CC BY
35
ЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ :
■
УДК 622.747.6:622.84
Г.А. Янченко
О ВЛИЯНИИ ВНЕШНЕГО ВОДОПРИТОКА НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА! ПОДЗЕМНОГО СЖИГАНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Технологические схемы участков ПСУ, конструкции блоков сжигания и поверхностного тепло-
ценка влияния внешнего водопри-тока на энергетическую эффективность процесса подземного сжигания угольных пластов (далее ПСУ) была сделана для условий спроектированных на шахтах № 1 «Острый» (Донбасс, уголь марки Д) и «Киреевская - 3» (Мосбасс, уголь марки Б2) участков ПСУ. Соответствующие расчёты были сделаны в соответствии с методикой, основные положения которой приведены в [1], под стандартный проект поверхностного теплоэнергетического комплекса для получения горячей воды с выходной энергетической мощностью ^ых = 3,0 Гкал/час ~ 3500 кВт. Режим подачи воздуха в блоки сжигания -всасывающий. Температура сбрасываемых в атмосферу продуктов подземного сжигания угля (далее ППСУ) принята на 20 °С больше температуры точки росы. В этом случае номинальный КПД извлечения физического тепла из ППСУ оценивается на уровне ^ ~ 85 %. Дожигание горючих газов в ППСУ в проекте предусмотрено не было, поэтому влияние этого процесса на величину не рассматривалось. Расчёты проводились для режима полного сгорания угля с коэффициентом избытка воздуха О = 1,0. При ~ 85 % мощность потока ППСУ по физическому теплу на выходе из газоотводящих выработок или скважин (далее ГВ) должна быть порядка ~ 4100 кВт.
энергетического комплекса подробно рассмотрены в [1]. Форма блоков сжигания на обоих участках ПСУ П-образная. Подготовка блоков сжигания на шахте «Киреевская - 3» - скважинная, а на шахте № 1 «Острый» - шахтная. В первом случае для подачи воздуха и отсасывания ППСУ были запроектированы вертикальные скважины диаметром 0,5 м и глубиной порядка 50 м, располагаемые на расстоянии 20 м друг от друга. Во втором случае блок сжигания представлял из себя угольный целик, расположенный между двумя наклонными стволами. Ширина целика - 45 м, длина - 350 м. Длина наклонных стволов от верхней границы целика до земной поверхности порядка 50 м, поперечное сечение - арочное, площадь 7,5 м2.
В связи с отсутствием точных данных о величинах внешнего во-допритока и его распределении в блоке сжигания, условно было принято, что весь водоприток целиком приходится на угольный канал (далее УК). Для запроектированных конструкций блоков сжигания это не вносит больших погрешностей в результаты расчётов. Водопроницаемость обрушаемых после выгорания угля налегающих пород на много порядков выше относительно ненарушенных пород, в которых расположены ГВ блоков сжига-
ния. Поэтому с большой долей вероятности можно предположить, что весь внешний водоприток в районе расположения сжигаемых угольных запасов будет происходить через обрушенные породы, причем непосредственно в УК.
Результаты выполненных расчётов показывают следующее. При постоянных удельных водо-притоках, двод = const, температуры ППСУ на выходе из УК Тук в пределах рассмотренных массовых скоростей сгорания угля Gу = 0,25...0,77 кг/с на каждом участке ПСУ практически одинаковы. Это позволило для каждого участка построить обобщённые зависимости Тук = ^двод), представленные на рис. 1. Анализ этих зависимостей показывает, что при относительно невысоких двод на выходе из УК обоих блоков сжигания ожидаются ППСУ с довольно высокими Тук. Так при двод = 1,0 кг воды/кг угля (далее размерность двод будет опущена) Тук ППСУ марки Д будет порядка 1500 К, а марки Б2 более 1100 К. Внешний водоприток оказывает более сильное отрицательное влияние на Тук ППСУ марки Б2, чем марки Д. При одинаковых величинах двод Тук ППСУ марки Б2 на 300...500 К меньше Тук ППСУ марки Д. При этом разница в величинах Тук увеличивается с двод. Замена диффузионного режима горения угля в УК на переходный, хотя и приводит к соответствующему увеличению необходимой длины УК /ук, однако резко не изменяет вид зависимости Тук = ^двод). Это указывает на то, что увеличение /ук не приводит к значительному увеличению потерь тепла в окружающую среду, вызванного изме-
