Цель и задачи ООО «СИГД-ПГУ»
ООО «Специальные Инструменты Горного Дела – ПГУ» (ООО «СИГД-ПГУ») считает своей задачей объединение, систематизацию и совершенствование технологии подземной газификации угля (ПГУ) для получения электроэнергии, химических продуктов и жидкого топлива. На основе вновь разработанных технологических схем, программного обеспечения и с учётом достижений современной углехимии, гидрогеологии, экологии горного производства, целью создания ООО «СИГД–ПГУ» является проектирование, строительство и эксплуатация опытно-промышленных коммерчески привлекательных предприятий ПГУ, что соответствует Постановлению Правительства РФ от 24 января 2012 г. № 14р. и предусматривает:
— производство газообразного энергоносителя и технологического синтез-газа из угольных месторождений с вовлечением забалансовых и некондиционных углей;
— обеспечение теплоты сгорания получаемого газа, пригодного для энергетических и технологических целей в диапазоне от 800 до 3000 ккал/м3.
— утилизация тепла, содержащегося в отходящих газах и в выгазованном пространстве и использование его в промышленных и бытовых целях;
— утилизация смолы и газового конденсата;
— замкнутый цикл водооборотной системы и отсутствие сточных вод;
— потери угля в недрах не более 15-20%;
— охрану земной поверхности и поверхностного растительного слоя от нарушения и порчи;
— при сжигании энергоносителя и переработке газа: выбросы в атмосферу твердых частиц – менее 0,1 г/м3(следы), окислов серы – менее 0,3г/м3 (следы), окислов азота – не более 0,2 г/м3.
Обоснование и область применения технологии ПГУ
К настоящему время были разработаны технологии получения газа ПГУ на воздушном дутье с теплотой сгорания 800-1000 ккал/м3 (3,35-4,2 МДж/м3). Развиваемая при сжигании такого газа температура не превышает 1200-1500°С, поэтому такой газ относится к топливам с пониженной жаропроизводительностью и может быть пригоден как топливо для низкотемпературных процессов (сушка, сжигание в топках котлов при малых тепловых напряжениях), где успешно использовался. Полученный на воздушном дутье газ из-за большого балласта азота N2, углекислотыСО2 неэкономично подавать потребителю расстояние более 25-30 км. Такой газ целесообразно использовать на месте его получения для производства электроэнергии на газотурбинных и особенно парогазовых электростанциях мощностью до 300 МВт с КПД до 40%. При использовании в дутье кислорода О2 теплота сгорания газа ПГУ может быть повышена почти в 1,5 раза, что позволяет использовать такой газ как энергетическое топливо для поучения электроэнергии по парогазовому циклу с КПД до 45%.
При парокислородном дутье или при очистке газа, полученного на воздушном дутье от негорючих составляющихN2, СО2, а также от сероводорода Н2S, при повышенном давлении в подземном газогенераторе может быть получен газ с повышенной в 2-3 раза теплотой сгорания, который можем использоваться не только как высококалорийное топливо, но и как технологический газ. В зависимости от соотношения компонентов газатехнологический газ может служить как исходное сырьё:
— при (Н2+СО)/N2 >3,1 для синтеза аммиака и получения карбамида,
— при (Н2+СО) > 95% для восстановления металлов из руд (взамен кокса),
— при Н2/СО >1,4 для синтеза жидкого топлива.
Производственный опыт получения газа ПГУ при различном дутье и газохимические расчеты позволяют сравнить теплоту сгорания и возможности его технологического использования при применении паровоздушного, парокислородного дутья с газом на паровоздушном дутье после очистки его от негорючих компонентов (N2, СО2) и сероводорода Н2S (см. Таблицу ниже).
Сравнение возможности газа ПГУ при различном способе его приготовления
| Способ | Состав газа, % | Q | Возможность получения | |||||||||
| подготовки газа | СО2 | Н2 | Н2S | СО | СН4 | N2 | ккал/м3 (МДж/м3) | Ам-миака | Для восстановле-ния | Жидкого топлива | ||
| Бурый уголь | ||||||||||||
| Паровоздушное дутьё | 18,9 | 17,3 | 0,5 | 5,7 | 2,8 | 54,8 | 800 (3,34) | — | — | + | ||
| Парокислородное 95% | 28,2 | 40,8 | 0,5 | 24,2 | 4,3 | 2,0 | 2000 (8,36) | + | — | — | ||
| Очистка газа от СО2, N2 и Н2S | 0 | 67,7 | 0 | 21,7 | 10,6 | 0 | 3000 (12,55) | + | + | + | ||
| Каменный уголь | ||||||||||||
| Паровоздушное дутьё | 6,6 | 13,1 | 0 | 22,2 | 2,2 | 55,9 | 1150 (4,8) | — | — | — | ||
| Парокислородное 95% | 18,6 | 33,7 | 0 | 37,1 | 4,2 | 6,4 | 3150 (13,2) | + | — | — | ||
| Очистка газа от СО2, N2 и Н2S | 0 | 34,8 | 0 | 59,6 | 5,6 | 0 | 3000 (12,55) | + | + | — | ||
Из таблицы видно, что очищенный от СО2, N2 и Н2S газ ПГУполученный на буром угле при паровоздушном дутье может быть не только достаточно калорийным газообразным топливом, но также может быть использован как технологический газ для производства химпродуктов и жидкого топлива.
