PL145125B1 - Method of mining sulfur deposits - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób eksploatacji zloza siarkowego metoda otworowa.

W technologii otworowej eksploatacji zlóz siarki na wyprodukowanie 1 tony siarki zuzywa sie srednio okolo 12m3 wody o temperaturze 160°C. Goraca woda podawana do zlozajest stopniowo odbierana za pomoca barier depresyjnego odprezania zlokalizowanych w odleglosci 0,3-3 km od frontu eksploatacyjnego jako woda zimna, wysoce zmineralizowana (3-10 kg soli/m3) i zasiar¬ czona (150-300 g P^S/m3). Wode te laczy sie z wodami erupcyjnymi i z opadów atmosferycznych, oczyszcza od zwiazków siarki dwuujemnej przez ich rozklad za pomoca kwasu siarkowego i desorpcje wytworzonego siarkowodoru za pomoca powietrza.

Znanyjest takze sposób prowadzenia eksploatacji z czesciowo zamknietym obiegiem wody, w którym wode zlozowa zmiekcza sie znanymi metodami i alkalizuje oslabiajac korozyjne dzialanie zwiazków siarki dwuujemnej, po czym ogrzewa bezprzeponowo w strumieniach parowych. Przy opisanym powyzej sposobie postepowania nie odzyskuje sie ciepla zawartego w wodzie zlozowej opuszczajacej strefe zloza eksploatowanego, a do uzdatnienia wody niezbedna jest duza aparatura naziemna oraz duza ilosc kosztownych srodków chemicznych.

W opisie patentowym nr 111 818 przedstawiony jest proces, w którym wode odbierana ze zloza wtlacza sie rura oslonowa otworu, równolegle z woda technologiczna do zloza bezjej uzdatniania i wstepnego podgrzewania. Sposób ten jednak nie znalazl praktycznego zastosowania, poniewaz przy równoleglym zasilaniu zloza woda zlozowa i technologiczna, woda zlozowa ogrzewa sie w otworze praktycznie do temperatury wody technologicznej na wejsciu do zloza, co powoduje silna korozje rurociagów spowodowana nie usunietymi siarczkami i siarkowodoremoraz wytracanie sie osadów zwiazków wapnia i magnezu zawartych w tych wodach.

Sposób wedlug wynalazku polega na tym, ze w pierwszej fazie eksploatacji zakonczonej wprowadzeniem do zloza elementu wody donoszacego cieplo do konca bilansowej strefy wytopu, podaje sie wode o najwyzszej dopuszczalnej temperaturze. Nastepnie temperature wody obniza sie skokowo okreslajac czas i skale wielkosci skoku zmiany temperatury z równania zawierajacego wspólczynniki wyznaczone na podstawie obliczonej w funkcji zmian powierzchni wytopu siarki wokól otworu i temperatury wody wchodzacej do zloza w pierwszej fazie eksploatacji az do2 145 125 osiagniecia temperatury okolo 130°C, po czym utrzymuje sie temperature wody niezmienna w czasie ewentualnie zmniejszajac natezenie tej wody az do sczerpania calkowitej ilosci siarki wyto¬ pionej wokól danego otworu. Wode odbierana ze zloza o temperaturze nie nizszej od 70°C uzdatnia sie przez utlenienie jonów siarki dwuujemnej wprowadzajac do dna otworu odprezajacego powie¬ trze zawierajace 0,8-1,3-krotna ilosc tlenu w stosunku do ilosci stechiometrycznej niezbednej do utleniania zwiazków siarki dwuujemnej do tiosiarczanów i siarczynów i miesza z woda goraca i/lub para grzejna i woda z erupcji w takim stosunku, aby po zmieszaniu woda miala temperature optymalna dla danego okresu eksploatacji i jej twardosc byla mniejsza od twardosci stanu nasyce¬ nia w temperaturze zmieszania, po czym wode te wtlacza sie do otworów.

