3. ПОДЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ МЕТОДОМ ФИЛЬТРАЦИИ И ЕСТЕСТВЕННЫХ СКВАЖИН
Рассмотрим основное и кардинальное различие между и. г. у. методом канала (скважин и потока) и п. г. у. методом фильтрации и естественных скважин 1. Это различие, как мы уже отмечали, заключается в резко различной гидродинамической организации взаимодействия реакционной поверхности газифицируемого кокса с дутьем. В то время, как по методу канала это взаимодействие происходит, в идеальном случае, между потоком дутья и газа, протекающим по одному каналу 2 определенного среднего размера с осредненным расположением реакционной поверхности на стенках, при фильтрационном методе газовый поток идет (фильтруется) через многочисленные канальцы различных форм и сечений, расположенные между сильно разрыхленными «отдельностями», аналогичными кускам топлива различного размера и самой разнообразной формы.
Оба метода, как мы видели из предыдущей главы, имеют резко различные общие и тепловые характеристики, совершенно различные характер газообразования и внешнюю картину взаимодействия углерода кокса и газодутьевого потока в кислородной и восстановительной зонах.
На рис. 166 показана схема, характеризующая реакционную поверхность при этих методах п. г. у.
Для краткости в дальнейшем, как обычно, будем называть метод фильтрации и естественных скважин методом фильтрации.
Наличие небольших параллельных обводных каналов, так же как и коротких, широких, а особенно тупиковых, существенного значения в процессе п. г. у. иметь не будет.
При газификации методом канала, властности, потока (II), реакционная поверхность углерода в кислородной зоне почти точно ограничена контуром углеродной стенки канала, причем поверхность многочисленных трещин (даже близко расположенных) в реакциях почти не участвует. Из-за неправильной формы подземного газификационного канала, имеющего расширения и сужения, углерод на поверхности некоторых крупных трещин, расположенных непосредственно вблизи контурной поверхности, иногда в заметной степени реагирует с кислородом.
При расчете интенсивности горения в канале по уравнению (стр. 194) величина Fк определяется (несмотря на сильную трещиноватость и пористость угля и особенно кокса) с весьма небольшими поправками, как величина
контурной (внешней) геометрической поверхности кокса*, а внутренняя поверхность трещин (тем более пор) кокса не принимается во внимание. В случае, если в газификационном канале в результате обрушения угля образовался слой кокса, то реакционной поверхностью в нем будет также только контурная, открытая поверхность кусков кокса, обращенная внутрь канала, где проходит основной ноток дутья и газа. Поверхность даже крупных кусков кокса внутри слоя, недоступная для прямого обтекания газового потока в канале, существенного количественного значения при расходовании кислорода не имеет.
*С учетом соответствующих условий протекания гетерогенного процесса в той или иной области.
Совершенно другая картина участия коксовой поверхности при горении наблюдается при фильтрационном методе, идеальная схема которого изображена на схеме 1 рис. 166. В этом случае дутье из коллектора а через термически подготовленный целик фильтруется (движется) сквозь многочисленные открытые трещины, на поверхности которых и происходит взаимодействие кислорода дутья с углеродом кокса газифицируемого угля. Величина активной реакционной поверхности кокса на единицу объема при методе фильтрации во много раз больше, чем при методе канала. Так как в силу соответствующих гидравлических характеристик основной, наиболее интенсивный, процесс горения (при фильтрационном методе) происходит в самых крупных трещинах угольного целика, то процесс фильтрационного горения растрескавшегося угольного целика больше всего отвечает выгоранию неподвижного закрепленного слоя кусков топлива самых различных размеров и формы. Предельное сходство между слоевым процессом горения и горением угольного целика по методу фильтрации будет достигнуто в том случае, если в шахту будет насыпан слой кусков, например, тквибульского угля*, который, в связи с высокой зольностью (— 40%) и спецификой золы, после выгорания углерода сохраняет скелет золы внешне почти таким же, каким был слой угля до выгорания. Горение такого слоя при подаче через него дутья будет очень близко по внешним характеристикам горению термически подготовленного целика угля при подаче дутья через трещины целика.
