Основы материального и теплового балансов процесса дожигания горючих газов в продуктах подземного сжигания угля Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

СЕМИНАР 16

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Г.А. Янченко, 2001

УДК 662.74

Г.А. Янченко

ОСНОВЫ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ ПРОЦЕССА ДОЖИГАНИЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ В ПРОДУКТАХ ПОДЗЕМНОГО СЖИГАНИЯ УГЛЯ

результате далеко не идеальных условий сгорания угля в угольном канале в продуктах подземного сжигания угля (далее ППСУ) всегда появляется определённое количество горючих газов: СО, Н2, СН4, С2Н4 и Н^. В результате соответственно уменьшается запас физического тепла в ППСУ, что приводит к снижению их температуры Тппсу и увеличению отрицательного воздействия на окружающую среду.

Одним из наиболее эффективных методов ликвидации в ППСУ горючих газов является их дожигание. Оно довольно широко используется в промышленности в настоящее время для повышения экологической безопасности выбрасываемых в атмосферу отработанных газов [1]. Суммарное содержание горючих газов в ППСУ обычно меньше нижней концентрационной границы их воспламенения [2]. Поэтому в них невозможно самопроизвольное распространение пламени. Процесс дожигания горючих газов в ППСУ можно реализовать только в случае их нагрева внешним источником тепла до температуры воспламенения Твос горючих газов (у СО в воздухе при Р ~ 1 атм. Твос = 883...933 К, у Н2

- 683.903 К, у СН4 - 903.1063 К, у С2Н4 -813.823 К, у Н^ - 563.760 К).

Параметры потока ППСУ в процессе дожигания горючих газов претерпевают определённые, иногда значительные [2], изменения, что необходимо учитывать при выборе теплоэнергетического оборудования для извлечения полезной энергии из ППСУ. Наличие в последних горючих газов обусловлено несколькими причинами, которые и определяют способ, оборудование и режимы процесса дожигания.

Если в ППСУ присутствует свободный кислород, то, следовательно, Тппсу < Твос. Если, при этом, со-

держание свободного кислорода в ППСУ достаточно для дожигания горючих газов, т. е. О2 > О2н, где О2, О2н - содержание в сухих ППСУ свободного кислорода и необходимого для дожигания содержащихся в них горючих газов, %, то для реализации процесса дожигания достаточно повысить Тппсу до Твос без подачи дополнительного окислителя. В качестве последнего наиболее целесообразно использовать воздух. Величина О2н зависит от содержания в ППСУ горючих газов:

О2н = СО + 0,5Н2 + 2СН4 + 3 С2Н4 +1,5Н2S, (1)

где СО,., Н^ - содержание соответствующего газа в сухих ППСУ, %.

Наиболее легко увеличить Тппсу до Твос можно путём смешивания в камере дожигания потоков ППСУ и продуктов полного сгорания (ППС) какого-либо органического топлива в воздухе. Соответственно температура ППС Тппс должна быть больше Твос. Смешивание обоих потоков в оптимальном варианте должно осуществляться непосредственно на выходе из зоны формирования ППС.

Анализ величин Твос. входящих в состав ППСУ горючих газов показывает, что для обеспечения стабильного протекания процесса дожигания температура смеси ППСУ и ППС Тсм должна быть не менее 1000 К. Объёмный расход ППС Qппс, обеспечивающий Тсм = Твос.> 1000 К, можно определить из следующего уравнения теплового баланса процесса смешивания потоков ППСУ и ППС:

ОшсуСппсу(Т0 .Тппсу )(Тппсу-Т0)+^ к.дQппсСппсх

х(Т0.Тппс )(Тппс - Т0 ) = (Опсу + Qппс) СсмХ х(Т0.Тсм )(Тсм - Т0), (2)

где Qппсу, Qппс - отнесённые к нормальным физическим условиям, т.е. к Р0 = 101325 Па и Т0 = 273,15 К, объёмный расход соответственно ППСУ и ППС, нор. м3/с («нор. м3» - нормальный метр кубический, т.е. м3, отнесённый к Р0 и Т0 ); Сппсу( Т0.Тппсу

X Сппс(Т0.Тппс ) Ссм( Т0.Тсм ) - изобарная объёмная теплоёмкость ППСУ, ППС и их смеси, усреднённая в диапазоне температур от Т0 до соответственно Тппсу, Тппс и Тсм, кДж/(нор. м3-К); ^к.д - КПД работы камеры дожигания, ^к.д = 0,90.0,99.

