газификация твердых топлив подземная
ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ ПОДЗЕМНАЯ
превращ. твердых топлив (угля, горючих сланцев) непосредственно на месте их залегания в недрах земной коры в горючий газ, который выводят на поверхность через буровые скважины.
В пром. масштабе осуществлена подземная газификация угля (П. г. у.). Идея ее была предложена Д. И. Менделеевым (1888), который писал: "... настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что угля из земли вынимать не будут, а там в земле его сумеют превращать в горючие газы..."; позднее (1912) эту же идею высказал У. Рамзай. В. И. Ленин в статье "Одна из великих побед техники" высоко оценил идею П. г.у. и ее преимущества перед шахтным методом добычи угля. СССР принадлежит приоритет в разработке (с 1930) и внедрении техн. решений П. г. у.
Для стабильного получения горючего газа под землей необходимо учитывать особенности как самого пласта топлива, так и вмещающих его пород (напр., состав и степень метаморфизма угля, прочность пород и т. д.). П.г.у. осуществляется под действием высокой температуры (1000–2000 °C) и подаваемого под давлением дутья — разл. окислителей (как правило, воздуха, O2 и водяного пара, реже — CO2). Для подвода дутья и отвода газа газификацию проводят в скважинах, расположенных в определенном порядке и образующих т. наз. подземный генератор. В нем идут те же хим. реакции, что и в обычных газогенераторах (см. газификация твёрдых топлив). Однако условия подземной газификации специфичны. Вмещающие пласт топлива горные породы представляют собой своеобразные стенки реактора и одновременно материал, заполняющий выгазованное пространство. В газификации участвуют подземные воды, а также влага угля и горных пород. В отличие от наземной газификации, где топливо по мере расходования поступает в газогенератор, в случае подземной газификации при выгазовывании одного участка пласта топлива требуется переход к другому. Возникает необходимость параллельно с газификацией одних участков пласта подготавливать к газификации иные его участки.
Существует неск. методов П. г. у. Основой ее практич. реализации явился предложенный в СССР (1933–34) и впоследствии развитый (1945–48) поточный метод газификации в целике пласта топлива. Метод состоит в газификации пласта в искусственно созданном канале (т. наз. канале газификации) с регулируемым расходом дутья и газа. В эксплуатации могут находиться сразу неск. таких каналов.
При поточном методе газообразование происходит на поверхности канала, в термически подготовл. участке пласта топлива и в самом канале, поверхность которого разделяет газовую и твердую фазы. Реакции на поверхности канала гетерогенны; скорость их определяется гл. обр. диффузией дутья и размером этой поверхности. В канале газификации, где движется осн. масса дутья, газа и паров, протекают гомог. реакции, скорость которых зависит прежде всего от температуры и концентрации реагирующих веществ. В твердой фазе происходят термич. разложение и сушка орг. соед., входящих в состав угля и горных пород. При движении образующихся продуктов по порам и трещинам в направлении канала развиваются как гетерогенные, так и гомогенные окислительно-восстановит. реакции. Скорость процесса в твердой фазе в осн. определяется его температурой.
В каждый канал газификации в соответствующей последовательности через один конец подают дутье, а через другой отводят газ. Ширина полосы угля, при которой в данных горно-геол. условиях происходит газификация, определяет расстояние между каналами.
Способ создания первонач. каналов газификации в пласте топлива во многом обусловливает конструктивную схему подземного газогенератора. Наиб. полно удовлетворяют тр сбованиям П. г. у. бесшахтные способы подготовки каналов, когда все работы осуществляют с поверхности земли, связь которой с пластом топлива обеспечивается буровыми скважинами. В соответствии с горно-геол. условиями до встречи с пластом бурят вертикальные, наклонные и криволинейные скважины, обсаживаемые трубами, причем затрубное пространство цементируют. Для соединения (сбойки) скважин между собой используют след. способы: фильтрационный, электрический с применением гидравлич. разрыва пласта, а также бурение скважин по угольному пласту (наклонных, горизонтальных и т. д.) с послед. расширением созданных щелей гидроразрыва или каналов посредством выжигания угля.