Горение слоя топлива, состоящего из кусков резко различного размера, как мы отмечали выше, неизбежно связано с образованием прогаров, при которых очаг горения будет на различных участках слоя продвигаться с различной скоростью. Это приведет к образованию невыгоревших «остров ков топлива», состоящих из наиболее крупных и слежавшихся кусков и участков слоя. Горение крупных кусков топлива (островков) продолжится, в то время как основной очаг горения передвинется по слою уже далеко вперед. При этом остающиеся островки будут достаточно интенсивно выгорать, если скелет слоя сохранится, так как тогда гидродинамические условия движения окажутся соответствующими плотному расположению слоя кусков и, следовательно, реагирование охарактеризуется высокими значениями интенсивности массо- и теплообмена в соответствии с уравнением (стр. 73). Если скелет слоя разрушится и гидродинамика потока резко изменится, то островки будут выгорать слабо, и возникнет большой недожог топлива при завершении процесса, т. е. при выходе кислородной зоны из горящего слоя. Чем более неоднородными окажутся структура слоя топлива и состав его, тем большим будет недожог.
Качественно такая же картина горения будет наблюдаться при реальном развитии фильтрационного метода газификации (см. рис. 166, 1). Прогары по наиболее крупным трещинам приведут к увеличению протяженности кислородной зоны по угольному целику. Остающиеся между крупными трещинами (естественными скважинами) растрескавшиеся целики угля (островки) будут выгорать значительно медленнее других участков и при продвижении основного фронта горения — кислородной зоны — окажутся в глубоком тылу основного очага и в большинстве случаев могут остаться несгоревшими. С этим в реальных условиях подземной газификации и связаны большие неизбежные потери угля под землей.
*С размером кусков от 0—1 мм до глыб величиной 300—500 мм
Такой своеобразный ход процесса горения хотя и имеет существенные недостатки, но в то же время в значительной мере способствует практической возможности осуществления и. г. у. в природных условиях. В самом деле, предположим, что термически подготовленный целик представляет собой массу угля с равномерным распределением трещин. В этом случае движение очага горения будет почти строго параллельным начальной плоскости целика у дутьевого коллектора а (см. рис. 166); после перемещения очага горения на 1—2 м от дутьевого коллектора кровля, расположенная над выгоревшим углем, начнет быстро оседать, закрывая постепенно доступ дутья к угольному целику. При продвижении очага горения на несколько метров кровля, безусловно, обрушится, и процесс газификации прекратится, так как зольный скелет, если бы он даже мог образоваться, не в состоянии, конечно, как показали исследования, выдержать большое давление вышележащих пластов породы.
Образующиеся в результате неравномерного выгорания угольного целика островки являются как бы естественными стойками, предохраняющими кровлю от общего и полного обрушения. Частичное обрушение и оседание кровли в этих условиях не помешают, а, несомненно, будут даже способствовать улучшению процесса, направляя основную массу дутья в области растрескавшегося целика, составляющего невыгоревшие островки.
Основная задача управления процессом будет заключаться в том, чтобы, с одной стороны, обеспечить в максимальной степени подготовку угольного целика(панели) к фильтрационному методу газификации и, с другой стороны, одновременно найти наивыгоднейшие условия такой организации процесса, чтобы не происходило преждевременного обрушения кровли, изолирующего дутьевой коллектор от всего или значительной части термически подготовленного угольного целика.
Очевидно, что характер процессов газификации по методам потока и фильтрации резко различается и в восстановительной зоне (см. рис. 166). При этом следует подчеркнуть, что тут имеет место еще более глубокое различие процессов, так как действие прогаров значительно ослаблено, а роль внутренней реакционной поверхности для реакций CO2+С и НО2+С значительно большая, чем для реакции С+О2. В то время как в восстановительной зоне в канале (метод потока) в реакциях газификации практически заметное участие принимает только небольшая часть поверхности трещин и пор прилегающих к контурной поверхности газификационного канала, при методе фильтрации при хорошей термической подготовке целика значительная часть реакционной внутренней поверхности всего кокса, расположенного в восстановительной зоне, реагирует с CO2 и H2О с заметным эффектом.
