CC BY
109
© А.В. Литвиненко, 2011
УДК 622.278 А.В. Литвиненко
РЕЗУЛЬ ТА ТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ ЮЖНО-ЯКУТСКОГО КАМЕННОУГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
Приведены результаты лабораторных исследований процессов газификации подземного угля в Южно-Якутском угольном бассейне. Дана оценка влияния различных факторов на процессы газификации и предложены оптимальные условия разработки месторождений угля различной структуры
Ключевые слова: исследовательская лаборатория, газификация подземного угля, газовый генератор, район добычи угля, влажность, содержание пепла, изменчивое содержание, вечная мерзлота.
Особенность Якутии заключается в том, что потребители разбросаны на большой территории и относительно малочисленны, что не позволяет реализовать энерго- и теплоснабжение централизованно на всей территории республики. С другой стороны завоз топлива для электростанций в условиях не развитых транспортных коммуникаций является серьезной проблемой, а создание предприятий традиционной добычи в местах энерго- и теплопотребления не всегда является экономически целесообразным. Исходя из этого, необходимы альтернативные технологии получения энергоносителя в непосредственной близости от мест потребления [1]. Технология подземная газификация углей (ПГУ) является одной из перспективных, вследствие широкого распространения угольных месторождений в республике (782,5 тыс. кв. км или 25 % территории), но в большинстве не пригодных к отработке традиционными методами [2].
В связи с этим в Техническом институте (филиала) ФГАОУ ВПО «СевероВосточный федеральный университет
имени М.К. Аммосова» в г. Нерюнгри, проводятся исследования ПГУ применительно к марочному составу угля, геологическому и мерзлотногидрогеологическому строению угольных месторождений Южной Якутии.
Проведен анализ угольных месторождений и участков наиболее освоенной части Южно- Якутских угольных бассейнов, отрабатывать которые целесообразно технологией подземной газификации. Анализ показал, что две трети из них потенциально пригодны для отработки способом ПГУ. Рассматривались запасы, числящиеся на балансе и отнесенные к группе забалансовых, не являющихся резервом для строительства новых угольных разрезов и шахт.
Следующим этапом изысканий явились лабораторные исследования процессов ПГУ. Для лабораторных исследований отбирались пробы неокисленного каменного угля на горнодобывающих предприятиях юга Республики Саха (Якутия) ведущих добычу угля. Отбор проб угля осуществлялся с Нерюнгринско-го, Чульмаканского,
Анализ угольных месторождений Южно-Якутского каменноугольного бассейна
№ Месторождение Площадь, км2 Мощность пластов, м Угол падения, град V" % А4, % Запасы, млн. т
1 Чульмаканское 634.4 0.7-5.15 1-3 26-36 21-38 1739.7
2 Верхне-Т алуминское 452.4 0.93-1.56 1-3 28 15-30 219.6
3 Якокитское 515.2 0.7-1.78 1-3 24 27-47 1705.8
4 Денисовское 101.6 1.05-3.92 2-8 20-24 10-37 376.2
5 Олонгринское 74.7 1.16-9.9 50-60 25 14.6-32.9 151.7
6 Муастахское 127.6 0.7-4.5 25-60 21-24 33-45 459.9
7 Кабактинское 318.8 0.8-4 2-7 23 19-45 1851.1
8 Беркакитское 289.6 0.7-2.3 5-15 18 15-30 1028
9 Нерюнгринское 47.6 0.7-79.15 1-3 18-20 17-25 474.3
10 Сыллахское 296 0.91-15,85 5-15 33-43 38-44 979.8
11 Нижне-Т унгурчинское 76 1.31-6.0 1-30 32 31 996.3
12 Усмунское 234.8 0.7-3.61 2-8 30-37 7-37 134.7
13 Эльгинское 236 0.7-18.9 3-15 27-45 7.1-45.6 1605.0
Эльгинского, Сыллахского и Денисовского месторождений. Отобранные пробы угля были проанализированы на технологические характеристики, для контроля состава углей и исключения случайной ошибки.
Для проведения лабораторных исследований была создана установка, для моделирования процессов ПГУ (рис. 1) [3]. В ходе исследований проводились работы по правовой защите интеллектуальной собственности. При поддержке Центра интеллектуальной собственности СВФУ получен Патент на полезную модель № 98795 «Установка для моделирования процесса подземной газификации угля».
С угольными пробами был проведен ряд экспериментов моделирующих процессы ПГУ в многолетнемерзлых породах, с целью отработки технологических параметров подземной газификации углей. Лабораторные исследования были разделены на три этапа:
1. Лабораторные исследования процессов ПГУ;
2. Лабораторные исследования процессов ПГУ с моделированием залегания угольного пласта в криолитозоне;
3. Анализ полученных результатов.
