Патент на изобретение №2358915

(54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ОТРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПОДЗЕМНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области горного дела, а именно к способам предотвращения загрязнения подземных вод химическими продуктами при подземной газификации угля. Техническим результатом является предотвращение загрязнения окружающей среды за счет повышения эффективности очистки подземных вод от химических загрязнителей, образующихся при подземной газификации угля. Указанный технический результат достигается тем, что используют биологический метод разложения и нейтрализации химических загрязнителей, генерируемых в процессе газификации угля в едином подземном газогенераторе с первоначальным реакционным каналом газификации и серией скважин. 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 поддерживают щелочную среду подземных вод с рН=7,5÷9 путем подачи через скважины в подземные воды отработанного пространства подземного газогенератора раствора Na₂СО₃. 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. При этом в качестве скважин для нагнетания воздуха используют розжиговые скважины первоначального реакционного канала газификации и/или, по меньшей мере, одну вертикальную скважину, а в качестве скважин для отвода воздуха – дутьевые и/или газоотводящие скважины. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