Изображенная на рис. 166 идеальная схема организации процесса п. г. у. должна быть, конечно, проверена экспериментальными исследованиями, в ходе которых следует отыскать пути практической организации ее (если они вообще существуют) или во всяком случае пути всемерного приближения практических условий к этой схеме осуществления процесса но выбранному методу п. г. у.
В ряде статей, опубликованных в бюллетене «Подземная газификация угля», метод фильтрации почему-то смешивается с прямым (неограниченным) способом воспламенения топлива, в то время как это существенно различные понятия. При слоевом методе газификации, как известно, может быть осуществлен любой способ воспламенения (прямой, обращенный и поперечноточный см. рис. 126, стр. 186), но это не изменяет существа метода газификации топлива в слое, и приводит лишь к варьированию условий его тепловой организации. Точно так же любой из трех способов воспламенения принципиально может быть осуществлен и при подземной газификации методом фильтрации.
Как при методе канала, так и при фильтрационном методе основным первичным элементом практического осуществления п. г. т. является скважина, пробуренная по породе или по породе и пласту.
*Реакции CO2+С и Η2О + С охватывают слой с практически заметным эффектом всего лишь на глубину нескольких миллиметров коксовой массы или, в лучшем случае, 1—2 см от контурной, обтекаемой газом, поверхности кокса.
Если в качестве примера, представляющего наибольший практический интерес для метода фильтрации, рассмотреть пласт бурого угля типа подмосковных углей, то целесообразно в первую очередь проанализировать простейшую схему газификации угольного пласта при помощи двух скважин (рис. 167), или, как ее часто называют, фильтрационную сбойку скважин.
Прежде всего рассмотрим, каков характер движения холодного газа из скважины по угольному пласту и между двумя и несколькими скважинами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга. Возьмем для примера пласт подмосковного угля, залегающий в виде горизонтально простирающейся линзы. Мощность пласта считаем в среднем постоянной. Кровлю и почву принимаем значительно более плотными, чем угольный пласт. Примерно в середине линзы, форму которой для простоты примем в виде окружности с радиусом Rn, пробурена скважина до подошвы пласта. Радиус этой дутьевой скважины в области угольного пласта обозначим r1.
Подведем к скважине воздух под некоторым избыточным давлением P1. Этот воздух за счет газопроницаемости угля будет просачиваться и уходить к контуру с радиусом Pп.
Как известно, для таких условий движения в каждой точке области, занятой движущейся жидкостью, справедливо уравнение Лапласа
Для отмеченных выше условий задачу распределения давлений по линзе можно свести к следующему простому уравнению, справедливому для изотермических условий движения несжимаемой жидкости
*Большей частью в оврагах.
*Приводимые ниже типичные задачи фильтрации были решены под руководством Ю Г. Толстова.
Все случаи двухскважинной фильтрации при изотермическом режиме весьма невыгодны по дебиту, так как потери дутья и газа неизбежно будут относительно большими.
Решение задач при различном расположении скважин показывает, что для получения оптимальных результатов газоприемные скважины должны располагаться охватывающим контуром вокруг дутьевых. На рис. 168, 169 и 170 показаны результаты замыкания кольца скважин вокруг одной дутьевой. Кольцевое расположение скважин весьма эффективно, и его преимущества хорошо иллюстрируют приведенные рисунки.
Примерно такой же результат дает и параллельное расположение скважин в соответствии с рис. 2 (стр. 13).
Газификация угольного пласта методом фильтрации с использованием двух скважин осуществляется при так называемой электросбойке, когда в термически подготовленный электросбойкой участок угольного пласта, расположенного между двумя скважинами, подается воздушное дутье. До применения разработанного в ЭНИН АН СССР метода электросбойки применялся (а также применяется на подмосковной станции п. г. у. и в настоящее время) так называемый метод фильтрационной сбойки скважин. При нем используется не только фильтрация (т. е. движение газа и дутья по термически подготовленному угольному пласту), но также и движение дутья за счет проницаемости натурального угля в пласте.
