Глава VII
ВЫВОДЫ
Подземная газификация будет иметь серьезное значение лишь в том случае, если она позволит решить следующие задачи:
- освобождения рабочих от тяжелого подземного труда;
- добычи (использования) таких сортов топлив и таких угольных и сланцевых месторождений и пластов, которые обычными существующими методами использовать невозможно или экономически невыгодно;
- обеспечения экономически эффективного снабжения топливом энергетики и промышленности или хотя бы энергетики при достаточно полном, не меньшем, чем при существующих методах добычи, использовании разрабатываемых запасов топлива.
В свете решения этих трех или, по крайней мере, двух задач (при обязательном соблюдении условия экономической эффективности) и следует рассматривать пути разрешения и возможность внедрения в народное хозяйство подземной газификации топлива. Такая постановка проблемы п. г. т. практически исключает необходимость в разработке методов газификации месторождений, которые могут разрабатываться открытым способом, поскольку в последнем случае отсутствует тяжелый подземный труд, а экономически подземная газификация в самом лучшем случае, безусловно, не может конкурировать с открытой разработкой.
Для подземной газификации целесообразно использование только сравнительно глубоко залегающих углей и сланцев, добываемых шахтными, подземными методами.
В результате разработки проблемы подземной газификации должна быть обязательно решена также задача создания управляемого процесса с выдачей горючего газа, практически пригодного для эффективного применения в энергетике или промышленности с удовлетворительной степенью использования запасов разрабатываемого топлива.
Без решения этой задачи нельзя говорить о широком и крупном промышленном строительстве станций подземной газификации и следует ставить вопрос о правильной организации научно-исследовательских работ и крупных испытаний на двух-трех опытно-промышленных станциях подземной газификации с четкой исследовательской (отнюдь не промышленной) задачей. Для решения проблемы п. г. т. в первую очередь необходимы соответствующие теоретические и экспериментальные исследования.
Для того, чтобы наметить пути разработки проблемы подземной газификации углей, требуется достаточно ясно представить не только перспективное значение для народного хозяйства, но и современное состояние технической и научной разработки этой сложной проблемы.
Потребность в объективной оценке существующего положения в так называемой промышленности п. г. у. вытекает также и из того, что до последнего времени общественность получала неверную информацию по этому вопросу: так, неоднократно объявлялось о том, что проблема п. г. у. практически разрешена и что у нас якобы существует рентабельная промышленность подземной газификации.
Действительно, около 20 лет существует и работает в СССР подмосковная станция п. г. у. За этот период производительность станции увеличилась (по так называемому валовому газу) в десятки раз и достигла в 1955 г. 412 млн. нм3. Количество газа, «отпущенного на сторону», составило в в 1955 г. 376 млн. нм3, или, в пересчете на условное топливо, ~ 43 000 т в год. Качество получаемого газа за 18 лет практически не изменилось и, если учитывать, как это обычно делается, газ без H2S, то его теплотворность составляет 700—740 ккал нм3. В отдельные годы она поднималась почти до 780 и падала до 650 ккал/нм3, но никакой тенденции к увеличению теплотворности газа за 20 лет работы станции не наблюдается.
Из этого следует вывод, что качество газа, получаемого на подм. ст., пока не поддается регулировке и при существующих методах и применяемой технике не может быть сколько-нибудь существенно повышено. Между тем качество газа теплотворностью — 740 ккал/нм3 является исключительно плохим и только приближается к возможному пределу практического использования со сколько-нибудь заметной эффективностью. Все же этот газ может быть практически использован для энергетических целей с удовлетворительным энергетическим к. п. д., но производство такого газа и его неизбежный транспорт даже на весьма небольшие расстояния, в несколько километров, связаны с чрезвычайно высокими энергетическими расходами на собственные нужды и большими начальными капиталовложениями.
Какова же производительность подм. ст. по добытому из-под земли товарному топливу, которое можно отдать постороннему потребителю? Общий расход электроэнергии на производство и транспорт 1000 нм3 валового газа составляет около 97 кВт-ч. Таким образом, из 40 000 т усл. топл., отпускаемого станцией в виде газа (без H2S), ~ 20 000 т усл. топл. потребляется для производства электроэнергии, необходимой станции на собственные нужды, и, следовательно, общая мощность подм. ст. и. г. у. составляет примерно 20 000 т товарного условного топлива, добываемого в год в виде газа теплотворностью (без H2S) — 740 ккал/нм3. Вся добыча станции в 1955 и 1956 гг. составляет, следовательно, около 55 т усл. топл. в сутки, или, с учетом сероводорода, ~ 63 т усл. топл. На добыче этих 55 (63) т топлива и производстве некоторого количества побочной продукции (сера, гипосульфит) занято 519 чел., и на электростанции мощностью 7—8 тыс. кВт, обслуживающей подм. ст. п. г. у., занято 35 чел. Производительность труда составляет около 43 т усл. топл. в год на одного работника, или — 49 т усл. топл. в год с учетом производства побочной продукции. Таким образом, производительность труда на подм. ст. п. г. у. примерно в 3 раза меньше, чем при шахтной добыче подмосковного угля*.
