Параметры процесса подземной выплавки серы и ихопределение

ПОДЗЕМНАЯ ВЫПЛАВКА СЕРЫ

Основные понятия и представления

Метод подземной выплавки серы (ПВС) предложен Г. Фрашем (США)в 1891 г. В его основе лежит более низкая по сравнению с вмещающимипородами температура плавления серы (112,8-119 °С).

Метод ПВС применяют для разработки месторождений самородной серы. Самородная сера в природных условиях существует в основном в двух модификациях: α-сера и β-cepa. α-cepa кристаллизуется в ромбической сингонии, она устойчива при температуре ниже 95,5°^С, ее плотность равна 2,06∙103 кг/м³. При температуре выше 95,5°^Сα-сера переходит в β-серу.

Этот переход относится к фазовым переходам первого рода, так как при этом выделяется теплота перехода в количестве 10,9кДж/кг. β-сера кристаллизуется в моноклинной сингонии в виде иголочек, ее плотность 1,96∙103 кг/м3, температура плавления 119°^С, а скрытая теплота плавления 38,5 кДж/кг. При повышенных давлениях в процессе остывания сера остается в моноклинной сингонии вплоть до естественных температур. В природных условиях самородная серп в основном представлена α-серой и в меньшей степени β-серой

После окончания бурения скважины ее промывают и производят интенсивную откачку воды для очистки каверн и трещин от буровой мелочи и обеспечения притока пластовых вод в скважину. Если приток пластовых вод в скважину (приемистость скважины) окажется недостаточным, что свидетельствует о низкой фильтрационной способности серных руд, то ее подвергают кислотной обработке до тех пор, пока приемистость скважины не достигнет 5 м/ч при нагнетании в нее воды под давлением 106 Па.

После проведения вышеописанных профилактических мероприятий скважину сдают для монтажа оборудования. В нее вставляют три трубопровода, коаксиально расположенных один в другом. Диаметр наружного трубопровода (водоподающая колонна) равен 6 дюймам, промежуточного трубопровода (серная колонна) — 3 дюймами внутреннего (воздушная колонна) — 1 дюйму.

В зазор между водоподающей и серной колоннами нагнетается перегретая вода с Т=160°^С, которая через перфорации попадает в сероносную залежь. Перегретая вода, двигаясь за счет фильтрации в рудной залежи, нагревает руду и расплавляет серу. Так как плотность расплавленной серы больше воды, то она стекает вниз и через перфорации в водоподающей колонне попадает в серную трубу, поднимаясь в ней на высоту гидростатического давления, соответствующего уровню почвы залежи.

В нижней части серодобычной колонны в зазоре между водоподающей и серной трубами устанавливается разделительный пакер, который предотвращает возможность попадания перегретой воды (минуя рудную залежь) в приямок для расплавленной серы.

С другой стороны, разделительный пакер служит для предотвращения попадания воды в зазор между водоподающей и серной колонной при нагнетании ее по серной колонне при аварийных ситуациях, связанных с застыванием серы в нижней части серодобычной скважины.

С помощью сжатого воздуха, который подается по центральному трубопроводу, расплавленная сера эмульгируется и подается по зазору между серной и воздушной колоннами на поверхность.

Воду для закачки в скважину перегревают до Т=160°^С в прямоточных водогрейных или паровых котлах с бойлерными. Перегретая вода, проходя через контрольно-распределительную станцию (КРС), нагнетается в скважину. КРС служит для контроля за температурой и давлением подачи перегретой воды, а также для их регулирования. Каждая КРС обслуживает несколько рабочих скважин.
Расстояние между добычными скважинами выбирают таким, чтобы обеспечить максимальное извлечение серы при возможно меньших затратах на буровые работы, монтаж и оборудование серодобычных скважин, производство теплоносителя на 1 т извлеченной серы.

Метод ПВС является более эффективным по сравнению с традиционными способами разработки в том случае, когда для его применения имеются определенные условия. Для оценки этих условий существует несколько критериев. В первую очередь запасы серы должны обеспечить рентабельность строительства предприятия и промышленный масштаб производства. Если при производительности 100 тыс.т в год товарной серы предприятие будет работать не менее 2—3 лет, то оно будет рентабельным.

Вторым критерием является мощность рудной залежи. Перспективными для ПВС считаются залежи мощностью не менее 10м.