W czasie przeplywu wody zlozowej z barbotujacymi w niej pecherzykami powietrza, dzieki utrzymywaniu temperatury wyzszej od 70°C zachodzi proces utlenienia jonów siarki dwuujemnej do tiosiarczanów i siarczanów, a wiec zwiazków dobrze rozpuszczalnych i malo korozyjnych w odróznieniu od siarki, która bylaby produktem utleniania w temperaturach nizszych. Stezenie siarczków na skutek utleniania w otworze odprezajacym obniza sie od okolo 300 do okolo 20 g H2S/1T13, a wiec odsiarczanie jest skuteczniejsze niz uzyskiwane za pomoca metod naziemnych.

Ponadto do wody wprowadza sie jedynie niewielkie ilosci powietrza — srodka taniego i o malej pojemnosci cieplnej, a wiec powodujacego tylko nieznaczne obnizenie temperatury oczyszczanej wody. Proces odsiarczania nie wymaga stosowania duzej, naziemnej stacjonarnej aparatury i przemieszcza sie w miare potrzeby wraz z rozwojem frontu eksploatacyjnego. Wode uzdatniona sposobem wedlug wynalazku mozna wykorzystywac do ponownego wygrzewania zloza. Zródlem wody jest równiez woda z wyplywów erupcyjnych zwykle goraca i malo zmineralizowana.

Wody te miesza sie i podgrzewa do wymaganej temperatury metodami bezprzeponowymi za pomoca wody goracej lub pary grzejnej. Stosunki w jakich miesza sie te dwa rodzaje wód odpado¬ wych i czynnik grzejny dobiera sie tak, aby twardosc wody po zmie. zaniu byla nizsza od twardosci, przy której w temperaturze zmieszania nastepuje wytracanie sie osadów. W ten sposób wykorzy¬ stuje sie cieplo zawarte w wodach odpadowych do ponownego wygrzewania zloza.

Zuzycie ciepla mozna takze znacznie zmniejszyc przez optymalne zasilanie woda otworu eksploatacyjnego.

W dotychczasowej praktyce do naziemnej czesci otworu eksploatacyjnego dostarcza sie wode o temperaturze okolo 160°C nie kontrolujac dalej temperatury wody.Natezenie wody dobiera sie tak, ze stosunek objetosciowego natezenia wody do miazszosci zloza utrzymuje sie w zakresie V: H = 0,5 -1,5 m /h. Natezenie wody utrzymuje sie niezmienne przez okres czasu niezbedny do wydobycia siarki w ilosci przypisanej do wydobycia z danego otworu. Nastepnie, w tak zwanej koncowej fazie eksploatacji natezenie podawanej wody obniza sie 0,1-0,3 wartosci znamionowej, bez zmiany temperatury wody podawanej do otworu.

Poszczególne otwory powinny byc zasilane woda ze stalym w czasie natezeniem, korzystnie maksymalnym, ograniczonym chlonnoscia zloza. Przy ustalonych natezeniach podawanej wody utrzymuje sie w zlozu wielootworowym niezmienne w czasie pole cisnien. Optymalne strumienie ciepla dostarcza sie do stref zloza przypisanych do poszczególnych otworów zaleznie do fazy eksploatacji przez zmiane temperatury podawanej wody. W pierwszej fazie eksploatacji do zloza podaje sie wode o temperaturze maksymalnej dopuszczalnej, to jest okolo 160°C przy glowicy otworu. Okres pierwszej fazy eksploatacji konczy sie z chwila wprowadzenia do zloza elementu donoszacego cieplo do konca bilansowej strefy wytopu. Czas ten oznaczonyjako t0 oblicza sie ze wzoru: + _0 / OrTCn^S ,2 t0 —an/ l / TT Vwp - wCw A w którym an oznacza dyfuzyjnosc cieplna nadkladu i warstw spagowych zloza (m2/s), cw — gestosc wody grzewczej (kg/m3), cn — gestosc nadkladu (kg/m3), cw — cieplo wlasciwe wody grzewczej (kJ/kg • K), cn — cieplo wlasciwe nadkladu (kJ/kg • K), Vw — natezenie przeplywu wody grzewczej (m /s), S — powierzchnia przewidywanej strefy wytopu (m2) i A — wartosc spelniajaca warunek: erfc{A} = Tf= Ts"T° Two - To145125 3 gdzie T0 — temperatura poczatkowa zloza (°C), Two— temperatura wody grzewczej w pierwszej fazie eksploatacji (°C), Ts— temperatura topnienia siarki (°C) i Tf — bezwymiarowa wzgledna temperatura topnienia siarki.