Предполагаемая автором схема фильтрационной сбойки и газификации угля при работе двух скважин на подмосковной станции показана на рис. 171. Представленные схемы развития процесса достаточно ясны и мы на них подробно останавливаться не будем, тем более, что это лишь логическое построение с использованием теоретических предпосылок. Схемы эти требуют количественной проверки, которая возможна в основном путем вскрытия панелей и всесторонних испытаний на моделях и подземных стендах.
Для пояснения схем, изображенных на рис. 171, следует только отметить, что на схемах г, д и е центральная, выгазованная часть пласта включает отмеченные выше горящие островки невыгазованного угля и обрушившуюся часть выгазованного пространства.
Фильтрационная сбойка двух скважин при обращенном процессе, т. е. при розжиге угля у газоприемной скважины, протекает медленно и при высоком давлении дутья, так как в этом случае приходится преодолевать высокое гидравлическое сопротивление неподготовленного угольного целика.
Расчетное изменение давления воздуха на дутьевой скважине в период сбойки скважин изображено на рис. 172. Как видно, давление дутья при заданном его расходе спадает очень медленно и почти до самого конца сбойки остается сравнительно высоким. Опытные данные, приведенные на рис. 173 для условий подмосковной станции, весьма близки соответствующей расчетной кривой рис. 172.
На рис. 172 показаны также схема розжига и расчетное изменение давления дутья при розжиге угля у дутьевой скважины. Сопоставить эти кривые с опытными данными не представляется возможным, так как до сих пор все попытки организации сбойки скважин за счет проницаемости пласта положительного результата не дали.
Рис. 172. Графики изменения давления во время фильтрационной сбойки и схемы розжига у скважин при ограниченном (1) и неограниченном (2) воспламенении
Рис. 173. Изменение параметров дутья при фильтрационной сбойке скважин и начальном давлении 5 ати (а) и 3,0—3,5 ати (б) (по опытным данным подмосковной станции п. г. у.)
Причиной этих неудач является, видимо, закупорка пор угля продуктами термической переработки и, в частности, смолой. Такая организация процесса станет возможна только в том случае, если угольный пласт, расположенный между скважинами, будет предварительно целиком термически подготовлен путем отбора газа в направлении свежего угля, и прямой процесс газификации будет проходить не за счет проницаемости натурального угольного целика, а в результате фильтрации дутья и газа через подготовленный растрескавшийся угольный пласт.
Трудности анализа процесса, протекающего на подмосковной и Лисичанской станциях п. г. у., связаны прежде всего с тем, что мы практически не имеем достоверных сведений о процессе, протекающем под землей. Как это ни странно, но после 15 лет работы подмосковной станции неизвестно, что представляют собой фильтрационная сбойка скважин, также неизвестно, что, собственно говоря, происходит при этом в угольном пласте под землей и как выглядит пласт после завершения сбойки. Автор убежден в том, что схема, представленная выше, в общем верно отражает реальный процесс, но эти теоретические предположения можно будет принять за основу разработки правильной и эффективной организации процесса только после того, как соответствующие опыты и результаты вскрытия панелей п. г. у. подтвердят их.
Насколько не изучен процесс п. г. у. на подмосковной станции показывает и то, что до сих пор не определена даже температура, при которой протекают процессы сбойки скважин и подземной газификации подмосковного угля.
Надо отдать справедливость работникам станции и ВНИИПодземгаза, которые за последние годы предприняли многочисленные попытки изучения процесса подземной газификации в условиях работы промышленных станций п. г. у., причем некоторые полученные ими материалы, безусловно, позволяют косвенно судить о процессе. К сожалению, отсутствие единой программы работ, а главное, неправильное основное направление их по разработке проблемы в значительной мере обесценивают накопленные экспериментальные данные.
