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Di~férents ~rocédes ont été proposé~ en vue de l~e~ploitation
du charbon et du lignite par gazéificAtion souterrai~e. Celui qui a connu
le plu~ grand dé~eloppement est le proc~de par filtration du courant
gazeu~ entre deux ou plu3ieuræ 30ndages réalisés a partir de la 3urface.
Cependant, les applications de ce procédé ~ont actuellement limi-
tée~ à des giqements en couches d~a~sez forte ~paisseur situées ~ des
pro~ondeurs ne dépa~sant pas deu~ à trois cent3 m~re~. ;
L~utili3ation du procéde par f~ltration pour l~exploitation
des veines ~inces, situ~es à ~oyenne ou ~ grande profondeur, est gén~rale-
ment considérée comme non rentable~ en rai~on du coût élevé des ~ondages
profonds et de la valeur insu~fisante des gaz produits.
La pré3ente invention a pour ob~et de rem~dier ~ ces in¢onvé-
nients et de dé~elopper une nouvelle variante du procédé de ga~ification
souterralne par filtration~ adaptée au~ gisements constitués de ~e~nes
minoes situ~e3 à plu9 de 500 mètres de profond~ur.
Ce procédé pr~sente un certain ~o~bre de csract~risti~ues~
détaillées oi-après~ qui concourent à la réalisstion de trois ob~ectiPss
- réduire au minlmum le coût de~ aondsge~
- au~menter la qusntité de charbon 8aséi~i~o à partir de chaoun
des sond~ges~
- v~lorlo~r 8U mioux l~nergle oxtraite.
Lo développement dos méthodes olassiques d~oxploitati~n do~
minoY a ~ontr~ gu~ partlr d~uno pro~ondeur do l~ordre de 5 à 600 mètres,
lo~ ~ohi~tos gui ooDstituent la ~a~eure partle de~ ements houil~lers
reJtent 6tonche~ m~mo lor~gu~ilJ o~t ~t6 fissur6s par 18 progression d~u~e
oxploltation al~iar~. Cette ~tanohelté est d~ontr~e par le fait quo
1~ oh~tior~ pro~o3da sQnt géu~ralome~t Jooa~ mome lQrsqu'lls sont situés
OOU9 deA ~or~ations aquir~res; elle est ~gale~t d3montroo par le
~sit qu~pr~9 la fin de l~exploitation, des vieux tra~aux situ~s à
gr~nde prorondour ont pu ôtre utilio~s oomme réservolrs pour le captage
- 2 ~
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du griQou ou pour le stockage de gaz naturel.
~ans le procédé conforme à l'invention, cette ét~nchéité
des terrains des gi~ements prQfonds e~t mise à profit pour réaliser
la gazéificatlon souterraine en utilisant une in~ection d'air ou d'un
autre a~ent gazéifiant (par exe~ple un mélange air + vapeur ou alr
vapeur ~ o~yg~ne) dont la prsssion est r~glée de telle façon que les
gaz produits puissent être amené~ en surface qOU~Q une pre~oion mini-
male de 15 ~ 25 bars san~Q que la pression maximals~ le long du cir-
cuit~ excède la pression hydrostatique qui existe dans les terrain_ sus-
~scents.
L'utilisation d'un agent g~zéifiant sous haute pression sssure
au procédé di~f~rents avantagess
- possibillt~ de résliser de grand~ d~bits gazeux danQ des sondages
de ~aiblo dis~ètre~ d'o~ éoononie de frais de forage et de tubage;
- augmentstion des coerfioients de trsnsfert de chaleur et de ~aQss
entre les gAZ et leo oolides, GO qui permot d'soc~lérer la progression ~.
de la gaz~ificatlon~ d'aug~o~ter la productivit~ deo sondages et
d'améliorar lo bil~n thermique globsl~ en r~duiQant le8 perteo de
chalour à traverJ le8 rochos~
~ extonsion do la aono dlaotlon d~ ohaque 8021dagH~ la pression per-
mettsnt de ~urmont~r le~ rési~tanGas au pasoage des ga~ et de franohlr
do~ ~one~ ~boul~e~ ou dos failles ~ui oQnstitu~ralen~ deo ob8tacle9
in6urmont~blo~ pour lo pao~ago d'un d~bit ga~ux ~ basso pressionJ
- po~oibilit~ d'utilisatlo~ direoto du gas prodult pour l'allmentation
d~u~o o~ntrale ~ cyclo oo~bin~- turbine à gsJ ~ turbine ~ vapeur, GO
~ui pormet d~a~surer un h~ut rendement de oon~ersion de l'~nergie
thermi~uo on ~nerglo m~oaui~ue.