Po czasie to nastepuje druga faza eksploatacji, w czasie której obniza sie temperatury wody grzewczej przez mieszanie jej z chlodniejsza woda ze zloza z ujsc poeksploatacyjnych oczyszczona w podany wyzej sposób. Natezenie podawanej wody nie ulega zmianie, a jej temperatura zmienia sie wedlug równania: T = Tf +/l-Tf/e "f^k w którym T oznacza bezwymiarowa temperature wody grzewczej i jest wyrazone zaleznoscia: Tw" I o T = Two- To gdzie T0 oznacza temperature wody grzewczej (°C), r oznacza bezwymiarowy czas mierzony od poczatku drugiej fazy eksploatacji i T — 4 ' an * t/ L / Oew * Cew ' H gdzie t oznacza czas mierzony od poczatku drugiej fazy eksploatacji (s), pew — gestosc zloza nasyconego woda (kg/mJ), cew — cieplo wlasciwe zloza nasyconego woda (kJ/kg* K), H — wysokosc zloza (m), f, k — wspólczynniki zalezne od parametrów zloza i wody grzewczej.

Temperatura T przedstawiona jest na fig. 1 linia przerywana. Jest ona kontynuacja linii przerywanej obrazujacej stala temperature wody grzewczej w pierwszej fazie eksploatacji.

Ze wzgledów praktycznych, a takze ze wzgledów bezpieczenstwa (aby uniknac ponownego zestalenia sie siarki w otoczeniu otworu wskutek podania zbyt zimnej wody) temperatura wody grzewczej obniza sie nie zgodnie z krzywa oznaczona linia przerywana na fig. 1, lecz w sposób skokowy oznaczony linia ciagla schodkowa. Skokowa zmiana temperatury wody grzewczej do poziomu wyznaczonego linia przerywana zachodzi co okreslony czas, na przyklad co 8 godzin, jezeli w tym czasie róznica temperatur przekroczy okreslona wartosc na przyklad 1°C lub tez w kazdej dowolnej chwili, gdy róznica temperatury miedzy wartoscia zadana a optymalna przekroczy inna okreslona wartosc, na przyklad 5°C. W odpowiednim czasie zmienia sie nastawe regulatora temperatury na wartosc wynikajaca z przeliczenia odpowiadajacej tej chwili czasowej temperatury bezwymiarowej na wielkosc wymiarowa: Tw — T /Two- To/ H~ To Podane wyzej wspólczynniki f, k sa zwiazane z parametrami fizyko-chemicznymi i geologicznymi zloza i wody technologicznej, a dokladniej: f=f/xf,Tf/ k = k/xt,Tf/ gdzie Xf jest bezwymiarowym czasem rozchodzenia sie zaklócen fazy cieplnej od otworu do obrzeza strefy wytopu (czas opóznienia). Czas ten oblicza sie ze wzoru: 4 • an/pn * Cn/2 S Vw H Oew " Cew C>w * Cw4 145 125 Równiez czas to pierwszej fazy eksploatacji w postaci bezwymiarowej rQ zwiazanej z to zaleznoscia t _ To / ?ew Cew H ,2 to — ' ' 4a n On C n jest funkcja xi i Tf. Zaleznosci te ujete sa wspólnie na wykresie w postaci nomogramu siatkowego przedstawionego na fig. 2, który pozwala na natychmiastowe okreslenie parametrów charakteryzu¬ jacych pierwsza faze eksploatacji (r0) i druga faze eksploatacji (k, f). Krzywoliniowa siatka linii ciaglych na wykresie odpowiada wartosciom xt i Tf, linie przebiegajace prawie pionowo w swej górnej czesci odpowiadaja wartosciom Tf. Para (xf, Tf) wyznacza punkt na wykresie. Wartosc t0 odczytuje sie z linii przerywanych na wykresie w dolnej ich czesci. Wartosci k i f sa wspólrzednymi tego punktu odpowiednio na osi pionowej i poziomej ukladu wspólrzednych.

