Способ получения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или подземном углесжигании

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прямого, на месте залегания угольных пластов, получения электрической энергии при эксплуатации метаноносных месторождений угля путем совместного метанодренажа и газификации угля в массиве. Обеспечивает повышение эффективности получения электро- и/или тепловой энергии за счет совместного использования теплосодержания метана и генераторного газа. Достигается также увеличение коэффициента использования тепловой энергии угля. Осуществляют формирование панелей-блоков угля. Новым является то, что одновременно с газификацией и/или сжиганием угля на одних панелях на других близлежащих панелях осуществляют дегазацию с отсосом метана. Полученный при этом метан смешивают с генераторным газом перед подачей на газовую турбину с электрогенератором. Панели угольного массива последовательно подвергают сначала дегазации, а затем газификации. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для выработки электрической энергии. Способ может быть эффективно применен при эксплуатации угольных месторождений с кондиционными и некондиционными запасами при достаточно высокой газоносности (более 8 10 м³/т) угольных пластов.

Известны два технологически не связанные способа бесшахтного метанодренажа путем бурения скважин с поверхности и бесшахтной подземной газификации угля в массиве. В первом случае метан полученный из скважин, используется как газообразное топливо, а во втором случае генераторный газ для бытовых целей и выработки электроэнергии на тепловых станциях.

Недостатками известных способов являются большие затраты и низкая производительность труда (высокая трудоемкость и, следовательно, высокая себестоимость энергии). Кроме того, оба известных способа характеризуются небольшим коэффициентом полезного действия получения и использования энергии, заключенной в угольных пластах, так как в первом случае при дренаже метана используется только энергия метана, а во втором случае не используется только энергия метана, а во втором случае не используется газ метан как носитель энергии. А генераторный газ является низкокалорийным, что требует больших капитальных затрат.

Предлагаемый метод может применяться в широком диапазоне горно-геологических условий: пласты с энергетическими углями; угольные пласты со средней и высокой газоносностью; пласты мощностью 0,4 0,5 м и выше; умеренная обводненность месторождения; умеренная нарушенность месторождения, особенно нежелательны дизъюнктивные нарушения (сбросы, выбросы); достаточно плотные толщи покрывающих пород; угли высокозольные; угли с высоким содержанием серы; участки угольных месторождений; непредусматриваемые к обработке традиционными методами (шахтами или карьерами);
оставшиеся запасы угля на закрытых шахтах (предохранительные целики, неотработанные участки шахтных полей, участки шахтных полей с некондиционными запасами).

Таким образом, предлагаемый комбинированный метод может найти применение на пластах средней и повышенной газоносности (по метану), отработка которых, по тем или иным соображениям, не может быть произведена традиционными методами по причине недостаточной мощности пластов угля, высокого содержания серы, высокой зольности угля и др. То есть данный метод может найти применение для отработки забалансовых углей, которые в настоящее время не могут быть отработаны традиционными методами с достаточным экономическим эффектом.

Известен способ получения электрической энергии при подземной газификации угля, являющийся наиболее близким к заявленному и поэтому взятый за прототип, заключающийся в бурении скважин в угольный массив, подаче дутья и газификации угля в массиве, отсоса продуктивного газа газификации и подаче его на газовую турбину, приводящую в действие электрогенератор.

Недостатками известного способа являются низкий коэффициент полезного действия (низкая полнота извлечения энергии из газоносной толщи и ее использования), большие затраты на производство электроэнергии и малая производительность труда, следствием чего является высокая себестоимость полученной электроэнергии.

Целью изобретения является повышение эффективности получения и использования энергии, заключенной в угольных пластах кондиционных и некондиционных запасов за счет повышения полноты извлечения энергии из угленосной толщи при одновременном снижении затрат.

Это достигается тем, что одновременно используются два энергоносителя: метан угленосных толщ и генераторный газ, который является дополнительным носителем тепловой энергии; кроме того, используется комбинированный цикл выработки электроэнергии, при котором сочетаются газовая (на базе метана и генераторного газа) и паровая (работающая от тепла газов) турбины, работающие на один общий электрогенератор.

Сущность метода заключается в органическом и технологическом объединении технологии дегазации угольных пластов с поверхности и подземной газификации угля в массиве. Оба процесса осуществляются непрерывно и совмещены во времени; дегазации угольного массива предшествует его газификации.

Дренаж метана осуществляется через скважины, пробуренные с поверхности с последующим использованием этих скважин для газификации угля в массиве. Таким образом, предлагается бесшахтная технология использования энергии, заключенной в угле и вмещающих породах.

