CC BY
40
ЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ :
■
В
ыполненные в [1] теоретические и экспериментальные исследования процесса подземного сжигания угольных пластов(далее ПСУ) позволили не только выявить и количественно оценить основные факторы, резко снижающие энергетическую эффективность этого процесса, но и сформулировать ряд рекомендаций и технических предложений для снижения отрицательного влияния этих факторов.
В первую очередь, уже на начальной стадии проектирования участка ПСУ, необходимо чётко представлять какие виды полезной энергии (подогретый воздух, горячая вода, перегретый пар, электрическая энергия) и в каких количествах они требуются соответствующим потребителям. От этого зависит не только конструкция теплоэнергетического оборудования для преобразования энергии (физическое и химическое тепло, теплота конденсации паров воды) продуктов подземного сжигания угля (далее ППСУ) в соответствующие виды полезной энергии, но и технологическая схема и конструктивные особенности участка ПСУ. Соответственно, параметры потока ППСУ на выходе из газоотводящей выработки или скважины (далее ГВ), объёмный расход Qгв и температура Тгв, должны быть максимально приближены к номинальным у выбранного оборудования.
Как известно, эффективность преобразования тепловой энергии
любого теплоносителя в соответствующие виды полезной энергии во многом определяется температурой последнего. Чем она выше, тем легче и с большей эффективностью осуществляется это преобразование. К этому надо стремиться и при ПСУ, причём, учитывая особенности этого процесса, желательно обеспечивать это непосредственно перед преобразованием физического тепла ППСУ в полезные виды энергии. Излишне говорить, что наиболее простой конструктивная схема комплекса теплоэнергетического оборудования будет тогда, когда энергия потока ППСУ на выходе из ГВ будет представлена исключительно этим теплом. Однако, вне зависимости от того, какими видами энергии и в каком соотношении она будет представлена в ППСУ, необходимо добиваться при ПСУ минимальных потерь энергии в окружающую среду (вмещаю-щие породы) и, соответственно, минимальной энергоёмкости этого процесса. При этом надо иметь в виду, что потери энергии в окружающую среду происходят не только в результате теплообмена между ППСУ и стенками УК и ГВ, но и в результате утечек в окружающую среду (вмещающие породы) ППСУ и воздуха при нагнетании последнего в УК. При использовании всасывающего режима подачи воздуха в УК возникают его подсосы. Они, в принципе, не снижают запаса энергии в ППСУ, однако уменьшают их температуру, что приводит к снижению потенциала тепловой энергии, и повышению энергоёмкости процесса
ПСУ, особенно если происходят в ГВ.
Максимальный количество энергии на выходе из УК имеет место, когда длина зоны горения в нём 1г становится равной длине УК 1ук. В этом случае ППСУ на выходе из УК имеют максимальную температуру Тук и минимальное содержание продуктов неполного сгорания и газификации угля и свободного кислорода, появление которых обусловлено тем, что условия сгорания угля в условиях УК очень далеки от идеальных. Величина 1г, при превышении ей некоторой минимальной величины !г,тт, довольно жёстко связана с тепловой мощностью потока ППСУ на выходе из УК №т,ук (при диффузионном режиме горения угля ^г,ук ~ /г6,25). Выполненные расчёты показывают, что при ПСУ марок СС и Б2 с мощностью угольных пластов т = 1,0 м и удельным внешним водопритоком двод = 0 ^-,ук при /г ~ 20 м довольно мала и не превышает 1000...2000 кВт, получение ^-,ук = 5000 кВт обеспечивается /г ~ 28...31 м, а ^,ук = 10000 кВт - /г « 33...37 м. Эти данные однозначно указывают на более высокую энергетическую эффективность процесса ПСУ у блоков сжигания, в которых необходимая тепловая мощность на выходе из ГВ №т,гв обеспечивается минимальным количеством работающих УК, в идеале одним. Наличие параллельно работающих УК оправдано только соображениями обеспечения соответствующей надёжности процесса ПСУ. Величина /г,тт, определяется горно-геологическими условиями залегания сжигаемых угольных пластов (запасов) и режимом горения угля в УК. При смене диффузионного режима горения угля на переходный происходит кратное увеличение /г,тт.
