Термодинамические основы подземной выплавки серы

Метод ПВС применяют для разработки месторождений само¬родной серы. Самородная сера в природных условиях существует в основном в двух модификациях: α-сера и β-cepa. α-cepa кристал¬лизуется в ромбической сингонии, она устойчива при температуре ниже 95,5°С, ее плотность равна 2,06∙103 кг/м3. При температуре выше 95,5°С α-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 кристаллизу¬ется 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 есте¬ственных температур. В природных условиях самородная серп в о ...

Метод ПВС применяют для разработки месторождений само¬родной серы. Самородная сера в природных условиях существует в основном в двух модификациях: α-сера и β-cepa. α-cepa кристал¬лизуется в ромбической сингонии, она устойчива при температуре ниже 95,5°С, ее плотность равна 2,06∙103 кг/м3. При температуре выше 95,5°С α-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 кристаллизу¬ется 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 есте¬ственных температур. В природных условиях самородная серп в основном представлена β-серой и в меньшей степени β-серой

Метод ПВС применяют для разработки месторождений само¬родной серы. Самородная сера в природных условиях существует в основном в двух модификациях: α-сера и β-cepa. α-cepa кристал¬лизуется в ромбической сингонии, она устойчива при температуре ниже 95,5°С, ее плотность равна 2,06∙103 кг/м3. При температуре выше 95,5°С α-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 кристаллизу¬ется 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 есте¬ственных температур. В природных условиях самородная серп в о сновном представлена β-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 дюймам и внутреннего (воздушная колонна) — 1 дюйму.
В зазор между водоподающей и серной колоннами нагнетается перегретая вода с Т=160°С, которая через перфорации 7 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 8 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=Qтр+Qп , (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 Qп слагается из следующих состав­ляющих :
Qп=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.
Параметры процесса ПВС.
Рассмотрим некоторый объем пласта серной руды пористо­стью П, из которого предстоит выплавить серу. Пусть начальная температура руды равна Т0. Предположим, что процесс нагнета­ния перегретой воды в пласт происходит некоторыми порциями Если обозначить температуру перегретой воды через Tв, то после нагнетания первой порции воды температура руды поднимется и станет равной Т /,после нагнетания второй порции температура руды повысится от Т / до Т // и т.д. Для каждой порции нагнетания можно составить систему уравнений теплового баланса, которые имеют вид:
где γв и γр -- плотность воды и руды, кг/м3; св и ср — удельная те­плоемкость воды и руды, Дж/(кг . °С)
Согласно исследованиям Г. X. Хчеяна, объем воды Vв который необходим для нагревания 1 м3 руды в пласте до температуры Тп при условии рассмотрения этого процесса, как состоящего из п серии последовательных закачек воды, равен
L — удельная теплота плавления серы, Дж/кг; γс —плотность се­ры, кг/м3; v — объем серы, содержащийся в 1 м3 руды, м3/м3; Тпл— температура плавления серы, °С.
Принимая во внимание, что в единице объема руды содержится v(l—П)γс тонн серы, объемный расход теплоносителя V (м3/кг) на выплавку 1 кг серы будет
где χт — технологический коэффициент извлечения серы при ее подземной выплавке, χт=0,8÷ 0,9.
Коэффициент использования тепла Ки при ПВС можно опреде­лить из очевидной формулы,
где сс — удельная теплоемкость серы, Дж/(кг . °С). Принимая во внимание то обстоятельство, что падение темпе­ратуры воды при ее движении от устья скважины до пласта прак­тически отсутствует, и то, что оптимальной температурой расплав­ленной серы по фактору ее вязкости является Т=159 °С, в выра­жениях (14.7), (14.8) и (14.11) вместо Тп следует подставлять 159°С, а вместо Тв — соответственно 160°С.
Скорость движения фронта плавления (υ nu, м/с) серы при под­земной выплавке определяется из выражения
dR γв св qв 14.12
dτ 2πhR(γрср+Qпл /(Тв-Т0))
где R — радиус зоны плавления серы, м; qв — объемный расход перегретой воды, м3/с; h — мощность пласта, м; Qпл — количество тепла, необходимое для плавления серы в единице объема руды, Дж/м3.
Количество серы Мс (кг/с), добываемой в единицу времени ме­тодом подземной. выплавки, зависит от свойств руды, расходных и термодинамических параметров теплоносителя:
14.13