автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Газификация угля водяным паром при высоких термобарических параметрах

ГБ ОД

г . ,і ' ‘ МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВШІЙ УНІВЕРСИТЕТ .ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА“

На ирг.іім рукопису УДК 66.071 +622.278+622.276/277

БРИК ДМИТРО ВАСИЛЬОВИЧ

ГАЗИФІКАЦІЯ ВУГЇЛЛЯ ВОДЯНОЮ ПАРОЮ ГІРИ ВИСОКИХ ТЕРМОБАРИЧНИХ ПАРАМЕТРАХ

05. 17. 07 Хімія і технологія переробки горючих копалин та вуглецевих' матеріалів

• Автореферат

дисертації на здобутгя наукового ступеня кандидата технічних наук

Лмііп ~ 1995

Дисертацією є рукошіл

Робота виконана в Інституті геології і геохімії горючих копалин НАН України.

Наукові керівники— заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Чекалюк Еммаиуїл Богданович

Офіційні оионентн-

доктор технічних наук Стефаїшк Юрій Васильович

доктор технічних наук, професор Квітковськшї Леонід Миколайович

Провідна установа—

кандидат технічних наук, старшин науковий співробітник Рудкевич Мар’ян Іванович

Відділення фізико-хімії і технології горючих копалин ІФХ ім.Л.В.Писаржевського НАН України

Захист відбудеться “26' “ ¿¿¿//Я і996р. о 15Ш на засідай

спеціалізованої вченої ради Д 04.06.0s при Державному універенте „Львівська політехніка“ за адресою: 290646, Львів - 13, пл. Св.ІОра ЗІ корп.8, ауд.339.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліоте Державного університету .Львівська політехніка“ за адресою: Львів-13, в) Професорська, 1.

Автореферат розіслано “ -Я 1993 р.

Вчений секретар спеціалізованої , .

вченої ради Д 04.06.08 У

доктор хімічних наук, профссор^^^^^В. М. Жизнєвськиї

Ак:цалі.иість робощ. Високі іемгш енергоспоживання органічного палива ведуть до вичерпування нафти та газу, а також кондиційних запасів вугілля. В зв’язку з цим із умовах нестабільного енергопостачання України вирішальне знамення може мати переробка некондиційних вугільних пласті» u газоне паливо ме'іодом підземної газифікації, оскільки їх запаси в десятки, а то і спіні разів перевищують .запаси кондиційного вугілля.

Геотехнологічний метод підземної газифікації вугілля (! Н В) має переваги і в тому, що u порівнянні з шахтним видобутком виключається небезпечна праця людей під землею і різко зменшується забрудненість оточуючого середовища, не порушується і не використовується під складування відходів вугільної промисловості шар грунту,, виключається ціла низка технологічних операцій, покращуються умови праці та стан біосфери, існує можливість використання йугільних некондиційних (малопотужних, багатозольних, обводнених, глибокозалягаїочпх. солоних та ін.) покладів, розробка котрих шахтним способом є нерентабельною, я інколи і неможливою.

Геотехнологія 111 В вимагає вдосконалення відомих і розробки нових методів, котрі передбачають підвищення теплоти згоряння газу, зменшення енерговитрат процесу та здешевлення отриманої продукції. Тому детальне дослідження процесу газифікації вугілля водяною парою при високих термодинамічних параметрах с актуальним і має не тільки науковий, але і практичний інтерес.

Робота виконувалася по науковій тематиці, розробленім у

відповідності до Постанові! ДКНТ СРСР МІ* 94 від L9.03.SfJ р 1

№ 43 від 02.01.81 p., Постанови Держплану УРСР № 3-деп від

28.01.81 p., Постанов Президії АН УРСР № 443 від 20.03.81 р , № 535 від 25.11.83 p., № 402 від 24.12.87 p.. а також Псесогтггс> програми “Мінеральні ресурси“ і Республіканської прогрі чі “Енергокомплекс“. Дослідження знайшли свос відображення v відомчих тематичних роботах Національної Академії наук України /№ держ. реєстрації 0181101281, 01840027231. 0188(1029392, 01860101616 та ін./.

Актуальність дисертації підтверджується включенням її як складової частини в дослідження процесу ПГВ по договору < Держвуглепромом України № А619501000М „Розробиш ■технологію

нідіемної газифікації некондиційних пластів кам’яного вугілля зі складним*! гіршічо-іеплопчішмн умошіми, що забезпечує отримання в зоні горішія /азу високої калоріпності‘'(1991-1995рр.).

Мота робот». Розробка ефектніших способів процесу підземної газифікації иуіілля з засзосуванням водяного реагенту при високих термобаричних параметрах. •

Наукова нопизна. Обчислені граничні показники (склад продуктів та теплофізичні характеристики) процесу газифікації вугілля водяною парою для заданого співвідношення вихідних реагентів в заданих термобаричних умовах. .

Розрахована мінімальна потужність вугільного пласта, придатного для газифікації при заданих глибині залягання та речовинному складі вугілля. . '

Експериментально встановлені кінетичні залежності та параме три процесу газифікації вугілля водяною парою в залежності від темперачури і тиску.

