CC BY
16
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРИПЛАСТОВОГО НАГРЕВА УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
1 2 3
Ермагамбет Б.Т. , Мартемьянов С.М. , Касенова Ж.М. ,
Бухаркин А.А.4 Email: Yermagambet17136@scientifictext.ru
1Ермагамбет Болат Толеуханулы -доктор химических наук, профессор, директор, ТОО «Институт химии угля и технологии», г. Астана, Республика Казахстан; 2Мартемьянов Сергей Михайлович -кандидат технических наук, профессор, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Toмск; 3Касенова Жанар Муратбековна -магистр техники и технологии, заместитель директора, ТОО «Институт химии угля и технологии», г. Астана, Казахстан; 4Бухаркин Андрей Андреевич -магистр техники и технологии, инженер, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Toмск
Аннотация: в статье описаны экспериментальные исследования пиролитического разложения углей Майкубенского и Экибастузского бассейнов с анализом получившихся газов. Нагрев образцов углей производился током промышленной частоты после предварительного пробоя межэлектродного расстояния. Образцы подвергались нагреву в условиях, имитирующих условия залегания пласта, для моделирования процесса подземной пиролитичесой конверсии в горючие газы и смолы. Использовались образцы углей массой ~5 кг, межэлектродное расстояние составляло ~150 мм.
Ключевые слова: конверсия, угольный пласт, газ, электронагрев, пиролиз.
PHYSICAL MODELING OF IN-SITU HEATING OF A COAL SEAM
1 2 3
Yermagambet B.T.1, Martemyanov S.M.2, Kasenova Zh.M.3,
Bukharkin А.А.4
1Yermagambet Bolat Toleukhanuly -Doctor of Chemical Science, Professor, Director, LLP "INSTITUTE OF COAL CHEMISTRY AND TECHNOLOGY", ASTANA, REPUBLIC OF
KAZAKHSTAN;
2Martemyanov Sergey Mikhaylovich - Candidate of Technical Science, Associate professor, TOMSK POLYTECHNIC UNIVERSITY, TOMSK; 3Kassenova Zhanar Muratbekovna -Master of Chemical Sciences and Technology, Deputy Director, LLP "INSTITUTE OF COAL CHEMISTRY AND TECHNOLOGY", ASTANA, REPUBLIC OF
KAZAKHSTAN;
4Bukharkin Andrey Andreevich -Master of Technic and Technology, Engineer; TOMSK POLYTECHNIC UNIVERSITY, TOMSK
Abstract: the paper describes experimental studies of the pyrolytic decomposition of coals from the Maikuben and Ekibastuz basins with analysis of the gases. Heating of coal samples was carried out by the industrial frequency current after preliminary breakdown of the interelectrode distance. The samples were heated in conditions that simulate the subterranean reservoir to simulate the process of underground pyrolytic conversion into combustible gases and fluids. Experiments were carried out on the samples of coal weighing about 5 kg with the interelectrode distance 150 mm. Keywords: conversion, coal seam, gas, electric heating, pyrolysis.
УДК 537.9
Подземную конверсию реализуют, нагревая пласт угля и отбирая продукты пиролиза через скважины. Этот путь к разработке месторождений угля выглядит наиболее перспективным и экологически безопасным [1]. Доступ к пласту осуществляется через скважины, а нагревание может быть реализовано неполным окислением самого угля [2], теплопроводным нагреванием [3, 4], электрическим нагреванием [5-7] и др. На наш взгляд, одним из эффективных способов нагрева углей является электрофизический нагрев, основанный на воздействии электромагнитным полем высокого напряжения
Внутрипластовая конверсия твердых топлив предполагает нагрев породы непосредственно в условиях залегания [8, 9]. Для лабораторных исследований производилась имитация условий подземного пласта для образца твердого топлива. Имитировались такие критерии подобия, как пластовое давление и напряженность электрического поля. Структурная схема установки показана на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема установки
Пластовое давление представляет собой давление текучей фазы пласта и, как правило, для определенной глубины равно гидростатическому давлению столба соответствующей высоты. Имитация пластового давления проводилась повышенным давлением буферного газа в камере лабораторной установки (рисунок 2). В качестве буферного газа использовался азот. Камера имеет объем 0,06 м3 и максимальное давление 10 кгс/см2, что позволяет имитировать пластовое давление на глубине 100 м. Газ подавался в камеру из баллонов через редуктор. Предварительно из камеры форвакуумным насосом откачивался воздух. Это позволяет исключить воспламенение пиролизных газов в камере в процессе эксперимента. Использовался роторно -пластинчатый форвакуумный насос LB 60, имеющий величину остаточного давления 0,005 мбар.