L'Applloatlon du proo~d5 do gaz~ification sous haute pres-
sion pout rooourir ~ un ~oouloment continu entre le9 sondages
d'inJeotion Hb les ~o~d~goJ d'~vacuation des gaz produits mais des
. ~ . ~ , . . .
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résultats am~liorés peuvent être obtenus en procédant de façon cyclique
et en alternant des période~ d~injectio~ d~agent gazéifiant d dés pressions
au~mentant progressivement ju9qu~à u~e pression maximPle de llordre de
30 ~ 50 bars et des périodes de déc~pre~sion du gaz, jusqu'à une pres~ion
minimale de 15 à 25 bars.
Ces alternances de c~pressions et de décompressions aqsu-
rent au procéde plusieurs avantages;
- eIles permette4t d'étendro la zone dlaction de chaque sond~e~ dans
le sens transversal à la direction principale d~écoulement du flux
gazeux;
- elles accentuent la dislocation et le morcellement du combusible,
ce qui contrinue ~ augmenter la productlvité~
- elles font ns~tre de~ écoulqments turbulents par pénétration des
gaz dans les fentos du massif et dans des smas d~éboulis qui, sans
elles~ resteraient en dehors des zones actives.
Il convient cependant que les fluctuationLq d~ pression
dsns lo gazogene souterrain no s~accompagnent pas de fluctuatiors
i~portantes du d~bit do gaz produit, oar de telles fluctuation~ pertube-
raient le fo~otionn~ent dos i4stallations d~utilisatlon du gaz~ dès
lors, dsnJ lo prooede oonformo a l~invention> on combln~ra une production
oontinuo do gsz ot une ~luotu~tion oyoliquo do la pro~slon~ dans le g-zo-
g~Ao ~outorr~ln~ cotte ~luotua~ion de pres~ion ~tant obtenue par varia-
tlon du d6bit ot do la presslon de l~ugent ga~ lank in~ect~.
La réslloation de la gaz61fiostlon sout~rralno, suivant
un oyolo ~ presolon variablo~ pout ~aloment oon~tituer un moyen do
~adulation do la puis~anoe ~leotrique fournie par la centrale; en effet~ : `
l~auemont~tion de prossion dans les cavités ~outerraine~, où 3~effectue la
gaz~lfioatlon~ per~et d~aooumuler una quantit~ importante d'~nergio qui
e~t re~titu~e p~ndsnt la pba~e de dScompression. n suffira do
oynchro~iJer le oyolo do variation de pre~sion avec le cycle de variation
. . . . .
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de la d~mande de courant dBn3 le réseau de distribution, pour augmenter
notablem~nt la souplesse de fonctionnement de 1~ centrale, la ma~eure
partie de l'énargie produite par la turbine a gaz ~tant coDsacr~e à la
compression de l'air pendant les heures de faible demande et à la produc-
tion d'~lec~ricité aux heures de pointe.
Pour augmenter la rentabilité du procéd~ de gazéi~ication
souterraine, 11 ost important de pouss~r aussi loin que possible le d~gré
d'utilisation du combustible; dan~ les proc~dés utilis~s ~usqu'à
pres~t, l'exploitation s'achève dèJ que le pouvoir calor;~ique du gaz
produit tombe en dessous de 60~700 keal/Nm3, cotte val0ur etant consi-
dérée comme le mi~lmum nécessaire pour que le gaz puisse trouver u~e .
utilloatlon industrielle.
Dans le procéd~ conOEorme à l'invention, il est prevu, dans
ohacune des parties du gisement, de r~aliser succes~ivemsnt une phsse
to gazél~icatio~ puis une phaso de combustion "in ~itu". Durant cette
dernière phaso, un d~bit d'air nettement exc~dentsire est insufflé pour
provoqu r la combustion du combustible qui a ~chapp~ ~ la gsz~ification
et trans~ormer ¢e potontlel énergétique en chaleur sonsiblo.
