PL247715B1

PL247715B1 - Sposób wytwarzania proppantu koksowego

Info

Publication number: PL247715B1
Application number: PL443792A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Suponik; Krzysztof Labus; Stanisław Błaszczyński; Rafał Morga; Dawid Franke; Anna Manowska
Original assignee: Instytut Nafty I Gazu – Państwowy Instytut Badawczy; Politechnika Slaska Im Wincent; Polski Koncern Naftowy Orlen Spolka Akcyjna
Priority date: 2023-02-15
Filing date: 2023-02-15
Publication date: 2025-08-25
Also published as: PL443792A1

Abstract

Sposób wytwarzania proppantu koksowego charakteryzuje się tym, że koks wielkoziarnisty w postaci koksu odlewniczego lub wielkopiecowego o typowych parametrach jakościowych, rozdrabnia się w dwóch kruszarkach korzystnie szczękowych, najpierw w pierwszej o szczelinie od 30 do 10 mm korzystnie 20 mm aż do osiągnięcia wielkości ziaren od 20 mm do 8 mm, a następnie w drugiej o szczelinie od 10 do 3 mm korzystnie 6 mm aż do osiągnięcia wielkości ziaren od 10 do 0,5 mm, a następnie tak rozdrobiony materiał poddaje się klasyfikacji mechanicznej na dwóch sitach o wielkości oczek korzystnie kwadratowych o wielkości od 0,5 do 5 mm korzystnie 3 oraz 1 mm, następnie poddaje się procesowi wzbogacania w separatorze cyklofluidalnym powietrznym na sucho, gdzie umieszcza się warstwę materiału koksowego i doprowadza pulsujący strumień powietrza z częstością od 40 min-1 do 50 min-1 o temperaturze w zakresie od 5°C do 30°C, który przepływając przez sito rozluźnia materiał, a po jego zdławieniu następuje opadanie ziaren i ich stratyfikacja według gęstości w czasie od 60 do 180 sekund korzystnie 90 sekund, następnie wydziela się górną warstwę materiału i poddaje się mieleniu w młynie nożowym, przy prędkości obrotowej rotatora od 1000 do 1200 min-1, wydajności podawania materiału na młyn od 5 do 15 g/min oraz szczeliny między nożami od 1,8 do 2,2 mm, w którym ścięte przez noże ziarna, wyrzucane są z dużą prędkością przez rotator i przepychane przez okrągłe otwory sita zależne od klasy ziarnowej proppantu korzystnie o średnicy od 0,5 do 3 mm najkorzystniej 2,0 mm, a następnie ziarna poddaje się klasyfikacji mechanicznej na dwóch sitach o wielkości oczek, zależnych od planowanej do wytworzenia klasy ziarnowej proppantu koksowego, korzystnie kwadratowych o wielkości od 3350 do 106 µm.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania proppantu koksowego z koksu odlewniczego, wielkopiecowego, opałowego lub pyłu koksowego do zastosowania przy hydraulicznym szczelinowaniu pokładów węgla w celu pozyskania z nich metanu.

Znana z PL234113 podsadzka do szczelin wytworzonych podczas szczelinowania hydraulicznego charakteryzuje się tym, że zawiera jedynie proppant w postaci koksu wielkopiecowego o granulacji w zakresie od 16 mesh do 70 mesh (1,190 mm - 0,210 mm) i wytrzymałości na ściskanie o wartości w zakresie 16,1-106 do 23,8-106 N/m² (16,1 do 23,8 MPa).

Na świecie chronione patentami są różne rodzaje podsadzek do szczelinowania złóż węglowodorów, a także pokładów węgla. Na przykład w patencie nr US7726399 została opisana ultralekka podsadzka (ULW) do zastosowania w szczególności w węglu. Zawiera ona materiał podstawowy częściowo pokryty powłoką ochronną lub utwardzony. Materiałem podstawowym mogą być: mielone łuski orzecha, kwarc, szkło, piasek, krzemiany. Znane są również zmodyfikowane materiały podsadzkowe, jak np. piaski żywicowane (RCP), opisane m.in. w patentach US3962491, US 4157993 oraz piaski pokryte powłoką hydrożelową, patent nr WO2013033391. Innym wynalazkiem jest podsadzka opisana w patencie nr US366420 o nazwie koks naftowy (petroleum coke) uzyskiwana z ciężkich frakcji w procesie rafinacji ropy naftowej.