При фильтрац. способе воздух, нагнетаемый через одну из скважин, распространяясь по пласту топлива и горным породам, частично проходит и в соседние скважины. Созданный через одну из скважин очаг горения в пласте топлива поддерживается за счет воздуха (или др. окислителя), притекающего из др. скважины, и перемещается навстречу потоку дутья. При подходе очага горения к дутьевой скважине гидравлическое сопротивление прохождению дутья снижается; образовавшийся канал можно применять для газификации. В пластах топлива, обладающих малой газопроницаемостью, используют дутье, сжатое до давления, которое превышает давление горных пород на данной глубине залегания пласта. При этом существенно возрастает количество дутья, принимаемого скважиной.
Электрич. способ создания газопроницаемых каналов основан на снижении ρ участка пласта топлива под влиянием теплового пробоя при приложении через скважины электрич. тока высокого напряжения. Полученный электропроводящий канал между скважинами используется в целях подвода тока небольшого напряжения для коксования топлива под действием выделяемого тепла. Этот канал обладает достаточной газопроницаемостью и м. б. применен для сбойки скважин фильтрац. способом до образования своб. канала, который впоследствии используют для газификации по поточному методу.
По мере выгазовывания пласта топлива покрывающие его верх. породы под действием горного давления сдвигаются и заполняют выработанное пространство. Вследствие этого размеры и структура каналов газификации в течение продолжит. периода практически не изменяются, что наряду с квазистационарностью газификации обусловливает постоянство состава получаемого газа. В зависимости от качества угля, характеристик и свойств пласта и вмещающих его пород газификация устойчива до достижения оптимальной для данной горно-геол. обстановки степени выгазованности участка пласта. Дальнейшее увеличение этого параметра приводит к дополнит. затратам тепла на нагревание горной породы, испарение влаги, а также к образованию обводненных потоков дутья, дожигающих горючие компоненты газа. Качество газа ухудшается, возникает необходимость ввода в эксплуатацию новых каналов газификации. Из-за отсутствия газонепроницаемых стенок происходят потери дутья и газа.
Помимо поточного метода П. г. у. известен метод, который базируется на использовании прир. трещин и пор угольного пласта. Для газификации этот пласт на определенном участке зажигают и нагнетают через скважину дутье. При постепенном нагревании угля число трещин и пористость возрастают, что вызывает увеличение газопроницаемости участка пласта. Газообразные продукты проходят через поры и трещины к газоотводящему коллектору (или скважине). Данный метод не нашел применения из-за малой и неравномерной проницаемости большинства пластов твердых топлив, повыш. расходов энергии и потерь дутья и газа, особенно при обрушении кровли над выгазованным пространством.
Состав и теплота сгорания газа (см. табл.) зависят как от качества угля и состава дутья, так и от горно-геол. условий (прежде всего от мощности и угла залегания пластов, свойств горных пород, притока подземных вод и т. п.).
Газ, производимый путем П. г. у., применяют для энергетич. нужд (в осн. как котельное топливо). Себестоимость газа (в пересчете на условное топливо) ниже себестоимости угля, добываемого шахтным способом, и выше себестоимости угля открытой добычи. Технико-экономич. показатели П. г. у. определяются масштабами производства газа. При П. г. у. отпадает необходимость в труде людей под землей, улучшаются его условия и состояние воздушного бассейна, не нарушается плодородный слой почвы. Однако газ, полученный на воздушном дутье, по теплотехн. свойствам существенно уступает природному.
ХАРАКТЕРИСТИКА ГАЗА, ПОЛУЧЕННОГО ГАЗИФИКАЦИЕЙ УГЛЯ НА ВОЗДУШНОМ ДУТЬЕ
Освоенность процесса на воздушном дутье и глуб. до 250–300 м открывает перспективу П. г. у. при повыш. давлении и на парокислородном дутье с получением газа, содержащего значительные количества CH4 и др. горючих компонентов.
Дальнейшее развитие при определенных условиях (малая глубина залегания, наличие небольших количеств минеральных примесей и т. д.) получат также исследования в области подземной газификации горючих сланцев.
Кроме СССР, работы по подземной газификации проводятся в США, ФРГ, Франции и др. странах. Объем производимого в СССР газа ок. 1,5 млрд. м3 (1980).
Лит.: Менделеев Д. И., Соч., т. 11, Л.-М., 1949, с. 66; Скафа П. В., Подземная газификация углей, М., 1960; Подземная газификация угольных пластов, М., 1982.
Н. А. Федоров
