СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ГАЗА ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ КАМЕННЫХ И БУРЫХ УГЛЕЙ
METHOD TO PREPARE POWER GAS OF UNDERGROUND GASIFICATION OF STONE AND BROWN COALS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области горного дела, может быть использовано при разработке месторождений каменных и бурых углей путем подземной газификации и направлено на улучшение экологических показателей процесса подготовки энергетического газа, уменьшение капитальных затрат на сооружение наземной части комплекса и улучшение технологических параметров процесса сжигания энергетического газа.
Важным моментом в использовании энергетического газа подземной газификации углей является его подготовка, включающая очистку от примесей и обеспечение рационального температурного режима. Особенно жесткие требования появляются при использовании энергетического газа для газовых турбин. Известно, что газ подземной газификации углей на выходе из скважин содержит пыль и смолу, выпадение которой в аппаратах, механизмах и газопроводах превращается в серьезную проблему. Однако разделение энергетического газа подземной газификации углей на два разных продукта: газ и конденсирующиеся при условиях подготовки энергетического газа к процессу сжигания углеводороды - смолу каменных или бурых углей, весьма условно. При создании определенных условий можно добиться, чтобы конденсации углеводородов в аппаратах, механизмах и газопроводах не происходило. Обеспечение этого требования при подготовке энергетического газа позволяет производить очистку его от пыли сухим способом, исключив сложные и дорогостоящие процессы очистки и сброса значительного количества сточных вод, а также переработку взрывоопасных и высокотоксичных материалов, существенно улучшив экологические и экономические параметры процесса.
Уровень техники
Известен способ получения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или подземном углесжигании, включающий газификацию и/или сжигание угля в массиве и отвод генераторного газа на газовую турбину с электрогенератором, отличающийся тем, что одновременно с газификацией и/или подземным сжиганием на одних эксплуатируемых участках-панелях угольного массива на других близлежащих панелях осуществляют дегазацию с отсосом метана, при этом полученный в результате метан смешивают с генераторным газом перед подачей на газовую турбину, а панели угольного массива последовательно подвергают сначала дегазации, а затем газификации (патент на изобретение №2100588, РФ. Способ получения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или подземном углесжигании / Ю.В.Васючков, Б.М.Воробьев, зарегистрировано 31.10.1995 г.). Процесс подготовки энергетического газа, состоящего из смеси газа подземной газификации углей и метана из угольных пластов, в патенте не проработан, заключается в пропускании газа через оборудование, которое условно обозначено как «оборудование механической очистки газа» и «оборудование химической очистки газа».
Известный способ подготовки энергетического газа при весьма условном обозначении необходимого для этой процедуры оборудования на самом деле предполагает наличие дорогостоящего оборудования и сложной технологии для улавливания, очистки, обезвреживания ряда высокотоксичных веществ и сточных вод (подробно примерная технологическая схема комплекса приведена фиг.2). Наличие такого комплекса существенно удорожает стоимость капитальных вложений и эксплуатационных расходов. При этом экологические показатели технологии подземной газификации углей неизбежно ухудшаются вследствие необходимости очистки и сброса значительного количества сточных вод, а также необходимости переработки взрывоопасных и высокотоксичных материалов.
Известен способ (Арене В.Ж. Новые подходы к использованию невостребованных ресурсов твердых полезных ископаемых / В.Ж.Аренс, А.А.Вертман, Г.Х.Хчеян // Вестник Российской академии естественных наук. - 2007. - №3. - С.3-6) подготовки к сжиганию энергетического газа подземной газификации углей путем пропускания его с целью очистки и охлаждения через систему из двух тепловых аккумуляторов регенеративного типа, представляющих собой емкости, наполненные насадкой из чугунных шаров, отличающихся высокой коррозионной стойкостью и работающих в циклическом режиме. Один из аккумуляторов в режиме «нагрев» продувается сырым горячим газом с целью аккумулирования тепла и осаждения пыли на поверхности металлических шаров, а через второй в режиме «охлаждение» под давлением 0,3-0,5 МПа прокачивается воздух, передающий в теплообменнике избыток тепла воде с нагревом ее до температуры 60-80°С. Судя по приведенным данным, энергетический газ охлаждается в системе до температуры 120-140°С. Режимы функционирования аккумуляторов периодически меняются, то есть одновременно аккумуляторы работают в разных режимах. Авторы предполагают, что в режиме «нагрева» в аккумуляторах будет осаждаться пыль на поверхности металлических шаров, а в режиме «охлаждение» напором разогреваемого воздуха - выноситься.
