автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование перспектив развития в Кузнецком бассейне и разработка способов совершенствования технологии подземной газификации углей

Г,

Ун

- я СЕН 1ЯЭ7

На правах рукописи ЛАЗАРЕНКО СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ В КУЗНЕЦКОМ БАССЕЙНЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ

Специальности: 05Л5.02 - Подземная разработка

месторождений полезных ископаемых 05Л5Л1 - Физические процессы горного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание .ученой степени доктора технических наук

Кемерово 1997

Работа выполнена в Институте угля Сибирского отделения Российской Академии Наук.

Научный консультант - член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор Грицко Г.И.

Официальные

оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Васючков Ю.Ф.

- доктор технических наук, Игишев В.Г.

- доктор технических наук, профессор Петрик П.Т.

Ведущая организация - Институт проблем комплексного

освоения недр РАН

■ гчИ?

Защита состоится "2"сектяоря 1997 г. в ''0 "часов на заседании диссертационного совета Д 003.57.01 при Институте угля Сибирского отделения Российской Академии Наук (650025, г. Кемерово, ул. Рукавишникова, 21).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля.

Автореферат разослан 2 августа 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Б.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Среди нетрадиционных способов разработан угольных месторождений заметное место занимает метод подземной газификации углей (ПГУ). Эта технология, па протяжении нескольких десятилетни привлекающая повышенное внимание специалистов горного дела как в нашей стране, так и за рубежом, открывает новые возможности и разработке угольных пластов со сложными горпо-геологпчеекпми условиями залегания, совмещает добычу и переработку угля, обеспечивая при этом непосредственное получение конечного продукта на месте осуществления газификации пласта - в отличие от добытого угля, являющего собой продукт промежуточный. ПГУ н высокой стспсип отвечает требованиям, предъявляемым к ресурсосберегающим технологиям. Но решающее преимущество метода подземной газификации углей заключается в его экологических достоинствах - так, при подземной газификации почти не нарушается земная поверхность, а газ, производимый посредством газификации угольных пластов, является экологически приемлемым видом топлива. Таким образом, имеются достаточные основания считать подземную газификацию углей иоосферион технологией.

Названные достоинства ПГУ делают весьма актуальным определение и обоснованно возможностей ее применения при разработке угольных месторождении в Кузнецком бассейне - регионе, » котором экологическая ситуация, в очень большой стспсип из-за широкого развития угледобычи, а также использования в качестве топлива па ТЭЦ и в котельных преимущественно угля, достигла к настоящему времени критической остроты.

Актуальность исследования перспектив развития подземной газификации углей в Кузбассе определяется, кроме того, и необходимостью перехода России к реализации концепции устойчивого развития, принятой международным сообществом в качестве оптимальной формы развития цивилизации, что - применительно к условиям угледобывающих территорий - подразумевает, в частности, необходимость внедрения нoocфq>иыx, нетрадиционных технологий при разработке угольных месторождений.

Анализ особенностей развития современного производства, и горного дела в частности, показывает, что затраты на разработку п освоение ноосферных технологий не только целесообразны с социально-экономической точки зрения, но и являются важным условием поддержания высоких темпов экономического роста и повышения эффективности производства. В этой связи следует отметить, что подземная газификация углей, на протяжении последних десятилетий пе имевшая в достаточной мере как полноценного научного обеспечения, так и инвестиционной поддержки, и как следствие, не получившая широкого развития п квалифицирован-

ного использования в практике угледобычи, ныне нуждается в решении вопросов совершенствования технологического процесса, определении своей геологической базы, установлении возможных масштабов и форм развития в угольных регионах страны - и в Кузбассе в частности.

В связи с изложенным обоснование возможностей развития технологии подземной газификации углей в Кузнецком бассейне, определение направлений и разработка конкретных мер по оптимизации ггого развития, решение задач, связанных с совершенствованием данной технологии, является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное значение но только дня угольной промышленности.

Работа выполнена в соответствии с тема тическим планом Институт угля СО РАН. Часть работы выполнялась в рамках программы "Сибирь", выполняемом согласно приказу Миннауки РФ №79 от 23 апреля 1993 г.

Цель работы состоит в разработке научного обоснования развития Кузбассе технологии подземной газификации углей, и в ее совершенствовании на основе фпзико-техпологпческих способов воздействия па процесс газификации.

Идеи работы заключается в рассмотрении возможностей подземной газификации углей как технологии непосредственного получения конечного продукта па место отработки угольного пласта, и в использовании для повышения эффективности дампом технологии физических методов воздействия на очаг горения в газифицируемом пласте.

Задачи исследований:

- обосновать возможности развития в Кузбассе подземной газификации углем как ноосфер по и технологии;

- разработать варианты целевого использования газа подземной газификации углей, с определением их приоритетности применительно к условиям Кузбасса;

- разработать базовые принципы создания участка-модуля подземной газификации углей как составной части современного угледобывающего предприми 1я;

- разработать паучпо-тсхпологпческос обоснование для строительства крупного промышленного предприятия подземной газификации углей;

- произвести оценку геологических запасов углей Кузбасса по степени пригодности их к отработке методом подземной газификации;

- осуществить разработку способов нетрадиционного использования газа подземной газификации углей, перспективных для применения в кузбасских условиях;

- осуществить физическое моделирование технологии подземной газификации углей для выявления определяющих, взаимосвязей между основными технологическими характеристиками процесса;

- разработать математическую модель процесса массообмена, протекающего в газификацнонпом канале подземного газогенератора;

- разработать способы совершенствования технологии подземной газификации углей и а основе физико-технологического воздействия на данный процесс.

Методы исследовании. При выполнении работы применен комплексный метод исследовании, включающий: научное обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта практических, работ и научных исследовании в области подземной газификации углей; методы технико-экономического анализа при обосновании строительства предприятия подземной газификации углей и участка-модуля ПГУ при шахте; анализ геологоразведочных материалов для оценки пригодности запасов угля для разработки методом подземной газификации; физическое моделирование процесса подземной газификации углей в лабораторных условиях на экспериментальном стенде, с использованием тепловизионного метода измерении; обработку результатов методами математической статистики; математическое моделирование процессов массообмена в газнфнкацпонпом канале подземного газогенератора.

Научные положения, выносимые на защиту:

- применение метода подземной газификации углей в Кузбассе расширяет диапазон технических возможностей при разработке угольных месторождений, увеличивая при этом степень соответствия данной разработки принципам ресурсосбережения и рационального природопользования;

- развитие подземной газификации углей в Кузбассе обеспечивает получение любых требуемых объемов газообразного топлива для использования в котельных и ТЭЦ региона вместо угля;

- создание участка-модуля подземной газификации в структуре современного угледобывающего предприятия позволяет отрабатывать наиболее сложные в горно-геологическом отношении районы шахтного поля, а также обеспечивает возможность удовлетворения энергетических по требностей шахты производимой в рамках данного участка ПГУ электроэнергией;

- в Кузбассе существует значительное количество запасов углей, измеряемое миллиардами тонн, отработка которых возможна и целесообразна только посредством их подземной газификации;

- добавление к газу подземной газификации углей метана, извлекаемого из угольных шахт при дегазации, позволяет повысить теплотворную способность газа подземной газификации, а также может рассматриваться как способ утилизации дегазационного метана;

- скорость перемещения очага горения по дутьевой скважине, при газификации пласта по новой технологической схеме, значительно выше при использовании кислородного дутья, чем воздушного, и характер взаимосвязи между скоростью перемещения очага п видом дутья изменяется па противоположный в случае перемещения очага горения по газ о отводящей скважине;

- режим чередования подачи воздушного и кислородного дутья к очагу горения обеспечивает увеличение степени выпшшапия угольного пласта;

- пульсацпониый характер технологического дутья позволяет достигать повышения теплотворной способности производимого газа.

