Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка способа получения энергоносителя на основе подземного сжигания и газификации угля

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Васючков, Михаил Юрьевич

Введение

Глава 1. Скважинные технологии получения газообразного энергоносителя из угля.

П. Современные особенности добычи угля подземным способом.

1.2. Поточная схема подземной газификации угля.

1.3. Отечественный опыт подземной газификации угля.

1.4. Зарубежный опыт подземной газификации угля.

1.5. Опыт подземного сжигания угля в б. СССР.

1.6. Цель, идея и задачи исследований.

Выводы.

Глава 2. Анализ параметров работы подземного газогенератора.

2.1. Характеристика процессов при подземном горении угля.

2.2. Связь длины зоны горения в угольном канале с его поперечными размерами.

2.3. Связь параметров угольного канала с его мощностью при 51 подземном горении угля.

2.4. Анализ влияния геологических и термодинамических факторов на показатели процесса подземного горения угля.

2.5. Энергетическая эффективность процесса подземного горения

Выводы.

Глава 3. Анализ факторов, влияющих на качество генераторной смеси

3.1. Связь интенсивности подземного горения угля с водопритоком и термодинамическими параметрами.

3.2. Анализ состава генераторного газа и путей улучшения его

3.3. Повышение теплоты сгорания генераторной смеси за счет уменьшения концентрации углекислого газа.

3.4. Влияние термодинамических параметров на температуру продуктов подземного горения угля.

3.5. 82 Выводы.

Глава 4. Состояние угольного канала и кровли при подземном горении

4.1. Обоснование использования моделирования для решения геомеханических задач скважинной технологии.

4.2. Численное моделирование НДС при ПГУ-ПСУ с

4.3. Устойчивость угольного канала при пологом залегании

4.4. Влияние фактора времени на устойчивость угольного канала

4.5. Устойчивость угольного канала при крутом залегании пласта.

4.5.1 Постановка задачи.

4.5.2.

4.5.3. Расчеты показателей устойчивости угольного канала.

4.5.4.

Глава 5. Технологическая схема получения генераторного газа с повышенной теплотой сгорания и оценка ее эффективности.

5.1. Использование химического потенциала генераторного газа ШУ.

5.2. Схема очищения сырого генераторного газа от диоксида

-,-i-:-:

53. Технологическая схема локального углегазоэлектрического комплекса. (ЛУГЭАК).

5.4. Характеристика участка для опытной эксплуатации ЛУГЭК с повышенной теплотой сгорания СГГ.

5.5. Расчет технических параметров ЛУГЭК повышенной теплотой сгорания СГГ. (ЛУГЭК-ПТ).

5.6. Технико-экономическое сравнение скважинной и традиционных технологий добычи энергоносителей.

Заключе!тае.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка способа получения энергоносителя на основе подземного сжигания и газификации угля"

X Г и и

Крупнеишим в мире среди производителен и потребителем первичных энергетических ресурсов являются страны СНГ, и в первую очередь - Россия, на долю которых приходится около 19% всего мирового потребления коммерческих энергоресурсов, а по углю этот показатель составляет 16% [21]. Согласно прогнозным оценкам мировое потребление первичных энергоресурсов в 2020 г. по ускоренному сценарию развития экономики составит 24,7 млрд. т.у.т, а, потребление угля в предстоящем двадцатилетии прогнозируется увеличить в 2,08 раза по сравнению с уровнем 1990 г. [13].

Основу электроэнергетики в перспективе ближайших 20 лет составят электростанции, работающие на органическом топливе (70-75%)). Свыше половины топливных электростанций сейчас работает на мазуте и природном газе, затраты на освоение и разработку новых месторождений которых из года в год увеличиваются. Так, к 2005 г., затраты на производство электроэнергии возрастут в 2-4 раза и в последующем периоде темп этого роста может увеличиваться. Условия эксплуатации нефтяных и газовых предприятий стран СНГ, а также их ресурсная база не позволяют в ближайшем будущем наращивать производство электроэнергии на базе мазута и природного газа. Уже сейчас работы Сибири и Приморья страдают от недостатка электроэнергии. Поэтому в перспективе крупномасштабное увеличение производства электроэнергии возможно, в основном, на базе твердого топлива и ядерного горючего.

