Способ получения электроэнергии на основе скважинного метаноотсоса и газификации угля

 

Изобретение предназначено для прямого (на месте залегания угольных пластов) получения электрической энергии по синтезированной ресурсосберегающей технологии при эксплуатации метаноносных месторождений с энергетическими углями. Способ осуществляют путем совместного метаноотсоса и скважинной гидродобычи с последующей газификацией водоугольной пульпы на поверхности и использованием генераторного газа в смеси с метаном для выработки электроэнергии на парогазовых установках, работающих по комбинированному циклу. Скважины используют последовательно, в том числе и для некондиционных запасов угля. Технология обеспечивает повышение эффективности использования тепловой энергии, заключенной в угольной толще месторождения, за счет совместного использования теплосодержания метана и генераторного газа, которые получаются бесшахтным способом в результате единого технологического процесса метаноотсоса и газификации угля. Повышается также КПД электроэнергетической установки. 1 с. и 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

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

Известны три отдельных (технологически не связанных) способа: бесшахтного метанодренажа путем бурения скважин с поверхности; скважинной гидродобычи угля; газификация угля на поверхностной установке с выработкой электроэнергии на парогазовых энергетических установках, работающих по комбинированному циклу.

В первом случае метан, полученный из скважин, используется как газообразное топливо чаще в бытовых и промышленных целях; во втором случает добыча угля ведется через скважины, где уголь отбивается высоконапорной струей воды и образованная водоугольная пульпа выдается на поверхность, где обезвоживается уголь; в третьем случае из добытого тем или иным традиционным способом получается синтетический газ на поверхностной углегазификационной установке.

Недостатки известных способов: недостаточно высокая эффективность использования метана, синтетического (генераторного) газа и добываемого через скважины угля вследствие технологической разобщенности этих трех способов; многооперационность, высокая трудоемкость и высокая себестоимость электроэнергии.

Кроме того, все три известных способа характеризуются относительно невысоким коэффициентом полезного действия получения электроэнергии и недостаточно высоким использованием энергии, заключенной в угольных пластах (угленосных толщах), вследствие того, что при дренаже метана он используется только как газообразное топливо; при скважинной гидродобыче метан вообще не используется; при газификации угля получается низкокалорийный генераторный газ. Таким образом, предлагаемый способ "Углегидроэлектричество" представляет собой ресурсосберегающую технологию.

Предлагаемый способ 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 (без ограничения); - умеренная обводненность месторождения; - умеренная нарушенность месторождения (особенно нежелательны дизъюнктивальные нарушения: сбросы, взбросы и т.п.); - угли высокозольные (ниже стандартов для балансовых запасов); - высокосернистые угли; - участки угольных месторождений с забалансовыми запасами, непредусматриваемые к отработке шахтами или карьерами; - оставшиеся запасы угля на закрытых (законсервированных) шахтах (предохранительные целики, неотработанные блоки, участки шахтаных полей с некондиционными запасами);
- новые, ранее не разработанные угольные месторождения в отдельных необустроенных районах при полном отсутствии инфраструктуры.

Таким образом, предлагаемый метод может найти применение на пластах средней и повышенной газоносности, отработка которых по тем или иным причинам не может быть произведена традиционными способами. Предлагаемый метод может найти применение для отработки забалансовых запасов угля, которые в настоящее время не могут быть отработаны традиционными методами с достаточным экономическим эффектом.

Известен способ получения электрической энергии при бесшахтной углегазификации и/или углесжигания, являющийся наиболее близким к заявленному и поэтому взятый за прототип, заключающийся в технологическом объединении метода метаноотсоса с поверхности и подземной газификации угля в массиве с подачей горючей смеси метана и генераторного газа в энергоблок, состоящий из парогазовой установки, работающей по комбинированному циклу [1].

Целью изобретения является повышение эффективности получения и использования энергии, заключенной в угольных пластах за счет увеличения управляемости процесса и полноты извлечения энергии из угля при одновременном снижении энергозатрат и, следовательно, стоимости вырабатываемой электроэнергии.