Zastosowanie proppantu koksowego ułatwia uzyskanie wymaganych dopływów gazu poprzez podsadzoną szczelinę do odwiertu, dzięki temu, że jest on odporny na wgniatanie w formację węglową, a migracja gazu przez porowate jego ziarna możliwa jest nawet w przypadku ich częściowego zagłębienia w skałę. Niska gęstość tego produktu, ułatwia utrzymywanie się cząstek podsadzki w cieczy zabiegowej o małej lepkości, co pozwala na obniżenie oporów tłoczenia, minimalizację zużycia wody i lepsze oczyszczanie odwiertu.

Odmetanowanie złóż węgla przed ich eksploatacją zwiększa ponadto bezpieczeństwo przyszłej, ewentualnej działalności górniczej oraz umożliwia samo pozyskiwanie węgla po roku 2025, bowiem zgodnie z projektowanym rozporządzeniem Rady Unii Europejskiej i Parlamentu Europejskiego przewiduje się zakaz uwalniania do atmosfery i spalania w pochodni metanu ze stacji odmetanowania kopalń od roku 2025. Dwa lata później ograniczona ma być możliwość uwalniania metanu z szybów wentylacyjnych. Wydobycie węgla z pokładów metanowych stanowi ok. 70% ogólnego wydobycia kopalin w Polsce. Złoża węgla kamiennego w centralnej i południowej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego należą do silnie i bardzo silnie metanowych. Złoża karbońskie przykryte są nadkładem warstw trzeciorzędowych i czwartorzędowych o znacznej miąższości. W tych warunkach metan pozostaje w pokładach węgla, co utrudnia bezpieczną eksploatację i stwarza zagrożenie dla prowadzenia robót górniczych. Dzięki realizacji zabiegów szczelinowania z zastosowaniem nowego proppantu zostanie obniżona klasa zagrożenia metanowego z IV (metanośność większa niż 8 m³/Mg w przeliczeniu na czystą substancję węglową) do II (metanośność od 2,5 m³/Mg, do 4,5 m³/Mg w przeliczeniu na czystą substancję węglową).

Koks jest materiałem wytworzonym na bazie węgla, zatem pokład poddany szczelinowaniu z proppantem koksowym, może być eksploatowany, a uzyskany surowiec poddany dalszej tradycyjnej obróbce bez obawy, że będzie zawierał zanieczyszczenia, tak jak miałoby to miejsce przy zastosowaniu innych proppantów (np. piaskowych lub ceramicznych). Proppanty na bazie koksu wykazują się większą skutecznością od proppantów stosowanych tradycyjnie w podsadzaniu i utrzymaniu przepuszczalności szczelin wytworzonych podczas hydraulicznego szczelinowania węgli. Produkt ma również zastosowanie w zabiegach stymulacyjnych w innych skałach miękkich oraz umożliwia eksploatację z formacji dotychczas nieproduktywnych.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu wytwarzania nowego produktu proppantu koksowego otrzymywanego z koksu odlewniczego, wielkopiecowego, opałowego lub pyłu koksowego, który będzie miał zastosowanie przy hydraulicznym szczelinowaniu pokładów węgla w celu pozyskania z nich metanu.

Sposób modyfikacji koksu według wynalazku umożliwia wytwarzanie proppantów koksowych o zwiększonej odporności na zgniatanie, gdyż podczas wzbogacania w separatorze cyklofluidalnym usuwane są ziarna o podwyższonej zawartości substancji mineralnej powodującej obniżenie ich wytrzymałości mechanicznej i charakteryzujących się kulistością i krągłością o wartościach wyższych od 0,6 według PN-EN ISO 13503-2.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania proppantu koksowego charakteryzuje się tym, że koks wielkoziarnisty w postaci koksu odlewniczego lub wielkopiecowego o typowych parametrach jakościowych, rozdrabnia się w dwóch kruszarkach korzystnie szczękowych, najpierw w pierwszej o szczelinie od 30 do 10 mm korzystnie 20 mm aż do osiągnięcia wielkości ziaren od 20 mm do 8 mm, a następnie w drugiej o szczelinie od 10 do 3 mm korzystnie 6 mm aż do osiągnięcia wielkości ziaren od 10 do 0,5 mm, a następnie tak rozdrobiony materiał poddaje się klasyfikacji mechanicznej na dwóch sitach o wielkości oczek korzystnie kwadratowych o wielkości od 0,5 do 5 mm korzystnie 3 oraz 1 mm, następnie poddaje się procesowi wzbogacania w separatorze cykloflui dalnym powietrznym na sucho, gdzie umieszcza się warstwę materiału koksowego i doprowadza pulsujący strumień powietrza z częstością od 40 min^-1 do 50 min^-1 o temperaturze w zakresie od 5°C do 30°C, który przepływając przez sito rozluźnia materiał, a po jego zdławieniu następuje opadanie ziaren i ich stratyfikacja według gęstości w czasie od 60 do 180 sekund korzystnie 90 sekund, następnie wydziela się górną warstwę materiału i poddaje się mieleniu w młynie nożowym, przy prędkości obrotowej rotatora od 1000 do 1200 min^-1, wydajności podawania materiału na młyn od 5 do 15 g/min oraz szczeliny między nożami od 1,8 do 2,2 mm, w którym ścięte przez noże ziarna, wyrzucane są z dużą prędkością przez rotator i przepychane przez okrągłe otwory sita zależne od klasy ziarnowej proppantu korzystnie o średnicy od 0,5 do 3 mm najkorzystniej 2,0 mm, a następnie ziarna poddaje się klasyfikacji mechanicznej na dwóch sitach o wielkości oczek, zależnych od planowanej do wytworzenia klasy ziarnowej proppantu koksowego, korzystnie kwadratowych o wielkości od 3350 do 106 μm.