Несомненную ценность представляют исследования Нусинова [124], [129] по динамике газообразования в условиях процесса, протекающего на подмосковной станции, а также наблюдения за влиянием влажности газа на его теплотворность.
Представленные на рис. 174 данные по динамике газообразования на цепочке скважин общей длиной около 140 м в начальный период работы, непосредственно после осуществления сбойки, при расстоянии между скважинами — 17—18 м прежде всего убедительно подтверждают, что на подмосковной станции процесс п. г. у. не протекает по методу потока, для которого, безусловно, характерны и обязательны растянутые кислородная и восстановительная зоны.
Как видно из рисунка, во всех случаях уже на первой скважине в газе кислорода не обнаруживается и газ (для расхода дутья в 3000 м3/час) содержит относительно значительные концентрации (до 11%) окиси углерода при теплотворности* — 900 ккал/нм3. Графики, представленные на рис. 174, указывают, однако, и на то, что процесс газообразования в условиях работы подмосковной станции идет при слабом развитии восстановительных процессов, т. е. при низких температурах в зоне горения. Этот вывод, на котором мы уже достаточно подробно останавливались при анализе процесса газообразования, хорошо подтверждается опытными данными подмосковной станции п. г. у. по взаимосвязи содержания влаги в газе, выходящем из подземных газогенераторов, и теплотворности этого газа, приведенными на рис. 175. Рис. 174 убедительно показывает, что повышенный приток влаги, безусловно снижающий температуру горящей поверхности кокса, приводит к значительному ухудшению работы восстановительной зоны и к переходу процесса из полугазового в полутопочный. Естественно, конечно, что это вызывает и снижение теплового к. п. д. (см. рис. 163; стр. 262).
Как было показано на рис. 171, при газификации по двухскважинной системе без дутьевых и газоприемных коллекторов развитие процесса после выгазовывания части угольного целика достаточно быстро приводит к усиленным прогарам и растяжению кислородной и восстановительной зон. Это явление наглядно подтверждается рис. 176, на котором представлены данные по динамике газообразования 1124], аналогичные рис. 174, но полученные в условиях работы, когда —30—35% угольного пласта прогазифицировано, т. е. когда в результате неравномерного продвижения фронта горения образовались прогары по естественным скважинам. В этих условиях образовавшиеся островки из непрогазифицированного угольного целика уже не обеспечивают быстрого (на коротком участке) расходования кислородного дутья, а температуры горения еще больше снижаются.
Рис. 175. Взаимосвязь между влажностью газа и его теплотворностью на подмосковной станции п. г. у.
(по данным О. Г. Нусинова)
Приведенные на рис. 176 данные по газообразованию показывают, что, в отличие от рис. 174, отражающего состояние в начальный период газификации, в этих условиях в скважине на расстоянии 15 м обнаруживаются непрореагировавший кислород и практически чистая двуокись углерода. Динамика газообразования, полученная после дополнительного выгазовывания угля, а следовательно, и увеличения степени действия прогаров, представлена на рис. 176, а. Как видно, в этом случае кислород обнаружен уже и во второй газоприемной скважине, а вследствие дальнейшего ухудшения температурного режима газификации процесс образования горючих компонентов газа становится еще более вялым, и теплотворность газа уже не достигает* даже 800 ккал/нм3 и на пути в 100 м. Несомненно, что усиление предварительной термической подготовки угольного пласта перед его газификацией, и, главное, образование большей площади фильтрационного поля через дутьевой коллектор, объединяющий 2—3 скважины, а не через отдельную дутьевую скважину, дали бы лучшие результаты. Такая подготовка пласта привела бы к более рассредоточенному по боковой поверхности дутьевому потоку, что способствовало бы значительному снижению сопротивления, уменьшению прогаров, сокращению активных зон и позволило бы полнее использовать для газификации уголь под землей.
Собственно, наиболее трудными техническими задачами подготовки угольного пласта к подземной газификации фильтрационным методом являются его осушение и термическая подготовка. От того, насколько удастся разрешить обе эти задачи, будет теперь зависеть и решение проблемы подземной газификации методом фильтрации.
