Основные закономерности формирования материального и теплового балансов сгорания метана в метано-воздушных смесях в условиях угольного канала Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

БЛЕМЫ УГОЛЬНОГО МЕТАНА

Как известно [1], из угольных пластов и окружающих пород угольных месторождений в России в настоящее время искусственно извлекается (каптируется) порядка 483 млн. м3 метана в год и порядка 1,75 млрд. м3 в год самопроизвольно выделяется в шахтную атмосферу. Уровень использования даже каптируемого метана крайне невысок (не более 10 %). Одной из основных причин является низкое содержание метана в извлекаемых метано-воздушных смесях (МВС). Только 12 % из них имеют содержание метана СН4 > 30 %, что необходимо для их прямого использования потребителями [2], а более 70 % имеют СН4 < < 3 %. МВС с СН4 = 3...30 %, считаются взрывоопасными и их прямое использование даже в качестве топлива запрещено. Необходимо либо повышать содержание метана в МВС до СН4 > 30 %, либо снижать до СН4 < 3 %. Последние МВС рекомендовано [2, 3] использовать в качестве окислителя в топках котельных агрегатов. Однако практическая реализация этого сопряжена с довольно большими техническими трудностями.

Определённые перспективы имеет использование МВС с СН4 (3 % в качестве окислителя при подземном сжигании угля (ПСУ).

Как известно, сгорание горючих газов в воздухе требует на порядок-два меньших объёмов камер сгорания, чем при сжигании твёрдых топлив, например угля. Поэтому сгорание СН4 МВС в угольном канале (УК) потребует значительно меньшего объёма УК, чем сгорание непосредственно угля. Последнее же, в свою очередь, обеспечит поддержку процесса сгорания СН4 даже при его малых концентрациях в МВС.

Длина зоны горения в УК при подаче в него МВС /' г будет меньше таковой при подаче в УК воздуха, т.е. /г, т.к. в процессе сгорания СН4 часть находящегося в МВС О2 будет израсходована (далее все показатели со штрихом будут относиться к процессу ПСУ при подаче в УК МВС, а без - воздуха). В связи с тем, что массовая скорость сгорания СН4 в воздухе неизмеримо больше массовой скорости сгорания угля Gу, то с большой степенью точности при оценке эффективно-

сти использования МВС при ПСУ можно рассмотреть следующую модель процесса.

Процесс сгорания угля в УК условно разобьём на две стадии. На первой стадии, на начальном участке УК, длина которого значительно меньше /к, где /к - длина УК, происходит сначала сгорание СН4 в находящемся в МВС О2. При этом выделяется определенное количество тепла, зависящее от концентрации СН4 в МВС. В результате образуются продукты сгорания (далее окислитель), имеющие температуру Ток с содержанием кислорода меньшим чем в воздухе, т.е. О2 < 21 %. В этом окислителе и происходит сгорание угля на последующих участках УК, т.е. на второй стадии. В связи с тем, что длина участка сгорания СН4 очень мала, потерями тепла на нагрев окружающих этот участок УК пород и поступлениями воды внешнего водопритока в продукты сгорания на этом участке, можно пренебречь.

Учитывая результаты работы [4], получим отношение /г к I г для одинаковых условий ПСУ в виде:

/г//'г = (2,2/А')^г,ср (Тг,ср -V'г/^ 'г,ср (Т'г,ср -Уг)]0,16, (1)

где А'- коэффициент, величина которого определяется содержанием О2 в окислителе на входе в зону горения угля в УК (при О2 = 21 % А'= 2,2); Qг,ср, Тг,ср - средние по длине УК приведённый к нормальным физическим условиям объёмный расход, м3/с, и температура, К, продуктов подземного сжигания угля (ППСУ), далее объёмные характеристики всех рассматриваемых газов будут считаться приведёнными к этим условиям; Уг

- коэффициент кинематической вязкости ППСУ, усреднённый по длине УК, м2/с.

