3. ОЦЕНКА ПРИГОДНОСТИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТОПЛИВ
Чтобы читатель мог яснее представить себе большое значение как химического принципа, так и метода подземной газификации для практического осуществления п. г. у., кратко остановимся на анализе вполне очевидных особенностей получения газа под землей.
Задачей п. г. у. в промышленных условиях, как мы отмечали, является превращение не менее 40—60% потенциального тепла промышленных запасов твердого топлива в потенциальное тепло товарного горючего газа с максимальной теплотворностью, полученного при минимальных эксплуатационных расходах и высокой экономической эффективности производства этого газа.
Каким же путем происходит и. г. у. и какие процессы и внешние условия оказывают решающее влияние на успешное выполнение поставленной задачи?
Очевидно, что первый этап решения задачи должен предусматривать наиболее полный расход кислорода дутья для взаимодействия с топливом, т. е. создание устойчивого горения на заданном по размерам участке угольного (топливного) пласта. В связи с тем, что основным химическим принципом работы подземных газогенераторов является редукционный принцип газификации, необходима максимально высокая температура сжигания топлива, при которой реакции образования горючего газа в восстановительной зоне протекают с максимальной полнотой и скоростью. Для успешного хода реакции газификации следует обеспечить соответствующий контакт горячего дымового газа, выходящего из зоны горения, с раскаленной поверхностью кокса. Наконец, все эти условия должны быть выполнены при сравнительно небольших (не более 1—1,5 ати) потерях напора дутья, подаваемого для газификации, иначе для восполнения энергетических расходов на компрессию дутья будет расходоваться значительная часть получаемого газа.
Таким образом, требуется, чтобы дутье, поступающее в угольный пласт при и. г. у., прежде всего полностью прореагировало с раскаленным топливом с образованием дымовых газов, нагретых до возможно более высокой температуры, и чтобы затем эти газы вступили в контакт с раскаленным
коксом и реагировали с ним с образованием горючих газов СО и H2. Весь этот процесс должен протекать при участии в реакции большей части имеющегося в подземном газогенераторе топлива.
В условиях работы наземных газогенераторов такой процесс организуют путем равномерного распределения дутья, подаваемого в горящий слой кускового топлива. Однако даже в этом случае почти всегда наблюдаются прогары слоя, т. е. более быстрое боковое (местное) выгорание части топлива, проскок большой массы дутья в прогар, и, в результате получение значительного количества неиспользованного в газогенераторе топлива и резкое ухудшение состава газа. Для устранения прогаров газифицируемого слоя топлива в наземных газогенераторах применяют периодическую или непрерывную шуровку слоя; одновременно используют отсеянный от мелочи кусковой уголь. Эти мероприятия позволяют равномерно выжигать топливо в зоне горения и получать горючий газ в зоне восстановления газогенератора без значительных потерь топлива от «недожога».
Очевидно, нас должны интересовать средства, при помощи которых можно заменить «шуровку» топлива, применяемую в наземных доступных слоевых газогенераторах, и исключить прогары и большой «недожог» топлива при п. г. у. В дальнейшем мы рассмотрим вопросы регулировки процесса п. г. у. более подробно, здесь же остановимся главным образом на качественной оценке трудностей организации управляемого процесса газификации под землей.
Прежде всего необходимо указать на то, что подземная газификация вообще не может быть достигнута при высокой влажности топлива или большом притоке влаги в подземный газогенератор. Теоретически и практически успешная газификация топлив, содержащих свыше 80% влаги, невозможна даже при небольших потерях тепла; газификация топлива невозможна также и в том случае, когда величина механического притока влаги в подземный газогенератор эквивалентна указанным размерам влажности или превышает их. Следует подчеркнуть, что фактическая предельная влажность или эквивалентный приток влаги в активную зону газификации значительно ниже 80%, так как при п. г. у., как правило, примерно 50% угля, а иногда и больше остается несгоревшим (неиспользованным) под землей, в то время как почти вся влага угля при газификации испаряется и тем самым исключает возможность успешной газификации угля даже при влажности топлива порядка 50—60%. Учитывая сказанное, очевидно, что подземная газификация торфа, землистых бурых и других углей с относительной влажностью (с учетом притока влаги) более 55—60% вообще практически невозможна, даже при удачном решении технологической части проблемы п. г. у. (и при использовании для испарения влаги физического тепла отходящих газов). В случае поступления непропорционально большого количества воды непосредственно в кислородную зону газогенератора процесс газификации будет неосуществим даже при значительно меньшей, чем 60% относительной влажности топлива.
Таким образом, только на основании анализа теплового баланса процесса п. г. у. и определения химического принципа газификации мы приходим к выводу о том, что очень большая группа месторождений топлива (влажных и обводненных) совершенно непригодна для п. г. у. на воздушном дутье. Необходимо отметить, что и для ряда обводненных' месторождений с меньшим средним удельным притоком воды п. г. у. может оказаться неосуществимой в связи с возможным накоплением влаги в выгазованной части пласта и попаданием ее с дутьем в зону газификации, в связи с чем также будет нарушен процесс.