Pour la r~allsAtion do c0tto phaso do oombustion, on utili-
aara 108 mêmes preosloLs d'~ir que pour 1~ phase db ga~ ioatlo~ et,
~pre`o ~pur~tio~, lo m61~nyo d'~ir et d- ~u~ea aortant dea ~ond~ges
oer~ r~inJeot6~ 80U8 prosJlon, dan~ la ch~bro do oo~bustio~ ~ui pr~oède
la turbine ~ ~az, sfin de diluor 1~8 fum60a do oombu~tion et do rsmener
leur tomp6raturo à la t~p6rature li~it- ~ui pe~t ôtre tolérée par la
turblno.
Tout oomme la gaséiflostion, la combustlon sera avantageuse-
mont r~ali~6e ~n sltornant dos p~rlodes de compresslon et de déoompres-
sion~ lo cyole do c08 variatlons de prossion ~tant ~ynchronis6 avec le
c~olo de varlatlon de la d~sndo do oourant danJ le r~Jeau de distri-
butlon.
. : - .
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Pour que 1~ procadé de gazéification souterraine aous pression
puisse être utilisa avec succès, il faut évit~r que 1~ tubages des sonda-
ges de récupération du gaz de gas~ifi¢ation et de~ fumées de combustion "in
situ" subis~ent des dilatations et das ccntractions thermiques qui détrui-
sent ltatanchoit~ du ~oint cimenté qui relio les tubages aux terrains.
Pour parvenir à ce résultat, les sondages saront pourvw de
dispositlfs de r~froidissQment à circulation d'eau réalisas sous la forme
do tubages ~ double paroi (conformément au brevet belge n 826.613) ou ~ous
la forme d'un dispositif tubulaire amovible introduit à l'int~rieur du
tubage ~conformément au br~vet belge n 829~804 (demsnde do brevot au
Csnada n 253,809 du ler ~uin 1976).
Ces digpo itifs de refroidisse~ent par ~chaL~e thermique au
traver3 do parois~ sans mélange ni contact des gaz et des fum~es BVeC l~eau :~
de circulation~ se pr;tent à une valorisation de 18 chaleur rbcupéréo~ à la
seule conditlon que les d~blts d'eau do rofroidiss~ment soiont sJustés de
msnière ~ produire do 1A vapeur d'eau ~ une pression et à uno température
oonvenant pour l'alim~ntstion d'une turbine à vspeur, pour 90n utillsation
dsnc une contrale de produotion d'éleotrioit~ ou pour sa r~inJootion dans
lo gszogano souterrain on ~lan~o avoc l'agent ga~lflant~
D~DD le pro¢~d6 oonforme à l'inver~tionJ cet aJustomen~ du
d~blt eJt r~aliJé par un diJpo~itif automatique action~S par un pressiostat~
Lo proo~d~ co~or~o à l'i~vention ost oncore oaraot~ri~6 par
le fait quo 1A ga~ifioation des couohes profondo~ du gise~ent ost ~um~l~e
avoc u~ o~pt~go du grisou qul 80 d3gago danJ la partie supSriouro du giso-
aont~ par oulto d~ la d~b~te ~t de la fissuratiQn dos terrains oons6cuti~eJ :-
~ lcatio~ et ~ la co~bustion de~ ooucheo profondos. Co captage
oora re~lls6 psr un Ou plu~ieurs sondsges creus6s ~usq~'au rAiveau ~trati~
graphiqu- Jup~rleur du gi~ment.
~pr~s 6puration~ Ie ga~ rioh~ ainsi reoueiIli pourra êtro
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utilisé comme gaz de r~seau ou atre stocké et réintroduit dsnY le cycle
~nergétique de la centraleg pour alimenter une flamme pilote ou palller
aux ~luctuations de pouvoir calorifique du gaz de gazéirication.
~nfin, dans le procéd~ conforme ~ l'invention, un même r~seau
dG sondages d'in~ection d'agent gazéifiant et d'évacuation des gaz sera
utilisé pour l'eYploitation success~ve d3s différentes coucheY du gise-
ment.
A cet effet, les sondages s~ront dès le d~psrt forés Ju~qu'à
la couche la plus profonde du gise~ent à e~ploiter. Après achèvement
de l'e~ploltation de cette première couche~ la partie inferieure des
sondages sera bouchée par cimentage et les tubages seront perc~s ou dé-
coup6s au niveau de la couche immédiatoment supérieure afin de procéder
à son oxploitation. ~ `
A tlto e~qmplatif~ la conception g~nérale du procédé conforme
à l'invention peut être décrite do la façon sulvsnte, en se ref~rant au
deosin annoxé~ dont la partie inferieure représente une coupe à travers
un gisoment houiller réalisée par un plan vertlcal p~s~ant par une s~rls
do sond~eo d'e~ploitatlon et dont la partie sup~rieurH ropr~sonte l-
80h&ma db la o~ntrale ~dirl~e en surface~ pour la valorisation des gas
ot do 1~ vapour provonant d l'exploitation par Raz~l~lcation ~outerraine.
