О взаимосвязи удельного водопритока в угольный канал с химической неполнотой сгорания угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Г.А. Янченко, 2002

УДК 622.278.06:662.746.6(045)

Г.А. Янченко

О ВЗАИМОСВЯЗИ УДЕЛЬНОГО ВОДОПРИТОКА В УГОЛЬНЫЙ КАНАЛ С ХИМИЧЕСКОЙ НЕПОЛНОТОЙ СГОРАНИЯ УГЛЯ

ак известно [1], величина удельного водопритока gB = GB/Gy, где GB, Gy - массовая скорость соответственно водопритока в угольный канал (далее УК), кг воды/с, и сгорания угля, кг угля/с, относится к числу факторов, довольно сильно влияющих на энергетическую эффективность процесса подземного сжигания угля (далее ПСУ). Поэтому необходимо уже на стадии проектирования иметь по возможности более точную исходную информацию об ожидаемой величине gB и характере её изменения при различных режимах сгорания угля в УК.

Интенсивность реакций горения угля значительно превышает интенсивность реакций его газификации и термического разложения. Поэтому длину УК 1ук на стадии проектирования выбирают равной длине зоны горения 1г, на выходе из которой теоретически должны иметь место продукты полного сгорания угля, не содержащие свободного кислорода. В этом случае при наличии гидрогеологических данных о величине ожидаемого водопритока на один погонный метр УК GB', где [GB'] = кг воды / (м-с), величина GB определяется как: GB = GB'1ук = GB'lr. Однако в реальных условиях в зоне горения УК практически всегда имеет место химическая неполнота сгорания угля, которая в принципе не поддаётся точному прогнозу, причём не только при ПСУ, но и при сжигании топлив в наземных топочных устройствах. Это несомненно сказывается на величине gB. Поэтому на расходную часть теплового баланса процесса сгорания угля в УК влияет не только наличие в продуктах подземного сжигания угля (далее ППСУ) горючих газов, но и изменение влажности ППСУ.

На первый взгляд кажется, что химическая неполнота сгорания угля при 1ук = const должна увеличивать gB, т. к. в этом случае GB = const, а Gy на первый взгляд должна уменьшаться, т. к. не весь попадаемый в УК кислород успевает реагировать с горючими элементами угля. Однако это далеко не так. Это наглядно видно, например, из реакций полного и неполного окисления углерода: С + О2 = СО2 и С + О2 = СО + 0,502. Они показывают, что при постоянном расходе кислорода и в первой, и во второй реакциях в продукты сгорания переходит одинаковое количество углерода (1 моль С на 1 моль О2). Таким образом, появление в ППСУ наряду с горючими газами свободного кислорода ещё не гарантирует уменьшение величины Gy.

К Учесть влияние на Gy наличие в ППСУ свободного кислорода позволяет коэффициент избытка воздуха а. Его величину для всех возможных ре-

жимов сгорания угля в УК, вплоть до газификации, рекомендовано [1] определять как:

а = (V°c.b + Vr -v'c.b) / V°C.B ,

(1)

где V°c.b - объём сухого воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания 1 кг рабочей массы угля, нор. м3/кг угля (нор. м3 - нормальный метр кубический, такая запись указывает, что объём рассматриваемого газа отнесён к нормальным физическим условиям: Т = 273,15 К и Р = 101325 Па); Vr - теоретический, т. е. не учитывающий потерь в окружающую среду, объём сухих ППСУ, получаемых при сгорании 1 кг рабочей массы угля, нор. м3/кг угля; V'C.B - объём сухого воздуха, который необходимо либо извлечь из 1 нор. м3 сухих ППСУ при содержании в них избыточного кислорода О2из6 = О2 + + 0,5СО - 0,5Я2 - 2СН - ЗСН - 1,5 H2S, либо подать в 1 нор. м3 этих продуктов, когда О2из6 < 0, нор. м3 сух. воздуха / нор. м3 сух. ППСУ; О2, С, - содержание в сухих ППСУ свободного кислорода, оксида углерода и т. д., % по объёму.