Если в ППСУ с Тппсу < Твос имеет место О2<О2н то для реализации процесса дожигания в ППСУ необходимо подать дополнительное количество окислителя с содержанием кислорода О2д > О2н - О2 ,

где О2д - содержание дополнительного количества кислорода в сухом окислителе, обеспечивающего полное дожигание горючих газов в ППСУ, %, и температурой Ток>Твос. Необходимая величина Ток определяется из уравнения (2).

Минимальный расход такого окислителя будет в том случае, если он будет подогреваться до необходимой температуры с помощью внешнего нагревателя. Если в качестве окислителя используется воздух, то его минимальный расход Qвд определяется как:

Qвд=0,0476О2ДQппсу(1+1,243dв )/(1+1,243аппСу ), (3)

где dв, dппсу - влагосодержание воздуха и ППСУ, кг паров воды/нор. м3 сухого газа.

В практических условиях более легко получать высокотемпературный окислитель путём сжигания органического топлива в воздухе с коэффициентом его избытка и > 1,0. В этом случае получаемые ППС будут свободный кислород. Необходимый расход таких ППС Qд ппс будет зависеть от содержания в них свободного кислорода и определяется аналогично О2д:

Qд ппс = Каппсу (1 + 1,2434)/(1 + 1,243аппсу) (4)

где К = О2д / О2, ппс, О2, ппс - содержание кислорода в сухих ППС, %.

Отнесённый к нормальным физическим условиям объёмный расход ППСУ после дожигания в них горючих газов (обозначим его как Qг) нельзя определять путём суммирования Qппсу, и Qвд или Qд ппс, т. к. в процессе сгорания горючих газов в ППСУ будут изменяться объёмные характеристики соответствующих газовых компонентов. Величину Qг необходимо определять как Qг = Qппсу•Vг, где V- -объём газа, получаемый при дожигании горючих газов в 1 нор. м3 ППСУ, нор. м3 газа/нор. м3 ППСУ.

При отсутствии в продуктах дожигания горючих газов величина V- в общем виде может быть определена как:

Уг = VN2 + УСО2 + УО2 + ^О2 + VН2О, (5)

где Уш, .,УН2О - объём соответствующих газов и паров воды, получаемых при дожигании горючих газов в 1 нор. м3 ППСУ, нор. м3 газа/нор. м3 ППСУ.

Учитывая материальный баланс процессов сгорания горючих газов в кислороде и то, что негорючие газовые компоненты вносятся в продукты дожигания не только ППСУ, но и ППС или воздухом, получим выражения для расчётов Уш, .,УН2О в следующем виде:

VN2 = 0,01№ + K•N2, ппс + 3,76 О2д); (6)

УсО2 = 0,01(ТО2 + К^СО2,ппс + СО + СН4 +

+ 2С2Н4); (7)

Уо2 = 0,01(О2 - О2н ); (8)

У302 = 0,01^02 + К•SO2,ппс ); (9)

Ун20 = 1,2434™* + 1,243 К dппс + 0,059dв02д +

+ 0,01( Н2 + 2СН4 + 2С2 Н4 + Н2S ), (10)

где N2,., Н2S, N2, ппс ,., S02,ппс - содержание соответствующих газов в сухих ППСУ и ППС, %.

Величина УО2 вычисляется только при О2 > О2н. При известном и расчёт состава ППС принципиальных затруднений не вызывает и осуществляется по нормативной методике [3].