Розроблені геотехнологічні способи циклічного отримання водяного газу та метану стосовно до гірничо-геологічних умов залягання вугільного пласта. ,•

Практична иіііиісті.. Встановлено оптимальні режими технологічного процесу ПГВ На водяному реагенті в залежності від гіршічо-геологічішх умов залягання вугільного пласта. Визначено мінімальну потужність пласта, енергетично придатну для ПГВ. Встановлено залежність теплового ККД і відносного показника теплової ефективності процесу ПГВ від температури і зиску. Проведена оцінка можливих тепловтрат у вугільному пласті.Запропоновано нові, способи інтенсифікації ПГВ з використанням водяної пари. Доведена, конкурентноздатність підземної газифікації вугілля на водяному реагенті порівняно з існуючою технологією станції"» «Підземгаз» для умов Львівсько-Волинського вугільного басейну. В ході дослідно- промислових робіт на дільниці «Углегаз» ВО «Тулауголь» отримано річний економічний ег|х:ісг від впрошуркенш розробки в розмірі 87.3 тис.крб. (в цінах 1987 року). •

АнроРяпія. роботи. Основні матеріали дисертаційної роботи доповідалися на 111 конференції молодих наукоиціа і спеціалістів (Львів, 19S4 p.). 1 Республіканській конференції «Перспективи внкорисгапня вугілля та продуктів його переробки в народному господарстві» (Донецьк, 1985 p.), на конференції «Науково- технічний

прогрес в мінерально-сировинному комплексі Української PCP» (Сімферополь, 1985 p.), на нараді по хімії і технології т римання рідких та газоподібних палив з вуілчя, сланців і нафтових заліпим» (Зі)ешігород,Моско!!Сі.ка обл.,1985 p.), на семінарі «Методи прямого перетворення енергії» (Киї», 19S6 p.). на Нсесоюзшп конференції «Хімія застосування неводних розчинів» (Іваново,1986 p.), на Республіканській конференції •-•'Перспективи розвитку науково-технічного прогресу в мінерально-сировинному комплексі Української PCP на період до 2010 р.» (Севастополь. 1987 p.), на Всесоюзній нараді по проблемах хімії і технології підземної газифікації вугілля (Ангрен, 1989 p.), на .Всесоюзній конференції «Створення високоефективних процесів переробки і використання твердих горючих копалин, отримання альтернативних моторних палив і хімічних продуктів з вугілля» (Донецьк, 1989 р.) , на Ш науково-практичній конференції «Еколого-економічні і соціально-правові питання природокористування і охорони природи» (Львів, 1989’ p.), на Всесоюзній конференції «Сучасні проблеми геології і геохімії твердих горючих копалин» (Львів. 1991 ¡> ). на Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми і шляхи енергозабезпечення України» (Івано-Франківськ, 1993 p.).

Циклічний спосіб підземної та іііфікапії вугільного пласі а пагоіюджено дипломом і-реіього ступеня ВДИГ У PCP (19X6 р ).

Публіки ції. Основний зміст дисер тації викладений і> 11 спптях, 4 тезах art 6 авторських сиідоцпіах на винаходи.

Автор зіімчцас:

— оптимальні релліми та параметри технологічного процесу

газифікації вугілля водяною парою; •

— методику розрахунку мінімальної потужпості вугільного пласта, придатного для підземної газифікації при заданих глпопиі залягання та речовинному складі вугілля;

’— експериментальні кінетичні закономірності пропасу газифікації вугілля водяною парою в залежносіі від •іермооарнчпн\ умов:

— принципову геотехнологічну схему циклічного способу підземної газифікації в\ гільпої о гпаста.

С т|>\к і \ і>:> тії_оііЧм роботи. Дисер'ї .іція ск.іадлсз ься зі

вступу. 7 глав, висновків, списку використаної літератури (119 найменувань) і 4 додатків. Матеріали викладемо па 222 сторінках, місптп» 26 рисунків і 37 таЯвть.

У вступі обгрунтовано доцільність та актуальність проблеми,викладена мета роботи, її значимість для науки і практики.

В першій . глаці викладено огляд літератури з проблеми підземної газифікації вугільних пластів. Наведено критичний аналіз роботи станцій ПГВ в колишньому СРСР /Мосбас, Донбас і Кузбас/,а також и Італії,Бельгії,Великобританії;Франції,США та ін. Порівняно техніко-економічні показники станцій «Підземгаз» з показниками вуглевидобувних підприємств. Виявлено причини нерентабельності сганцій «Підземгаз» за традиційною технологією ПГВ. Встановлено, що основним недоліком газу ПГВ є засміченість його негорючим баластом - діоксидом вуглецю та азотом. Тільки при газифікації вугілля водяною парою при високих термобаричних параметрах цей недолік усувається, а отриманий водяний вугільний газ складається головним чином з СО і Н2. Це різко знижує питомі витрати на його транспортування, а також дає можливість використовувати його як хімічну сировину. Обгрунтовано необхідність підвищення ефективності існуючої технології ПГВ та накреслено шляхи її вдосконалення.

В пругій главі наведені результати теоретичних розрахунків рівноважного складу продуктів (Нг, НгО, СО, СОг, СН4, СгНб) ’її» теплофізичних показників процесу газифікації в залежності від співвідношення вихідних реагентів та термодинамічних умов в зоні синтезу. Визначено питому теплоту утворення газу, сумарний тепловий ефект реакції синтезу, теплотворну . здатність синтезованого газу, коефіцієнт корисної дії процесу та ін..