W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że odporność na zgniatanie m’pan zwiększa się średnio o 5,4%, a w niektórych przypadkach nawet o 14,2%, gdy obniżona zostanie, w wyniku separacji cyklofluidalnej, zawartość substancji mineralnej w materiale koksowym (wyrażanej w postaci zawartości popiołu) do poziomu < 9%. Przykładowo dla klasy ziarnowej 1700-1000 μm odporność na zgniatanie m’pan wynosiła 38,10%, a przed procesem separacji 47,9%. Wskaźniki kulistości i krągłości wyższe od 0,6 uzyskano w wyniku kształtowania materiału koksowego przez ścinanie i przepychanie w młynie nożowym. Dla klasy ziarnowej 1700-1000 μm otrzymano wskaźniki kulistości i krągłości na poziomie odpowiednio od 0,61 do 0,65 oraz od 0,60 do 0,63

Przedmiot wynalazku został zilustrowany na rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia schemat sposobu modyfikacji koksu do wytworzenia proppantów koksowych.

Przykład I

W celu wyprodukowania proppantu z koksu wielkoziarnistego, w pierwszym etapie technologicznym materiał w postaci koksu odlewniczego lub wielkopiecowego o typowych parametrach jakościowych kierowany jest do rozdrabniania (etap 1) w dwóch kruszarkach szczękowych, najpierw w pierwszej o szczelinie 20 mm (średnia wielkość ziaren po kruszeniu waha się od 20 mm do 8 mm), a następnie w drugiej o szczelinie 6 mm (średnia wielkość ziaren po kruszeniu waha się od 6 do 0,5 mm). Następnie tak rozdrobiony materiał kieruje się do klasyfikatora mechanicznego (etap 2), w którym stosowane są dwa sita o wielkości oczek (kwadratowych) 3 i 1 mm. W przypadku produkcji proppantów z pyłu koksowego materiał ten bezpośrednio jest kierowany do klasyfikatora mechanicznego.

Materiał koksowy o wielkości ziaren od 3 do 1 mm, wytworzony podczas klasyfikacji mechanicznej, poddaje się procesowi wzbogacania w separatorze cyklofluidalnym powietrznym (etap 3). Proces wzbogacania w separatorze prowadzony jest na sucho, tj. bez wykorzystania wody technologicznej. W urządzeniu tym do komory roboczej, w której umieszczana jest warstwa materiału koksowego, od dołu doprowadzany jest pulsujący strumień powietrza z częstością od 40 min^-1 do 50 min^-1 o temperaturze w zakresie od 5°C do 30°C, który przepływając przez sito umieszczone na dnie komory podnosi i rozluźnia materiał koksowy, a po jego zdławieniu następuje opadanie ziaren i ich stratyfikacja według gęstości.

W przeprowadzonych badaniach wzbogacanie materiału koksowego w separatorze trwało 90 sekund. Komorą roboczą była rura o średnicy wewnętrznej 75 mm i wysokości 600 mm. Każdorazowo do komory wprowadzano około 150 mm warstwę koksu w klasie ziarnowej 3-1 mm otrzymanego po klasyfikacji w etapie 3. Wylot z komory był ograniczony nakręcanym elementem złożonym z sita i tkaniny filtracyjnej. Na dnie komory roboczej umieszczono sito o wielkości oczek (kwadratowych) 0,5 mm.

Wydzieloną górną warstwę materiału, tak zwaną lekką frakcję gęstościową charakteryzującą się niższą zawartością substancji mineralnej, poddaje się mieleniu w młynie nożowym (etap 4), przy zastosowaniu prędkości obrotowej rotatora od 1000 do 1200 min^-1, wydajności podawania materiału na młyn od 5 do 15 g/min oraz szczeliny między nożami od 1,8 do 2,2 mm.