Рис. 2. Камера лабораторной установки
Система электропитания экспериментальной установки представлена набором сильноточных и высоковольтных электронных и электротехнических устройств, объединенных в общую схему и управляемых с единого пульта (рисунок 3).
Рис. 3. Структурная схема экспериментальной установки
Максимальное выходное напряжение составляет 100 кВ промышленной частоты, максимальный выходной ток - 240 А промышленной частоты. Выходное напряжение регулируется плавно в трех диапазонах: 0..220 В, 0..10 кВ, 0..100 кВ.
В процессе эксперимента измеряется динамика температуры в определенных точках образца. Для этой цели использовался многоканальный термопреобразователь Термодат 25М5 и набор термопар хромель-копель.
В ходе и после завершения эксперимента производится отбор и анализ проб газа из камеры. Отбор проб газа производится непосредственно из камеры и через пневмошланг поступает на фильтр-регулятор LFR-1/4-D-5M-MINI. Это устройство позволяет отбирать пробу газа, не оказывая влияние на давление в камере, а также удаляет из газа аэрозольную фазу и пылевые частицы. После фильтра-регулятора газ поступал на хроматограф Agilent 7890, с помощью которого производился анализ получаемого пиролизного газа. Использовались пневмошланги, запорная арматура и газовая оснастка производства компании Festo (Германия).
Хроматограф оснащен капиллярной колонкой ShinCarbon ST 100/120, длиной 2 м и внутренним диаметром 1 мм. Эта колонка предназначена для разделения следующих газов: водород, кислород, азот, монооксид и диоксид углерода, метан и более тяжелые углеводороды. На колонке используется детектор по теплопроводности.
Нагреву подвергались образцы углей в форме параллелепипеда размером 300^200x200 мм, вырезанные из цельного угольного фрагмента на камнерезном станке абразивно-отрезным диском с алмазным покрытием.
В качестве электродов использовались стержни из углеродистой стали толщиной 10 мм, расположенные на расстоянии 150 мм друг от друга и углубленные в образец на ~100 мм. Температура измерялась в 3-х точках. Первая точка располагалась в центре межэлектродного расстояния. Вторая и третья точки удалены от оси, проведенной между электродами, на 30 мм и 60 мм соответственно (рисунок 4).
Рис. 4. Схема размещения термопар в образце: 1, 2, 3 - точки размещения термопар
Методика экспериментов заключалась в следующем. Образец с установленными электродами и термопарами помещался в камеру. Электроды и термопары соединяются проводниками с электрическими вводами камеры, которые изолированы от корпуса камеры керамическими изоляционными трубками. Вводы герметизированы с помощью грибкового уплотнения и обеспечивают герметичность камеры. После герметизации и вакуумирования, камера заполнялась азотом до
рабочего давления, которое в эксперименте составляло 2 кгс/см и поддерживалось постоянным. Снаружи к электрическим вводам камеры подключались выводы электрооборудования установки. Путем подачи высокого напряжения сначала производился пробой образца. Далее установка переключается с высоковольтного на сильноточный режим работы, и производится нагрев образца пропусканием тока через канал пробоя. По мере нагрева выделяющийся газ смешивается с азотом. Для поддержания постоянного давления в камере выделение газа компенсируется сбросом избыточного давления через газовый ввод камеры. Таким образом, выделяющийся пиролизный газ постепенно замещает азот. В конце эксперимента производился отбор пробы газа из камеры для анализа. Отбор проб производился через прямой шланг, соединяющий камеру и хроматограф.
