CC BY
45
УДК 622.817.47:662.765 © Ю.Ф. Васючков, 2018
Производство газового топлива в процессе подземной газификации газовых угольных пластов
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-11-44-46
ВАСЮЧКОВ Юрий Федорович
Доктор техн. наук, профессор кафедры «Геотехнологии освоения недр» Горного института НИТУ МИСиС, 119049, г. Москва, Россия, тел.: +7 (916) 676-50-81, e-mail: [email protected]
Статья содержит анализ энергетической эффективности полного технологического цикла от добычи угля до его использования на тепловых ТЭС. Инновационны/е решения для повы>1шения энергоэффективности и энергосбережения углеводородных ресурсов могут бы>1ть основаны/ на создании Локальных углегазоэнергетических комплексов на основе выработки из угля газового топлива и утилизации угольного метана. Дается оценка степени повы/шения теплоты! сгорания генераторной смеси до уровня, предъявляемого к газотурбинны/м генерирующим установкам. Ключевые слова: угольные месторождения, энергетическая эффективность топлива, выработка газового топлива из угля, локальный углегазоэлектрический комплекс, генераторный газ, теплота сгорания.
ВВЕДЕНИЕ
Угольная энергетика основана на использовании угля в качестве источника электроэнергии на ТЭС. Тепловые электростанции с такой технологией в России обычно работают с КПД 38-43%. В то же время электростанции на природном газе достигли КПД более 50%. Если учесть энергетические затраты на изготовление машин и оборудования, а также на вскрытие, подготовку и добычу угля, его транспортировку на ТЭС, то от потенциальной теплотворной способности угля используется полезно не более 10-15%.
Уже сейчас существует прямой путь существенно увеличить энергетическую эффективность всей углеэлектриче-ской технологической цепи на основе Локальных углегазо-
электрических комплексов (ЛУГЭК) [1, 2], в основе которых лежат выработка газового топлива из угольных пластов и/ или отбитого угля путем его газификации в подземных или наземных газогенераторах, добычи угольного метана и использование его в установках комбинированного цикла с высшей энергетической эффективностью.
ПРОИЗВОДСТВО ГАЗОВОГО ТОПЛИВА
Основной проблемой широкого внедрения этой технологии в настоящее время является низкая природная теплотворная способность вырабатываемого генераторного газа подземной газификации угля (ПГУ), не превышающая, как правило, 4-6 МДж/м3. Горючие компоненты в составе генераторного газа оцениваются на уровне 24-34% при наличии 12-15% углекислого газа.
Однако газовые турбины электростанций выпускаются в расчете на природный газ, содержащий более 92% метана. Поэтому основной целью разработки использования ПГУ для обеспечения газовым топливом турбоэлек-трогенераторов является очистка генераторного газа от негорючих компонентов
Наиболее близка к процессу ПГУ реакция углерода с водяным паром при t = 500-600°С. Продуктом реакции служит синтез-газ (сингаз). Вообще эта реакция обратима, но при ( = 900-1000°С эндотермическая реакция сдвигается в сторону образования горючих компонентов. При использовании парокислородного дутья состав генераторного газа изменяется в сторону увеличения выхода горючих компонентов: 70-80%. Такая схема ПГУ позволяет вырабатывать генераторный газ с теплотворной способностью 14-16 МДж/м3, что значительно увеличивает энергетическую эффективность ПГУ.
В проекте внедрения технологии ЛУГЭК для Кузнецкого угольного бассейна принят тип дутья - смесь кислорода и водяного пара в соотношении СО:Н2 = 3,1:3,8. Такой оксиводяной газ позволяет достичь теплоты сгорания до 18-20 МДж/м3 [3].
При использовании кислородного дутья теплота сгорания сырого генераторного газа может достигать значения 17 МДж/м3, а при дополнительном секвестровании (улавливание и захоронение в недрах) углекислого газа - до 22-24 МДж/м3.
Интенсивно развиваются процессы применение катализаторов, которые позволяют уменьшать температуру процесса при сохранении его высокой скорости, а также регулировать состав продуктов газификации.
Сравнение различных видов газового топлива
Штат Иллинойс (восточный) Штат Вайоминг (западный)
НКГ I СГ ЗПГ 1 1 НКГ I 1 СГ 1 ЗПГ 1
Расход, млн м3/сут. 23,2 9,7 4,3 18,2 9,2 4,3
Теплота сгорания, МДж/м3 6,5 15,7 35,4 8,4 16,5 35,4
Капитальные вложения, млн дол. США 168 1G4 128 38 69 86
Затраты на производство газа, дол. США/МДж 0,68 0,68 0,87 0,34 G,41 G,57
Прибыль, дол. США/МДж G,15 G,15 0,18 G,17 G,19 0,22
Примечание: НКГ - низкокалорийный газ; СГ - синтетический газ (сингаз); ЗПГ - заменитель природного газа.
