I. ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ И ПРОБЛЕМА ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТОПЛИВ
Глава I
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТОПЛИВ
1. ВВЕДЕНИЕ
Крупные работы по разработке и осуществлению подземной газификации углей в природных условиях впервые были начаты в нашей стране.
В 1925 г. проф. Б. И. Бокий первый предложил конкретную схему организации процесса подземной газификации угольного пласта в канале, образованном из окружающих пласт пород и недробленого угольного целика.
В 1928 г. инженером И. П. Кириченко была предложена схема подземной газификации с искусственным дроблением угля, т. е. схема создания под землей слоевого газогенератора, аналогичного обычному наземному. Практическое испытание этой схемы, проведенное в Лисичанске в 1933 г., не дало положительных результатов.
В 1934 г. группой инженеров Донецкого углехимического института (В. А. Матвеевым, П. В. Скафа и др.) была предложена схема подземной газификации угольного целика, в принципе аналогичная схеме проф. Б. И. Бокия, но с другой конструктивной организацией газифицируемого канала. Схема эта широко известна в литературе под названием подземной газификации методом потока.
В 1934 г. инженеры И. П. Кириченко и В. С. Тон предложили использовать метод скважин, согласно которому, как и при методе потока, предполагалось проводить п. г. у. в угольном канале. Испытание этого метода в принципе дало положительные результаты.
В 1935 г. в Горловке впервые испытали подземную угольную панель (подземный газогенератор), оформленную по методу потока (рис. 1). По предложению авторов работа этой панели была организована следующим образом: искусственно разожженный в штреке угольный пласт газифицировался в канале за счет дутья, подававшегося через шурф и гезенк. Газ, образовывавшийся в канале, выводился через другие гезенк и шурф. Более или менее постоянное сечение свободного канала поддерживалось путем систематического обрушения кровли в выгазованное пространство. При наклонном положении угольного пласта обрушение не должно было вести к полному завалу начального канала, что обеспечивало поддержание свободного канала газификации в продолжение всего периода работы газогенератора.
Рис. 1. Схема подземного газогенератора, работающего по методу потока
Испытание горловской панели подземного газогенератора дало положительные результаты: «первые длительное врем.ч протекал достаточно устойчивый процесс подземной газификации с получением горючего газа удовлетворительного качества. Однако процесс получения газа на этом первом подземном газогенераторе остался невыясненным.
Аналогичные испытания, проведенные в Лисичанске и на Ленинско-Кузнецкой опытной станции, не дали столь устойчивого процесса, на что не было в то время обращено достаточного внимания.
Достигнутый в Горловке успех к сожалению вскружил головы некоторым инженерам, у которых появилась по существу ни на чем не основанная уверенность в том, что все принципиальные вопросы разрешены, что нет необходимости в лабораторной и теоретической исследовательской работе по изучению процесса, а также в опытном экспериментальном моделировании, и что следует немедленно приступить к строительству крупных промышленных станций подземной газификации углей различных месторождений. Руководство «Подземгаза» даже 20 лет назад (в 1938—1940 гг.) считало важной только разработку направленного бурения, методов сбойки скважин и методов использования газа п. г. у., т. е. по существу второстепенные работы, непосредственно не связанные с освоением процесса п. г. у. Программа дальнейших работ, на основании решений первого Всесоюзного совещания по п. г. у., была сформулирована в книге Г. О. Нусинова [1], вышедшей в 1940—1941 гг. под редакцией инженера В. А. Матвеева (руководителя треста) и с рекомендацией треста «Подземгаз», согласно которой в связи с успехом горловской станции и «успехом» других опытов было решено этап чисто опытных работ по подземной газификации углей считать законченным и сочтено возможным перейти к следующему этапу — к проектированию, строительству и эксплуатации станций промышленного масштаба.
Такое решение было серьезной принципиальной ошибкой, которая, к сожалению, не исправлена в значительной мере и до настоящего времени. В результате этой ошибки сегодня в области практического применения и освоения метода потока объективно существует худшее положение, чем на горловской станции 20 лет назад.
В 1938 г. приступили к научно-исследовательским работам в области подземной газификации институты Академии наук СССР. Группа физиков, физико-химиков и технологов Энергетического института АН СССР (ЭНИН) — специалистов в области горения и газификации твердых топлив — поставила ряд специальных теоретических и лабораторных исследований.
Рис. 2. Схема подземного газогенератора, работающего по методу фильтрации (при параллельном расположении скважин):
а — вертикальный разрез; б — горизонтальный
На основании работ советских и зарубежных ученых по теории горения и газификации и анализа опыта практической работы по подземной газификации был теоретически обоснован, разработан и предложен так называемый фильтрационный метод (точнее метод фильтрации и естественных скважин) подземной газификации, пригодный в принципе в первую очередь для газификации бурых углей и горючих сланцев. Новый метод базировался на газификации топливного целика воздухом, фильтрующимся через растрескивающийся при нагреве угольный целик и проходящим по разгорающимся трещинам — естественным скважинам.