Достоверность н обоснованность научных положении определяется:

- достаточным объемом подвергнутых анализу материалов экономического, геологического и экологического характера, касающихся перспектив развития метода подземной газификации углей в Кузбассе (опыт работы Южно-Абинской станции "Под-земгаз" за период 1956-1995 гг., 35 изученных по степени пригодности для ПГУ месторождений и участков в диапазоне глубины залегания пластов 100-600 м);

- применением методов подобия при физическом моделировании процесса подземной газификации углей и обоснованием правомерности осуществления такого моделирования;

- достаточным количеством экспериментов и высокой сходимостью результатов физического и математического моделирования подземной газификации углей с известными из практики закономерностями протекания данного процесса в реальных условиях.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении возможности повышения уровня экологической безопасности при разработке угольных месторождении Кузбасса посредством применения метода подземной газификации углей;

- в разработке и обосновании возможности обеспечения значительной части потребностей Кузбасса в газообразном топливе путем производства в регионе газа подземной газификации углей;

- в разработке базовых принципов создания участка-модуля подземной газификации углей, являющегося элементом структуры шахты нового технического уровня;

- в определении геологической базы метода подземной газификации углей в Кузбассе - оцеш<е угольных запасов Кузнецкого бассейна по степени их пригодности к разработке способом подземной газификации, и в создании башеа данных по запасам угля, пригодных для ПГУ;

- в разработке нового способа нетрадиционного использования газа подземной газификации углей, перспективного в регионах

с наличием метанообильных пластов, и состоящего 15 добавке к газу ПГУ метана от дегазации угольных шахт;

- в установлении экспериментальным путем определяющих взаимосвязей между технологическими параметрами процесса подземной газификации углей, позволяющих определить возможности п способы совершенствования процесса ПГУ - применительно к попо11 технологической схеме подземной газификации;

- в разработке способа достижения большей степени выгазо-мапия угольного пласта, заключающегося в применении чередования подачи к очагу горения разных видов дутья - кислородного и воздушного;

- в установлении принципиальной возможности увеличения теплотворной способности производимого при подземной газификации угольных пластов газа посредством придания дутьевому потоку пульеацнопиого характера;

- в разработке математической модели процесса массообмспа в окислительной зоне газнфнкацнонного канала подземного газогенератора а в определении рациональной дайны окислительной зоны реакционного канала.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследовании позволяют:

- обосновать экологическую необходимость и экономическую целесообразность развития и Кузбассе нетрадиционного способа разработки угольных месторождений - подземной газификации углей;

- определить геологическую базу метода подземной газификации углей в Кузнецком бассейне;

- предложить обоснованный комплексный подход к определению оптимальных для условии Кузбасса путей использования газа подземной газификации углей;

- обосновать целесообразность включения в структуру современного угледобывающего предприятия нового нетрадиционного элемента - участка-модуля подземной газификации углей;

- предложить экономически эффективный и технически осуществимый способ совершенствования топливного баланса Кузбасса, предусматривающий масштабную замену угольного топлива на газ подземной газификации углей;

- обосновать возможность осуществления нового способа утилизации метана, получаемого при дегазации угольных шахт, посредством добавки его к газу подземной газификации углей;

- получить методические рекомендации по разработке нормативных материалов для строительства крупного современного предприятия подземной газификации углей;

- определить возможности и способы совершенствования процесса подземной газификации углей, осуществляемого по новой технологии.

Личный »клад автора состоит в:

- разработке научного обоснования развития метода подземной газификации углей в Кузбассе;

- осуществлении выбора конкретных угольных месторождений н участков на территории Кузнецкого бассейна, рекомендуемых для отработан методом подземной газификации, и создании соответствующего банка данных;

- разработке комплексного подхода к определению путей использования газа подземной газификации углей и сопутствующих ему продуктов в условиях Кузбасса;

- разработке петрадиционных направлений использования газа подземной газификации углей, перспективных для кузбасских условий;

- разработке концепции функционирования участка-модуля подземной газификации углей в составе современного угледобывающего предприятия;

- разработке методологии, практическом осуществлении физического моделирования процесса подземной газификации углей в лабораторных условиях, и в разработке па основе анализа полученных результатом способов совершенствования технологии ПГУ;

- разработке математической модели процесса массообмена в окислительной зоне газификационного капала подземного газогенератора;

- создании методологии разработай технико-экономического обоснования для строительства крупного предприятия подземной газификации углей.

Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, вошли составной частью в отраслевые и региональные документы методического и прогнозного характера, используемые научно-исследовательскими, проектными организациями и региональными административными органами, применяются при разработке планов реструктуризации угольной отрасли, включены в концепцию шахты нового технического уровни.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: Всесоюзной конференции "Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производственных сил Кузбасса" (Кемерово, 1988 г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Создание высокоэффективных процессов переработки и использования твердых горючих ископаемых, получение альтернативных моторных топлив и химических продуктов из угля" (Донецк, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Экологические проблемы угольной промышленности Кузбасса" (Междуречснск, 1989 г.), конференции "Основные направления открытой угледобычи и переработан

КАУ" (Красноярск, 1990 г.), Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири "Угольный комплекс - 90" (Ленипск-Кузиецкпи, 1990 г.), Всесоюзном симпозиуме "Проблемы газификации углей" (Красноярск, 1991 г.), Семинаре по подземной газификации углей (Кемерово, 1992 г.), II конференции "Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов" (Москва, 1995 г.), II Международной конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" (Новокузнецк, 1995 г.).

;iyfuiii|«iiu!n. Основные результаты работы опубликованы в 21-м научном груде, включая 2 монографии.

Структура и оГп.см диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 172 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 26 рисунков и библиографию из 71 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние проблемы. Технология подземной газификации углей в технически осуществимом виде разработана отечественными инженерами в 1930-е года. В результате многочисленных научных исследований, технических разработок, полевых экспериментов, опытно-промышленных работ учеными и практиками наработан значительный опыт подземной газификации углей.

Наиболее существенный вклад в формирование научных представлений и развитие практических работ в области подземной газификации угольных пластов внесли: Крейинн Е.В., Скафа П.В., Гаркуша И. С., Звягинцев К.Н., Казак В.В., Канторович В.В., Лавров Н.В., Нуспнов О.Г., Пнтин Р.И., Ревва М.К., Ржевский В.В., Терппгорев A.M., Фарберов И.Л., Федоров H.A., Чернышев A.B., Чухапов З.Ф. и др. В решении вопросов, связанных с развитием метода подземной газификации углей в Кузнецком бассейне, значительная роль принадлежит Грицко Г.И., Мяспикову A.A.

В настоящее время в Кузбассе находится единственное в России (и одно из двух действующих па территории СНГ) предприятие подземной газификации углей - Южно-Абннская станция "Под-земгаз" (работа которой была приостановлена в 1995 г.). В границах горного отвода станции размещено 23 пласта мощностью от 2 до 9 м, с углами залегания 55-70°. За время работы предприятия выгазовано 3 млп.т угля, выработано 9 млрд.м3 газа со средним значением теплоты сгорания 911-ккал/м3 (или 3,82 МДж/м3).

Наивысшая производительность Южно-Абипской станции "Подземгаз" была достигнута в 1966 г. - 488 млн.м3 газа, с себестоимостью газа, равной 1,98 руб/1000 м3 или 14 руб/т.у.т. (в цепах 1990 г.).

Вопрос о перспективах развития подземной газификации углей в Кузбассе изучался в 1950-е годы; были проведены аналитические исследования, показавшие, что строительство станций подземной газификации угля дня использования последнего в энергетических целях практически на всех месторождениях Кузбасса экономически выгоднее строительства не только шахт, по и угольных разрезов. Однако эти рекомендации и проекты в настоящее время по целому ряду причин могут восприниматься с большей долей условности. Поэтому возникла необходимость в разработке научной концепции развития подземной газификации углей I» Кузнецком бассейне, отражающем'! как современные теологические и экономические реальности, связанные с необходимостью перехода России на рельсы устойчивого развития, так и геологический аспект возможностей развития этого метода отработки угольных месторождений.

Вместе с тем, проявившееся в 1970-е годы и окончательно сформировавшееся в начале 1980-х годов осознание важнейшей (и преуменьшавшейся ранее) роли угля в экономике будущего привело к тому, что в последнее время практически во всех угледобывающих странах мира проявляется повышенный интерес к технологии подземной газификации углей. Особо интенсивное развитие исследования в этой области приобрели в США, и это объясняется тем, что общие запасы угля л США, пригодные для подземной газификации, оцениваются в 1800 млрд. тони, и стоимость технологического комплекса для подземной газификации углей будет ниже па 25-50% стоимости установки для газификации угля на поверхности. В европейских угледобывающих странах в последнее время поняли, что подземная газификация имеющихся там глубокозале-гающих угольных пластов позволит получать низко- и среднекало-рийный горючий газ в любом количестве, без строительства шахт и трудностей, связанных в этих странах с набором и использованием подземных рабочих. К настоящему времени в крупных угледобывающих страплх мира оформилось восприятие подземной газификации углей как технологии XXI века, то оси, технологи», ко торая через определенный период времени неминуемо будет востребована.

Таким образом, проявляющаяся в настоящее время в угледо-быввающнх странах мира тенденция к осознанию постоянно возрастающего значения угля в экономике, и выражающаяся, в частности, в усиливающемся интересе к подземной газификации углей как к безлюдному и экологически приемлемому способу разработки угольных месторождений, находится в полном соответствии с выводом о необходимости и актуальности детального изучения перспектив развития этой технологии в крупнейшем угольном регионе России - Кузнецком бассейне.

Концептуальный анализ перспектив развитии метода подземной газификации yi Jicii в Кузбассе. Научное обоснованно перспектив развития технологии подземной газификации углей в Кузнецком бассейне предусматривает формирование целей этого развития, их взаимное согласование, ранжирование, наполнение количественным содержанием, а кроме того - подкрепление целей способами их достижения. Длительность периода прогнозирования для случая исследования перспектив развития подземной газификации углей п рассматриваемом регионе определена в 15-20 лет.

