---

---

Развитие комплексных скважинных технологий добычи угля на основе способа подземной газификации

Интенсивная эксплуатация недр ставит проблему развития направления комплексного их освоения и разработку ресурсосберегающих технологий, позволяющих экономить минеральные ресурсы при одновременном снижении трудовых, энергетических и экономических затрат. Этим требованиям полностью удовлетворяет скважинная технология подземной газификации угля (ПГУ). ПГУ исключает тяжелый труд горняков под землей и практически не имеет ограничений для создания экологически чистого предприятия.

Идея ПГУ была впервые высказана Д. И. Менделеевым в 1888 г.: «Настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что уголь из земли вынимать не будут, а там, в земле, его сумеют превращать в горючие газы и их по трубам будут распределять на далекие расстояния».

Советскому Союзу с 30-х годов принадлежал приоритет и ведущая роль в разработке технологии подземной газификации угля. В настоящий момент исследования по ПГУ ведутся во многих странах мира. Работая в опытно-промышленном режиме станции «Подземгаз» достигли проектной мощности. Себестоимость газа на Ангренской станции в пересчете на уголь в 2 раза дешевле, чем на Ангренском разрезе. Более 40 лет и в настоящее время станция работает стабильно, снабжая газом потребителей. За рубежом опытные и исследовательские работы по подземной газификации угля были осуществлены в ряде стран: США, Бельгии, Англии, Франции, КНР, КНДР, Австралии. После энергетического кризиса 1974 года в скважинной технологии ПГУ специалисты увидели реальную возможность получения продуктов-заменителей нефти и газа.

Разработанная технология позволяет решать следующие задачи: производить энергетический и синтез-газы; конкурировать с природным газом при использовании в производстве синтез-газов; получать жидкое топливо (метанол, диметиловый эфир) и химические продукты.

Современные станции ПГУ – это современные энергетические комплексы с надежным, эффективным оборудованием. Станции «Подземгаз» значительно меньше оказывают влияния на окружающую среду в сравнении с традиционными технологиями разработки угольных месторождений; объем вредных выбросов в атмосферу от сжигания газа ПГУ на порядок отличается от сжигания угля потребителями, газ ПГУ применяется в быту, заменяя природный газ, имея меньшую стоимость. Газ используется и как конечный продукт, и как энергоресурс для получения электроэнергии как на самой станции ПГУ на газотурбинной установке, так и на расположенных вблизи электростанциях. Весь процесс на предприятиях полностью автоматизирован. Это позволяет в режиме реального времени контролировать состав газа, состав дутья, объемы получаемой продукции. Отсутствуют терриконы и золоотвалы, поверхность шахтного поля может использоваться для сельскохозяйственных нужд.

Один из ведущих российских центров по изучению проблем ПГУ работает на базе Дальневосточного государственного технического университета, при котором в настоящее время создан Дальневосточный центр глубокой переработки угля. За более чем 15-летний период работы сформирован научный коллектив по проблемам применения скважинных технологий добычи полезных ископаемых, проведена работа по обоснованию применения технологии ПГУ для добычи угля на месторождениях Дальнего Востока, успешно ведется подготовка кадров высшей научной квалификации.

В ДВГТУ разработана технологическая схема экологически чистого предприятия по производству газообразного энергоносителя на основе подземной газификации углей для использования в качестве топлива и технологического сырья, включающая:

• комплексную схему утилизации тепла вмещающих пород подземного газогенератора и физического тепла газа на основе энерготехнологических процессов с получением технологического пара, электроэнергии и тепла для собственных нужд;
• модифицированную технологическую схему получения электроэнергии для собственных нужд на газотурбинных установках с высоким КПД, а также способ компенсации неравномерного получения и потребления газа и электроэнергии;
• способ подготовки подземных газогенераторов бурением вертикально-горизонтальных скважин с применением передвижных компрессоров;
• способ подготовки подземных газогенераторов посредством технологии скважинной гидродобычи угля;
• воздушное паро-кислородное-диоксид-углеродное дутье с упрощенной схемой технологических трубопроводов;
• высокоэффективные схемы очистки газов от диоксида углерода, а также оксидов серы, в том числе и непосредственно в подземном газогенераторе.
• использование диоксида углерода в процессе газификации;
• схему утилизации смолы и конденсата, выделяющихся при очистке газа, и технологию газификации, обеспечивающую значительную интенсификацию процесса, а также охрану недр и окружающей среды;
• экономию материальных и людских ресурсов посредством применения неметаллических труб, беструбного крепления скважин в устойчивых породах, извлечения металлических труб при погашении газогенераторов.

В ДВГТУ разработана комплексная методика создания станций ПГУ с учетом природных, горно-геологических, горнотехнических и экологических факторов угольного месторождения, позволяющая конструировать эффективные технологические схемы подземной газификации. Разработана концепция ресурсосберегающего экологически чистого предприятия по производству газообразного энергоносителя на основе подземной газификации угля. Создана и научно обоснована методика эколого-экономической оценки технологии ПГУ, направленная на оптимизацию экономических показателей процесса подземной газификации. Проведены работы по научному обоснованию применения кислород-диоксид-углеродного дутья, исследованы и разработаны способы повышения теплоты сгорания газа ПГУ, предложена схема подземного газогенератора для мощных угольных пластов с опережающей термической подготовкой канала, направленной на активизацию процесса выделения летучих веществ в увеличенной зоне пиролиза. Разработаны технологические схемы ПГУ с утилизацией тепла в газоотводящей скважине с получением перегретого пара электрической энергии, создана конструктивная схема газоотводящей скважины-парогенератора подземного газогенератора, позволяющая получать технологический пар и электроэнергию на головке газоотводящей скважины, охлаждая при этом газ ПГУ до заданной температуры.