В известном способе не предусмотрена процедура очистки энергетического газа от углеводородов, имеющих относительно низкую температуру парообразования - 120-360°С. Эти углеводороды (каменноугольная смола) будут конденсироваться на поверхности металлических шаров, образуя с осаждаемой пылью, состоящей из частиц угля, полукокса и золы, очень вязкую и прочную субстанцию, удалить которую напором воздуха невозможно. Через определенные промежутки времени систему придется останавливать, шары очищать, а возможно, и вовсе заменять вследствие процессов полимеризации углеводородов. Кроме этого, следует отметить, что известный способ вовсе не гарантирует полного улавливания каменноугольной смолы, что приведет к осаждению в газопроводах и оборудовании технологического комплекса отдельных ее фракций, конденсирующихся при низкой температуре. Таким образом, известный способ подготовки энергетического газа может быть применен только для газификации антрацита или металлургического кокса, при которой в образующемся газе присутствуют только низкомолекулярные углеводороды.
2
Наиболее близким из известных технических решений к описываемому является способ, включающий охлаждение энергетического газа с использованием подачи распыленной воды в скважину или в колонне газоотводящей скважины, выполненной в виде теплообменника-утилизатора рекуперативного типа, в наружный кольцевой канал которого подают вниз воду, а горячий газ охлаждается через стенку до 150-200°С, затем газ еще охлаждают (ориентировочно до 35°С), тяжелые смоляные фракции конденсируют, специальной обработкой конденсата получают раствор аммиака, сырые фенолы, масло, смолы и другие продукты, причем глубину разделения конденсата определяют по температуре в подземном газогенераторе, а также по выделению отдельных продуктов. Далее поток газа делят на две части, одна из которых поступает в блок конверсии монооксида углерода, а другая служит для поддержания необходимого для метанизации отношения Н/СО, после чего продукт конверсии и неконвертируемый газ смешивают и направляют в аппараты для выделения сероводорода и двуокиси углерода. В результате этих операций получается продукт для сжигания для получения тепло- и электроэнергии или синтеза метана (Крейнин Е.В. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекаемых топлив: уголь, углеводородное сырье / Е.В.Крейнин. - М.: ООО "ИРЦ Газпром", 2004 г. С.111, 161, 162).
Наиболее близкое из известных технических решений предполагает наличие дорогостоящего оборудования и сложной технологии для улавливания, очистки, обезвреживания ряда высокотоксичных веществ и сточных вод (подробно примерная технологическая схема комплекса приведена на фиг.2). Наличие такого комплекса существенно удорожает стоимость капитальных вложений и эксплуатационных расходов. При этом экологические показатели технологии подземной газификации углей неизбежно ухудшаются вследствие необходимости очистки и сброса значительного количества сточных вод, а также необходимости переработки взрывоопасных и высокотоксичных материалов.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является совершенствование способа подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей для улучшения экологических показателей комплекса подземной газификации, уменьшения капитальных затрат на сооружение наземной части комплекса и улучшения технологических параметров процесса сжигания энергетического газа.
Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей, включающем первичное охлаждение газа в скважине установки подземной газификации с использованием подачи распыленной воды в скважину или рекуперативного бойлера, в котором охлаждаемый газ и охлаждающая вода разделены стенкой, принудительный отсос газа из скважины, его очистку и сжигание для получения тепло- и электроэнергии, первичное охлаждение газа осуществляется до температуры не менее 600°С, очистка газа от пыли производится сухим способом в одну, две или три ступени, комбинированием циклонного аппарата, циклонного аппарата батарейного типа, электрофильтра или кассетного фильтра из металлотканых сеток, а подача газа на сжигание осуществляется при температуре выше температуры конденсации каменноугольной смолы, то есть не ниже 400°С.
Отличие предлагаемого способа подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей от наиболее близкого из известных технических решений состоит в том, что первичное охлаждение газа в скважине установки подземной газификации с использованием подачи распыленной воды в скважину или рекуперативного бойлера, в котором охлаждаемый газ и охлаждающая вода разделены стенкой, осуществляется до температуры не менее 600°С, очистка газа от пыли производится сухим способом, а подача газа на сжигание осуществляется при температуре выше температуры конденсации каменноугольной смолы, то есть не ниже 400°С. Это означает, что температура энергетического газа во всех трубопроводах и оборудовании наземного комплекса такова, что конденсации каменноугольной смолы не происходит и тяжелые углеводороды, конденсация которых происходит при температурах ниже 400°С, остаются в газообразном состоянии и поступают на сжигание.
