История газификации углей

Прямой метод подземной газификации угля имеет самый высокий к. п. д., однако он может применяться при сравнительно высокой начальной проницаемости угольного пласта.

При обращенном методе подземной газификации угля кислород дутья расходуется на реагирование не только с коксовым остатком, но и с газообразными горючими компонентами. Обращенный метод обладает недостатками по сравнению с прямым методом, которые заключаются в том, что расход дутья на единицу тепла в образующемся газе выше, теплота сгорания этого газа ниже, нерационально используется тепло, выделяющееся в процессе газификации.

Если при прямом методе проницаемость пласта в процессе его разогрева и газификации постоянно возрастает, то при обращенном методе она остается постоянной.

При поточном методе подземной газификации угля, так же как и при обращенном, кислород дутья расходуется на реагирование с коксовым остатком и с горючими газообразными продуктами газификации. Однако большая часть кислорода все же расходуется на реагирование с коксовым остатком. По тепловым и химико-технологическим особенностям поточный метод занимает промежуточное положение между прямым и обращенным. Если при прямом методе в результативном газе практически полностью сохранились летучие горючие компоненты, образовавшиеся на стадии коксования угля без доступа воздуха в последующих зонах газификации, то при обращенном методе они в большей части прореагировали с кислородом. При поточном методе в результативном газе находятся как /летучие газы коксования, так и газовые продукты реакции кислорода с коксом.

Одним из преимуществ поточного метода является возможность реверсирования воздушного дутья без изменения химико-технологической сущности процесса газификации.

На сегодняшний день подземная газификация угля является конкурентоспособной технологией, в результате использования которой производятся бензин, дизельное и авиационное топлива, электричество и множество различных химических веществ. Для подземной газификация угля не требуется внешнего источника воды, что является основным положительным фактором для сохранения окружающей среды в противоположность водоёмким процессам добычи, переработки угля и получения электроэнергии на угольных ТЭС.

Сегодня мировой лидер в сфере подземной газификации угля – Linc Energy (Австралия) – реализует проекты по всему миру: в США, Канаде, Польше, ЮАР, Вьетнаме, Великобритании, Узбекистане).

5. Петроэнергетика. Глубинное тепло земли и возможности его использования

Все известные невозобновляемые энергетические запасы Земли это ограниченные ресурсы недр. Их современный лимит исчисляется десятилетиями. А что потом? Буквально на глубине нескольких километров температура пород достаточна для экономически выгодного получения тепла. Используемые сегодня гидрогеологические ресурсы составляют всего 1 % общих ресурсов геотермальной энергии. Неисчерпаемая тепловая энергия Земли – основа будущей энергетики. Для страны она может стать постоянным, надежным источником обеспечения дешевыми и доступными электроэнергией и теплом при использовании новых высоких, экологически чистых технологий по ее извлечению и поставки потребителю. Процесс извлечения и использования невозобновляемых природных энергетических ресурсов в мире происходит очень быстрыми темпами. Мощная мировая промышленность с каждым годом потребляет все больше и больше энергетического сырья. Если говорить о потребностях в органических ресурсах, то они очень велики в индустриально развитых и развивающихся странах (США, Япония, государства объединенной Европы, Китай, Индия и др.). США, например, в 1950 г. обеспечивали себя на 91% полезными ископаемыми, добываемыми на собственной территории, а спустя 60 лет около двух третей потребностей в ресурсах эта страна удовлетворяет за счет других государств.

Слово "нефть" стало самым упоминаемым в политических сообщениях. И не случайно, запасы нефти и природного газа на суше значительно сократились. Теперь основные их запасы сосредоточены на континентальном шельфе.

В России, являющейся одной из богатейших стран в мире по энергетическим ресурсам, фактор несовпадения хозяйственных потребностей и природных возможностей пока не существует. Однако извлечение невозобновляемого органического сырья из недр происходит очень быстро. Если в 1940–1960-е годы основными нефтедобывающими районами были "Второе Баку" в Поволжье и Предуралье, то начиная с 1970-х годов и по настоящее время таким районом является Западная Сибирь. Но и здесь сегодня происходит падение добычи углеводородного сырья. Уходит в прошлое эпоха "сухого" сеноманского газа. Прежний этап экстенсивного развития добычи природного газа подошел к завершению. Извлечение газа из таких месторождений-гигантов как Медвежье, Уренгойское и Ямбургское составило соответственно 84, 65 и 50%. Удельный вес запасов нефти, благоприятных для разработки, во времени также снижается. Однако сырьевая база нефтяной и газовой промышленности сохранила количественные параметры, необходимые для добычи нефти и газа в России. В связи с освоением месторождений с более сложными горно-геологическими условиями себестоимость добычи углеводородного сырья будет расти.