Одним m i основных принципов нрнняз'ого автором подхода к обоснованию перспектив развития Г1ГУ является признание указанной технологии в качестве ноосфсрпой, то ecu, экологически приемлемой и отвечающей требованиям устойчивого развития региона.

Другим важным принципом данного подхода, согласующимся с тенденциями в оценке ПГУ зарубежных специалистов, является рекомендация восприятия подземной газификации угля как технологии следующего столетня, то есть технологии, которая будет непременно востребована через некоторый период времени - в силу особой роли угля в энергетике будущего, а также по причине своих объективно существующих достоинств.

Еще одним прппцнппалыю важным обстоятельством, которое учитывалось при оценке перспектив развития технологии ПГУ, является сопоставимость энергетического потенциала газа подземной газификации с теплотворной способностью угля. Так, если при газификации I кг угля образуется примерно 4 м3 газа ПГУ, то суммарная теплотворная способность этого объема газа составит: при использовании воздушного дутья - около 16,8 МДж, при паро-кислородном дутье - примерно 42,0 МДж, т.е. будет сопоставимой со средней теплотворной способностью угля.

Концептуальная модель развития технологии подземной газификации углей в Кузбассе в качестве одного из элементов включает в себя целевую часть, то есть рассмотрение п сопоставлении различных вариантов использования газа подземной газификации и сопутствующих продуктов (рпс.1).

Основной характерной особенностью предлагаемого автором подхода к разработке концепции развития подземной газификации углей в Кузбассе, принципиально отличающей его от зарубежных подходов к использованию газа ПГУ, является его комплексность, заключающаяся в признании необходимости и целесообразности одновременного и равномерного развития как "основных" направлений применения газа подземной газификации - топливного п химического, так и новых нетрадиционных и имеющих благоприятные перспективы именно в кузбасских условиях направлений.

Таким образом, в структурной схеме использования газа ПГУ в условиях Кузбасса показывается, что оптимальными паправлс-

Промышленные центры

Котельные ТЭЦ, ГРЭС

Стационарные установки Передвижные установки

Рис. I. Структурная схема целевого использования газа подземной газификации углей

в условиях Кузбасса.

ннями, отражающими ныне существующие потребности региона в продукции подземной газификации углей, являются следующие: использование газа ПГУ в качестве топлива на ТЭЦ и в котельных, осуществление химической переработки газа и сопутствующих ему продуктов, а также нетрадиционные направления (среди которых следует выделить возможность использования газа ПГУ в газотурбинных установках с получением электроэнергии), и разного рода технологическое использование данного газа.

Помимо формирования целен, концептуальный план развития метода подземной газификации углей в Кузбассе включает изучение таких важных конкретных аспектов проблемы, как: рассмо трение геологического аспекта проблемы - проведение оценки запасов угля в Кузбассе на пригодность к отработке методом ПГУ; исследование (разработка) новых, нетрадиционных направлений и форм развития ото1'1 технологии - для возможного расширения области их применения; определение потребности энергетики региона в газообразном топливе и возможности ее удовлетворения посредством использования газа ПГУ; исследование экологического потенциала технологии подземной газификации углей в условиях сложной экологической ситуации в Кузбассе; анализ перспектив развития метода подземной газификации углей в Кузбассе с целью определения степени экономической конкурентоспособности данной технологии в сравнении как с традиционными методами раз-

работки угольных месторождений, так п с возможными альтернативными источниками топлива для кузбасской энергетики.

В настоящее время в топливном балансе Кемеровской области основную дошо потребности в энергетическом сырье покрывают кузнецкие угли, в количестве 16 млн.т.у.т. в год (81% от всей потребности), кроме того, используется небольшое - в процентном выражении - количество привозного минусинского и канско-ачинского углей (4% от общего объема топлива), а также поступающий по трубам из Тюменской област и природный газ (10% от общего количества). Помимо этих источников энергетического сырья, в незначительных объемах используется мазут и местные коксовый и доменный газы. Сложившийся топливный баланс определил развитие в Кузбассе негативных в экологическом отношении явлений, за1рязнсння атмосферы, гидросферы и литосферы, объясняющихся сжиганием па ТЭЦ п в котельных твердого топлива. Поиск альтернативы твердому топливу сводится к изучению возможностей замены твердого топлива на газообразное.

В настоящее время существует три варианта увеличения газовой составляющей топливного баланса Кузбасса, которые, с различной степенью допущения, можно назвать реально осуществимыми: а) резкое увеличение поставок в Кузбасс тюменского природного газа; б) широкое использование в качестве топлива метана, получаемого как при дегазации угольных шахт, так и при промышленной добыче последнего; в) развитие в Кузбассе метода подземной газификации углей.

Сравнительный анализ этих вариантов показал, что в сложившейся к настоящему моменту экономической ситуации наиболее экономически рентабельным и технически реализуемым из них следует считать широкое развитие в Кузбассе подземной газификации углей. Так, расчеты показали, что например, строительство дополнительного газопровода из Тюменской области в Кузбасс потребует финансовых затрат в несколько раз (в нервом приближении - в нить) больших, чем строительство в Кузбассе нужного числа предприятий "Подземгаз", производящих такое же количество котельного топлива.

В данной ситуации ПГУ является наиболее приемлемым способом получения энергетического (кроме того и химического) газообразного сырья, который удовлетворял бы как требованиям охраны окружающей среды (при собственно разработке угольных месторождений - с одной стороны, и как производитель экологически чистого топлива - с другой), так и сохранял бы экономическую привлекательность, имея себестоимость производства топлива в 1,4-2,0 раза ниже, чем стоимость используемого в качестве топлива природного газа, с учетом его транспортировки по трубам, и в 2,74,1 раза ниже себестоимости угля, добытого подземным способом. Следует упомянуть п высокую стабильность технологии - газ иод-

земной газификации имеет практически неизменную теплотворную способность и состав, и при этом бесперебойное снабжение газом ПГУ потребителей может быть гарантировано последним на несколько десятилепш.

Подсчитано, что замена 50% всего потребляемого в Кузбассе в качестве топлива угля па газ подземной газификации может быть обеспечено работой семи предприятий "Подземгаз" с производительностью каждого 3,5 млрд.м3 газа в год (с теплотворной способностью последнего 10,5 МДж/м1).

Таким образом, технологи» ПГУ в состоянии в случае необходимости в значительной степени компенсировать возможное уменьшение добычи угля в Кузбассе, превращаясь тем самым в важный элемент обеспечения региональной энергетической безопасности.

Экономическую эффективность ПГУ подтверждают результаты расчетов эксплуатационных затрат при использовании в качестве топлива газа ПГУ и угля, а также результаты подсчета капитальных затрат, требующихся для производства энергоносителей методом ПГУ и традиционными методами добычи угля. Принимая во внимание определенную условность расчетов названных видов затрат, может считаться доказанной принципиальная сопоставимость размеров эксплуатационных и капитальных затрат, имеющих место при производстве энергоносителей и использование их в топливных целях при подземной газификации и открытой добыче угля; в то же время установлено, что эти затраты в 2-4,5 раза ниже затрат при добыче угля посредством подземной разработки угольных пластов.

Проведенная экономическая оценка химической переработки газа ПГУ и сопутствующих продуктов также носит в определенной степени приближенный характер. Вместе с тем она позволила получить представление о качественной стороне экономики химической переработки продуктов подземной газификации углей п сдела ть положительное заключение о перспективности и экономической эффективности такой переработки.

Анализ многолетнего опыта работы станций "Подземгаз" в России и бывшем СССР в управленческой структуре угольной промышленности показал очевидную неэффективность системы подчинения предприятий такого рода угледобывающим производственным объединениям. По этой причине концепция развития ПГУ в Кузбассе предполагает необходимость функционирования станции подземной газификации в качестве самостоятельных специализированных предприятий. Такое изменение принципа подчиненности должно явиться одним из элементов диверсификации угольной промышленности России.

Исследование и разработка вариантов практического использовании метода подземной газификации углей, оптимальных для уело-

«iiii Кузбасса. В настоящее время в горном деле резко возросло внимание к соответствию традиционных технологий добычи угля принципам ресурсосбережения и 'жологичпостп. Эффективным методом увеличения степени соответствия указанным принципам може т яви ться создание на угольном предприятии с традиционным способом добычи участка подземной газификации углей.

Основное назначение участка (или блока-модуля) ПГУ как составной части шахты (либо разреза) заключается в отрабо тке методом подземной газификации тех участков шахтного поля, которые нерентабельно либо технически невозможно отработать посредством применяемой на предприятии технологии (то есть участков с пластами малой мощности, высокого угла падения, с ослабленными боковыми породами, большим водопрптоком п т.п.).

Использование газа подземной газификации, произведенного на данном участке (блоке-модуле) шахты, предлагается осуществлять по двум основным направлениям, каждое из которых обусловливает наличие в технологической цепочке участка ПГУ характерных особенностей,, определяемых требованиями, предъявляемыми конкретным способом использования газа.

