Подземная газификация угля (UCG) — это промышленный процесс, который преобразует уголь в продуктивный газ. UCG — это процесс газификации на месте , осуществляемый в неразработанных угольных пластах с использованием закачки окислителей и пара. Продуктивный газ выводится на поверхность через эксплуатационные скважины, пробуренные с поверхности. [1]
Преобладающими продуктами являются метан , водород , оксид углерода и диоксид углерода . Соотношения варьируются в зависимости от пластового давления, глубины залегания угля и баланса окислителей. Выходящий газ может сжигаться для производства электроэнергии. В качестве альтернативы выходящий газ может использоваться для производства синтетического природного газа, или водород и оксид углерода могут использоваться в качестве химического сырья для производства топлива (например, дизельного), удобрений, взрывчатых веществ и других продуктов.
Эту технологию можно применять к угольным ресурсам, которые в противном случае нерентабельны или технически сложны для извлечения традиционными методами добычи . UCG предлагает альтернативу традиционным методам добычи угля для некоторых ресурсов. Это было связано с рядом опасений со стороны защитников окружающей среды. [2]
Самое раннее упоминание об идее подземной газификации угля относится к 1868 году, когда сэр Уильям Сименс в своем обращении к Лондонскому химическому обществу предложил подземную газификацию отходов и угольного шлама в шахте. [3] [4] Русский химик Дмитрий Менделеев в течение следующих нескольких десятилетий развил идею Сименса. [4] [5]
В 1909–1910 годах американские, канадские и британские патенты были выданы американскому инженеру Энсону Г. Беттсу на «метод использования недобываемого угля». [4] [5] Первые экспериментальные работы по UCG планировалось начать в 1912 году в Дареме , Соединенное Королевство , под руководством лауреата Нобелевской премии сэра Уильяма Рэмзи . Однако Рэмзи не смог начать полевые работы по UCG до начала Первой мировой войны , и проект был заброшен. [4] [5]
В 1913 году работа Рамзая была замечена русским эмигрантом Владимиром Лениным , который написал в газете «Правда » статью «Великая победа техники», в которой обещал освободить рабочих от вредных работ в угольных шахтах путем подземной газификации угля. [4] [5] [6]
В период с 1928 по 1939 год подземные испытания проводились в Советском Союзе государственной организацией «Подземгаз». [6] Первое испытание с использованием камерного метода началось 3 марта 1933 года в Московском угольном бассейне на шахте Крутова. Это испытание и несколько последующих испытаний оказались неудачными. Первое успешное испытание было проведено 24 апреля 1934 года в Лисичанске , Донецкий бассейн , Донецким институтом углехимии. [5]
Первый опытно-промышленный процесс начался 8 февраля 1935 года в Горловке , Донецкий бассейн. Производство постепенно увеличивалось, и в 1937–1938 годах местный химический завод начал использовать полученный газ. В 1940 году были построены экспериментальные заводы в Лисичанске и Туле . [5] После Второй мировой войны советская деятельность достигла кульминации в работе пяти промышленных установок ПГУ в начале 1960-х годов. Однако впоследствии советская деятельность пошла на спад из-за открытия обширных ресурсов природного газа . В 1964 году советская программа была свернута. [5] По состоянию на 2004 год продолжали работу [обновлять]только Ангренский участок в Узбекистане и Южно-Абинский участок в России. [7]
После Второй мировой войны нехватка энергии и распространение результатов Советов вызвали новый интерес в Западной Европе и Соединенных Штатах. В Соединенных Штатах испытания проводились в 1947–1958 годах в Горгасе, штат Алабама . Эксперименты проводились в партнерстве между Alabama Power и Бюро горнодобывающей промышленности США . Эксперименты в Горгасе продолжались в течение семи лет до 1953 года, после чего Бюро горнодобывающей промышленности США прекратило их поддержку после того, как Конгресс США прекратил финансирование. Всего к 1953 году в ходе этих экспериментов было сожжено 6000 тонн угля. Эксперименты увенчались успехом в производстве горючего синтетического газа. [8] Эксперименты были возобновлены после 1954 года, на этот раз с гидроразрывом пласта с использованием смеси нефти и песка, но окончательно прекращены в 1958 году как неэкономичные. [9] С 1973 по 1989 год проводились обширные испытания. Министерство энергетики США и несколько крупных нефтегазовых компаний провели несколько испытаний. Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора провела три испытания в 1976–1979 годах на испытательном полигоне Хоу-Крик в округе Кэмпбелл, штат Вайоминг . [4] [5]