Заменитель ПГ получают в процессе газификации плотного угольного слоя по способу Лурги с теплотой сгорания 12,6 МДж/м3, где используют парокислородное дутье с давлением 3 и более МПа. Так, в США [3] в 1970-х годах вырабатывали ЗПГ в проекте ЛЛЛ. В этом проекте сырой генераторный газ с составом: 38,8% Н2, 11,1% СН4, 20,2% СО и 28% СО2 очищали от сернистых соединений и после этого подавали в блок метанизации. Опыт проекта ЛЛЛ показал, что в процессе газификации на парокислород-ном дутье получается теплота сгорания газового топлива до 35 МДж/м3.
Таким образом, управляя процессом подачи окислителя в скважины ПГУ путем подбора компонентов и параметров дутья, можно получать генераторное топливо достаточно высокого теплового содержания. Арсенал дутьевых средств и аппаратного обеспечения достаточно широк для промышленной выработки энергетически эффективного газового топлива. Ориентировочные экономические характеристики выработки различных видов газового топлива, по данным США, приведены в таблице [4].
Удаление двуокиси углерода из генераторной смеси основано на поглощении его сорбентами или иными твердыми поглотителями. В работах МГИ использованы поглотители на поташно-карбонатной основе [5]. В системах «углекислый газ - твердое тело» в качестве адсорбента применяются молекулярные сита, синтетические цеолиты, обладающие избирательной поглощающей способностью по отношению к углекислому газу.
В последние годы развивается технология захоронения промышленного углекислого газа в недрах (США, Норвегия, Австрия), так называемое секвестирование газа. Эффективность улавливания СО2 при использовании данного метода достигает 85-95%. Сравнение стоимости строительства угольной электростанции мощностью 500 МВт с улавливанием С02 и без него показывало, что в первом случае суммарные затраты увеличиваются на 48% [6]. Но прирост затрат покрывается как за счет удешевления стоимости электростанции при переводе ее на газовое топливо, так и экономией выплат по экологическим налогам и штрафам.
Изложенные способы удаления углекислого газа из сырой генераторной смеси могут повысить его теплоту сгорания на 15-20%, что в сумме с управляемым дутьем поднимает теплоту сгорания очищенной газовой смеси до 24-26%. Выбор способа очистки сырой генераторной смеси решается на основе экономического анализа.
Для достижения более высокой теплоты сгорания очищенного генераторного газа (до уровня природного газа -34 МДж/м3) в технологии ЛУГЭК на газоносных угольных месторождениях - МГИ предложено обогащать его до-
бываемым угольным метаном, что потребует применения методов интенсификации метаноотдачи газоносных угольных пластов.
Целесообразной областью использования инновационной технологии ЛУГЭK являются трудноизвлекаемые или геологически неблагоприятные запасы угля. Эта технология может существовать как самостоятельно, так и в рамках действующих угольных предприятий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышение энергосбережения и энергоэффективности в углеэнергетике весьма актуально для инновационного прорыва в экономике страны. Известно, что при разработке угольных месторождений потери угля в недрах достигают 25-30%, на нарушенных угольных пластах - и более. Поступая на тепловые ТЭС, уголь еще на 38-42% теряет свою энергетическую ценность. Результатом является низкий энергетический ^Д использования ценнейшего углеводородного топлива. ^оме того, мы еще не научились масштабно использовать огромные трудноизвлекаемые ресурсы угольного метана в России.
Рассмотренные способы выработки сингаза, или заменителя природного газа подтверждают реальную осуществимость этих процессов на угольных месторождениях, в частности в технологии ЛУГЭ^
Список литературы
1. Васючков Ю.Ф. Отработка угольных запасов бесшахтным способом с использованием подземного сжигания пласта и получением тепловой и/или электрической энергии непосредственно на горном предприятии / Сборник докладов конференции комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых». Новочеркасск, 1995. С. 28-33.
2. Vasyuchkov Yu.F., Bykova M.Yu., Vasyuchkov M.Yu. Science Principles for Concept-Project of Combined coal and Gas and Electrical blocks // Wiertnictwo Nafta Gaz. 2013. № 30. Pр. 261-264.
3. Stan Kaplan. Power Plants: Characteristics and Costs / CRS Report for Congress. Washington. 2008. November 13. P. 97 (total volume 108 p.).
4. Подземная газификация угольных пластов / Е.В. Шейнин, Н.А. Федорова, K.K Звягинцев, Т.М. Пьянкова. М.: Недра, 1982. 151 с.
5. Быкова М.Ю. Метод повышения эффективности получения газового топлива в технологии ЛУГЭK // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. ОВ № 11. 8 с.
6. Сидорова ^И. Разработка технико-экономической модели улавливания СО2 для энергетического сектора // Экология и промышленность России. 2014. № 12. С. 20-25.
RESOURCES
UDC 622.817.47:662.765 © Yu.F. Vasyuchkov, 2018
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 11, pp. 44-46 Title
GAS FUEL PRODUCTION IN THE PROCESS OF UNDERGROUND GAS COAL BED GASIFICATION
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-11-44-46 Author
Vasyuchkov Yu.F.1
1 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation
Authors' Information
Vasyuchkov Yu.F., Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of'Geotechnologies of mineral resources extraction" of Mining Institute, tel.: +7 (916) 676-50-81, e-mail: [email protected]
Abstract
The paper contains an analysis of the energy efficiency of the full technological cycle from the coal mining to its use in thermal power plants (TPP). Innovative solutions to improve energy efficiency and energy saving of hydrocarbon resources can be based on creation of local coal-gas and energy complexes based on production of the gas fuel from coal and utilization of coal methane. The paper evaluates the degree of increase in the generator mixture calorific value up to the level imposed on gas-turbine generating plants.