Аналіз отриманих теоретичних результатів рівноважного складу продуктів газифікації та теплофізичних властивостей процесу вказує, що оптимальними технологічними параметрами є температури в межах 1073-1273 К і тиски в межах 4-10 МПа.Прн цих термодинамічних .параметрах найвищий вміст горючих компонентів газу і, відповідно, найнижчий вміст баласту СО2 і НгО; найвища теплота згоряння газу; високий вихід продукції.

Розраховані теоретичні показники процесу газифікації є граничними, тобто вони досягаються при довготривалій витримці рсагешів в заданих термобаричних умовах з наступним досить швидким загартуванням продуктів реакції до тсмпераіур, що гальмують розклад продуктів сшпсзу.Точж - виконати ці вимоги в

підземних умовах неможливо/тому гранична якість отриманого газу в повній мірі не досягається. Однак, п підземних умонах треба врахувати і процес піролізу вуї Ілля,висококалорійні (7.0-24 МДа-і/м'ї гази котрого при змішуванні з продуктами газифікації істотно збільшують кількість валової продукції і підвищують її сумарну теплоту згоряння.

В главі 3 описано лабораторну установку дая дослідження процесу газифікації вугілля водяною парою (рнс.і).

Рпс.1. Схема лабораторної установки для дослідження процесу газифікації вугілля водяною парою 1- реактор; 2- електронаїріинч; 3- 'теплоізоляція; 4-аптотрансформ.тгор; 5- термопара; 6- потенціометр; 7' клапан запобіжний; 8- насос пакуумнпй

Реактор 1 являє собою товстостінний точений циліндр високого піску з жароміцної та жаростійкої сталі з внутрішнім »Темом 289см-’' і розрахований на робочий тиск .$ 4.0 МПа при робочій температурі матеріалу стінки 1273 К.

Реактор заван тажували вугіллям Львівсько-Волинського басейну в кількості 0,1 кг, відібраного па шахті № 4 «Волпкоміч:-тівська», наступного слемеїтюго складу, % мас.: С - 857; н - 5.1;

N - 136; Б - 0,93; О - 7,41. Досліджуване вугілля характерпзуеп.ся /в % мас./: волога -1,5; зольність - 4,9; вміст сірки - 0,88; вміст летких - 31,8; теплота згоряння сухого вугілля -31,45 МДж/кг.

Процес газифікації проходить в дві стадії. На першій стадії

вугілля проходить суху перегопку до заданих температур (11231223 К) при швидкості нагріву 8-10 К/хв. і закінчується при практичній підсулюсті виходу ніролізного газу. При цьому з вугілля виділяються пірогенетична вода, смола та піролізний газ, а також сірка і аюг. На другій стадії залишок вугілля після сухої перегонки, що складається в основному з коксу і золи, проходить газифікацію ію,чямо<о парою за схемою С + НгО—> [ ЬЬО, Нт, СО, СО2. CH_t ]. Гірн цьому підгримували постійні температуру і тиск. Через певні інтервали часу вимірювали кількість води, ідо подавшій в реактор, кількість пади, що виходила з реактора, об’єм синтезованого газу, а в кінці експерименту зважували зольний залишок. Склад ніролізного та синтезованого газів визначався хроматографічним методом, а для вугілля проводився технічний аналіз та визначався елементний склад.

В главі 4 наведені результати експериментальних робіт, а також матеріальний і тепловий баланси процесу газифікації вугілля водяною парою на лабораторній установці.

На стадії піролізу при температурах 1123-1223 К і тисках 0,49,6 МПа з вугілля виділяються вся сірка і азот в оксидах, котрі майже повністю поглинаються смолою і пірогенетичною иодою. В складі ніролізного газу сірки не виявлено, а вміст азоту складає 1-4% об.

Результати другої стадії експериментальних робіт показані на прикладі експерименту № 12 (табл.1).

Більш високомолекулярні вуглеводневі сполуки, а також сполуки азоту та сірки в газоподібних продуктах реакції не були виявлені, що повністю узгоджується з теоретичними результатами, наведеними в другій главі дисертації.

- Загальний матеріальний баланс та баланс завантаженної о вугілля експериментальних робіт наведені в табл.2. .

• Обчислено також матеріальний баланс по водню і по кисню як для процесу в цілому, так і для другої стадії газифікації. Відносні похибки (Е) для водню складають від -3,1% до +2,7%, а для кисню від -3,6% до +4,2%. '

Для спрощення аналізу теплового балансу запропоновано користуватися відносним показником теплової ефективності процесу

■ Таблиця 1 Склад та вихід сухого газу в залежності від часу та кілі,кості водяної пари, що прореагувала, при тиску 1,2 МПа і температурі 1123 К .