Рациональная область применения предполагаемой технологии ПГУ определяется потребностью в электрической, тепловой энергии, в газе, химпродуктах, жидком топливе в конкретных регионах. Особое значение приобретает применение ПГУ в регионах с тяжелой экологической обстановкой, в районах Нечерноземья, а также в труднодоступных районах Сибири и Дальнего Востока. Это предполагает создание автономных электростанций, базирующихся на полустационарных модулях и передвижных установках.
В зависимости от качества получаемого газа, удаленность потребителя или места переработки газа не должна превышать: для низкокалорийного газа 800 ккал/м3(3,34МДж/м3) — 1150 ккал/м3(4,8МДж/м3) более 25 км, для газа с теплотой сгорания 3000ккал/м3(12,55МДж/м3) и выше — более 250 км.
Предприятия по получению газа ПГУ должны иметь производительность не менее 2,5 млрд. м3 газа в год, что обосновано предыдущими исследованиями по влиянию производительности на удельные капитальные затраты и себестоимость продукции, повышение производительности труда, уменьшения энергоемкости и металлоемкости.
Основные технические решения
Задача охраны недр применительно к ПГУ, заключающаяся в полной переработке запасов угля, предотвращении потерь полученного газа, потерьего физического тепла, а также сопутствующих химических элементов, решается путем:
— применения эффективных технологических схем газификации и конструктивного оформления подземных газогенераторов, учитывающих конкретные горногеологические условия залегания угольных пластов;
— управления процессом газификации и выгазовыванием угольного пласта в подземном газогенераторе;
— извлечения из подземного газогенератора и комплексного использования газообразных и жидких продуктов газификации и переработки газа;
Технологические схемы подземной газификации углей
Предлагаемые новые технологические схемы основаны на бесшахтной подготовке и газификации угольных пластов, как апробированных в промышленных условиях, так и теоретических. Они включают в себя технологические приемы, обеспечивающие 90-95% полноту выгазовывания запасов угля и теплоту сгорания газа: на воздушном дутье — 800 ккал/м3(3,34МДж/м3) — 1150 ккал/м3(4,8МДж/м3), а после очистки от сероводорода, азота и углекислоты — до 3000ккал/м3(12,55МДж/м3).
Разрабатываемые ООО «СИГД-ПГУ» технологические схемы предназначены для газификации пологих и малонаклонных пластов угля мощностью 2-10м. Конструкция подземного газогенератора предусматривает использование физического тепла образующихся газов для предварительной термоподготовки угля вдоль зоны транспорта газа и выделения летучих веществ из угля. Для пластов с большими мощностями и глубиной залегания, могут также использоваться принципы газификации в удлиненных каналах, подготовленных наклонно-горизонтальным бурением, а также направленная подача дутья.
Известно, что шахтная разработка угольных пластов на больших глубинах (600-1200 м) технически весьма затруднена (повышение температуры, увеличение горного давления и др.), а подземная газификация вполне осуществима под высоким давлением, что приводит к сокращению утечек газа из подземного газогенератора. Значительно уменьшается водообильность пород и влажность угля, за счет чего отпадает необходимость в предварительном осушении участков газификации.
Расчеты теплового баланса процесса ПГУ, осуществляемых на прежних конструктивных схемах подземного газргенератора с достаточно малыми расстояниями от огневого забоя до газоотводящей скважины показывают, что физическое тепло газа составляет от 5 до 10% теплосодержания сгазифицированного угля. Температура газа на входе в газоотводящую скважину при коротких каналах составляет 800°С и выше, что приводит к температурным напряжениям в ставе труб. При отсутствии охлаждения происходит деформация металлических труб и разрушение цементного кольца, что приводит к разгерметизации газогенератора.Предлагается увеличить расстояние от огневого забоя до газоотводящей скважины, что позволит, с одной стороны, улучшить термоподготовку пласта, а с другой, снизить температуру газа. На наклонной выходящей части газоотводящих скважин оборудуется теплообменники для подогрева воздуха (или образования водяного пара) для организации и применения горячего воздушного (или паровоздушного) дутья.
Управление процессом газификации осуществляется путем изменения: интенсивности подачи дутья и отвода газа, давления, состава и температуры реагента (с добавкой пара).
Стабильное получение кондиционного газа и полнота извлечения запасов угля в подземном газогенераторе обеспечивается: прогнозированием положения первоначальных каналов газификации, оперативным макшейдерским и гравиметрическим контролем за характером выгазовывания угольного пласта по площади и мощности, рациональным конструктивным оформлением обсадных колонн скважин, обеспечивающих заданный срок их эксплуатации.
