способ подземной газификации полезных ископаемых

Формула изобретения

1. Способ подземной газификации полезных ископаемых, включающий бурение скважин, их сбойку, розжиг пласта, подачу дутья в подземный газогенератор, перевод топлива в газ в пределах участка, получение генераторного газа, повышение его теплотворной способности, трансформацию энергии и подачу генераторного газа потребителю, отличающийся тем, что повышают теплотворную способность генераторного газа путем подогрева дутья, в качестве которого используют паровоздушно-кислородную смесь, затем осуществляют трансформацию энергии в газовой турбине, теплообменниках, вытяжной башне и электролизере и одновременно подают в подземный газогенератор дымовые газы для интенсификации процесса газификации, а потребителю подают генераторный газ с постоянной концентрацией горючих компонентов и высокой теплотой сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на газотурбинной установке устанавливают парогенератор, генерируют пар, направляют его в паронагреватель, осуществляют в нем нагрев воды и направляют ее на нужды сельскохозяйственного производства.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что воду, нагретую в паронагревателе, догревают, используя теплоту дымовых газов газотурбинной установки, после чего воду направляют для обогрева грунта, орошения сельскохозяйственных культур в открытом грунте, рыборазведение, очистки и утилизации отходов на биогазовых установках.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что теплоту отходящих газов используют в теплопунктах для нагрева воздуха и на этой основе увеличивают скорость и энергию потока в вытяжной башне.

5. Способ по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что горячий воздушный поток дутья используют для вращения пропеллера одного или нескольких тепличных аэроагрегатов, которые устанавливают в вытяжной башне или в индивидуальных воздуховодах, а энергию вращения пропеллеров используют преобразования энергии воздушного потока в электрическую.

6. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что электрический ток от пропеллерного аэроагрегата и от электрогенератора газотурбинной установки направляют в электролизер, где под действием электричества воду разлагают на кислород и водород.

7. Способ по пп.1, 4 и 6, отличающийся тем, что в подземный газогенератор подают дутье, состоящее из пара, образуемого в парогенераторе газотурбинной установки, кислорода, производимого в электролизере, и горячего воздуха, генерируемого в теплообменниках или парогенераторах, а также дымовых газов газотурбинной установки и обеспечивают интенсификацию процесса газификации с образованием газа повышенной теплоты сгорания и стабильным содержанием горючих компонентов.

8. Способ по пп.1 и 6, отличающийся тем, что газ газификации собирают в газгольдер и сюда же подают водород для повышения теплоты сгорания газа подземной газификации углей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при разработке месторождений полезных ископаемых путем подземной газификации угля, сланца, серы и других продуктивных пластов.

Известен способ газификации угольных пластов с помощью вертикальных, наклонных и наклонно-горизонтальных скважин. В недрах образуется угольный газ, который поступает на поверхность по другим таким же скважинам (Подземная газификация угольных пластов / Е.В.Крейнин и др. М. Недра, 1982. 151 с.).

К недостаткам способа относится непостоянство состава образующегося газа и его низкая калорийность.

По своей технической сущности и достигаемому результату наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ подземной газификации угля, включающий бурение скважин, их сбойку, газификацию угля. Эффективность способа достигается путем образования изоляционной зоны, после чего в одни скважины подают инертный газ, а из других откачивают пластовую воду до полного ее вытеснения из изолированной зоны, затем остатки газа удаляют из зоны (а.с. СССР N 1428764, E 21 B 43/295).

Недостатком известного способа является относительно невысокая теплота сгорания газа (2,8-3,2 МДж/м³), что и предопределяет его низкие потребительские свойства, отсутствие трансформация энергии из одного вида в другой.

Целью изобретения является повышение эффективности подземной газификации путем трансформации энергии и интенсификации процесса подземной газификации.