В сотрудничестве с Sandia National Laboratories и Radian Corporation Ливермор проводил эксперименты в 1981–1982 годах на шахте WIDCO около Сентралии, штат Вашингтон . [4] В 1979–1981 годах была продемонстрирована подземная газификация крутопадающих пластов около Роулинса, штат Вайоминг . Программа достигла кульминации в испытании в Скалистых горах в 1986–1988 годах около Ханны, штат Вайоминг . [5] [7]
В Европе метод потока был испытан в Буа-ла-Дам, Бельгия , в 1948 году и в Джераде , Марокко , в 1949 году . [7] Метод скважин был испытан в Ньюман Спинни и Бейтоне , Великобритания, в 1949–1950 годах. Несколько лет спустя была предпринята первая попытка разработать коммерческий пилотный план, P5 Trial, в Ньюман Спинни, Дербишир, в 1958–1959 годах. [5] [7] Проект Ньюман Спинни был одобрен в 1957 году и включал паровой котел и турбогенератор мощностью 3,75 МВт для выработки электроэнергии. [10] Национальный угольный совет отказался от схемы газификации летом 1959 года. [10] В 1960-х годах европейские работы прекратились из-за обилия энергии и низких цен на нефть, но возобновились в 1980-х годах. Полевые испытания проводились в 1981 году в Брюэ-ан-Артуа, в 1983–1984 годах в Ла-От-Дёль, Франция, в 1982–1985 годах в Тулине, Бельгия, и в 1992–1999 годах на полигоне Эль-Тремедаль, провинция Теруэль , Испания . [4] В 1988 году Комиссия Европейских сообществ и шесть европейских стран сформировали Европейскую рабочую группу. [7]
В Новой Зеландии в 1994 году в угольном бассейне Хантли был проведен небольшой эксперимент. В Австралии испытания проводились с 1999 года. [7] Китай реализовал крупнейшую программу с конца 1980-х годов, включающую 16 экспериментов. [4] [11]
Подземная газификация угля преобразует уголь в газ, пока он находится в угольном пласте ( in-situ ). Газ добывается и извлекается через скважины, пробуренные в неразработанном угольном пласте. Инжекционные скважины используются для подачи окислителей (воздуха, кислорода ) и пара для воспламенения и подпитки процесса подземного горения. Отдельные эксплуатационные скважины используются для выведения полученного газа на поверхность. [7] [12] Сжигание под высоким давлением проводится при температуре 700–900 °C (1290–1650 °F) , но может достигать и 1500 °C (2730 °F). [4] [7]
В ходе этого процесса уголь разлагается и образуется углекислый газ ( CO
2), водород ( H
2), оксид углерода (CO) и метан ( CH
4). Кроме того, в небольших количествах присутствуют различные загрязняющие вещества, в том числе оксиды серы ( SO
х), монооксиды азота ( NO
х) и сероводород ( H
2S ) производятся. [7] По мере того, как угольный забой горит и прилегающая к нему территория истощается, объемы впрыскиваемых окислителей контролируются оператором. [4]
Существует множество конструкций для подземной газификации угля, все из которых обеспечивают средства для впрыскивания окислителя и, возможно, пара в зону реакции, а также обеспечивают путь для контролируемого потока производственных газов на поверхность. Поскольку уголь значительно различается по своему сопротивлению потоку в зависимости от его возраста, состава и геологической истории, естественная проницаемость угля для транспортировки газа, как правило, недостаточна. Для высоконапорного дробления угля могут использоваться в различной степени гидроразрыв , электрическая связь и обратное сжигание. [4] [12]
Простейшая конструкция использует две вертикальные скважины: одну нагнетательную и одну эксплуатационную. Иногда необходимо установить связь между двумя скважинами, и распространенным методом является использование обратного сгорания для открытия внутренних путей в угле. Другой альтернативой является бурение боковой скважины, соединяющей две вертикальные скважины. [13] UCG с простыми вертикальными скважинами, наклонными скважинами и длинными отклоненными скважинами использовались в Советском Союзе. Советская технология UCG была далее разработана Ergo Exergy и испытана на участке Linc's Chinchilla в 1999–2003 годах, на заводе UCG Маджуба (2007) и в неудачном пилотном проекте UCG Cougar Energy в Австралии (2010).
