Учеба
Разная информация
Ссылки на сторонние ресурсы
|
Навигация
Партнеры
Опрос
Помог ли вам этот сайт?
Топ новости
|
Кафедра разработки месторождений полезных ископаемых
подземным способом КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине “Геотехнологические способы разработки месторождений полезных ископаемых” Содержание Введение 1. Подземная газификация 2. Применение подземной газификация углей в России 3. Применение подземной газификация углей за рубежом 4. Расчет интенсивности газификации угольного пласта Заключение Введение Долгосрочная перспектива развития мирового энергетического рынка указывает на непрерывный рост цен на нефть и природный газ, что обусловливается ограниченностью их запасов, трудными условиями добычи и неравномерностью размещения на территории. В обозримом будущем уголь будет занимать одно из ведущих мест в топливно-энергетическом балансе страны. Однако, как бы ни совершенствовалась механизация добычи угля, работа под землей остается опасной, тяжелой, а производительность труда относительно низкой. Вместе с тем из-за ограниченных возможностей увеличения добычи угля подземным способом вследствие перехода горных работ на большие глубины и повышения сложности разработки угольных пластов в этих условиях особое значение приобретают другие способы получения энергии угля, в частности превращение угля на месте его залегания в горючий газ. 1. Подземная газификация углей Идея подземной газификации залежей угля принадлежит Д.И. Менделееву, который впервые указал на возможность избавить человека от тяжелого подземного труда, если производить химическую переработку углей на месте их залегания. В 1888 г. после поездки в Донбасс им в основных чертах было сформулировано техническое осуществление способа подземной газификации угольных пластов: «Пробурить к пласту несколько отверстий. Одно из них должно назначить для введения — даже вдувания — воздуха, другое для выхода — даже вытягивания — горючих газов, которые затем легко уже провести даже на далекие расстояния к печам». Подземная газификация угля — превращение угля в месте его залегания в горючий газ и вывод полученного в результате неполного окисления угля горючего газа на поверхность для использования. В основе процесса газификации твердого топлива лежит сложный, многостадийный гетерогенный физико-химический процесс превращения твердого топлива в газообразное. При этом горение и газификацию необходимо рассматривать как единый процесс. В процессе газификации угля выделяют две стадии. Первая стадия — термическое разложение, когда часть угля сжигают для обеспечения процесса теплом, т.е. из угля выделяются влага, летучие вещества и остается коксовый остаток. Вторая стадия — газификация, когда углерод коксового остатка реагирует с окислителями с образованием водорода, окиси углерода и других газов. Главными продуктами реагирования кислорода с угольной поверхностью являются диоксид и оксид углерода: С + О2 = СО2 + 40760Дж (1) 2С+ 02 = 2СО +247210 Дж (2) Оксид углерода в присутствии кислорода частично сгорает до диоксида углерода: 2СО+О2 = 2 СО2 + 56450 Дж (3) Одновременно некоторая часть диоксида углерода восстанавливается на раскаленной угольной поверхности до оксида углерода: СО2 + С - 2СО - 162920 Дж (4) Газовые продукты, образующиеся по реакциям (1) – (4), реагируют между собой, а также вступают во взаимодействие с первичным углеродом топлива и окислителями (ккал/кг*моль): 2СО + О2 = 2СО2 +136215 (5) 2Н2 + О = 2Н2О+115670 (6) С + СО2 = 2СО + 41965 (7) СО + Н2О (пар) = СО2 ± Н2 ± 10270 (8) С + 2Н2 = СН4±20870 (9) Различают в основном три вида генераторных газов: воздушный, смешанный и водяной. В воздушном генераторном газе содержится более 50% негорючих составных частей — азота и углекислоты, поэтому он малопригоден для получения водорода и в качестве синтез-газа и используется как низкокалорийный энергетический газ. Для получения газа с большим содержанием окиси углерода, который можно использовать в качестве синтез-газа, и для получения водорода применяют так называемую реакцию водяного газа. В этом случае газогенераторный процесс протекает в две стадии. Сначала в газогенератор подают воздух. При этом уголь сгорает до углекислоты по реакции (1) и сильно разогревается, а образующийся газ отводится в атмосферу. Затем подачу воздушного дутья прекращают и на раскаленный уголь, накопивший значительный запас тепла, подают водяной пар. Начинается реакция образования водяного газа, сопровождающаяся поглощением накопленного углем тепла. Состав дутья является