Поставленная цель достигается тем, что в известную технологическую схему подземной газификации угля в соответствии с данным изобретением вводят газовую турбину с паро- и электрогенераторами, паронагреватель, теплопункты с рекуперативными теплообменниками, аэротурбинные установки, электролизер, газгольдер, при этом пар из парогенератора направляют в паронагреватель для нагрева воды и после догрева газами ГТУ ее подают для производства ценнейших продуктов питания путем обогрева грунта, орошения сельхозкультур в открытом грунте и для разведения рыб, используют энергию горячего воздушного потока в вытяжной башне для производства электроэнергии пропеллерными аэротурбинными установками, размещаемыми в индивидуальных воздуховодах, после этого электрический ток от аэроустановок или от электрогенератора ГТУ направляют в электролизер для получения кислорода и водорода, откуда кислород, а также горячий воздух и пар из парогенератора направляют в подземный газогенератор для интенсификации процесса ПГУ, образующиеся при этом газы смешивают вместе с водородом в газгольдере, и на этой основе обеспечивают стабильный состав газа с высокой теплотой сгорания.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что введение в известную технологическую схему ПГУ газовой турбины с парогенератором обеспечивает получение пара, который направляют по двум линиям, одна из них служит для подогрева воды в парогенераторе, другая для подачи пара в подземный газогенератор. Далее нагретая паром вода догревается в первом теплопункте в рекуперативных теплообменниках за счет утилизации тепловой энергии дымовых газов ГТУ и подается для эффективного обогрева грунта, орошения и рыбопроизводства. Одновременно с этим в данном теплопункте дымовыми газами ГТУ осуществляют нагрев воздуха, который поступает в вытяжную башню по всему периметру. В башне устанавливают одну или несколько тепличных аэротурбинных пилотных электроустановок, пропеллеры которых вращаются движущимся горячим потоком воздуха. Одновременно во втором теплопункте утилизируется теплота газов подземной газификации угля для дополнительного подогрева воздуха, который подают также в двух направлениях: первое в вытяжную башню, второе - в подземный газогенератор. Образованная электрогенератором аэротурбинной установки электроэнергия в электролизере разлагает воду на кислород и водород. Кислород вместе с горячим воздухом направляют в подземный газогенератор вместе с паром из парогенератора ГТУ для интенсификации процесса ПГУ. Сюда же подают и дымовые газы ГТУ, а не в атмосферу, как это имеет место в известных способах. Водород из электролизера направляют в газгольдер, где смешивают его с газом ПГУ. Смешение газов обеспечивает подачу газа потребителя с постоянной концентрацией горючих компонентов и с высокой теплотой сгорания газа.

Вышеприведенное позволяет утверждать, что заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с известными техническими решениями показывает, что трансформация энергии, утилизация теплоты отходящих газов и интенсификация процесса ПГУ (чего нет у прототипа) предопределяет принципиально новый подход к решению проблемы повышения теплотворной способности газа ПГУ ее стабильным составом горючих компонентов, использованием энергии горючего воздуха для преобразования в электрическую и на этой основе получение кислорода и водорода. Таким образом, в данной области техники и технологии выявлены признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Изобретение иллюстрируется схемой, где воздушный компрессор 1, вал газотурбинной установки (ГТУ) 2, газообразное (жидкое) топливо 3, камера сгорания ГТУ (парогенератор) 4, газотурбинная установка 5, электрогенератор 6, водяной пар для интенсификации процесса ПГУ 7, водяной пар для нагрева воды 8, паронагреватель 9, теплопункт для утилизации теплоты газа ГТУ 10, рекуперативные воздухонагреватели 11, теплопункт для утилизации отходящих газов ПГУ 12, подземный газогенератор 13, тепличная аэротурбинная пилотная электроустановка 14, электроэнергия аэротурбинной установки 15, пропеллерный аэроагрегат с электрогенератором 16, электроэнергия генератора газовой турбины 17, электролизер 18, газосборник (газгольдер) 19, ДГ дымовые газы, ГВ горячий воздух, НВ нагретая вода, ГВКД горячее воздушно-кислородное дутье, О₂ кислород, Н₂ водород.