Развитие атомной энергетики требует непременного решения проблемы безопасности АЭС и захоронения остатков ядерного горючего, что ведет к значительным, в большинстве случаев - запретительно-высоким, затратам на обеспечение экологической безопасности. Поэтому разработка технологий производства электро - и теплоэнергии на базе нетрадиционных (скважинных) методов получения энергоносителей становится все более актуальной.

Важен также экологический аспект - использование твердых органических топлив для производства электроэнергии имеет негативное воздействие на окружающую среду. Так, при сжигании 1 т. угля выбрасывается

В окружающую среду в среднем до 250 кг золы и 20-25 кг сернистого газа. Эти выбросы рассеиваются на больших территориях и медленно уничтожаются в естественных условиях. В современных условиях необходимы новые, экологически чистые технологии преобразования угля в электрическую и тепловую энергию, обеспечивающие минимальное загрязнение окружающей среды. К таким технологиям относятся подземная газификация угольных пластов и их подземное сжигание.

Подземная газификация угольных пластов (ПТУ) - это процесс подземного горения угля, получения при этом горючих газов путем нагнетания в угольный массив окислителя и последующего их использования в качестве газового топлива для выработки электроэнергии [50]. ПГУ, как метод физико-химического, фазового превращения угля в горючий газ непосредственно на месте залегания угольных пластов, впервые начала реализовываться в бывшем СССР с 1933 г. Приоритет в области создания технологии ПГУ и ее практической реализации принадлежит отечественной науке [35].

Подземное сжигание углей (ПСУ) - технология, предусматривающая также подземное сжигание запасов угля, в том числе - оставленных в недрах после традиционной разработки угольного месторождения и получения на поверхности горячей воды, пара, электроэнергии или химического сырья при всасывающей или нагнетательно-всасывающей схеме поступления окислителя в очаг горения [36, 37]. Приоритет в разработке способа ПСУ принадлежит МГГУ.

Процесс ПГУ и его термодинамические физико-химические особенности достаточно изучены отечественной и мировой наукой. Процесс ПСУ имеет преимущества по отношению к ПГУ в части концентрации потока окислителя и управляемости процесса подземного горения угля, однако, является еще недостаточно научно обоснованным. Эти технологии имеют весьма ограниченное применение вследствие низкой теплоты сгорания генераторного газа (при ПГУ - до 4 МДж/мЛ при ПСУ - до 0,5 МДж/мл) и слабой управляемости процессом подземного горения угля. Поэтому целью настоящей работы является установление зависимостей параметров процесса подземного 6 горения угля от свойств горного массива и обоснование применения скважинной разработки метаноносного угольного месторождения на основе повышения теплоты сгорания генераторного газа, использования угольного метана и выработки электроэнергии.

Автор выражает благодарность за помощь в работе коллективам кафедр ФГПиП и ПРПМ МГГУ, а также профессорам, д.т.н. А.П. Дмитриеву и Г.А. Янченко.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Васючков, Михаил Юрьевич

Основные результаты, положения и выводы, полученные в работе:

1. Установлены закономерности формирования зоны горения угольного пласта в зависимости от геометрических параметров огневого канала, теплоты сгорания и процесса подземного горения для различных горногеологических условий.

2. Длину канала горения необходимо увеличить с 15 - 25 м, применяемой при традиционной скважинной технологии, до 45 - 50 м и более, что позволяет достичь повышения тепловой мощности канала в 8 - 10 раз и в результате получить более качественный энергоноситель.

3. Доказано, что эффективным способом повышения теплоты сгорания газа и тепловой мощности скважинного предприятия является комбинация технологий ПГУ и ПСУ, удаление углекислого газа из генераторной смеси и обогащение ее угольным метаном, попутно добываемым на этом же месторождении.

4. На базе полученной в работе зависимости выхода горючих генераторных газов в процессе ПГУ-ПСУ от содержания углерода в угле, удельного выхода сырого генераторного газа и концентрации в нем углекислого газа получено, что за счет удаления последнего теплоту сгорания газообразного энергоносителя можно увеличить до 6,3 МДж/мЛ

5. На основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния угольно-породного массива вокруг движущегося огневого забоя установлено, что в условиях выбранного опытного участка Прокопьевско-Киселевского угольного месторождения разрушающие деформации кровли наступают через 5-6 ч после прохода забоя, а горизонтальные деформации его стенки превышают 82% мощности пласта, являются максимальными у его почвы и обеспечивают самоподдержание огневого канала для прохода окислителя.