Величина /г определяется объёмным расходом подаваемого в УК воздуха Qв, и величинами т и двод. Возможность управления величиной /г изменением режимов подачи воздуха и величины Qв очень ограничена, т. к. величина /г в основном, на 80...90 %, определяется величинами т и двод. Вид зависимости /г = ^т) в первом приближении прямо пропорцио-
нален. Если же двод превысит некоторую критическую для данных горно-геологичес-ких условий величину двод,кр, то в УК происходит смена режимов горения угля, что может более чем на порядок увеличивает /г. В результате в ППСУ появляется довольно большое количество свободного О2 и, соответственно, снижается Тук.
Наличие в УК /г,тт указывает на то, что при ПСУ имеет место некоторая минимальная величина Qв, Qв,min, которая обеспечивает в УК соотношение /г = /г,тт. Следовательно только при Qв > Qв,min, появляется возможность эффективного управления величиной №-,ук. При Qв < Qв,min энергетическая эффективность процесса ПСУ будет, даже без учёта потерь тепла при движении потока ППСУ в ГВ, либо чрезвычайно низкой, либо вообще отрицательной.
Появление Qв,min обусловлено следующим. При Qв < Qв,min скорость движения газовоздушного потока в УК довольно мала, что соответственно сказывается на величине коэффициента турбулентной диффузии О2 к горящим угольным стенкам. В результате имеет место довольно низкая скорость сгорания угля. Только при Qв > Qв,min коэффициент турбулентной диффузии становится достаточным для обеспечения такой скорости сгорания угля, при которой процесс ПСУ становится энергетически выгодным. Величина Qв,min напрямую связана с т, в первом приближении пропорциональной зависимостью. Наличие такой взаимосвязи обусловлено тем, что площадь поперечного сечения УК Sук жёстко связана с т ^ук ~ т2). Увеличение т и потерь тепла в ГВ приводят к росту Qв,min.
Таким образом, существовавшее ранее мнение о возможности эффективного получения при ПСУ довольно малых энергетических мощностей для снабжения отдельных мелких потребителей, является ошибочным. Это необходимо иметь в виду и уже на стадии проектирования процесса оценивать величину Qв,min. Реализация процесса ПСУ при Qв > Qв,min может привести, при наличии только мелких потребителей энергии, к появлению её избыточ-
ного количества. Поэтому в теплоэнергетическом комплексе должно быть предусмотрено оборудование для преобразования этой избыточной энергии в другие её виды (в идеале в электрическую), легко передаваемые на значительные расстояния.
Применение одноканальных блоков сжигания позволяет даже при относительно небольших размерах, в плане, сжигаемых угольных запасов и транспортировании потока ППСУ по шахтным горным выработкам, имеющим, как правило, большие сечения, получать необходимую величину ^,гв. Установлено, что использование для транспортировки ППСУ таких выработок в определённой оправдано только при их относительно небольшой длине и больших массовых скоростях сгорания угля Gу (не менее 1 кг/с) и сроках эксплуатации ГВ (не менее 1 года). При т = 1...2 м получение таких Gу возможно в УК длиной всего несколько в десятков метров.
Объективной реальностью процесса ПСУ является наличие в ППСУ горючих газов даже при /г > /ук. Эксперименты, проведённые как в стендовых, так и натурных условиях показывают, что даже при наличии в ППСУ свободного
О2 теплота сгорания горючих газов в ППСУ может достигать 20...30 % от теплоты сгорания угля. Поэтому одним из способов повышения энергетической эффективности процесса ПСУ является дожигание этих газов. Перевод их химического тепла (теплоты сгорания) в физическое тепло ППСУ позволяет не только повысить выход полезной энергии из этих продуктов, но и уменьшить их отрицательное влияние на окружающую среду. Процесс дожигания горючих газов в ППСУ позволяет с максимальной эффективностью обеспечить реализацию процесса ПСУ при наличии сезонных колебаний потребления производимой энергии. В этом случае величина /ук в блоке сжигания должна обеспечивать получение необходимой максимальной величины ^,гв. При снижении потребления энергии необходимо уменьшать величину Qв. Это, соответственно, приведёт к возник-
новению соотношения /г < /ук. В результате в ППСУ появится дополнительное количество горючих газов, т. к. на участке УК Д/ук = /ук - /г возникнут реакции газификации. При дожигании горючих газов в ППСУ для получения необходимой величины ^,гв. будет достаточно уже меньшей величины Qв.