*С учетом рабочих, занятых на траспорте угля потребителю и на производстве электроэнергии, необходимой для собственных нужд при шахтной добыче угля. Потери угля под землей, по данным ВНИИПодземгаза, составляют — 40%. Коэффициент газификации угля, по подсчетам ВНИИПодземгаза, составляет от 60 до 65%, в действительности же, как показывает расчет, он не превышает 60%, а следовательно, в потенциальное тепло газа переходит под землей только 36% потенциального тепла, находящегося в пласте угля. Примерно 28% газа (по данным ВНИИПодземгаза), получаемого при подземной газификации, теряется, так что в валовом газе содержится всего 25—27"о потенциального тепла промышленных запасов разрабатываемого угля.
Из получаемого валового газа около 50% расходуется станцией и. г. у. на собственные нужды, включая производство электроэнергии, так что на долю потребителя в этом случае приходится только около 13% промышленных запасов угля под землей.
При шахтных методах добычи подмосковного угля свыше 60—65% промышленных запасов угля разрабатываемого пласта доходит до потребителя (с учетом всех расходов, включая собственные нужды и транспорт).
Таким образом, использование промышленных запасов угля разрабатываемого месторождения при подземной газификации в 4—5 раз меньше, чем при его шахтной добыче.
Из 6,5 млн. т промышленных запасов угля, полностью израсходованных подмосковной станцией п. г. у. к 1956 г., в газ превращено только 0,7 млн. т, а полезно израсходовано и передано потребителям газа — 300 000 т угля, т. е. меньше 5% всех промышленных запасов подмосковного угля*.
Себестоимость топлива, добываемого методом п. г. у., весьма высока. Только зарплата составляет в себестоимости 1 т усл. топл., добываемого на станции п. г. у., около 250 руб. Исключая стоимость топлива (своего газа), электроэнергия, потребляемая при п. г. у., будет обходиться станции п. г. у. всего 1,5—2,0 коп. за 1 кВт-ч. В этих условиях фактическая себестоимость - 1 т усл. топл. (в соответствии с калькуляцией по отчету ВНИИПодземгаза по работе подм. ст. п. г. у. за 1955 г.) составит свыше 600 руб., или около 70 руб. за 1000 нм** газа.
Следовательно, себестоимость топлива на подм. ст. п. г. у. в 3—3,5 раза превышает себестоимость его при шахтной добыче угля в Подмосковном бассейне. Если учесть, что подмосковный уголь является одним из самых дорогих углей в СССР, то этот результат наглядно иллюстрирует экономическую нерентабельность станции п. г. у.
Одним из наиболее важных экономических показателей добычи топлива являются начальные капиталовложения, размер которых трудно подсчитать для подм. ст. По отчетным данным ВНИИПодземгаза, удельные капиталовложения на подм. ст. составляют свыше 2000 руб. на 1 т усл. топл. в год, а по другим данным — свыше 4000 руб. По данным проектов новых станций п. г. у., необоснованно рассчитанных на получение из подмосковного угля газа теплотворностью 900 ккал нм, удельные капиталовложения (при явно заниженном уровне) все же сильно превышают вложения на 1 т усл. топл. при шахтной добыче подмосковного угля.
Если исходить из данных работы подм. ст. п. г. у., то удельные капиталовложения в добычу топлива в несколько раз превышают удельные капиталовложения при шахтной добыче. А если учесть, что эти вложения настолько велики, что делают сейчас экономически невыгодным увеличение добычи подмосковного угля, то становится ясной неэкономичность подземной газификации подмосковных углей при существующей технике п. г. у. на подм. ст. и по этому важному показателю.
*Подмосковная станция и. г. у. при добыче 23 000 т усл. топл. в год расходует под землей около 175 000 т усл. топл. или более 400 тыс. т натурального подмосковного угля в год.
**При 9% амортизационных отчислении, как и для аналогичных производств.
При определении общих удельных капиталовложении в п. г. у. (так же как и в шахту) необходимо добавить капиталовложения в электростанцию для обеспечения собственных нужд. Следует отметить, что при работе электрической станции на газе п. г. у. (в условиях подм. ст.) половина мощности всей электрической станции будет расходоваться на собственные нужды станции, в то время как при шахтной добыче угля расход электроэнергии на эти нужды незначителен.