Методы расчётов V°c.b, Vr, V'C.B подробно рассмотрены в [1].

Учитывая связь Gy с а, Gy = QC.B /(а -V°C.B), где Qc.b - объёмный расход подаваемого в УК сухого воздуха, нор. м3/с, получим взаимосвязь между gB и химической неполнотой сгорания угля в УК в виде:

gB = g'b 1ук а V°c.b/ Qc.b. (2)

Для случая lyK = const и QC.B = const из (2) легко получается взаимосвязь между удельными водопритоками в УК при идеальном режиме полного сгорания угля в нём (а = 1,0 и О2 = 0) gB^ и имеющим место в реальности gB,p:

gB,p = а gB,№ (3)

Из (3) следует, что химическая неполнота сгорания угля в УК неоднозначно влияет на величину удельного водо-притока в УК. При О2из6 > 0, в этом случае а > 1,0, он увеличивается, а при О2из6 < 0, в этом случае а < 1,0, уменьшается.

Таким образом появление химической неполноты сгорания угля в УК при полном выжигании подаваемого в него кислорода способствует уменьшению затрат химической энергии угля на испарение воды внешнего водопри-тока, что в определённой степени повышает качество получаемой при ПСУ тепловой энергии.

В практике ПСУ режим неполного сгорания угля в УК наиболее полно реализуется при условии lyK > 1г. В этом случае за пределами зоны горения начинают реализовываться реакции газификации и термического разложения угля. Тогда при условии QC.B = const взаимосвязь между gB,p и gB^ приобретает вид:

gB,p а 1ук,р gli,ll / 1ук,№ (4)

где 1ук,и, 1ук,р - длина УК соответственно при идеальном полном сгорании угля в УК, когда 1ук,и = 1г , а = 1,0 и О2 = 0, и при реальном процессе сгорания угля, когда 1ук > 1г.

Однако следует отметить, что такой метод реализации в УК химической неполноты сгорания угля крайне не эффективен. В этом случае уменьшение gв за счёт химической неполноты сгорания угля с лихвой перекрывается увеличением gв за счёт увеличения 1ук. Об этом свидетельствует опыт подземной газификации углей (далее ПГУ), при которой режим химической неполноты сгорания угля в условиях УК реализуется практически в полной мере. Продукты ПГУ имеют а = 0,5.. .0,6, при этом 1ук/ 1г = 8.. .9. В результате при одинаковых Qc.в gв при ПГУ превышает gв при ПСУ в 3-5 раз.

В условиях химической неполноты сгорания угля в УК в ППСУ может появиться избыточное количество свободного кислорода. Это приводит к неоправданным затратам энергии на подачу воздуха в УК. Свести величину О2 к необходимому минимуму можно, соответствующим образом

1. Янченко Г.А. Физико-техническое обоснование способов стов: Дис. ... д-ра техн. наук. - М., 1998. - 547 с.

уменьшив величину Qc.в. Соответственно в этом случае 1ук остаётся постоянной. В этом случае взаимосвязь между исходным удельным водопритоком gв,иc, когда в ППСУ О2 >> 0, и новым, получаемым при уменьшении Qc.в gв,н, приобретает вид:

^,н = ан ^.в,исх ^,ис /аисх Qc. в,н , (5)

где Qc.в,иcх, аиcх, Qc.в,н, ан - объёмный расход и коэффициент избытка воздуха в ППСУ соответственно исходные, когда в ППСУ О2 >> 0, и новые, получаемые при уменьшении Qc.в. Величина gв,н будет определяться соотношением частных Qc.в,иcх/Qc.в,н и ан/аи(:х. Первое будет соответственно увеличиваться, а второе - уменьшаться. Спрогнозировать уменьшение ан/аи(:х при уменьшении Qc.в можно будет только на основании практических данных.

---------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

энергетической эффективности процесса сжигания угольных пла-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Янченко Геннадий Алексеевич — профессор, доктор технических наук, кафедра «Физика горных пород и процессов», Московский государственный горный университет.