При оборудовании теплоэнергетического комплекса устройством для дожигания горючих газов, их появление в ППСУ можно уже не рассматривать как фактор, оказывающий сильное отрицательное влияние на энергетическую эффективность процесса ПСУ. Даже более того, горючие газы, переводя часть теплоты сгорания углей в химическое тепло ППСУ, уменьшают их температуру и, следовательно, потери тепла в окружающую среду. В итоге, при реализации процесса дожигания горючих газов непосредственно в теплоэнергетическом комплексе, будет иметь место более высокая энергетическая эффективность процесса ПСУ. Поэтому, если позволяют размеры в плане сжигаемых угольных запасов, вызывает определённый интерес реализация процесса ПСУ в УК, /ук которых будет несколько превышать, например до 2-х раз, /г. Это позволит примерно на 10...15 % повысить выходную энергетическую мощность потока ППСУ на выходе из УК. Она, правда, будет значительно меньше таковой, если в этом УК реализовать соотношение /г = /ук. Однако, при отсутствии потребителей на образующиеся в этом случае излишки энергии, реализация процесса ПСУ в УК с /г = (1,1 ...2,0) /ук не лишена смысла. Ориентировочные прикидки показывают, что в этом случае должно иметь место увеличение КПД извлечения энергии из сжигаемого угля на 10...15 %.
Одним из важнейших способов повышения энергетической эффективности процесса ПСУ является ликвидация водопритока в УК и ГВ. В первую очередь это необходимо обеспечить для УК. Водо-приток в него приводит не только к переводу части высокопотенциального физического тепла ППСУ в низкопотенциальную теплоту конденсации паров воды, что от-
рицательно сказывается на эффективности преобразования находящейся в ППСУ энергии в необходимые для потребителей виды, но и значительно ухудшает условия горения угля в УК, приводя даже к смене наиболее эффективного диффузионного режима его горения на менее эффективные переходный и даже кинетический. Увеличение Qв позволяет в определённой степени снизить отрицательное влияние водопритока в УК, правда, как показывают исследования, далеко не в полной мере. В этом случае, даже при сохранении в УК диффузионного режима горения угля, имеет место уменьшение Тук и КПД извлечения энергии из сжигаемого угля в виде физического тепла. При этом увеличивается КПД извлечения энергии в виде суммы физического тепла и теплоты конденсации паров воды.
Эффективное извлечение из ППСУ теплоты конденсации находящихся в них паров воды принципиальных затруднений не вызывает. В настоящее время для этих целей создан целый ряд эффективных теплообменников, например, контактного типа. Однако в этом случае приходится рассчитывать только на получение полезной низкопотенциальной энергии в виде подогретого воздуха или горячей воды. Кроме того, если сжигаемый уголь содержит горючую серу, то необходимо решать проблему сероочистки либо самих ППСУ, либо получаемого конденсата.
Если с вопросом полной ликвидации водопритока в УК всё ясно, то для ГВ дело обстоит несколько сложнее. Здесь большую роль играют запросы потребителей по видам необходимой им энергии. Если им необходима электрическая энергия, то водо-приток в ГВ необходимо свести к минимуму. Это, несмотря на возникающее при этом увеличение потерь тепла в окружающую среду, позволит в случае согласования величины Gу с геометрическими размерами ГВ получать Тгв достаточные для эффективного получения электрической энергии с помощью современного серийно выпускаемого теплоэнергетическо-
го оборудования. Если же потребителям нужна будет только низкопотенциальная энергия в виде, например, горячей воды, то полная ликвидация водопритока в ГВ навряд ли целесообразна. Современные контактные теплообменники позволяют довольно эффективно извлекать тепловую энергию из низкопотенциальных теплоносителей, температуры которых ненамного превышают температуру конденсации паров воды. Поэтому в определённых случаях, особенно при больших размерах ГВ, может оказаться энергетически более выгодным не только не снижать водоприток в ГВ, а даже дополнительно подавать воду в поток ППСУ на входе в ГВ, снижая температуру ППСУ до необходимой величины. Это приведёт к снижению, иногда довольно значительному, потерь тепла в окружающие ГВ породы. При этом одновременно улучшаться температурные условия эксплуатации ГВ.