Предложения об использовании природной проницаемости углей для п. г. у. имелись и до работ Энергетического института АН СССР. Метод, разработанный ЭНИН, предусматривал, в отличие от ранее предложенных схем, не продувание почти непроницаемого угольного целика, а специальную организацию (при подготовке и газификации) трещиноватости и повышенной проницаемости угля в целике путем термического воздействия очага горения и горячего газа на свежий угольный целик. Эта схема впервые была экспериментально проверена в лабораторных условиях в 1938 г. в ЭНИН.
Первые же опыты на моделях показали высокую газопроницаемость термически подготовленного угольного целика, почти непроницаемого в натуральном виде.
Одновременно были разработаны практические схемы организации фильтрационного метода и продолжены лабораторные испытания и исследования газификации целика подмосковного угля этим методом.
Работа подземного газогенератора по методу фильтрации и естественных скважин ясна из рис. 2. Через одну скважину подается дутье, которое, проходя (фильтруясь) через растрескавшийся угольный целик, превращается в генераторный газ, выходящий из угольного пласта через другую газоотводную скважину.
Подготовка угольного или сланцевого пласта к подземной газификации по методу фильтрации при применении прямого процесса газификации сводится к прогреву части панели (локальная термическая подготовка) или всей газифицируемой панели (общая термическая подготовка) твердого топлива за счет очага горения, главным образом за счет горячих газов, фильтрующихся через подготавливаемый топливный целик.
Одна из схем организации фильтрационной панели изображена на рис. 2, б. Дутье подается через скважины I ряда, сбитые, соединенные между собой (по две или по три). Основная часть газа принимается во II и III рядах, так что газификации подвергается угольный пласт, расположенный между ними. Часть горячего газа принимается также в IV и V рядах скважин, так что угольные пласты, расположенные между II—IV и III—V рядами, проходят термическую подготовку для последующей газификации. При этом почти полностью исключаются утечки газа вдоль угольного пласта.
Очевидно, что очаг горения в этой схеме может быть как у I ряда скважин, так и у II и III рядов.
В случае обращенного процесса п. г. у. первым этапом работы является продвижение очага от газовых скважин, на которых произведен розжиг газогенератора, к дутьевым. При этом газовые скважины объединены под землей в несколько коллекторов.
Наряду со схемой, изображенной на рис. 2, б, были тогда же рассмотрены и другие варианты практической организации фильтрационного метода п. г. у.
В конце 1939 г. в Академии наук СССР был выполнен технический проект опытной фильтрационной панели — подземного газогенератора.
Следует отметить, что почти одновременно идея использования газопроницаемости растрескивающегося газифицируемого подмосковного угля для целей п. г. у. была выдвинута и работниками подмосковной и других станций подземной газификации в связи с усиленной творческой работой многих инженеров и научных работников по изысканию новых путей практического осуществления подземной газификации. Уже в начале 1939 г. сотрудники Академии наук СССР предложили ориентировать строившуюся в то время подмосковную станцию п. г. у. на работу по методу фильтрации, так как были все основания полагать, что метод потока, на работу по которому она была рассчитана, непригоден для газификации подмосковных углей.
Пуск и работа подмосковной станции в 1940 г. полностью подтвердили эти теоретические соображения. Подмосковная станция по методу потока не пошла, так как в условиях горизонтальных и полого падающих пластов многозольного угля практически невозможно поддерживать непрерывно свободный канал. Работа же по методу потока или методу скважин без организованного свободного канала газификации противоречит существу этих методов.
Подземная газификация на подмосковной станции в 1940 г. была пущена, как это в свое время отмечали и работники «Подземгаза», только в результате применения метода фильтрации.
*Т. е. процесс горения и газификации может быть как прямым, так и обращенным (с ограниченным или неограниченным воспламенением).
Комиссия по проблеме подземной газификации при АН СССР на заседании от 10 мая 1946 г. рассматривала вопрос подземной газификации подмосковных углей и в ее решении было записано следующее.
- Отметить, что экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в Энергетическом институте по разработке бесшахтного фильтрационного метода подземной газификации углей, позволили перейти к практическому внедрению метода на подмосковной станции.
2 Четырехлетний опыт работы подмосковной станции Главгазотоппрома доказал осуществимость бестахтного фильтрационного метода подземной газификации углей.
3. Отметить, что на подмосковной станции Главгазтоппрома за время ее эксплуатации осуществлена в массовом масштабе фильтрационная сбойка скважин и имеет место бесперебойное получение промышленного газа с низшей теплотворностью 800—900 кал/м" (на воздушном дутье).
Эту выписку из протокола мы приводим для того, чтобы подчеркнуть, что подмосковная станция получает газ не по методу потока, как это пытаются представить некоторые работники п. г. у., а по резко отличному от него комбинированному методу фильтрации и естественных скважин (еще плохо освоенному и почти не управляемому).
Путаница в этом вопросе, как мы постараемся показать в дальнейшем, серьезно мешает созданию научных основ и разработке всей проблемы подземной газификации углей.
В условиях работы подмосковной станции фильтрация в настоящее время организуется стихийно и не отвечает наивыгоднейшей системе газификации. Работа станции далеко не соответствует идеальной схеме метода фильтрации и еще более далека от схемы, характерной для метода потока.