В известной технологии подземной газификации углей образующиеся газы обладают низкими потребительскими свойствами, отсутствует трансформация энергии и утилизация теплоты, что не создает предпосылок для ее тиражирования.

Вместе с тем, метод ПГУ позволяет эффективно использовать новые технологические схемы, дополняющие и резко повышающие КПД газификации. Достигается это путем ввода в структурную схему ПГУ на поверхности земли газотурбинной установки с парогенератором и электрогенератором, работающим на одном валу с воздушным компрессором и газовой турбиной.

Для повышения эффективности ПГУ предусматривают создание циклов, в которых используют комбинацию двух рабочих тел (веществ), причем теплота, отводимая в одном цикле, используется в другом.

Отработавшие в газовой турбине продукты сгорания имеют довольную высокую температуру (1023 К), и поэтому дальнейшая утилизация теплоты продуктов сгорания осуществляется в парогенераторе, в рекуперативных водонагревателях и воздухоподогревателях, из которых воздух направляют в вытяжную башню для трансформации энергии горячего воздушного потока в электроэнергию на пропеллерных аэроагрегатах. Парогенератор служит для выработки пара, который направляют в подземный газогенератор и паронагреватель. Нагретая вода НВ догревается в теплопункте 10 и направляется на полив сельхозугодий.

Теплопункты оборудуют рекуперативными теплообменниками, которые в общем случае характеризуются стационарными процессами передачи тепла от охлаждаемого теплоносителя нагреваемому.

Теплопункт 10 предназначен также и для утилизации теплоты газов ГТУ, нагретый здесь воздух служит для трансформации энергии движущего потока в электроэнергию в вытяжной башне, где установлена одна или несколько пропеллерных аэротурбинных установок. Горячий воздух в башне обтекает корпус и опоры аэроагрегата, натекает на лопасти пропеллера и вращает его. Пройдя рабочее колесо, воздух попадает по вытяжной трубе в атмосферу.

В теплопункте 12 также утилизируется теплота газа ПГУ для подогрева воздуха, который поступает частично в аэроагрегат, а также подземный газогенератор.

Нагрузкой пропеллерного аэроагрегата является электролизер, где вода разлагается под действием электрического тока на водород и кислород. Горячий воздух смешивают с кислородом и направляют в подземный газогенератор.

Газ ПГУ из подземного газогенератора поступает в газгольдер (газосборник), где перемешивается с водородом, далее потребителю подают газ со стабильным составом горючих компонентов и с высокой теплотой сгорания. Одновременно в подземный газогенератор направляют дымовые ГТУ (СО₂), где под действием высокой температуры и контакта с раскаленным углеродом диссоциируются на горячие газы СО и О₂.

Подача в подземный газогенератор горячего воздуха, кислорода, пара, диссоциация дымовых газов ГТУ, трансформация энергии, направление потребителю стабильного газа ПГУ с высокими потребительскими свойствами существенно повышает эффективность подземной газификации полезных ископаемых, обеспечивая при этом достижение поставленной цели.

Пример выполнения изобретения.

Атмосферный воздух поступает в компрессор газотурбинной установки (ГТУ) 1, сжимается и подается в камеру сгорания 4, являющуюся также высоконапорным парогенератором, так как в камере сгорания расположены поверхности пароводяной части цикла 1, давление в камере сгорания выше атмосферного и равно давлению, развиваемому компрессором ГТУ. В камеру сгорания подается газообразное (газ ПГУ) или жидкое топливо 3. Образовавшиеся газообразные продукты сгорания вначале отдают теплоту поверхностям нагрева пароводяной части цикла, а затем поступают в газовую турбину 4, где расширяются на лопатках турбины и производят электроэнергию в генераторе 6.

