Обоснование физико-химических параметров формирования и управления углеводородными зонами при подземной газификации углей (ПГУ) Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© И.А. Садовснко, A.B. Инкин, 2013

УДК 622.278:553.981

И.А. Садовенко, А.В. Инкин

ОБОСНОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОРМИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫМИ ЗОНАМИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ (ПГУ)*

По результатам физического моделирования процесса ПГУ установлены размеры и форма углеводородных зон образующихся в породах кровли. Обоснована технология выгазовывания угольных пластов позволяющая получать жидкую и газовую фазы продуктов газификации, а также сглаживать возникающие аномальные концентрации углеводородов.

Ключевые слова: уголь, подземная газификация, газогенератор, утечки газа, покрывающие породы, газо-гидродинамические процессы, продукты газификации, углеводородные зоны.

Ограниченность запасов нефти и природного газа приводит к тому, что уголь в перспективе станет основным природным энергоносителем в Украине. Увеличение его добычи подземным способом связано с переводом горных работ на большие глубины и нарушением устойчивости природной среды. Перспективным методом рационализации технологии добычи и переработки угля является его подземная газификация посредством термохимических и мас-сообменных процессов.

Отечественный и зарубежный научно-практический опыт выгазовыва-ния угольных пластов [1] показывает, что к наиболее активным управляемым факторам эффективности газификации относятся расход дутья и статическое давление в газогенераторе. Однако увеличение данных параметров вызывает резкий рост неконтролируемых утечек вырабатываемого газа. Эти потери возникают вследст-

вие деформации пород кровли и приводят к накоплению продуктов газификации в покрывающих породах. При этом происходит химическое загрязнение подземных вод, которое в хорошо проницаемых грунтах может распространяться до нескольких километров [2]. Величина утечек газа может достигать 30 % [3], что значительно увеличивает себестоимость его добычи и снижает производительность станции ПГУ. Вместе с тем, жидкие продукты газификации, насыщающие поровое пространство покрывающих пород, представляют собой ценное сырье для химической промышленности.

Целью данной работы является установление доминирующих физико-химических факторов, определяющих пространственно-временную динамику формирования углеводородных зон в породной кровле подземного газогенератора и обосновании технологических мер по извлечению жид-

*Представленные исследования выполнены при поддержки Фонда гражданских исследований и развития СКОР США (грант № иБВ1-021-ОР-07 в НГУ).

Дутьё

г м

г = 0

Газ ПГУ А

;

4

—5

шш ¡¡■¡В

Угольный пласт

Рис. 1. Схема конденсации продуктов газификации: 1 - газогенератор; 2, 3, 4 - покрывающие породы, обогащенные продуктами неполного сгорания, конденсационной влагой и газом соответственно; 5 - направление фильтрации утечек газа

ких продуктов газификации.

В процессе ПГУ образующиеся утечки газа находятся в перегретом состоянии. По мере продвижения в порах их давление и температура снижаются. При поступлении фильтрующегося газа в зону с давлением ниже давления конденсации часть продуктов газификации (ПГ) переходит в жидкое состояние. Образовавшаяся жидкость фильтруется со скоростью, значительно меньшей скорости газа. Осаждающийся в пористой среде конденсат не успевает фильтроваться вместе с газом к дневной поверхности, что приводит к накоплению продуктов газификации в покрывающих породах (рис. 1). Этот процесс продолжается до момента достижения равновесия в системе «газ-жидкость». Обогащенные продуктами газификации породы над газогенератором могут рассматриваться как техногенное месторождение углеводородов различных классов.

Для изучения компонентного состава и анализа распределения продуктов газификации в породной кровле подземного газогенератора был использован метод физического моделирования. Созданная модель имела одну и ту же физическую природу, что и изучаемый объект, также между ними были соблюдены основные условия подобия.

Геометрическое подобие обеспечивалось пропорциональным уменьшением всех линейных размеров по сравнению с натурным объектом, при этом константа подобия составила С = 25 м/м. Кинематическое подобие соблюдалось, так как траектория газовых потоков и огневого забоя на модели и объекте были геометрически подобны и одинаково ориентированы по отношению к границе, соответствующей породному контуру подземного газогенератора. Динамическое подобие обеспечивалось выдерживанием критерия гомохронности [4].