Технический результат, получаемый от использования изобретения по сравнению с наиболее близким техническим решением, заключается в том, что улучшаются экологические показатели комплекса подземной газификации, уменьшаются капитальные затраты на сооружение наземной части комплекса и улучшаются технологические параметры процесса сжигания энергетического газа.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена принципиальная технологическая схема предлагаемого в настоящем изобретении способа подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей. Способом предусмотрено первичное охлаждение газа в скважине установки подземной газификации, принудительный отсос газа из скважины, в данном случае трехступенчатая очистка газа от пыли сухим способом в циклонном аппарате, циклонном аппарате батарейного типа и электрофильтре или кассетном фильтре из металлотканых сеток, и подача газа на сжигание для получения тепло- и/или электроэнергии.
Для сравнения с предлагаемым в настоящем изобретении способом подготовки энергетического газа на фиг.2 приведена технологическая схема способа подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей, а также утилизация газового конденсата при известных технических решениях, связанных с охлаждением энергетического газа до температуры ниже точки конденсации каменноугольной смолы.
Осуществление изобретения
Подготовка энергетического газа осуществляется в несколько этапов.
Охлаждение энергетического газа с 900 до 600°С на первой ступени (фиг.1) осуществляется за счет подачи очищенной воды в скважины или рекуперативного бойлера, в котором охлаждаемый газ и охлаждающая вода разделены стенкой. При любом допускаемом альтернативой выборе системы охлаждения в совокупности с другими признаками, включенными в формулу изобретения, обеспечивается получение одного и того же технического результата.
Охлажденный до 600°С энергетический газ отсасывается из газогенератора дымососами специального назначения, установленными на каждой скважине. Мощность системы охлаждения должна обеспечить снижение температуры газа до 600°С.
В качестве первых двух ступеней очистки используются циклонные аппараты (на второй ступени батарейного типа). Циклонные аппараты благодаря дешевизне и простоте устройства и обслуживания, сравнительно небольшому сопротивлению и высокой производительности являются наиболее распространенным типом сухого механического пылеуловителя. С высокой эффективностью способны улавливать частицы размером 15-20 мкм и более. Правильно спроектированные циклоны эксплуатируются в течение многих лет.
В качестве третьей ступени очистки могут быть выбраны электрофильтры или кассетные фильтры из металлотканых сеток. При любом допускаемом альтернативой выборе системы сухой очистки (электрофильтры или кассетные фильтры из металлотканых сеток) в совокупности с другими признаками, включенными в формулу изобретения, обеспечивается получение одного и того же технического результата.
3
Согласно предварительным расчетам и данным завода-изготовителя предлагаемая трехступенчатая схема сухой очистки газа ПГУ обеспечит требуемую величину запыленности - не более 4 мг/м. Использована принципиально новая технологическая схема высокотемпературной очистки и подготовки энергетического газа для сжигания. Основное требование к технологии: не допустить снижения температуры газа ниже 400°С. Применение предложенной технологической схемы позволяет существенно упростить и удешевить наземную часть комплекса.
Известно, что при пиролизе или газификации бурых и каменных углей, то есть нагреве при отсутствии или недостатке кислорода, выделяется газ, содержащий различные углеводороды. Температуры конденсации различных смесей углеводородов приведены в таблицах 1 и 2.
Анализ представленных данных показывает, что для различных бурых и каменных углей количество углеводородов, конденсирующихся при температуре до 400°С, весьма значительно. Охлаждение энергетического газа до 35-50°С, используемое в известных технических решениях, неизбежно заставляет организовывать целое производство по его очистке.