On suppo8era quo l'on 80 propooo dl~xplolter un gisoment
vierge ~'etond~nt on pro¢ondour dopui~ lo niveau ~tratlgraphique N2
Jusqu'aù nlvoau ~trati~r~phlquo Nl~
Lo~ travau~ pr~p~ratolros oonslsteront dan~ la or~atlon
d'un re~o-u do ~ond~gea d'exploitation tels que Sl~ S2 et S3 crouJ6s
Ju~qu'~ une oouoh~ su~ri~ammont i~portanto ~itu6e au niveau stratiBra-
phiqu~ in~drlour Nl ot ~anJ la cr~ation d'un ou pluslour~ aondages do
oaptage do gri~ou t da que S4 orous~s ~usgu'au n~veau stratigraphlque
supérlour N2.
~u oas où il existerait au ~ommet du gise~ent une oouGhe
_ 7 _
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de forte poro3ite favorable au captage ~t a la c~rculation des 2az, leæ
sondages de captage slarrêteront dans cetta couche. Si aucune couche
de ce genre n~ex~ste ~ l'état naturel, elle sera cré~e art~iciellameAt
par la méthode de "fracking" utilis~e en exploitation pétrolière, m~thode
qui consiste à inJecter de l~eau additionnee de æable et d~agents mouil-
lants 90US une pression qui dépasse sensiblement la pression moyenne
résultant du poidæ des terrains suæ-jacents.
~ ou8 les sondages sont pourvus de tubages métalliques etar-
che~ qui sont solidarisés au terrain par cimentage, suivant les techniques
connues.
De plus~ chacun des ~ondages d'exploitation est équip~ d'un
dispo~itif de refroidissement à circulation d~eau.
Dang le dessin anne~é~ on a suppose ~uo dans la zone com-
prise entre les sondages Sl et S2~ l'exploitation par gazéifioation de la
couch0 inrérieure du gisement était ter~inée et que la sone comprise
ontre les oondages S2 ~t S3 était en oours do gazé~flcation. A ce stage
de l~e~ploitatlon, l~air at~o~ph~rique, porté à la presslon requiso
par lo compre~æeur 1 actlonne par lo moteur alectriquo 2~ est irJect~ ~
traveræ lo sondsge S2 et, au piod de o- oondsge~ 8e r~partit dans la veino
on cours d'~ploitatlon.
Une psrtle du d~blt progrease d0 S2 vor~ S3 danæ une zone qui
oo~porto enooro uno importante r~sorv~ de oh~rbon ~ gsz~ifldr. Le gas
psuvr- obtonu par oombu~tion parti~lle on pr~senoo d~un excas do combus-
t~blo r~mo~t- par lo sc~ds4e S3~ p~rvlont ~ la surfaoe~ ~ une prosslon de
l~ordro de 15 ~ 25 bars et ~ uno te~p~rature d- l~ordre ~e ~50 à 300C; il
oot epur~ d~no lo ~scrubbor~ 3 et bral~ tou~our~ 80U~ pre88ion~ d~n~ la
oh~mbre do oombu~tlon 4~ l~air oo~burant étant fourni par le co~prosseur 5.
Llautro p~rtio du débit d~air, irJecté par le sondage S2,
o~lnfiltro ontro S2 et Sl dans la zone d'éboulis qui ~ubsiste après
aoh~v~mont de l~op~ration de gaz~ifioation~ 91~ rbchauffo au contact des
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roches et provoque la c~mbustion dso r~oidua de charbon qui ont échapp~
à la gazéiYication. L~ mélange d'sir et de fum~es ainai obtenu remonte
par le sonda~e Sl, à une pre~sion de llordre de 15 à 25 bar~ et ~ une
temparature de l'ordre de 250 à 300C; il est ~pura dans le "scrubber"
6 et in~ect~ dana la chambre de combustion ~ pour diluer les fumée3 de
combustion et les ramener à la température maximala qui peut être tolér~e
à l'entrée de la turbine de déten$e 7. :
Le gri~ou capté dan~ le haut du gisement par le sondage de cap- :
taRe S4 est épuré dans le "scrubber" 8, comprimé da~s le compre~seur 9,
stock~ dan9 le r~3ervoir 10 et utilisé, suivant le~ besoins, pour alimen~
ter une flamme pilote et régulariser les condition~ de fonctionnement de
la chambre d~ combustion 4.