Р=0,1МПа

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - прозрачная термостойкая трубка; 2 - породы кровли угольного пласта (песок); 3 - лабораторная вата; 4 - пробка; 5 -соединительная трубка; 6 - влагосборник и гидрозатвор; 7 - термопары; 8 - поджиговое устройство

2

7

1

8

Экспериментальный модуль для исследования процесса насыщения покрывающих пород продуктами газификации был разработан и изготовлен с учетом рассчитанных коэффициентов подобия. Моделирование процесса выгазовывания угольного пласта осуществлялось в прозрачной термостойкой трубке длиной 1 м и диаметром 0,04 м (рис. 2). Воздух в камеру горения подавался компрессором. Расход подаваемого воздуха поддерживался постоянным на протяжении всего эксперимента. Перепад давления регистрировался с помощью манометра, температура — микротермопарами. Расход газа фиксировался с помощью расходомера.

На рис. 3 представлены фотоизображения светлого кварцевого песка

и этого же песка после его участия в лабораторном эксперименте в качестве фрагмента породной кровли подземного газогенератора. Проведенный эксперимент показал характерную гамму изменения окраски исходного светлого песка за счет насыщения его продуктами газификации.

Во время проведения эксперимента температура фиксировалась в отдельных точках моделируемой среды на расстоянии 5, 10, 12, 15 и 20 см от очага горения. Температура регистрировалась непрерывно с помощью идентичных термопар, подключенных к многоканальному самописцу Н-307. Тарировка термопар выполнена относительно высокотемпературного термометра ТУ-31А № 433 с погрешностью ±2 °С. Изменение температуры в

Рис. 3. Изменение цвета светлого кварцевого песка (пород кровли) при подземной газификации угля: а - светлый песок; б - тот же песок, насыщенный продуктами газификации; 1-3 - номера выделенных зон

Рис. 4. Интенсивность прогревания покрывающих пород: 1, 2, 3, 4 - распределение температуры в кровле соответственно через 200, 400, 600 и 2500 с после начала эксперимента

фильтрующей среде с течением времени показано на рис. 4.

Одновременно с регистрацией температуры проводилось визуальное наблюдение за состоянием угольного пласта и покрывающих пород, по результатам которого установлено следующее:

• контакт зоны горения с покрывающими породами неустойчивый, и в зону выгорания проникает вышележащий песок;

• фильтрующая среда (светлый кварцевый песок) со временем приобретает серый цвет с точечным распределением микровключений чёрного цвета;

III

с/ .

II

Рис. 5. Технологическая схема ПГУ с отбором конденсационной смеси из выгазо-ванного пространства: I, II, III - порядковый номер ряда скважин; 1 - почва угольного пласта; 2 - выгазованное пространство; 3, 4 - покрывающие породы, насыщенные конденсатом и подземными водами; 5 - скважины; 6 - статический уровень подземных вод; 7- во-до-конденсатный контакт; 8, 9 - направление фильтрации подземных вод и конденсационной смеси

• на поверхности песчинок под микроскопом видны пленки налета смолистых веществ, утолщающиеся на неровностях;

• непосредственно над зоной горения угля образуется свод, прочность которого зависит от количества углеродистых включений, а размер зоны определяется длительностью процесса горения угля.

Из анализа кривых (рис. 4) следует, что прогрев пород кровли происходит относительно интенсивно за первые 600 С от момента воспламенения угля в камере горения. Дальнейшее распространение тепла протекает очень медленно. Это объясняется

уменьшением теплопроводности покрывающих пород вследствие изменения их физического состояния (спекания, вспучивания, кольматации пор) под воздействием высоких температур и химического влияния вырабатываемого газа. Незначительные колебания температуры во время эксперимента объясняются нестабильностью процесса горения и, как следствие этого, различной температурой на входной границе.

Температура в моделируемой среде по вертикали распределяется нелинейно. Сопоставлением рис. 4 с данными визуального наблюдения установлено, что распределение температуры в от-

дельных зонах соответствует процессам плавления пород, конденсации фильтрующегося газа и циркуляции газовых потоков с постоянной температурой.

Анализ показывает, что при миграции ПГ в однородной фильтрующей среде происходит неравномерное заполнение порового пространства с формированием нескольких зон. Распределения ПГ зависит в первую очередь от распределения температуры. Пористость и проницаемость покрывающих пород изменяются вследствие механической блокировки пор продуктами неполного сгорания, а также физико-химического взаимодействия ПГ с породой. Первой от выгазованного пространства располагается зона термически измененных пород с твердыми углеродистыми включениями (1, рис. 3), мощность которой с учетом заданного геометрического коэффициента подобия в натурных условиях не превысит 0,5 м. Выше этой зоны, на расстоянии 0,5—2,5 м находится зона конденсации, поровое пространство которой заполнено смолистыми продуктами (2, рис. 3). В вышележащей зоне ненарушенных пород (3, рис. 3) происходит циркуляция газовых потоков с постоянной температурой.