Если месторождение топлива таково, что невозможно сравнительно простыми и недорогими методами добиться устранения притока влаги в панель в количестве, превышающем 200—300 г на 1 м3 сухого газа, то такое месторождение почти наверняка непригодно для эффективной организации п. г. у. Сушка топлива за счет тепла отходящих газов имеет смысл только при отмеченных сравнительно небольших количествах влаги, поступающей в газифицируемое топливо. Этот процесс в условиях метода фильтрации может быть совмещен с термической подготовкой угольного пласта
Как мы уже отмечали, в отношении организации термической подготовки топлива имеются два варианта метода фильтрации:
- с локальной подготовкой пласта, например, путем электро- и фильтрационной сбойки скважин;
- с общей термической подготовкой, например, посредством конвективного прогрева пласта горячими разами или путем электропрогрева всего или большей части топливного пласта.
Первый вариант, как мы показали, не позволяет эффективно организовать процесс п. г. у., второй же, позволяющий значительно повысить качество газа, трудно осуществим, так как до сих пор еще не осуществлен ни один метод общей термической подготовки намеченного для газификации пласта топлива.
Результаты работ ВНИИПодземгаза в 1957—1959 гг. показывают, что это направление, неоднократно предлагавшееся ЭНИН АН СССР, является наиболее перспективным.
Как показывают детальные расчеты, электротермическая подготовка всего пласта топлива, как правило, не будет экономически целесообразной. Общая и полная термическая подготовка угольного пласта особенно затруднительна, конечно, при газификации мощных пластов бурых углей и сланцев, так как в этом случае, как и при методе канала, вероятны большие потери топлива под землей за счет прогаров по верхней части пласта с завалом и изоляцией остального топлива от дутьевых потоков.
Тщательный анализ данных испытаний и эксплуатации подмосковной станции, а также п. г. у. методом фильтрации показывает, что существующая система работы станции не может быть основой для сколько-нибудь удовлетворительного решения проблемы п. г. у.
*Путем сбойки и соответствующего отбора газа в направлении невыгазованной части угольного пласта.
Необходимо найти практически приемлемый путь общей термической подготовки угля, устранить приток влаги в подземные газогенераторы и поднять температуру процесса горения.
Однако даже в самом лучшем случае трудно рассчитывать при п. г. у. подмосковных углей на высокие показатели общего энергетического к. п. д. процесса (т. е. высокую степень полезного использования разведанных запасов топлива. Само существо процесса газификации под землей таково, что при работе по методам, которые можно сейчас практически представить, нельзя рассчитывать на существенное устранение потерь несгоревшего топлива (в среднем ниже 30%) без резкого увеличения объема предварительных подготовительных работ. Если при этом учесть также неизбежные, хотя и меньшие, чем сейчас, потери газа под землей, а также неизбежно низкий (50—60%) коэффициент газификации (химический-тепловой к. и. д.), то будет ясно, что при учете больших расходов на собственные нужды п. г. у. повысить степень полезного использования месторождения угля сверх 20—30% почти невозможно. Метод фильтрации в принципе применим для газификации бурых углей и сланцев, а также, в некоторой степени, каменных углей, сильно растрескивающихся при нагревании, однако для большинства каменных углей он, вероятно, не может быть использован. При мощных пластах угля, а также при использовании каменных углей метод фильтрации, если его и удастся вообще осуществить путем специальной подготовки пласта, будет очень быстро превращаться в метод скважин, а затем и в метод потока.
Все эти мало утешительные выводы о возможности высокоэффективного разрешения проблемы и. г. т., базирующиеся главным образом на опыте работ в этой области и на теоретических исследованиях процесса газификации кокса и любого сорта твердого топлива, подтверждают необходимость выполнения научно-исследовательских работ для изыскания новых способов организации и управления п. г. т. методами потока и фильтрации, а также разработки новых, более перспективных методов подземной газификации с тем, чтобы прекратить бесполезное расходование огромных средств и уничтожение запасов топлива, фактически осуществляемое в настоящее время на промышленных станциях п. г. у.