Рис. 1. Зависимость ТкППСУ марок Д (Gy = 0,25...0,40 кг/c) и Б2 (Gy = 0,48...0,77 кг/с) от двод
Таблица 1
ВЕЛИЧИНЫ Тгв, К, ПРИ ОТРАБОТКЕ УЧАСТКОВ ПСУ НА ШАХТЕ № 1 «ОСТРЫЙ» ( УГОЛЬ МАРКИ Д) И «КИРЕЕВСКАЯ-3» (УГОЛЬ МАРКИ Б2)
Марка Gу, двод Время эксплуатации, месяцы
угля кг/с 1 3 6 12 18 24 36
0 672 912 1088 1311 1471 1630 1774
0,25 2 625 764 857 968 1033 1098 1154
4 506 575 619 663 692 721 741
6 389 414 430 447 457 466 473
0 727 989 1184 1428 1607 1786 *
Д 0,31 2 666 807 910 1013 1088 1163 -
4 537 608 648 699 724 760 -
6 407 434 452 470 482 493 -
0 891 1152 1347 1591 1770 * -
0,40 2 771 904 1000 1106 1182 - -
4 582 643 684 729 760 - -
6 425 450 464 482 493 - -
0 1109 1223 1299 1363 1388 1426 1476
0,48 2 626 652 666 684 688 698 706
4 ** - - - - - -
0 1201 1319 1384 1446 1475 1502 1541
Б2 0,60 2 652 675 689 703 707 712 721
4 ** - - - - - -
0 1295 1388 1441 1494 1533 1560 1586
0,77 2 675 693 707 716 726 731 735
4 ** - - - - - -
нением режима горения угля в УК.
Результаты расчётов температуры ППСУ На ВЫХОДе ИЗ ГВ Тгв приведены ниже в таблице 1. Анализ этих данных показывает, что транспортирование ППСУ марки Д по наклонным стволам довольно большого сечения (шахта №1 «Острый») с энергетической точки зрения довольно не выгодно. Такая газоотводящая сеть обладает очень большой тепловой инерцией. В результате в первые месяцы отработки блока Тгв будет составлять не более 60...70 % от Тук и только через 1...1,5 года может достигнуть 80...90 % от Тук. При увеличение Gу и двод скорость роста Тук повышается. Связано это с уменьшением относительных потерь тепла в окружающую среду.
При сжигании угля марки Б2 (шахта «Киреевская - 3») газоотводящая сеть обладает значительно меньшей тепловой инерцией. Поэтому уже через два месяца после начала эксплуатации участка ПСУ Тгв достигнет 85...90 % от Тк. Однако, при выходе на режим близкий к стационарному Тгв на этой шахте при таких же двод, как и на шахте № 1 «Острый», будет меньше на 200...400 К. Расчёты Кв были сделаны для времени, при котором Тгв ^ Тук, т. е. для срока эксплуатации участка ПСУ на шахте № 1 «Острый» порядка 2-х лет, а на шахте «Киреевская - 3» -1 года. Результаты расчё-
тов приведены на рис. 2. Их анализ показывает, что ^в напрямую зависит от величин Gу и двод. Увеличение Gу приводит к росту Кв примерно в прямо пропорциональной зависимости, а увеличение двод снижает Кв примерно в обратно пропорциональной. Величина Gу, необходимая для получения Кв = 4100 кВт, зависит от величины двод при ПСУ обеих марок. Так при ПСУ марки Д в случае двод = 0 получение Кв = 4100 кВт обеспечивается Gу = 0,37 кг/с, а при двод = 4,0 - Gу = 0,58 кг/с. Подобное характерно и при ПСУ марки Б2.
Как известно, эффективность процесса извлечения полезной энергии из любого теплоносителя сильно зависит от его температуры. Чем температура выше, тем больше эффективность этого процесса. В табл. 2 приведены результаты оценки КПД извлечения энергии из ППСУ в виде физического тепла Лт и в виде суммы этого тепла и скрытой теплоты испарения воды Лэ = Лт + "Л и где Ли - КПД извлечения из ППСУ энергии в виде скрытой теплоты испарения воды. Величины Лэ, Лт и Ли определены относительно высшей теплоты сгорания рабочей массы углей в диапазоне изменения скорости внешнего водопритока Gвод = 0...10 м3/час для периодов, при которых на обоих участках ПСУ устанавливает-
ся Тгв =0,9Тк.
