CC BY
14
УДК 622.272:516.02
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ВЫГОРАНИЯ ГРУБОДИСПЕРСНЫХ
ПЫЛЕГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ, ДВИЖУЩИХСЯ В ВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
ЧЕРДАНЦЕВ С. В., ЛИ ХИ УН, ФИЛАТОВ Ю. М., ШЛАПАКОВ П. А.
АО «Научный центр ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности в горной отрасли», 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3
АННОТАЦИЯ. Рассмотрен процесс выгорания грубодисперсных пылегазовоздушных смесей, находящихся в атмосфере горных выработок. Представлена формула, определяющая длину зоны выгорания грубодисперсных пылегазовоздушных смесей. Построены графики и выполнен анализ влияния некоторых параметров смесей на длину зоны выгорания.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: горные выработки, грубодисперсные пылегазовоздушные смеси, стехиометрическое соотношение, скорость химической реакции, реакционная поверхность пор, концентрация угольной пыли.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие угольной отрасли в последние годы характеризуется стабильным повышением технико-экономических показателей, что обусловлено, с одной стороны, использованием современного горношахтного оборудования, а с другой - совершенствованием технологии очистных и подготовительных работ.
Однако существует ряд факторов, сдерживающих увеличение добычи угля подземным способом. Основным из них является процесс самонагревания угля [1 - 4], представляющий собой сложный процесс, обусловленный химической кинетикой протекания реакций окисления углеродосодержащих веществ и физическими процессами тепломассопереноса. Очаги самонагревания, характеризуемые повышенной температурой, могут вызвать возгорание угольных целиков и породоугольных скоплений [1 - 4].
Другим фактором является угольная пыль, образующаяся при работе горно-шахтного оборудования, которая, взаимодействую с атмосферой горных выработок, образует пылегазовоздушные смеси (Ш ВС), способные к химическому реагированию. При наличии источников зажигания, возникающих от трения работающих частей машин и инструментов, ПГВС склонны к воспламенению и горению [5].
Процессы воспламенения и горения достаточно хорошо изучены, а библиография по этой тематике весьма обширна. Достаточно указать на фундаментальные работы отечественных [6 - 10] и зарубежных ученых [11 - 14], которые посвящены, главным образом, горению и сжиганию углеродосодержащих веществ в специальных энергетических установках и в котельных агрегатах на тепловых электрических станциях. Процессы же воспламенения и горения ПГВС в условиях горных выработок на угольных шахтах менее изучены, что обусловлено спецификой воспламенения и горения ПГВС. Однако в последние годы число работ, посвященных проблемам воспламенения и горения ПГВС в горных выработках неизменно растет. Среди этих работ отметим лишь некоторые [15 - 20].
Так, в работе [15] рассмотрена задача о самовоспламенении облака частиц двухкомпонентной газовзвеси, в ходе решения которой получены приближенные аналитические зависимости для периода индукции самовоспламенения, а также для критических условий воспламенения двухкомпонентной газовзвеси. Существенный недостаток работы состоит в том, в ней рассматривается неподвижное облако газовзвеси, в то время как, реагирование ПГВС в условиях горных выработок происходит, как правило, в движущихся воздушных потоках.
Авторы работы [16] сопоставили расчетные и экспериментальные данные параметров горения и детонации различных смесей, характерных для аварийных взрывов в шахтах в широком диапазоне изменения концентрации горючей смеси и их стехиометрического соотношения. Однако авторы не учли внутреннюю реакционную поверхность угольных частиц, которая, на наш взгляд, существенно влияет на процесс выгорания ПГВС.
В работе [17] предложена математическая модель процессов воспламенения частиц угольной пыли, учитывающая реакции пиролиза, горения летучих веществ и коксового остатка. В результате реализации модели выявлено влияние нагрева частицы на динамику выхода летучих веществ и время задержки воспламенения. Нам представляется учет пиролиза в математической модели ошибочным, поскольку горение ПГВС в горных выработках, как правило, происходит при избытке кислорода, в то время как пиролиз всегда протекает при недостатке кислорода. Учет летучих веществ в модели, на наш взгляд, не вполне уместен, так как каждая частица в движущемся воздушном потоке горных выработок обдувается, следовательно, летучие вещества удаляются с поверхности частицы и сносятся вниз по потоку.
