Способ очистки подземных вод в отработанном пространстве подземного газогенератора

Способ очистки подземных вод в отработанном пространстве подземного газогенератора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области горного дела и прежде всего к подземной газификации угля (ПГУ) и предотвращению загрязнения подземных вод ее химическими продуктами (фенолы, аммоний и др.) после завершения выгазовывания угольного пласта.

Известными гидрохимическими исследованиями [Крейнин Е.В. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекаемых топлив: уголь, углеводородное сырье. Москва, ООО «ИРЦ Газпром», 2004, с.177-182] было установлено, что в подземных водах отработанного подземного газогенератора содержалось 7-8 мг/л аммония и 0,004 мг/л фенолов, что в 4-5 раз превышает предельно допустимые концентрации (ПДК). В практике работы Южно-Абинской станции «Подземгаз» эти подземные воды не очищались, так как согласно фильтрационной математической модели концентрация фенолов постепенно (во времени) снижалась до предельно допустимой (0,001 мг/л). Специальных мероприятий по нейтрализации подземных вод и очистке от химических загрязнителей не предусматривалось.

Из группы химических загрязнителей особенно опасны фенолы из-за относительно хорошей их растворимости в воде. Опасны также и другие химические ароматические соединения.

Методы глубокой очистки можно разделить на две основные группы: регенеративные и деструктивные. Наиболее распространены деструктивные методы. Известен метод озонирования для глубокой очистки воды от фенолов [Галуткина К.А., Немченко А.Г, Рубинская Э.В. и др. Использование метода химического окисления в процессе очистки сточных вод нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Тематический обзор. Москва, ЦНИИТЭНефтехим, 1979]. С помощью озонирования можно достичь очистки сточных вод от фенолов до уровня, близкого к ПДК (0,05÷0,001 мг/л). К недостаткам метода озонирования относятся: высокая стоимость озона, его токсичность, малое время жизни молекул озона и др.

Известна также неплохая окисляемость фенолов в сточных водах кислородом воздуха. При должных технологических параметрах окисление фенолов можно довести до образования CO₂ и Н₂O.

К деструктивным методам очистки относится также и биологическая очистка. Сущность ее заключается в биохимическом окислении органических (ароматических) и аммонийных соединений в присутствии бактерий - минерализаторов [Шарифуллин В.Н., Зитдинов Н.Н. Интенсификация биохимической очистки фенолсодержащих сточных вод. Химическая промышленность. 2000, №4, с. 41-42].

На Южно-Абинской станции «Подземгаз» концентрированный газовый конденсат содержал до 2000 мг/л фенолов и 5000 мг/л аммония. После предварительной очистки от смол и твердых частиц в отстойниках очищаемая вода содержала около 200 мг/л фенолов и до 3000 мг/л аммония. Для окончательной очистки сточные воды подвергались биохимической очистке, применяемой на металлургических предприятиях [Лейбович Р.Е., Обуховский Я.М., Сатановский С.Я. Технология коксохимического производства. Москва, Металлургия, 1966, с.326-340]. Ограничительными особенностями этого известного решения являются:

- необходимость очистки сточных вод в наземном комплексе;

- концентрация химических загрязнителей в подземных водах отработанного газогенератора на порядки меньше, чем в конденсате, извлекаемом вместе с газом ПГУ, но все-таки превышает соответствующие ПДК.

Задачей данного изобретения является выявление универсального решения тонкой очистки подземных вод непосредственно в отработанном пространстве подземного газогенератора, завершившего рабочую эксплуатацию.

Технический результат - предотвращение загрязнения подземных вод химическими загрязнителями, генерируемыми в процессе газификации угля и остающимися в отработанном пространстве подземного газогенератора.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в способе очистки подземных вод в отработанном пространстве подземного газогенератора, характеризующемся использованием биологического метода разложения и нейтрализации химических загрязнителей, генерируемых в процессе газификации угля в едином подземном газогенераторе с первоначальным реакционным каналом газификации и серией скважин, включающей поперечную наклонно-горизонтальную, дутьевые, газоотводящие и, по меньшей мере, одну вертикальную скважины, после завершения процесса газификации угля и заполнения отработанного пространства подземного газогенератора подземными водами, через скважины в подземные воды отработанного пространства подземного газогенератора периодически вводят бактериальную среду, при этом тип бактерий бактериальной среды выбирают с учетом состава и концентраций химических загрязнителей в подземных водах, для чего периодически через скважины отбирают их пробы и подвергают химическому анализу.