Рис. 2. Зависимость ІЧт.гв от Gу углей марок Д ( ) и
Б2 ( )" 1 — двод “ 0; 2 — двод “ 2; 3 — двод “ 4 — двод “ 6
Таблица 2
ПОКАЗАТЕЛИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ Ыгв = 4100 КВТ В ДИАПАЗОНЕ ВОДОПРИТОКА Gвoд = 0...10 М3/ЧАС НА ШАХТАХ № 1 «ОСТРЫЙ» И «КИРЕЕВСКАЯ - 3»
Gy, кг/с Gвoд, м3/час двод Лт, % Лэ, % Тгв, К
Шахта № 1 «Острый» (уголь марки Д)
0,37 0 0 40,5 45,0 1500
0,40 1 0,69 37,4 48,2 1400
0,43 2 1,29 34,8 51,0 1300
0,49 4 2,27 33,0 60,0 1190
0,54 6 3,09 27,7 60,2 1050
0,60 8 3,70 25,0 62,8 980
0,66 10 4,20 22,7 65,0 800
Шахта «Киреевская - 3» (уголь марки Б2)
0,70 0 0 49,4 60,9 1430
0,76 1 0,37 45,5 64,6 1330
0,82 2 0,68 42,2 67,7 1250
0,94 4 1,18 36,8 72,8 1070
1,06 6 1,57 32,6 76,8 940
1,18 8 1,88 29,3 79,9 850
Анализ данных таблицы 2 показывает, что при увеличении Ge0A соотношение Nne = const обеспечивается соответствующим увеличением Gу, для чего необходимо повысить расход подаваемого в УК воздуха. Однако, несмотря на то, что при этом обеспечивается Nre = const, КПД извлечения физического тепла, т. е. Лт, и Тгв снижаются. Следовательно качество находящейся в ППСУ тепловой энергии снижается. Однако при этом суммарный КПД
извлечения энергии, т. е. Лэ, возрастает, достигая при Gsc^ = 8...10 м3/час величины порядка 60...80 %. Это обусловлено опережающим ростом содержания в ППСУ скрытой теплоты испарения воды внешнего водоприто-ка. Из таких ППСУ современное серийно выпускаемое теплоэнергетическое оборудование позволяет эффективно извлекать полезную энергию только в виде горячей воды, причём при реализации процесса конденсации находящихся в них паров воды. Не следует также забывать, что обеспечение в случае высоких во-допритоков условия Nne = const за счёт соответствующего увеличения Gу предопределяет и рост /ук, причём при Тук < 1100 К, когда происходит смена режима горения угля с диффузионного на переходный, весьма значительный. Поэтому, к увеличению Gу для борьбы с отрицательным влиянием больших внешних водоприто-ков на эффективность процесса ПСУ, следует прибегать только в том случае, если запланировано получение полезной энергии только в виде горячей воды и размеры сжигаемых угольных запасов в плане
дают возможность обеспечить необходимую величину /ук. В основном же необходимо стремиться обеспечивать при ПСУ минимально возможные внешние водопритоки в блоки сжигания. Это обеспечит получение необходимой Nne с минимальной для данных условий Gу и максимальной эффективностью извлечения из ППСУ полезной энергии, причём не только в виде горячей воды. Увеличение Gу свыше указанных в таблице 2 величин приведёт на рассмотренных участках ПСУ, при условии Ge0A = const, к уменьшению двод и росту Тгв. В результате увеличится и Nm. Это необходимо иметь в виду, если в качестве метода повышения Тгв всё же будет сделан выбор в пользу увеличения Gу, т. к. полученная в этом случае Nre может превысить возможности теплоэнергетического комплекса по извлечению из ППСУ полезной энергии.
Таким образом, обеспечение Nre = const при увеличении внеш-него водопритока в УК только за счёт соответствующего роста Gу энергетически оправдано, если конструкция теплоэнергетического комплекса предусматривает извлечение из ППСУ скрытой теплоты испарения воды, т.к. это приводит, даже в случае сохранения в УК диффузионного режима горения угля, к уменьшению КПД извлечения энергии из сжигаемого угля в виде физического тепла и увеличению КПД извлечения энергии в виде суммы физического тепла и скрытой теплоты испарения воды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Типовые решения для составления проекта подземного сжигания оставленных в недрах запасов угля с получением тепловой энергии для бытовых и производственных нужд / Ржев-
ский В.В., Бурчаков А.С., Дмитриев А.П., Селиванов Г.И., Ян-ченко Г.А. и др. - М.: Корпорация «Уголь России» - МГИ, 1991. -269 с.
Янченко Геннадий Алексеевич - доцент, доктор технических наук, кафедра «Физика горных пород и процессов», Московский государственный горный универси-