Работа [18] посвящена инициированию детонационного горения угольной пыли в метановоздушной смеси при небольшом массовом содержании угольных частиц. Авторы учли влияние излучения на формирование в смеси гетерогенной детонации и доказали, что его роль невелика. Причем влияние излучения ослабляется процессом сублимации углерода, ограничивающим рост температуры частиц. В работе выполнены расчеты для угольной пыли с 6%-ным содержанием метана в воздухе, что в условиях угольных шахт, как правило, не реализуется, поскольку содержание метана в атмосфере горных выработок не допускается правилами безопасности более 1 %.
Авторы работы [19] предприняли попытку выявить склонность угольной пыли образовывать взрывчатую смесь в атмосфере горных выработок. В ходе экспериментальных исследований они обнаружили, что при определенных соотношениях уголь - окислитель наблюдается двухстадийный характер взрыва. В ходе математического моделирования авторы выявили, что если в определенный момент времени сложились условия воспламенения, то одновременно при наличии горючей среды и окислителя возникает источник зажигания, а возгорание смеси происходит в режиме дефлаграционного горения.
В работе [20] рассмотрен стационарный процесс горения микрогетерогенных пылегазовоздушных смесей в горных выработках. Сформулирована задача Коши для одномерного нелинейного дифференциального уравнения, описывающая процесс горения, и построено ее приближенное решение методом Гира. Найдены собственные значения и собственные функции задачи Коши, в том числе и критические значения, меньше которых процесс горения невозможен. Получено уравнение, связывающее температуру микрогетерогенной 111 ВС в произвольном сечении выработки и его координату.
Заметим, что в работах [19, 20] обсуждается горение только микрогетерогенной ПГВС, в то время как пылегазовоздушные смеси в горных выработках часто состоят из грубодисперсных частиц, размер которых на порядок выше микрогетерогенных.
В связи со сказанным, нам представляется, что обсуждение процесса горения грубодисперсных пылегазовоздушных смесей, движущихся в воздушных потоках горных выработок, является актуальной задачей.
Цель работы состоит в определении длины зоны выгорания грубодисперсных пылегазовоздушных смесей и анализ влияния на длину выгорания некоторых параметров смесей.
В работе приняты следующие допущения:
1) грубодисперсная угольная частица имеет сферическую форму, текущий радиус которой X, а начальный радиус г0 имеет размеры 10 4 м < г0 < 510 4 м;
2) внутренняя пористая поверхность частицы, которую будем считать однородной и изотропной, характеризуется постоянным коэффициентом диффузии Б внутри частицы и реакционной поверхностью пор , отнесенной к единице объема частицы.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О ВЫГОРАНИИ ГРУБОДИСПЕРСНОЙ ПЫЛЕГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ГОРНОЙ ВЫРАБОТКЕ
Основная особенность горения ПГВС в горных выработках состоит в том, что угольные частицы не оседают, а подхватываются и транспортируются воздушным потоком (рис. 1).
Будем полагать, что в данный момент времени в некотором объеме V содержится п угольных частиц общей массой Gт и реагирующий газ массой Gг, которые в начальный момент соответственно равны GT , Gг . Их отношение
GT GT
mo
Gg Vcri
(1)
-Г, ' 0
представляет собой начальную концентрацию угольных частиц, а величина с0, является начальной массовой концентрацией реагирующего газа в объеме V.
->
ь Q 0 О а □ а а □ £] с О О о О0 о а О '„«»{] Оол. п U =оо „Оои о о D 4о°>0 0 Q ° oaQUo ап° и С 3 О п о OD О = „ □ о 0° о5 О о О о О о а ° г, = ° о Q о „ о 0 п о а = О 0
//////////////Z х fe. У//////////// 1 .
Рис. 1. Движение грубодисперсных угольных частиц в воздушном потоке выработки
Необходимое для горения угольных частиц количество реагирующего газа (кислорода), выражается стехиометрическим соотношением М и коэффициентом избытка кислорода 8, определяемыми по формулам
M
GT
Gn
8-
Gg
Gn
(2)
'0 и0
где G0 - теоретически необходимое количество реагирующего газа для протекания реакции горения. Из сопоставления (1) и (2) получим формулу, связывающую М, т0, 8
М = М. (3)
Стехиометрическое соотношение М определяется из рассмотрения химической реакции. При протекании реакции полного выгорания углерода [7, 9, 10]
С + О2 = СО2 (4)
теоретически необходимые количества угля и кислорода составляют GT = 12 кг, G0 = 32 кг
и поэтому стехиометрическое соотношение составляет М = 12/32 = 0,375.