Естественно, что для оценки пригодности месторождения для п. г. у. исключительно большое значение имеет гидрогеологическая характеристика предназначенного к использованию топлива.
Ко второй группе месторождений, исключаемых из топливных ресурсов п. г. у. на основе анализа тепловых характеристик, относятся маломощные пласты, которые с народнохозяйственной точки зрения было бы особенно целесообразно разрабатывать этим способом. Подземная газификация маломощных пластов топлива не позволяет получить высокую интенсивность процесса в расчете на квадратный метр площади кровли и почвы подземного газогенератора. Вследствие роста удельной поверхности (на единицу топлива при п. г. у.), угольные пласты мощностью порядка 10—30 см (в зависимости от характера почвы и кровли) непригодны для подземной газификации даже при положительном разрешении технологической части проблемы. Эффективность использования такого рода пластов низка также потому, что при прочих равных условиях в этом случае сильно возрастают начальные удельные капиталовложения.
Для выявления месторождений топлива, могущих успешно разрабатываться методом п. г. у. в случае решения этой проблемы, рассмотрим схему процесса газификации методами канала и фильтрации. При газификации методом канала дутье, подаваемое в угольный пласт, проходит через канал, стенки которого полностью или частично представляют собой раскаленную коксовую (углеродную) поверхность, реагирующую с кислородом дутья, а также с CO2 и водяным паром. Чем больше размер канала «газификации», тем он должен быть длиннее для того, чтобы в нем «поместились» кислородная и восстановительная зоны, т. е. успешно осуществлялось превращение твердого топлива в горючий газ. Наличие канала со средним гидравлическим диаметром более одного метра вообще исключает возможность успешной газификации топлива, так как при этом активные зоны подземной газификации растягиваются на сотни метров и даже на километры и вероятность обрушений породы, перекрывающей канал газификации, становится достаточно большой, что практически не позволяет вести устойчивый стационарный процесс газификации; потери тепла в окружающие породы также при этом сильно увеличиваются.
Очевидно, что на практике в большинстве случаев поддержание свободного канала по всей длине панели при увеличении его размера сильно затрудняется из-за неустойчивости «потолка» канала, вызываемой давлением вышележащих слоев топлива и породы. Анализ соответствующих опытных данных дает основания предполагать, что при п. г. у. наиболее выгодно поддерживать канал газификации размером 0,3—0,6 м. Вскрытие участков газификации каменного угля указывало, по-видимому, на полную возможность образования и поддержания в определенных условиях такого канала. Сильные местные сужения канала (на различных участках), которым обычно приписывают большую положительную роль при подземной газификации, действительно могут иногда оказывать интенсифицирующее влияние на процесс. Однако в связи с нерегулируемостью образования этих сужений и их ликвидации обеспечение стационарного управляемого процесса п. г. у. в этом случае мало вероятно. Образование резких местных сужений газифицируемого канала неизбежно приводит к большим колебаниям гидравлического сопротивления панели и ее производительности по дутью и газу.
В промышленных условиях возможно только комплексное применение нескольких таких газогенераторов с тем, чтобы в период завала одного из них получать газ от другого, а в первом проводить прожог завала. Промышленная добыча угля по методу подземной газификации в этих условиях возможна лишь в том случае, если исключены другие способы добычи и если это экономически целесообразно. Очевидно, что при такой работе станций п. г. у. процесс будет неуправляемым и работники станции будут вынуждены так или иначе к нему приспосабливаться. В случае полного завала канала газификации породой восстановить работу панели довольно трудно, так как движение дутья но трещинам кокса на границе породы и топлива идет крайне медленно в связи с незначительным количеством этих трещин и их большим гидравлическим сопротивлением.
Если принять во внимание все сказанное выше, то становится очевидным, что при п. г. у. по методу канала желательно на протяжении всего газификационного «газохода» поддерживать более или менее постоянный и сравнительно небольшой (от 0,2 до 0,5 м) свободный канал с коксовыми раскаленными стенками. Проще всего это может быть осуществлено при горизонтальном расположении оси канала в сравнительно крутопадающих пластах мощностью от 0,4—0,5 м до 1,0—1,5 м. При газификации пластов с малым углом падения и горизонтальных создание и поддержание свободного канала газификации, обеспечивающего выгазовывание значительной части топлива, вообще неосуществимо и поэтому подземная газификация таких пластов по методу канала (методы потока и скважин) невозможна.
При прочной кровле над угольным пластом вероятно образование газификационного канала большого сечения; очевидно, в этом случае процесс п. г. у. также нарушается и требуется искусственное поддержание заданного небольшого сечения канала.
