Исследование и разработка способов повышения теплоты сгорания газа, получаемого при подземной газификации угля: На примере Шкотовского буроугольного месторождения

Актуальность работы. Исчерпание запасов продуктивных пластов благоприятного залегания, переход шахт на отработку более глубоких горизонтов с ухудшением горно-геологических условий привели к такому положению, когда дальнейшее совершенствование существующей технологии на основе прежних принципов становится неэффективным и малоэффективным. Реструктуризация угольной промышленности, ставившая своей целью ликвидацию особо убыточных нерентабельных предприятий, привела к закрытию 18 шахт и 2 угольных разрезов Приморского края. В результате край почти полностью лишился своего каменного угля, а коммунально-бытовые потребители вынуждены использовать высокозольный бурый уголь [1].

Отличительной особенностью угольных месторождений Приморского края являются сложные горно-геологические условия, наличие большого количества тектонических нарушений, что затрудняет применение современной горной техники и препятствует достижению высоких технико-экономических показателей на угольных предприятиях. Чтобы коренным образом изменить существующую технологию добычи угля, используя не просто новые машины и механизмы, а новые принципы или новые методы его добычи и переработки [2].

Задача разработки и внедрения качественно новых способов добычи топливно-энергетических ресурсов, обеспечивающих высокую производительность труда, экологичность, сокращение численности людей, работающих под землей, и значительное улучшение условий труда. В решении этой задачи основное место отводится изысканию новых технологий добычи и переработки угля, устраняющих отмеченные недостатки, менее трудоемких в эксплуатации, с меньшими удельными капитальными затратами при строительстве.

Исследованиями, проводимыми в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВГТУ), установлено, что наиболее реальным энергоносителем, который дополнительно может быть использован промышленностью, и, в частности, тепловыми электростанциями, является газ подземной газификации угля (ПГУ). Необходимо отметить, что этот газ, получаемый на воздушном дутье, значительно уступает природному, как по температуре горения, так и по теплоте сгорания. Поэтому он рекомендуется для использования как энергетическое топливо в котельных и на электростанциях.

С технической стороны ПГУ — это упрощение существующей технологии добычи и транспортировки твердого топлива, а, следовательно, в перспективе учитывая большие запасы угля пригодные к отработке способом ПГУ — это огромные возможности для роста производительности труда и снижения себестоимости добычи 1 тонны условного топлива.

Одной из причин, по которой эта прогрессивная технология не получила широкого распространения, явилось решение Правительства в начале 60-х годов заменить угольное топливо на тепловых электростанциях на имеющийся в большом объеме природный газ и продукты переработки нефти (мазут). С позиции сегодняшнего дня это видится как крупная стратегическая ошибка в развитии топливно-энергетического комплекса страны.

Сложившаяся в настоящее время ситуация на мировом и региональных рынках энергоносителей позволяет говорить о больших перспективах и указывает на необходимость совершенствования технологии ПГУ. При этом одним из важнейших направлений является повышение теплоты сгорания получаемого газа, с целью доведения потребительских свойств газа ПГУ до уровня природного газа.

Разведанные мировые запасы твердого топлива при соответствующей переработке могут дать в десятки раз больше горючего газа, чем разведанные запасы природного газа, и в 10−20 раз больше, чем мировые запасы нефти.

Задача повышения теплоты сгорания газа ПГУ позволит расширить область применения этой технологии и является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка и научное обоснование технических решений, позволяющих повысить теплоту сгорания газа в подземном газогенераторе и поверхностном комплексе станции ПГУ.

Задачи исследований. Для достижения поставленных целей предусматривается:

— математическое моделирование процесса газификации угля в канале при различных видах дутья;

— определение зависимостей теплоты сгорания газа от состава дутья;

— определение влияния температурного фактора на состав и теплоту сгорания газа;

— исследование и определение оптимальных конструкций подземных газогенераторов, позволяющих получать газ с повышенной теплотой сгорания;

— анализ и выбор наиболее благоприятных месторождений Приморского края для целей ПГУ с учетом применения различного вида дутья;

— технико-экономическая оценка способов повышения теплоты сгорания газа на примере Шкотовского буроугольного месторождения.

Основная идея работы заключается в разработке новых технологических решений на основе обобщения и использования последних достижений науки и производства в области наземной и подземной газификации угля, позволяющих получать газ ПГУ с повышенной теплотой сгорания.

Методы исследований включают: анализ патентов и научно-технической литературы, использование математического анализа, статистики и теории вероятности, математическое моделирование процесса газификации угля в канале с применением математических прикладных программ.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

— математическая модель процесса газификации угля в канале при использовании кислород-диоксид-углеродного дутья;

— зависимость изменения теплоты сгорания газа ПГУ при различных параметрах высокотемпературного кислород-диоксид-углеродного дутья;

— схема подземного газогенератора для мощных угольных пластов, отличающаяся тем, что для активизации процесса выделения летучих веществ в увеличенной зоне пиролиза используется опережающая термическая подготовка канала.

Научная новизна работы заключается в «следующем:

— установлена зависимость теплоты сгорания газа ПГУ от зольности для бурых углей Приморского края;

— установлена зависимость получения газа с высоким содержанием Н2 и СО в интервале температурных параметров дутья от 20 до 690 °C;

— предложена конструкция подземного газогенератора для мощных пластов, учитывающая процесс выделения летучих веществ в увеличенной зоне пиролиза при опережающей термической подготовке канала;

— разработана методика технико-экономической оценки получения газа ПГУ с повышенной теплотой сгорания с учетом попутно извлекаемых продуктов.