Горению в гетерогенном режиме соответствуют две химические реакции [10, 18]
3С + 2О2 = СО2 + 2СО, 4С + 3О2 = 2СО2 + 2СО , (5)
откуда следует, что теоретически необходимое количество угля и кислорода в первой реакции составляют GT = 36 кг, G0 = 64 кг, а во второй реакции GT = 48 кг, G0 = 96 кг,
в силу чего, стехиометрические соотношения соответственно: М = 36/64 = 0,5625, М = 48/96 = 0,5.
Низкотемпературное выгорание углерода, протекающее по схеме [7, 9, 10]
2C + O2 = 2CO, имеет GT = 24 кг, G0 = 32 кг и, поэтому, M = 24/32 = 0,75.
(6)
0
v
0
При других режимах горения углерода величина стехиометрического соотношения, как показано в работе [10], находится внутри отрезка М е [0,375; 0,75].
Анализируя различные условия горения угольных частиц, отметим, что реакция горения (4) характерна для сгорания топлива в энергетических установках [4 - 7]. Условия горения частиц угольной пыли в горных выработках в большей степени соответствуют реакции (5), (6) при низкой концентрации пыли и избытке кислорода [18, 19], хотя в некоторых случаях возможно горение в режиме (4). Поэтому далее мы рассмотрим процесс горения ПГВС на всем отрезке изменения стехиометрического соотношения при условии, что 8 > 1.
При химическом реагировании происходят выгорание угольных частиц и уменьшение количества кислорода, которые мы можем найти из стехиометрического уравнения [7]
М (с - е)¥ = СТ0(1 - О), (7)
где с и О - соответственно текущая массовая концентрация реагирующего газа в единице объема и относительный недожог угольных частиц, характеризующий их выгорание в сечении выработки, находящемся на расстоянии х от начала зоны горения
О = , (8)
ОТ
Т0
где От - поток угольных частиц в поперечном сечении с координатой х. Заменив в уравнении (7) величину ОТ ее выражением из формулы (1) и выполнив преобразование, найдем
с = с0
1 -77(1 - О)
М
(9)
Учитывая, что ОТ = 4/3утлХ п, ОТ = 4/3утрг0п, находим в формуле (8) величину О = ¥3, в силу чего, формула (9) преобразуется к виду
с = с0 + тс0(¥3 -1), (10)
0 М
где
X ОТ ОТ
¥ = ^, 70 = =
¥0 °г0 ^с0
Принимая нулевой порядок реакции горения, напишем уравнение выгорания частицы
-уТё Х = МцЖ, (11)
выражающее условие, что за время Ж радиус частицы уменьшился на Здесь ут - плотность частицы, q - удельная скорость реакции, отнесенная к единице площади внешней поверхности частицы £е.
Для определения q вначале найдем общую скорость Ж реакции как сумму скоростей реакций, протекающих на внешней поверхности частицы и внутри ее
Ж = к8ес№ + к8гсг = к8ес№ + кЕус1, (12)
где с№, сг - концентрация реагирующего газа соответственно на внешней поверхности и внутри ее; - внутренняя поверхность частицы; V - ее объем; = / V ; к - константа скорости реакции, которую определим из уравнения Аррениуса [6 - 14]
к = к0в~Е/КТ , (13)
3 _ 1
где Я = 8,314 Дж/(моль К) - газовая постоянная; к0 = 3,510 с - предэкспоненциальный множитель; Е = 133-103 Дж/моль - энергия активации, которой должна обладать молекула, чтобы прореагировать; к0 = 3,5-103 с"1.
Разделив равенство (12) на 8е и полагая, что ем, » с, найдем удельную скорость реакции q, отнесенную к единице площади внешней поверхности частицы
д = к (1 + , (14)
где величина е = У№е - характеризует глубину проникновения реакции внутрь частицы. В частности, для частицы сферической формы 8е = 4л^2, V = 4яХ3/3 величина е = Х/3.