Большая часть добываемых из недр невозобновляемых ресурсов используется как топливо для энергетических установок. В первую очередь это природный газ, доля которого в структуре топлива составляет 64%. В России 70% электроэнергии вырабатывается на ТЭС, на получение тепла расходуется углеводородного топлива в 3–4 раза больше, чем на производство электроэнергии. Энергетические предприятия страны ежегодно сжигают около 500 млн. т у. т. (тонн условного топлива) в целях получения электроэнергии и тепла.

Топливопотребление с каждым годом будет увеличиваться. Это тот случай, когда вспоминаются слова великого Д.И.Менделеева "о сжигании ассигнаций". Для получения электроэнергии и тепла в мире ежесуточно сжигаются более одного миллиона тонн угля и нефти, миллиарды кубометров природного газа. Но далеко не вся тепловая энергия, полученная от сгорания углеводородов, эффективно используется. Почти половина ее "вылетает в трубу" и рассеивается в пространстве. А такой вид топлива, как уголь, при сгорании поглощает из воздуха большое количество кислорода и загрязняет окружающую среду.

Количеству теплоты, получаемое от сгорания названных объемов углеводородного сырья, эквивалентно использованию сотен тонн ядерного топлива – разница огромна. Однако ядерная энергетика требует обеспечения экологической безопасности (исключения повторения Чернобыля) и защиты ее от возможных террористических актов, а также осуществления безопасного и дорогостоящего вывода из эксплуатации устаревших и отработавших свой срок энергоблоков АЭС. Доказанные извлекаемые запасы урана в мире составляют порядка 3 млн. 400 тыс. т. За весь предшествующий период (до 2007 г.) его добыто около 2 млн. т.

Все известные невозобновляемые энергетические запасы Земли это ограниченные ресурсы недр. Их современный лимит исчисляется десятилетиями. Объективные факторы и тенденции развития энергетики позволяют предположить, что в первой половине двадцать первого века произойдет полный или почти полный переход на нетрадиционные источники энергии. Нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, а тем более древесина и продукты ее переработки практически будут исключены из энергетических ресурсов.

Энергетический апокалипсис не за горами – в Европе его ждут к 2030 г.  
Возросший в последние десятилетия в мире интерес к альтернативным источникам энергии вызван не только истощением запасов углеводородного топлива, но и необходимостью решения экологических проблем. Объективные факторы (резервы ископаемого топлива и урана, а также изменение окружающей среды, вызванные традиционной огневой и атомной энергетикой) позволяют утверждать, что переход к новым способам и формам получения энергии является неизбежным. Чем раньше будет сделан прорыв в этом направлении – тем менее болезненным он будет для всего общества и более выгодным для страны, где это произойдет.

Мировая экономика в настоящее время взяла курс на переход к рациональному сочетанию традиционных и новых источников энергии. Энергопотребление в мире к 2000 г. составило более 18 млрд. т у. т., а энергопотребление к 2025 г. может возрасти до 30 -38 млрд. т у. т., по прогнозным данным, к 2050 г. возможно потребление на уровне 60 млрд. т у. т. Характерной тенденций развития мировой экономики в рассматриваемый период являются систематическое снижение потребления органического топлива и соответствующий рост использования нетрадиционных энергетических ресурсов. Неисчерпаемая тепловая энергия Земли занимает среди них одно из первых мест.

Весьма богатые, по сравнению с другими странами, топливные ресурсы России пока обеспечивают развитие отечественной энергетики и необходимый стране экспорт энергоресурсов. Освоение новых источников энергии еще не стало у нас действительно острой необходимостью. Это не должно влиять на развитие работ по освоению нетрадиционных, неисчерпаемых геотермальных ресурсов.

Ресурсы геотермальной энергии разделяются на гидротермальные и петротермальные. Первые из них представлены теплоносителями, как подземные воды, пар и пароводяные смеси. Вторые представляют собой геотермальную энергию, содержащуюся в раскаленных горных породах. Гидрогеологические ресурсы составляют всего 1 % общих ресурсов геотермальной энергии. Принятая в нашей стране и за рубежом фонтанная технология (самоизлив) добычи природного пара и геотермальных вод проста, но неэффективна.

Гидротермальные источники энергии могут быть задействованы лишь в районах молодого и современного вулканизма, крупных разломов земной коры с высокими геотермальными параметрами (температура, дебит), где геотермальные воды находятся сравнительно не глубоко от поверхности и доступны буровой современной технике. Срок службы скважин во многих странах не достигает 10 лет. Использование гидротермальных, как правило, минерализованных источников в качестве теплоносителя приводит к зарастанию скважинных зон оксидом железа, карбонатом кальция и силикатными образованиями. Проблемы эрозии, коррозии и солеотложений отрицательно сказываются на работе другого технологического оборудования. Кроме того, все источники гидротермальной энергии в подавляющем большинстве отдалены от потребителя. Поэтому фонтанная технология не может служить основой широкого освоения геотермальных ресурсов. Месторождения пара – редкость, его известные и прогнозные запасы невелики.