В 1980-х и 1990-х годах метод, известный как CRIP (контролируемая точка втягивания и впрыскивания), был разработан (но не запатентован) Национальной лабораторией Лоуренса Ливермора и продемонстрирован в Соединенных Штатах и Испании . Этот метод использует вертикальную эксплуатационную скважину и расширенную боковую скважину, пробуренную направленно в угле. Боковая скважина используется для впрыскивания окислителей и пара, а точку впрыскивания можно изменить, втягивая инжектор. [13]
Carbon Energy была первой, кто принял систему, которая использует пару боковых скважин параллельно. Эта система позволяет обеспечить постоянное расстояние между нагнетательными и эксплуатационными скважинами, при этом постепенно добывать уголь между двумя скважинами. Этот подход призван обеспечить доступ к наибольшему количеству угля на скважину, а также обеспечивает большую последовательность в качестве добываемого газа. [14]
Новая технология была анонсирована в мае 2012 года разработчиком Portman Energy, в котором метод под названием SWIFT (Single Well Integrated Flow Tubing) использует одну вертикальную скважину как для доставки окислителя, так и для извлечения синтез-газа. Конструкция имеет один корпус колонн труб, закрытых и заполненных инертным газом, что позволяет контролировать утечки, предотвращать коррозию и передавать тепло. Серия горизонтально пробуренных боковых линий доставки окислителя в уголь и один или несколько трубопроводов для извлечения синтез-газа позволяют сжигать большую площадь угля одновременно. Разработчики утверждают, что этот метод увеличит производство синтез-газа до десяти (10) раз по сравнению с более ранними подходами к проектированию. Конструкция с одной скважиной означает, что затраты на разработку значительно ниже, а объекты и устья скважин сосредоточены в одной точке, что сокращает площадь подъездных путей, трубопроводов и занимаемую объектами площадь.[9] Патентное ведомство Великобритании рекомендовало опубликовать полную патентную заявку GB2501074 от Portman Energy 16 октября 2013 года.
