Подземная газификация

ПОДЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ полезных ископаемых (а. in-situ gasification, underground gasification; н. Untertagevergasung; ф. gazefication souterraine; и. gasificacion subterranea) — способ разработки месторождений полезных ископаемых (угля, сланцев, серы и других ископаемых, содержащих горючие компоненты), основанный на физико-химических превращениях полезных ископаемых в газообразные и жидкие продукты с помощью воздуха, водяного пара, кислорода или их смесей при высокой температуре. Подземная газификация — сложный комплексный процесс, включающий прогрев залежи, удаление влаги и легколетучих компонентов, перевод в жидкую фазу легкоплавких компонентов, процессы гетерогенного и гомогенного горения, фильтрации газов, взаимодействия компонентов газовой фазы, механическое растрескивание и обрушение пород вследствие температурного воздействия, конденсацию летучих веществ и других явлений в зависимости от состава залежи и горно-геологических условий.

Важнейшая черта всех способов подземной газификации — их автотермичность, что позволяет поддерживать процесс без подвода тепла извне, за счёт экзотермических реакций части горючих компонентов залежи с кислородом дутья. Основным продуктом подземной газификации угля является горючий газ; сланцев и битумов — горючий газ, жидкое топливо, смолы, масла, фенолы и другие продукты; серы — сернистый ангидрид, жидкая и парообразная сера.

По способу вскрытия и подготовки залежи к подземной газификации различают шахтные, скважинные и комбинированные схемы. В плотных, малопроницаемых залежах производят дополнительное дробление полезных ископаемых буровзрывным способом, огневую или гидравлическую сбойку. Основное оборудование, применяемое при подземной газификации: компрессоры и воздуходувки для подачи дутья в залежь, скрубберы и циклоны для очистки и обеспыливания газа, конденсаторы для получения жидких и твёрдых продуктов.

Наибольшие объёмы подземной газификации приходятся на ископаемые угли (см. Газификация углей). Идея подземной газификации углей выдвинута Д. И. Менделеевым в 1888, в Великобритании эксперименты в этой области проводились в 1910-15 У. Рамзаем. Подземная газификация и подземная перегонка сланцев впервые опробована в США в 1910. В CCCP успешные опыты по подземной газификации прибалтийских сланцев проведены в 1956, в ФРГ попытка подземной газификации сланцев предпринята в 1958-59. В США с 80-х гг. ведутся работы по подземной газификации сланцев и битумов. В CCCP проводятся эксперименты по подземной газификации менилитовых сланцев Закарпатья.

При подземной газификации сланцев из 1 т сланца (CCCP, Прибалтика) получают 240 м³ газа и 11,2 кг смолы; в дутьевые периоды — низкокалорийный газ, в бездутьевые периоды — высококалорийный газ с содержанием водорода до 32,6% и метана 13,6%. Идея подземной газификации серы для получения сернистого газа как сырья для производства серной кислоты и попутного получения элементарной серы выдвинута американским инженером Даббсом (1895). Практическая попытка подземной газификации серы предпринята Д. Фьори (Италия, 1910), однако, вследствие низкого выхода серы и её загрязнённости, опыт не получил распространения. В 60-х гг. эксперименты в области подземной газификации проводились в США (Миллер, Уайт и Mocc). В CCCP аналогичные эксперименты (рис. 1) велись в 1976-77 на Гаурдакском месторождении.

При подземной газификации серных залежей выделяется зона горения серы, зона плавления серы, зона твердой серы, зона выгоревшей руды (рис. 2).

Появление этих пространственно разделенных зон обусловлено неравномерным распределением температуры залежи в процессе подземной газификации, изменение которой с расстоянием от дутьевой скважины имеет вид т.н. тепловой волны (рис. 3).

Границы между зонами соответствуют изотермам плавления (119°С), кипения (444,6°С) и полному выгоранию серы. В каждой из физико-химических зон выделяют преобладающий процесс: прогрев залежи, плавление, кипение и горение серы, остывание залежи. При подземной газификации серы получают сернистый газ концентрации 5-15%. (CCCP, Гаурдакский серный завод), удовлетворяющий требованиям сернокислотного производства.

Основные преимущества подземной газификации: низкие затраты на вскрытие залежей (по сравнению с шахтной и открытой добычей), низкие энергозатраты вследствие автотермичности процессов газификации, сохранность плодородного слоя почвы в пределах горного отвода, чистота воздушного бассейна. Недостатки: сложность управления внутрипластовым движущимся очагом горения, возможность утечки газа через трещины в кровле залежи, необходимость высокой естественной или искусственной проницаемости залежи. Возможность реализации способов подземной газификации практически не зависит от глубины залегания полезных ископаемых, поэтому актуальность их развития возрастает по мере исчерпания запасов, доступных для традиционных методов.