Анализ влияния исходных факторов на длину зоны горения в подземном угольном канале Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

О.Л. Дербенева, к.т.н., Г.А. Янченко, д.т.н.,

Московский государственный горный университет

Анализ влияния исходных факторов на длину зоны горения в подземном угольном канале

Повышение эффективности

процесса подземного сжигания угля (ПСУ) и выбор оптимальных режимов его осуществления невозможно без данных о влиянии соответствующих факторов на показатели этого процесса.

Максимальная эффективность процесса ПСУ имеет место при 1к=1Г, где 1к, 1Г - длина подземного угольного канала ( далее просто канала) и зоны горения в нем . При 1Г > 1к , не весь О2 подаваемого в канал воздуха успевает прореагировать с горящей угольной стенкой , что уменьшает количество физического тепла в продуктах подземного сжигания угля (ППСУ). При 1г < 1к успевает реагировать весь О2, однако количество поступившего в ППСУ физического тепла будет также меньше потенциально возможного для данного канала. В этом случае за зоной горения возникает реакция газификации. В результате в ППСУ поступает определенное количество химического тепла. Однако интенсивность протекания реакций практически на порядок меньше, чем у реакций окисления в зоне горения канала. Поэтому поступление в ППСУ химического тепла не может компенсировать потенциально возможные поступления в ППСУ физического тепла, которые были бы при растяжении зоны горения на всю длину канала.

Выполненными исследованиями [Янченко Г. А., 1995 г.] установлено, что 1Г зависит от мощности сжигаемого угольного пласта т и критерия Рейнольдса Re движущегося в канале газовоздушного потока:

1Г = 5,1даRe0,1\ (1)

где Re = и Г*dэ/ V Г; и Г, V Г

- усредненные по длине зоны горения скорость движения и кинематическая вязкость газовоздуш-

ного потока в канале; dэ - эквивалентный диаметр угольного канала.

В основу (1) положено определение расстояния, на котором полностью выгорает О2 , находящийся в газовоздушном потоке. Содержание О2 по длине зоны горения изменяется. Оно максимально на входе в зону горения, где О2 = 21 %, и минимально на выходе из нее, где в идеале должно быть О2 = 0. Поэтому в (1)

и Г и V Г должны усредняться по 1Г, т. е. их нужно определять для средних по 1Г температуре ТГ , состава С г и объемном расходе Qг газовоздушного потока.

В теории расчета теплообменных аппаратов [2] доказано, что с погрешностью вполне приемлемой для практических расчетов средние по длине теплообменного канала параметры потока теплоносителя можно определять как среднеарифметические величины этих параметров на входе и выходе из него. Учитывая это, имеем ТГ = 0,5(Т + Тг), о = 0Ш + Ог),

С, = 0,5(С„ + С.;), где Т, Ов -температура и приведенный к нормальным физическим условиям объемный расход воздуха на входе в канал (здесь и далее везде объемы и объемные расходы всех газов рассматриваются как приведенные к нормальным физическим условиям); Тг , ОГ - температура и объемный расход ППСУ на выходе из зоны горения; С, ,

С, Г - содержание /'-го газового

компонента в воздухе на входе в канал и в ППСУ на выходе из зоны горения. Если Т Г , Ог и С известны, то расчет и г и V Г за-

труднений не вызывает. Величина V определяется в соответствии с рекомендациями [3], а и Г как

^ = Q~гт~гP0/sт0Pг, где то, Ро - температура и абсолютное

давление, характерные для нормальных физических условий: Т = 273,15К, Р = 101325Па ;

о " 7 о 7

РГ - усредненное по 1Г абсолютное давление газовоздушного потока, РГ = 0,5(Рв + РГ) ; где Рв,

РГ - абсолютное давление воздуха на входе в канал и ППСУ на выходе из зоны горения; S -площадь сечения канала.

Анализ (1) показывает, что 1Г

в основном определяется следующими внутренними и внешними исходными факторами: низшая

теплота сгорания рабочей массы

угля О/, внешний удельный во-доприток в канал qвод, величинами т , Ов, Т;, Рв, Р; . Влияние этих факторов на величину 1Г проанализируем на примере сжигания в условиях канала каменного угля пласта IV Внутренний (Кузбасс, Прокопьевско-Киселевский район) и бурого угля Подмосковного угольного бассейна. Расчет величин Тг производился в соответствии с рекомендациями [1]. Соответствующие теплофизические свойства вмещающих пород были взяты как средние по всем представительным типам вмещающих пород угольных месторождений.

