УСТАНОВКА ДЛЯ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТОПЛИВА
INSTALLATION FOR UNDERGROUND GASIFICATION OF FUEL

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к устройствам для выработки тепловой и электрической энергии по месту их генерации путем преобразования твердых углеводородных топлив, к которым относятся ископаемые угли, в газообразное топливо за счет осуществления внутрипластовой подземной огневой газификации. Установка предназначена для эксплуатации в удаленных от промышленных центров районах залегания твердых углеводородных топлив, для которых транспортировка этих топлив экономически не рентабельна.
Аналогом является энергетическая установка с подземной газификацией угля, содержащая газогенератор с дутьевым вентилятором, первый электрогенератор, связанный с валом газовой турбины, перед которой расположен узел газоочистки, второй электрогенератор, связанный с валом паровой турбины, при этом на входе и выходе газогенератора размещены соответственно дымосос и котел-утилизатор, причем выход дымовых газов газогенератора связан с входом котла-утилизатора скважиной (трубопроводом), по которой поступают дымовые газы (авторское свидетельство SU №1740708, МПК F01K 23/06, 15.06.1992).
Прототипом является энергетическая установка для подземной газификации топлива, содержащая газовую турбину (детандер), связанную с потребителями ее мощности (компрессором, электрогенератором), теплообменник (котел-утилизатор) и паротурбинную установку, при этом газовая турбина (детандер) установлена непосредственно на выходе газов из газификатора, а теплообменник (котел-утилизатор) и паротурбинная установка расположены после газовой турбины по ходу газов (патент на полезную модель RU №57422, МПК F17D 1/07, 10.10.2006).
Недостатками аналога и прототипа являются:
1. Низкая эффективность подземной газификации топлива, обусловленная отсутствием возможности вторичного розжига газифицируемого топлива (угля) с использованием технических возможностей непосредственно самой установки.
2. Нестабильность получения газа заданной калорийности вследствие дестабилизации параметров газодутьевых потоков и непрерывного изменения формы и размеров реакционного канала, не предсказуемого во времени обрушения пород в выгазованное пространство, из-за чего непрерывно меняется температурный режим в реакционной зоне канала, что в конечном итоге также снижает эффективность подземной газификации топлива.
3. Значительные потери угольного вещества в недрах при аварийном выведении из строя скважин вследствие затухания процесса подземной газификации угля, возникающего на участках использования установки с неблагоприятными условиями сложного горно-геологического строения: высокой зольностью более 40% и мощностью (толщиной) газифицируемого пласта менее 3 м.
Задачей изобретения является разработка установки для подземной газификации топлива, в которой устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом является повышение эффективности подземной газификации топлива и уменьшение его потерь при аварийном выведении из строя скважин.
Технический результат достигается тем, что установка для подземной газификации топлива, содержащая газовую турбину, электрогенератор, воздушный компрессор с линией всасывания атмосферного воздуха и линией подачи воздуха, парогенератор с линией питательной воды, газоочиститель с линией подачи газа потребителю, газоотводящие и дутьевые трубы, закрепленные в скважинах, при этом газовая турбина соединена с электрогенератором, воздушным компрессором, парогенератором и при помощи линии отвода газа, с газоотводящими трубами, причем парогенератор соединен с газоочистителем и при помощи линии подачи пара с дутьевыми трубами, а на линии отвода газа и линии подачи пара установлены электроприводные задвижки, согласно настоящему изобретению дополнительно содержит газовый ресивер, линию подачи топливного газа, байпасную трубу, наклонно-горизонтальные трубы, расположенные вне границы зоны сдвижения пород топлива, гибкие трубы, расположенные внутри наклонно-горизонтальных труб, и газовые горелки вторичного розжига газифицируемого топлива, причем каждая гибкая труба соединена одним концом с газовой горелкой вторичного розжига газифицируемого топлива, установленной с возможностью перемещения, а другим концом с линией подачи топливного газа, при этом внутритрубное пространство наклонно-горизонтальных труб соединено при помощи линии подачи воздуха с выходом нагнетательной стороны воздушного компрессора, газовый ресивер соединен при помощи байпасной трубы с линией подачи газа потребителю и линией подачи топливного газа, которая соединена с внешней газовой магистралью с электроприводной задвижкой, электрогенератор выполнен с возможностью осуществления функции стартер-генератора, а на байпасной трубе установлены электроприводные задвижки.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена предлагаемая установка для подземной газификации топлива.
