Анализ влияния исходных факторов на выходную мощность по физическому теплу зоны горения в подземном угольном канале Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Г.А.Янченко, доц., к т.н.

Московский государственный горный университет

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИСХОДНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЫХОДНУЮ МОЩНОСТЬ ПО ФИЗИЧЕСКОМУ ТЕПЛУ ЗОНЫ ГОРЕНИЯ В ПОДЗЕМНОМ УГОЛЬНОМ КАНАЛЕ

В

ыходная мощность по физическому теплу Ыф зоны горения (ЗГ) в подземном угольном канале (далее просто канал) является одним из важнейших показателей, определяющих эффективность процесса подземного сжигания угля (ПСУ). Повышение эффективности этого процесса и выбор оптимальных режимов осуществления невозможно без данных о влиянии соответствующих фактовов на величину

Выполненными исследованиями (Янченко Г.А., 1996 г.) установлено, что величина /\^ определяется как:

N’ =(0,081 /р”5 {Р, + Р) х

— . 5,25

X Ср, V.. {лі (1 + £?.£?/') [1 + (Г. + 7>

*(Т-тУ])', (1)

где

т. т

в г

0, ве

/, —длина ЗГ, м;

— абсолютное давление, соответственно: воздуха на

входе в ЗГ и продуктов подземного сжигания угля (ППСУ) на выходе из нее, Па;

— температура, соответственно: воздуха на входе в ЗГ и ППСУ на выходе из нее, К;

— приведенный к нормальным физическим условиям, т.е. к Ро = 101325 На и Т = 273, 15 К, объемный

о ’

расход, соответственно:

воздуха на входе в ЗГ и

ПЛСУ на выходе из нее.

м /с;

Сро — изобарная объемная теплоемкость ППСУ, усредненная в диапазоне Т ...7 . кДж/(м К); т — мощность сжигаемого угольного пласта, м;

V — кинематическая вязкость

ПЛСУ, усредненная по /,

м /с;

Ш = кВт.

Из (1) следует, что на величину N в основном влияют следующие исходные факторы: низшая теплота сгорания угля кДж/кг; внешний удельный водоприток # ,

СИЛ/

кг воды/кг угля (далее размерность gвoд будет опущена); величины I, т. Рв, /\

Влияние этих факторов на величину Ыф проанализируем на примере сжигания в условиях канала каменного угля пласта IV Внутренний (Кузбасс, Прокопьевско-Киселевский район) и бурого угля Подмосковного угольного бассейна. Расчет величин Т, Сро и у( производится в соответствии с рекомендациями [1, 2, 3, 4]. Соответствующие теплофизические свойства вмещающих пород были взяты как средние по всем представительным типам вмещающих пород угольных месторождений. Анализ сделан для Р*Р* 0,1 МПа, что характерно для процесса ПСУ.

Из (1) следует, что из всех отмеченных выше факторов наиболее сильное влияние на N. оказывают / и т. Зависи-

Ф г

МОСТЬ относительного изменения N. (Ку). от относительного изменения /, (К) вызванного изменением Qe при т = const и geod = const, приведенная на рис. 1, показывает, что если / в определенной степени согласована с О и g ЛУ то даже относительно не-

авОО

большое изменение /. сильно увеличивает N() Гак, например, увеличение К, с 1,0 до

1.2 увеличивает на 250% (A*v возрастает с 1,0 до 3,5), а последующее увеличение К{с

1.2 до 1,4 увеличивает N. еще на 550%. Зависимость Кк, = f(Kf) с оолыиой степенью точности является общей для обоих рас-сматрнваемых углей, а следовательно можно предположить, что и для всех остальных, и се вид свидетельствует о том, что начиная с некоторой величины I, конкретной для тех или иных горно-геологических условий, ее рост, за счет увеличения Ов дает резкий прирост Ny Это подтверждается приведенными на рис. 2 зависимостями N^ = f(l), построенными для случая сжигания пластов рассматриваемых каменного и бурого углей с т = 1,0 м и g = 0 и 2,0. Их анализ пока-зывает, что при / < 20...23 м величина N^ при сжигании обоих углей довольно мала. Более-менее приемлемый рост Nф начинается при / > 20...23 м. В наибольшей степени это происходит в каменном угле при ge(X)- 0. В нем для получения Nq = 5000 кВт при geo<) необходима /, « 29 м, а для получения N^ = 10000 кВт — / % 32,5 м. Таким образом, увеличение N на 100% обеспечивается увеличением Г всего на 12%. Подобное, правда с несколько иными абсолютными величинами, имеет место в этом угле и при geod = 2,0, а 1'акже в буром угле. При одинаковых /. и ge H) между N и Qt угля в первом приближении имеет место прямо пропорциональная зависимость.