Способствует достижению технического результата то, что:

- поддерживают в подземных водах отработанного пространства подземного газогенератора щелочную среду с рН=7,5÷9 путем подачи через скважины в подземные воды отработанного пространства подземного газогенератора раствора

Na₂СО₃;

- объем подземных вод в отработанном пространстве подземного газогенератора периодически перемешивают нагнетанием воздуха в одни скважины и его отводом через другие скважины;

- используют в качестве скважин для нагнетания воздуха розжиговые скважины первоначального реакционного канала газификации - поперечную наклонно-горизонтальную и/или, по меньшей мере, одну вертикальную скважины, а в качестве скважин для отвода воздуха - дутьевые и/или газоотводящие скважины;

- введение бактериальной среды в подземные воды отработанного пространства подземного газогенератора прекращают после снижения в них концентрации химических загрязнителей ниже предельно допустимых значений.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с известными показывает, что данный способ в предложенной совокупности существенных признаков формулируется впервые и позволяет осуществить очистку подземных вод непосредственно в выгазованном пространстве подземного газогенератора с учетом использования его специфических особенностей для выполнения отдельных операций, что указывает на соответствие предложения критерию «новизна».

Способ соответствует также критерию «изобретательский уровень», так как не выявлены в уровне техники решения, из которых известны признаки, позволяющие осуществить биологическую очистку подземных вод непосредственно в отработанном пространстве подземного газогенератора экологически чистым методом.

Способ иллюстрируется следующими графическими изображениями.

На фиг.1 представлена динамика миграции фенолов и аммония от отработанного газогенератора Южно-Абинской станции «Подземгаз».

На фиг.2 показана принципиальная схема подземного газогенератора, завершившего свою эксплуатацию (в плоскости угольного пласта).

На фиг.3 приведены фактические данные по концентрации фенолов в подземной воде, извлекаемой из выработанного пространства подземного газогенератора с помощью погружного насоса и эрлифта.

Рассмотрим представленные иллюстрации по предлагаемому способу. Согласно фактическим данным, приведенным на фиг.1, концентрация аммония и фенолов в центре остановленного газогенератора составляет соответственно 7 и 0,0042 мг/л, и только на расстоянии 200 м они снижаются до предельно допустимых концентраций, соответственно 2 и 0,001 мг/л.

Задача заключается в поиске способа минимизации концентрации упомянутых загрязнителей до ПДК непосредственно в отработанном пространстве подземного газогенератора.

На фрагменте подземного газогенератора (фиг.2) показана серия скважин единого подземного газогенератора с первоначальным реакционным каналом газификации, представленная газоотводящими 1 и дутьевыми 2 скважинами, которые могут быть наклонно направленными или наклонно-горизонтальными соответственно для наклонных и горизонтальных угольных пластов. Дутьевые 2 и газоотводящие 1 скважины изначально пересекаются поперечной наклонно-горизонтальной скважиной 3, с которой соединены вертикальные скважины 4.

Конечная стадия завершающей (заключительной) газификации представлена конечной линией 5 выгазовывания угольного пласта, ограничивающей отработанное пространство (выгазованный объем) 6.

Выгазованное (отработанное) пространство (выгазованный объем) 6 заполнено золой, обрушившейся кровлей и подземными водами.

Способ осуществляется следующим образом.

После завершения процесса газификации угля и продвижения линии выгазовывания угольного пласта от первоначального реакционного канала газификации (горизонтальный участок поперечной наклонно-горизонтальной скважины 3) до конечной линии 5 выгазовывания угольного пласта, выгазованный объем 6 заполняется подземными водами. Учитывая разогретое состояние пород кровли и почвы в выгазованном пространстве, наличие раскаленной угольной поверхности на завершающей стадии газификации, а также отсутствие выноса конденсата из газоотводящих скважин 1, концентрация химических загрязнителей в подземной воде выгазованного объема 6 остается превышающей ПДК (фиг.1).

Нейтрализация или утилизация химических загрязнителей возможна путем откачки подземных вод с использованием вертикальных скважин, например 4, и очистки в поверхностном комплексе. Этот вариант, во-первых, требует больших затрат и, во-вторых, недостаточно экологически чист.

Предлагаемый способ решает проблему нейтрализации загрязненных подземных вод непосредственно в отработанном подземном газогенераторе. При этом главное внимание уделяется фенолам, отличительной особенностью которых является хорошая растворимость в воде, и аммонию. В присутствии бактерий - минерализаторов ароматическая органика и аммонийный азот подвергаются биохимическому окислению (расщеплению).