Так, при реализации первого направления - топливного - связанного с использованием газа ПГУ в качестве котельного топлива (как для нужд шахтной котельной, так и для обеспечения топливных потребностей жилых поселков), существует потребность в получении газа с возможно большей теплотворной способностью. По этой причине в данном случае технологическая цепочка участка ПГУ должна включать в себя установки по получению кислородного либо паро-кнелородпого дутья, подача которого в подземный газогенератор обеспечит получение газа с теплотворной способностью 10,5-12,5 МДж/м3 (см. рис.2,а).

Второе направление использования газа, произведенного на участке ПГУ - применение его в газотурбинных установках для получения электроэнергии. Для такого рода использования газа ПГУ потребуется повышенная теплотворная способность газового сырья, так как газотурбинная установка может успешно работать на газе, имеющем теплотворную способность 3,8-4,2 МДж/м3. Поэтому в случае реализации данного направления применения газа ПГУ, в технологической цепочке участка-модуля подземной газификации отсутствуют, в отличие от варианта топливного использования газа, как кислородный цех, так и парокотельная, а в подземный газогенератор подается- воздух от компрессора (рнс.2,6). Для применения в условиях участка ПГУ угледобывающего предприятия наиболее подходящим представляется использование для работы па газе ПГУ маломощных передвижных газотурбинных установок типа ПАЭС-2500, с номинальной мощностью 2,5 Мвт. Произведенная па участке ПГУ электроэнергия наиболее рацио-

Газ на котельную

6)

Градирня

/Л N

\_/ О вода

охлаиденная

Газовая турбина

Сероочистка

Скрубберы

вода

© О

Сырой газ

Подземный газогенератор

Воздух

Электроэнергия -(для нужд шахты)

Компрессор воздушный

Рис. 2. Принципиальная технологическая схема участка подземной

газификации углей а - технологическая цепочка для получения газа как котельного топлива;

б - технологическая неночка для варианта использования

гача в гачотурбшпюп уел аповкс с полученном электроэнергии

пальным способом может быть использована для покрытия всех потребностей шахты в электроэнергии. Расчеты показали, что для обеспечения потребности в электроэнергии крупной шахты производительностью 4,0 мли.тонн угля в год, участку ПГУ необходимо вырабатывать (при использовании воздушного дутья) сравнительно небольшое количество газа - 270 млн.м3 в год).

Положение о создании участка ПГУ как составной части шахты нашло свою практическую реализацию в разработанной ИУ С'О РАН концепции шахты нового технического уровня, будучи включенной в данную концепцию.

Весьма перспективным представляется также использование мобильных комплексов "подземный газогенератор - передвижная ГТУ" для снабжения электроэнергией потребителей в сельской местности. В данном случае для обеспечения газом передвижной газотурбинной установки будет достаточно ввести в эксплуатацию одпу-две пары технологических скважин для подземной газификации угольных пластов, которые в Кузбассе залегают в большом количестве также на территориях, занимаемых сельскими районами. Большинство таких пластов вполне пригодны для разработан методом ПГУ, при том,"что в большинстве случаев по каким-либо причинам не могут разрабатываться традиционными способами.

При анализе возможных вариантов начального этапа практической реализации развития метода ПГУ в Кузбассе было признано целесообразным выбрать место н обосновать с геологических и технологических позиций строительство крупного лндерного предприятия подземной газификации углей.

При рассмотрении концепции выбора потенциальных потребителей для будущей станции "Подземгаз" было решено "привязать" данное предприятие к строящейся, либо намеченной к строительству, крупной ТЭЦ. После проведения предварительной технико-экономической оценки возможных вариантов, было принято решение о целесообразности изучения возможностей использования данной станции "Подземгаз" в качестве производителя газообразного топлива для намеченной к строительству в г. Кемерово Петровской ТЭЦ. Согласно проекту, Петровская ТЭЦ должна работать па угольном топливе, потребляя ежегодно 2 млп.т угля, что порождает известные значительные негативные экологические последствия. В случае снабжения Петровской ТЭЦ газом подземной газификации углей (вместо угольного топлива) упомянутые экологические последствия работы ТЭЦ могут быть практически ликвидированы.

Главной идеей данного строительства следует считать возможность создания крупного автономного комплекса по производству тепловой и электрической энергии "предприятие "Подземгаз" - Петровская ТЭЦ", обладающего собственной сырьевой базой.

Оптимальной мощностью данного предприятия "Подземгаз" признана производительность по газу, равная 3,2 млрд.м3 газа в год, что достаточно дня обеспечения функционирования электростанции мощностью 300 МВт. Технология предприятия предусматривает использование паро-кислородного дутья. Расчетная теплота сгорания получаемого на этом предприятии газа: низшая - примерно 13,5 МДж/м3, высшая - около 14,3 МДж/м3.

Оптимальным местом для строительства станции подземной газификации углей был признан участок в северной части угленосном площади главной Кемеровской синклинали - преимущественно в ее западном крыле и ее дойной части. Для северо-западного крыла синклинали характерно крутое (50-70°) залегание пластов с дополнительной складчатостью, восточному крылу присуще пологое залегание пластов - от 5-6 до 15-20" к горизонту. Важным достоинством выбранного места расположения участка подземной газификации углей является то обстоятельство, что данный участок располагается непосредственно рядом с промплощадкой будущей Петровской ТЭЦ.

Следует подчеркнуть, что запасы угля в границах описываемого участка практически непригодны для отработки шахтным способом, вследствие, во-первых, крайней ослаблениости боковых пород, что вызывало большие затруднения при поддержании горных выработок, и во-вторых - по причине очень высокого уровня метановыделеиия - до 80 м3 на тонну добытого угля. В то же время подобную метанообнлыюсть следует оценивать как положительный фактор при получении горючего газа методом ПГУ, а сложность горно-геологических условий не является препятствием для отработки таких пластов посредством подземной газификации.

Количество и характеристика подсчегных запасов угля, находящихся на границах участка подземной газификации, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика пластов угля участка ПГУ

I[»именование Площадь, Средняя Объемный Запасы угля, млн.т.

пластов тые.м2 мощность пласта, м вес угля, т/м3 Всего До глубины 500 м

Кемеровский 8,4 3,5 1,4 41,1 38,2

Волковскнн 8,4 4,0 1,4 47,0 43,7

Иодволковскпй 8,4 3,0 1,4 35,3 35,3

Владнмировский 9,1 3,0 1,4 38,5 30,0

Лутупшскии 9,7 2,0 1,4 27,1 15,0

Всего 189,0 162,2

Как индии m таблицы, общее количество запасов угля на участке подземной газификации составляет 189,0 млп.т, из которых до глубины 500 метров находится примерно 162 млп.тонн. Помимо этого, резервом дня ПГУ на дальнюю перспективу могут считаться запасы участков Латышевского, Хорошеборского, глубокие горизонты Кедровского разреза и некоторые другие - количество таких запасов примерно 140 млп.тонн. Итого, общее (с резервами) количество запасов угля па участке ПГУ составляет более 300 млп.тонн, что может обеспечи ть работу предприятия "Подземгаз" и, следовательно, работу Петровской ТЭЦ практически па 150 лет.

Необходимо отметить, что при наличии определенных условии комплекс "предприятие "Подземгаз" - Петровская ТЭЦ" может быть преобразован из чисто энергетического производства в производство химико-энергетическое, позволяющее осуществлять квалифицированную переработку газа ПГУ и сопутствующих ему продуктов с получением целого ряда ценных химических веществ, включая искусственное жидкое топливо.

Геологическая оценка запасов кузнецких углей но пригодности к отработке методом подземной газификации. Важнейшей составляющей концепции развития метода подземной газификации углей в Кузбассе является количественная и качественная оценка запасов углей по степени пригодности их к отработке посредством данной технологии.

Так как для успешного осуществления подземной газификации пласта ограничивающими факторами практически не являются большинство из главных препятствий, усложняющих или делающих невозможной отработку пласта традиционными способами (например, высокая газообпльпость, слабые боковые породы, большой угол падения, большой водопрпток, высокая степень самовозгорания угля и т.п.), главными критериями при оценке пригодности запасов угля для ПГУ служили: мощность пласта - которая должна была быть не менее 0,8 м, зольность угля - ограниченная уровнем 30%, угол падения пласта - пе выше 65-70", а также количество запасов угля на оцениваемом участ ке - которое должно обеспечить работу предприятия подземной газификации на период времени не менее 50 лет.

Оцененные в результате проведенного анализа как потенциально пригодные для разработки методом ПГУ месторождения и участки условно разделяются па две разновидности запасов. Первая представляет собой участки угольных месторождений, детально разведанных в разные годы, но промышленное освоение которых посредством традиционных способов разработки по тем или иным причинам в ближайшее время не намечают. Второй разновидностью угольных запасов Кузбасса, рекомендуемых как потенциально пригодные для ПГУ, являются забалансовые запасы действующих шахт, т.е. запасы угля, расположенные на шахт ном поле,

признанные непригодными для отработки их с помощью действующей на данной шахте (разрезе) технологии. Из имеющегося в Кузбассе большого количества запасов подобного рода, дня включения в геологическую часть концепции развития технологии ПГУ в Кузнецком бассейне были отобраны и описаны забалансовые запасы, признанные наиболее подходящими для их подземной газификации по совокупности целого ряда показателей. Создай банк данных по запасам угля, пригодных для ПГУ.