Учитывая рекомендации по методам расчётов V,-, ^^г,ср и Тг,ср [5,6,7], преобразуем (1) при Кп = =Кпод= 0, где Кп, Кпод - коэффициенты потерь ППСУ и подсоса воздуха в УК, к виду:

/г / /' г = (2,2 / А')[^в + Qг) / ^ок + Q 'г)]0,16 [(Ток + Т'к)/ / (Тв + Тк)]0,12, (2)

где Qв, Qок, Qг - объемный расход, соответственно, воздуха и окислителя на входе в зону горения угля в УК и полученных при этом ППСУ на выходе из УК, м3/с; Тв, Ток, Тк - температура, соответственно, воздуха и окислителя на входе в зону горения угля в УК и полученных при этом ППСУ на выходе из УК, К.

Таким образом, для оценки изменения /г в УК при замене воздуха на МВС необходимо исследовать балансы процессов сгорания: СН4 в О2 МВС (это даст величины А', Qок, Ток), угля в воздухе (это даст Qг, Тк) и угля в окислителе (это даст Q 'г, Т'к). Соответственно, все эти исследования необходимо проводить для условий одного и того же УК.

Наиболее объективную информацию об эффективности использования МВС при ПСУ дает анализ изменения /г при появлении в воздухе СН4 для постоянного во всех случаях объемного расхода подаваемого в УК кислорода, т.е. Qo2 =const. Это предопреде-

УДК 536:622.69:622.272

Г.А. Янченко

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ СГОРАНИЯ МЕТАНА В МЕТАНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЯХ В УСЛОВИЯХ УГОЛЬНОГО КАНАЛА

ляет постоянство выделяемой в УК энергии. Как известно, объем содержащегося в 1 м3 сухого воздуха О2 составляет Vo2 = 0,21 м3, что дает возможность извлечь из любого органического топлива порядка 3770 кДж тепла [7]. Появление в воздухе СН4 уменьшает объем О2 в 1 м3 МВС. Следовательно, 1 м3 МВС, из-за более низкого содержания в ней О2, даст при сгорании СН4 и последующем сжигании угля меньше тепла, чем при сгорании угля в 1 м3 воздуха. Уменьшение количества тепла будет тем больше, чем больше содержание СН4 в МВС. Поэтому, для получения такого же количества тепла, что и при подаче в УК воздуха, объем подаваемой МВС должен превышать объем подаваемого воздуха, т.е. Qс.мвс > Qс.в, где Qс.мвс, Qс.в - объемный расход сухих МВС и воздуха на входе в УК, м3/с. Взаимосвязь между Qс.мвс и Qс.в, имеет вид:

Qс.мвс = Qс.в / (1 (0,01 СН4), (3)

где СН4 - содержание метана в сухой МВС, %. Для влажной МВС имеем:

Qмвс = Qв/(1(0,01СН4) = Qс.в(1 + 1,243d'в)/

/(1(0,01 СН4) (4)

Из химической формулы полного сгорания СН4 в

О2 следует, что для полного сжигания 1 м3 сухой МВС необходим объем О2 :

V°o2 = 0,02 СН4, (5)

где [V°o2] = м3 О2 / м3 сух. МВС; [СН4] = %.

Объем паров воды, приходящийся на 1 м3 сухой МВС, определяется, как Vп.в = 1,243d'мвс, где d'мвс -влагосодержание МВС, м3 п.в /м3 сух. МВС, где п.в -пары воды.

После сгорания СН4 в МВС в получаемых продуктах сгорания, т.е. в окислителе, соответственно уменьшается объем О2 и появляются СО2 и пары воды. Их объемы при сгорании 1 м3 сухой МВС можно определить как:

V°co2 = 0,01СН4; V°кп.в = 0,02 СН4 + 1,243d'мвс. (6)

Объемы О2 и N2 в продуктах полного сгорания 1 м3 сухой МВС определим как:

V°KN2 = 0,01 N2; V°KО2 = 0,01 О2 - V°О2, (7)

где N2, О2 - содержание N2 и О2 в сухой МВС, %.