Таково фактическое положение с промышленностью подземной газификации на подм. ст., работающей около 20 лет.
На анализе работы этой станции мы остановились достаточно подробно потому, что это единственная станция, которая, хотя бы с внешней стороны, может производить впечатление промышленной станции п. г. у. Что касается другой промышленной станции п. г. у.— Лисичанской*, то эта станция. существующая более 10 лет, вообще не дает горючего газа на воздушном дутье и лишь при работе на обогащенном кислородом дутье (—30— 40%) вырабатывает газ теплотворностью около 800 ккал н.п3. Расход электроэнергии на производство 1000 м газа превышает (по отчету ВННППодземгаза) 330 кВт-ч, так что для получения этого количества электроэнергии не хватает получаемого станцией газа. Лисичанская станция не только не производит промышленной продукции — топлива, но и бесполезно сжигает уголь под землей и дополнительно расходует ежегодно на собственные нужды около 7000 т высококачественного донецкого угля.
Если подм. ст., на которой добывается ежегодно 20 000 т усл. топл., приносит стране прямой экономический убыток в — 10 млн. руб. в год, то Лисичанская станция, на которой не получают никакого товарного топлива, приносит прямой экономической убыток, равный почти всем ежегодным расходам станции. Производство газов при глубоком охлаждении на кислородной станции не следует смешивать с деятельностью станций п. г. у., так как они связаны лишь формально.
Имеется еще Южно-Абинская опытная панель п. г. у. в Кузнецком бассейне, но о ней как о промышленной станции, насколько известно, не говорят пока даже в Главподземгазе. Есть в работе этой станции одна положительная особенность — сравнительно высокое качество получавшегося на первом опытном участке генераторного газа. Следует подчеркнуть, однако, что в условиях этой панели на мощном многометровом пласте у г ля в самом начале работы, как показывает теоретический анализ, трудно было ожидать другого результата. Но вопрос состоит в том, как долго удастся поддерживать такой режим газификации пласта, а также в том, какую часть угольного пласта можно будет прогазифицировать и при каких технологических, энергетических и экономических показателях будет осуществляться при этом процесс п. г. у. Есть все основания ожидать, что даже и в этом, весьма благоприятном, случае энергетический к. п. д. будет невысоким, а экономические показатели, п. г. у. — плохими**.
Таково действительное положение с промышленностью и с техникой п. г. у. Из сказанного очевидно, что говорить о существовании какой-либо промышленности или даже освоенных (в промышленном отношении) практически пригодных методов п. г. у. нет никаких оснований, а следовательно, невозможно обосновывать и какое-либо крупное промышленное строительство станций п. г. у.
Существующие станции работают с весьма плохими экономическими показателями, и при существующих методах и способах п. г. у. отсутствуют ясные перспективы радикального изменения показателей работы подмосковной или Лисичанской станций, для чего (если это вообще возможно) необходимы повышение степени использования запасов топлива, повышение качества газа, снижение расхода электроэнергии на собственные нужды, снижение начальных капиталовложений, увеличение производительности труда и т. д.
Как показывает многолетний опыт работы подмосковной и Лисичанской станций п. г. у. качество получаемого, скорее не генераторного, а полутопочного, газа изменять при существующей технике почти не удается, а если газ и меняется, то по большей части это происходит помимо воли персонала, эксплуатирующего станцию. То же самое можно сказать и о других факторах, определяющих эффективность п. г. у. Снизить стоимость газа в 3— 4 раза на базе существующих приемов подземной газификации, в частности подмосковных углей*, практически невозможно. Необходима новая техника, новые методы, иные приемы и способы подземной газификации.
На вопрос о том, осуществимы ли эти факторы и возможно ли вообще создание рентабельной промышленности подземной газификации подмосковных и других углей, могут и должны дать ответ только результаты всесторонних научных, в том числе крупных опытных исследований, которые должны были уже давно быть проведены, но, к сожалению, до сих пор почти не велись в области п. г. у.
На основании существующего положения техники п. г. у. и теоретического анализа процесса газификации ясно, что проблема п. г. у. не только не разрешена, но и нельзя сейчас дать положительного ответа на вопрос, разрешима ли она вообще в ближайшие годы, потому что фактически отсутствуют наука о подземной газификации, т. е. изучение механизма процессов газификации, разработка теоретических методов расчета газообразования в различных условиях, разработка способов и приемов управления процессами, протекающими в подземных газогенераторах, в том числе с учетом горно-геологических и гидрогеологических условий.
Научной основой подземной газификации является теория горения и газификации кокса в условиях п. г. у.