Третьим критерием является содержание серы в руде. При содержании серы более 10% руда является перспективной для ПВС. Однако эта цифра может быть и ниже (до 5%) в том случае, если выплавляемость серы хорошая, что имеет место при прожилковой и крупновкрапленной структуре серных руд.

Четвертым и наиболее важным критерием является проницаемость серного пласта. Она должна обеспечивать водопоглощение пласта на 1 м его мощности не менее 0,5 м³/ч и приемистость скважины не менее 5 т/ч при давлении подачи воды, равном 106 Па.

Пятым критерием является водонепроницаемость подстилающих и особенно покрывающих сероносный пласт пород. При отсутствии водоупора в покрывающих породах горячая вода, которая легче холодной пластовой воды, будет подниматься вверх и распространяться в породах кровли сероносного пласта, что не обеспечит условий «природного автоклава». При отсутствии водоупора в подстилающих породах имеют место потери расплавленной серы.

Шестым критерием для оценки целесообразности ПВС являются глубина залегания рудной залежи и прочность покрывающих пород. Наиболее благоприятная глубина залегания 100—600 м. При глубине менее 50 м возможен гидравлический разрыв покрывающих пород в процессе нагнетания перегретой воды в пласт. При глубине залегания более 500—600 м имеют место большие затраты на бурение скважин и их оборудование, а также большие потери тепловой энергии.

Последним, седьмым критерием является наличие в районе месторождения местных ресурсов воды, топлива и электроэнергии.

Следует отметить, что на производство 1 т серы методом ПВС в зависимости от условий залегания рудной залежи необходимо от 5 до 50 м3 воды, нагретой до 160 °С.
В том случае, если условия месторождения не удовлетворяют приведенным выше семи критериям, его нецелесообразно разрабатывать методом ПВС по технико-экономическим соображениям.

Тепловой баланс при ПВС. Как показывает практика, расходы на производство теплоносителя при ПВС достигают 50—60% общих затрат на производство серы. Снизить себестоимость добычи серы методом ПВС возможно в первую очередь за счет выбора рациональных термодинамических параметров теплоносителя и сокращения его непроизводительных потерь.

В качестве теплоносителя при ПВС возможно применять горячие дымовые газы, пар, парогазовые смеси, перегретую воду. Одним из основных показателей теплоносителя является его теплосодержание(энтальпия). С этой точки зрения наиболее подходящим теплоносителем является перегретая вода, объемная теплоемкость которой примерно в 2000 раз больше, чем у дымовых газов.
Температура перегретой воды, подаваемой в серную залежь, не должна превышать 160°^С, так как при температуре выше этой вязкость расплавленной серы начинает повышаться. В связи с этим температура воды у устья добычной скважины должна быть такой, чтобы с учетом теплопотерь при ее движении по трубам температура на входе в рудное тело не превышала бы 160°С и в то же время была бы достаточной для обеспечения эффективной выплавки серы из руды.

Температуру воды в рудном теле стараются поддерживать равной 155 — 159°С. Теплопотери теплоносителя при его движении по трубам в начальный период весьма значительны (10 — 15%), а при установившемся режиме они составляют около 1%. С учетом этого температура воды у устья скважины должна быть около 160 °^С.

В каждой серодобычной скважине можно выделить два участка: первый — от устья скважины до ее забоя и второй — призабойная зона рудной залежи. Первый участок выполняет функции транспортных магистралей для перемещения перегретой воды, расплавленной серы и сжатого воздуха. Второй участок выполняет функции естественного автоклава. На первом участке геплопотери теплоносителя в среднем составляют около 1%, а остальная энергия теряется непосредственно в рудной залежи и выносится расплавленной серой на поверхность. Непосредственно на нагрев и плавление собственно серы затрачивается около 3 — 5% энергии перегретой воды, а остальная энергия безвозмездно теряется.

В общем случае уравнение теплового баланса можно записать следующим образом:

Q=Q_тр+Q_п,(14.3)

где Q — энергия теплоносителя у устья скважины, Дж; Q_тр - потери энергии теплоносителя при транспортировании по трубам водоподающей колонны, Дж; Q п- потери энергии теплоносителя в пласте, Дж.