Учитывая, что в сухом воздухе содержания N2 и О2 составляют, соответственно, 79 % и 21 %, определим N2 и О2 в сухой МВС, как:

N2 = 79(1 - 0,01 СН4); . О2 = 21(1 - 0,01 СН4). (8)

Объемы сухого и влажного окислителя при сгорании 1 м3 сухой МВС определяются, соответственно, как:

Vс.ок = V0KN2 + VOKО2 + V0KС02; Vок = Vс.ок + VOKп.в. (9)

С учётом Vс.ок, взаимосвязи между Qс.мвс и Qмвс и объемными расходами сухого и влажного окислителя на входе в зону горения угля в УК, т.е. Qс.ок и Qок будут:

Qс.OK = Qс.мвс ^с.ок; QоK = Qс.OK / (1 - 0,01 Wок), (10)

где Wок = 100 VOKп.в/Vок - влажность окислителя, %.

Учитывая (3), получим взаимосвязь между Qс.ок и Qс.в при постоянном количестве выделяемого в УК тепла:

Qс.ок = Qс.в ^с.ок / (1 - 0,01 СН4). (11)

Содержания N2, О2 и СО2 в окислителе на сухое и влажное состояния определяются аналогично Wок.

Результаты расчетов основных показателей материального баланса процесса сгорания СН4 в О2 МВС, выполненных по приведенным выше формулам для МВС с СН4 = 0...3 % и d ' мвс = dнв = 0,012928 кг п.в /м3 сух. МВС, где dнв - нормативное влагосодержание воздуха для теплотехнических расчётов, кг п.в /м3 сух. возд., показали следующее.

Объем получаемого при сгорании СН4 в О2 МВС сухого окислителя, меньше объема исходной сухой МВС, причем разница эта увеличивается с повышением концентрации СН4. Объем же влажного окислителя равен объему исходной влажной МВС. Окислитель, получаемый из МВС даже с СН4 = 3 % содержит довольно большое количество свободного О2 (более 15 %). Принимая во внимание, что этот окислитель будет иметь довольно высокую Ток, можно сделать вывод, что он обеспечит довольно эффективное сжигание угля на последующих участках УК.

Содержания СО2 и О2 в сухом и влажном окислителях хорошо, с коэффициентом корреляции г > 0,98, описываются выражениями:

СО2сок = 1,05 СН4; О2сок = 21,00 (1,95 СН4;

СО2ок = 0,97 СН4; О2ок = 20,59 (2,18 СН4, (12)

а влажность окислителя:

Wок = 1,58 + 1,97 СН4, (13)

где [СО2сок, О2сок, Wок] = %.

Взаимосвязь между Qс.ок и Qс.в, обеспечивающих выделение в УК одинакового количества тепла, хорошо (г = 0,99) описывается выражением:

Qс.ок = Qс.в (1,000 - 0,01 СН4). (14)

При одинаковом влагосодержании подаваемых в УК воздуха и МВС взаимосвязь между Qок и Qв имеет вид:

Qок = Qмвс = Qв (1,000 + 0,01 СН4). (15)

При равенстве объемных расходов подаваемых в УК сухих воздуха и МВС, Qс.в = Qс.мвс, взаимосвязь между ^^с.ок и Qс.в описывается выражением:

Qс.ок = Qс.в (1 - 0,02 СН4). (16)

Если в этом случае имеет место равенство влаго-содержаний МВС и воздуха, то Qок = Qв.

Величину Ток определим следующим образом:

Ток = qх,г / [С ок(Тмвс... Ток) V ок ] +Т мвс, (17)

где Тмвс - температура МВС на входе в УК, К; Сок(Тмвс...Ток) - изобарная объёмная теплоёмкость окислителя, усреднённая в диапазоне температур Тмвс...Ток, кДж/(м3 окис. (К); qх,г - химическое тепло 1 м3 МВС, кДж/м3 МВС; [Vок] = м3 окис./ м3 МВС.