Предложен научный подход к осуществлению автоматического управления технологическим процессом ПГУ. Предусматривается создание компьютерных систем мониторинга, базирующихся на непрерывном отслеживании изменения технологического и геомеханического состояния газификации с обработкой на принципах самоорганизации математических моделей, позволяющих оперативно выбирать оптимальные технологические параметры управления процессом ПГУ.
Очистка и переработка газов ПГУ
Газ, получаемый в подземном газогенераторе, перед подачей потребителю (электростанция, химпредприятие, предприятие получения жидкого топлива и др.) должен быть подвергнут обработке, которая включат в себя: очистку от твердых примесей, конденсирующихся углеводородов (фенолы и др.), сернистых соединений, двуокиси углерода и азота.
Для очистки от твердых примесей в газе, выходящего из подземного газогенератора по высоким давлением 2-5 МПа (20-50 атм) при температуре 400°С и выше, наиболее целесообразно применить сухие механические методы пылеочистки. Это позволит использовать физическое тепло газов и упростить водно-шламовое хозяйство очистной системы наземного комплекса. Перспективными для очистки горячей пыли является метод фильтрации через термоустойчивые тканые металлические сетки, помещенные непосредственно в газопроводе вблизи скважин.
Для газов ПГУ предпочтительным методом очиcтки газов от сероводорода является применение сухих высокотемпературных процессов извлечения серы из газа, при которых снижены теплопотери и уменьшается количество сточных вод.
Получение газов, предназначенных для энергетических и технологических целей, например, синтез-газа с заданным соотношением Н2/СО возможна при использовании паровой конверсии окиси углерода непосредственно в канале газификации с применением железохромовых (для 850-550°С) и цинкохромовых катализаторов. Необходима разработка данных методов управления протеканием таких реакций и расход катализаторов в подземном газогенераторе.
Перечень новых технологий, подлежащих разработке
- Разработка инновационной схемы подземного газогенератора с учётом недостатков предыдущих схем.
- Технологическая схема использования тепла исходящих газов.
- Разработка приспособлений для перемещения точки подачи дутья в подземный газогенератор с учётом недостатков, присущих методу CRIP.
- Возможно, технология выгазовывания целиков угля в шахтах.
- Разработка математической модели процесса газификации с учетом основных влияющих факторов (горногеологические условия, состав дутья, режимные показатели, конструкция газогенератора и т.п.).
- Совершенствование методов эксплуатации подземного газогенератора с целью ликвидации выявленных недостатков.
- Разработка методов контроля за изменением состояния вмещающих пород и контуров огневого забоя в реальном времени с компьютерной прогностической картой, предусматривающей меры противодействия нежелательным факторам.
- Способы защиты скважин от сдвижения горных пород.
- Способы защиты земной поверхности при разработке мощных пластов.
- Разработка технологии по обесфеноливанию производственных сточных вод техническими сульфохлоридами.
- Разработка технологии по извлечению двуокиси углерода из газа ПГУ, её хранения и использования в дальнейшем процессе ПГУ.
- Разработка технологии по извлечению серы из газа ПГУ,
- Разработка технологии проводки скважин сложного профиля.
- Исследование газификации углей на различных агентах (воздушно-парового, диоксид-углеродного-воздух, обогащенное кислородом и др.).
- Включение технологии ПГУ в ESG-повестку для широкого применения в условиях Российской Федерации.
Пример возможной реализации предлагаемой концепции
Производственная мощность горно-энергетического предприятия ПГУ 1,5-5,76 млрд. м3 газа в год.
Теплотворная способность энергоносителя до 3000 ккал/м3(12,55 МДж/м3).
Коэффициент полноты использования запасов угля – не менее 90%.
Экологические требования по нормам выбросов в атмосферу;
— твердых частиц – менее 0,1 г/м3;
— окислов серы не более 0,02 г/м3, диоксида углерода – 100%-ная очистка, азота – около 100%-ная очистка.
Очистка газового конденсата газопроводов и подземного выгазованного пространства от фенолов и их переработка для получения химических продуктов.
Замкнутые циклы водооборотных систем.
Противопожарная безопасность обеспечивается выполнением общепринятых действующих на предприятиях норм и правил при сжигании газа ПГУ и выработке дутья.
Ожидаемые расчетные технико-экономические показатели предприятия, включающего станцию «Подземгаз», комплекс по очистке газов и электростанций мощностью 100 Мвт:
Производственная мощность: по газу 1,5 млрд. м3/год, по углю (при калорийности угля до 3000 ккал/кг) 0,75 млн.т.
Теплотворная способность энергоносителядо 3000 ккал/м3(12,55МДж/м3).
Энергетический КПД 40%.
Прибыль предприятия, вырабатывающего газ ПГУ и электроэнергию 100 Мвт с учетом реализации газа для выработки серы, тиосульфата, диоксида углерода, карбамида, жидкого топлива и др. в 5,5 раз больше, чем при поставке потребителю только газа.
Срок окупаемости капиталовложений:
- а) при выработке газа только для выработки электроэнергии 7,5 лет,
- б) при реализации технологического газа для выработки серы, тиосульфата, диоксида углерода, карбамида, жидкого топлива и др. – 1,3 года.