№ пробі газу Дт; гол- К—ть под. пар«, моль К—ть отріаіа- Склад сухою газу в иолиоос частках Місі пау, і- К—іь вуглсшг в ті г

Пода- ча Зво- рот Різ- ШІЦК ІШ> газул И2 со сог 7 " ІСЩ

4 1,0 4.44 3.61 0.83 36.8 0.47 цю 0.08! 0 05 24.35 |)Г>

5 1.2 3.83 2.73 1.16 51.8 0.49 о.39; о ю: о.оз . 33.45 12.59

6 1.0 3.56 2.54 1.02 42.9 0.52 0.28 0.1 б! 0.04 28.08 9.76

7 1.0 3.25 2.39 0.86 38.3 0^50 0.38 0.09 0.03 24.71 9.24

8 1.0 3.19 2.44 0.75 30.7 0.53 0.25 0.18 0.01 20.37 6.92

9 1,0 3,00 2.45 0.55 24.8 050 0.38 0.09 0.03 15.94 5.96

10 1,0 3.17 2.76 0.41 17.9 ОД) 0.34 0.12 0.04! 11.66 4.26

11 1,0 .3.11 2.79 0.32 13.2 0.52 0.28 0.16 0.0.: 8.71! ’.02

Сер. . Т.І.. 0,50 0.34 0.12 0 04 і

С>мп 8.2 27.61 22.16 > і ІГ, 256.4 — ' ' і . . І — [ 167.26, 6!>.9Х|

Таблиця 2

Вихід продукті та матеріальний баланс пронесу газифікації и залежності від і-емператури і 'піску / маса заиаптаженого вугілля 100 г/

№ експе Параметри процесу Баланс занангажспот вуїіі'ія, Г Заіалмішї баланс процссу, ■ г

рнмсі ту р, МПп X К М.тса г^пд\>ті."( піртліз* 'ЛТЭ+В}>ЛЦЬ » пц <}ші ) 1 Е О/ М;я вііхіїпіх ‘Ми-л ! [хміипір / ну- 'про,іук- ; кіп + щц! \ іін . ; “¡.

7 0.4 1123 99.32 1 о 149.14,' 147.69і - 1.0

8 1.2 1123 104.63 + 4,6 164.08' 168.61 + 2.К

4 3.6 1123 94.06 - 59 і 1 205,70а 197.79 - 3.8

5 0.4 1173 98.54 - 1,5 199.54 198. ЇХ -0/.'

9 1.2 1173 97.62 - 24 І ко.ю 177.72 - ІЗ

14! 1.2 1173, 103.91 + 3.9 167.86 167.02 -И<

10! 3.6 1173: 103.91 *+3.9 і 176.14і 180.19' 23

¿І 9.6 1173 99.54 . - 0.4 ! 156.70 152.86 - 2.5

13і 0.4' 1223. 98.6 - 1,4 ! 187.30. 186.05 - 0.7

12І 1.2і 1223' 105.23 + 52 'і 198.10 211.5! *(>.',

11! 3.6, 1223 . 105.01 і + 5,0 і 1«8.82 203.8 і ■* '

газифікації вугілля Є .котрий за розробленою нами методикою визначається формулою:

Ог+Осм+Оф /, Он \

‘—ідг- ■ =т|а") <»

де О г і О»,- тешюта згоряння відповідно газу та смоли; С2ф- фізичне тепло згоряння продуктів процесу; С2е- зовнішні витрати тепла (для лабораторної установки - це витрати електроенергії);

І] - тепловий коефіцієнт корисної дії; <3В - теплота згоряння вугілля. ■

Величина Є < 1 свідчить, що процес газифікації вугілля є енергетично, а підповідно і економічно, невигідним, а Є >1 свідчить, що и результаті процесу отримано енергії більше, ніж витрачено. Розрахунки параметрів Т| і Є для лабораторної установки вказують на можливість проведення ендотермічного процесу газифікації вугілля подиною парою в підземних умовах (значення Т),1л і епп для вугільного пласта наведені в табл.4).

В главі 5 розроблена методика обчислення швидкості процесу газифікації вугілля водяною парою (друга стадія) за експериментальними даними. Середня швидкість процесу газифікації \Ус в год-1 для кожного експерименту визначається за формулою: . ' .

ІС ^ • Д X;

У/с=-^—^------------ ■ (2)

. X АХ;

и

\Vcj- швидкість виграти вуглецю в інтервалі часу спостереження А Т] ; j- номер проби газу; П- кількість проб газу.

З врахуванням поверхонь контакту швидкість витрати вуглецю \Vcj- в інтервалі часу спостереження визначається наступним чином: ’

сп

(Зв 1 ДбсДті)

(3)

оп . . .

ба * вихідна маса вугілля, що залишилося в реакторі після

иіїхзлпу; 6С^) - біжуча маса стцчррпіої наважки; А Сс,(^) - змін.і

миси наважки в ішіфізалі часу спостереження ЛXj •

Всі величини у формулі (3) вимірюються в процесі експеримент ІІ. II,-ішх робіт, що дає змогу визначити швидкості газифікації вугілля и залежності від термобаричних умов (табл.З).

Найвища швидкість реакції вугілля з водою та витрати вуглещо(рис.2), а також найбільші інтенсивність газоннділоііт, і

кількість отриманого газу припадають па перші 3-5 годин процесу, що має важливе практичне значення і може бути використане для прогнозування промнслоиих процесів підземної газифікації вугілля.Зокрема,

> »Т-» І < 4 ЛЛ

при заданій продуктігвності ннробннцт- . . ;

ва горючого газу, на основі значень 1 - 1

швидкості У/с можна прогнозувати об’єм підземної зони синтезу, що забезпечує задану продуктнвність.Таких можливостей в промисловій практиці до цього часу не існувало.