Изучения состава ПГ, насыщающих покрывающие породы, производилось на спектрофотометре иУ2450. Анализ полученных спектров показал, что выделившийся конденсат обладает низкой вязкостью (менее 1,4-10-2 Па-с), а его плотность составляет 0,75-0,8 г/см3. Основным компонентом смеси являются нейтральные масла, представляющие собой группу непредельных, ароматических и парафиновых углеводородов с добавками нейтральных кислородных соединений. Конденсат отличается

невысоким содержанием фенолов (до 10 %), и почти не имеет пыли.

Выбор системы выгазовывания угольного пласта производится для достижения максимальных технических и экономических показателей ПГУ. Учитывая необходимость устойчивого отбора накапливаемой в по-ровом пространстве конденсационной смеси предлагается следующая последовательность создания и использования реакционных каналов (рис. 5).

Вначале первый ряд скважин ставится на сбойку, в результате которой образуется общий сбоечный канал (линия розжига). Затем производится сбойка скважин второго ряда с этой линией, в то время как процесс газификации в ней происходит путем подачи дутья в первую скважину и отвода образовавшегося газа через газо-отводящие скважины (№ 2, 3, 4). При этом в покрывающие породы, находящиеся между этими скважинами, проникает часть вырабатываемого газа, температура и давление которого снижаются по мере фильтрации. Это сопровождается его переходом в жидкое состояние и накоплением образовавшегося конденсата в породах кровли. После прекращения подачи дутья водоприток в выгазованное пространство интенсифицируется. Подземные воды, проникая в слой покрывающих пород насыщенный конденсационной влагой, вытесняют ее в выгазованное пространство, из которого производится ее отбор.

После отработки первого ряда скважин и завершения его сбойки со вторым, в последний подается дутье, необходимое для газификации участка угольного пласта между этими рядами. Отвод газа при этом происходит через скважины первого ряда.

Воздух

ж 1 1 к —1 Газожидкостная —|-^ смесь

$ $ \\ Ч ^ ^ ^

4- 5- - ж Г

'¿///////////¿б'/.,''///////////////.,''/////////. ///;////< N * ///¿///Л //////////¿///////////////¿//////¿> //////////¿///////////////¿//////¿> ^ ///////^///////////////^//////^

г:::: : : 2 Г'

;; >— ^^

1 * 1 ч * »' *1 « ^ / ь. 1

8 . 2

Угольный пласт

Рис. 6. Схема эрлифта для поднятия конденсата из канала газификации:

6 - динамический уровень подземных вод; 7 - водо-кондесатный контакт; 8 - выгазованное пространство; 9, 10 - направление течения подземных вод и конденсата соответственно

В свою очередь, выгазовывание угля во втором ряду происходит аналогично первому. Кроме того, в газоотво-дящие скважины этого ряда поступает конденсационная смесь, образовавшаяся при газификации угля между первым и вторым рядами.

Время выгазовывания устанавливается таким образом, чтобы сбойка скважин второго и третьего рядов произошла до момента отработки участка угольного пласта между первым и вторым рядами. После ее окончания в третий ряд подается дутье для выгазовывания участка между вторым и третьим рядами, с отводом вырабатываемого газа через второй ряд скважин. В такой последовательности ведутся работы на всей площади угольного пласта, предназначенного для газификации.

Для добычи вытесненного конденсата используется воздушный подъемник (эрлифт). Подъем жидкости происходит посредством подающегося в сжатом виде и смешиваемого с ней газообразного рабочего агента (газа, воздуха или пара). Изменение дебита эрлифтных установок достигается регулированием расхода подаваемого газа. Этот способ позволяет осуществить форсированный отбор конденсата, вытесняемого в канал газификации даже в условиях сильного обводнения, а также будет обладать технико-экономическими преимуществами по сравнению с насосной откачкой жидкости.

Схема работы воздушного подъемника для откачки жидких продуктов газификации, приведена на рис. 6. В скважины, через которые планиру-

ется производить отбор конденсата из выгазованного пространства после газификации угольного пласта, спускаются два ряда насосно-компрессор-ных труб. Внутренние трубы 1 служат для подачи воздуха через башмак эрлифта 2 к забою скважины 3, внешние 4 — для подъема газожидкостной смеси на поверхность. При этом наружный диаметр подъемных труб должен быть меньше внутреннего диаметра обсадных труб 5.