Подставим в уравнение (11) формулу (14), в которой величину кс„ заменим на кс
-утйX = Мк(11 + 8ге)с& , а затем в полученное уравнение подставим формулу (10) и учтем, что X = г0 Г
3gT dr 1 SM k
C0 +
з _ i)
M
с
3
\
r + = Sir0 J
dt.
(15)
где величина 1/ к - представляет собой химическое сопротивление, определяемое как [7]
rr2
1 1 rr ^ = +
k k D aD
(16)
Умножим обе части уравнения (15) на скорость воздушного потока V и, полагая, что vdt = йх, перепишем его следующим образом
3у^ 1
SM k
C0 +
M°(r 3 _ 1)
M
(r +a) dx,
(17)
где а = 3/(^гг0).
Разделив в уравнении (17) переменные и учитывая формулу (16), приведем его к виду
йг
+ — + — т=-
к
dx = _3Jt- ( 1
SM
v
D aD
c + moco (rз _ 1)
Co + m ( 1)
(18)
(r +a)
Прежде чем интегрировать полученное уравнение, определим границы зоны горения. Поскольку при входе в зону горения каждая угольная частица имеет первоначальный размер, то одно граничное условие представляется вполне очевидным:
Пх=° = 1. (19)
Далее мы учтем, что в шахтных условиях, как правило, горение угольных частиц происходит с избытком реагирующего газа, в силу чего частицы в зоне горения х е [0; Ь] выгорают полностью, что выражается условием
Г|х=Ь = ^ (20)
представляющим собой второе граничное условие, в котором Ь - длина зоны горения ПГВС.
Таким образом, используя формулы (19) и (20), нам удобно при интегрировании уравнения (18), использовать определенные интегралы, в силу чего имеем
L = _ f I т + Го г +
SM \ k
где
и
12 = j
•О
I=j
rdr
D dr
aD
т
(21)
c + moco (r3 _ 1)
Co + M ( 1
0
(r +a)
c0 +
М°(Г з _ 1) M
(r +a)
I3 = j
r2 dr
c0 +
M°(r 3 _ 1) M
(r +a)
(22)
Анализируя интегралы (22), замечаем, что с помощью стандартных процедур их можно привести к табличным интегралам, однако, ввиду их громоздкости мы вычислим их с помощью какой-либо математической программы (MathCAD, Maple, Mathematica).
Г
0
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рассмотрим пример, в котором найдем длину зоны горения Ь при следующих исходных данных: ут = 1,5-103 кг/м3; V = 2,5 м/с; с0 = 0,23 кг/м3; Т = 1273 К; 5 = 70 • 102 см-1; г0 = 10~4 м;
М = 0,75; т0 = 0,2; Б = 5-10-6 м2/с.
Решение построим следующим образом. Вначале вычисляем
т ____ с 1,125
= 0,178,
М
8 ■
0,2
5,625
и убеждаемся, что в условиях данной задачи горение ПГВС происходит в условиях ее низкой концентрации и при избытке реагирующего газа. На следующем шаге определяем к, а
к = к0е~Е/КТ = 3,5 -103 ехр
-133-10
3
ч 8,314-1273 ,
= 0,012 с-
3
а = ^— =
3
Я1г0 70 102 -10-4
= 4,286.
Подставив вычисленные значения сначала в формулы (22), а затем в формулу (21), находим длину зоны горения Ь = 228,854 м.
Анализируя формулы (21) и (22), видим, что длина зоны горения Ь зависит от плотности угольных частиц ут и их начальной концентрации т0, скорости движения воздушного потока V, величины внутренней реакционной поверхности пор , константы
скорости процесса реагирования к, начального размера частиц г0, концентрации газа с0 и стехиометрического соотношения М.
Здесь мы рассмотрим лишь некоторые из перечисленных зависимостей. В первую очередь, оценим влияние на длину зоны выгорания величины . Для этой цели в формулы (22) подставим вместо а ее значение а = 3/(5гг0) и, полагая величину переменной, представим интегралы в (22), как функции Il(Si), I2(Si), I3(Si) и, подставив их в (21), получим функцию L(Si), графики которой (рис. 2) построены при тех же значениях, что и
в условиях рассмотренного примера. График 1 построен при т0 = 0,2; график 2 - при т0 = 0,3; график 3 - при т = 0,4.