Лабораторные исследования процессов ПГУ проводились с углями марок: Г (Сыллахское месторождение), Ж (Эль-гинское месторождение), КЖ (Денисовское, Чульмаканское месторождения), К (Нерюнгринское месторождение).
Лабораторные исследования подземной газификации углей осуществлялись на воздушном дутье с розжигом очага горения при кислородном дутье.
В процессе эксперимента производился отбор проб, технологического газа, с постоянным интервалом от 10 до 30 минут начиная от времени установившегося процесса подземной газификации. Полученные пробы проанализированы, на покомпонентный состав газа. Для лучшего восприятия результатов эксперимента, полученные значения компонентов газа были сгруппированы по горючести (водород, угарный газ, углеводороды - условно горючие газы;
Рис. 1. Схема установки моделирования процессов подземной газификации угля
кислород, азот, углекислый газ - не горючие).
Для углей марки Г максимальная температура в очаге горения достигала 850 0С. Характерной особенностью процессов подземной газификации угля марки Г является более низкое содержание азота (27,8-38,7 %) и более высокое содержание угарного газа (35,96-54,01 %) (рис. 2).
Как видно из рис. 3 наилучшей температурой очага газификации углей марки Г является интервал 7908100С, что позволит свести к минимуму содержание азота и повысит процентное содержание горючих компонентов в получаемом газе.
Для углей марки Ж максимальная температура в очаге горения достигала 965 0С. Состав газа представлен на рис.
4.
Как видно из рис. 5 наилучшей температурой очага газификации для углей марки Ж является интервал 900-9500С, что позволит свести к минимуму содержание не горючих компонентов в получаемом газе.
График зависимости состава газа углей марки КЖ от времени продолжительности эксперимента приведен на рис. 6. При проведении экспериментов процесс газификации можно условно поделить на три этапа: первый этап -становление процесса газификации, вто-
Номер пробы
-Горючие компоненты И Негорючие компоненты
Рис. 2. Содержание компонентов газа для углей марки Г
Рис 3. Зависимость теплотворной способности газа угля марки Г от температуры очага горения
Рис. 4. Содержание компонентов газа для углей марки Ж рой этап - установившийся процесс и третий этап - затухание процесса.
Влияние температуры очага горения, углей марки КЖ, на теплотворную способность представлена на рис. 7.
.Оптимальная температура процессов подземной газификации для углей марки КЖ находится в пределах 800-840 0С.
Полученный в ходе лабораторных исследований процессов подземной газификации углей марок Г, Ж, КЖ газ пригоден для использования в качестве первичного энергоносителя.
В процессе лабораторных исследований выполнена оценка углей марки К. Установлено, что угли марки К не окисленные плохо поддаются газификации из-за того, что при температурном воздействии спекаются и текут, что влечет за собой закупорку каналов по которым поступает дутьевой агент и отводится полученный технологический газ (рис. 8).
В процессе проведения лабораторных исследований, физического моделирования процессов подземной газификации угля, была проведена серия экспериментов с имитацией расположения подземного газогенератора в криолито-зоне.
В ходе проведения серии экспериментальных работ наблюдалась, общая закономерность для всех марок углей - необходимость повышения давления
Рис. 5. Зависимость теплотворной способности газа угля марки Ж от температуры очага горения
Рис. 6. Содержание компонентов газа для углей марки КЖ
Рис. 7. Зависимость теплотворной способности газа угля марки КЖ от температуры очага горения
дутья на стадии организации очага го-
рения
(розжига в канале модели подземного газогенератора).
Данная закономерность говорит об отсутствии влияния марочного состава угля, залегающего в криолитозоне, на процесс розжига газогенератора. Необходимость повышения давления определяется связным состоянием влаги угля.
Для определения влияния криолитозоны на процессы подземной газификации угля проводилась серия экспериментов с углями в талом и мерзлом состоянии. Для замеров изменения температурного поля использовались 4 датчика удаленные на разное расстояние от очага горения физической модели подземного газогенератора. При проведении экспериментальных работ моделирующих криолитозону отбор газа осуществлялся с начала эксперимента до полного растепления газогенератора через каждые 2 минуты, далее каждые 10-15 минут. Лабораторные исследования проводились на воздушном дутье без изменения физических характеристик дутьевого агента (температура, давление и т.д.).
По результатам анализа проб газа, полученного в процессе исследований, наблюдается снижение содержания угарного и углекислого газа на начальной стадии проведения экспериментальных работ
угля не участвует в полном объеме в химических реакциях:
Н2О + С = СО + Н2 - 130 кДж/моль (1)
СО + Н2О = СО2 + Н2 + 41,8 кДж/моль (2)
В дальнейшем после растепления угольного пласта химические процессы подземной газификации угля приходят в норму, что подтверждается показаниями прибора регистрирующего изменение температурного поля газогенератора (ИнтерРис. 8. Образец спекшегося угля марки К, полученного в вал Б, рис. 9).