Из подвергнутых анализу запасов угля, относящихся, согласно упомянутому выше условному разделению, к первой их разновидности, наиболее пригодными - в первом приближении - для подземной газифшеации признаны месторождения и участки, приведенные в табл.2.

Приведенный перечень участков и месторождений представляет собой лишь ту часть целесообразных к отработке мегодом ПГУ запасов угля, которые имеют высокую степень геологической разведанное™ и по этой причине не требуют больших дополнительных затрат на доразведку при строительстве там предприятии ПГУ. Из таблицы также видно, что практически во всех промышленных зонах Кузбасса имеются запасы угля, пригодные для подземной газификации.

Таблица 2

Месторождения и участки, пригодные для ПГУ

Наименование участка, месторождения Марка угля Запасы угля, млн.т

Кемеровский район 1. Участки Ни'ювские 1,2,3,5 н Западный 2. Поле шахты Инзовская ОС к, ос: 171,5 103,1

Ленинский район 3. Мусохрановское месторождение Поле шахты Никитинская 1 5. Участок Нгозонекпп 4 Г, Ж Ж Г 467,4 123,0 99,7

Пелоиекнп район 6. Участки Убннекпе 1,2 7. Участок Бабанаковскнп 4 Ж Г, Ж 269,4 49,1

Прокопьспеко-Кпселеискнй район 8. Участки Ускатскпе 1,2 и Восточный 9. Участок Сппчспконскнп 1 Г, ж г 33,8 16,7

Новокузпецкпн район 10. Поле шахты У сказ екая 11. Участок Супгурскпн-Оеиерный 12. Участки Кыргызаковскнн и Ключевский Г, Ж к, с:с т 168,8 336,4 174,0

Общее количество запасов угля в Кузнецком бассейне, которые не могут быть отработаны традиционными способами, но возможность разработки которых методом их подземной газнфи-

кащш может прогнозироваться в целом положительно, составляет примерно 13-15 млрд.г. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что окончательное решение о пригодности какого-либо месторождения пли конкретного участка доя применения там метода ПГУ можно сделать лишь после проведения доразведки месторождения и получения ряда дополнительных сведений, в частности, гидрогеологического характера.

Исследование физических принципов н изучение возможностей совершенствовании технологии подземной газификации углей. Разработай новый способ нетрадиционного использования газа ПГУ, базирующийся на осуществлении добавления к газу Г1ГУ метана, извлекаемого из угольных шахт в процессе дегазации, проводимой в соответствии с требованиями обеспечения безопасных условий разработки.

Как известно, угольные месторождения Кузбасса отличаются высоким содержанием метана в пласте, по этой причине на большинстве шахт Кузнецкого бассейна существуют системы дегазации, и метан, отсасываемый из угольных пластов, по сети трубопроводов извлекается па поверхность и в подавляющем большинстве случаев выбрасывается в окружающее пространство.

Использование дайной метано-воздушной смеси в качестве добавки к газу подземной газификации углей позволяет объединить в единое целое такое достоинство технологии ПГУ, как ее стабильность (одновременно сводя к минимуму нег ативное влияние весьма непостоянных состава и дебита извлекаемой из шахты дегазационной смеси па возможность ее эффективного использования) с главным достоинством каптируемого метана - высокой теплотворной способностью.

Оптимальным количеством добавляемого метана признано 612% от объема газа ПГУ, что обеспечивает увеличение теплотворной способности газа подземной газификации следующим образом: при использовании в технологическом процессе ПГУ воздушного дуп.я теплотворная способность образующейся газовой смеси, при добавке 12% метана, составит около 8,4 МДж/м1, а в случае использования кислородного или паро-кислородиого дутья, при добавке такого же количества СН4, теплотворная способность данного газа может достигать 14,7-16,0 МДж/м-1.

Еще один положительный фактор обогащения газа ПГУ дегазационным метаном заключается в том, что в результате этой операции происходит частичная, т.н. "косвенная" очистка газа подземной газификации углей от содержащихся в нем примесей (фактически - разбавление примесей), что повышает эффективность использования газа ПГУ в газотурбинных установках по причине снижения степени возможного загрязнения газовой турбины упомянутыми примесями.

Важным показателем, характеризующим возможность реализации предложенного способа на практике, является соблюдение условии певзрываемостн образующейся газовой смеси. Взрыво-опаспосгь состава, образовавшегося от добавки к газу ПГУ метана, определяется в данном случае содержанием таких компонентов, как Ог и СШ. ' ■

На рис.3 приведена номограмма для определения концентрации Ог и СН4 в газе ПГУ (полученном при использовании в техно-логин ПГУ воздушного дутья), обогащенном добавлением к нему дегазационной метапо-воздушиой смеси. Из графика следует, что в диапазоне прпмспсппя обьема добавляемой дегазационной смеси от 5 до 20% (от обьема газа ПГУ), и при любой концентрации метана в дегазационной метаио-воздушной смеси, зона возможных сочетаний концентраций О2 и СН4 в обогащенном газе ПГУ, обозначенная па номограмме четырехугольником АВСО, не имеет точек сопршсосновеиия с зоной взрывоопасных концентраций смесей О211 СН4, определенную акад. А.А.Скочинским. Следовательно, можно констатировать, что газовая смесь, образованная от добавления к газу ПГУ дегазационного метана, при указанных условиях будет певзрывоопасиа. До настоящего времени практически отсутствуют приемлемые средства для определения в промышленных условиях таких важных параметров подземной газификации пластов, как температура и различных точках реакционных зон, положение огневого забоя, размеры и форма выгазоваиного пространства. Для исследования параметров подобного рода и определения их влияния на особенности протекания процесса ПГУ и па основные характеристики получаемого продукта, было осуществлено физическое моделирование подземной газификации углей в лабораторных условиях.

Изучение правомерности физического моделирования процесса ПГУ, сводившееся к анализу критериев подобия различного рода между моделью п натурой, позволило установить, что при физическом моделировании подземной газификации углей сохраняются аэродинамическое, тепловое и диффузионное виды подобия, то есть качественная сторона взаимосвязей между параметрами процесса ПГУ, определенных при физическом моделировании последнего в лабораторных условиях, будет сохранена и в натурных условиях.

На экспериментальном стенде была воспроизведена технологическая цепочка предприятия подземной газификации углей. Основной частью данного стенда являлась модель газифицируемого угольного пласта, представлявшая собой металлический короб размером 80x50x30 см с вваренными в него патрубками доя подвода дутья, отвода образующегося газообразного продукта и для ввода розжнговои спирали. Предметом исследований являлась новая технологическая схема подземной газификации углей, идея

Содержание CI I., n

Содержание Oj и обогащенном газе Объем добавляемой мешю-поздушнон ИГУ смеем (п % о г объема газа ИГУ)

1'пс.З., Номограмма для определения взрывоопасное™ 1азовон смеси, образуемой о г добавления к газу МГУ метана от дегазации шахт

I - зона взрывоопасных концентрации смесей Cll.i и 02 (по акад. Л.Л.Скочннскому). AHCD - зона возможных сочетании концентрации СП* и 0¿ в обогащенном газе ИГУ

которой, разработанная в ИГД им. A.A. Скочннского, была признана специалистами потенциально весьма перспективной п открывающей новые возможности перед газификацией угольных пластов, но которая до начала стадии промышленных испытаний нуждалась в подтверждении своей работоспособности, и детальном изучении особенностей функционирования с помощью лабораторного стендового моделирования. Принципиальные отличия данной технологии от применявшейся ранее па станциях "Подземгаз" состоят, во-первых, в том, что как дутьевая, так и газоотводящая скважины пробуриваются по угольному пласту, п во-вторых, в том, что точка подвода дутья к огневому забою перемещается по дутьевой скважине навстречу дутыо в сторону земной поверхности по мере выгорания угольного пласта. Физическое моделирование процесса ПГУ в лабораторных условиях дало возможность изучить следующие вопросы:

- определение влияния конструктивных особенностей дутьевой скважины на обеспечение нормального ее функционирования в заданных условиях;

- изучение расположения и перемещения температурных зон по мере передвижения очага горения; измерение температуры непосредственно в очаге горения;

- определение оптимальных, параметров дутья и нх влияния на характер перемещения точки подачи дутья к огневому забою и собственно очага горения.

Для осуществления непрерывного контроля за перемещением очага горения внутри модели угольного пласта, а также для определения скорости его движения, был применен - впервые в исследованиях подобного рода - тепловизионный метод контроля, реализованный с помощью теплонизнопной установки типа ТВ-М.