Установленные и приведенные на рис. 1 и 2 зависимости однозначно свидетельствуют о большей энергетической эффективности процесса ПСУ по сравнению с процессом подземной газификации угля (ЛГУ).

PllC. 1. Зависимость относительного изменения

зоны горения от относительного изменения ее длины I

Если ПСУ и ПГУ осуществлять при одинаковых условиях, то на выходе из ЗГ в обоих случаях будут одинаковые N.. При ПГУ общая энергетическая мощность потока газа в дальнейшем, т.е. в зоне газификации, увеличивается за счет поступления в него химического тепла. Расчеты показывают [1], что газ ПГУ в среднем имеет коэффициент избытка воздуха а = 0,4 ... 0,5. Если пренебречь потерями физического тепла в окружающих породах в зоне газификации, то такие а свидетельствуют о том, что общий запас энергии в газе ПГУ за счет поступления в него химического тепла увеличивается в 2 ... 2,5 раза. Однако, при этом

Рис. 2. Зависимость зоны горения от ее длины I при сжигании каменного (1) и бурого (2) уг-

необходимо, чтобы длина зоны газификации превышала / практически на порядок. При ПСУ же, как следует из приведенных на рис. 1,2 зависимостей, такое же увеличение энергии ППСУ, правда за счет физического тепла, обеспечивается приростом / всего на 15...20%.

А

Рис. 3. Зависимость зоны горения (а) и ее длины I (б) от мощности т угольного пласта при сжигании каменного (!) и бурого (2) углей

Приведенные на рис. 3,а зависимости W = f(m), построенные для обоих рассматриваемых углей для случая /. = 30 м и = 1,0, указывают на сильную взаимосвязь между Ыф и т, особенно при т < 1,0 м. В обоих углях зависимости идентичны и в первом приближении обратно пропорциональны. Они подтверждают довольно сильное влияние Qx углей на величину Ыф. Взаимосвязь между ними при т = const в первом приближении прямо пропорцио-

нальная, что подтверждает сделанный выше вывод о сильном влиянии Q{ на

Выражение (1) позволяет оценить влияние т на / при увязке последней с величиной Ыф. Такая зависимость, построенная для N. = 5000 кВт и я = 1,0 и обоих

ф ^иоО

рассматриваемых углей, приведена на рис. 3,6. Зависимости в обоих углях идентичны и в первом приближении прямо пропорциональны. Их анализ показывает, что несмот-

г

ря на довольно большие различия в Oi углей (более чем в 2,5 раза) разница у них в

величинах обеспечивающих получение

€

одинаковой Л^, довольно небольшая. У бурого угля I примерно на 10% больше. Этот результат противоречит данным [1], согласно которым увеличение Qt приводит к росту / . Это противоречие вызвано тем, что при расчете / по (1) произошла ее увязка с Nф9 которая показывает, что получение Nф = const в углях с большими Q обеспечивается при меньших Л

Вскрытие взаимосвязи между и /и, а также /, и т, на первый взгляд кажутся несколько неожиданными. Действительно, увеличение m приводит к росту площади угольной стенки в канале на единицу его длины. В результате выход физического тепла с единицы длины канала должен по идее увеличиться. Поэтому при / = const должно быть увеличение Nff) или при Nfh =

ф

const уменьшение I, Однако, приведенные на рис. 3,а,б зависимости свидетельствуют об обратном. Объясняется это следующим. Увеличение т приводит к росту диаметра канала. В результате при сохранении Q на прежнем уровне, что должно сохранить на прежнем уровне и Nф, происходит снижение коэффициента турбулентной диффузии О2 из газовоздушного потока к горящей угольной стенке. Это приводит к довольно резкому снижению массовой скорости сгорания угля, которое не компенсируется увеличением площади угольной стенки канала в результате роста т. Поэтому сохранение N^ на прежнем уровне требует большей

величины Л либо при /, = const, вследствие неполного выгорания 02 будет получаться меньшая N..