В то же время опыт подтверждает, что при наличии неглубоких коллекторов природного пара строительство геотермальных теплоэлектростанций (ГеоТЭС) представляет собой наиболее выгодный вариант использования гидротермальной энергии. Так как при малом дебите самоизливающихся скважин их теплопродукция может окупить затраты на бурение лишь при небольшой глубине геотермальных коллекторов с высокой температурой в районах термоаномалий. Эксплуатация таких станций показала их конкурентноспособность по сравнению с другими типами энергоустановок. Поэтому использование запасов геотермальных вод и парогидротерм в нашей стране на Камчатке, на островах Курильской гряды, в регионах Северного Кавказа, возможно и в других районах, целесообразно и своевременно.  
По предварительным оценкам, на территории Российской Федерации прогнозные запасы термальных вод с температурой 40–250°С, минерализацией 35–200 г/л и глубиной залегания до 3 км составляют 21–22 млн. мУсут, что эквивалентно 45–280 млн.ту.т. в год.  
Прогнозные запасы паровоздушной смеси с температурой 150–250°С на Камчатке и Курильских островов составляет 500 тыс. мУсут, а запасы термальных вод с температурой 40–100°С – 150 тыс. мУсут.

Первоочередными для освоения считаются запасы термальных вод с дебитом около 8 млн. мУсут, с минерализацией до 10 г/л и температурой выше 50°С.  
Огромное значение для энергетики будущего имеет извлечение тепловой энергии, практически неисчерпаемых, петротермальных ресурсов. Эта геотермальная энергия, заключенная в твердых "сухих" горячих породах и составляет около 99% от общих ресурсов подземной тепловой энергии. На глубине до 4–6 км горячие породы с температурой 100–150°С распространены почти повсеместно, а с температурой 180–200°С на довольно значительной части Российской Федерации. Этого вполне достаточно для целей теплоснабжения.

Этот потенциальный источник энергии имеет следующие преимущества:

• повсеместное распространение; неисчерпаемость;

• приближенность и приспособляемость к потребителю;

• сравнительно низкая капиталоемкость;

• относительно низкая трудоемкость разработки; безотходность;

• безопасность в эксплуатации; экологическая чистота.

К недостаткам можно отнести нетранспортабельность, невозможность складирования, отсутствие опыта промышленного использования в России.

На протяжении миллиардов лет ядерные, гравитационные и другие процессы внутри Земли генерировали и генерируют тепловую энергию. Непрерывная генерация внутриземного тепла компенсирует ее внешние потери, служит источником накопления геотермальной энергии и определяет возобновляемую часть ее ресурсов. Общий потенциал геотермальной энергии является практически неисчерпаемым, поскольку определяется как общее количество теплоты которой располагает Земля.

Разумеется, значительный интерес вызывает та его часть, которая отвечает современным техническим возможностям проникновения в глубинные недра планеты.  
Ориентируясь на достигнутые успехи традиционной технологии бурения и перспективные технологии глубокого и сверхглубокого бурения, резонно ограничить технически доступные ресурсы петротермальной энергии общим теплосодержанием верхних 10–12 км земной коры в пределах суши.

Общий ресурс тепловой энергии Земли, размещенных на глубинах до 10 км, эквивалентен тепловому потенциалу сжигания 34,1x10 в девятой степени млрд. т у. т. Это в несколько тысяч раз больше тепловой способности всех известных запасов топлива на Земле.  
Неслучайно в последние десятилетия в мире рассматривается направление более эффективного использования энергии глубинного тепла Земли с целью частичной замены природного газа, нефти, угля. Это станет возможным не только в районах с высокими геотермальными параметрами (температура, дебит), но и в любых районах земного шара при бурении нагнетательных и эксплуатационных скважин и создании между ними циркуляционных систем.

Разумеется, для эффективной работы таких систем необходимо иметь или создать в зоне отбора теплоты достаточно развитую теплообменную поверхность. Такой поверхностью обладает нередко встречающиеся на указанных выше глубинах пористые пласты и зоны естественной трещиноватости, проницаемость которых позволяет организовать  
принудительную фильтрацию теплоносителя с эффективным извлечением энергии горных пород, а также искусственно создать обширные теплообменные поверхности в слабопроницаемых массивах методом гидравлического разрыва (гидроразрыв).

Извлечение энергии горячих слабопроницаемых горных пород методом гидроразрыва основано на технологии широко применяемой в нефтегазовой промышленности как способа повышения проницаемости пластов для увеличения дебита добычных скважин и повышения нефтеотдачи при разработке и эксплуатации нефтегазовых месторождений.  
Отечественная идея извлечения основных петротермальных ресурсов, заключенных в твердых породах, была высказана еще в 1914 г. Э.К.Циолковским, а в 1920 г. петротермальная циркуляционная система (ПЦС) в горячем гранитном массиве описана В.А.Обручевым.