6. Разработана технологическая схема локального углегазоэлектрического комплекса на основе использования комбинации

147 технологий ПГУ - ПСУ, очистки сырого генераторного газа от углекислого газа и попутной добычи угольного метана с последующей выработкой электроэнергии непосредственно на шахтном поле, которая по своим технико-экономическим показателям превосходит показатели шахты аналогичной мощности.

Заключение

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи - установление закономерностей газообразования в процессах ПГУ-ПСУ при различных параметрах огневого канала, очистки и обогаш;ения генераторного газа угольным метаном для разработки технологической схемы получения качественного энергоносителя.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Васючков, Михаил Юрьевич, Москва

1. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М.: "Недра", 1975.

2. Арене В.Ж., Петренко Е.В. Состояние и перспективы подземной газификации угля // Уголь. М.: 1981, № 5, с. 20-22.

3. Берман Д.В., Захаров П.Г. и др. Анализ работы подземного теплогазогенератора на экспериментальном участке "Киреевский" Подмосковного бассейна // Технология комплексного извлечения угля, газа, энергии, воды, породы. М.: МГИ, 1988, с. 100-102.

4. Васючков М.Ю. Утилизация угольных месторождений путем подземного сжигания угля. Сб. трудов «Нетрадиционные методы разработки месторождений полезных ископаемых». Чехия, Острава, 1999, с. 196-204.

5. Васючков М.Ю. Анализ обобщающей зависимости скорости подземного сжигания угля от геологических и термодинамических параметров. Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). М.: Изд. МГГУ, 2000, №1, с. 87-88.

6. Васючков М.Ю. Исследование эффективности процесса подземного сжигания угля. Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд. МГГУ, 2000, №2, с. 58-60.

7. Васючков Ю.Ф. Брагин Е.П. Применение компьютера при моделировании процессов в угольных шахтах.// Труды 2-го регионального симпозиума АРСОМ' 97. М.: МГГУ, 1997, с. 185-189.

8. Васючков Ю.Ф., Васючков М.Ю. Скважинная технология разработки газоносных пластов с повышенной энергетической эффективностью. Доклады по «Топливу и энергетике». М., МЭИ, 2001, с. 140-141.

9. Васючков Ю.Ф., Селиванов Г.И., Янко СВ. Технология использования энергии подземного сжигания угольных пластов. "Уголь Украины". Киев: 1989, № 12, с. 5-8.

10. Васючков Ю.Ф., Янко СВ. Отработка скважинного участка на шахте №1 "Острый" по технологии "Углегаз". М: МГИ, 1986 г.

11. И.Воропаев А.Ф. Тепловое кондиционирование рудничного воздуха в глубоких шахтах. М.: Недра, 1979, 192 с.

12. Газоносность угольных месторождений и бассейнов СССР (под ред. А.И. Кравцова) М., Недра, т. 2, 1979, т. 3, 1980.

13. Евстрахин В.А., Прокофьева Л.М., Кошелев А.П. Минеральные ресурсы России. Выпуск 2. Топливно-энергетическое сырье: нефть, природный газ, уголь, уран, горючие сланцы, торф. М.: Геоинформарк, 1997.

14. Ершова H.A. Современное состояние и перспективы газификации углей // Уголь. М.: 1986, № 1, с. 16-17.

15. Закоршменный И.М. Разработка технологии подземного сжигания мощных крутых пластов для получения тепловой энергии. Автореферат канд. дисс. М.: МГИ, 1989.

16. Исагулов СТ. Обоснование способов подготовки и параметров сжигания сближенных угольных пластов на основе изучения прогрева и обрушения вмещающих пород. Автореферат канд. дисс. М.: МГИ, 1989, 14 с.

17. Канторович Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива. М.: Изд. АН СССР, 1958.

18. Казак В.Н., Капралов В.К. Прогрев пород кровли угольного пласта при подземной газификации угля // Нетрадиционные способы добычи и использования угля. М.: ИГД им. A.A. Скочинского, 1989.

19. Кафырин Ю.П., Крейнин Е.В. К вопросу определения длины кислородной зоны в углеродном канале. М.: Химия твердого топлива, 1979, №4, с. 34-36.