Поставленная цель достигается тем, что одновременно используются два энергоносителя: метан угленосной толщи и генераторный газ, получаемый на поверхностной установке углегазификации; кроме того, полнота извлечения и использования угля из массива обеспечивается путем применения технологии скважинной гидродобычи угля. Скважинная гидродобыча технологически интегрируется с углефикацией на поверхностной установке. Водоугольныя смесь, выдаваемая на поверхность, по скважине транспортируется по трубопроводу на углегазификационную установку, где водоугольная смесь является исходным продуктом для получения генераторного газа. Это обеспечивает технологическую интеграцию обоих процессов: гидродобычи угля и его газификации в единый непрерывный поточный процесс.

Сущность способа заключается в технологической интеграции, в синтезе технологий: скважинной гидродобычи угля совместно с дренажом метана, технологии выработки электроэнергии на парогазовых установках, работающих по комбинированному циклу. На основе такой интегральной технологии создается углеэнергетическое предприятие, вырабатывающее электроэнергию как конечный продукт. Все эти составляющие элементы технологий (скважинная гидродобыча угля с метаноотсосом, углегазификация и генерирование электроэнергии) осуществляются непрерывно и совмещены во времени, при этом в пределах каждого углегидрогазблока метаноотсос предшествует скважинной углегидродобыче.

Дренаж метана осуществляется через скважины, пробуренные с поверхности с последующим их использованием для гидродобычи угля. Таким образом бесшахтная технология метанодренажжа в сочетании со скважинной гидродобычей угля с последующей его газификацией на поверхности с использованием горючей смеси (метан + генераторный газ) в парогазовых энергетических установках позволяет создать высокоэффективное, ресурсосберегающее и экологически чистое производство.

Технологическая схема
Концептуальная схема бесшахтного совместного метанодренажа, скважинной гидродобычи угля, газификации угля и использование смеси генераторного газа и метана для выработки электроэнергии на парогазовой установке, интегрированных в единый комплекс, показана на фиг. 1. Такая комбинированная технология представляет собой три последовательно осуществляемые конверсионные процессы: преобразования угля в водоугольную смесь, преобразования водоугольной смеси в генераторный газ с метаном в электрическую энергию.

Принципиальная ситуационная схема углегидрогазэнергетического комплекса представлена на фиг. 2. На схеме показано 4 действующих углегидрогазблока (УГГБ) и 4 резервных блока. В каждом рабочем блоке ведется дренаж метана и скважинная гидродобыча угля; отсасываемый метан и водоугольная смесь подаются по двум системам трубопроводов на углегазификацию. Каптированный метан подается напрямую на углегазификационную установку для очистки и смешивания с генераторным газом или же подается, минуя углегазификационную установку на ТЭЦ, где предварительно смешивается с генераторным газом. Резервные УГГБ пускаются в работу по мере необходимости при полном или частичном выходе из строя одного или нескольких рабочих УГГБ. Вырабатываемая электроэнергия поступает в общую сеть к потребителю, в частности, используется внутри углеэнергетического комплекса.

Технологическая схема комплекса "Углегидрогазэлектричество" представлена на фиг. 3. На схеме показан только один УГГБ; количество блоков должно определяться исходя из фактической производительности блока и проектной мощности комплекса. Как видно на схеме, панель 1 уже отработана; в панели 2 ведется гидродобыча угля; в панели 3 пробурены две фланговые скважины, соединенные сбойкой, и по ним отсасывается метан; панель 4 находится в подготовке, здесь бурятся две наклонные скважины по пласту угля с поверхности.