Согласно предложенному способу в эксплуатационные скважины отработанного газогенератора вводят бактериальную среду (специальные бактерии). Бактерии стихийно распределяются в объеме подземных вод, заполнивших отработанное пространство 6 подземного газогенератора. Ферменты, вырабатываемые микроорганизмами бактерий, катализируют биохимическое окисление (расщепление) фенолов. В зависимости от состава и концентраций химических загрязнителей, определяемых в периодически отбираемых пробах подземных вод из скважин отработанного газогенератора, используют микроорганизмы в основном двух видов: активный ил, представляющий собой комплекс простейших бактерий, и культуры специфических бактерий, обладающих высокоэффективными фенолоразрушающими свойствами. Возможны и другие варианты бактериальной среды. При этом для ввода бактерий используют скважины единого подземного газогенератора с первоначальным реакционным каналом газификации (поперечную наклонно-горизонтальную 3, вертикальные 4, а также дутьевые 2 и газоотводящие 1 скважины).

Ввод бактерий периодически повторяют по мере заполнения выработанного пространства 6 подземными водами.

Создание щелочной среды (рН=7,5÷9), при которой обеспечивается наиболее активное расщепление фенолов, достигается путем ввода в выработанное пространство 6 через скважины раствора Na₂СО₃.

Для усреднения состава подземных вод в выработанном пространстве 6 подземного газогенератора, в том числе введенных в него бактерий и Na₂CO₃, объем подземных вод необходимо перемешивать. С этой целью в одни скважины, например розжиговые первоначального реакционного канала газификации (поперечную наклонно-горизонтальную 3, вертикальные 4 скважины), периодически подают воздух, а отводят его через другие скважины, например дутьевые 2 и газоотводящие 1 скважины. При этом указанная схема подачи и отвода воздуха более предпочтительна (создаются лучшие условия для барботировния), поскольку введение воздуха происходит на горизонте розжига, а вывод - на конечной линии 5 выгазовывания угольного пласта, на которой к этому моменту (конечной стадии газификации) расположены нижние концы скважин 1, 2.

Барботирование воздуха через слой подземных вод интенсифицирует их биохимическую очистку. Так, согласно специально проведенному эксперименту на промышленном газогенераторе Южно-Абинской станции «Подземгаз» зафиксировано снижение концентрации фенолов в подземных водах, отбираемых из скважины эрлифтом, по сравнению с вариантом откачки воды насосом. Из экспериментальных данных на фиг.3 следует, что в первом случае концентрация фенолов в извлекаемой воде в 3-5 раз ниже, чем при ее откачке насосом.

После снижения концентрации химических загрязнителей до уровня ПДК бактериальную подпитку подземных вод прекращают, а контроль за их составом продолжают еще в течение некоторого времени.

При наличии на участке газификации других скважин (гидронаблюдательных, дренажных, заградительных) из них также производят отбор проб подземных вод для определения состава и концентрации химических загрязнителей.

Реализация предлагаемого способа нейтрализации подземных вод в подземном газогенераторе после завершения его эксплуатации решает одну из важных экологических проблем. После выгазовывания угольного пласта методом ПГУ гидросфера остается чистой, отвечающей требованиям питьевого водоснабжения.

Предлагаемый способ использован в проектах предприятий ПГУ, обеспечивая требуемую экологическую чистоту.

1. Способ очистки подземных вод в отработанном пространстве подземного газогенератора, заключающийся в использовании биологического метода разложения и нейтрализации химических загрязнителей, генерируемых в процессе газификации угля в едином подземном газогенераторе с первоначальным реакционным каналом газификации и серией скважин, включающей поперечную наклонно-горизонтальную, дутьевые, газоотводящие и, по меньшей мере, одну вертикальную скважины, в соответствии с которым после завершения процесса газификации угля и заполнения отработанного пространства подземного газогенератора подземными водами, через скважины в подземные воды отработанного пространства подземного газогенератора периодически вводят бактериальную среду, при этом тип бактерий бактериальной среды выбирают с учетом состава и концентраций химических загрязнителей в подземных водах, для чего периодически через скважины отбирают их пробы и подвергают химическому анализу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают в подземных водах отработанного пространства подземного газогенератора щелочную среду с рН 7,5÷9, путем подачи через скважины в подземные воды отработанного пространства подземного газогенератора раствора Na₂CO₃.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что объем подземных вод в отработанном пространстве подземного газогенератора периодически перемешивают нагнетанием воздуха в одни скважины и его отводом через другие скважины.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что используют в качестве скважин для нагнетания воздуха розжиговые скважины первоначального реакционного канала газификации - поперечную наклонно-горизонтальную и/или, по меньшей мере, одну вертикальную скважины, а в качестве скважин для отвода воздуха - дутьевые и/или газоотводящие скважины.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что введение бактериальной среды в подземные воды отработанного пространства подземного газогенератора прекращают после снижения в них концентрации химических загрязнителей ниже предельно допустимых значений.