Таблиця З ЦІшідкісп. П]Х)цесу гачифі-кації і» зіі'ісжі ісхггі під тиску і темпераіурн (год.-1)

Тиск, Телгртічра, К_

' 1173 1223

0.4 ; 0.0337 , 0.1546 0.1995

^2 і 0.0853 ; 0.1123 ' 0.2479

3.6 ' 0.0766 . 0.1054..0.1463

9.6 1 — 0.1086 —

Експериментальні дані при тємпєратурах (К|<‘ в-»123; а-1223.

Швидкість процесу {\Л/с.год' ------

Витрати вуглецю ( &с ):--------

Рис.2. Залежність швидкості процесу С+НгО та втрат вуглецю від часу і температури

Найбільш важливим показником процесу є теплотворна здатність триманого сухого газу, котра в розглянутих термобаричних умовах газифікаціїї вугілля водою змінюється в межах 11,2-12,9 МДж/м3, що приблизно є и 3 рази вище теплотворності газу на повітряному і а 2-2,4 рази вище на водоповітряному реагентах.

При проведенні процесу газифікації в підземних умовах з метою збільшення виходу газу, підвищення його теплотворної здатності, зменшення вігграт води та збільшення ступеня її розкладу процес необхідно проводити при тисках 1,2-3,6 МПа і температурах більше 1173 К. Верхня границя температури може обмежуватися тільки точкою плавлення золи вугільного пласта (1400-1500 К).

В главі 6 розроблені геотехнологічні способи підземної газифікації вугільного пласта. Для цього на основі встановлених експериментально кінетичних параметрів процесу газифікації та застосувавши елементи теорії подібності визначені енергетичні характеристики процесу підземної газифікації вугілля (табл.4).

З умови є > 1 випливає, що оп-Таблиця 4 тимальними для газифікації' є

Залежність Т)лл і Елл вад темпе- температури 1173-1223 К і тиски

ратури і тиску для вугільного 12 - 3,6 МПа. .

пласта потужністю 03 м Вирахувані теплові втрати в

покрівлю та підошву вугільного Пласта в процесі газифікації та розроблена методика обчислення мінімальної потужності вугільного пласта, підземна газифікація • котрого вже буде ефективною. Встановлена мінімальна потужність вугільного пласта ( 0,20-0,30 м, в залежності від термодинамічних умов ведения процесу газифікації) не є заниженою, оскільки вугільний пласт має значно кращу теплову ізоляцію, ніж лабораторна установка.

Розроблений циклічний спосіб отримання водяного газу з вугільного пласта (рис.З) полягає в чергуванні зміни напрямній двох агентів газифікації - повітря та води, В першому півперіоді вугільний пласт 1 через свердловину 10 запалюється і розігрівається до температури 1273-1373 К, а продукти згоряння відводять через свердловину 11. При проходженні через зону 2-3 продукти згоряння прогрівають її до температури піролізу, а в пласті акумулюється тепло, необхідне для покриття ендотермічного ефекту процесу газифікації вугілля водою. В другому півперіоді через

Тііск,! Лій ! £пи

мгь! 1123 К- ігак 1223 К

0.4.0,12/0,15 0,45/0,66 0.77/1,78

1.2[0.27/0,22 0,57/1,03 0,78/1,70

3.6І0,30/0,39 0,61/1,04 0,68/1,30

?А - . 0,68/1,44 —

— И —

Горючий ГА)

Рис.З. Технологічна схема циклічного способу ПГВ.

1-иугільшш пласт; 2,3,4-зони прогріву пласта; 5-зона горіння вугілля; 6-глибинпа термопара; 7-гліібшшиії манометр; 8-пакер; 9-труба теплоізоляційпа;10-видобувна спердлопина;11-нагнітапьна свердловина ' . • -.

свердловину 11 подають газифікуючий агент — воду в напрямку, протилежному пересуванню зони горіння. Вода при проходженні через прогріту зону пласта перетворюється в пару і попадає и зону розігрітого до температури 1273-1373 К вугілля 4, де проходить

реакція утворення водяного газу за схемою С+І ЬСХ—> СО+-] Ь.

З сухою парою повергаються в зону синтезу водяного газу продукти піролізу вугілля. Гарячий (1200-1250 К) цільовий газ, пір утворився, складається в основному з СО та Ні і після переходу через вигазований простір 5 попадає на забій видобувної свердловини 10. Воду подають до вичерпання запасів тепла, котре необхідне для протікання реакції утворення водяного газу. Припинення подачі води в пласт необхідно проводити при температурі в зоні синтезу не нижче 1073 К. Далі знижувати температуру н пласті недоцільно, оскільки при цьому різко зменшується вихід СО та І Ь і пплідкість

реакції, а також знижується ККД газифікації. Крім того, температура 1073 К є достатньою для повторного запалюванііяя та розігріву вугільного пласта. Припиняти подачу води слід також при зниженні вмісту СО та Нг в цільовому газі нижче, наприклад, 3334% об. Безперервне отримання водяного газу з вугільного пласта забезпечується при використанні декількох ділянок, по дві свердловини в кожній, що‘ працюють у протилежних фазах циклічного процесу ПГВ.

Розроблений періодичний спосіб отримання метану з обводнених вугільних пластів передбачає створення в пласті штучної газової шапки з саморегулюючим водним затвором у видобувній свердловині шляхом подачі у нагнітальну свердловину .повітря при одночасному виливі пластової води з видобувної сйердловини. Запалювання і розігрів вугільного пласта проводять повітрям до температури 1300 К .оскільки реакція утворення метану є ендотермічною і наступний синтез метану по реакції 2С+2НгО—> СН4+СО2 здійснюється за рахунок теплоти, що нагромаджена в пласті.