ф г

Довольно сильное влияние Ot и т на N'P требует высокой точности их определения при оценке энергетической эффективности процесса ПСУ.

Сильно влияет на Ыф и величина geod. Как видно из приведенных на рис. 4.а зави-симостей KN =f(geoo, KJ. где а; = Qem/Q'„

- изменение текущего Qe (QHm) относительно начального (QeJ ; = Йф (Кв > 1,0; geod

> 0)IN(/i (Ке > 1,0; geoo = 0) — изменение текущей величины Ny имеющей место при /<*м

> 1,0 и я >0, относительно Nd, ЗГ с /, яв-

’ °вод ^ г

ляющейся оптимальной для этого же К при %воо = даже в слУчае согласования / с Qe увеличение geo0 приводит к значительному снижению N((). В наибольшей степени это проявляется в буром угле, т.е. в угле с небольшой Q., при малых Qh. Максимальная скорость уменьшения Nф имеет место при небольших £ ..

°воо

Сохранить Nф = const при увеличении geo(j можно путем увеличения 1г, что можно сделать увеличив соответствующим образом О . Как видно из приведенных на рис. 4,6 зависимостей К' 1 = f (К, g J, где ^'i ~ К (к, - 1 -0; Seoa - 0)/1г (Кв > 1,0; geod = 0)— изменение текущей величины /, имеющей место при Кв > 1,0 и geo0 > 0, относительно 1гЗГ, являющейся оптимальной для этого же Кв при geo0 = 0, для нейтрализации отрицательного влияния на Nф необходимо увеличивать /. на 10... 12% в буром угле и на З...6% в каменном на каждый килограмм попадающей в канал воды. Влияние Кв на изменение /, примерно одинаково в обоих углях и практически не зависит от величины ge(H). В рассмотренном диапазоне изменения geod = 0...5,0 увеличение Qe в 2 раза приводит к росту /, примерно на 15% в обоих рассмотренных углях.

Если согласовать /, не только с Q^ но и с то отрицательное влияние g на N.

_ °вод ф

в значительной степени оудет снижено.

AV *)

Рис. 4. Зависимость относительного изменения N

І

(а) зоны горения и ее 1,(6) от ^ в случае со гласования I с Qt и gt при сжигании каменного (1) и бурого (2) углей

Об этом свидетельствуют зависимости К\г = Мво^ приведенные на рис. 5 и построен ные для I. являющиеся оптимальными дл: текущих величин О н g Сравнение эти:

а &оо

зависимостей с зависимостями, приведен ными на рис. 4,а, показывает, что согласо вание / не только с О , а и с к позволяе*

г &воО

увеличить Nф в 1,2...2,0 раза в каменнол угле и в 1,2...2,2 раза в буром. Более высо кий рост Nф наблюдается при больши> 8вод- Таким образом, правильное согласо вание /-> с О и g м позволяет в значитель*

с С7вО0

ной степени повысить эффективность извлечения физического тепла при ПСУ.

В последнее время в технической литературе появились предложения но извлечению физического тепла из ІІІІСУ непосредственно в канале, путем размещения в нем соответствующего теплообменного оборудования. В результате происходит снижение Г І1ІІСУ на выходе из ЗГ при неизменных составе и 0 ПГІСУ. Оставшаяся часть физического тепла извлекается из І1ГІСУ уже за пределы канала.