Большое значение в области разработки теории горения углерода имеют работы советских и зарубежных ученых — А. С. Предводителева, Л. Н. Хитрина, В. И. Блинова, Л. Мейера, И. Сивонена, Б. В. Канторовича, Д. А. Франк-Каменецкого, О. А. Цухановой и других. К сожалению, значительно слабее изучены как у нас, так и за рубежом, процессы газификации, протекающие в восстановительной зоне. Реакции восстановления CO2 и H2О углеродом кокса с учетом изменения теплового режима реагирования в восстановительной зоне почти не исследовались.
Разработка вопросов теории горения и газификации кокса позволяет установить основные законы горения и на этой базе определить важнейшие факторы, от которых зависит успешная организация процесса газификации и, в частности, подземной газификации углей.
Основным фактором, определяющим организацию процесса горения углерода — обязательного первого или единственного этапа газификации, — является гидродинамика организации взаимодействия газового потока с реакционной поверхностью углерода кокса. Эта организация, от которой зависит метод сжигания и газификации топлива, определяет в значительной мере, при данном сорте топлива, как температурный режим и интенсивность процесса, так и характер газообразования и другие условия, от которых главным образом зависит конечный результат технической организации процесса газификации. Второй этап редукционной газификации, связанный с развитием восстановительных реакции, кроме гидродинамики, в значительной. а иногда и решающей степени зависит от кинетики реакции восстановления CO2 и H2О на контурной и внутренней поверхностях углерода и от ряда вторичных факторов, влияющих на тепловой режим кислородной и восстановительной зон.
Наземная газификация, как известно, может осуществляться по следующим основным методам: газификация твердого топлива в плотном слое, газификация в подвижном кипящем слое и газификация в газовзвеси (в факеле). Для подземной газификации характерными основными известными методами являются газификация в канале (так называемые методы потока и скважин), газификация методом фильтрации и естественны, скважин. Комбинированные методы, усложненные струйной подачей дутья, имеют главным образом теоретический интерес, так как их практическое осуществление пока что едва ли может быть экономически оправдано.
Практическое осуществление метода газификации в чистом, идеальном виде, особенно метода подземной газификации, дело трудное и часто не осуществимое, однако правильное его определение имеет большое принципиальное значение, так как оно позволяет целеустремленно добиваться, если возможно, наибольшего приближения практической технической организации процесса к идеальной организации выбранного метода газификации.
Работы по экспериментальному изучению процесса подземной газификации были начаты свыше 20 лет тому назад. Первым удачным опытом в природных условиях был опыт Горловской станции. Этот опыт имел большое положительное значение, потому что впервые доказал возможность практической осуществимости устойчивого длительного процесса получения газа в реальных подземных условиях. Однако результаты этого эксперимента были восприняты и оценены некоторыми работниками совершенно неправильно и послужили основой для абсолютно неверного утверждения о якобы имеющемся уже решении проблемы подземной газификации. Так, в резолюции, принятой 1-м научно-техническим совещанием по вопросам п. г. у. при Народном комиссариате тяжелой промышленности СССР в 1938 г., говорилось, что успехи, достигнутые в области подземной газификации, позволяют считать одной из основных задач 3-й пятилетки переход к освоению подземной газификации в крупных промышленных масштабах.
Таким образом, на основании в значительной мере случайного успеха опытов на Горловской станции 1 п. г. у. было решено этап чисто опытных работ по п. г. у. считать законченным и перейти к следующему этапу — к проектированию, строительству и эксплуатации станций промышленного масштаба. В дальнейшем линия строительства и «эксплуатации» «промышленных станций» п. г. у. последовательно проводилась руководством «Подземгаза» практически в продолжение всего периода с 1938 г. и проводится сейчас.
До 1938 г. глубоких, систематических научно-исследовательских работ по подземной газификации фактически не проводилось. В 1938 г. работы по изучению процесса и. г. у. были начаты по широкой программе в Академии наук СССР. В этот период (до 1941 г.) были намечены и начаты работы по созданию крупных стендов, моделей п. г. у., а также специальных экспериментальных (не эксплуатационных) панелей в природных условиях. Начаты были также экспериментальные лабораторные и теоретические исследования процесса п. г. у.
1 Работа Лисичанской станции показала, что успехи Горловской станции случайны и во всяком случае, что их причины недостаточно поняты.
После Великой Отечественной войны эти работы фактически не были возобновлены; снова вместо проведения всесторонних крупных исследовательских работ продолжались попытки Главподземгаза осуществить промышленную эксплуатацию станций п. г. у. Научно-исследовательские работы ставились почти исключительно лишь в порядке помощи промышленности п. г. у., а теоретические лабораторные работы и исследования на стендах (моделях) велись формально, от случая к случаю, в то время как для изучения процесса п. г. у. с исключительной настоятельностью требовалась систематическая и глубокая научно-исследовательская работа по единой широкой программе.