важнейшим управляющим фактором процесса протекания термохимических реакций. Применяется дутье обогащенной кислородом воздушной смесью, парокислородное дутье, в последнее время используется дутье водородом или полученным первоначально синтетическим газом с целью увеличения теплоты сгорания конечного продукта. Конструкция подземных газогенераторов включает дутьевые и газоотводящие скважины, которые соединяются с помощью гидроразрыва или фильтрационной сбойки. После этого приступают к огневой проработке канала. Для этого нагнетают воздух в несколько скважин, после предварительной сушки прекращают подачу дутья в одну из скважин и зажигают угольный пласт. Размеры газогенераторов по простиранию и падению зависят от их производительности и качества газа. Диаметр дутьевых скважин составляет 250-300мм, а газоотводящих — не менее 300-400мм. Расстояние между скважинами зависит от степени выгазовывания угля и для газоотводящих скважин колеблется от 50 до 60 м. В состав технологической схемы станции подземной газификации входят четыре цеха — компрессорный, газогенераторный, очистки и охлаждения газа, транспортирования газа. Среди факторов, влияющих на процесс подземной газификации углей, одно из главных мест занимают горно-геологические факторы: • мощность — увеличение мощности угольного пласта положительно влияет на показатель процесса подземной газификации за счет уменьшения удельных теплопотерь на прогрев боковых пород; • зольность — увеличение зольности угля уменьшает теплоту сгорания ПТУ и степень выгазовывания угольных запасов; • угол падения — при наклонном и крутом падении более устойчив технологический процесс при достаточно высоком коэффициенте извлече-ния подготовленных запасов угля; • структура угольного пласта — с уменьшением проницаемости ухудшается процесс сбойки скважин и газификации; • тектонические нарушения затрудняют подготовку и ведение процесса ПТУ, увеличивают утечки дутья и газа, снижают теплотворность газа, а также могут вызвать прекращение продвижения огневого забоя в зоне нарушения; • обводненность угольного пласта — при избыточном поступлении подземных вод в зону газификации увеличиваются тепловые потери за счет нагрева воды и ее испарения. Чем выше естественная газопроницаемость углей, тем быстрее будут протекать окислительные и восстановительные реакции; • величина напора подземных вод определяет давление и режимы проведения огневой фильтрационной сбойки скважин; • сдвижение земной поверхности — при газификации мощных крутых пластов и относительно неглубоко залегающих месторождениях возможно нарушение герметичности подземных газогенераторов в процессе деформации толщи пород над выгазованным пространством. 2. Применение подземной газификация углей в России Со времени зарождения подземной газификации углей построено шесть промышленных станций ПТУ — Подмосковная, Лисичанская, Шатская, Южно-Абинская, Ангренская и Каменская, на которых за время эксплуатации выработано свыше 35 млрд. м3 газа. Южно-Абинская станция «Подземгаз» в Кузбассе введена в эксплуатацию в 1955г. Станция вырабатывала энергетический газ со средней теплотой сгорания 900-1000ккал/м . С начала эксплуатации по 1989 г. станция выработала около 9 млрд. м3 газа, который был использован на предприятиях г. Киселевска. Принципиальная технологическая схема Южно-Абинской станции представлена на рис. 1. Основные технико-экономические показатели работы станций «Подземгаз» приведены в таблице 1. Схемы подземных газогенераторов на Южно-Абинской станции «Подземгаз» были идентичны. Подготовка угля к газификации осуществлялась при помощи наклонных скважин, пробуренных по угольному пласту, через которые отводился газ. Для подачи дутья бурятся полевые скважины. На первоначальный ряд пробурены вспомогательные розжиговые вертикальные скважины (рис. 2). Рис. 1. Технологическая схема Южно-Абинской станции «Подземгаз»: / — компрессор; 2 — трубовоздуходувка; 3 — цикл условно-чистых вод; 4 — воздух на сбойку; 5 — воздух на газификацию; б — газопровод; 7 — скруббер; 8 — градирня; 9— свеча; 10— газ к потребите-лю; II — вертикальные сква¬жины; 12 — полевые скважины; 13 — наклонные скважины; 14 — сбоечный канал; 15 — выгазован кое пространство; 16—циклон Рис. 2. Схема газогенератора №5 Южно-Абинской станции «Подземгаз»: Г – газопровод; П – нагнетание дутья; ДР – водоот-лив; РЖ – розжиговые скважины. Газогенератор был подготовлен методом гидроразрыва угольного пласта. Гидроразрыв производился, когда газоотводящие скважины были пробурены до уровня розжиговых