Исследование зависимости скорости перемещении очага горения вверх по дутьевой скважине от расхода дутья, при использовании двух видов дутья - воздушного и кислородного, н для случаев применения разных видов скважин - скважины с угольными стенками и скважины металлической (рис.4), позволило, в частности, выявить в случае применения в качестве дутья кислорода факт наличия определенного оптимального значения расхода дутья, при котором скорость перемещения очага наивысшая. Также установлено, что скорость перемещения очага горения по дутьевой скважине навстречу дутыо была значительно - в среднем в 4,5-6 раз -выше при применении кислородного дутья по сравнению с использованием дня той же цели воздуха.

Физическое моделирование процесса ПГУ позволило установить, что применение кислородного дутья обеспечивает перемещение очага горения вверх по дутьевой скважине как при отсутствии, так и - что было экспериментально установлено впервые - с наличием металлической обсадной трубы, причем скорость движения очага горения в первом случае превышала скорость очага, зафиксированную во втором из названных случаев, не более, чем на 15%.

Диаметрально противоположной в сравнении с вышеописанной выглядит взаимосвязь расхода дутья и скорости перемещения очага горения по газ о отводящему угольному каналу. Графическое изображение дайной зависимости, приведенное на рис.5, свидетельствует о том, что очаг горения перемещается по газоозводящему каналу при использовании воздушного дутья со значительно большей (а именно - в среднем в 3-5 раз) скоростью, чем при применении кислородного дутья.

Анализ результатов экспериментов, приведенных на рис.4 и 5, позволил предложить эффективный способ оптимизации функционирования новой технологической схемы ПГУ в части достижения большей степени выгазовапия объема угольного массива, заключающийся в применении чередования подачи к очагу горения разных видов дутья - воздушного и кислородного.

Результаты лабораторных экспериментов показали, что рекомендуемое отношение продолжительности подачи кислородного дутья к продолжительности подачи воздушного должно составлять 3:5, что будет обеспечивать достижение равномерности выгазовапия угольного пласта в зонах, прилегающих к дутьевой и к газоот-

т 10

16

и

с 4

8

10

25

15 20

Расход д>тья, л/мип Рие.4. Зависимость скорости перемещения очага горения но дутьевой скважине от расхода дутья: 1,2 - на кислородном дутье; угольная и металлическая скважины соответственно;

3,4 - на воздушном дутье; угольная и металлическая скважины соответственно.

10

к

о

4

--------- 3

Л (

6

5 10 15 20 25

Расходдуп.я. л/мим

Рнс.5 , Зависимость скорости перемещения очага горения по гачоотводящему каналу от расхода дутья: I - пш1 вочтдпипм гтл/т1,р-

водящей скважинам, так как меньшей скорости перемещения очага горения должно соответствовать большее время подачи нужного вида дутья. Эксперименты позволили установить, что использование способа чередования подачи разных видов дутья к огневому забою обеспечивает увеличение объема выгазовапного пространства угольного массива примерно на 15-20%.

В процессе изыскания возможностей совершенствования технологии ПГУ были проведены теоретические исследования, посвященные изучению возможности увеличения теплотворной способности газа подземной газификации посредством изменения структуры дутьевого потока, направляемого к очагу горения. Сущность предлагаемого изменения структуры дутьевого потока .заключалась в придании непрерывному потоку дутья пульсационного характера. Аналитическим путем было доказано существование при протекании процесса газификации причинно-следственной цепочки "характер дутья - интенсивность процесса горения - теплотворная способность газа". Так, взаимосвязь между интенсивностью процесса ПГУ и теплотворной способностью получаемого газа можно выразить в виде:

Q=b+c-lgJ, (1)

где Q - теплотворная способность газа;

J - интенсивность процесса газификации;

Ь, с - эмпирические коэффициенты. Посредством условной идентификации степени интенсивности процесса горения при газификации угля с такой физико-химической характеристикой, как суммарная константа скорости химической реакции, К', определяемой из выражения:

К = TSd ' W

l+3D

где (1 - диаметр капала;

D - коэффициент диффузии;

а - коэффициент, определяющийся из выражения:

а = й-1()4-e"RT, (3)

где Е - энергия активации молекул;

R- универсальная газовая постоянная;

Т- температура в очаге горения; а- эмпирический коэффициент, и использовании в качестве показателя, характ^шзующего диффузию процесса, величину Drp. - коэффициент градиентной диффузии (т.е. диффузии, вызываемой сдвигом скорости), было выявлено определяющее влияние значения названного коэффициента диффузии на теплотворную способность получаемого газа.

Проведенные расчеты показали, что наложение па дутьевой поток возмущающих воздействий определенного рода, а именно -придание потоку пулъсационного характера (т.е. характера, вызывающего сдвиг скорости потока), позволяет достигать увеличения теплотворной способности образующегося газа на 15-25%. Таким образом, придание потоку дутья, направляемого к очагу горения в угольный пласт, пульсацпоппого характера, может считаться способом совершенствования технологии ПГУ, обеспечивающим повышение з'енлоз'ворпой способности газа.

С целью выявления возможных последствий воздействия разработанных способов совершенствования технологии газификации угольных пластов (предусматривающих, как показано выше, увеличение интенсивности процесса газификации и, как следствие, повышение температуры очага горения) па термомехаппчеекпе характеристики газифицируемого пласта и вмещающих пород, был произведен расчет ожидаемого изменения величины тепловых потерь в боковые порода.

Анализ структуры тепло потерь в боковые породы при подземной газификации углей позволил выделить два основных гппа потерь тепла - кондуктнвные и конвективные теплопотерн.

Общие потерн тепла в боковые породы, при упрощенном расчете, определятся из выражения:

П - 100,% (4)

Зу

где П - общие потери тепла в боковые породы;

(^коид. - кондуктнвные теплопотерн, ккал;

С?ко1.и. - конвективные теплопотерн, ккал;

(2у - теплота, выделяемая при горении угольного пласта, ккал.

Для приближенного расчета конвективных и кондукгивных теплопотерь в боковые порода, имеющих место при подземной газификации угольного пласта, были определены следующие выражения:

Рк О к„= ПГ^Ь Ос - О + иМШ - 1о) + иоГ„ К (5)

IV г и

-р

2л/^п^пУп 1с-100 Г

-7=----7--'^Т

у/П

(6)

2-Уа.

где уп - объемный вес породы, кг/м3;

Кг - коэффициент объемного расширения породы; ш - мощность газифицируемого угольного пласта, м;

сп, св - теплоемкость породы и воды соответственно, ккал/кг-

•град;

Iс - температура в очаге горения,град;

- начальная температура боковых пород, град; ио - начальное влагосодержапме порода; гв - теплота испарения вода, ккал/кг;

А-п - коэффициент теплопроводности порода, ккал/м-град-ч; а - коэффпциснт температуропроводности породы, м2/ч; I .

х - время, ч; х — где 1 - длина чопы горения, м; V - ско-V

рость перемещения огневого забоя, м/ч.

В результате осуществления расчета теплопотерь было установлено, что интенсификация процесса газификации пласта, обусловливающая повышение температуры в очаге горения (так, при применении пульсирующего дутья, как показали лабораторные эксперименты, температура в очаге горения повышалась в среднем на 15-20 %, а именно - с 1200 до 1400°С), не привела к увеличению теплопотерь в боковые породы. Это явление объясняется обусловленным таким повышением температуры предполагаемым увеличением плотности заполнения выгазованного пространства в газифицируемом пласте, вызванным возрастанием степени объемного расширения нагретых боковых пород и большей степенью их ошлакования, а также увеличением скорости отработки угольного пласта, что - в разной степени и разным образом - препятствует" переходу тепла в окружающий массив.

Расчетные значения общих потерь тепла в боковые породы изменялись - в зависимости от значений изменяющихся параметров процесса - от 15 до 19 %, и, в частности, уменьшались при увеличении скорости перемещения огневого забоя.

В ходе проведения вышеописанных экспериментов по физическому моделированию подземной газификации углей обозначилась по1требпость в теоретическом исследовании процессов массо- и теплообмена в окислительной зоне подземного газогенератора в целом, и, в частности, в возможно более точном определении такого важного к,'не с теоретической, так н с сугубо практической точек зрения параметре процесса ПГУ, как дайна окислительной зоны подземного газогенератора. Ниже излагается разработанное математическое описание основных закономерностей протекания фнзи-ко-химическнх процессов, имеющих место в окислительной зоне п о дз ем и о го га з о гепер а тор а.

Уравнение диффузии кислорода в канале в цилиндрической системе координат выглядит следующим образом:

/

,1гс I rl2c

\

dt г ог

arJ

de

дг dz

rtp

где с - содержание кислорода, кг/м3;

О - коэффициент диффузии, в общем случае зависит от координат, м2/с;

и, V, и' - составляющие вектора скорости движения газа вдоль осей координат г, г и <р соответственно; г, г, <р - цилиндрические координаты, при этом г направлена по осп канала.