Таблица 1
Технические характеристики различных смол*
Показатель
Первичные смолы углей
Смола пиролиза Канско-Ачинского
Смола коксования
Украинского бурого
Подмосковного бурого
Длиннопла-менного
Газового
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
900
970
1066
1065
1080
1190
Выход фракции, %
до 170°С
5,5
12,3
9,4
9,2
11,0
0,5
170-230°С
13,2
15,7
7,6
7,2
17,0
13,5
230-300°С
17,5
19,8
31,7
29,9
27,0
10,0
300-360°С
41,6
25,3
21,2
21,8
10,0
18,0
Выше 360°С
22,0
26,9
30,9
31,7
23,0
58,0
Содержание фенолов, %
12,3
12,6
39,4
28,3
26,0
2,0
*Школлер М.Б. Полукоксование каменных и бурых углей / М.Б.Школлер. - Новокузнецк: Инженерная академия России, Кузбасский филиал, 2001. - 235 с. (с.160).
Таблица 2
Характеристика фракций, получаемых при фракционировании смол, полученных из углей Кузбасса**
Наименование
Пределы выкипания,
Выход, %
Содержание по фракции, %
Степень извлечения, %
°С
Нафталин
Фенолы
Нафталин
Фенолы
Легкая
до 170
0,6
2,0
0,5
0,12
0,17
Фенольная
170-210
2,5
18,0
38,0
4,5
52,3
Нафталиновая
210-230
10,0
82,0
6,0
82,2
33,0
Поглотительная
230-300
9,5
8,0
1,5
7,6
7,8
Антраценовая
I
280-370
17,0
2,5
0,7
4,4
6,7
II
310-440
8,0
1,5
-
1,2
-
**Харлампович Г.Д. Технология коксохимического производства / Г.Д.Харлампович, А.А.Кауфман. - М.: Металлургия, 1995. - 384 с. (с.325).
На фиг.2 в качестве традиционной базы для сравнения с предложенным в настоящей заявке на изобретение техническим решением приведена примерная схема подготовки энергетического газа подземной газификации углей, включающая охлаждение газа до 35°С, очистку его от пыли, смолы и аммиака. Образующийся при охлаждении газа газовый конденсат перерабатывается в товарный продукт в виде безводного аммиака или аммиачной воды с концентрацией аммиака до 30%, фенолятов натрия. Охлаждение и очистка газа ПГУ осуществляется в несколько ступеней.
а) I ступень очистки и охлаждения газа ПГУ с 900 до 400°С
Охлаждение газа ПГУ на первой ступени осуществляется за счет подачи очищенной воды в скважины (1), по которой он отсасывается из газогенератора дымососами (3) специального назначения типа ДН-НЖ (ДН-21НЖ), установленными на каждой скважине по следующей схеме: скважина (1) - бойлерная (2) - дымосос (3) - трубопровод (4) - бойлерная (5). Мощность бойлера (2) должна обеспечить снижение температуры газа до температуры 400°С.
Газ ПГУ, пройдя дымосос (3), по трубопроводу (4) поступает в бойлерную (5), в которой необходимо обеспечить снижение температуры газа до 300°С. Из бойлера (5) газ по трубопроводам (4) и (6) засасывается вентилятором (7) горячего дутья типа ВГДН и подается по трубопроводу (8) в скрубберы Вентури (9) - струйные турбулентные газопромыватели, предназначенные для тонкой очистки газов от высокодисперсной пыли.
Газ через конфузор (9-1) трубы Вентури попадает в горловину (9-2), где его скорость возрастает до 150 м/с. Через отверстия (9-3) под избыточным давлением до 0,1 МПа в горловину вводится вода, которая, сталкиваясь с газообразным потоком, разбивается на мелкие капли диаметром до 10 мкм. При соударениях с частицами пыли и каплями конденсирующейся каменноугольной смолы капли, поглощая их, укрупняются. Эти капли вместе с газом проходят через диффузор (9-4), где скорость потока снижается до 20-25 м/с, и попадают в циклонный сепаратор (9-5). В циклоне скорость газожидкостной смеси уменьшается до 4-5 м/с, капли под действием центробежной силы отделяются от газа и вместе со шламом удаляются в радиальный сгуститель (10).
Очищенный газ на выходе из скруббера Вентури (4) имеет температуру 200°С. На этом I ступень охлаждения и очистки газа завершается.
б) II степень очистки и охлаждения газа ПГУ
На II ступени генераторный газ проходит последовательно через два скруббера Вентури, подвергаясь в каждом мокрой очистке, и под действием подаваемой воды охлаждается до температуры 50-60°С. Вода, подаваемая в скрубберы Вентури для очистки и охлаждения газа, после завершения цикла вместе с фенольными составляющими и легкокипящими фракциями каменноугольной смолы поступает в радиальный сгуститель.