Temperature wody grzewczej obniza sie do momentu, w którym osiaga ona pewna wartosc graniczna, na przyklad 130°C, to znaczyjest o okolo 10°C wyzsza od temperatury topnienia siarki.

Od tej chwili rozpoczyna sie trzeci etap eksploatacji, w którym do otworu podaje sie wode grzewcza o temperaturze okolo 130°C do konca okresu eksploatacji otworu.

Przyklad wynalazku jest blizej objasniony w przykladzie wykonania.

Przyklad. Do zloza o nastepujacych parametrach fizyko-chemicznych: 9W= 100 kg/m3 cw= 4,19kJ/kg-K pw= 2260 kg/m3 c«w= l,25kJ/kg-K pn = 2400 kg/m3 cn= 0,022 kJ/kg-K a= 1,357-10"° m7s ks= 1,0-10"9/m3-s/kg kw= 2,0 -10"8m3- s/kg H= 20m S= 1590 m2 T0= 10°C tloczy sie w pierwszej fazie eksploatacji wode grzewcza technologiczna o temperaturze na glowicy otworu TWo= 160°C w ilosci 5 • 10~3m3/s (18m3/h). Z wzorów oblicza sie wartosci bezwymiaro¬ wych parametrów temperatury Tf i opóznienie Xf. I tak Tf = 0,703, a Xf = 0,0357. Na nomogramie przedstawionym na fig. 2 odszukuje sie w ukladzie wspólrzednych krzywoliniowych (Tf, Xf) punkt odpowiadajacy podanym powyzej wartosciom, a nastepnie odczytuje sie wartosc bezwymiarowego czasu Totrwania pierwszej fazy eksploatacji (z siatki linii przerywanych) oraz (na osiach wspólrzed¬ nych prostokatnych) wartosci wspólczynników k i f: r0 = 4,4' 10~3, k = 0,38, f=4,53. Ze wzoru oblicza sie czas t0 trwania pierwszej fazy eksplotacji to = 146,5 h.

Po uplynieciu czasu t0 (druga faza eksploatacji) sprawdza sie poczatkowo co 0,5 godziny wartosc róznicy miedzy temperatura wody grzewczej a temperaturami obliczonymi ze wzorów.

Jezeli róznica ta przekracza 5°C obniza sie temperature wody grzewczej do poziomu obliczonego, dodajac do niej strumien oczyszczonej chlodniejszej wody odpadowej o temperaturze T2 = 50°C.

Róznice temperatur oblicza sie takze pod koniec kazdej 8-godzinnej zmiany.Jezeli przekroczy ona wartosc 1°C, dokonuje sie równiez obnizenia temperatury wody grzewczej. Jezeli w ciagu kolejnej 8-godzinnej zmiany róznica ta nie przekroczy 5°C rezygnuje sie z obliczenia jej co 0,5 godziny, nie zmieniajac jedynie czynnosci dokonywanych pod koniec 8-godzinnej zmiany.

Po podjeciu decyzji o obnizeniu temperatury wody grzewczej, obniza sie ja do wartosci wynikajacej ze wzoru nastawy regulatora temperatury wody grzewczej zmieniajacego odpowiednio proporcje mieszania wody o temperaturze 158°C i 50°C przy zachowaniu stalego natezenia przeplywu.145125 5 W tabeli przedstawiono przyklad zasilania woda otworu eksplotacyjnego. W pierwszej kolu¬ mnie podano czas liczony od poczatku eksploatacji, po którym nastapila zmiana temperatury, w drugiej i trzeciej kolumnie podano odpowiednio temperature dotychczasowa wody grzewczej i jej temperature od tego momentu (nowa nastawa regulatora temperatury). W ostatniej kolumnie podano w procentach ilosci zaoszczedzonej wody technologicznej o temperaturze 158°C, dzieki czesciowemu zastapieniu jej woda o temperaturze 50°C. Tabelaobejmuje okres okolo 1600 godzin eksploatacji otworu (druga faza eksploatacji). Po tym czasie osiaga sie temperature wody grzewczej o okolo 10°C wyzsza od temperatury topnienia siarki. Ze wzgledów bezpieczenstwa nie nalezy od tej chwili obnizac temperatury wody grzewczej (trzecia faza eksploatacji).