Для изучения процесса подземной газификации, для овладения ходом образования газа, для выяснения путей создания регулируемого и экономически эффективного процесса и, наконец, для создания науки о п. г. у. необходимо, кроме теоретических и лабораторных экспериментальных исследований, проводить параллельно также систематическое изучение процесса п. г. у. на экспериментальных укрупненных стендах (моделях) и на экспериментальных опытных панелях.
Процесс п. г. у. в природных условиях скрыт от непосредственного наблюдения и контроль за ним чрезвычайно затруднен, поэтому основным правильным методом изучения п. г. у. на экспериментальных опытных панелях, кроме всестороннего контроля при ведении опытов, является разведочное бурение и вскрытие подземных газогенераторов на различных этапах их работы.
Эта основная работа на опытных панелях п. г. у. до сих пор практически почти не велась, и в этом состоит коренной недостаток всей исследовательской работы на панелях в подземных условиях. В связи с тем, что работы по вскрытию подземных газогенераторов почти не проводились, мы по существу практически почти ничего не знаем о том, как идет в действительности процесс газификации, например, на подмосковной станции, не знаем даже, какие наблюдаются температуры процесса при газификации подмосковного угля под землей, не знаем, что происходит в пласте при так называемой сбойке, достоверно не знаем самых элементарных вещей, связанных с развитием процесса п. г. у. Идут непрерывные разговоры и бесплодные споры, строятся самые разнообразные догадки о процессе п. г. у. но на изучение процесса путем разведочного бурения и систематического вскрытия панелей не выделяется средств, которые, однако, находятся для бесперспективной так называемой промышленной эксплуатации, не приносящей в настоящее время ничего, кроме убытков народному хозяйству.
Кроме работы на экспериментальных панелях, изучение процесса п. г. у. под землей целесообразно проводить на оконтуренных герметизированных подземных газогенераторах *, включающих ограниченный участок газифицируемого угольного пласта, почвы и кровли. В этих условиях может проводиться подробное исследование соответствующим образом организованного и хорошо контролируемого процесса п. г. у. Такие работы могли бы дать исключительно ценные сведения о п. г. у. но, к сожалению, они также не проводились и почти не проводятся в настоящее время.
Важной формой исследований п. г. у. являются крупные экспериментальные стенды, так называемые «модели» п. г. у., в которых отдельные важные факторы могут быть изучены с достаточной степенью точности и полноты, однако для этого необходимо проведение (на различных стендах) систематических и многочисленных опытов. Эта работа также за все 20—25 лет истории и. г. у. носила чисто эпизодический, случайный характер и сколько-нибудь систематически не проводилась. Значительно больше за это время проведено исследовательских работ в лабораторных условиях и на различного рода лабораторных установках и моделях. К сожалению, однако, эти исследования также носили разрозненный характер и в большей части не только не завершали изучения какого-либо важного вопроса, но и не давали возможности проверять основные теоретические положения о процессах, протекающих даже в простейшем случае при подземной газификации углерода кокса твердых топлив.
В 1951 г. группой научных работников Академии наук СССР (А. Б. Чернышев, 3. Ф. Чуханов, Н. В. Лавров, И. Л. Фарберов, Р. Н. Питин), в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР, была выполнена работа, в которой на базе имевшихся к тому времени исследований была сделана попытка в какой-то приемлемой форме обобщить накопленный как авторами, так и другими специалистами материал по основам химической технологии п. г. у. Работа обсуждалась на широком совещании.
Эта попытка обобщения работ в области п. г. у. имела тогда, несомненно, положительное значение, но в то же время она наглядно показала недостаточность и отрывочность имевшихся экспериментальных исследований и невозможность довести расчет процесса п. г. у. даже для простейшей задачи по какому-либо методу газификации, до цифровых данных по газообразованию и тепловому режиму процесса п. г. у. В том случае, когда теоретический расчет можно было осуществить (например, расчет кислородной зоны в углеродном канале), его оказалось возможным сопоставить только с горением канала диаметром в 5 мм (!). Не было получено сколько- нибудь надежных данных даже о горении, не говоря уже о газификации углеродного или коксового канала (распределение кислорода и CO2 по длине канала) большего размера. Точно так же не был получен экспериментальный материал по тепловому режиму процесса газификации, что привело к значительному обесцениванию даже тех экспериментальных данных, которые имелись в результате изучения скорости отдельных реакций.