Ь, м
250
200
150
2 3
1
60
100
140
180
220
260 Я;,см
-1
Рис. 2. Зависимость длины зоны выгорания от величины внутренней поверхности частиц
Все три графика представляют собой слабо вогнутые, практически параллельные кривые, показывающие, что с увеличением внутренней реакционной поверхности длина
зоны горения существенно уменьшается, поскольку, чем больше , тем более открыт доступ реагирующего газа внутрь частиц и, следовательно, более интенсивно происходит выгорание угольных частиц изнутри.
Для анализа влияния стехиометрического соотношения М и начальной концентрации пыли т мы сначала по формулам (22) построим функции 11(М), 12(М), 1з(М), /1(то), /2(то), /з(Мо) и, подставив их в формулу (21), сформируем функции Ь(М) и Ь(т0) при условии, что все остальные параметры смеси остаются неизменными. Графики этих функций, построенные при значениях параметров в условиях рассмотренного примера, для ряда
з
значений начальной концентрации реагирующего газа с0 = 0,25 кг/м (кривые 1), с0 = 0,20 кг/мз (кривые 2), с0 = 0,15 кг/мз (кривые 3) показаны на рис. 3 и рис. 4.
Графики функции Ь(М) (рис. 3) на всем рассматриваемом интервале М е [0,375; 0,75] представляют собой вогнутые монотонно убывающие кривые, указывающие на нелинейность функции Ь(М). Из графиков видно, что наименьшая длина зоны горения соответствует низкотемпературному горению (М = 0,75), при котором в качестве продуктов сгорания образуется только окись углерода, представляющая собой окончательный продукт горения. При протекании реакции горения с образованием двуокиси углерода (М = 0,375) длина зоны горения наибольшая.
Ь, м 800
600
400
200
0.
0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 М Рис. 3. Зависимость длины зоны выгорания от стехиометрического соотношения
Графики функции Ь(т0) (рис. 4) также вогнуты, но, в отличие от графиков Ь(М), монотонно возрастают, показывая, что с ростом начальной концентрации пыли т и уменьшения концентрации реагирующего газа с0 длина зоны выгорания нелинейно увеличивается.
Ь, м
100 --------
0,1 0,2 0,3 0,4 т 0
Рис. 4. Зависимость длины зоны выгорания от начальной концентрации пыли
1 2 з
На рис. 5 показаны графики 1, 2, 3, построенные при тех же значениях, что и в рассмотренном примере и соответствуют функциям Ь^го), Ь2(го), Ь3(го), которые определены как
^ = -^ ^ = -$ (1 «О + £ ^) ,
Зу V (1 г г2 V ^
Ьз('о) = Ц'о) = -1 /1('о) + ^ 12 ('о ) + 1з(Го) . (23)
8М
Кк Б 2К0' 3Б ЗК0';
Таким образом, функция Ь1(го) включает в себя только интеграл /1(го), функция Ь2(го) включает интегралы 11(го) и /2(го), а Ь3(го) включает все три интеграла (22).
Анализируя графики на рис. 5, замечаем, во-первых, все они слегка выпуклы, и поэтому все три функции слабо нелинейные. Во-вторых, как и следовало ожидать, с ростом начального радиуса угольных частиц длина зоны выгорания существенно увеличивается, поскольку более крупные частицы выгорают медленнее и, следовательно, двигаясь с той же скоростью V, что и мелкие частицы, они пройдут больший путь до полного выгорания, чем мелкие частицы. В-третьих, при го е [1-Ю"4 м; 2,5- 1о-4 м] значения всех трех функций, практически, не отличаются друг от друга. Небольшие различия в значениях начинаются лишь при го > 2,5-1о-4 м и возрастают по мере роста го.
Ь, м
8оо 7оо боо 5оо 4оо зоо 2оо
3 1
2 1
2
4 го.Ш4, м
Рис. 5. Зависимость длины зоны выгорания от первоначального радиуса угольных частиц
Так при го = 5- Ю-4 м разница в значениях функций Ь1(го) и Ь3(го) составляет
Д _
_ Ьз(го)-Ь1(го)
Ьз(го)
1оо% _
8Р4,583 - 75б,3о3 8о4,583
1оо% _ б%.