Повысить энергетическую эффективность процесса ПСУ можно также использованием в качестве окислителя вместо воздуха низкоконцентрированных метано-
воздушных смесей (далее МВС). Последние могут быть как каптируемые, так и искусственные, получаемые, например, в результате смешивания природного горючего газа с воздухом. Установлено, что если при замене подаваемого в УК воздуха на МВС сохранить объёмный расход кислорода на прежнем уровне ( в этом случае величина ^-,ук практически не изменится), то произойдёт уменьшение величины
1г в УК примерно на 4,5 % на каждый процент концентрации СН4 в МВС. Это позволяет увеличить объёмный расход подаваемой в УК МВС, примерно в 1,5...2,0 раза при концентрации СН4 в МВС на уровне порядка 3 % (нижний разрешённый предел концентрации СН4 в МВС, применяющихся в теплоэнергетике), а следовательно и Gу. Происходящее в этом случае увеличение ^-,ук автоматически приводит к снижению отрицательного воздействия внешнего водо-притока на эффективность процесса ПСУ.
В настоящее время предложен ряд технических решений, позволяющих повысить энергетическую эффективность процесса ПСУ за счёт снижения потерь тепла в окружающую среду, которые, как показывают результаты исследований, в определённых условиях могут достигать 30...40 % от теплоты сгорания углей. Для отработки крутопадающих угольных пластов предложена конструкция блока сжигания, в которой предусмотрено извлечение тепловой энергии из пород, окружающих сжигаемые угольные запасы (патент РФ 1635634). Предложена конструкция блока сжигания для отработки угольных пластов с повышенным содержанием горючей серы при наличии в породах кровли про-пластков угля и карбонатных пород (а. с. СССР 1829503), позволяющая не только получать дополнительное количество энергии за счёт сжигания пропласт-ков угля в породах кровли, но и обеспечивать очистку ППСУ от окислов серы при их взаимодействии с карбонатными включениями.
Для снижения потерь тепла в окружающие ГВ породы необходимо, по возможности, максимально уменьшать геометрические размеры этих выработок. Уменьшение диаметра ГВ, соответственно, приведёт к росту сопротивления аэродинамической сети блока сжигания. В определённых случаях применение всасывающего режима подачи воздуха в УК может стать нерациональным. В этом случае необходим переход либо на нагнетательный режим подачи воздуха, либо, если это невозможно по каким то причинам, на нагнетательно-всасывающий (патент РФ 1760787).
Если участки ПСУ предусматривают последовательную отработку ряда блоков сжигания, то при разработке технологических схем этих участков необходимо, по возможности, предусматривать использование ГВ ранее отработанного блока в качестве воздухоподающей выработки следующего отрабатываемого блока или использовать одну и ту же ГВ для нескольких последовательно от-
рабатываемых блоков сжигания. При довольно больших сроках эксплуатации ГВ принципиально возможна и теплоизоляция её стенок, что помимо уменьшения потерь тепла приведёт к снижению внешнего водопритока в ГВ.
Энергетическая эффективность рассмотренных выше несомненна. Однако, их реализация в тех или иных условиях будет целиком определяться экономическими соображениями. В целом же, при чётком согласовании режимных и конструктивных пара-
метров реализации процесса ПСУ, принципиально возможно получение КПД извлечения энергии на уровне 70...85 % при Тгв, обеспечивающей эффективное преобразование извлечённой энергии в любые необходимые потребителям виды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Янченко Г.А. Физико-техническое обоснование способов повышения энергетической эффективности процесса сжигания угольных пластов: Дис. ... д-ра техн. наук. - М., 1998. - 547 с.
Янченко Геннадий Алексеевич - доцент, доктор технических наук, кафедра «Физика горных пород и процессов», Московский государственный горный универси-