Запропоновані способи ПГВ призначені для впровадження на некондиційних та забалансових вугільних родовищах (тонко- і багатогіластовнх, високозольних, обводнених, з невеликими запасами вугілля, глибокозалягаючих та ін.), тобто абсолютно непридатних для розробки традиційними методами.

У главі 7 техніко-економічний аналіз проведено на прикладі вугільного родовища, що залягає на глибині 300 м з геологічними запасами 2,4 мли.т і зольністю вугілля 12% мас..Приймаючи коефіцієнт охоплення пласта процесом газифікації 0,8, родовище містить 2,4 х 0,88 х 0,8 = 1,7 млн.т горючої речовини вугілля. Піролізом з цієї кількості вугілля можна добути до 10% (0,17млн.т) рідких горючих продуктів, а частина чистого вуглецю, що залишається, становить *1,53 млн.т. З цієї кількості буде отримано

1,53 • 106 х 2941 + 0,6 =5 млрд. м3 газу з приведеною теплотворною здатністю 7,8 МДж/м3 (2941 м3/т - середній вихід сухого газу,

0,6 млрд.м3-кількість піролізного газу).

Техніко-економічні показники запропонованого циклічного способу отримання водяного газу для розрахункового підприємства ПГВ з потужністю 0,5 млрд. м3 газу на рік при терміні його експлуатації 10 років складаються з витрат на капітальне будівництво - .

6,55 млн.дол,,'та експлуатаційних в і гграт-7,15м; і; і. дол.,разом -13,7 мли. дол.

Реалізація побічних продуктів підприємства, а саме горючого конденсазу (смоли) по ціні 15 долУт - 0Д7мліі.т.х15=2,55 мли. дол.. З врахуванням цієї суми собівартість газу ПГВ калорійністю 7800кДж/м3 буде(13,7-2,55)млн.дол. :5,0млрд. м3 =2,23дол./1000 м3. Тобто собівартість газу ПГВ є значно нижчою, ніж на існуючих станціях «Підземгаз» (табл.5).

Таблиця 5

Порівняння техніко-економічних показників розрахункового

підприємства 111В та Ангренської станції «Підземгаз».

№ Натиіугтя Одшшця Станція Розрахункова

п/п ПЛОТИКИ виміру „Підземгаз“ станція ПГВ

1. Тиск газифікації • МПа 02—03 1.2

2 Температура газифікації . К 1300 1173

3. Теплотворна здатність газу кДж/м3 32S0 7800(прпведена

4. Валове виробництво газу МЛ1І.М3/рІК 400 . 500

5. Вихід горючого конденсату тфік — 170000

6. Собівартість газу • долЛОООм 3 4,7—6,0 (приведена) 2.23

7. Склад газу:ЇІг % сЛ 19.9 ^ 51.93

СІ Ц 2.3 5.41 і

СО 4-5 J 1S.57 ;

СОг 20.6 24.09 ■

N2 52.2 - ,

ог 0.5 ■ _ j

а Транспортування газу на відстані. ЇМ Ф 2 5 ;р 1 5 0 ¡

Для розрахунку техніко-економічних показників взято родоїшще далеко не з вигідних для ПГВ. При збільшенні запасі» родонита, що приймаються до розрахунку, всього в дна рази отримуємо можливість запуску другої експлуатаційної ділянки на на'-ічпні Iі1 рокіи на ньому самому обладнанні підприємства з додаікпинчи капітальними витратами лише на будішшцтпо розширеної ^ гкн спер'гюшш. Це до ¡поли її, знизити принсдсиу соміїмрі ici, оіричіпо:«' горючого газу. • .

ІШСНОР.КМ

1. Розруб :спі і’со ■ .".¡ч !.'!• іічі’і сп:ч;о'>:і ! : і ' г . vin'1 г. ' • : і < i ¡ ’

вугілля водяною парою стосовно конкретних гірничо-геологічних та термобаричних умов залягання вугільного пласта: циклічний спосіб отримання водяного газу та спосіб метані зації обводнених вугільних пластів, котрі забезпечують отримання висококалорійного Газу, не засміченого азотом повітря.

2. Розроблено методику обчислення мінімальної потужності вугільного пласта, придатного для підземної газифікації, в залежності від температури і тиску процесу. Так при температурі 1223 К і тиску ІД МПа мінімальна потужність пласта становить

0,2 м і збільіиується або зменшується із зниженням або підвищенням температури і тиску.

3. Проведено термодинамічний розрахунок рівноважних характеристик процесу газифікації вугілля водою. Встановлено, що оптимальними технологічними параметрами є температура в межах 1073-1273 К і тиск в межах 4-10 МПа.

4. Досліджено кінетику процесу газифікації вугілля водяною парою в різних термобаричних умовах.4

Встановлено, що: . .

— швидкість газифікації в розглянутих термобаричних умовах змінюється в межах 0,034-0,245 год.-1, причому при низьких тисках підвищення температури приводить до більшого зростання швидкості, ніж при високих тисках;

— оптимальний час. взаємодії вуглецю з водяною Парою в

середньому становить 8 годин. При цьому газифікується до 85% вуглецю вугілля; .