процессе газификации
(Интервал А, рис. 9). Это говорит о том, что на стадии термического разложения, в процессе которого из угля выделяется влага, летучие парогазовые вещества и остается коксовый остаток связная влага
Кроме всего выше сказанного, следует отметить, что наряду с отрицательными факторами при отработке угольных месторождений технологией подземной газификации в условиях криолитозоны присутствует положительный фактор - присут-
Рис. 9. Изменение содержания угарного газа в талых и мерзлых углях 50
ствуют газонепроницаемые стенки границ газогенератора образованные из угля и связной влаги в качестве цементирующего реагента, поэтому в процессе газообразования участвует только влага угля. То есть, влиянием влаги вмещающих пород и гравитационных подземных вод, на этапе розжига можно пренебречь.
В связи с расположением ЮжноЯкутского каменноугольного бассейна в сейсмически опасной зоне обсаживание скважин подземной газификации угля является необходимой для ликвидации потерь дутьевого агента и технологического газа вследствие повышенной трещиноватости вмещающих пород.
Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:
1. Угли Южно-Якутского каменноугольного бассейна, кроме марки К, пригодны для отработки при помощи технологии подземной газификации угля;
1. Киушкина В.Р., Лукутин Б.В. Выбор вариантов систем энергоснабжения для малых потребителей Якутии. Тезисы докладов участников II Республиканской научнопрактической конференции: Пути решения актуальных проблем и переработки полезных ископаемых Южной Якутии. - Изд-во ЯГУ, 2004. С. 80-81
2. Угольная база России. Том V. Книга
2. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока России (Республика Саха, Северо-Восток, о. Сахалин, п-ов Камчатка). - М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1999. - 638 с.
2. Для отработки технологии подземной газификации угля марки К необходимы дополнительные исследования подбора дутьевого агента и его характеристик, который позволит применять технологию для углей данной марки;
3. Для розжига угольного пласта в многолетнемерзлых горных породах необходимо повышенное давление дутьевого агента;
4. После растепления угольного пласта криолитозона не влияет на процессы подземной газификации угля;
5. Подземный газогенератор находящийся в многолетнемерзлых горных породах представляет собой изолированный комплекс, что снижает влияние внешних факторов (влага вмещающих пород, гравитационная влага) на стадии розжига.
6. Обсаживание геотехнологиче-ских скважин ПГУ в Южной Якутии является необходимым, для ликвидации дутьевого агента и технологического газа.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Литвиненко А.В. Лабораторноэкспериментальная установка для физического моделирования процесса подземной газификации углей в Южной Якутии// «Материалы III региональной научнопрактической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 10-летию технического института (филиал) Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова в г. Нерюнгри (апрель 2002 г.)»/ Под. ред. Н.Н. Гриб. - г. Нерюнгри: 2003. - 46-48 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------------------------
Литвиненко Александр Викторович - Технический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова» в г. Нерюнгри, E-mail: titrovez@mail.ru
© А.В. Литвиненко, 2011
УДК 622.278 А.В. Литвиненко
МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ В КРИОЛИТОЗОНЕ (НА ПРИМЕРЕ ЮЖНО-ЯКУТСКОГО КАМЕННОУГОЛЬНОГО БАССЕЙНА)
Рассмотрена методика лабораторных исследований процессов подземной газификации углей Южно-Якутского каменно-угольного бассейна. Обосновываются факторы оказывающие влияние на процессы газификации угля на основе которых строится методика экспериментальных работ.
Ключевые слова подземная газификация угля, газогенератор, каменноугольный бассейн, марка угля, влажность, зольность, выход летучих, многолетнемерзлые горные породы.
сследования подземной газификации углей Южной Якутии можно разделить на несколько стадий: изучение вопроса исследований, математическое моделирование, лабораторно-экспериментальные исследования, опытно-промышленный эксперимент.
Не последнее место среди выше перечисленного занимает стадия лабораторно-экспериментальные исследований, которые осуществляются при помощи физического моделирования.
Методика имеет первостепенное значение для оптимизации процесса лабораторно-экспериментальных исследований. Благодаря правильно подобранной методике можно: минимизировать экспериментальную часть без вреда для целей изысканий, исключить систематические и случайные ошибки.
Объектом исследований являются угли Южно-Якутского каменноугольного бассейна, которые согласно ГОСТ 10101-86 представлены широким диапазоном, от марки Г - до марки Т. Исходя из чего по марочному составу исследования следует разделить на 6 стадий: угли марок Г, Ж, КЖ, К, О, Т.