Из парогенератора 4 пар направляют по двум линиям. По линии 7 пар поступает в подземный газогенератор 13, повышая при этом КПД процесса ПГУ. По линии 8 пар нагревает воду в паронагревателе 9, частично конденсируется и вместе с подогретой до 40-50^oС водой поступает в теплопункт 10 для дальнейшего нагрева. Теплопункт состоит из необходимого количества рекуперативных воздухонагревателей 11, которые утилизируют теплоту газов ГТУ. Нагретая в этом теплопункте вода до температуры 85-150^oС далее направляется для использования в сельскохозяйственном производстве.

Опыты по утилизации термальных промышленных стоков показали, что увеличение температуры почвы на 3.4^oС повышает урожайность картофеля на 70% и сахарной свеклы более чем на 100% на 4.5^oС томатов на 80% на 1.2^oС яровой пшеницы на 10% Кукуруза прорастает при температуре почвы 7.8^oС на 22-й день, при 15.17^oС на 12-й день, при температуре 23.25^oС на 5-й день.

Благоприятные температурные условия в теплицах с помощью нагретой воды создаются посредством орошения через фильтр-капиллярные увлажнители, обогрева почвы через поверхность специальных трубопроводных сетей и воздуха при помощи радиаторов.

Весьма перспективным направлением применения нагретых вод является обогрев ими грунта и орошение сельскохозяйственных культур в открытом грунте.

На основании многолетних исследований рекомендуется термальные (нагретые) воды применять:

в засушливой зоне, где сумма отрицательных температур не превышает 300^oС, круглогодично для орошения и обогрева почвы (это позволит значительно удлинить период вегетации, особенно для многолетних трав);

в зонах периодических засух и переувлажнений для повышения теплообеспеченности различных сельскохозяйственных культур (обогрев почвы и орошение теплой водой обеспечат здесь хорошую защиту от заморозков);

в зоне избыточного увлажнения для промывки дренажных систем и регулирования снеготаяния на полях (поскольку в этой зоне сумма эффективных температур не всегда достаточна для получения высоких урожаев, тепловые мелиорации здесь наиболее эффективны, особенно при выращивании овощных и зерновых культур).

Таким образом, искусственные термальные воды, образуемые при эксплуатации газогенераторного предприятия "Подземгаз" важнейший ресурс развития прогрессивного земледелия. Использование термальной воды для рыборазведения позволяет значительно продвинуть рыбное хозяйство на новый уровень.

На основе термальной воды можно создать энергобиологический комплекс, в который входят: рыбохозяйственный блок; блок защищенного грунта, включающий теплицы, работающие на низкопотенциальном тепле; блок открытого грунта, который наряду с производством продуктов питания дополнительно охлаждает сбросную воду; блок очистки и утилизации отходов.

Продукты сгорания ПГ из газовой турбины 5 проходят через теплопункт 10, состоящий из необходимого числа рекуперативных воздухонагревателей 11 и далее направляются в подземный газогенератор 13. Здесь дымовые газы (СО₂) под воздействием высокой температуры диссоциируются и, контактируя с раскаленным углеродом, переходят в монооксид углерода

2CO₂ _ 2CO+O₂ (1)

CO₂ + C 2CO + O₂. (2)

Возврат дымовых газов ГТУ в подземный генератор улучшает экологическую обстановку в регионе.

Вал ГТУ 2 соединяет компрессор, турбину и электрогенератор 6.