Вид зависимости (1) однозначно свидетельствует, что из всех отмеченных выше факторов наибольшее влияние на 1Г должна оказывать т . На рис. 1 приведены зависимости 1Г = f (т), полу-

ченные для случая сжигания рассматриваемых углей с

Qb = 5000м3/ ч и qmd = 0.

Рис.1. Зависимость длины зоны горения lr от мощности m угольного пласта при сжигании углей: 1 - камерного; 2 - бурого

Они показывают, что lr обоих углей при Qe = const и дв<1д = const различаются крайне незначительно и обе зависимости на графике практически сливаются в одну линию. Следовательно, довольно большие различия в Q, обоих углей (более, чем в 2,5 раза), составах их продуктов сгорания и потерь ими физического тепла на нагрев окружающих канал пород при Qb = const не оказывают сильного влияния на формирование величины lr. Вскрытую закономерность можно объяснить следующим. Если в (1) раскрыть и г и d3, то (1) при условии Pe х Pr х 0,1МПа, что характерно для процесса ПСУ, можно легко преобразовать к виду

lr = 2,2m0-84 (°^)016 (2)

V г

Из (2) видно, что различие в lr будет обусловлено различием в

величине последнего сомножителя. Расчеты показали, что Qr у каменного угля в 0,93 раза больше, чем у бурого, Тг больше

примерно в 1,18 раза, а Vг больше примерно в 1,3 раза. Следовательно, отношение lr при сжига-

нии каменного угля (обозначим Г ) к lr при сжигании бурого угля (обозначим IU) будет

Гг/Гг= (0,93* 1,18/1,3)0Л6 - 0,97 .Таким образом при Re - const относительное изменение lr при сжигании разных углей довольно точно описывается обобщенной зависимостью Kl = K^, где Kt,

K - относительное изменение,

m '

соответственно, lr и m при ПСУ,

приведенной на рис.2. Существование такой зависимости позволяет при наличии экспериментальной взаимосвязи lr = f (Re) , полученной в конкретных горногеологических условиях, довольно точно производить предварительную оценку величин lr и в других горно-геологических условиях.

Рис.2. Зависимость относительного изменения 1г от относительного изменения m сжигаемого пласта

Характеры влияния Ов и qвод

на величину 1Г для Р; « 0,1МПа представлен на рис. 3,4. Приведенные на рис. 3.а зависимости

К = f (Кв, Чвод ), где

к; =1;(Кв > 1,0;Чвод > 0)/ -

/1Г(Кв = 1,0 ^вод = 0)

изменение текущей величины 1Г, имеющей место при Кв > 1,0 и qвод > 0, относительно 1Г при

К = 1,0 и двод = 0; К = / °в Н -

изменение текущей величины Ов относительно ее начальной величины Ов , показывают, что увеличение Ов и qвод приводит к

росту lr в обоих рассматриваемых углях.

Рис.3. Зависимость относительного изменения 1г от Кв и qвод при сжигании углей: 1 - каменного; 2 - бурого

Правда он не значителен. Увеличение Qв в 2 раза (Кв = 2,0)

приводит к росту 1Г в обоих углях примерно на 10% и при qвод = 0 и при qвод = 2,0 кг воды/кг угля (далее по тексту и на рисунках размерность qвод будет опущена). Однако вид зависимостей

К у(Кв, qвод ) при qвод = 0 отличается от таковых при qвод >0. Связано это с различным влиянием Кв и qвод на мощность потока ППСУ по физическому теплу. Увеличение Кв

приводит к ее росту, а qвод - наоборот. При таких небольших изменениях 1Г взаимосвязь

к = У (Кв, qвод = соті) в реальных процессах ПСУ абсолютно нереальна, т.к. не может быть прямо пропорционального изменения Qв и <Эвод, где Gвод -массовая скорость внешнего водо-

притока в угольный канал. В реальных условиях при таких небольших величинах К[ практически будет Geod = const и при увеличении Qe будет иметь место уменьшение q d. Чтобы оценить, как при Кв > 1,0 и соответствующем пропорциональном

уменьшении q d будет изменяться lr, был сделан анализ изменения lr при Кв = 1,0.. .2,0 для случая qmd = 2,0 при Кв = 1,0.

Полученные для обоих углей взаимосвязи представлены на рис. 3.б. Их анализ показывает, что они абсолютно идентичны зависимостям К = f (Кв, qmd ) при qood = 2,0, приведенным на рис.