В свою очередь, величина Q_пслагается из следующих составляющих :

Q_п=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆, (14.4)

где Q₁ — количество тепла, необходимого на нагрев серы, Дж; Q₂ — теплота плавления серы, Дж; Q₃ — количество тепла, необходимого на нагрев породного скелета рудной залежи, Дж; Q₄— тепло утечек теплоносителя в покрывающую толщу, Дж; Q₅ — остаточная теплота теплоносителя, Дж; Q₆ — прочие виды тепловых потерь, Дж.

Добычная скважина оснащена тремя концентрически расположенными колоннами труб (рис. 18.1): водоподающей, серовыдачной и воздушной. Процесс отработки осуществляется группой скважин, вступающих между собой в тепловое и гидродинамическое взаимодействие, исопровождается разгрузкой пласта через водоотливные скважины.

Управление подземной выплавкой осуществляется зa счет регулирования параметров процесса отработки: числа добычных скважин, ихрасположения и порядка включения, расхода нагнетаемого в скважинутеплоносителя, интенсивности откачки серы, режима разгрузки пласта,параметров добычного оборудования и свойств теплоносителя.

Течение процесса ПВС во многом определяется физико-геологической обстановкой. Требования к качеству руд и горно-гидрогеологическим условиям их залегания определяют возможность и экономическуюцелесообразность добычи серы методом ПВС (табл. 18.1).

Устьевое оборудование скважины обеспечивает нагнетание теплоносителя через кольцевое пространство между водной и серной трубами иоткачку серы по выдачной трубе. В качестве теплоносителя используетсявода с температурой 160°С, которая через перфорацию водной колонныпроникает в серную залежь. Распространяясь по залежи, теплоносительвытесняет пластовую воду и нагревает рудное тело, в результате чего вокруг добычной скважины образуется зона плавления, которая по мере нагнетания теплоносителя распространяется по пласту. Расплавленная сера,будучи почти вдвое тяжелее воды, стекает к забою скважины и под действием гидростатического давления поднимается по серной трубе до соответствующего уровня. При подаче сжатого воздуха по воздушной трубежидкая сера псднимается на поверхность и направляется на склад готовой продукции.

Параметры процесса подземной выплавки серы и ихопределение

Технология ПВС широко освещена в зарубежной и отечественной литературе и является совокупностью осуществляемых в определенной последовательности производственных операций. Схема пооперационногоанализа технологии ПВС с определением целей, задач, способа осуществления основных параметров, а также влияющих факторов представлена в табл. 18.2.

Работа предприятия ПВС (рис. 18.2) определяется и характеризуется физико-геологическими, технологическими, техническими, конструктивными, системными и экономическими параметрами и показателями.

Специфика технологического процесса добычи серы методом ПВСнаходит свое отражение в показателях отработки. Основными технологическими показателями при ПВС являются:

· производительность серодобычных скважин;

· объем добычи из скважины;

· удельный расход теплоносителя;

· коэффициент извлечения серы из недр.

Под производительностью серодобычной скважины понимается количество серы добытой в единицу времени. Причем при ПВС различаютсятекущая производительность, под которой понимается отношение объемадобычи за промежуток времени к величине рассматриваемого промежутка времени и суммарная производительность, под которой понимается отношение объема добычи с начала отработки до рассматриваемого момента времени к продолжительностирассматриваемого периода эксплуатации. Характер этих зависимостейпредставлен на рис. 18.3.

Важным технологическим показателем, во многом определяющимэкономическую эффективность добычи является объем добычи из серодобычной скважины за период ее отработки. В простейшем случае егоможно определить по следующему выражению:

где - серосодержание, т/м³; S - площадь залежи приходящаяся на однудобычную скважину, м²; h - мощность залежи, м; - коэффициент извлечения серы из недр.

Величина удельного расхода теплоносителя показывает количествотеплоносителя, затрачиваемого на добычу одной тонны серы, и определяется отношением объема закаченного в пласт теплоносителя к объемудобытой за этот период серы.

Качественная зависимость его от времени также имеет экстремальныйхарактер (рис. 18.4). Коэффициент извлечения серы из недр является важным показателем, характеризующим качество отработки месторождения,и определяется отношением объема добытой серы к вовлеченным в отработку запасам полезного ископаемого. Характер его зависимости от времени представлен на рис. 18.5.