Расчет Сок(Тмвс...Ток) выполним с учетом рекомендаций [8].

Учитывая величину Qdi СН4, где Qdi - низшая теплота сгорания, кДж/м3, величину qх,г МВС на рабочее состояние определим, как:

qх,г = 0,01 Qdi СН4 / (1 + d'мвс) « 352,52 СН4. (18)

Анализ результатов расчётов Ток, сделанных для Тмвс = 293 К, показывает, что в этом случае взаимосвязь Ток = ^СН4) при СН4 = 0...3 % довольно хорошо (г = 0,99) описывается выражением:

Ток = 293 + 225 СН4, (19)

где [Ток] = К; [СН4] = %.

Из (18) следует, что при СН4 = 3 % Ток достигает порядка 1000 К, что может существенно изменить режим горения угля в УК.

Для оценки характера изменения коэффициента А' в (2) при подаче в УК МВС, воспользуемся результатами работы [4].

Результаты выполненных расчетов показали, что с увеличением содержания СН4 в МВС коэффициент А' уменьшается. Взаимосвязь А'= ^СН4) очень хорошо (г « 0,99) описывается довольно простым выражением, существенно облегчающим практические расчеты А':

А'= 2,2 - 0,07 СН4. (20)

Для того, чтобы найти соотношение между Qг и Q 'г при а= 1,0, воспользуемся соотношением между Qг, Q 'г и, соответственно, Gу и G ' у, где Gу - массовая скорость сгорания угля в УК, кг/с :

Qг = Gу VOг;, Q 'г = G ' у ^°г)', (21)

где VOг - объем ППСУ, полученный при сгорании в УК

1 кг рабочей массы угля, м3/кг угля.

Если принять, что потери ППСУ и воздуха и подсосы последнего отсутствуют, то:

Qг / Q 'г = ^у / G ' у) ^°г / (VOг) ']. (22)

Соотношение Gу/G'у можно также определить как

[7]:

Gу = Qс.в / VOс.в; G ' у = Qс.ок / VOс.ок, (23)

где VOс.в, VOс.ок - объемы сухих воздуха, м3 с. в / кг угля,

и окислителя, м3 с. ок/кг угля, необходимые для полного сгорания 1 кг рабочей массы угля.

Тогда: Gу / G ' у = Qс.в ^°с.ок / ^ос.в Qс.ок). (24)

Учитывая (14), получаем:

Gу / G ' у = VOс.к / [^ос.в (1 - 0,01 СН4)]. (25)

Объем сухого газообразного окислителя, необходимый для полного сгорания 1 кг органического топлива обратно пропорционален массовому содержанию

02 в этом окислителе. Поэтому:

VOс.ок / VOс.в = тО2св / тО2сок, (26)

с.в с.ок

где тО2 / тО2 - массовая доля О2 в сухом воздухе и сухом окислителе.

Учитывая соотношения между объемными и массовыми долями газовых компонентов в газовых смесях, получаем:

V с.ок / V с.в = О2,с.в Рс.ок / О2,с.ок Pс.в, (27)

где рс.в, Рс.ок - плотность сухих воздуха и окислителя, кг / м3.

Как известно, рс.в = 1,2928 кг/м3. Сухой окислитель даже при содержании СН4 в сухой МВС порядка 4 % имеет Рс.ок = 1,3380 кг/м3.