В монографии, изданной на основе указанной работы под названием «Научные основы химической технологии п. г. у.» [135], как в зеркале отразилось безрадостное положение науки о п. г. у.; книга продемонстрировала отрывочность проведенных исследований, отсутствие увязки между различными экспериментальными работами по тематике п. г. у. и практически почти полное отсутствие возможности сопоставления теоретических уравнений с опытными данными в связи с тем, что этих данных не было и до сих пор они не получены.
Внимательный анализ упомянутой монографии, а также работ, опубликованных в бюллетене «Подземная газификация углей», убеждает, что по изучению механизма процесса подземной газификации до сих пор сделано чрезвычайно мало и, что особенно плохо, сейчас очень мало делается. Удачные и хорошие работы выполнены, как правило, по частным вопросам. К сожалению, почти нет теоретических и экспериментальных работ о том, как можно получать генераторный, а не полутопочный или топочный газ при п. г. у., и как теоретически рассчитать процесс газообразования при различных условиях газификации, как влияет тепловой режим газификации и другие важные факторы на процесс газообразования. Нет исследований по кинетике процессов газообразования при п. г. у., отсутствуют даже сколько- нибудь серьезные попытки создания физико-химической теории п. г. у. и системы теоретического расчета процесса.
Часто специалисты, занятые научными исследованиями и практической работой в области п. г. у., ссылаются на то, что надежный теоретический расчет процесса газообразования даже для наземных газогенераторов отсутствует и, во всяком случае, недостаточно проверен, так что нечего говорить о таком расчете для подземной газификации. Однако этот аргумент едва ли можно признать состоятельным, так как доступность наблюдения и контроля за процессом в наземных газогенераторах все же позволяла работать и получать генераторный газ.
Двадцатипятилетний опыт эмпирических попыток решения проблемы п. г. у. убедительно подтверждает, что такое решение (если оно может быть получено) возможно только путем разработки в первую очередь научно обоснованного расчета газообразования и температурного режима в различных условиях п. г. у., путем создания научной системы управления процессом газификации.
Теоретическая разработка вопросов горения и газификации дает сейчас, как мы постарались показать в этой книге, возможность провести некоторые расчеты процесса газообразования как в плотном слое и методом фильтрации, так и в углеродном (коксовом) канале. Проверка результатов этих расчетов дает хорошее совпадение с имеющимися в литературе многочисленными исследованиями горения слоя кокса, а также горения углеродного канала размером от 4 до 16 мм. Теоретический расчет процесса как в кислородной, так и в восстановительной зонах подтверждается многочисленными достоверными опытными данными. Совершенно другая картина получается при сопоставлении результатов расчета с экспериментальными данными испытания моделей п. г. у. В этом случае наблюдается полное несоответствие отрывочных экспериментальных данных и теоретических кривых как по характеру, так и по длине кислородной зоны. Можно с большой вероятностью предполагать, что это результат влияния (в опытах на моделях) нестационарности процесса газификации угля (а не кокса), влияния горения летучих веществ, однако экспериментальных однозначных подтверждений или опровержений этих предположений в настоящее время нет.
Изучением газообразования в канале серьезно никто не занимался и не занимается сейчас, а между тем это основной вопрос подземной газификации каменных углей, так как организация только кислородной зоны требует большой длины канала, исчисляемой при диаметре канала 0,5 м минимально несколькими десятками метров (70—80 м). Еще хуже обстоит дело с зоной восстановления, которая при температурах горения — 1200—1400° растягивается на многие сотни метров, и даже для наиболее благоприятной высокой температуры горения ( — 2000°) для организации восстановительной зоны (с восстановлением только 75% исходной CO2) требуется дополнительная длина канала примерно в 150 м. При низких температурах горения (—1000—1100°), характерных для высокой влажности* топлива и пластов угля малой мощности, процесс редукционной газификации, т. е. восстановления CO2 и H2О в восстановительной зоне, в канале практически почти не протекает и не может дать при п. г. у. сколько-нибудь удовлетворительного состава газа.
Если судить по почти уникальным данным вскрытия Лисичанской панели, газификационный канал при работе по методу потока имел размер около 0,4—0,6 м. Таким образом, если теоретический расчет подтвердится опытом, то, учитывая, что газификационный канал при п. г. у. не целиком коксовый, а часть стенок его инертная, оказывается, что для получения генераторного газа общая протяженность промышленного подземного газогенератора (панели), работающего по методу канала, должна быть утроена (по сравнению с названной выше) и должна достичь не менее 600—700 м. Эти важные выводы требуют немедленной экспериментальной проверки и тщательного исследования.