Как следует из вышеизложенного, на параметры процесса оказываютвлияние различные факторы. Многообразие параметров, наличие глубоких внутренних связей между ними приводит к противоречивости влияния одних и тех же факторов на различные показатели. Так, например,увеличение расстояния между добычными скважинами влечет за собой,с одной стороны, увеличение объема добычи из скважины, а с другойснижает коэффициент извлечения серы из недр.

Специфика работы предприятия ПВС предопределяет особый подходк обоснованию и выбору параметров как для предприятия в целом, так идля каждого отдельного процесса на стадиях проектирования и эксплуатации. Особенность подхода заключается в совместном определениирациональных технологическихпараметров на базе технико-экономических моделей. При этом порядок расчета основных параметров предприятия ПВС ведется по следующей схеме:

1. Сбор сведений о геологии и гидрогеологии залежи.

К основным геолого-гидрогеологическим характеристикам залежи следует отнести: фильтрационные свойства, мощность, содержание серы, ее выплавляемость, тектоническую нарушенность, форму и элементы залегания залежи, направление естественной разгрузки водоносных горизонтов, общие запасы месторождения.

2. Экономическое обоснование состояния предприятия,потребность продукции на рынке, цена серы, наличие материальных и трудовых ресурсов в районе строительства предприятия и т.д.

3. Выясняются технические возможности организации предприятия:

· типы котельного и компрессорного оборудования,

· марки буровых станков и прочего оборудования,

· виды и количество материалов,

· а также требования к качеству выпускаемой продукции.

4.На основе анализа геотехнологических и гидрогеологических условий рассматриваемого серного месторождения выделяются участки с выдержанными характеристиками.

5.Для каждого участка с учетом экономических условий определяется оптимальные параметры и показатели отработки (параметры сетки,размещения и конструкция добычных скважин, время их отработки, расход теплоносителя, давление на устье скважины, параметры эрлифта, количество добываемой из скважины серы, удельный расход теплоносителя,коэффициент извлечения серы из недр).

6.На основе показателей добычи из скважины, времени отработки,заданной мощности предприятия и геолого-гидрогеологических условийместорождения определяются элементы системы отработки.

7. По данным мощности проектируемого предприятия, запасам месторождения, коэффициенту извлечения и удельному расходу теплоносителя определяются извлекаемые запасы месторождения, срок отработкии необходимая мощность котельной и компрессорной, число одновременноотрабатываемых скважин.

Приведенный перечень геологических, технологических и др. факторов не исчерпывает всего их многообразия, учитываемого при расчетеосновных параметров предприятия ПВС. В ряде случаев их количество исостав могут меняться в зависимости от конкретных условий.Однако общий порядок расчета остается неизменным.

Задачи исследований

Основные задачи, направленные на совершенствование метода ПВС:

· разработка способов увеличения коэффициента извлечения серы из недр;

· создание замкнутоговодооборота;

· создание способов отработки слабопроницаемых серосодержащих руд.

Существенное (в десятки раз) уменьшение удельных капитальныхвложений в результате применения ПВС (вместо комплекса карьер-фабрика) обусловливается не только отказом от проведения громадного объемагорных работ и резким снижением абсолютных затрат на строительствозданий и сооружений, но и их незначительной зависимостью от глубинызалегания рудного тела. Так, с увеличением глубины залегания рудноготела от 100 до 500 м при прочих равных условиях себестоимость серы вслучае использования метода ПВС повышается на 10 %. В то же время приоткрытой добыче с увеличением глубины от 50 до 200 м себестоимостьсеры возрастает в 10-15 раз.

В отличие от традиционных способов добычи организация труда приПВС характеризуется поточностью и непрерывностью, что является следствием более высокой комплексной механизации и автоматизации отдельных звеньев производства. Условия труда на предприятиях ПВС определяют высокую квалификацию рабочих, ликвидацию тяжелого физическоготруда. Технология ПВС полностью исключает ручной труд при добычных работах.

Экономические показатели метода ПВС намного лучше по структуреосновных фондов, себестоимости добычи и динамике освоения производственных мощностей, чем при традиционных методах.

Метод ПВС дает возможность широко применять механизацию и автоматизацию, обеспечивает безопасность горных работ, требует высокойквалификации рабочих, исключает ручной труд.

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 1002; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!