в) III ступень очистки и охлаждения газа
После скруббера Вентури генераторный газ, очищенный от фенольных элементов, поступает на абсорбционную установку, где происходит абсорбция аммиака с последующей его десорбцией. Температура газа после прохода его последовательно через две абсорбционные колонны снижается до 35°С.
Десорбированный аммиак поступает в холодильник дистиллята, а затем в сборник аммиака для отгрузки потребителям.
Таким образом, на данной стадии генераторный газ очищен от:
- каменноугольной смолы;
- фенольных соединений;
- аммиачных соединений.
Температура генераторного газа снижена до 35°С.
Очистка воды
Вода после скрубберов Вентури поступает в радиальный сгуститель, где происходит отделение взвешенных частиц и каменноугольной смолы. Смола поступает на переработку, а слив воды после охлаждения поступает через сборник неочищенных вод в скруббер для обесфеноливания.
В обесфеноливающем скруббере выделяется раствор фенолятов, который закачивается в резервуары для хранения, а затем отгружается потребителям, и обесфеноленная вода, которая через гидрозатвор, реактор заканчивается насосом в приколонок, затем поступает в аммиачную колонну.
В аммиачной установке получаются три продукта:
- аммиачный конденсат, который после выхода из аммиачной колонны направляется на обесфеноливание в скруббер обесфеноливания вод;
- сточная вода, которая после выхода из приколонка направляется на биологическую очистку;
- конденсат после дефлектора и холодильника поступает в радиальный сгуститель. Биологическая очистка воды предусматривает при условии резервирования:
- первичный отстойник;
- биофильтр;
- вторичный отстойник.
Для дополнительного охлаждения воды предусматривается градирня.
Технический результат предлагаемого способа подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей складывается из улучшения экологических показателей комплекса подземной газификации, уменьшения капитальных затрат на сооружение наземной части комплекса и улучшения технологических параметров процесса сжигания энергетического газа по сравнению с наиболее близким техническим решением.
Предлагаемый способ подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей предусматривает его сухую очистку при температуре, превышающей температуру конденсации высокомолекулярных углеводородов - смолы, и последующее сжигание подготовленного газа. Таким образом, очистке необходимо подвергать только топочные газы, например, в случае необходимости, осуществлять их каталитическую очистку или вторичный дожиг окислов азота. Уловленные сухим способом частицы золы, недогоревшего угля, полукокса и кокса могут быть утилизированы подачей их вместе с нагнетаемым в скважины воздухом (водяным паром или кислородом) без нанесения ущерба окружающей среде. Других подлежащих очистке выбросов в предлагаемом способе не образуется (фиг.1).
Очистка топочных газов в предлагаемом способе практически не отличается от очистки топочных газов известных технических решений. Однако использование известных технических решений требует дополнительно значительного числа операций, а следовательно, и оборудования для их осуществления, связанных охлаждением энергетического газа до температуры 35-120°С, улавливанием и переработкой взрывоопасных, высокотоксичных материалов, очисткой, в том числе биохимической, нескольких видов сточных вод (фиг.2).
Экологические показатели функционирования комплекса подземной газификации при использовании предлагаемого способа улучшаются вследствие отсутствия процесса очистки и сброса значительного количества сточных вод, а также переработки взрывоопасных и высокотоксичных материалов.
3
3
Количество смолы в газе, полученном различными методами, по разным источникам изменяется от 3 до 10% (Школлер М.Б. Полукоксование каменных и бурых углей / М.Б.Школлер. - Новокузнецк: Инженерная академия России, Кузбасский филиал, 2001. - 235 с. (с.165, 179)). Анализ состава смолы (этот же источник) показывает, что приблизительная низшая теплота сгорания ее в газообразном состоянии составит 22100 ккал/м. Данные о теплоте сгорания углеводородов взяты из справочника: Вдовченко B.C. Энергетическое топливо СССР / B.C.Вдовченко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 184 с. (с.181). Если принять низшую теплоту сгорания газа традиционных методов подземной газификации угля при вдувании воздуха - 1000 ккал/м, то использование предлагаемого способа подготовки энергетического газа подземной газификации увеличивает тепловой потенциал энергетического газа при количестве смолы в газе 3-10% соответственно на 13-43%.