В результате дегазации (на первой стадии) из угольного массива откачивается метан, а на второй осуществляется газификация угольного массива с получением энергетического газа. Оба продукта метан и генераторный газ - используются в смеси для выработки электроэнергии на тепловой электростанции.

Первая стадия комплексного процесса дренаж метана осуществляется с поверхности через скважины (вертикальные, наклонные и горизонтальные) с применением стимулирования метаноотдачи путем различных методов (гидроразрыв пласта, кислотная обработка и т.п.).

Вторая стадия газификация угля ведется по методу потока с использованием по возможности ранее пробуренных для метано-каптажных скважин как для розжига, так и для соединения сбойки-канала газификации и для подачи дутья и отвода генераторного газа.

Технологические схемы.

Комбинированная технология формируется из трех базовых технологический решений: метаноотсос с поверхности, подземная углегазификация и подземное сжигание угля. Возможные комбинационные сочетания представлены в таблице.

Технологическая схема II предлагается в качестве основной, так как составляющие базовые технологические решения метанодренаж с поверхности и подземная углегазификация являются каждая по себе в наибольшей степени опробированными в промышленности. Поэтому патентная заявка рассматривается в основном для данной комбинированной технологической схемы. Технологические параметры и последовательность работ приводятся для II комбинированной технологической схемы для эксплуатации пологопадающих пластов (10 25^o) средней мощности, при этом весь комплекс работ ведется только через скважины, пробуренные с поверхности (бесшахтный метод).

Принципиальная схема раскройки шахтного поля и отработки панелей в шахтном поле показана на фиг. 1. В качестве границ панелей по простиранию принимаются угольные целики шириной 3 5 м (на фиг. 1 не показаны) или дизъюнктивные нарушения (сбросы, взбросы, сдвиги). Ширина панели по простиранию может колебаться в пределах 50 80 м, а по падению 100 150 м. Эти размеры должны уточняться в каждом конкретном случае в зависимости от конкретных горно-геологических условий.

Начальный период развития работ в этаже/крыле шахтного поля показан на фиг. 2. В этот период 1-я панель дегазируется через скважины, пробуренные с поверхности. Метан из угольной толщи по трубопроводу отсасывается и используется в газовой турбине для выработки электроэнергии. Первая панель полностью подготовлена к отсосу метана путем гидрорасчленения или физико-химической обработки пласта угля для интенсификации метаноотдачи. После завершения дегазации 1-й панели здесь начнется подготовка поземного газогенератора, а во 2-й панели таким же образом будет вестись метаноотсос.

Схема подготовки и отработки панелей при нормальном развитии работ показана на фиг. 3, где
1 дутьевая скважина газифицируемой панели;
2 газоотводная скважина (генераторный газ) газифицируемой панели;
3 метаноотводящая скважина дегазируемой подготавливаемой панелей;
4 сбойка первоначальный розжиговый канал;
5 встречные забои сбойки розжигового канала;
6 скважины в процессе бурения;
7 огневой забой подземного газогенератора;
8 шлак зола;
9 дутьевой трубопровод;
10 газоотводящий трубопровод;
11 метано-дренажный трубопровод;
12 магистральный трубопровод смешанного газа (метан + генераторный газ). После выгазовывания n-2 панели процесс углегазификации производится в n-1 панели. Дутье в огневой забой 7 подается по дутьевой скважине 1, а газогенераторный газ отводится по скважине 2. Процесс газификации угля панели n-1 производится по традиционной технологии непрерывной бесшахтной газификации угля в массиве.

В смежной n-й панели ведется метаноотсос через две наклонные метаноотводящие скважины 3. При этом используется традиционная технология дренажа метана через наклонные скважины, пробуренные с поверхности. Дренируемый метан поступает в сборный трубопровод 11. В этот же трубопровод поступает метан из n+1 панели, где производится образование розжигового канала встречными забоями 5. В n+2 панели бурятся две наклонные скважины 6 по пласту угля.

При синхронном (во времени) выгазовывания панели n-1 и дегазации угля в панели n к моменту завершения газификации панели n-1 завершается дегазация угля n-й панели; этот идеальный случай позволит иметь одну панель в процессе газификации и одну смежную панель в процессе дегазации. В противном случае необходимо произвести расчет количества панелей, находящихся в одновременной газификации и соответствующего количества дегазируемых панелей.

Метаноотводящие скважины 3 после завершения дренажа могут быть использованы в газифицируемой панели в качестве дутьевой- и газоотводной, что приведет к существенному снижению затрат на бурение и обустройство скважин. Таким образом, подземная газификация угля в массиве и метанодренаж через скважины поверхности проверены и освоены в промышленном масштабе, что является гарантией успешного применения предлагаемого изобретения.