На чертеже цифрами обозначены следующие элементы и узлы:
1 - угольный пласт (газифицируемый участок топлива),
2 - газоотводящая труба,
3 - дутьевая труба,
4 - граница зоны сдвижения пород топлива,
5 - наклонно-горизонтальная труба,
6 - газовая горелка вторичного розжига газифицируемого топлива (горелка-воспламенитель),
7 - газовая турбина,
8 - воздушный компрессор,
9 - электрогенератор,
10 - парогенератор,
11 - газоочиститель,
12 - газовый ресивер,
13 - электроприводная задвижка,
14 - гибкая труба,
15 - линия отвода газа,
16 - байпасная труба,
17 - линия подачи топливного газа,
18 - линия подачи воздуха,
19 - линия подачи газа потребителю,
20 - внешняя газовая магистраль,
21 - линия всасывания атмосферного воздуха,
22 - линия питательной воды,
23 - линия подачи пара.
На чертеже для удобства изображения показан фрагмент с газифицируемым участком топлива (угольного пласта 1) с условной границей 4 зоны сдвижения пород топлива. Газифицируемый участок угольного пласта 1 состоит, например, из двух скважин с газоотводящими трубами 2, двух скважин с дутьевыми трубами 3, двух скважин с наклонно-горизонтальными трубами 5. На практике число скважин и шаг между скважинами с трубами 2, 3 и 5 в направлениях по горизонтальной плоскости выбирается исходя из мощности и толщины угольного пласта 1 с заранее обусловленным возможным обрушением пород и с размерами выгазованного пространства, определяемого по границам 4 зоны сдвижения пород топлива.
Установка для подземной газификации топлива (угольного пласта 1) содержит газовую турбину 7, электрогенератор 9, воздушный компрессор 8 с линией 21 всасывания атмосферного воздуха и линией 18 подачи воздуха, парогенератор 10 с линией 22 питательной воды, газоочиститель 11 с линией 19 подачи газа потребителю, газоотводящие трубы 2 и дутьевые трубы 3, закрепленные в скважинах угольного пласта 1.
Газовая турбина 7 соединена с электрогенератором 9, воздушным компрессором 8, парогенератором 10 и при помощи линии 15 отвода газа с газоотводящими трубами 2.
Парогенератор 10 соединен с газоочистителем 11 и при помощи линии 23 подачи пара с дутьевыми трубами 3.
На линии 15 отвода газа и линии 23 подачи пара установлены электроприводные задвижки 13.
Отличием предлагаемой установки для подземной газификации топлива является то, что она дополнительно содержит газовый ресивер 12 для накопления собственного газа и его использования, линию 17 подачи топливного газа, байпасную трубу 16, наклонно-горизонтальные трубы 5, расположенные вне границы 4 зоны сдвижения пород топлива, гибкие трубы 14, расположенные внутри наклонно-горизонтальных труб 5, и газовые горелки 6 вторичного розжига газифицируемого топлива (горелки-воспламенители 6).
Каждая гибкая труба 14 соединена одним концом с газовой горелкой 6 вторичного розжига газифицируемого топлива (горелкой-воспламенителем 6), установленной с возможностью перемещения, а другим концом с линией 17 подачи топливного газа.
Внутритрубное пространство наклонно-горизонтальных труб 5 соединено при помощи линии 18 подачи воздуха с выходом нагнетательной стороны воздушного компрессора 8.
Газовый ресивер 12 соединен при помощи байпасной трубы 16 с линией 19 подачи газа потребителю и линией 17 подачи топливного газа.
Линия 17 подачи топливного газа соединена с внешней газовой магистралью 20 с электроприводной задвижкой 13.
Электрогенератор 9 выполнен с возможностью осуществления функции стартер-генератора для пуска и кратковременной работы в приводном режиме.
На байпасной трубе 16 установлены электроприводные задвижки 13.
Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.
Газоотводящие трубы 2 предназначены для удаления газообразных продуктов из реакционной зоны угольного пласта 1 через трубы линии 15 отвода газа и газовую турбину 7 (на чертеже показана упрощенная схема газотурбинного агрегата).
Дутьевые трубы 3 служат для подачи по линии 23 перегретого пара от парогенератора 10 в зону термохимической реакции при газификации угольного пласта 1.
Газоотводящие трубы 2 и дутьевые трубы 3 на надземном участке обвязаны между собой транспортирующими трубами с электроприводными задвижками 13, которые служат для обеспечения требуемых технологических параметров газификации по температуре, давлению и газодинамике дутьевых и газоотводящих потоков.
Наклонно-горизонтальная труба 5 служит для размещения в ней гибкой трубы 14 с перемещаемой газовой горелкой 6 вторичного розжига газифицируемого топлива (горелкой-воспламенителем 6), которая предназначена для воспламенения угля в нижней части угольного пласта 1 за счет сжигания определенного количества собственного газа, поступающего из газового ресивера 12 по байпасной трубе 16 при частичном потухании основной реакционной зоны. От воздушного компрессора 8 по линии 18 подается воздух во внутритрубное пространство наклонно-горизонтальной трубы 5 для реакции окисления угля.