Предлагаемый способ подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей улучшает технологические параметры процесса его сжигания. Так, тепловой потенциал энергетического газа увеличивается вследствие того, что высокомолекулярные углеводороды не удаляются из энергетического газа, а в его составе сжигаются.
Ориентировочные расчеты показывают, что использование предлагаемого способа подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей существенно снижает капитальные затраты на сооружение установки ПГУ. Технический результат изобретения показан на конкретном примере, которым предусмотрена проектная мощность подземного газогенератора 400 миллионов кубических метров в год.
Анализ приведенных в таблицах 3 и 4 данных показывает, что использование предлагаемого в настоящей заявке на изобретение способа очистки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей позволяет уменьшить капитальные затраты на строительство установки ПГУ почти в 2 раза, себестоимость получаемого энергетического газа в 1,7 раза, дисконтированный срок окупаемости инвестиций на 41%, увеличить выработку тепловой и электроэнергии на 10,5%.
Таблица 3
Капитальные вложения в строительство ПГУ
Показатели
Капитальные затраты на строительство установки ПГУ по смете, млн руб.
Традиционный способ очистки газа
Предлагаемый в настоящей заявке способ очистки газа
1
Проектно-изыскательскиеработы
55,00
25,00
2
Отвод земельного участка и подготовка промплощадки
-
-
3
Проведение горных выработок (скважины)
223,56
160,99
4
Приобретение машин и оборудования (включая монтаж)
762,91
374,96
5
Возведение производственных зданий и сооружений
458,22
217,52
6
Затраты на природоохранные мероприятия
214,31
16,95
7
Непредвиденные работы и затраты
90,00
77,04
Всего
1804,00
872,46
НДС
314,82
152,54
Всего с НДС
2118,82
1025,00
Таблица 4
Сравнение технико-экономических показателей установок ПГУ с традиционным и предлагаемым в настоящей заявке способами очистки газа
№
Показатели
ПГУ с традиционным способом очистки газа
ПГУ с предлагаемым в настоящей заявке способом очистки газа
1
Проектная мощность подземного газогенератора, млн м<sup>3</sup>/год
400
400
2
Получение энергетического газа, м<sup>3</sup>/кг выгазовываемого угля
3,6
4,0
3
Объем угля для выгазовывания, тыс. тонн
111,0
100,0
4
Капитальные затраты на строительство ПГУ, млн руб.
2119
1025
5
Удельные капитальные затраты на получение 1000 м<sup>3</sup> энергетического газа, руб./1000 м<sup>3</sup>
5500
2562,5
6
Срок строительства ПГУ, мес
24
18
7
Выработка электроэнергии, МВт·ч/год
136920
151296
8
Выработка тепловой энергии, Гкал/год
372000
415516
9
Себестоимость газа ПГУ, руб./1000 м<sup>3</sup>
713,2
420,3
10
Дисконтированный срок окупаемости инвестиций, годы
11,67
6,88
Действие предлагаемого способа подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей
Подготовка энергетического газа осуществляется в несколько этапов.
Охлаждение энергетического газа с 900 до 600°С на первой ступени (фиг.1) осуществляется за счет подачи очищенной воды в скважины или рекуперативного бойлера, в котором охлаждаемый газ и охлаждающая вода разделены стенкой. При любом допускаемом альтернативой выборе системы охлаждения в совокупности с другими признаками, включенными в формулу изобретения, обеспечивается получение одного и того же технического результата.
Охлажденный до 600°С энергетический газ отсасывается из газогенератора дымососами специального назначения ДН-НЖ (ДН-21НЖ), установленными на каждой скважине. Мощность системы охлаждения должна обеспечить снижение температуры газа до 600°С.
Характеристика дымососа ДН-21НЖ
1. Тип электродвигателя - ДА304-400У-6;
2. Мощность электродвигателя - 400 кВт;
3. Частота вращения - 1000 об/мин;
4. Напряжение - 6000 В;
3
5. Производительность - 135000 м/час;
6. Полное давление - 325 да Па;
7. Максимально допустимая температура газа на входе в дымосос - 400°С (по заявлению изготовителя при изменении схемы охлаждения подшипников максимально допустимая температура газа на входе в дымосос может быть повышена до 700°С);
8. Масса (без электродвигателя) - 5365 кг.