3,а. У них наблюдается только более низкая скорость изменения К\. При Кв = 2,0 lr возрастает в этом случае на 5%, что в 2 раза ниже, чем при qe = 2,0 = const.

При qeod = 0 скорости изменения lr при изменении Qe у

обоих углей различаются настолько незначительно, что на графике (см. рис. 3,а) обе зависимости

K'i = f (Кв, qeod = 0) сливаются в одну линию.

Более полное представление о влиянии qeod на lr дают построенные для Qe = const и приведенные на рис. 4 зависимости

Ki = f (qeod К где к;=lr(qmd > 0)/

/lr(qeod = 0) - изменение текущей величины lr , имеющей место при Qe = const и qeod > 0, относительно lr при Qe = const и qeod = 0. Анализ этих зависимостей показывает, что характер влияния qeod на изменение lr в каменном и буром углях довольно сильно различаются.

Рис.4. Зависимость относительного изменения lr от величины q^ при сжигании углей:

1 - каменного; 2 - бурого

В буром угле влияние qeod значительно сильнее. В нем уже при qeod = 3,0 начинается резкий

рост lr. В каменном же угле при таком qeod 1г увеличивается всего на 5%. В этом угле резкий рост lk начинается при qeod > 8,0. Анализ показывает, что резкий рост lr начинается при таких qeod, при которых Тг , приближается к 373 К, т.е. к температуре кипения воды. Соответственно,

чем меньше угля Qi, тем при меньших qeod начнется у нег резкий рост lr. В тех же случаях , когда Тг >> 373К влияние qeod на lr довольно слабое. При таких Тг каждый килограмм попадающей в канал воды увеличивает lr примерно на 2...5%. При этом увеличение lr сопровождается одновременным уменьшением запаса физического тепла в ППСУ.

На рис. 5 приведены зависимости к; = f(Tr) ,полученные для

ППСУ с Qe = const, qeod = 0 и

m = 1,0 м, где

К; = 1г(Тг < max)/lr(Tr = max)

- изменение текущей величины

1г ,имеющей место при Tr < max и текущих Qr и составе ППСУ, относительно lr при Tr = max в этих горногеологических условиях и тех же Qr и составе ППСУ. Снижение

Тг при постоянных ОГ и составе ППСУ может иметь место, например, при размещении в канале соответствующих теплообменных устройств для извлечения физического тепла из ППСУ. Такие предложения в технической литературе имеются.

Рис.5. Зависимость относительного изменения lr от Tr при сжигании углей: 1 - каменного;

2 - бурого

Анализ зависимостей

к; = f(Tr) показывает, что

уменьшение Тг приводит к росту lr в обоих рассматриваемых углях, причем практически к одинаковому. Однако в целом влияние Тг на lr довольно мало. Так уменьшение Тг в 4 раза (1600 К до 400 К) приводит к увеличению lr примерно на 13% в обоих углях. Следовательно, при расчетах lr без учета изменения запаса физического тепла в ППСУ нет необходимости в точном определении потерь тепловой энергии ППСУ в окружающую среду. Погрешность в определении Тг в 200...250 К, что характерно для сугубо приближенных расчетов при минимуме исходных данных, приведет к погрешности в определении lr порядка 2...3%.

Как известно [4], объем воздуха, необходимый для полного сгорания угля, прямо пропорционален его Qi .Поэтому при Gy = const, где Gy - массовая

скорость сгорания угля, зависимость относительного изменения

lr от Qi углей будет абсолютна

идентична приведенной на рис. 3,а зависимости К, = f (Ke ) при

qeod = 0 . Из нее следует, что и при Gy = const влияние Q\ на lr довольно мало. Так увеличение Qi в 2 раза приведет к увеличению lr примерно на 11%. Эти данные показывают, что при Gy = const

влияние Qi на lr несколько больше, чем при Qe = const, когда увеличение Qn в 2 раза приводит к росту lr, как показано выше, всего на 2...3%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Янченко Г. А. Тепловой баланс процесса подземной газификации углей.- М.: МГИ, 1988.-42 с.

©

2. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юрьева и П. Л. Лебедева. Т. 2. - М.: Энергия, 1976. - 896 с.

3. Янченко Г. А. Вязкость продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях // Изв. Вузов. Горный журнал. - 1994 №1. - с. 19-24.

4. Пеккер Я. Л. Теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам топлива (обобщенные методы). - М..: Энергия, 1997. - 256 с.

О.Л. Дербенева, Г.А. Янченко