Факел от газовой горелки-воспламенителя 6 имеет выход к угольному пласту 1 через верхний вырез горизонтального участка трубы 5. При недостатке собственного газа топливный газ в газовую горелку-воспламенитель 6 может быть подан от внешней газовой магистрали 20 через электроприводную задвижку 13 по трубе линии 17 подачи топливного газа.
Газовая турбина 7 служит для отсасывания продуктов горения из реакционной зоны через газоотводящие трубы 2 при первоначальном пуске установки.
При установившемся режиме работы газовая турбина 7 выполняет функцию турбодетандера, преобразуя избыточное давление внутрипластового горения, составляющего около 3,5 МПа, в механическую энергию вращения, которая преобразуется электрогенератором 9 в электроэнергию и передается потребителям.
Электрогенератор 9, при работе в режиме стартер-генератора, служит для первоначального раскручивания вала газовой турбины 7 и вала воздушного компрессора 8. После выхода установки на рабочий режим электрогенератор 9 генерирует электроэнергию во внешнюю электросеть.
Парогенератор 10 (на чертеже показана упрощенная прямоточная схема) служит для превращения поступающей по линии 22 питательной воды в перегретый водяной пар, подаваемый по линии 23 непосредственно для осуществления реакции газификации угольного пласта 1, при этом часть водяного пара подается и внешним потребителям.
Газоочиститель 11 служит для очистки и охлаждения получаемого при газификации топлива (угля) от вредных твердых и смолистых веществ и газообразных включений перед подачей по линии 19 вырабатываемого газа потребителям.
Газовый ресивер 12 служит для накопления и аккумуляции вырабатываемого топливного газа для собственных нужд.
Установка для подземной газификации топлива работает следующим образом.
На начальной стадии производят бурение серии скважин с газоотводящими трубами 2, дутьевыми трубами 3 и наклонно-горизонтальными трубами 5 на всем предназначенном для выгазовывания участке угольного пласта 1. Скважины с трубами 2 и 3 заканчиваются угольными стволами без обсадных труб (на чертеже угольные стволы условно не показаны). Затрубное пространство тампонируется.
На первом подготовительном этапе запуска установки производят отжатие влаги из угольного пласта 1, при котором через скважины с трубами 2 осуществляют откачку грунтовой воды и одновременно нагнетают сжатый воздух в скважины с трубами 3 и 5. После осушки посредством термогазохимического воздействия проводят фильтрационную сбойку скважин, то есть получение микротрещин в угольном пласте 1 и между скважинами с трубами 2, 3 и 5.
Основой термогазохимического воздействия является организация прогрева и активизация трещинообразования в угольном пласте 1 раскаленными газами, получаемыми в ходе реакции окисления угля кислородосодержащим веществом, в качестве которого используется аммиачная селитра, на обрабатываемом участке прискважинной зоны в радиусе до 20 м.
Высокая растворимость аммиачной селитры в воде, составляющая 363 грамма на 100 граммов воды при 32°C, при тепловом эффекте горения 335 ккал/кг и кислородном балансе +20% делает нечувствительной зону горения аммиачной селитры к присутствию воды. При сгорании 1 кг аммиачной селитры образуется 419 л высших окислов азота. Кроме достижения термогазового разрыва угольного пласта 1 продуктами горения аммиачной селитры, углерод топлива (угольного вещества) вступает в реакцию с кислородом, образуя окись углерода и углекислый газ. Растворение двуокиси азота в воде образует азотную кислоту, а уголь, погруженный в нее, ярко разгорается.
Фильтрационную сбойку скважин с трубами 2 и 3 осуществляют закачиванием пересыщенного раствора аммиачной селитры в угольный пласт 1 через трубы 2, 3 и размещением в угольном пласте 1 электрической спирали с напряжением 12…24 В для нагрева кристаллов аммиачной селитры. Кристаллизация происходит в течение трех суток. При подаче напряжения на электрическую спираль происходит нагрев аммиачной селитры и при 200°C начинается реакция горения кристаллов селитры с нарастанием давления в микроканалах угольного пласта 1 между скважинами с трубами 2 и 3.
Скорость горения кристаллов аммиачной селитры при атмосферном давлении составляет 0,08 сек. Скорость нарастания давления 61…132 МПа /сек. За очень короткий промежуток времени происходит полное выгорание аммиачной селитры с образованием большого количества микротрещин в тлеющем угле. При подаче от воздушного компрессора 8 воздуха в смеси с паром от парогенератора 10, или без него в зависимости от режима, через дутьевые трубы 3 и одновременном отсосе продуктов газификации из угольного пласта 1 происходит выход на расчетный режим работы с температурой в зоне термохимической реакции около 1000°C и с давлением 3,5 МПа. После выхода на расчетный режим газовая турбина 7 функционально работает как турбодетандер с генерированием электрической энергии электрогенератором 9.