Исследования горения и газификации углеродного канала необходимо проводить как на лабораторных стендах с углеродными трубами диаметром 50—200 мм, так и на стендах-моделях с коксовыми закладками реакционной углеродной поверхности. Процесс газификации по реакции CO2+С и особенно Η2Ο+С следует изучать как с газом, протекающим непосредственно в углеродном канале, гак и с CO2 и парами воды, фильтрующимися через стенки углеродного канала; такого типа исследования были в свое время начаты в ЭННН под руководством Предводителева.
Этот процесс газификации в макропорах углерода кокса безусловно протекает при п. г. у. в канале за счет летучих веществ и влаги, притекающих в газификационный канал из угольного пласта, но по-видимому, особенно сильно он развит при газификации методом фильтрации и естественных скважин, осуществляемом в искаженной форме на подм. ст. п. г. у.
На этой станции процесс, протекающий под землей, в настоящее время имеет весьма сложный характер. По составу получаемого газа этот процесс правильнее называть не процессом газификации, а полутопочным процессом. Возможности построения надежно обоснованной и вполне достоверной схемы процесса п. г. у. на подм. ст., изыскания путей ее доработки и превращения полутопочного процесса, если это вообще возможно, в газогенераторный, будут целиком зависеть от изучения этого процесса в лаборатории, на стендах и в подземных условиях на экспериментальных установках и панелях — опытных подземных газогенераторах, безусловно не связанных с программой промышленной эксплуатации.
Основным недостатком процесса п. г. у. в условиях подм. ст., кроме локальности термической подготовки угля, является низкотемпературный режим горения, связанный с большим количеством влаги, поступающей в кислородную и восстановительную зоны, и являющийся главной причиной отсутствия активной восстановительной зоны газификации; это и приводит к получению при п. г. у. на воздушном дутье полутопочного газа*. Горючие компоненты, получающиеся в газе, выходящем из панели, связаны, вероятно, в условиях п. г. у. главным образом с разложением летучих веществ в период фильтрации их из угольного целика в область растрескавшегося угля и естественных скважин, образующихся при выгорании трещин в угольном целике с восстановлением паров влаги.
Только разведочное бурение на выгазовываемую площадь угля и систематические вскрытия панелей, а также создание экспериментальных установок (герметизированных участков целика и породы) под землей, наряду с систематическими исследованиями на стендах, могут указать пути, если они существуют, резкого улучшения процесса, превращения его в газогенераторный процесс и снижения потерь топлива и газа под землей или пути создания новых, высокоэффективных методов подземной газификации.
1 Схема так называемого смешанного, полуограниченного (комбинированного) воспламенения топлива аналогична схеме работы топки с цепной решеткой.
Не вдаваясь в детали этого вопроса, необходимо указать, что переход газификации на прямой процесс в условиях работы подм. ст. практически осуществить достаточно трудно в связи с закупоркой при фильтрации газа начальных пор и трещин в пласте смоляными продуктами, получающимися в результате термической переработки угля, и пылью. Для этого перехода, вероятно, придется кардинально изменить систему организации процесса п. г. у. путем изменения направления газовых потоков для общей термической подготовки всего пласта, в том числе путем создания дутьевых и газовых коллекторов электросбойкой и фильтрационной сбойкой двух или трех дутьевых скважин между собой и газоприемных скважин между собой. В этих условиях процесс газификации в принципе должен улучшиться. Вследствие развитости поверхности активной фильтрации и невозможности превращения трещин и мелких естественных скважин в крупные каналы, являющиеся для этого метода газификации прогарами, теплотворность газа, вероятно, удастся повысить даже и при обращенном процессе. Возможно, что при соответствующей организации процесса удастся осуществить, хотя бы и не в полной мере, прямой процесс, сохраняя в газе часть летучих веществ топлива. Трудности осуществления прямого процесса сильно усугубляются, однако, тем обстоятельством, что оседание запыленных смоляных продуктов вблизи устья или в самой газоотводящей скважине будет резко ухудшать эвакуацию газа из подземного газогенератора.
Несомненно, что в полной мере организовать прямой процесс и получить ценные жидкие и газообразные продукты термической переработки топлива в условиях п. г. у. невозможно, и это также является ее серьезным недостатком, исключающим комплексное использование топлива, что не позволит использовать в будущем ценные ресурсы — продукты термической переработки твердого топлива.
Одним из наиболее важных вопросов улучшения работы подземных газогенераторов является повышение температуры горения при п. г. у., так как это, в соответствии с подробным анализом, коренным образом меняет энергетический к. п. д. и условия работы восстановительной зоны — основной рабочей зоны газификации в подземном газогенераторе.
Необходимо прежде всего определить, какие температуры существуют в условиях работы на подмосковной и других станциях п. г. у., и в соответствии с этим решать вопрос о путях и конкретных способах повышения их. При этом следует иметь в виду, что плавление шлака в некоторых случаях может привести к отрицательному эффекту (к неполному использованию угля), и поэтому увеличение температуры должно учитывать специфику топлива и месторождения.