Keywords
Coal field, Energy fuel efficiency, Production of gas fuel from coal, Local coal-gas-energy sector, Production gas, Calorific value.
References
1. Vasyuchkov Yu.F. Otrabotka ugol'nykh zapasov besshakhtnym sposobom s ispol'zovaniyem podzemnogo szhiganiya plasta i polucheniyem teplovoy i/ili elektricheskoy energii neposredstvenno na gornom predpriyatii [Development
of coal reserves in a non-mine way using underground combustion of coal seams and obtaining thermal and / or electrical energy directly at a mining enterprise]. Sbornik dokladov konferentsii "Kompleksnoye izucheniye i ek-spluatatsiya mestorozhdeniy poleznykh iskopayemykh" [Collection of reports of the conference "Integrated study and exploitation of mineral deposits"]. Novocherkassk, 1995, pp. 28-33.
2. Vasyuchkov Yu.F., Bykova M.Yu. & Vasyuchkov M.Yu. Science Principles for Concept-Project of Combined coal and Gas and Electrical blocks. Wiertnictwo Nafta Gaz, 2013, No. 30, pp. 261-264.
3. Stan Kaplan. Power Plants: Characteristics and Costs. CRS Report for Congress. Washington, 2008, November 13, pp. 97 (total volume 108 p.)
4. Kreinin E.V., Fedorova N.A., Zvyagintsev K.N. & Piankova T.M. Podzemnaya gazifikatsiya ugol'nykh plastov [Underground gasification of coal seams]. Moscow, Nedra Publ., 1982, 151 p.
5. Bykova M.Yu. Metod povysheniya effektivnosti polucheniya gazovogo topliva v tekhnologii LUGEK [Method for increasing in gas fuel production efficiency in LUGEC technology]. Gornyi Informatsionno-Analiticheskiy Byul-leten' - Mining Information-Analytical Bulletin, 2013, Separate issue 11, 8 p.
6. Sidorova K.I. Razrabotka tekhniko-ekonomicheskoy modeli ulavlivaniya CO2 dlya energeticheskogo sektora [Development of a technical and economic model of CO2 trapping for the energy sector]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii - Ecology and Industry of Russia, 2014, No. 12, pp. 20-25.
Назаровское ГМНУ освоило изготовление ставов ленточных конвейеров
ООО «Назаровское горно-монтажное наладочное управление», сервисное предприятие Сибирской угольной энергетической компании в Красноярском крае, осваивает выпуск новой продукции. В настоящее время Назаровское ГМНУ выполняет крупный заказ для предприятий подземной угледобычи Кемеровской области по изготовлению ставов ленточных конвейеров. В шахтах такие конвейеры служат для транспортирования угля и породы из забоев, подъема их на поверхность. Всего Назо-ровскому ГМНУ предстоит изготовить более 1500 секций ленточного конвейера.
Работы выполняются в кооперации с другим сервисным предприятием СУЭК - ООО «СИБ-ДАМЕЛЬ» из Кемеровской области. Назаровское ГМНУ изготавливает основной узел конвейера - металлический став. Он формируется из секций длинной от 3 до 7,5 м и шириной от 1,2 до 1,6 м. Дальнейшие работы по доукомплектованию конвейеров - изготовлению конвейерных роликов и установке транспортерной ленты - выполняют кемеровча-не. Готовая продукция уже поставляется на шахты Кемеровской области. В сентябре 2018 г. заказчику отправлено порядка 900 пог. м.
СУЭК
СИБИРСКАЯ УГОЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ
«Объемыугледобычи в шахтах неизменно растут, поэтому и возникает потребность в поставке сопутствующего оборудования. Перед нами СУЭК поставлена задача - в месяц изготавливать не менее 2000 пог. м продукции. Мы уверены, что в октябре выйдем на этот показатель, а до конца года сможем отправить в шахты Кемеровской области уже 7 тыс. пог. м продукции», - отметил главный инженер ООО «Назаровское ГМНУ» Анатолий Зельский.
Решать поставленные задачи - а в следующем, 2019 г., Назаровскому ГМНУ предстоит изготовить уже 24000 пог. м ставов - удается за счет использования современных технологий. В процессе задействованы установка плазменной резки и ленточно-пильный станок, позволяющие работать с металлом с более высокой скоростью и точностью. Они были приобретены СУЭК для Назаровского ГМНУ в 2017 г. по программе инвестиционного развития.
Добавим, что в этом году Назаровское ГМНУ уже выполняло крупный заказ для кемеровских шахтеров. Назаров-цы офланцевали почти 1000 труб для отвода грунтовых вод из шахты «Комсомолец». Аналогичный заказ на предприятие поступил вновь. Специалистам Назаровского ГМНУ предстоит такой же объем работ.