В теплопункте 10 кроме догрева воды для полива производится нагрев воздуха в воздухонагревателях 11 дымовыми газами ГТУ. Одновременно с этим в теплообменнике 12 также утилизируется теплота отходящих газов ПГУ из подземного газогенератора 13. Горячий воздух ГВ с температурой порядка 80-200^oС с обоих теплообменников направляется в тепличную аэротурбинную пилотную электроустановку 14. Она представляет собой башню высотой 200-500 м с переменным сечением. В зауженном месте башни устанавливается пропеллерный аэроагрегат 16, вырабатывающий электроэнергию за счет движения воздушного потока, возникающего в высокой трубе (многократно усиленный эффект тяги в обычном дымоходе). Скорость потока, а следовательно, и энергия будут возрастать при подаче в трубу горячего воздуха. Поставив в башне один аэроагрегат с диаметром пропеллера 50-100 м, можно получить мощность 300-700 кВт за счет создания тяги. Движущийся воздух вращает пропеллер аэроагрегата и его генератор.

Выработка электроэнергии может быть увеличена за счет установки в башне не одного аэроагрегата, а, например, 10-20 агрегатов мощностью по 10 МВт. Агрегаты располагают в башне в индивидуальных воздуховодах. Высота такой башни может быть до 500-600 м, диаметр у ее основания 150-200 м, диаметр цилиндрического участка башни 10-15 м.

Башни высотой 200-300 м и диаметром 10-20 м могут быть запроектированы разборными, состоящими из отдельных секций, изготовляемых в заводских условиях и доставляемых любым видом транспорта, в том числе и грузовыми вертолетами, к месту их установки.

Выработанная в аэротурбинных агрегатах электроэнергия 15 поступает в электролизер 18, где вода под действием электрического тока разлагается на кислород и водород. При необходимости электроэнергия поступает в электролизер и от электрогенератора 6. Кислород направляется в подземный генератор 13 для интенсификации процесса ПГУ. Одновременно из теплопункта 12 горячий воздух ГВ частично направляется в подземный газогенератор 13, смешиваясь с кислородом. Смесь горячего воздушно-кислородного дутья ГВКД значительно повышает эффективность процесса ПГУ.

Отходящий газ подземного газогенератора, отдав тепло в теплопункте 12, поступает в газосборник (газгольдер) 19. Сюда же подается водород из электролизера 18.

Применение в данной технологической схеме газгольдера диктуется нестабильностью процесса ПГУ, в результате чего возможны колебания (в основном в сторону снижения) состава газа ПГУ и, следовательно, его теплотворной способности. В газгольдере происходит смешение и накопление газа ПГУ, сюда же подается водород, резко повышающий теплотворную способность газа ПГУ. Из газгольдера обеспечивается бесперебойная подача высококалорийного газа ПГУ потребителям с постоянной концентрацией горючих компонентов.

При необходимости водород из электролизера может сжигаться в водородном двигателе, соединенном с генератором электрического тока, питающим нагрузку.

Преимущества данного изобретения очевидны.

Применение предложенной технологической схемы позволит максимизировать производство электроэнергии, уменьшать потребление органического топлива тепловыми электростанциями.

Эксплуатация аэротурбинных пилотных электроустановок намного дешевое и проще, чем солнечных электростанций, поэтому, не дожидаясь XXI века, уже сейчас следует приступить к реализации поставленной проблемы.

Использование теплопунктов и аэротурбинных электроустановок в предлагаемой технологической схеме является наиболее эффективным способом утилизации тепловой энергии газов ГТУ и подземного газогенератора. Эффективность преобразования механической энергии в аэроагрегатах в электрическую составляет обычно 95% а потери электрической энергии при передаче не превышают 5-10%

Совершенно очевидно, что развитие аэротурбинной энергетики будет стимулировать прогресс во всей электроэнергетике на основе получения дешевого электрического тока. При этом энергия газовой турбины и аэроагрегата используется непосредственно на месте, а ее излишки подаются в энергосистему. Применение газо-аэроэнергетических систем в настоящее время остается актуальным, и можно ожидать, что в будущем их значение возрастает. Их использование в комплексе со станцией "Подземгаз" экономически оправдано там, где дороже другие источники энергии (например, нефть), оно основано на принципиально других подходах, чем использование энергии от стабильных и интенсивных источников. При этом весь процесс может быть легко автоматизирован.