Широкий спектр углей поддается процессу UCG, и сорта угля от лигнита до битуминозного могут быть успешно газифицированы. При выборе подходящих мест для UCG учитывается множество факторов, включая поверхностные условия, гидрогеологию, литологию, количество и качество угля. По словам Эндрю Бита из CSIRO Exploration & Mining, другие важные критерии включают:
По словам Питера Салланса из Liberty Resources Limited, ключевыми критериями являются:
Подземная газификация угля позволяет получить доступ к угольным ресурсам, которые не могут быть экономически извлечены другими технологиями, например, пласты, которые слишком глубокие, с низким содержанием или имеют тонкий профиль пласта. [4] По некоторым оценкам, UCG увеличит экономически извлекаемые запасы на 600 миллиардов тонн. [17] По оценкам Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, UCG может увеличить извлекаемые запасы угля в США на 300%. [18] Livermore и Linc Energy утверждают, что капитальные и эксплуатационные затраты UCG ниже, чем при традиционной добыче. [4] [19]
Газообразный продукт UCG используется для сжигания на электростанциях с комбинированным циклом газовых турбин (CCGT), при этом некоторые исследования предполагают эффективность энергоострова до 55%, а комбинированная эффективность процесса UCG/CCGT составляет до 43%. Электростанции CCGT, использующие газ-продукт UCG вместо природного газа, могут достигать более высокой производительности, чем электростанции , работающие на пылевидном угле (и связанные с ними предшествующие процессы), что приводит к значительному снижению выбросов парниковых газов (ПГ) . [ необходима цитата ]
Продуктивный газ ПГУ также может быть использован для:
Кроме того, углекислый газ, образующийся в качестве побочного продукта подземной газификации угля, может быть перенаправлен и использован для повышения нефтеотдачи . [ необходима ссылка ]
Подземный продуктный газ является альтернативой природному газу и потенциально предлагает экономию затрат за счет устранения добычи, транспортировки и твердых отходов. Ожидаемая экономия затрат может увеличиться, учитывая более высокие цены на уголь, обусловленные торговлей выбросами , налогами и другими мерами по сокращению выбросов, например, предложенной австралийским правительством Схемой сокращения загрязнения углеродом . [ необходима цитата ]
Cougar Energy и Linc Energy проводили пилотные проекты в Квинсленде, Австралия, на основе технологии UCG, предоставленной Ergo Exergy, пока их деятельность не была запрещена в 2016 году . [20] [21] [22] [23] [24] [25] Yerostigaz, дочерняя компания Linc Energy, производит около 1 миллиона кубических метров (35 миллионов кубических футов) синтетического газа в день в Ангрене, Узбекистан . Производимый синтетический газ используется в качестве топлива на Ангренской электростанции. [26]
В Южной Африке компания Eskom (совместно с Ergo Exergy в качестве поставщика технологий) эксплуатирует демонстрационную установку в рамках подготовки к поставкам коммерческих объемов синтетического газа для коммерческого производства электроэнергии. [27] [28] [29] African Carbon Energy [30] получила одобрение природоохранных органов на строительство электростанции мощностью 50 МВт недалеко от Теуниссена в провинции Фри-Стейт и готова подать заявку на участие в газовой программе Министерства энергетики США «Независимый производитель электроэнергии» (IPP) [31] , в которой UCG был выделен в качестве варианта поставок внутреннего газа.
ENN успешно реализовала пилотный проект в Китае. [ необходима ссылка ]
Кроме того, есть компании, разрабатывающие проекты в Австралии, Великобритании, Венгрии, Пакистане, Польше, Болгарии, Канаде, США, Чили, Китае, Индонезии, Индии, Южной Африке, Ботсване и других странах. [27] По данным Zeus Development Corporation, более 60 проектов находятся в разработке по всему миру.
Устранение горных работ устраняет проблемы безопасности шахт. [32] По сравнению с традиционной добычей и переработкой угля, подземная газификация угля устраняет повреждение поверхности и выброс твердых отходов, а также снижает выбросы диоксида серы ( SO
2) и оксид азота ( NO
х) выбросов. [4] [33] Для сравнения, содержание золы в синтез-газе UCG оценивается примерно в 10 мг/м 3 по сравнению с дымом от традиционного сжигания угля, где содержание золы может достигать 70 мг/м 3 . [18] Однако операции UCG нельзя контролировать так же точно, как поверхностные газификаторы. Переменные включают скорость притока воды, распределение реагентов в зоне газификации и скорость роста полости. Их можно оценить только на основе измерений температуры и анализа качества и количества получаемого газа. [4]
Просадка является общей проблемой для всех форм добывающей промышленности. В то время как UCG оставляет золу в полости, глубина пустоты, остающейся после UCG, как правило, больше, чем при других методах добычи угля. [4]
Подземное сжигание производит NO
хи так
2и снижает выбросы, в том числе кислотные дожди .