в то время как разница в значениях функций Ь1(го) и Ь2(го) составляет всего
Д 2 _
Ь3(го) - Ь2(го)
Ьз(го)
1оо% _
1(
8о4,583 - 779,516 8о4,583
1оо% _ 3,116%.
Если мы принимаем пятипроцентную погрешность вычислений, то для опре деления длины зоны выгорания угольных частиц го = 5-1о-4 м можно использовать более простую функцию Ь2(го), вместо функции Ь3(го). Если же го = 4,35-1о-4 м, то погрешность Д1 = 5 % и, следовательно, для вычисления длины выгорания ПГВС с размером частиц го < 4,35-1о-4 м мы можем использовать самую простую функцию Ь1(го).
При значениях го = 6,62-1о-4 м погрешности вычислений составляют: Д1 = 5,об %, Д2 = 8,66 % и поэтому длину зоны выгорания при го > 6,62-1о-4 м следует определять с помощью функции Ь3(го).
1
3
ВЫВОДЫ
Получена формула, определяющая длину зоны выгорания грубодисперсных ПГВС в воздушных потоках горных выработок.
С увеличением внутренней реакционной поверхности 5 длина зоны выгорания грубодисперсных ПГВС существенно уменьшается.
Наименьшая длина зоны выгорания имеет место в режиме низкотемпературного реагирования при стехиометрическом соотношении М = 0,75 с образованием только окиси углерода, а наибольшая длина зоны выгорания характерна при химическом реагировании с образованием только двуокиси углерода при стехиометрическом соотношении М = 0,325.
С ростом начальной концентрации пыли т и снижением концентрации реагирующего газа с0 длина зоны выгорания ПГВС нелинейно увеличивается.
В зависимости от размеров угольных частиц для определения зоны выгорания можно использовать различные упрощения формулы, определяющей длину зоны выгорания ПГВС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Линденау Н. И., Маевская В. М., Крылов В. Ф. Происхождение, профилактика и тушение эндогенных пожаров в угольных шахтах. М.: Недра, 1977. 320 с.
2. Линденау Н. И., Маевская В. М., Вахрушева Е. С. и др. Каталог углей СССР, склонных к самовозгоранию. М.: Недра, 1982. 416 с.
3. Захаров Е. И., Качурин Н. М., Малахова Д. Д. Механизм процесса самонагревания угля и перехода его в самовозгорание // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 2. С. 42-50.
4. Скрицкий В. А. Механизм возникновения очагов самовозгорания угля в шахтах и способы их предотвращения. Новосибирск: Изд-во ФБОУ ВПО «НГАВТ», 2013. 279 с.
5. Портола В. А. Опасность самовозгорания угольной пыли // Безопасность труда в промышленности. 2015. № 6. С. 36-39.
6. Зельдович Я. Б., Баренблатт Г. И., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. 478 с.
7. Канторович Б. В. Основы теории горения и газификации твердого топлива. М.: Изд-во АН СССР, 1958.
600 с.
8. Смирнов Н. Н., Зверев И. Н. Гетерогенное горение. М.: Изд-во МГУ, 1992. 446 с.
9. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. 502 с.
10. Хитрин Л. Н. Физика горения и взрыва. М.: Изд-во МГУ, 1957. 452 с.
11. Вильямс Ф. А. Теория горения / пер. с англ. С.С. Новикова и Ю.С. Рязанцева. М.: Наука, 1971. 616 с.
12. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах / пер. с англ., под ред. К.И. Щелкина и А. А. Борисова / 2-е изд. М.: Мир, 1968. 592 с.
13. Сполдинг Д. Б. Основы теории горения / пер. с англ., под ред. Д.Н. Вырубова. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. 321 с.
14. Форман А. В. Теория горения / пер. с англ. С.С. Новикова и Ю.С. Рязанцева. М.: Наука, 1971. 616 с.
15. Крайнов А. Ю. О самовоспламенении двухкомпонентной газовзвеси // Физика горения и взрыва. 1999. Т. 35, № 5. С. 6-13.
16. Васильев А. А., Васильев В. А. Расчетные и экспериментальные параметры горения и детонации смесей на основе метана и угольной пыли // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2016. № 2. С. 8-39.