Les fum~e~ sortant de la chambre de combustion entrent dan~ :
la turbine 7 a une tompérature de l'ordre de 800 à 900C~ eIle~ en res-
sortent détendueo à une pression voisine de la pression atmosph~rique
at à une température de l'ordre de 400 à 450C, eIles traversont ensuite
la ohaudl~re de réoupération 11 a~ant dlêtre ro~etées à l'atmoophère psr
1B ohe~in~o 12~
Les oirouit~ do vaporisation de la chaudiere de réouperation
11 ~ont sli~ent~ par la po~po ~ eau 13- Uno seoondo pompo 14 alimente
leo di~po~itifa de r~froidiao~ent plso~s a l~int~riour des sondagoa S
et g3, L~ ~apeur produite psr ooo dispositif~ en r~oupération de la
ohalour aon~ible dos ~a~ et do9 YUm~e9~ est r~so~blée d~ns le colleateur
15 ~ui reJol3t le oiroult vspeur de la ohaudl~r- de réoupération 11. Toute
la ~apeur produito eot dbtenduo dsno la turbino 16 ot oondon3~0 da~s lo
oondon80ur 17. ~:
L~6n~rglo produito par la turbine ~ vspeur 16 est convertie .
on ~lectrlolté par l'alt~rDateur 18. Une petite psrtie do l'~nerglo pro- .
duito psr la turbine à ga3 7 ost oon~om~ée par le compres3aur 5, le qolde
e~t con~ertl on ~lectrloit~ par l'alternsteur 19.
.
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Pour autant que la circulation de l~air et des gaz entre le8
so~dage~ S2, Sl S3 soit réali~ée en continu~ on pourrait envisager d~ac-
tio~ner le compress~ur 1 par accoupleme~t dlrect ~ la turbine à gsz 7.
Cependant, il e9t plus avantageux de réaliser la circulatlon
de l~air et des gaz e~tre le3 sondages S2, Sl et S3 en suiv~nt un cycle
qui comporte une alternance de p~riodes de colnpression ~usqu~à une pre~sion
maximale de l~ordre de 30 ~ 50 bars et de période3 de détente ~u3qu'à
la pression mimi~ale d~ l~ordre de 15 ~ 25 bars.
~ vec ce type de fo~ctionnernent, il est po3sible de moduler
dan9 une large mesure la quantité d~énergie élec~rique produite par la
centrale~ pour 3~adapter aux ~luctuations de la demande, tout en mainte-
nant le fonotionnelnen~ des turbines à gaz et à vapeur à leur puissance
m~xl~ale. `~
~ titre d~excmple, on peut citer les ¢hi~fre3 suivants qui
pourralent être réalisés dan~ le ca~ d'une centrale d'une puiosance nom~-
nale de 100 MW-
~n re~ime oontinu:
Puisoanoe ~ournie par la turbine ~ vapeur~ ~58 NW
PulJoa~co fournio par la turblne à gaz- ~100 l~W
Pulsoanoe oonoomm~e par le oompros30ur 5~ -10 MW
Pui~oanoo oonsomm~o par lo oo~pressour 1- -40 MW
Puis~ano0 con~omm~o par 1~8 pompos et aocessolres~ - 8 MW ~`
100 .YW
.
P~rlod_~_do _~p_eso_on (50 ~ _u_t~n2a)s
Pui~noo ~ournle par 1~ turbino ~ vapeur~ ~58 HW
Pui~8~noo rournle par la turblne à gaz- ~100 ~W
Puiss~noo oonsomm~e par le oompresseur 5s -10 HW
Puls~anoo oonJommso par le oompres~eur 1- -80 N~
Pul888noo oon~Qmm~o par le~ pQmpes et acoessoire~s 8 ~W
PU10~8DC- ~ournie 8U r~sosu- 60 MW
- 10 ~
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Périodes de déco~pr~ss~on (50 ~ du tem~s):
Puissance fournie par ls turbine à Yapeur: ~ 58 ~d
Puissance fournie par la turbine à gazs ~ 100 I~W
Puissance consommée par le compresseur 5: - 10 MW
Puissance consom~ée par les pompes et accessoires; - 8 NW
Puissance fournie su r~sesus 140 MW
~ . , ~ , .
.. ..