— найбільша інтенсивність газовівділення припадає на перші 35 годин і зі зростаїпшям температури від 1123 до 1223 К при тиску

0,4 МПа газовиділення збільшується від 0.25 моль/год. до 1,70 моль/год..Підвищення тиску приводить до зменшення газовиділення;

— кількість води, що прореагувала з вуглецем, є максимальною на другі") годині і складає в середньому 1,25 моль/моль вуглецю, що становіггь не більше 22% від поданої в реактор води.

5. Визначені енергетичні характеристики (тепловий ККД і

відносні показники теплової ефективності т|, є ) для процесу

підземної газифікації вугільних, пластів різної потужності (0,2-0,б м).Встановлсі ю, що при потужності пласта 0,2 м тепловий ККД при температурі 1223К і тиску 1,2 МПа дорівнює 0,7, а відносний показник теплової ефективності при тих самих параметрах більше одиниці, ЩО СШДЧПТі. про . енергетичну доцільність підземної

газифікації вугільного пласта вказаної потужності.

б. Проведена техніко-економічна оцінка процесу підземної газифікації вугілля на водяному реагенті для умов Львівсько-Волинського вугільного басейну ( сумарна потужність пласта їм), що забезпечує отримання- 0,5 млрд.м5 газу на рік приведеної калорійності 7800 кДж/м3. Розрахункова собівартісь газу стшюшіть 2,23 дол. / ЮООм*, иуэ менше як в два рази, ніж на діючій Ангрепській станції «Підземгаз».

За результатами проведених досліджень запропоновано спосіб запалювання вугільного пласта та вогневого з'єднання свердловий, ефективність котрого підтверджується актом випробування та актом впровадження на шахті №3 «Владимирская» ВО «Тулауголь» (дільниця «Углегаз»).

Основний зміст роботи викладено п роботах:

1. Брык Д. В., Гвоздевич О. В. К вопросу о моделировании процесса подземной газификации угля // Геотехнолог. проблемы тошшвно-зиергетич. ресурсов Украины. — Киев: Наук, думка, 1985.

— С.96-101.

2. Брык Д. В., Гвоздевич О. В. Экспериментальные работы но газификации сапропелитовых углей Львовско-Волыпского бассейна // Геотехнолог. проблемы тонливно-энергетич. ресурсов Украины.

— Киев: Паук, думка, 1985. — С.141-143.

3. Гвоздевич О. В., Брык Д. В., Прогноз технико-

экономических показателей процесса подземной газификации угля с применением водокислородного реагента // Методы извлечения к использования эпергетич. ресурсов Земли. — Киев: Наук, думка,

1987. — С.33-39. • ' ' ■

4. Характеристика-смолы газификации сапропелитового угля Львовско-Волыиского бассейна / Гавенко В. А., Ипанчшпнн О. П., Брык Д. В., Макитра Р. Г., Петриковская М. Е., Стефаник Ю. В., Тарасюк В. 107/ Химия твердого топлива.— 1986.—№5.— С.63-68.

5. Гвоздевич О. В., Брык Д. В., Энергосберегающий противої очный реактор с высокими термобарическимп параметрами // Методы извлечения и использования эпергетич. ресурсов Земли.

— Киев: Наук, думка, 1987. — С.20-26. .

6. Термодинамические аспекты применения водокислородного реагента в процессе подземной газификации угля /Стефаник Ю. В.,

Брык Д. В., Маковский Ю. С., Федорович Е.С.// Геол. и геотехнол.энергетич. ресурсов Украины. — Киев: Наук, думка, 1988. — С.113-121.

7. Брык Д. В. Смола — продукт газификации твёрдых горючих

ископаемых как сырьй для химической технологии // Геол. и геотехнол. эпергетич. ресурсов Украины. -— Киев: Наук, думка,

1988. — С.121-129. ,

8. Гвоздевич О. В., Брык Д. В., Интенсификация процесса газификации угля водным раствором перекиси водорода. Тез. докл. 1 Рсспубл.конф. „Перспективы использования угля и продуктов его переработки в народном хозяйстве“, Донецк, 1985 Г.-С.86.

9. Брык Д. В., Маковский Ю. С. О целесообразности использования водокислородного реагента в процессе подземной газификации углей. Тез. докл. 1 Республ.конф. „Перспективы использования угля и продуктов его переработки в народном хозяйстве“, Донецк, 1985 Г.-С.91.

10. Стефаник Ю. В., Брык Д. В. Термодинамические исследования газификации угля конденсированными окислителями

/Н2СЬ, HNO3, N2O4/. Тез.докл. Всесоюз. пауч.-практ. конф., Донецк, 1989г.-С.8.

11. Брык Д. В., Стефаник Ю. В. Экспериментальные исследования процесса газификации угля водяным паром с высокими термодинамическими параметрами. Тездокл, Всесоюз. науч.-практ. конф., Донецк, 1989г.-С.188.

12. Кухар 3. Я.,Иванцив O.E., Брык Д. В. Геологическое обоснование экспериментального полигона подземной газификации углей /ПГУ/ во Льврвско-Волынском бассейне. Тездокл. ВсесЪюз. конф. „Современные проблемы геологии и геохимии твёрдых горючих ископаемых“, Львов, 1991г.-С.49-50.