Основными показателями качества углей влияющих на процесс подземной газификации (Согласно «Временные критерии пригодности угольных месторождений для подземной газификации угля» - 1986 г.) являются: зольность (Ad), выход летучих (Vdaf), толщина пластического слоя (у), влага аналитическая ^а), содержание серы ^^). Необходимо, комбинируя различные варианты соотношения показателей, достигнуть минимального количества экспериментов предоставляющего максимально возможную достоверность всему комплексу исследований.
Южно-Якутский бассейн включает в себя четыре угленосных района: Усмун-ский, Алдано-Чульманский, Токинский, Гонамский [1].
Наиболее детально изучен Алдано-Чульманский район. Вследствие обширного спектра марочного состава углей представленных в данном районе и наличия большего количества, действующих открытых и подземных горных выработок, уголь данного района послужат основным предметом проводимых исследований.
Схема Южно-Якутского каменноугольного бассейна
Для проведения исследований достаточно изучены лишь Сыллахское и Эль-гинское месторождения Усмунского и Токинского угленосных районов соответственно. Исходя из чего только для этих месторождений, возможно, разработать рекомендации по подземной газификации углей.
Гонамский угленосный район включает в себя 12 угленосных площадей. Из-за слабой изученности площадей сведения носят, фрагментальный характер и поэтому истинного представления об технологических параметрах углей нет. Поэтому в данное время нельзя говорить о достоверности результатов исследований применительно к данному угленосному району.
Так как Южно-Якутский каменноугольный бассейн представлен островным расположением многолетнемерзлых горных пород, изучение влияния геокриолитозоны на процессы подземной газификации углей является неотъемлемой частью проводимых исследований. В частности необходимо определить влияние отрицательных температур на состав получаемого технологического газа и обоснование оптимальных параметров дутья и конструкции подземного газогенератора применительно к условиям геокриолитозоны. Кроме того, необходимо изучить влияние темпера-
турного поля газогенератора на вмещающие многолетнемерзлые горные породы.
Исходя из того, что: за основу моделирования процесса ПГУ выбран метод газификации в канале (поточный метод газификации) и в Южно-Якутском регионе многолетняя мерзлота носит островной характер распространения, то по расположению скважин исследования можно разделить на несколько стадий:
1. Обе скважины находятся вне области отрицательных температур;
2. Обе скважины находятся в области отрицательных температур;
3. Одна скважина находится в зоне многолетнемерзлых пород, а другая вне области отрицательных температур.
В технологическом плане факторами оказывающими влияние на процесс газификации угля является вид, физические характеристики дутья, строение скважин и т.д.
В качестве дутьевого агента будет использоваться воздушное дутье, как наиболее целесообразное.
Температура очага горения оказывает большое влияние на состав получаемого газа. В связи с этим в ходе эксперимента планируется производить замеры температуры очага горения с последующим установлением зависимостей качественного состава технологического
газа от температуры очага горения и обоснованием оптимальной температуры для процессов подземной газификации углей Южной Якутии.
В заключение заметим, что под воздействием изменения внешних факторов
(детальность изученности угленосных районов и т.д.) возможна, корректировка методики лабораторно-
экспериментальных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Угольная база России. Том V. Книга 2. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока России (Республика Саха, Северо-Восток, о. Сахалин, п-ов Камчатка). - М.: ЗАО «Геоин-форммарк», 1999. - 638 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------------------------
Литвиненко Александр Викторович - Технический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова» в г. Нерюнгри, E-mail: titrovez@mail.ru
ГОРНЯЦКОЕ АРГО
■ ВОРОТОК — стальной прут для поднятия подвижной части тумбы и раскрепления между почвой и кровлей.
■ ВЫПАЛ — обваленная взрывом горная масса (Отпалка).
■ ВШТ — официально: участок «Внутришахтный транспорт»,
■ Г АИШНИК — горный мастер ВТБ.
■ ГЕНЕРАЛ — генеральный директор.
■ ГИРЛЯНДА — соединенные, подвешенные на опорные канаты три ролика ленточного конвейера.
■ ГЛАВНЫЙ — главный инженер, директор шахты.
■ ГЛУХАРЬ — вагон с глухим дном.
■ ГОЛОВКА — привод ленточного или скребкового конвейера или его концевая часть.
■ ГОРА — поверхность. Употребляется чаще в составе выражения «на-гора» (подняться на поверхность).
■ ГОРНЯК — горный мастер.
■ ГОРНЫЙ — горный диспетчер.
■ ГОША — очистной комбайн 1ГШ68.
■ ГРАВЕР — разрезная шайба для предотвращения самооткручивания гаек. От искаженного «гровер»
■ ГУРОН — рабочий участка МДО.
■ ГУСАК — выданная начальником тут же, после смены, заранее оговоренная премия за определенный объем работы (АККОРД).