Для получения ППС могут использоваться твёрдые, жидкие и газообразные органические топлива, причём последние низкого качества, т. е. с большим содержанием азота. В последнем случае расход воздуха на горение будет существенно отличаться от выхода сухих ППС. Поэтому для определения необходимого и, обозначим его ин, наиболее предпочтительна азотная формула, которая при отсутствии в ППС горючих газов имеет вид:

ин = N2, ппс /(N2, ппс - 3,76 О2д ). (11)

Объёмный расход воздуха, обеспечивающий получение ППС с ин при использовании твёрдого и жидкого топлива, определяется как Qв = Gт инУв0, а газообразного - Qв = Qт инУв0, где Gт, Qт - массовый, кг/с, и объёмный, нор. м3/с, расход рабочей массы соответствующего топлива; Ув0 - объём атмосферного воздуха теоретически необходимого для полного сгорания с и = 1,0 1 кг (для твёрдого и жидкого) или 1 нор. м3 (для газообразного) рабочей массы топлива, нор. м3 воздуха/кг или нор. м3 воздуха/нор. м3; ^в ] = нор. м3/с. Величина Ув0 зависит от состава рабочей массы топлива и определяется по нормативным формулам [3]. На практике величина Qв должна быть несколько больше, порядка 5 %, чем дают расчёты по вышеприведённым формулам. Это исключит появление в ППС горючих газов, однако даст и > ин и УО2 > 0.

Для случая, когда в ППСУ О2 > О2н и необходимо только повысить Тппсу до Твос, тепловая мощность потока ППС может быть определена как Мппс = ОпшСшВ(Т0.ТПШ!)(Т11Ш! - Т0). Если ППС будут получать при сжигании органических топлив, то их необходимые массовые расходы могут быть определены как Gт ^пс Qi / Л ппс или Qт Nппс (Qi )г /

^ппс, где Qiг,(Qiг)г - низшая теплота сгорания 1 кг твёрдого или жидкого, кДж/кг, и 1 нор. м3 газообразного, кДж/нор. м3, топлив; ^ппс - КПД работы устройства для получения ППС, Лппс = 0,90.0,95.

Для случая, когда О2 < О2н и необходимо помимо нагрева потока ППСУ подавать в него определённое количество кислорода, тепловая мощность

потоков соответствующих окислителей может быть определена как:

• при использовании в качестве окислителя воздуха - Н,= Qвд Св(Т0.Тв) • (Тв -Т0);

• при использовании в качестве окислителя ППС с и = ин > 1,0 - Мппс =

= ^ппс Сппс(Т0.Тппс)ЧТппс - Т0 ),

где Тв , Тппс - температура воздуха и ППС, К; Св(Т0.Тв) - изобарная объёмная теплоёмкость воздуха, усреднённая в диапазоне температур от Т0 до Тв кДж/(нор. м3). Тепловая мощность воздухоподогревателя определяется сллтветственно как Мнаг = N /^ наг, а расход органического топлива как показано выше.

Температуру ППСУ после дожигания в них горючих газов, обозначим её как Тг, можно определить из уравнения теплового баланса процесса дожигания:

Тг - [Лк.д^х + qф) / V Сг (То.Тг )] +Тппсу, (12)

где qх - низшая теплота сгорания находящихся в 1 нор. м3 влажных ППСУ горючих газов, кДж/нор.м3; qф - физическое тепло объёмов ППС или воздуха, обеспечивающих дожигание горючих газов в 1 нор. м3 влажных ППСУ, кДж/нор. м3 ППСУ; Сг (Т0...Тг )

- изобарная объёмная теплоёмкость ППСУ после дожигания в них горючих газов, усреднённая в диапазоне температур от Т0 до Тг, кдж/(нор. м3-К).

Величина qх зависит от содержания в ППСУ горючих газов и их ^іГ)г и может быть определён следующим образом:

qх - (126,36СО + 107,98Н2 + 358,20СН4 +

+590,66С2Н4+ +234,46Н2S) /(1 + 1,243dппсу).

(13)

Величина qф определяется следующим образом: при подаче в ППСУ нагретого воздуха - qф - N / Qппсу; при подаче в ППСУ ППС - qф - -Ншс/Опсу.

1. Спейшер В.А. Обезвреживание промышленных выбросов дожиганием. - М.: Энергоатомиздат, 1986. -168 с.

2. Янченко Г.А. Физико-

техническое обоснование способов

повышения энергетической эффективности процесса сжигания угольных пластов: Дис. .докт. техн. наук. - М., 1998. - 547 с.

3. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический экспе-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

римент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. АН СССР В.А. Григорьева, В.М. Зорина. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560 с..

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

,_________________________________________________________________________________а

Со

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