Подземная газификация угля (ПГУ). Основные понятия

Подземная газификация представляет собой термохимический процесс превращения угля в горючие газы, пригодные для энергетических или химико-технологических целей. Идея подземной газификации угля принадлежит Д. И. Менделееву, который еще в 1888 г. писал: «Настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что угля из земли вынимать не будут, и там, в земле, его сумеют превращать в горючие газы и их по трубам будут распределять на далекие расстояния». Им же сформулирован основной принцип ПГУ: «Пробурив к пласту несколько отверстий, одно из них должно назначать для введения — даже вдувания воздуха, другое для выхода, даже вытягивания (например, инжектором) горючих газов, которые затем легко провести даже на далекие расстояния к печам». Известный английский химик В. Рамсей предложил вести процесс газификации угля через одиночные обособленные скважины (рис. 13.1)

Начиная с 1933 г., в СССР ведутся опытно-промышленные исследования ПГУ. Первые опыты велись с дроблением угля и шахтной подготовкой газогенератора, который по своей сути пытались сделать подобным наземным газогенераторам, но, поскольку не удавалось создать и поддерживать однородного слоя угля, появлялись прогары, и уголь использовался не полностью. Опыты закончились неудачно.
В 1934 г. сотрудники Донецкого углехимического института предложили и на Горловской станции осуществили новый способ ПГУ. По наклонному пласту параллельно прошли две выработки, которые в нижней части сбиты горизонтальной выработкой, а в верхней соединены скважинами с поверхностью. В одну скважину подавалось дутье, из другой отводился горючий газ. Этот поточный метод ПГУ явился основой для всех последних технологий ПГУ в различных условиях залегания угольных пластов (рис. 13.2).

Уголь состоит из органической горючей массы, минеральной негорючей массы и влаги. Свойства угля зависят от исходного материала, послужившего для его образования, условий накопления, химизма среды образования угля и степени метаморфизма.
Под термином «подземная газификация угля» понимают процесс получения из угля газа, а под термином «подземный газогенератор» — часть угольного пласта, в которой ведется газификация. Важнейшими элементами подземного газогенератора являются каналы газификации, образуемые по простиранию или по падению пласта. В них совершается взаимодействие кислорода, додаваемого в каналы, с твердой фазой (с углем и различными химическими элементами окружающих пород).
Войдя в канал газификации, кислород подогревается. Двигаясь далее, он вступает в реакцию с углеродом угля, образуя окись и двуокись углерода.
Образовавшаяся двуокись углерода, а также водяной пар, поступающий из угольного пласта и окружающих пород, движутся далее по угольному каналу, омывают его раскаленную поверхность и частично восстанавливаются углеродом (соответственно до окиси углерода и водорода). При дальнейшем движении по каналу горючие газы нагревают уголь, в результате чего происходит термическое разложение его горючей массы с выделением летучих, поступающих в газовый поток. Далее эта смесь газов, имеющая еще достаточно высокую температуру, омывает остальную поверхность канала, производя подсушку угля. Таким образом, процесс газообразования в канале газификации можно условно разбить на четыре зоны: окисления (или горения), восстановления, термического разложения угля и сушки. Общий баланс энергии реакций автотермичен.
На рис. 13.3 показано изменение состава газа по длине горизонтального канала длиной 100 м. Опыт проводили на воздушном дутье с получением энергетического газа. Как видно, энергетический газ подземной газификации содержит горючие компоненты — водород, окись углерода и летучие продукты, которые условно принимаются за метан. Кроме того, в нем в незначительных количествах содержатся сероводород, непредельные углеводороды, аргон и др. Негорючие газы представлены кислородом (до 0,2%), двуокисью углерода (до 20—22%) и азотом. Концентрация последнего особенно значительна при ведении процесса на воздушном дутье и резко сокращается при обогащении дутья кислородом (табл. 13.1).