Ведутся работы по созданию мощных (200 МВт и более) энергетических комплексов на основе способа ПГУ с применением различных типов дутья при высоком давлении, что обеспечивает высокую теплоту сгорания газа. Изучается возможность использования принципов комбинированного энергетического цикла (IGCC) в технологии ПГУ. Это обеспечит возможность повышения КПД процесса, значительно снизить вредное воздействие на окружающую среду, уменьшить выбросы окислов серы более чем на 90%, азота – на 40%, практически исключается выброс твердых частиц.

Новым направлением в технологии ПГУ является утилизация твердых бытовых и производственных отходов (ТБО и ТПО). Разработаны и запатентованы принципиальные основы модифицированной технологии ПГУ, которая позволяет совместно с подземной газификацией угля перерабатывать твердые бытовые и производственные отходы в горючий газ для получения электроэнергии и тепла. Технология ПГУ, наличие подземного газогенератора с огневым забоем на значительной глубине открыли большую возможность утилизации твердых бытовых и производственных отходов. Твердые промышленные и городские отходы (пластмассы, древесина, бумага, резина, кожа, шламы и т.д.) имеют достаточно высокую теплоту сгорания и могут участвовать в процессе газификации угля, улучшая состав и теплоту сгорания получаемого газа. С точки зрения газификации наибольший интерес представляет пиролиз твердых отходов. Под действием высокой температуры без доступа воздуха органические вещества разлагаются с выделением газов, твердых и жидких продуктов. Измельченные отходы без разделения на органические и неорганические фракции подвергаются разложению в подземном реакторе на глубине 200-600 м при температуре свыше 800° С. Образующийся газ содержит (в %): водород – 19, метан – 17, оксид углерода – 25, углеводородов – 9 и инертных газов – 30. Удельная теплота сгорания газа достигает 18 мДж/м3. При этом перегоревшие остатки переработки отходов навсегда утилизируются под землей на большой глубине, являясь безвредными для окружающей среды.

Установки по утилизации отходов в подземном газогенераторе разработаны для шахтерских городов Партизанска и Артема, что позволяет улучшить экологическую обстановку и создать рабочие места на новых производствах. Артемовская термогазодинамическая установка имеет следующие характеристики: объем вырабатываемого газа 200 млн. м3 в год, количество перерабатываемых отходов – 90 тыс. м3, при этом окупаемость инвестиций составляет 4 года. Энерготехнологический комплекс включает в себя локальную газотурбинную энергоустановку мощностью 5-50 МВт, со значительно меньшими капитальными затратами и сроком строительства, чем типовые ТЭЦ. Технология ПГУ с использованием ТБО приобретает ресурсовоспроизводящий характер, так как позволяет вовлечь в производство неистощимый источник все возрастающих объемов отходов, в больших объемах скапливающихся практически на всех урбанизированных территориях. Также необходимо отметить социально-экономический аспект технологического решения: ТБО превращается из источника загрязнения окружающей среды в полезный товарный продукт для производства газа для энергетических целей.

В Дальневосточном центре глубокой переработки угля разработана технологическая схема станции ПГУ в модульно-блочном исполнении, в том числе и для условий Крайнего Севера. Технологией предусмотрен замкнутый безотходный цикл производства электроэнергии, тепла, жидкого топлива, что создает комфортные условия труда и проживания на отдаленных территориях. При этом возможна отработка целиков угля и некондиционных по мощности и зольности пластов. Разработано блочное исполнение и модульная компоновка технологических, хозяйственных, административных и бытовых звеньев предприятия. Обоснованы типоразмеры и мощности модульных блочных электростанций и их основные технико-экономические показатели. Определены принципиальные технологические схемы использования газовых двигателей и газотурбинных установок. Принципиальная схема разработанной в ДВГТУ модульно-блочной установки ПГУ была рассмотрена и одобрена на уровне правительства с рекомендацией использования ее в северных районах ДВ-региона, в населенных пунктах вблизи угольных месторождений.

В ДВГТУ накоплен значительный потенциал по скважинной выемке угольных пластов на основе физического разрушения угля и технологии ПГУ. Разработана и запатентована технологическая схема подготовки подземных газогенераторов способом скважинной гидродобычи. При этом подготовка каналов подземного газогенератора ведется посредством скважинных гидромониторов, формирующих соединенные между собой камеры в пласте угля, позволяющие обеспечить большую начальную площадь контакта огневого забоя с углем и осуществлять выемку и реализацию товарного угля до момента ввода в газогенераторов в эксплуатацию, частично компенсируя при этом капитальные затраты на строительство станции ПГУ. Технология позволяет эффективно отрабатывать остающиеся запасы погашаемых и низкорентабельных шахт, а также глубокозалегающие угольные пласты на открытых горных работах, что дает возможность быстро нарастить объемы производства энергоносителей на угольных месторождениях Приморья, в том числе отрабатываемых разрезами различной мощности.

Проведенные в ДВГТУ исследования показали, что ПГУ может эффективно применятся на 22-х угольных месторождениях Приморского и Хабаровского краев, Сахалинской, Магаданской областях, где суммарные объемы производства заменителя природного газа на основе газа ПГУ могут достигать 60 млрд. метров кубических , что эквивалентно около 11 млн. т. у. т. (рис. 1). Для сравнения можно отметить, что объем газа, добытого с Сахалинского шельфа в 2004 г., составил 2 млрд. метров кубических.

Реализация проектов по освоению угольных месторождений Дальнего Востока способом ПГУ позволит ликвидировать дефицит топлива в регионе и обеспечить возможность экспорта химических продуктов и энергоносителей без угрозы для экономической безопасности государства.

---

---