О выбросах CO в атмосферу
2Сторонники UCG утверждают, что этот процесс имеет преимущества для геологического хранения углерода . [4] Сочетание UCG с технологией CCS ( улавливание и хранение углерода ) позволяет повторно закачивать часть CO
2на месте в высокопроницаемую породу, образовавшуюся в процессе горения, т.е. полость, где раньше находился уголь. [34] Загрязняющие вещества, такие как аммиак и сероводород , могут быть удалены из полученного газа при относительно низких затратах. [ необходима цитата ]
Однако по состоянию на конец 2013 года CCS так и не был успешно реализован в коммерческих масштабах, поскольку он не входил в сферу проектов UCG, а некоторые из них также привели к экологическим проблемам. В Австралии в 2014 году правительство подало иски о предполагаемом серьезном экологическом вреде, нанесенном пилотным заводом по подземной газификации угля Linc Energy около Чинчиллы в продовольственном центре Квинсленда Дарлинг-Даунс. [35] Когда в апреле 2016 года UCG был запрещен, министр горнодобывающей промышленности Квинсленда д-р Энтони Линхэм заявил: «Потенциальные риски для окружающей среды Квинсленда и наших ценных сельскохозяйственных отраслей намного перевешивают любые потенциальные экономические выгоды. Деятельность UCG просто не выдерживает дальнейшего использования в Квинсленде». [25]
Между тем, как было отмечено в статье в журнале Bulletin of Atomic Sciences в марте 2010 года, UCG может привести к огромным выбросам углерода. «Если бы дополнительные 4 триллиона тонн [угля] были извлечены без использования улавливания углерода или других технологий смягчения последствий, уровень углекислого газа в атмосфере мог бы увеличиться в четыре раза», — утверждалось в статье, «что привело бы к повышению средней глобальной температуры на 5–10 градусов по Цельсию». [36] [37]
Загрязнение водоносного горизонта является потенциальной экологической проблемой. [4] [38] Органические и часто токсичные материалы (такие как фенол ) могут оставаться в подземной камере после газификации, если камера не выведена из эксплуатации. Вывод из эксплуатации и восстановление участка являются стандартными требованиями при утверждении разработки ресурсов, будь то UCG, нефть и газ или горнодобывающая промышленность, а вывод из эксплуатации камер UCG относительно прост. Фенольный фильтрат представляет собой самую значительную экологическую опасность из-за его высокой растворимости в воде и высокой реакционной способности к газификации. Институт Лоуренса Ливермора Министерства энергетики США провел ранний эксперимент UCG на очень небольшой глубине и без гидростатического давления в Хоу-Крик, штат Вайоминг . Они не вывели этот участок из эксплуатации, и испытания показали наличие загрязняющих веществ (включая канцерогенный бензол ) в камере. Камера была позже промыта, и участок успешно восстановлен. Некоторые исследования показали, что сохранение небольших количеств этих загрязняющих веществ в грунтовых водах является кратковременным и что грунтовые воды восстанавливаются в течение двух лет. [33] Тем не менее, надлежащей практикой, подкрепленной нормативными требованиями, должна быть промывка и вывод из эксплуатации каждой камеры, а также восстановление участков ПГУ.
Новейшие технологии и методы UCG заявляют о решении экологических проблем, таких как проблемы, связанные с загрязнением грунтовых вод, путем внедрения концепции «Чистая пещера». [39] Это процесс, при котором газификатор самоочищается с помощью пара, образующегося во время работы, а также после вывода из эксплуатации. Другой важной практикой является поддержание давления подземного газификатора ниже давления окружающих грунтовых вод. Разница давлений заставляет грунтовые воды непрерывно поступать в газификатор, и никакие химикаты из газификатора не могут вытекать в окружающие слои. Давление контролируется оператором с помощью клапанов давления на поверхности. [39]
«За пределами фрекинга», статья в New Scientist (Фред Пирс), 15 февраля 2014 г.