17. Федоров А. В. Воспламенение газовзвесей в режиме взаимодействующих континуумов // Физика горения и взрыва. 1998. Т. 34, № 4. С. 57-64.
18. Левин В. А., Туник Ю. В. Инициирование детонационного горения угольной пыли в метановоздушной смеси // Физика горения и взрыва. 1987. Т. 23, № 1. С. 3-8.
19. Амельчугов С. П., Быков В. И., Цыбенова С. Б. Самовозгорание пыли бурого угля. Эксперимент, определение кинетических параметров и численное моделирование // Физика горения и взрыва. 2002. № 3. С. 48-54.
20. Черданцев С. В., Ли Хи Ун, Филатов Ю. М., Шлапаков П. А. Анализ процесса горения микрогетерогенных пылегазовоздушных смесей в горных выработках // Безопасность труда в промышленности. 2017. № 11. С. 10-15.
PROCEDURE ANALYSIS OF BURNING OUT OF THE POOR-DISPERSION DUST-GAS-AIR MIXTURE MOVING IN MINE OPENINGS AIRFLOWS
Cherdantsev S. V., Lee Khi Un, Filatov Yu. M., Shlapakov P. A.
JSC «Scientific Centre VostNII for Industrial and Environmental Safety in Mining Industry», Kemerovo, Russia
SUMMARY. In the process of treatment and tunneling machines, drilling rigs and other mining equipment is inevitable, the formation of coal dust, which, interacting with gas atmosphere and preparatory treatment of mine workings, forms a dust-laden flue gas mixture. In the presence of sources of ignition, friction of the working parts of machines mining machines and tools, such dust-laden flue gas mixture capable of chemical reaction c transition in the combustion mode. The processes of ignition, combustion and detonation of gas suspensions of combustible particulate systems is well studied and adequately covered in the domestic and foreign literature. However, most of the work is devoted, mainly, combustion and combustion of carbon-containing substances in power stations and boiler units at thermal power stations. The processes of ignition and combustion of dust-laden flue gas mixtures in the conditions of mine workings in coal mines are less explored, due to the characteristics of ignition and combustion of dust-Laden flue gas mixtures in mines. The main feature is that the coal particles do not settle and are picked up and transported by the air stream. The aim of this work is to study the process of burnout of the coarse dust-laden flue gas mixtures in extensive mine workings. On the basis of the law of conservation of mass and stoichiometry of the equation, the formula that determines the length of the burnout zone of the coarse dust-laden flue gas mixtures in mines, graphs and the analysis of the impact of some parameters of dust-laden flue gas mixtures on the length of the zone of burnout.
KEYWORDS: mine opening, poor-dispersion dust-gas-air mixture, stoichiometric relationships, chemical reaction velocity, response surface of wall body, coal dust concentration.
REFERENCES
1. Lindenau N. I., Maevskaya V. M., Krylov V. F. Proiskhozhdenie, profilaktika i tushenie endogennykh pozharov v ugol'nykh shakhtakh [The origin, prevention and suppression of endogenous fires in coal mines]. Moscow: Nedra Publ., 1977. 320 p.
2. Lindenau N. I., Maevskaya V. M., Vakhrusheva E. S. i dr. Katalog ugley SSSR, sklonnykh k samovozgoraniyu [Catalog of coals of the USSR prone to spontaneous combustion]. Moscow: Nedra Publ., 1982. 416 p.
3. Zakharov E. I., Kachurin N. M., Malakhova D. D. Mekhanizm protsessa samonagrevaniya uglya i perekhoda ego v samovozgoranie [The mechanism of self-heating coal process and transition to spontaneous combustion]. Izvestiya TulGU. Nauki o Zemle [Izvestiya TulGU. Earth sciences], 2013, vol. 2, pp. 42-50.
4. Skritskiy V. A. Mekhanizm vozniknoveniya ochagov samovozgoraniya uglya v shakhtakh i sposoby ikh predotvrashcheniya [Mechanism of occurrence of fires of spontaneous combustion of coal in mines and ways of their prevention]. Novosibirsk: NGAVT Publ., 2013. 279 p.