13 уравнении (7) опускаем члены р Л_ д с и и, ^с вслсдст-

гг г)ф2 г)ф

вис осевой симметрии. Пренебрегаем также членом по-

дг2

скольку количеством вещества, переносимым диффузией в направлении оси г, можно пренебречь по сравнению с конвективным переносом в том же направлении. Вследствие того, что у»м, пренебрегаем также и „ д с дг

Упрощенное таким образом уравнение диффузии приобретает

вид:

д1 г дг V дг) д: Уравнение (8) решается со следующими начальными и граничными условиями:

Ф=0 = со ('О;

(9)

Ф=0 =с0(г),

где с0(г) - начальная концентрация кислорода, кг/м3. При г-О должно выполняться условие ограниченности производной по г:

(|())

При г=Як граничное условие формулируется как равенство количества проднффунднрованпого кислорода к горящей поверхности углерода и количества его, израсходованного на реакцию горения:

= ~ас* (II)

где Як - радиус капала газификации, м;

а - коэффициент реакционного газообмена, м/с; с,г плотность кислорода у стенки канала, кг/м3. Уравнение диффузии кислорода к угольной стенке цилиндрического канала необходимо решать с учетом выгорания угольных стенок. Скорость изменения радиуса Ык угольного капала зависит

5 10 длина Ж§нала газификации^

Рис.6 . Распределите концентрации кислорода вдоль оси г. 1 - при г = 0; 2 -при г -0,75; 3 - при/-=11к

от концентрации кислорода с/( на его поверхности следующим образом:

5R а

sT=pc- (12>

где R - радиус выгорания угольного капала, м; р - плотность угля, кг/м3.

Решение уравнения (12) зависит от величины концентрации кислорода на стенках капала , значение которой можно получить из решения уравнения (8) с краевыми условиями (11), зависящими от текущего значения радиуса R. Таким образом, мы получаем задачу диффузии с подвижными границами, пли нелинейную систему уравнений (8)-(12) с неизвестными R и с. Алгоритм решения указанной задачи рсалнзовывался на компьютерном языке ФОРТРАН-IV. Результат решения данной задачи в части определения характера распределения концентрации кислорода вдоль оси канала газификации представлен графически на рис.6. Если принять, что окислительная зона подземного газогенератора закапчивается в той точке капала, в которой концентрация кислорода достигает 5%, то, согласно графику, длина окислительной зоны составляет порядка 16,5 м. Практическое значение нахождения численной величины данного параметра заключается в том, что на основе известной длины окислительной зоны определяется оптимальное значение закон важнейшей конструктивной характери-

стики технологии ЛГУ, как расстояние между дутьевой и газоот-водящей скважпиамп.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации па основании выполненных, автором исследований проблем технологии подземной газификации углей изложены научно обоснованные технические п технологические решения по определению перспект ив развития в Кузбассе технологии подземной газификации углей и разработке физических способов се совершенствования, реализация которых вносит значительный вклад в повышение эффективности разработки угольных месторождении и улучшение экологической ситуации в Кузнецком бассейне.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Подземная газификация углей, являющаяся научным и технологическим достижением отечественных ученых и инженеров, преодолевшая в своем развитии, начиная с 1940-х гг., как периоды значительного подъема (шесть действующих предприятий "Подземгаз" в СССР в 40-50-е гг.), так и времена падения интереса к себе со стороны структур управления экономикой страны, характеризующиеся постепенным уменьшением объемов исследовательских и практических работ в этой области (начиная со второй половины 60-х гг.), к настоящему времени вступила в латентный (скрытый) период своего существования. Следует указать, что ПГУ, испытывая потребность, как всякая высокая технология, в особом к себе внимании в части материального обеспечения, организации работ и пр., на протяжении всей своей истории фактически являлась "чужеродным" элементом как в системе угольной, так и газовой промышлсшшстсн, не находя там необходимой поддержки, ч то - наряду с проявлявшейся в последние 2-3 десят илетия недооценкой роли угля в экономике, а также в связи с общим сложным экономическим положением в стране в настоящее время - послужило причиной прекращения финансирования исследовательских программ по дайной проблеме.

Принимая во внимание эти обстоятельства, необходимо подчеркнуть, что не существует убедительных п сколько-нибудь обоснованных доказательств неэффективности подземной газификации углей. Для обоснования эффективности использования этой технологии в современных условиях и подтверждения объективно существующих экономических, экологических, социальных ее достоинств в целом, а также для выяснения перспектив развития подземной газификации в Кузбассе, был выполнен комплекс исследовательских работ, включающий: а) разработку концептуального

плана развития ПГУ в Кузнецком бассейне, определяющего и формирующего цели развития этого метода в данном регионе и возможности ПГУ в решении проблемы снижения остроты экологической ситуации в Кузбассе; б) разработку физических принципов совершенствования данной технологии.

2. Сформировавшееся к началу 1980-х гг. осознание важнейшей роли угля в энергетике будущего привело к проявлеишо в крупных угледобывающих странах мира повышенного интереса к технологии ПГУ. 11роведенпие в США и Западной Европе онытно-иромышленпые эксперименты подтвердили эффективность и рабо-тоспособпостт. этой технологии. Изучение и анализ существующих литературных источников показали, что к настоящему времени за рубежом оформилось восприятие подземной газификации углей как технологии XXI века, т.е. технологии, которая, не будучи в состоянии сегодня конкурировать со сравнительно дешевыми газом и нефтью, через определенный период времени - в связи с неизбежным исчерпанием запасов последних - обязательно будет востребована.

3. В Кузнецком бассейне, имеющем большой опыт практического использования ПГУ (Южно-Абииской станцией "Подземгаз" газифицировано за время своей работы более 3 млн. тонн угля), и значительное количество запасов угля, пригодных и целесообразных для отработки посредством подземной газификации, нынешнее состояние практических работ и научных исследований в области ПГУ не соответствует как потенциальным возможностям метода, так и большой потребности в производимом посредством его применения газе, что в значительной степени объясняется дефицитом внимания и финансовой поддержки данной технологии со стороны как местных органов власти, так и руководства угольной отраслью.

Доказано, что технология ПГУ в состоянии в случае необходимости: а) в значительной степени компенсировать возможное (внезапное) уменьшение добычи угля в Кузбассе; б) яви ться падежным резервным источником получения топлива при неожиданном повышении потребности региона в эпергоресурсах - превращаясь тем самым в важный элемент обеспечения региональной энергетической безопасности.

4. Доказано, что развитие подземной газификации углей делает вполне реальной возможность изменения структуры топливного баланса Кузбасса в пользу увеличения в нем доли газообразного топлива - за счет использования газа подземной газификации углей вместо преобладающего в настоящее время твердого топлива (угля), высвобождающийся при этом объем которого может быть использован для иных целей. Так, замена 50% потребляемого твердого топлива (а именно - 8-9 млн. т. у. т.) па газ подземной газификации может быть обеспечена работой семи предприятий

"Подземгаз" с производительностью каждого 3,5 млрд.м3 газа и год (с теплотворной способностью газа 10,5 МДж/м3 - что обосновывается соответствующими технологическими рекомендациями).

5. Установлено, что областями наиболее эффективного применения газа подземной газификации в условиях Кузбасса являются:

а) использование газа ПГУ для топливных целей в котельных ц ТЭЦ, в том числе вместо угля;

б) применение данного газа в газотурбинных установках дня получения электроэнергии. Оптимальными типами газотурбинных установок являются: дня работы в комплексе с крупной станцией "Подземгаз" - ГТУ-100, для случая работы мобильных комплексом "газогенератор - передвижная ГТУ" - ПАЭС-2500.

в) использование газа ПГУ в качестве сырья дня химических синтезов различного рода (химический состав данного газа является оптимальным для синтезирования из пего искусственного жидкого топлива, заменителя природного газа, получения бензола, серы, аммиака и др.).

6. Дока зано наличие экономической целесообразности развития метода подземной газификации углей в Кузбассе:

а) производство газа подземной газификации в Кузбассе (для местных нужд) является экономически более выгодным (в первом приближении - примерно в 5 раз) и технически легче осуществимым, чем строительство дополнительного трубопровода дня транспортирования в Кузбасс тюменского природного газа;

б) затраты на производство газа ПГУ и его применение в качестве топлива в 2-4 раза ниже, чем аналогичные виды затрат на добычу н использование угля подземной добычи, и находятся на одном уровне с затратами открытой добычи;

в) рентабельной является химическая переработка газа ПГУ с получением различных химических продуктов (искусственного жидкого топлива, серы, парафина и др.).

7. Доказана технологическая целесообразность осуществления подземной газификации углей в форме участков-модулей, которые могут являться элементом структуры современных угледобывающих предприятий. Область применения участков-модулей ПГУ при шахте или разрезе - отработка районов шахтного поля со сложными для использования традиционных способов добычи горио-техппчеекпмн условиями. Рекомендуемое направление использования газа - обеспечение производимой установленными на участке газотурбинными установками электроэнергией всех энергетических потребностей шахты. .(Так, потребности в электроэнергии крупной шахты мощностью 4 млн. тонн угля в год обеспечивает участок ПГУ, производящий 270 мли.м3 газа в год).