скважин. При эксплуатации газогенератора наблюдалась потеря герметичности газоотводящих скважин из-за неудовлетворительной организации дренажных работ, при которой газогенератор был подтоплен и очаг горения переместился близко к кондуктору. По этой причине, а также из-за слишком большой интенсивности газоотвода и высокого статического давления в начальный период работы в газогенераторе наблюдалась эрозия-обгорание нижней части колонны, что приводило к прорывам газа. Показатели работы газогенератора приведены в таблице 2. Таблица 2. В Мосбассе подземная газификация углей осуществлялась на Подмосковной и Шатской станциях «Подземгаз». Газификации подвергались Басовское, Гостеевское и Шатское буроугольные месторождения. Мощность угольных пластов 2-4 м, глубина залегания — 45-60 м. Вмещающие породы представлены глинами, песками и известняками. Угольные пласты либо безводны, либо прослойки песков слабо обводнены. На участках, характеризующихся более сложными гидрогеологическими условиями, проводилось водопонижеиие путем откачки воды по специальным дренажным скважинам. В Донбассе подземная газификация осуществлялась на Лисичанской станции «Подземгаз». Газифицировались наклонные (38—60°) каменноугольные пласты мощностью 0,5—1 м на глубине 60—200 м. Угольный пласт водоносный, с напором 300—400 м над уровнем розжига. Кровля и подошва угольных пластов представлены водоупорными породами. В этих условиях осуществлялись предварительное снятие напора подземных вод и водоотлив через выгазованное пространство. На Ангренской станции «Подземгаз» газифицируется буроугольный пласт пологого залегания мощностью 4—20 м на глубине 120—220 м. Ха-рактерным является низкая водообильность и проницаемость угольного пласта и вмещающих пород. Водопонижения не потребовалось. Производство синтез-газа на Ангренской станции продолжается более 25 лет при запасах угля для газификации в 11,5 млн. т. 3. Применение подземной газификация углей за рубежом За рубежом до Второй мировой войны никакие практические работы по подземной газификации углей не проводились. После окончания войны в ряде стран делались попытки повторить опыт СССР по ПГУ. Но ввиду бурного развития газодобывающей промышленности в 50-е годы к началу 60-х годов интерес к подземной газификации углей пропал. В последнее время в различных странах вновь возникает интерес к подземной газификации углей и горючих сланцев. Это обусловлено, с одной стороны, постепенным истощением геологических запасов нефти и природного газа, а с другой стороны, наличием практически неисчерпаемых разведанных некондиционных запасов углей. Подземная газификация углей также привлекает к себе внимание с позиции сохранения окружающей среды. Наибольшее внимание вопросам подземной газификации уделяется в США, ФРГ и Бельгии, где разработаны широкие программы производства низкокалорийного и высококалорийного газа путем ПГУ, в том числе и на больших глубинах с применением парокислородного дутья. Значительный вклад в разработку основных принципов подземной газификации углей на большой глубине вносит Национальный институт горно-добывающей промышленности Бельгии (г. Льеж). Бельгийская программа предусматривает осуществление процесса газификации на воздушном дутье с последующим использованием низкокалорийного газа для выработки электроэнергии. Однако применение в процессе парокислородного дутья приведет к получению высококалорийного газа, пригодного для различных синтезов углеводородов. Согласно программе Бельгии подземный газогенератор может быть заложен на глубинах от 600—700 м и ниже. Это обусловлено тем, что, начиная с глубины 600—700 м, глинистые и сланцевые породы под действием горного давления становятся пластичными. Последнее содействует уплотнению трещин, образовавшихся при смещении вышележащих пород в процессе выгазовывания угольного пласта. Схема комплексного предприятия подземной газификации углей включает электростанцию, работающую по комбинированному парогазовому циклу (рис. 3). Рис. 3. Схема комплексного предприятия подземной газификации углей и электростанции: I — сжатый воздух; II — воздух; III — отходящие газы с температурой 800—850 °С; IV — пар при температуре 220—250°С; V — вода; VI — низкока¬лорийный газ с температурой 280—300 °С; / — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — газовая турбина; 4 — вытяжная труба; 5 — экономайзер; 6 — ге¬нератор переменного тока; 7 — пароперегреватель; 8 — паровая турбина; 9 — конденсатор; 10 — насос; 11 — установка очистки газа; 12 — очистительная установка метана; 13 — подземный газогенератор Воздух высокого давления нагнетается в подземный газогенератор, за-ложенный на нижнем угольном пласте. Низкокалорийный газ поступает по газоотводящим скважинам при температуре около 300°С. Газоотводящие скважины имеют водяное охлаждение. Пар, получаемый после извлечения фи-зического тепла газа, имеет температуру 220-250°С. Газ под высоким давлением поступает в установку для очистки, а затем сжигается в камере сгорания котла с топкой под давлением. Часть тепла идет на перегрев пара, поступающего из газоотводящих скважин, а отходящие газы с температурой 800-850°С направляются в газовую турбину. Отработанные газы с температурой около 400°С поступают в экономайзер или котел-утилизатор. Перегретый пар направляется в паровую турбину. Генераторы переменного тока, установленные на выходе газовой и паровой турбин, преобразуют механическую энергию в электрическую. Программа ФРГ базируется на изобретении западногерманских уче-ных. Согласно этому патенту «в угольный пласт на глубине ниже 700 м нагнетают реагенты — кислород, воздух, водяной пар, углекислоту, водород, негашеную известь, а также их различные сочетания. Реагент, фильтруясь по мини-, макротрещинам угольного пласта, реагирует с углем, а продукты реакции извлекаются из той же (ранее нагнетательной) или из соседних скважин. Этот «собирательный» патент включает все известные до сих пор теоретические способы газификации угля. Он не представляет никакой технологической или технической новизны или рационализации процесса ПТУ, а преследует чисто коммерческие цели — закрыть все пути к патентам новых технологий ПТУ в других странах. В США в конце 60-х годов были организованы 11 рабочих групп для проведения работ по подземной газификации углей. Из них 8 финансировались государством и 3 группы — отдельными штатами и частными компаниями. Программы и задачи рабочих групп различны. Они включали лабораторные исследования, разработку моделей процесса, систем измерений, а также исследования в естественных условиях. Средства, затрачиваемые в США на проведение этих исследований, значительны. Так, на разработку ПТУ в 1976 г. было предоставлено 21,5млн. долл., в 1977 г. — 31,5млн. долл. В дальнейшем предполагалось увеличение ассигнований до 68млн долл. Имеются также сведения о проведении промышленных опытов по подземной газификации углей во Франции. Следует отметить, что иностранные программы работ рассчитаны примерно на 15—20 лет. Зарубежные специалисты полагают, что получение горючих газов из угля станет коммерческим примерно с 2000г. Подчеркнем, что зарубежный промышленный опыт ПТУ пока повторяет опыты «Подземгаза», не добавляя к нему существенно новых процессов. 4. Расчет интенсивности газификации угольного пласта Условия задания: Дж/кг; Состав горючих газов: • =0,2%; • =9,06%; • =14,45%; • =0,07%; • =2,71%; • =1,02%; Дж/кг; U = 5 /час; m = 2м. Решение: /кг, где - низшая теплота сгорания; - влажность рабочей массы; - коэффициент зависящий от марки угля; где - коэффициент зависящий от типа угля. /кг т/час. Заключение Несмотря на несомненные достоинства метода подземной газификации угля (получаемый продукт удобен в применении, невысокие капитальные затраты на освоение производства, добыча угля ведется без присутствия людей и т.п.), присущие ему недостатки настолько серьезны, что для того, чтобы промышленное его применение стало реальным, необходимы дополнительные исследования. Недостатками современной технологии ПТУ являются низкая калорийность синтетического газа (такой газ может использоваться только как местное топливо с удалением от потребителей не более чем на 25—30 км), большие потери полезного ископаемого и сравнительно высокая стоимость полученного газа, а также низкие химический и энергетический КПД, составляющие соответственно 65—75 % и 35—40 %. Повышение теплоты сгорания газа является одной из основных задач подземной газификации, на решение которой влияют как горно-геологические, так и горнотехнические факторы. Интенсивность процесса подземной газификации угольного пласта целесообразно определять напряженностью дутья на единицу поверхности вскрытого угольного пласта (по Е.В. Крейнину). Тогда , где Нусл — условная напряженность дутья, м3/ч*м2; V— расход дутья на газификацию, м3/ч; h — мощность угольного пласта, м; L — условная длина вскрытого угольного забоя, м; S — истинная поверхность вскрытого угольного забоя, м2. подземной, месторождений, способы, обозримом, одно, трудными, добычи, тяжелой, энергетического, труда, развития, |
Поиск
Партнеры
|