20. Каркашадзе М.В. Обоснование и выбор рациональной сетки скважин с учетом устойчивости кровли при комбинированной технологии сжигания угля. Автореферат канд. дисс. М.: МГИ, 1989,57с.

21. Козловский Е.А. Минерально-сырьевые проблемы России накануне XXI века. М.:РБИ, 1999, с. 401.

22. Крейнин Е.В. Экологическое и технико-экономическое обоснование строительства промышленных предприятий подземной газификации угля // Уголь. М.: 1997, №2, с. 46-48.

23. Крейнин Е.В. Новая технология подземной газификации угольных пластов // Химия твердого топлива. М.: 1995, №6, с. 58-65.

24. Крейнин Е.В., Грабская Е.П. Оценка технических решений по подземной газификации угля. // Горный вестник. М.: 1997. №1, с. 28-32.

25. Крейнин Е.В. Грабская Е.П. Состояние и перспективы ТЭКа России: роль угольной отрасли // Уголь. М.: 1998, №4, с. 39- 45.

26. Крейнин Е.В., Звягинцев К.Н. Тенденция производства заменителя природного газа методом подземной переработки углей. М.: Химия твердого топлива, 1978, №6, с. 93-96.

27. Крейнин Е.В., Ревва М.К. Подземная газификация углей. Кемерово: Кемеровское книжное издательство, 1966.

28. Крейнин Е.В., Сильвестров Л.К., Научные исследования подземной газификации угля в Испании (по программе европейского союза) // Уголь. М., 2000, №2, с. 62-64

29. Лазаренко С.Н., Крейнин Е.В. Подземная газификация углей в Кузбассе: настоящее и будущее. Новосибирск: Наука, Сиб. изд. фирма, 1994, 116 с.

30. Мясников A.A., Лазаренко CA. Перспективы развития подземной газификации углей в Кузнецком бассейне. Новосибирск: Наука, СО АН СССР, 1991,84 с.

31. Опыт работы обесфеноливающей установки на Южно-Абинской станции. «Подземгаз»/ А.И. Ворогов, Р.Н. Антонова, А.Е. Бежанишвили, Н.И. Швецова, Кемерово: 1976, с. 41-46

32. Патент РФ № 2100588. Способ получения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или подземном углесжигании. / Ю.Ф. Васючков, Б.М. Воробьев (приоритет от 31.Х.1995). М.: Бюллетень изобретений, открытий и товарных знаков, 1997, № 36.

33. Патент РФ № 2126891. Способ получения электроэнергии на основе скважинного метаноотсоса и газификации угля. / Ю.Ф. Васючков, Б.М. Воробьев (приоритет от 19.IV.1996). М.: 1996.

34. Питин Р.Н., Фарберов И. Л. Подземная газификация. М.: Изд. АН СССР, 1955, 80 с.

35. Подземная газификация угольных пластов. / Е.В. Крейнин, H.A. Федоров, К.Н. Звягинцев, Т.М. Пьянкова. М.: Недра, 1982, 151 с.

36. Ржевский В.В. О состоянии и развитии научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работ в области подземной газификации углей. Методические разработки. М.: Изд. МГИ, 1984., с. 243.

37. Ржевский В.В. Процессы горения. Методические разработки по проблеме «Углегаз». Часть Ш. М.: Изд. МГИ, 1985, с. 192.

38. Ржевский В.В. Варианты использования ресурсов энергии в недрах. Методические разработки по проблеме «Углегаз». М.: Изд. МГИ, 1985, с. 44.

39. Ржевский В.В. Горно-геологические условия подземного сжигания углей. Часть IV. М.: Изд. МГИ, 1985, с. 120.

40. Ржевский В.В. Возможности и экономические результаты угледобычи. Методические разработки. М.: МГИ, 1985

41. Ржевский В.В. Подземное сжигание углей. М.: МГУ, 1990.

42. Ржевский В.В., Васючков Ю.Ф., Янко СВ. Промышленные испытания технологии подземного сжигания угольного пласта в Донецком бассейне. Сб. МГИ. Получение различных видов энергии при подземном сжигании угля по технологии "Углегаз". М.: МГИ, 1988.

43. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1984,359 с.