Так как одним из основных факторов, снижающих температуру горения, является влага, то можно предполагать, что высоковлажные топлива и пласты, в которых нельзя исключить приток значительных количеств влаги (примерно свыше 200—300 г нм3 сухого газа) в газификационный канал, безусловно непригодны для подземной газификации. Весьма благоприятными для увеличения температуры могли бы быть подогрев дутья и повышение концентрации кислорода в нем. Однако, к сожалению, использование этих факторов, учитывая гидрогеологические условия п. г. у., едва ли будет целесообразным с экономической и энергетической точек зрения. Тем не менее анализ этих способов повышения температуры горения с учетом данных о механизме процесса газификации может представить в некоторых случаях практический интерес.
На основании теоретического анализа процесса газификации углерода и сопутствующих ему второстепенных процессов можно определить программу научных исследований, которые позволят создать несуществующую в настоящее время науку о подземной газификации топлив. Основной задачей в области разработки проблемы подземной газификации твердых топлив является систематическая разработка научных вопросов п. г. у. и постановка соответствующих глубоких исследований и экспериментальных лабораторных, стендовых и опытно-промышленных работ.
Таким образом, на основании всего изложенного нами можно сделать следующие выводы о состоянии науки и техники п. г. у.
1. Проблема п. г. у. до сих пор не разрешена, а главное неизвестно, может ли она с достаточной экономической эффективностью вообще быть разрешена в ближайшее время.
Научно-техническая разработка проблемы п. г. у. до сих пор является неудовлетворительной. Не существует никакой промышленности подземной газификации в обычном понимании этого слова и нет никаких основании для строительства промышленных станций п. г. у. На существующих так называемых промышленных станциях — подмосковной и Лисичанской — не имеется производственного процесса, который мог бы служить базой для создания экономически передовой техники добычи топлива. Эксплуатация этих станций убыточна и не помогает решению необходимых исследовательских задач. Очевидно, что при той технике и методах, которые применяются на этих станциях, деятельность последних абсолютно бесперспективная в экономическом отношении и не может служить базой для создания крупных станций подобного типа.
Можно ли сейчас сказать, что проблема подземной газификации будет в ближайшее время успешно разрешена в техническом и экономическом отношении? Направление работ в области п. г. у. в течение более чем 20 лет было в основной своей части неправильным, поэтому имеющиеся материалы опытных и научных исследований еще не позволяют ответить на этот кардинальный вопрос.
- Решение проблемы п. г. у. может, вероятно, позволить в некоторых случаях создать эффективный метод добычи угля, освобождающий от тяжелого подземного труда при шахтной добыче энергетических углей, и поэтому разработку проблемы необходимо продолжать, радикально изменив, однако, в соответствии со сказанным выше, направление основных работ в области п. г. т. Академия наук СССР совместно с Главгазом должна составить новый, конкретный план разработки проблемы. Необходимо прекратить расходование колоссальных народных средств на строительство и эксплуатацию так называемых «промышленных станций» п. г. у. Кроме того, необходимо правильно понять место и значение проблемы п. г. т. как одного из способов добычи только некоторых месторождений твердых топлив.
- Даже при благоприятном разрешении задачи создания управляемого процесса п. г. т. для подземной газификации не пригодны следующие месторождения и пласты:
- глубокозалегающие угольные пласты, так как для их газификации потребуются при бесшахтной подготовке многочисленные глубокие скважины, а следовательно, недопустимо большие капиталовложения;
- маломощные пласты, так как вследствие больших теплопотерь и удельных начальных капиталовложений газификация их будет неэкономична;
- сильно обводненные и недренируемые месторождения топлив, из-за низкого теплового (химического) к. п. д. газификации;
- мощные пласты угля — в связи с неизбежными весьма большими потерями угля под землей.
Если при этом учесть, что все месторождения топлива, пригодные для эффективной открытой добычи, также не будут подвергаться подземной газификации, то очевидно, что месторождений твердых топлив, пригодных даже в перспективе для подземной газификации, будет не так уж много.
- Нет никаких оснований ожидать в результате разработки проблемы п. г. т. какого-либо переворота в области добычи твердых топлив. П. г. т. при самых благоприятных результатах научно-исследовательских работ не может быть генеральной линией развития техники добычи топлива.
- Решение сложной проблемы подземной газификации топлив, имеющей перспективы практического применения для некоторых месторождений твердых горючих ископаемых, мыслимо только путем глубокой ее научной разработки. Проблема п. г. т. может быть реально решена только в результате создания науки о подземной газификации топлив.