Принципиальная технологическая схема бесшахтного совместного метана-дренажа и углегазификации в массиве показана на фиг. 4, где
2 оборудование механической очистки газа;
3 оборудование химической очистки газа;
4 газовая турбина;
5 паровая турбина;
6 электрогенератор;
7 дымосос;
8 воздуходувка;
9 буровой станок (наклонное бурение);
10 первоначальный розжиговый канал (сбойка);
11 огневой забой подземного газогенератора;
12 встречные забои розжигового канала;
13 дутьевая скважина;
14 газоотводная скважина;
15 метаноотводящая скважина;
16 наклонные скважины по пласту в период бурения;
17 наклонные скважины подготавливаемой панели;
18 межпанельный целик;
19 линия электропередачи (к потребителю);
20 трубопровод для подачи дутья от воздуходувки;
21 трубопровод для отвода генераторного газа;
22 трубопровод для подачи пара к турбине;
23 газопровод (метан + генераторный аз);
24 трубопровод холодной воды;
25 трубопровод для отвода каптированного метана.

На схеме (фиг. 4) представлены: n-2 панель дегазирована и углегазифицирована; n-1 панель в стадии газификации; n-я панель в стадии дегазации (дренаж каптируемого метана); n+1 розжигового канала, для образования огневого забоя подземного газогенератора; в период дегазации эта сбойка позволяет обеспечивать более глубокую степень дегазации панели; n+2 панель в стадии бурения двух наклонных скважин с поверхности.

Подземная газификация угля в n-1 ведется по традиционной технологии. Дутье от воздуходувки 8 по трубопроводу 20 подается через дутьевую скважину 13 в огневой забой 11. Генераторный газ отводится по скважине 14, а затем по трубопроводу 21 к теплообменнику 1. Охлажденный газ смешивается с каптированным метаном, поступающим по газопроводу 25. Дренаж метана осуществляется одновременно в n-й и n+1 панелях. Смешанный газ (генераторный газ + метан) проходит сначала механическую очистку в устройстве 2, а затем химическую очистку в 3. Облагороженный таким образом смешанный газ по газопроводу 23 подается в газовую турбину 4, которая совместно с паровой турбиной 5 приводит в действие электрогенератор 6. Электроэнергия от генератора по линии электропередачи 19 подается потребителям. Дымоотвод от газовой турбины осуществляется дымососом 7. Вода к теплообменнику 1 подается по трубопроводу 24. Образовавшийся в теплообменнике пар по трубопроводу 22 подается к паровой турбине 5.

Способ осуществляется путем одновременного метаноотсоса и подземной газификации угля в массиве; полученный таким образом смешанный газ (метан + генераторный газ) с высокой теплотворной способностью используется в газовой турбине. Тепло, отбираемое от генератора газа, используется для образования пара, который используется в паровой турбине, работающей в тандеме с газовой турбиной. Принцип двухстадийной обработки панелей (1-я стадия метаноотсос, а 2-я стадия подземная углегазификация) позволит существенно повысить коэффициент полезного действия получения электроэнергии бесшахтным способом по предлагаемой технологии; при этом создается возможность существенно снизить стоимость единицы электроэнергии. Кроме того, предлагаемая технология получения электроэнергии является экологически чистой. Социальный эффект достигается отсутствием людей, работающих под землей (бесшахтный метод).

Формула изобретения

1. Способ получения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или подземном углесжигании, включающий газификацию и/или сжигание угля в массиве и отвод генераторного газа на газовую турбину с электрогенератором, отличающийся тем, что одновременно с газификацией и/или подземным сжиганием на одних эксплуатируемых участках-панелях угольного массива, на других близлежащих панелях осуществляют дегазацию с отсосом метана, при этом полученный в результате метан смешивают с генераторным газом перед подачей на газовую турбину, а панели угольного массива последовательно подвергают сначала дегазации, а затем газификации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепло генераторного газа, полученное от охлаждения последнего после вывода из угольного массива, отводят на паровую турбину и осуществляют выработку электроэнергии по комбинированному циклу с использованием газовой и паровой турбин, работающих на один электрогенератор.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в массив угля бурят скважины с поверхности и используют их сначала как дегазационные для отсоса метана, а затем для подачи дутья в огневой забой подземного газогенератора и отвода генераторного газа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отсосу метана и газификации подвергают некондиционные запасы угля для повышения степени использования угольных месторождений как источник невозобновляемой энергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5