе флорида кальция (сосуд 19) и растворе гидросульфита натрия (сосуд 20).

Анализ газовой смеси осуществляют r-,о общепринятой методике согласно инструкциям по эксплуатации вышеназванных газоанализаторов.

Результаты анализов: содержание СОг

25,0%; СО 7,5 j; Н23,9%

Далее для осуществления второй стадии процесса газгольдер 16 с отобранным газом первой стадии переносят на высокий уровень по отношению к ящику 1.

Кислородный баллон 9 и компрессор 5 отключают от системы, а газгольдер 16 через расходомер 7 подключают. После заполнения колокола газгольдера 16 водным раствором хлорида натрия кран газгольдера

16 открывают, засекают время и гаэ из газгольдера 16 с расходом.3 — 4 л/мин, вытесняемый раствором хлористого натрия, начинает поступает в реакционную зону стального ящика 1 в течение 7-10 мин. Отходящий гаэ поступает на анализ. Анализ осуществляется аналогично первой стадии.

Результаты анализа: содержание СО2 5,4 %:

СΠ— 41,3 %; Нг — 4,4 ; калорийность газа — 5690 кДж/м .

Давление во время первой стадии процесса на входе поддерживается на уровне

1,2 атм, причем давление технического кислорода из баллона 9 такое же, что и давление воздуха из компрессора 5. Давление во время второй стадии составляет 0,5 атм. на входе в стальной ящик 1. Температура второй стадии 1000-1100 С, 1726739

Для получения высококалорийного газа на вторую стадию процесса необходимо подавать газ с первой стадии, достаточно богатый углекислым газом. С этой точки зрения выбирались оптимальный расход и содержание кислорода для дутья, подаваемого на первую стадию (табл. 1 и 2).

Как видно из данных табл. 1 и 2 оптимальными являются содержание кислорода. в дутье 65-75 %, а расход дутья 12 л/мин, С ростом содержания кислорода в дутье, и ри его избытке, и ро исходит реакция полного экзотермического сгорания углерода угольного блока:

C+Oz - COz+Q (1)

Следовательно, отходящий газ обогащается углекислым газом тем в большей степени, чем больше содержание кислорода в дутье. Однако до определенного предела — 65% 02. Дальнейший рост содержания кислорода в дутье приводит лишь к росту его содержания в отходящих газах, он остается химически незадействованным.

Содержание СО в отходящих газах проходит через максимум (10,1 %) при содержании кислорода в дутье 49 %, что, видимо, вызвано протеканием реакции неполного окисления углерода угольного блока при этих условиях (недостатке кислорода)

С+1/2 02. - CO+0 (2) далее, при все большем избытке кислорода, неизрасходованный, он окисляет СО по реак ии ц

CO+1/202 -+ CO2+Q ) (3) что приводит к падению содержания СО в отходящих газах.

При возрастании содержания кислорода в дутье возрастает и температура процесса, что приводит к увеличению содержания водорода в отходящих газах по эндотермическим реакциям

Н О+Нг+1/202 — Q (4)

Н 20+СО-Нг+СОг — Q (5)

H20+C Hz+C0 (6)

С ростом расхода дутья содержание углекислого газа СО растет, а содержание СО в отходящих газах падает. Это вызвано тем, что высокий расход дутья, (для данного газогенератора, с учетом масштаба модели) способствует быстрому обновлению газовых смесей в реакционной зоне, обеспечивает постоянный приток избыточных количеств свободного кислорода. Однако, при расходе дутья более 12 л/мин рост содержания СОг в отходящих газах почти не происходит, что вызвано тем, что реакция (1) переходит из диффузионной в кинетическую область и лимитируется теперь лишь скоростью собственно химической реакции, Содержание CÎ продолжает падать с ростом расхода дутья потому, что протекание реакции (3) возможно и за пределами непосредственно реакционной зоны, на5 пример на выходе из газогенератора, и чем больше количество неизрасходованного кислорода (т.е, чем больше расход дутья), тем ниже содержание СО в дутье.

На второй стадии полученный отходя10 щий газ первой стадии подается вновь в угольный блок. Оптимальный расход его выбирается с учетом максимального содержания в отходящем газе второй стадии CO u

Н, т.е. максимальной теплотворной способ15 ности газа (табл. 3). Из этих же соображений выбирается и оптимальное содержание СОг в подаваемом на вторую стадию газе (табл.

4).

Кэк видно из данных таблиц, оптималь20 ным на второй стадии является расходдутья

3-4 л/мин, при большем расходе углекислый газ не успевает прореагировать с углеродом угля и частично остается незадействованным в отходящем газе вто25 рой стадии и количество его возрастает с ростом расхода в реакционную зону, соответственно падает содержание СО в отходящем газе.

Оптимальным содержанием углекисло30 ro газа в подаваемом на вторую стадию дутье является 25-30%, Киже этого содержания получается низкокалорийный газ.

Выше него падает содержание СО вотходящем газе из-за того, что углекислый газ не

35 успевает усваиваться и, соответственно, возрастает содержание последнего в отходящем газе.

Таким образом, предлагаемый способ газификации углей обладает рядом досто40 инств: простота и дешевизна процесса; кислород затрачивается лишь для экзотермических реакций горения углерода угля на первой стадии; низкокалорийный газ первой стадии используется для газифи45 кэции угля.

Способ применим для догазификации выработанных газогенераторов, не поддающихся доработке любым иэ известных способов и дающих низкокалорийный газ.

50 Формула изобретения

Способ, подземной газификации углей, включающий вскрытие угольной залежи скважинами, условное разделение залежи на газогенераторы и последовательную от55 работку последних путем создания очага горения, подачи кислородсодержащего дутья и откачки продуктивного газа, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения эффективности газификации за счет догазификации выработанных газогенераторов

1726739

Таблица1

Зависимость состава отходящего газа первой стадии двустадийной газификации от содержания кислорода в дутье, т=1200 С,т =10 мин, Ч = л/мин

Таблица2

Зависимость состава отходящего газа первой стадии двустадийной газификации от расхода дутья, t=1200OC т =10 мин, СОг=75 . при одновременном повышении теплотворной способности продуктивного газа действующих газогенераторов, каждый газогенератор отрабатывают в две стадии: на первой стадии подают кислородсодержа- 5 щее дутье с содержанием кислорода 65-75 для интенсивного горения угля, а отходящий газ подают в выработанный газогенератор для хранения и догазификации

10 оставшихся запасов угля, а на второй стадии газ из выработанного газогенератора подают в раскаленный очаг действующего газогенератора, причем вторую стадию начинают при наличии в продуктивном газе избыточного содержания двуокиси углерода, а расход дутья на первой стадии поддерживают больше расхода его на второй в три и более раза.

1726739

ТаблицаЗ

Зависимость состава отходящего газа второй стадии двустадийной газификации от расхода подаваемого газа с первой стадии t=1000 — 1100 С, т =10мин, содержание С gg. =25,5 %, Ceo=7,5 %

Таблица4

Зависимость состава отходящего. газа второй стадии двустадийной газификации от содержания COz в подаваемом на вторую стадию газе t=1000 — 1100 С, r =10мин, V3=4 л/мин.

1726739

Редактор Н.Шитев Техред M,Moðãåíòàë Корректор 3.Лончакова .

Заказ 1260 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101