вания процесса ПСУ необходимо обеспечивать максимальную точность в расчетах 7\

0.8 О.Ь

о.г о

100 400 /300 М00 2000 Тг. ЛГ

Рис. 6. Зависимость относительного изменения Лг

_ . 'А

зоны горения от 7 продуктов сжигания

каменного (!) и бурого (2) углей

PlIC. 5. Зависимость относительного изменения N,

Ф

зоны горения от # « случае согласования

I .с Qn и при сжигании каменного (!) и бурого (2) углей

Характер уменьшения А/1 при снижении 7’ продуктов сжигания обоих рассматриваемых углей для случая т - 1,0 м и g =0 представлен на рис. 6. Зависимости К"н -fa), где К"N = Na (Тг < тах)/Мф (Т = max) — изменение текущей величины N' имеющей место при 1\ < max и текущих О и составе ПГ1СУ, относительно N(j) при Г = max в этих горно-геологических условиях и тех же и составе ППСУ, показывают, что если / ЗГ является оптимальной для конкретной 7\, то уменьшение Nq в обоих углях происходит примерно с одинаковой скоростью, которая превышает скорость уменьшения 7\ Так, уменьшение 7\ примерно в 5 раз приводит к снижению примерно в 10...29 раз. Следовательно, чтобы избежать значительных ошибок при прогнозных оценках величины на стадии проектиро-

РіІС. 7. Зависимость необходимого относительного увеличения I для сохранения постоянной при снижении Т от ее величины при сжигании каменного (1) и бурого (2) углей

Даже при самом эффективном извлечении

физического тепла из ППСУ в канале для

полной компенсации снижения N. необхо-

Ф

Потери N({> в при снижении Т могут быть полностью компенсированы увеличением I. Представленные на рис. 7 зависимости К" = f(T), полученные для тех же

I с

условий, что и K"w = / (7), позволяют в

первом приближении численно оценить

необходимое увеличение / для полной ком-

J г

пенсации снижения N.. Анализ этих зави-

Ф

симостей показывает, что для обоих углей они абсолютно идентичны. Имеет место небольшое различие, порядка 10%, по абсолютным величинам K"t при Г = const.

димо увеличивать / не более чем в 2 раза, что вполне приемлемо для практики ПСУ. Обусловлено это тем, что по абсолютной величине относительная скорость уменьшения N, за счет снижения Т значительно

Ф г

меньше относительной скорости увеличения I. компенсирующей уменьшение N(y Так, при сжигании каменного угля, уменьшение N(f) в 5 раз за счет снижения 7 . с 2250 К до 800 К (см. рис. 6) полностью компенсируется увеличением /, примерно в 1,45 раза (рис.7).

Данные результаты в определенной степени подтверждают зависимости, представленные на рис. 1,2 и доказывают практическую возможность обеспечения на выходе из 31' = const в случае извлечения

физического тепла из Г1ПСУ непосредст-

венно в канале. Это необходимо для обеспечения оптимальных режимов работы оборудования для извлечения оставшеюся физическою тепла из ППСУ вне пределов канала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Янчснко Г.А. Тепловой баланс процесса подземной газификации углей: Учебное пособие. — М.: МГУ, 1988 -42 с.

2. Янчснко Г.Л. Расчет теоретических объемных расходов продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях // Изв. вузов. Горный журнал. - 1991. - №I. - с.5-9.

3. Янчснко I А. Теплоемкость продуктов сгорания н газификации угля в подземных условиях // Изв. вузов. Горный журнал. 1992. - №6. - с. 13-17.

4. Янчснко Г Л. Вязкость продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях II Изв. вузов. Горный журнал. - 1994. - №1. с. 19-24.

© Г.Л.Янченко

в Московском государственном горном университете работает депозитарий неопубликованных материалов Депонированная рукопись приравнивается к открытой публикации. На депонирование принимаются работы по широкому спектру проблем горного дела, включая гуманитарные аспекты. Ограничений по объему рукописей нет. Библиографические описания депонированных работ публикуются в Горном информационно-аналитическом бюллетене в течение 1,5 месяцев. Справки о депонировании высылаются (выдаются) не позднее чем через 4 дня со дня получения рукописи. Требования к депонированным рукописям: • Титульный (первый) лист не нумеруется и содержит фамилию, имя, отчество (полностью) авторов и название работы. • Текст работы начинается со второй страницы. • Присылайте только первый экземпляр, напечатанный через 1,5 или 2 интервала на пишущей машинке (компьютере) и хорошо различимым текстом (лента средней жирности). • На последней странице авторы ставят свои подписи. • К работе прикладывается справка об авторах (ф.и.о., место работы, должность, ученая степень, почтовый адрес для переписки). • Все материалы присылаются в редакцию горного информационноаналитического бюллетеня по адресу: / /7935, Москва, ГСП-/, Ленинский проспект, 6.