Обоснованность и достоверность научных положений, изложенных в диссертации, подтверждаются:

— значительным объемом исследований, проведенных на математических моделях;

— удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментально определенных параметров на ряде действующих станциях ПГУ;

— положительной экспертной оценкой разработанной технологической схемы подземного газогенератора.

Практическая ценность работы заключается в:

— разработке технологической схемы газогенератора для мощных угольных пластов, позволяющей получать газ повышенной теплоты сгорания за счет интенсификации процессов пиролиза в канале;

— выборе технологической схемы поверхностного комплекса, повышающей теплоту сгорания газа ПГУ;

— определении возможности получения из газа ПГУ с повышенной теплотой сгорания заменителя природного газа и диметилового эфира;

— установлении возможности использования газа ПГУ с повышенной теплотой сгорания в качестве моторного топлива.

Реализация результатов работы. Результаты исследований реализованы:

— при выполнении федеральной целевой научно-технической программы «Научное и инновационное сотрудничество» по направлению «Разработка новых методов и технологий неистощительного природопользования, повышения комплексного и малоотходного использования природных ресурсов» в научно-исследовательской работе НИР 05.01.008. «Комплексная, ресурсосберегающая, экологически чистая скважинная технология отработки полезных ископаемых в условиях Дальневосточного региона»;

— при выполнении программ научно-исследовательских работ по темам: «Получение метанола способом наземной и подземной газификации высокозольных углей Приморского края», «Разработка технологической схемы использования высоковлажных углей участка „Поисковый“ Павловского буроугольного месторождения» (ДШ ТУ, 2000 г.);

— при выполнении инвестиционных проектов: «Горное энергохимическое предприятие по разработке углей участка „Заозерный 1−2“ Артемовского буроугольного месторождения», «Комплексная ресурсосберегающая технология отработки участка „Долина“ Шкотовского буроугольного месторождения» (ДВГТУ, 2002 г.);

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на первой, второй и третьей международных научно-практических конференциях «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР» (ДВГТУ, Владивосток, 2001, 2002, 2004 гг.) — на заседании технического совета ОАО «Энергия Востока" — на заседании ученого совета Горного института Дальневосточного государственного технического университетана научно-практических семинарах кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Горного института. 9.

Выводы.

1. Проведен технико-экономический расчет двух вариантов использования газа ПГУ с теплотворной способностью 1,1 А МДж/м3 (1850 ккал/м), полученного на Шкотовском буроугольном месторождении с применением кислород-диоксид-углеродного дутья, при производственной мощности станции 250 млн. м газа в год.

2. Обоснована эффективность осуществления мероприятий по повышению теплоты сгорания газа.

3. Показана и обоснована целесообразность применения энерготехнологической установки, позволяющей синтезировать из получаемого газа метанол.

Следует также отметить, что строительство станции ПГУ с энергетической установкой, при получении газа с высокой теплотой сгорания, экономически эффективно.

4. Два рассмотренных варианта являются рентабельными. Уровень рентабельности для I и II варианта равен 18%.

5. Расчетные сроки окупаемости капитальных вложений не превышают 5 лет.

Заключение

.

В результате выполненных исследований решена научная задача, заключающаяся в обосновании технических и технологических решений по повышению теплоты сгорания газа ПГУ и снижению вредных выбросов в атмосферу при его сжигании. Внедрение этих решений позволит значительно повысить технико-экономические показатели технологии подземной газификации угля и уменьшить загрязнение окружающей среды.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Разработана и обоснована технологическая схема кислород-диоксид-углеродного дутья, позволяющая значительно увеличить теплоту сгорания газа ПГУ.

2. На термодинамической модели установлены зависимости роста теплоты сгорания от вида и температуры дутья.

3. Предложена усовершенствованная конструкция подземного газогенератора для мощных угольных пластов, позволяющая получать газ с повышенной теплотой сгорания.

4. Установлена возможность значительного повышения теплоты сгорания газа в зоне пиролиза угольного массива при внесении дополнительного тепла отработанных газов газотурбинной установки.

5. Получены зависимости изменения теплоты сгорания от зольности угля и влажности подаваемого газа на примере Шкотовского буроугольного месторождения Приморского края, актуальные для практического применения при строительстве и эксплуатации станций ПГУ.

6. Предложена комбинированная схема подачи дутья различного состава при различной температуре, что приводит к повышению теплоты сгорания и увеличению КПД процесса газификации.

7. Рассмотрен и предложен эффективный способ очистки газа ПГУ от СО2 посредством аппарата ПУГС-5, что позволяет значительно повысить теплоту сгорания товарного газа.

8. На основе анализа горно-геологических данных, с учетом технологических решений, предложенных автором, определены перспективные для подземной газификации месторождения Приморского края: Шкотовское, Бонивуровское, Бикинское, Раковское, Павловское и Артемовское.

9. Предложена методика расчета технико-экономических показателей, учитывающая производство и реализацию газа с повышенной теплотой сгорания.

10. Выполненные расчеты определили высокую рентабельность и малый срок окупаемости станций ПГУ проектируемых на основе предложенных автором технологических решений.