Гидродобыча угля производится в панели 2 (см. фиг. 3); насосом 13 создается напор в водоводе 45, с помощью которого высоконапорная вода по трубопроводу, проложенному по скважине 18, подается к скважинному гидромонитору 20. Гидродобыча угля ведется в диагональном забое 22, вдоль которого водоугольная смесь самотеком поступает к пульпоприемнику, откуда скважинным углесосом 21 (аэрлифт, гидроэлеватор) по пульповоду, проложенному по скважине 19, выдается на поверхность. Далее пульпа (водоугольная смесь) по пульпопроводу 44 подается в углегазификационную установку 14, где из водоугольной смеси получается генераторный (синтетический) газ 47, который вместе с метаном поступает на установку механической очистки 15. Затем смесь генераторного газа с метаном проходит химическую очистку в установке 16; при этом удаляется сероводород H₂S и сернистые окислы SO_x, кроме того, выделяется жидкая сера 23. Очищенная таким образом газовая смесь по трубопроводу 37 подается к газовой турбине 1, вращающей электрогенератор 3. Высокотемпературные газы - продукты сгорания газовой смеси - по каналу 38 подаются в теплообменник-парогенератор 7. Образованный пар по трубопроводу 39 подается в паровую турбину 2, работающую в тандеме с газовой турбиной на общий электрогенератор 3. Отработанный пар через паропровод передается в конденсатор 11, откуда конденсат по трубопроводу 42 поступает в водосборник 12, где и производится очистка оборотной воды. Углегазификационная установка 14 снабжена теплообменником (на схеме не показан), который используется как дополнительный газогенератор, снабжая паровую турбину паром. Отработанные газы от газовой турбины проходят очистку в 8 и 9 перед выбросом их в атмосферу, через дымовую трубу 10. Реализация предлагаемой технологии позволит существенно повысить общий коэффициент полезного действия всего углегидрогазэлектрического комплекса, что обеспечит существенное снижение стоимости единицы электроэнергии. Кроме того, технология является экологически чистой, обеспечивая большой социальный эффект, который достигается за счет вывода людей из подземных шахтных разработок, т.е. в результате отсутствия людей, работающих в шахте.

Пояснение к технологической схеме "Углегидрогазэлектричество":
I - отработанная панель
II - панель в период гидровыемки угля
III - панель в период метанодренажа
IV - Панель в период подготовки (бурение наклонных скважин)
1 - газовая турбина
2 - паровая турбина
3 - электрогенератор
4 - трансформатор
5 - линия электропередачи (к потребителю)
6 - электроэнергия на собственные нужды
7 - теплообменник-парогенератор
8 - электростатический фильтр
9 - система фильтрации отработанных газов от газовой турбины
10 - дымовая труба
11 - конденсатор (пар-вода)
12 - водосборник и система очистки оборотной воды
13 - высоконапорный водяной насос
14 - углегазификационная установка с теплообменником
15 - система механической очистки газов
16 - система химической очистки газов (удаление H₂S и SO_x)
17 - вакуумный насос для метаноотсоса
18 - водоподающая скважина (высоконапорной воды)
19 - пульпоотводящая скважина
20 - скважинный гидромонитор (для гидроотбойки угля)
21 - скважинный углесос (эрлифт, гидроэлеватор)
22 - очистной гидрозабой
23 - жидкая сера (выделяемая в процессе углегазификации)
24 - твердые частицы
25 - шлак
26 - сброс шламового осадка
27 - 28 - метанодренажная скважина
29 - 30 - скважина в период бурения
31 - 32 - буровой станок наклонного бурения
33 - подача воздуха
34 - добавочная вода подпитки
35 - метанопровод
36 - генераторный газ (синтетический газ)
37 - горючая смесь генераторного газа и метана, подаваемая в газовую турбину
38 - отработанные высокотемпературные газы (от газовой турбины)
39 - пар (в паровой турбине)
40 - отработанная вода от углегазификационной установки
41 - вода для парообразования
42 - водяной конденсат
43 - отработанный пар (из паровой турбины)
44 - пульповод (водоугольная смесь)
45 - высоконапорный водовод (к скважинному гидромонитору)
46 - отработанная вода от углегазификационной установки
47 - генераторный (синтетический) газп

Формула изобретения

1. Способ получения электроэнергии на основе скважинного метаноотсоса и газификации угля, смешения газов газификации и добываемого метана и подачи этой смеси газов в энергетическую парогазовую установку, отличающийся тем, что одновременно с метаноотсосом в одной подземной панели осуществляют последовательно скважинную гидродобычу угля в другой панели, полученную таким образом водоугольную смесь гидротранспортируют в углегазификационную установку для получения смеси газов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергетическую парогазовую установку образуют из газовой турбины, работающей совместно с паровой турбиной на один электрогенератор с получением пара, подаваемого в паровую турбину, в теплообменниках как при работе газовой турбины, так и при работе углегазификационной установки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пределах одной панели с поверхности бурят скважины, которые используют сначала как дегазационные для отсоса метана, а затем - для подачи воды к скважинному гидромонитору и для выдачи водоугольной смеси на поверхность.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что метаноотсосу и скважинной гидродобыче подвергают как кондиционные, так и некондиционные запасы угля для повышения степени использования метаноугольных ресурсов как невозобновляемого источника электроэнергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3