В качестве первых двух ступеней очистки используются циклонные аппараты (на второй ступени батарейного типа). Подобные аппараты производятся, например, специализированным трестом "УРАЛЦВЕТМЕТГАЗООЧИСТКА" (г.Екатеринбург). Циклонные аппараты благодаря дешевизне и простоте устройства и обслуживания, сравнительно небольшому сопротивлению и высокой производительности являются наиболее распространенным типом сухого механического пылеуловителя. С высокой эффективностью способны улавливать частицы размером 15-20 мкм и более. Правильно спроектированные циклоны эксплуатируются в течение многих лет.
Преимущества циклонных пылеуловителей: отсутствие движущихся частей в аппарате; надежное функционирование при температурах газов вплоть до 500°С без каких-либо конструктивных изменений (если предусматривается применение более высоких температур, то аппараты изготавливаются из специальных материалов); возможность улавливания абразивных материалов при защите внутренних поверхностей циклонов специальными покрытиями; улавливание пыли в сухом виде; постоянство гидравлического сопротивления аппаратов; успешная работа при высоких давлениях газов; простота изготовления; независимость фракционной эффективности очистки от исходной запыленности газов.
В качестве третьей ступени очистки могут быть выбраны электрофильтры или кассетные фильтры из металлотканых сеток (изготавливаются специализированным трестом "УРАЛЦВЕТМЕТГАЗООЧИСТКА").
Электрофильтры предназначены для высокоэффективной очистки технологических газов и аспирационного воздуха от твердых и туманообразных загрязнений (пыли, золы, туманов), выделяющихся при технологических процессах в черной и цветной металлургии, энергетике, промышленности строительных материалов, химической и нефтяной промышленности и др.
Преимущества электрического пылеулавливания: высокая эффективность пылеулавливания; высокая рабочая надежность; возможность высоких рабочих температур 400°С (если предусматривается применение более высоких температур до 500-600°С, то аппараты изготавливаются из специальных материалов); простота в обслуживании; универсальность метода; возможность эксплуатации в широких диапазонах температур и давления; малое гидравлическое сопротивление.
Эффективность газоочистки с использованием электрофильтров зависит от физико-химических параметров пылегазового потока, скорости и времени пребывания газа в электрофильтре. Как правило, величина эффективности находится в диапазоне от 98-99,9%.
В кассетных фильтрах применяются металлотканые сетки из различных марок коррозионно-стойких и жаростойких сталей и сплавов, которые могут эксплуатироваться в различных средах в диапазоне температур 500-1200°С, таких как 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 12Х18Н9, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 03Х17Н14М3, 10Х17Н13М2Т, Х20Н80, Х20Н80-Н, Х16Н60, Х15Н60-Н, Х23Ю5Т, 40Х13, 12Х13, 20Х13.
При любом допускаемом альтернативой выборе системы сухой очистки (электрофильтры или кассетные фильтры из металлотканых сеток) в совокупности с другими признаками, включенными в формулу изобретения, обеспечивается получение одного и того же технического результата.
3
Согласно предварительным расчетам и данным завода-изготовителя предлагаемая трехступенчатая схема сухой очистки газа ПГУ обеспечит требуемую величину запыленности - не более 4 мг/м. В других конкретных случаях может быть достаточно одной или двух ступеней сухой очистки.
В настоящей заявке на изобретение использована принципиально новая технологическая схема высокотемпературной очистки и подготовки энергетического газа для сжигания. Основное требование к технологии: не допустить снижения температуры газа ниже 400°С, поэтому оборудование сухой очистки энергетического газа и должно располагаться в непосредственной близости к скважинам подземного газогенератора. Как вариант, возможно размещение дымососов, оборудования сухой очистки энергетического газа и котельного оборудования для сжигания энергетического газа, агрегатов для получения тепло- и электроэнергии на передвижных автомобильных или железнодорожных платформах, которые могут находиться в непосредственной близости к скважинам подземного газогенератора и по мере необходимости перемещаться к новым скважинам подземного газогенератора.
Предлагаемый способ подготовки энергетического газа подземной газификации каменных и бурых углей обеспечивает улучшение экологических показателей комплекса подземной газификации, увеличение теплового потенциала энергетического газа на 13-43%, уменьшение капитальных затрат на строительство установки ПГУ почти в 2,0 раза, себестоимости получаемого энергетического газа в 1,7 раза, дисконтированного срока окупаемости инвестиций на 41%, увеличение выработки тепловой и электроэнергии на 10,5%.