Технологические особенности метода ПСС

Если измерить температуру горящего серного пласта, двигаясь по направлению фильтрации воздуха и газов сжигания, то при графическом изображении результатов измерения получится характерная кривая (рисунок. 15.3), называемая «тепловой волной», причем можно обнаружить, что максимум «тепловой волны» перемещается в область 1 вслед за потоком воздуха или навстречу ему в зависимости от схемы подачи воздуха в пласт. Поскольку различным процессам в серном а пласте соответствуют различные температурные диапазоны, то можно выделить в этом пласте ряд пространственно разделенных зон, в каждой из которых тот или иной процесс является преобладающим.

В зоне 3 предварительного прогрева пласта (Т < 120 °С) происходит испарение влаги из пор пласта а также конденсация ров серы, вынесенных из более горячих зон. Прогрев пласта происходит конвективно-теплопроводным путем при прямоточной фильтрации (т.е. при совпадении направлений движения очага горения и фильтрации воздуха) и чисто теплопроводным при противоточной фильтрации.

Температура
Расстояние от точки подачи воздуха

1 — горения; 2 — плавления; 3 — предварительного прогрева; 4 – выгоревшая зона

Рисунок 15.3 – распределение температур и физико-химические зоны в горящем серном пласте

Зона 2 плавления серы (120 ≤ Т ≤ 445 °С) характеризуется наличием расплавленной, но еще не воспламенившейся серы. В этой зоне происходит частичное перераспределение серы в поле действия силы тяжести, которое наиболее интенсивно в интервале температур 120—158° С, соответствующем минимальной вязкости серы. Перераспределение серы вызывает увеличение проницаемости верхней части пласта и уменьшение проницаемости нижней. В этой же зоне происходит дегидратация включений гипса и незначительное предпламенное испарение серы.

Зона горения 1 характеризуется температурами свыше температуры кипения серы (445 °С), причем это значение температуры является приближенным, так как температура воспламенения серы зависит от большого числа факторов (условий теплоотвода, размеров пор, содержания кислорода и серных паров, чистоты серы и т.п.). При вскипании серы происходит резкое увеличение плотности серных паров и, таким образом, увеличивается вероятность воспламенения.

В зоне горения происходит интенсивное окисление серных паров, приуроченное главным образом к наиболее крупным каналам и трещинам. В более мелких порах условия воспламенения серы затруднены. Таким образом, горящему серному пласту соответствует в первом приближении модель «двойной пористости», т.е. серный пласт можно условно представить состоящим из мелкопористых блоков, разделенных более крупными порами, каналами и трещинами, в которых и происходит фильтрация воздуха и окисление серных паров.

За счет теплоты реакции окисления осуществляется теплопроводный прогрев мелкопористых блоков и испарение серы из глубины этих блоков. Серные пары фильтруются по направлению к крупным порам и трещинам, препятствуя проникновению кислорода в глубь рудных блоков.

Таким образом, указанное на рисунке 15.3 распределение температур в зоне горения является усредненным. В действительности, максимальная температура развивается в межблоковых трещинах и уменьшается к центру блоков, где она близка к температуре кипения серы. Следовательно, в высокотемпературной зоне находятся лишь внешние участки поверхности рудного скелета блоков, чем и объясняется незначительное влияние реакции сульфатизации на процесс вутрипластового горения серы.

При значительном «заглублении» поверхности испарения серы поступление серных паров в реакционную зону (крупные трещины и поры) снижается и горение прекращается. В дальнейшем внешняя поверхность блоков может за счет охлаждения воздухом иметь более низкую температуру, чем центральные области блока, содержащие остаточную серу. В этом случае часть серных паров будет конденсироваться вблизи фильтрационных «холодных» каналов и при реверсировании дутья возможно прохождение очага горения в обратном направлении по уже «выгоревшей» зоне 4.

Выгоревшая зона характеризуется средними температурами ниже 445 °С. В этой зоне помимо остаточной серы в глубине рудных блоков возможно также горение серы, стекшей к почве пласта (процесс догорания «серной лужи»).

Очевидно, что роль этого процесса обусловлена прежде всего выплавляемостью конкретного типа серной руды при учете ее неравномерного во времени нагрева.

Распределение температур по мощности серного пласта также имеет максимум, который смещен к кровле пласта. Температура пласта в зоне контакта с покрывающими и подстилающими породами ниже вследствие потерь тепла в окружающие породы. В выгоревшей зоне при догорании «серной лужи» максимум температуры опускается к почве пласта, вслед за уровнем «лужи».

Приведенное качественное описание основных процессов при внутрипластовом горении серы свидетельствует об их сложности и многообразии. Вследствие этого достаточно строгая численная оценка параметров процесса внутрипластового горения серы является чрезвычайно сложной задачей. В настоящее время О.М. Гридиным получены приближенные аналитические выражения для оценки наиболее существенных параметров процесса.