CzasH 160 168 176 184 200 216 232 256 280 312 344 384 432 488 552 624 712 808 920 1056 1216 1408 1672 T a b e T poprz. 158,2 155,5 153,9 152,6 151,6 150,0 148,8 147,7 146,4 145,3 144,1 143,1 142,0 140,9 139,7 138,7 137,6 136,5 135,5 134,5 133,5 132,4 131,4 astrzezenie la T obecna 155,5 153,9 152,6 151,6 150,0 148,8 147,7 146,4 145,3 144,1 143,1 142,0 140,9 139,7 138,7 137,6 136,5 135,5 134,5 133,5 132,4 131,4 130,4 patent % oszcz. 0 0,295 0,671 1,07 1,49 2,30 3,09 3,84 4,89 5,85 6,99 8,03 9,17 10,3 11,5 12,7 13,9 15,1 16,3 17,4 18,5 19,7 20,9 owe Sposób eksploatacji zloza siarkowego metoda otworowa, w którym do otworów podaje sie wode z niezmiennym w czasie natezeniem o zmiennej w czasie temperaturze dostosowanej do zasiegu strefy wytopionej siarki wokól otworu wydobywczego, przeplyw wody w zlozu steruje sie za pomoca odprezania zloza, wode z odprezania zloza odsiarcza sie, a nastepnie dodajac ewentualnie wode z erupcji ogrzewa sieja bezprzeponowo do zadanej temperatury za pomoca wody goracej lub pary wodnej, znamienny tym, ze w pierwszej fazie eksploatacji zakonczonej wprowadzeniem do zloza elementu wody donoszacego cieplo do konca bilansowej strefy wytopu, podaje sie wode o najwyzszej dopuszczalnej temperaturze, nastepnie temperature wody obniza sie skokowo okresla¬ jac czas i skale wielkosci skoku zmiany temperatury z równania zawierajacego wspólczynniki wyznaczone na podstawie obliczonej w funkcji zmian powierzchni wytopu siarki wokól otworu i temperatury wody wchodzacej do zloza w pierwszej fazie eksploatacji az do osiagniecia tempera¬ tury okolo 130°C, po czym utrzymuje sie temperature wody niezmienna w czasie ewentualnie zmniejszajac natezenie tej wody az do sczerpania calkowitej ilosci siarki wytopionej wokól danego otworu, a wode odbierana ze zloza o temperaturze nie nizszej od 70°C uzdatnia sie przez utlenienie jonów siarki dwuujemnej wprowadzajac do dna otworu odprezajacego powietrze zawierajace 0,8-1,3 krotna ilosc tlenu w stosunku do ilosci stechiometrycznie niezbednej do utlenienia zwiaz¬ ków siarki dwuujemnej do tiosiarczanów i siarczynów i miesza sie z woda goraca i/lub para grzejna i woda z erupcji w takim stosunku, aby po zmieszaniu woda miala temperature optymalna dla danego okresu eksploatacji i jej twardosc byla mniejsza od twardosci stanu nasycenia w temperatu¬ rze zmieszania, po czym wode te wtlacza sie do otworu.145125 0,70 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 f+Tc FIG.1 0.250 10 1.5 2p 25 30 35 4,0 4,5 5,0 5,5 CO 6,5 ?0 75 8,0 8,5 9,0 f FIG 2 Pracownia Poligraficzna UP PRL. Naklad 100 egz.

Cena 400 zl