5. Portola V. A. Opasnost' samovozgoraniya ugol'noy pyli [The danger of spontaneous combustion of coal dust]. Bezopasnost' truda vpromyshlennosti [Safety in industry], 2015, vol. 6, pp. 36-39.
6. Zel'dovich Ya. B., Barenblatt G. I., Librovich V. B., Makhviladze G. M. Matematicheskaya teoriya goreniya i vzryva [Mathematical theory of combustion and explosion]. Moscow: Nauka Publ., 1980. 478 p.
7. Kantorovich B. V. Osnovy teorii goreniya i gazifikatsii tverdogo topliva [Fundamentals of the theory of combustion and gasification of solid fuels]. Moscow: AN SSSR Publ., 1958. 600 p.
8. Smirnov N. N., Zverev I. N. Geterogennoe gorenie [Heterogeneous combustion]. Moscow: MGU Publ., 1992.
446 p.
9. Frank-Kamenetskiy D. A. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoy kinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow: Nauka Publ., 1987. 502 p.
10. Khitrin L. N. Fizika goreniya i vzryva [Physics of combustion and explosion]. Moscow: MGU Publ., 1957.
452 p.
11. Vil'yams F. A. Teoriya goreniya [Combustion theory]. Per. s angl. Moscow: Nauka Publ., 1971. 616 p.
12. L'yuis B., El'be G. Gorenie, plamya i vzryvy v gazakh [Combustion, flames and explosions of gases]. Per. s angl. Moscow: Mir Publ., 1967. 592 p.
13. Spolding D. B. Osnovy teorii goreniya /Fundamentals of the theory of combustion]. Per. s angl. Moscow-Leningrad: Gosenergoizdat Publ., 1959. 321 p.
14. Forman A. V. Teoriya goreniya [Combustion theory]. Per. s angl. Moscow: Nauka Publ., 1971. 616 p.
15. Krainov A. Yu. Self-ignition of a two-component gas suspension. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1999, vol. 35, no. 5, pp. 468-475. https://doi.org/10.1007/BF02674488
16. Vasil'ev A. A., Vasil'ev V. A. Raschetnye i eksperimental'nye parametry goreniya i detonatsii smesey na osnove metana i ugol'noy pyli [Calculated and experimental parameters of combustion and detonation of mixtures
based on methane and coal dust]. Vestnik Nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugol'noy promyshlennosti [Bulletin of Research Center for Safety in Coal Industry], 2016, no. 2, pp. 8-39.
17. Fedorov A. V. Ignition of gaseous suspensions in an interacting continua regime. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1998, vol. 34, no. 4, pp. 418-425.
18. Levin V. A., Tunik Yu. V. Initsiirovanie detonatsionnogo goreniya ugol'noy pyli v metanovozdushnoy smesi [Initiation of detonation combustion of coal dust in methane-air mixture]. Fizika goreniya i vzryva [Combustion, Explosion, and Shock Waves], 1987, vol. 23, no. 1, pp. 3-8.
19. Amel'chugov S. P., Bykov V. I., Tsybenova S. B. Spontaneous combustion of brown-coal dust. Experiment, determination of kinetic parameters, and numerical modeling. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2002, vol. 38, no. 3, pp. 295-300.
20. Cherdantsev S. V., Li Khi Un, Filatov Yu. M., Shlapakov P. A. Analiz protsessa goreniya mikrogeterogennykh pylegazovozdushnykh smesey v gornykh vyrabotkakh [Analysis of Combustion Process of Microheterogeneous Dust and Gas Mixtures in the Mine Workings]. Bezopasnost' truda v promyshlennosti [Occupational Safety in Industry], 2017, no. 11, pp. 10-15. https://doi.org/10.24000/0409-2961-2017-11-10-15
Черданцев Сергей Васильевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, АО «НЦВостНИИ», тел. 89132965591, е-mail: svch01 @yandex.ru
Ли Хи Ун, доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора по научной работе, АО «НЦ ВостНИИ», тел. (3842) 64-28-95, e-mail: leeanatoly@mail. ru
Филатов Юрий Михайлович, кандидат технических наук, генеральный директор АО «НЦ ВостНИИ», тел. (3842) 64-30-99, е-mail: main@nc-vostnii. ru
Шлапаков Павел Александрович, заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ», тел. 89235103721, е-mail: [email protected]