PL 247715 Β1

Zadaniem młyna jest kształtowanie ziaren, w celu osiągnięcia wskaźników kulistości i krągłości >0,6. Zastosowanie tego urządzenia do kształtowania ziaren materiału koksowego polega na stworzeniu ściśle określonych warunków procesu rozdrabniania. Ścięte przez noże ziarna, wyrzucane z dużą prędkością przez rotator i przepychane przez okrągłe otwory sita zależne od klasy ziarnowej proppantu (przykładowo o średnicy 2,0 mm dla wytworzenia materiału koksowego w klasie ziarnowej 1700/1000 pm) umieszczonego między komorą rozdrabniania a komorą odbioru, kształtowane są i uzyskują podwyższone wskaźniki kulistości i krągłości.

Wyniki badań przeprowadzonych dla koksu odlewniczego i wielkopiecowego jako surowca wskazują, że dla materiału koksowego w klasie ziarnowej 1700/1000 pm możliwe jest uzyskanie wskaźników kulistości i krągłości na poziomie odpowiednio od 0,61 do 0,65 oraz od 0,60 do 0,63.

Po procesie kształtowania ziaren produkty o zadanych klasach ziarnowych, zgodnych z PN-EN ISO 13503-2, tworzone są podczas powtórnej klasyfikacji mechanicznej (etap 5) w procesie przesiewania na dwóch sitach. Przykładowo dla wytworzenia materiału koksowego w klasie ziarnowej 1700/1000 pm ukształtowany materiał w etapie 4 kieruje się do klasyfikatora mechanicznego wibracyjnego, w którym stosowane są dwa sita o wielkości oczek (kwadratowych) 1700 pm oraz 1000 pm.

W wyniku przykładu otrzymano proppant koksowy o właściwościach: klasa ziarnowa 1700/1000 pm, wskaźnik kulistości i krągłości >0,6, zawartość substancji mineralnej <9% gęstość objętościowa w zakresie 0,550-0,621 g/cm³, odporność na zgniatanie m’_Pan od 38,1 do 42,86%.

Przykład II

W innym przykładzie wykonania wsad w postaci koksu ma wielkość 1 mm. W innym przykładzie wykonania koks może mieć także wielkość 5 mm. W innym przykładzie wykonania koks może mieć być mieszanką różnych wielkości od 1 do 10 mm.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

1. Sposób wytwarzania proppantu koksowego znamienny tym, że koks wielkoziarnisty w postaci koksu odlewniczego lub wielkopiecowego o typowych parametrach jakościowych, rozdrabnia się w dwóch kruszarkach korzystnie szczękowych, najpierw w pierwszej o szczelinie od 30 do 10 mm korzystnie 20 mm aż do osiągnięcia wielkości ziaren od 20 mm do 8 mm, a następnie w drugiej o szczelinie od 10 do 3 mm korzystnie 6 mm aż do osiągnięcia wielkości ziaren od 10 do 0,5 mm, a następnie tak rozdrobiony materiał poddaje się klasyfikacji mechanicznej na dwóch sitach o wielkości oczek korzystnie kwadratowych o wielkości od 0,5 do 5 mm korzystnie 3 oraz 1 mm, następnie poddaje się procesowi wzbogacania w separatorze cyklofluidalnym powietrznym na sucho, gdzie umieszcza się warstwę materiału koksowego i doprowadza pulsujący strumień powietrza z częstością od 40 min^-1 do 50 min^-1 o temperaturze w zakresie od 5°C do 30°C, który przepływając przez sito rozluźnia materiał, a po jego zdławieniu następuje opadanie ziaren i ich stratyfikacja według gęstości w czasie od 60 do 180 sekund korzystnie 90 sekund, następnie wydziela się górną warstwę materiału i poddaje się mieleniu w młynie nożowym, przy prędkości obrotowej rotatora od 1000 do 1200 min^-1, wydajności podawania materiału na młyn od 5 do 15 g/min oraz szczeliny między nożami od 1,8 do 2,2 mm, w którym ścięte przez noże ziarna, wyrzucane są z dużą prędkością przez rotator i przepychane przez okrągłe otwory sita zależne od klasy ziarnowej proppantu korzystnie o średnicy od 0,5 do 3 mm najkorzystniej 2,0 mm, a następnie ziarna poddaje się klasyfikacji mechanicznej na dwóch sitach o wielkości oczek, zależnych od planowanej do wytworzenia klasy ziarnowej proppantu koksowego, korzystnie kwadratowych o wielkości od 3350 do 106 μm.