При дестабилизации параметров газодутьевых потоков из-за высокой зольности локального участка угольного пласта 1 и получения низкокалорийного газа газоанализатор на газоотводящей трубе 2 выдает электрический сигнал на пульт управления (на чертеже газоанализатор не показан). С пульта управления подаются электрические сигналы на электроприводные задвижки 13 и на газовые горелки-воспламенители 6 для подачи собственного газа и дутьевого воздуха для воспламенения газа и прожига дополнительной реакционной зоны в угольном пласте 1 около скважин с газоотводящими трубами 2.
При помощи этого обеспечивается вторичный розжиг газифицируемого топлива, по сравнению с известными установками, в которых отсутствуют газовые горелки-воспламенители 6. При полном внезапном потухании реакционной зоны из-за обрушения пород в известных установках не имеется узлов для повторного быстрого воспламенения угля и прожига реакционного канала в толще пласта.
Заявляемая установка имеет для повторного воспламенения наклонно-горизонтальные трубы 5, расположенные вне границы 4 зоны сдвижения пород при обрушении. Трубы 5 позволяют выполнить быстрое повторное воспламенение и прожиг реакционного канала путем дополнительной подачи собственного топливного газа из газового ресивера 12 и дополнительной подачи воздуха от компрессора 8 при работе электрогенератора 9 в пусковом режиме стартер-генератора.
Продольное перемещение газовых горелок-воспламенителей 6 по трубам 5 обеспечивает непрерывный прожиг реакционного канала в угольном пласте 1 (на чертеже узел продольного перемещения газовых горелок-воспламенителей 6 не показан).
При получении некондиционного газа с низкой теплотой сгорания или с отклонениями химического состава от регламентированного в заявляемой установке в газовую горелку-воспламенитель 6 подают избыточное количество собственного низкококалорийного газа, а в дутьевые трубы 3 подают по линии 23 избыточное количество перегретого водяного пара. При этом температурная зона ведения процесса газификации сдвигается в область высоких температур и давлений с получением кондиционного газа.
Известные установки не имеют данных узлов для повышения эффективности процесса газификации угля.
Таким образом, технический результат достигается путем введения в конструкцию установки узлов, обеспечивающих предотвращение затухания термохимической реакции газификации топлива (угля) за счет использования собственного газа и воздуха путем их ввода через наклонно-горизонтальные трубы 5, расположенные за границами 4 зоны сдвижения пород топлива, при обрушении, и подачу их по породам почвы под газифицируемым участком на расстояние до противоположной границы 4 выгазовываемого участка.
Для предотвращение затухания термохимической реакции газификации топлива (угля) в заявляемом устройстве дополнительно применены газовые горелки 6 вторичного розжига газифицируемого топлива (горелки-воспламенители 6), размещенные в наклонно-горизонтальных трубах 5, соединенные посредством гибких труб 14 и труб линии 17 подачи топливного газа с газовым ресивером 12 собственного газа и с внешней газовой магистралью 20. Вторичный розжиг осуществляется за счет сжигания собственного газа в газовых горелках-воспламенителях 6, а при отсутствии собственного топливного газа за счет сжигания топливного газа от внешней газовой магистрали 20.
Электрогенератор 9, выполненный с возможностью осуществления функции стартер-генератора для пуска и кратковременной работы в приводном режиме, позволяет без потерь механической энергии и угольного вещества в автоматическом режиме переводить газовую турбину 7 и воздушный компрессор 8 из пускового состояния в штатное рабочее состояние.
При недостатке отсоса из газифицируемого слоя топлива происходит замедление и, как конечная стадия, затухание горения.
При избытке отсоса происходит полное сгорание угольного вещества, и продукты сгорания не представляют собой энергетической топливной ценности.
Газовый ресивер 12 позволяет накапливать собственный топливный газ после газификации и по байпасной трубе 16 путем регулировочных электроприводных задвижек 13 поддерживать стабильность калорийности получаемого газа при горении в слое угольного вещества.
Расположение наклонно-горизонтальных труб 5 вне границ 4 зоны сдвижения горных пород предотвращает потухание факела из-за обрушения угольного пласта. При обрушении угольного пласта заявляемая установка автоматически переводится в режим повторного розжига, то есть увеличивается количество подаваемого воздуха в зону горения, а при необходимости при понижении температуры в зоне газификации подается собственный топливный газ из газового ресивера 12 или из внешней газовой магистрали 20.
Использование заявляемого изобретения позволит, по сравнению с аналогом и прототипом, повысить эффективность подземной газификации топлива и уменьшить его потери при аварийном выведении из строя скважин.