На первый взгляд может показаться, что п. г. у. по методу канала лучше всего практически осуществлять в мощных пластах угля, где все стенки канала почти всегда будут активными коксовыми. К сожалению, это мнение является в корне ошибочным. Действительно, в первый нестационарный период времени газификация в канале, проходящем в мощном угольном пласте, должна протекать хорошо, поскольку все стенки канала газификации образуются из активного кокса, и особенно потому, что газ, получаемый в канале, непрерывно обогащается летучими веществами, выделившимися из угля соседних участков прогреваемого угольного пласта. По мере развития процесса приток летучих веществ из негазифицируемой части угля будет сокращаться и состав газа ухудшаться. Такая картина, как известно, и наблюдалась на опытной панели п. г. у. на мощном угольном пласте в Кузбассе. Однако не этот фактор является решающим при газификации мощных угольных пластов методом канала. Невозможность практически приемлемой подземной газификации таких пластов по методу канала объясняется тем, что в этом случае неизбежны потери топлива под землей, превышающие 50—70% его промышленных запасов.
Эти потери, как мы покажем, неизбежны потому, что канал газификации, имеющий при нормальной работе сравнительно небольшое сечение, не может охватить всей мощности (по толщине) пласта и, следовательно, будет выгазовывать только ограниченную часть пласта. Нет никаких методов, которые позволили бы по заданному режиму перемещать очаг горения и канал газификации вверх или вниз по толщине пласта с постепенным смещением вдоль используемого угольного массива.
Следует здесь же отметить, что мощные угольные пласты не могут быть освоены и другими известными сейчас методами п. г. у., включая метод фильтрации и комбинированный метод фильтрации и естественных скважин.
Для подземной газификации угля по методу фильтрации, как мы указывали, приемлемы только термически неустойчивые топлива (преимущественно бурые угли и сланцы), образующие частые газопроницаемые трещины при нагревании целика. Каменные угли, как правило, газифицировать по этому методу нельзя.
Так как процесс подземной газификации должен протекать при высокой температуре, то поведение золы имеет вообще существенное значение, однако оно особенно важно в случае применения метода фильтрации, протекающего обычно с образованием естественных скважин.
При газификации в канале образующийся жидкий шлак отрицательно влияет лишь при работе на горизонтальных и пологих или мощных угольных пластах. В этих случаях заливающий часть поверхности топлива шлак изолирует топливо от дутья и тем самым резко увеличивает его потери под землей. При газификации по методу фильтрации и естественных скважин шлак и зола способствуют уменьшению полноты выгазовывания запаса угля в пласте любого месторождения. По этой причине подземная газификация многозольных топлив почти всех видов неизбежно связана с низким энергетическим к. п. д.; исключение составляют лишь топлива типа сланца, в которых при термическом разложении основная часть потенциального тепла переходит в летучие вещества.
При локальной термической подготовке топливного пласта и газификации по методу фильтрации также будут неизбежно наблюдаться большие потери топлива под землей, даже при наиболее благоприятных (по мощности пласта) условиях. Потери топлива здесь будут вызваны тем, что с образованием местных «естественных» скважин на локальных термически подготавливаемых участках пласта возникают ярко выраженные «газоходы», в которые устремляется основной поток дутья, подаваемого в скважину. Отдельные, сравнительно большие, участки пласта («островки») остаются при этом «холодными» и практически почти не используются. Эти «механические» потери топлива в принципе могут быть заметно снижены, если перейти к общей термической подготовке газифицируемого угольного пласта. Однако в связи с тем, что процесс п. г. у. требует, как правило, весьма большой реакционной поверхности топлива, некоторые потери топлива в отмеченных выше «островках» неизбежны даже при общей термической подготовке пласта топлива. По этой же причине мало вероятна и возможность использования при п. г. у. так называемых «непромышленных запасов топлива». Частичная эксплуатация этих запасов возможна главным образом путем использования летучих веществ той части топлива, которая, нагреваясь до 400—600 С, остается непрогазифицированной в описанных «островках» пласта.
Изучение процессов, с которыми связана п. г. у., безусловно, позволит улучшить показатели подземной газификации и снизить потери топлива под землей, а тем самым и повысить эффективность этого способа освоения топлив; однако в настоящее время при существующем уровне п. г. у. это практически невозможно.
При решении проблемы в будущем некоторые месторождения топлив, по-видимому, можно будет эффективно разрабатывать путем подземной газификации, однако и тогда п. г. у. не будет экономически выгодна и не сможет применяться на месторождениях, залегающих на глубине свыше 100—250 м, высоковлажных и недренируемых, на пластах мощностью свыше 2—3 м и на маломощных пластах до 0,3—0,4 м, горизонтально залегающих каменноугольных, многозольных, а также «разорванных» угольных пластах и некоторых других. Безусловно, п. г. у. не применима по всем, в первую очередь по экономическим, соображениям на месторождениях, пригодных для открытой добычи топлива.
Из сказанного очевидно, что в СССР имеется не так уже много месторождений, пригодных даже в будущем для п. г. у., однако такие месторождения достаточных размеров в некоторых бассейнах страны, безусловно, можно будет найти и, следовательно, необходимо продолжать работу над решением проблемы п. г. у., являющейся на данном этапе в первую очередь научной проблемой. Необходимо изучить процесс газификации, разработать конкретные пути управления п. г. у. с учетом гидрогеологических условий используемого месторождения топлива и создать методику расчета этого сложного процесса. Это позволит правильно доработать существующие и, быть может, найти новые более эффективные методы подземной газификации углей и сланцев.