Для газоотделения добываемой смеси может быть использован стандартный сепаратор (трап), диаметр которого во много раз больше диаметра конденсатопроводных труб. Вследствие разности диаметров течение смеси в нем резко замедлится; капли конденсата, как более тяжелые, осядут вниз, а воздух поднимется в верхнюю часть трапа.

После отстаивания водоконден-сатной эмульсии в резервуарах-отстойниках воду используют для технических нужд в компрессионном цеху станции ПГУ, а обезвоженный конденсат направляют на топливно-химическую перегонку. Так как состав отдельных фракций добываемого конденсата, определенный спектрофотометром, удовлетворяет требованиям ГОСТа на товарные топлива [5], то его перегонка может осуществляться двухколонной ректификацией. Таким образом, извлекаемая из выга-зованного пространства газоводокон-денсатная смесь после стабилизации и топливно-химической переработки может быть разделена на различные фракции, которые в последующем могут использоваться для производства топлива и ряда других ценных химических продуктов.

На основании проведенных экспериментальных исследований и анали-

за распределения продуктов газификации в породах кровли угольных пластов сделаны следующие выводы:

• насыщение жидкими продуктами газификации и формирование углеводородных зон в покрывающих породах происходит вследствие выпадения конденсата из газовой фазы при резкой смене термобарических условий, что формирует зоны мощностью до 0,5 м с твердыми углеродистыми включениями, до 2,5 м — с углеводородным конденсатом и покрывающую зону с фильтрацией газа;

• жидкие продукты газификации заполняющие поровое пространство пород кровля представлены в основном непредельными, ароматическими и парафиновыми углеводородами, причем в отдельных фракциях конденсата содержатся преимущественно углеводороды одной группы;

• после прекращения подачи дутья в газогенератор подземные воды из вышележащих водоносных горизонтов проникают в слой породной кровли, насыщенный жидкими продуктами газификации, и вытесняют их в выга-зованное пространство. На этой основе предложена технология ПГУ с отбором углеводородных продуктов из выгазованного пространства, позволяющая получать жидкую и газовую фазы продуктов газификации, а также ликвидировать аномальные концентрации загрязняющих веществ в породах кровли;

• предложенная последовательность переработки добываемых продуктов газификации на станции подземной газификации углей обеспечит их стабилизацию и топливно-химическую перегонку с последующим использованием для производства топлива и ряда ценных химических продуктов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Скафа П.В. Подземная газификация углей в СССР / П.В. Скафа. — М.: Угле-техиздат, 1958. — 40 с.

2. Юдин И.Д. Экспериментальные исследования процесса ПГУ на газогенераторе № 1 Южно-Абинской станции «Подзем-газ» / И.Д. Юдин, В.В. Григорьев // Подземная газификация углей. — 1957. — № 2. — С. 51—54.

3. Семененко Д.К. Исследования потерь дутья и газа и способов их уменьшения

/ Д.К. Семененко // Сб. науч. тр. Всес. н.-и. ин-т ВНИИПодземгаз. — 1960. —№ 1. — С. 67—69.

4. Ногид Л.М. Теории подобия и размерностей / Л.М. Ногид. — Л.: Судпромгиз, 1959. — 96 с.

5. Черножуков Н.И. Технология переработки нефти и газа / Н.И. Черножуков. — М.: Химия, 1966. Ч. 3: Очистка нефтепродуктов и производство специальных продуктов — 1966. — 360 с. ШИЛ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Садовенко Иван Александрович — профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой гидрогеологии и инженерной геологии,

Инкин Александр Викторович — кандидат технических наук, доцент кафедры гидрогеологии и инженерной геологии, [email protected]. Национальный горный университет, Украина.

А

- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСКРЫТИЯ УЧЕТНОЙ ПОЛИТИКИ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ УЧЕТА

(№ 971/08-13 ОТ 27.05.13, 20 с.)

Сафонова Эмилия Геннадьевна, кандидат экономических наук, доцент, [email protected]

Российский экономический университет им. Г.В.Плеханова

GENERAL PROVISIONS AND SPHERE OF APPLICATION OF THE CONCOLIDATED FINANCIAL ACCOUNTING

Safonova E.G.