На рисунке 5 приведены зависимости температуры в измеряемых точках в зависимости от времени нагрева для образца угля Богатырь. Термограммы остальных образцов идентичны.
Рис. 5. Зависимости температуры от времени нагрева
Вывод
Внутрипластовая пиролитическая конверсия твердых топлив при нагреве электрическим током, на наш взгляд, является перспективной. С ее помощью можно перерабатывать топлива нерентабельных месторождений: пласты малой мощности, высокозольные топлива, пласты со сложными горно-геологическими условиями залегания. Одним из основных положительных свойств электрического нагрева является высокое качество продуктового газа - высокая калорийность, большое содержание углеводородов, малое содержание диоксида углерода и отсутствие азота. Такой газ может использоваться как сырье для дальнейшей переработки с получением большого количества продуктов.
Работа выполнена в рамках гранта Министерства образования и науки Республики Казахстан ИРН AP05131004 «Разработка технологии подземной газификации углей Экибастузского и Майкубенского бассейна и создание опытно-промышленной установки».
Список литературы /References
1. Brandt A.R. Converting oil shale to liquid fuels: energy inputs and greenhouse gas emissions of the Shell in situ conversion process // Environ. Sci. Technol., 2008. V. 42. Р. 7489-7495.
2. Крейнин Е.В. Нетрадиционные углеводородные источники. Новые технологии их разработки. Монография. М.: Проспект, 2016. 208 с.
3. Van Meurs P., DeRouffiguan E.P., Vinegar H.J., Lucid M.F. Conductively heating a subterranean oil shale to create permeability and subsequently produce oil, 1989. U.S. Patent 4 886 118.
4. Kalmar Nicolas. In situ recovery oil from oil shale, 1984. U.S. Patent 4 444 258.
5. Passey Q.R., Thomas M.M., Bohacs K.M. Method for production of hydrocarbons from organic-rich rock, 2001. U.S. Patent 6 918 444.
6. Харрис К.К., Сэндберг Ч.Л., Винигар Х Ограниченные по температуре нагреватели, применяемые для нагревания подземных пластов, 2008. Патент U.S. 011 007.
7. Фоулер Т.Д., Сэндберг Ч.Л., Шебер В., Винигар Х. Способ конверсии insitu с использованием нагревающей системы с замкнутым контуром, 2009. Патент U.S. 011 905.
8. Lopatin V. V., Martemyanov S.M., Bukharkin A.A., Koryashov I.A. Underground pyrolitic conversion of oil shale // Proceedings of the 8th international forum on strategic technology 2013 (IFOST2013). V. 1. P. 547-549. June 28 - july 1. Ulaanbaatar.
9. Knyazeva A.G., Maslov A.L., Martemyanov S.M. A two-phase model of shale pirolysis // Fuel, 2018. V. 228. P. 132-139.
SOLUBILITY IN THE SYSTEM SODIUM CHLORATE -RHODANIDE AMMONIUM - WATER
12 3
Kodirova D.T. , Tukhtayev S. , Nabijanov A.A. Email: Kodirova17136@scientifictext.ru
1Kodirova Dilshodkhon Tulanovna - PhD in Technics, Associate Professor, CHEMICAL TECHNOLOGY DEPARTMENT; 2Tukhtayev Saydakhral - Doctor of Technical Sciences, Academic, Academician of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Head of Laboratory; 3Nabijanov Abdulaziz Abdukhamid ugli - Graduate Student, CHEMICAL TECHNOLOGY DEPARTMENT, FERGANA POLYTECHNIC INSTITUTE, FERGANA, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: the article presents data on the solubility of the components in the sodium chlorate - ammonium rhodanide - water system, which was studied by the visual-polythermal method in the temperature range from (-29.9 ° C) to 80 ° C. The results of the study of sodium chlorate - ammonium rhodanide - water can be used for the production of rhodanite containing defoliants, as the article provides the ratios of components at which the salting out of ammonium rhodanide in aqueous medium in the presence of sodium chlorate occurs.
Keywords: heterogeneous phase equilibria, solubility diagram, defoliants, desiccants, crystallization.