Таким образом, с погрешностью Вп « 3,5 % можно принять рс.ок « Рс.в. Тогда, учитывая взаимосвязь (12) между О2,с.ок и СН4, получаем:

VOс.ок / VOс.в = 1 / (1 - 0,093 СН4). (28)

Учитывая это, преобразуем (25) к виду:

Gу / G ' у = 1 / [(1 - 0,010 СН4) (1 - 0,093 СН4)]. (29)

Из (29) следует, что массовая скорость сгорания угля в УК с увеличением содержания СН4 в МВС будет уменьшаться. Это происходит вследствие уменьшения содержания О2 в окислителе после сгорания в МВС СН4. Уменьшение довольно значительное, на каждый процент СН4 Gу уменьшается примерно на 13 %.

Для расчетов VOг и ^°г)( воспользуемся рекомендациями работы [ 7 ]. Необходимую для расчётов величину d' ок, где d' ок- влагосодержание окислителя, кг п.в / нм3 с.ок определим, используя Wок из (13):

d' ок = 0,8041 Wок / (100 - Wок). (30)

Расчеты, сделанные для нескольких десятков бурых и каменных углей показали, что у них отношение

VOг / (VOг)' очень хорошо, с Вп < 5 %, описывается обобщенной взаимосвязью:

VOг/ (VOг)' = (1 - 0,082 СН4)^°г + 1,243 двод) / [VOг +

+ 1,243 д'вод (1 - 0,082 СН4) ], (31)

где двод, - удельный водоприток в УК, кг воды/кг угля.

Из (31) следует, что при двод « д'вод ^°г)'^°г. Это обусловлено тем, что для сжигания 1 кг рабочей массы угля необходимо затрачивать больший объём окислителя, содержащего, как известно, меньшее количество О2, чем воздух. Соответственно, при увеличении концентрации СН4 в МВС разница между ^°г)'и

VOг будет возрастать.

Используя (28) и (30), получим:

Qг/Q 'г= (1-0,082СН4)(VOг + 1,243двод)/{(1-0,01СН4)х

x(1-0,093СН4)[VOг + 1,243д'вод (1-0,082СН4)]}. (32)

Анализ (32) показывает, что при двод « д ' вод с увеличением концентрации СН4 в МВС Q'г на выходе из УК уменьшается. Однако это уменьшение довольно незначительное. Например, при двод = 0 оно составляет 2...3 % на каждый процент СН4 в МВС.

Расчет величин Т'к выполнен согласно разработанной в [6] методики. Он сделан для Qс.в = 3,0 м3/с и мощности пластов угля: каменного марки СС (Кузбасс)

- т = 7,0 м; бурого марки Б2 (Мосбасс) - т = 2,5 м. Соответствующие теплофизические свойства пород взяты, как средние величины по всем представительным типам вмещающих пород угольных месторождений.

При расчетах Т' к 1г уменьшалось пропорционально уменьшению коэффициента А' в (2). Погрешность в расчетах Т' к при этом не может быть довольно большой, т.к. показатели степеней в (2) довольно маленькие и основное влияние на формирование величины I г будет оказывать коэффициент А'.

Результаты расчетов величин Т' к показывают, что несмотря на очень большие различия в рассматриваемых углях (СС - один из лучших каменных углей, а Б2 - один из худших бурых) характер изменения величины Тк от концентрации СН4 в МВС у них одинаков и довольно точно (вп < 5 %) может быть описан следующей обобщенной зависимостью:

Т'к = Тк + 43 СН4. (33)

Результаты расчетов 1г / I г, сделанные для тех же условий, что и расчеты Т'к показывают, что появление в подаваемом в УК воздухе СН4 уменьшает 1г в УК. В обоих рассмотренных углях, характер изменения практически одинаков. Каждый процент СН4 уменьшает 1г на 4...5 %:

I' г = 1г (1,000 - 0,046 СН4). (34)

Анализ влияния различных факторов (содержание

О2, величин Тг и Q^ на изменение величины 1г показывает, что основное (до 90 %) влияние на уменьшение 1г оказывает снижение содержания О2 в окислителе, т.е. в продуктах сгорания СН4 в О2 МВС. Влияние изменение Тг на величину 1г составляет порядка 10 %. Изменение же Qг практически не сказывается на изменении величины 1г. Учитывая это, можно предположить, что и при двод > 0 соотношение (33) будет в основном справедливо.