44. Ржевский В.В., Селиванов Г.И. Подземное сжигание углей. М.: МГИ, 1989, 109 с.

45. Сагинов A.C., Векслер Ю.А., Граш;енков Н.Ф., Суслов В.В. Управление состоянием массива горных пород. Караганда: КарПТИ, 1978.

46. Селиванов Т.Н., Янченко Г.А. Теплотехническая оценка процесса подземного сжигания мощных крутопадающих угольных пластов. М.: Изд. МГИ, 1987, 76 с.

47. Селиванов Г.И., Янченко Г.А. Теплотехническая оценка процесса подземного сжигания мощных крутопадающих угольных пластов. Методические разработки. М.: МГИ, 1987, 78 с.

48. Сагинов A.C., Векслер Ю.А., Гращенков Н.Ф., Суслов В.В. Управление состоянием массива горных пород. Караганда: КарПТИ, 1978.

49. Скафа П.В. Подземная газификация углей. М.: Госгортехиздат, 1960, с. 322.

50. Турчанинов И.А. Подземная газификация углей. М.: Госгортехиздат, 1961,68 с.

51. Физические свойства горных пород при высоких температурах / Дмитриев A.n., Кузяев Л.С., Протасов Ю.И., Ямщиков B.C. М.: Недра, 1969, 160 с.

52. Чуханов З.Ф. Процесс газификации кокса и проблемы подземной газификации топлива. М. : Изд. АН СССР, 1957.

53. Шиллинт Г.Д., Бонн Б., Краус У. Газификация углей. М.: «Недра», 1986, 175 с.

54. Ямщиков B.C., Шкуратник В.Л. Контроль процессов при подземной газификации угля. М.: МГИ, 1985, 73 с.

55. Янко СВ. Обоснование подготовки пологих тонких угольных пластов с использованием технологии нового технического уровня. Канд. диссертация. М.:МГИ, 1987, 249 с.

56. Янченко Г.А. Тепловой баланс процесса подземной газификации угля. М. : Изд. МГИ, 1988,42 с.

57. Янченко Г.А. Материальный баланс процесса подземной газификации угля. М.: Изд. МГИ, 1988, 57 с.

58. A.c. 925094 СССР, МКИ С 10 5/00. Способ подземной газификации угля / И.С Гарпуша, В.Н. Казак, В.К. Капралов (приоритет от 21.02.80) М.: Б.И, 1988, №30.

59. A.c. 710245 СССР, МКИ С 10 5/00. Способ подземной газификации угля / Р.И. Антонова, Е.В. Крейнин (приоритет от 23.08.88). М.: Б.И., 1988, № 31.

60. An in-depth evaluation of LLL's R&D programme for the in situ gasification of deep coal seams. Report prepared for the U.S. Energy Research and Development Administration, Febr. 24, 1976, p. 142.

61. Caron A.M. An economic evaluation coal gasification. Proc. of the Second Annual Underground Coal Gasification Symposium, Aug. 10-12, 1976, Morgantown, West Virginia, USA, p. 155-168.

62. Fischer D.D., Branderburg CF., Schrider L.A. Energy recovery from in situ coal gasification. Energy Sources, 1975, 2, No 3, p. 281-192.

63. Ledent P. La gazéification souterraine du charbon. Rev. Energie, 1977, И, vol. 28, n 291, p. 89-101.

64. Manufacture of gas from combustible shale and by means of underground coal gasification / M. Gubergrits, A. Elenurm, I. Stepanov et al., Proc. of the 13-th World Gas Conference, Paper IGU/B6 76, London, 1976, 16 p.

65. The outlook for underground coal gasification / L.A. Schrider, C.F. Brandenburg, D.D. Fischer et al., Erdöl und Kohle Erdgas-Petrochem., ver. Brennstoff-Chem., 1976, 29, Nr. 9, s. 409-515.

66. Vasyuchkov M. Yu. Utilization of coal deposits by Underground Coal Combustion. Proc. of the II International Conference "Netradicni metody vyuziti lozisek", Chech.Rep, Ostrava, 1999, pp. 196-204.

67. Vasyuchkov Yu., Vorobjev B., Vais K., Vasyuchkov M., Vorobjev S. Novel methods for coal mining. Proceedings of 16-th Mining Congress of Turkey, 1999, ISBN, Ankara, pp. 151-157.