8. Создан банк данных по запасам угля и Кузбассе, пригодных и целесообразных для разработки посредством подземной газификации, общее количество которых составляет 13-15 млрд. тонн.

Уста поилаю, что запасы указанного рода имеются во всех промышленных районах Ку збасса (среди которых по количеству запасов выделяются: Ленинский район - 6 млрд. тонн, Новокузнецкий район - 2,5 млрд. тонн, Кемеровский район - 1,5 млрд. тони), в каждом из которых существует обширная инфраструктура потенциальных потребителей газа ПГУ, подключение к которым не потребует больших экономических затрат.

9. Разработан способ нетрадиционного использования газа подземной газификации углей, сущность которого состоит в добавлении к газу ПГУ метана, извлекаемого из угольных пластов при дегазации последних, и который и то же время может рассматриваться как один из способов утилизации каптируемого метана. Оптимальное количество добавляемого метана - 6-12% от объема газа ПГУ, что обеспечивает увеличение теплотворной способности газа подземной газификации: при использовании в технологии ПГУ воздушного дутья - до 8,4 МДж/м3, при паро-кислородном дутье-до 14,7 МДж/м3.

И). Экспериментально установлены определяющие взаимосвязи между технологическими параметрами и физическими характеристиками процесса ПГУ, осуществляемого по новой технологии:

а) при использовании кислородного дутья очаг горения перемещается навстречу дутыо по дутьевой скважине - как при отсутствии, так и с наличием металлической обсадной трубы, причем скорость движения очага горения в первом случае превышает" скорость очага, зафиксированную во втором из названных случаев, не более чем па 15%;

б) скорость перемещения очага горения по дутьевой скважине при использовании в технологии ПГУ кислородного дутья примерно в 4,5-6 раз выше, чем при использовании воздушного дутья; для случая перемещения очага горения по газоотводящей скважине имеет место обратная зависимость: скорость движения очага горения при использовании воздушного дутья в среднем в 3-5 раз выше, чем при применении ду тья кислородного.

11. Предложен способ достижения большей степени выгазова-ния объема угольного пласта, заключающийся в применении чередования подачи к очагу горения разных видов дутья - воздушного и кислородного. Оптимальное соотношение продолжительности подачи кислородного дутья и воздушного составляет 3:5. Данный способ позволяет увеличить объем выгазоваииого угольного массива на 15-20%.

12. Установлена принципиальная возможность увеличения теплотворной способности производимого при подземной газификации угольных пластов газа посредством придания технологическому дутыо пульсациопного характера. Согласно расчетам, такое изменение характера технологического дутья обеспечит увеличение т еплотворной способности образующегося газа па 20-25%.

13. Посредством математического моделирования описаны процессы массо- и теплообмена в реакционном канале подземного газогенератора. В качестве основы для расчетов использована модель диффузии газа в канале в цилиндрической системе координат, причем уравнение диффузии решалось с учетом выгорания угольных стенок капала. Получено распределение концентрации кислорода вдоль оси капала газификации, на основании чего установлено расчетное значение определяющей технологической характеристики процесса ПГУ - длины окислительной зоны капала газификации, составившее, дня принятых в расчетах условий, 16 м.

14. Произведен выбор места п выполнено геологическое и технологическое обоснование для строительства в Кузбассе крупного лндериого предприятия подземной газификации углей. Место строительства данного предприятия - Петровский участок Кемеровского угольного района, рекомендуемое назначение - функционирование в качестве составной части образующегося таким образом энергетического комплекса "предприятие ПГУ - Петровская ТЭЦ". Производительность предприятия по газу - 3,2 млрд.м3 в год, что обеспечивает эиергегнческую мощность комплекса 300 МВт.

15. Научные результаты и практические рекомендации исследований использованы в качестве составных частей в ряде документов методического и прогнозного характера, применяемых научно-исследовательскими и проектными организациями.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: Монографии:

I.. Мясников A.A., Лазарешсо С.Н. Перспективы развития подземной газификации углей в Кузнецком бассейне. - Новосибирск: Наука, 1991. - 87 с.

2. Лазарешсо С.Н., Крейннн Е.В. Подземная газификация углей в Кузбассе: настоящее и будущее. - Новосибирск: Наука, 1994. -118 с.

Научные статьи:

3. Легкодух И.Г., Лазарепко С.Н. Исследование параметров эффективности низконапорпого нагнетания воды в угольные пласты. / Вопросы рудничной аэрологии, вып. 5 - Труды КузПИ. - Кемерово, 1977, с. 10-21.

4. Оптнн Е.И., Легкодух И.Г., Лазаренко С.Н. Результаты испытании химических реагентов для предварительного увлажнения угольного массива. - В кн. "Борьба с силикозом", т.Х1. - М: Наука, 1982, с.41-43.

5. Лазаренко С.И. Исследование способов повышения эффективности предварительного увлажнения спльнотрещиповатых угольных пластов. / Предупреждение пневмокоииоза па предприятиях. -Труды ВостНИИ. - Кемерово, 1982, с.57-59.

6. Лазаренко С.Н. Выбор и применение для предварительного увлажнения угольного массива реагента-смачивателя. / Повышение безопасности ведения горных работ в угольных шахтах. - Труды ВостНИИ. Кемерово, 1983, с.53-55.

7. Лазаренко С.Н. Физическое моделирование процесса подземной газификации углей в лабораторных условиях. / Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочннского, вып. 295. - Москва, 1994, с.83-90.

X. Мясников A.A., Лазаренко С.Н. Оценка перспектив развитии подземной газификации углей в Кузнецком бассейне. - Фпзико-тех-нические проблемы разработки полезных ископаемых. 1995, № 2.

9. Мясников A.A., Лазаренко С.Н., Преслср Л.В. К вопросу о возможности повышения интенсивности процесса горения угля при его подземной газификации. - Физико-технические проблемы разработан полезных ископаемых. 1995, № 2.

10. Лазаренко С.Н. Совершенствование топливного баланса Кузбасса посредством использования газа подземной газификации углей. - Деп. в ЦНИЭИуголь 20.07.1995, №5497.

11. Лазаренко С.Н. Разработка способа повышения эффективности процесса сбойки технологических скважин при подземной газификации углей. - Деп. в ЦНИЭИуголь 20.07. 1995, №5496.

Доклады на конференциях, семинарах:

12. Мясников A.A., Лазаренко С.Н. Научно-технические проблемы и перспективы подземной газификации углей Кузнецкого бассейна. - Сб. докл. Всесоюзной конференции "Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома в эффективности развития производительных сил Кузбасса". - Кемерово, 1988, с.112-116.

13. Мясников A.A., Лазаренко С.Н. Пути повышения эффективности подземной газификации углей в Кузбассе. - Тез. докл. Всесоюзной научно-практической конференции "Создание высокоэффективных процессов переработки и использования твердых горючих ископаемых, получение альтернативных моторных топлив и химических продуктов из угля". - Донецк, 1989, с. 176-177.

14. Лазаренко С.Н., Мясников A.A. Перспективы развития подземной газификации углей в Кузнецком бассейне. - Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции "Экологические проблемы угольной промышленности Кузбасса". Мсждуречспск, 1989, с.23-24.

15. Лазаренко С.Н. Расширение области применения газа подземной газификации углей. - Тез. докл. конференции "Основные направления открытой угледобычи и переработки КАУ". - Красноярск, 1990, с.114-116.

16. Лазаренко С.Н. Перспективы и актуальность применения метода подземной газификации для разработан угольных месторождений Кузбасса. - Труды Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири "Угольный комплекс-90". - Леиинск-Кузнецкнй, 1990, с.104-106.

17. Лазарепко С.Н. Развитие подземной газификации углей - пуп, к улучшению экологической ситуации в Кузбассе. - Сб. докл. Всесоюзного симпозиума "Проблемы газификации углей". - Красноярск, 1991, с. 188-191.

18. Лазарепко С.Н., Бу1"ров 10.М. О возможности использования побочного продукта подземной газификации углей для дорожного строительства. - Сб. докл. Всесоюзного симпозиума "Проблемы газификации углей". - Красноярск, 1991, с.205-209.

19. Грнцко Г.П., Лазарепко С.II. Значение п возможности развшня зехиоло! 1111 подземной газпфпкацнп углей в условиях Кузнецкого бассейна. - Сб. докл. Семинара по подземной газификации углей. -Кемерово, 1992, е.3-5.

20. Лазарепко С.П. Выбор места для строительства крупного предприятия подземной газификации углей I! Кузбассе. - Сб. докл. Се-мниара по подземной газификации углей. - Кемерово, 1992, с. 17-19.

21. Лазарепко С.Н. Перспективы развития подземной газификации углей в Сибири. - Тез. докл. II Международной паучпо-практпчсской конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности". - Новокузнецк, 1995, с.20-22.