13. Брык Д. В., Гвоздевич О. В. Экспериментальная установка

моделирования процесса подземной газификации твёрдых топлив. ДЕП.03.10.86.,№1962-В86.-С.74-77. . .

14. Брык Д. В., Гвоздевич О. В. О взаимодействии перекиси водорода с сапропелитовым углём Львовско-Волынского бассейна. ДЕП. 09.03.84., №1962-В84. -С.78-84.

15. Исследование легких фракций смолы водовоздушной

газификации сапропелитового угля / Брык Д.В., Гавенко В.А., Куречко Н.И., MaKiripa Р.Г., Манжар Н.И., Сгефаник Ю.В. . ДЕП. 19.11.87.,№ 894-В87.-С.1-11. .

16. A.c. 139023S СССР, МКИ CIO J 5/00. Способ под темной газификации угля / Э. Б. Чекалюк, Ю. В. Сгефаник, Д. В. Брык , О. В. Гвоздевич, Ю. С. Маковскын, Л. , М. Сот,кип. Е.А.Степяичнков. /Юткрьпня. Изобрет.-1988,- Л1> і5. -4с.; 1 ил.

17. А,с. 1428764 СССР, МКИ СЮ I 5/00. Способ подземной газификация углеродосодержащего пласта./В.Е.Жук, Ю.В.Стефаник. О. В. Гвоздевнч, Д.В.Брык. //Открытия. Изобрет.-1988.- № 37. -Зс.; 1нл.

18. A.c. 14814Q9 СССР, МКИ СЮ J 5/00. Способ механизации обводненных залежей угля / Э. Б. Чекалюк, Ю. В. Сгефаник, О. В. Гвоздевич, Д.В.Брык, //Открытия. Изоб[>ст.-1У89.- Л"- 9.-4с.

19.А.С. 1506113 СССР, МКИ CIO J 5/00. Стенд для моделирования процесса подземной газификации угля/ О. В. Гвоздевич, Д.В.Брык, 3.Я.Кухар, А.3.Бутин. //Открытия. Изобрет.-1989.- № 33. -2с.; 1ил.

20. A.c. 1572103 СССР, МКИ Е 21 С 43ЛЮ, С 10 J 5ДХ) Способ розжига подземного угольного блока /В.В.Ржевский, Ю.Ф.Васючков, В.Е.Забигайло, Ю. В. Стефаиик. О. В. Гнозденич, А.Е.Степаичнков, Д.В.Брык. //Открытия. Изобьют.-1988,- JSy 31. -4с.; 1 ил.

21. A.c. 1744243 СССР, МКИ Е 21 В 43/00, Скважинный жидкостной нафснатель /И.Р.Крпцкии, И.В.Пастухов, В.А.Илюкон, Ю.П.Филипов, Р.Ф.Юмагузин, Ю. В. Стефаиик, О.В.Гвоздеиич. А.Е.Стспанчиков, Д.В.Брык. //Открытия. Изобрет,-1992,- Лі? 24.-Зс.; 1ил.

АННОТАЦИЯ

Брык ДВ\ Газификация угля водяным паром при высоких термобарнческпх параметрах.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук но специальности 05.17.07- Химия и темюлшия переработки горючих ископаемых и углеродных мазерна іов. Государственный университет ,Львовская политехника“,

Защшцаеі ся 21 работа, в ко торых расі мої рены ііонр<ч'і,і подземной газификации угольных пластов. Теоретически определены продельные показатели процесса подземной газификации \гля водмным iiajxi.M для заданною соотношения

реагентов в заданных термобарических условиях. Рассчитана минимальная мощность угольного пласта, пригодного для проведения процесса газификации. Дана оценка теплопотерь в окружающие породы. Проведены экспериментальные исследования влияния тсрмобарических условий процесса и расхода воды на выход, состав, кинетику процесса и теплотворность газа, а также экспериментально определены кинетические зависимости и параметры газификации угля водяным паром при высоких термобарнческнх условиях. Разработаны геотехнологическне способы цикличного получения водяного газа и метана, в зависимости от горно-геологических условий залегания пласта. Даны технико-економическпе показатели процесса подземной газификации угольного пласта, который обеспечивает получение 0,5 млрд.м3 газа в год.

Ключові слова: газифікація вугілля, водяна пара, матеріальний баланс, тепловий баланс, кінетика. -

The coal gasification by the water steam for ihe high thermobaric parameters.

Ouid. Tech. Sci. Specialisation 05.17.07- Chemistry and carbon materials. Bryk D. State University „Lvivska Po!itechnika“,1995. 21 scientific papers containing the underground coal seams gasification problem are defended. The ultimate indicators of process of underground coal gasification by water steam for the given reactants ratio in specified thermodynamic conditions are dctermints theoretically.The minimal thickness of coal seam suitable for. the making of gasification process is calculated. The heat losses in rock surrounding are estimated. The experimental investigations of influence of thermodynamic conditions of the process and water consumption volume on quantity, composition, kynetics and combustion, heat of gas are performed,as well as the kynetical dependences of the coal gasification by ;the water steam are evaluated experimentally for high -thennobaiiv conditions. The geotechnological methods of cyclical prodaction of the water gas and methan in dependence on rock and geological conditions if seam bedding are developed. The technical and economical data about underground coal gasification enterprise with the productivity 0,5 miliards m-1 of gas per year are presented.

ABSTRACT