Тепловая мощность по физическому теплу на выходе из УК, N-г.к, при использовании МВС, когда Qмвс связано с Qв согласно (4), увеличивается не очень сильно. При СН4 = 3 % N™ увеличивается на 1,5...2,0 %. Связано это с некоторым уменьшением потерь тепла в окружающую среду за счет уменьшения 1г.

Таким образом, на первый взгляд кажется, что применение МВС практически не дает никакого энергетического эффекта. Величине N™ практически не изменяется. Однако, результаты исследований, выполненные в [9] и увязывающие величину 1г = 1к с N™ показывают, что уменьшение 1г в УК с 1к = const позво-

лит увеличить объемный расход подаваемой в УК МВС. В работе показано, что увеличение 1г за счет повышения Qв, а соответственно и Qмвс, примерно на 5 % даёт прирост N-гк не менее, чем на 50 %. Таким образом, использование МВС с СН4 = 3 % даст возможность увеличить расход Qмвс и получить прирост N-гк на 100...150 %.

Таким образом, основной эффект от применения при ПСУ МВС заключается в том, что в этом случае происходит определенное уменьшение величины 1г в УК. Восстановление 1г до величины 1к возможно только увеличением Qмвс, а это приводит к росту N-тк. Таким образом рост N™ при использовании МВС происходит не из-за того, что в МВС содержится СН4, а из-за того, что в тот же самый УК можно будет подавать более высокий расход МВС, а следовательно и О2, что и приведёт к росту N-тк.

Незначительное изменение 1г при использовании МВС приводит к тому, что величина внешнего водо-притока в УК остается практически на прежнем уровне. Поэтому, увеличение в 1,5...2,5 раза Gу при 1к = const, в случае использования МВС, приведет к соответствующему снижению двод и следовательно, к улучшению условий сгорания угля в условиях УК и увеличению Тк ППСУ. Это приведет к дополнительному увеличению N-гк, а также соответствующему повышению эффективности извлечения из ППСУ полезной энергии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Малышев Ю.Н., Айруни А.Т., Ва-сильчук М.П. Перспективные направления совершенствования подземной добычи угля в метанообильных шахтах // Уголь. -1996. - № 8. - С. 8 - 13.

2. Лаврик В.Г Повышение эффективности использования попутного шахтного метана // Изв. вузов. Горный журнал. - 1996.

- № 1. - С. 71 - 74.

3. Крапчин И.П. Экономика переработки углей. - М.: Недра, 1989.- 214с.

4. Янченко Г.А. Взаимосвязь между длиной зоны горения в угольном канале

и мощностью сжигаемого или газифицируемого угольного пласта // Изв. вузов. Горный журнал. - 1998. - № 1-2. - С. 22 - -27.

5. Янченко Г.А. Вязкость продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях // Изв. вузов. Горный журнал. -1994. - № 1 - С. 19 - 24.

6. Янченко Г.А. Тепловой баланс процесса подземной газификации угля: Учебное пособие. - М.: МГИ, 1988. - 42 с.

7. Янченко Г.А. Материальный баланс процесса подземной газификации

угля.: Учебное пособие. - М.: МГИ, 1989.

- 57 с.

8. Янченко Г.А. Теплоёмкость продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях // Изв. вузов. Горный журнал. - 1992. - № 6. - С.13 - 17.

9. Янченко Г.А. Анализ влияния исходных факторов на выходную мощность по физическому теплу зоны горения в подземном угольном канале // Горный информ. -аналит. бюлл. МГГУ. - 1997. Вып. 7. - С. 29

- 34.

Янченко Геннадий Алексеевич - доцент, доктор технических наук, кафедра «Физика горных пород и процессов», Московский государственный горный универси-