Влияние условий сгорания угля в угольном канале на температуру продуктивного газа Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 13

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”

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

© И.М. Закоршменный, Г.А. Янченко, 2001

УДК 622.74

И.М. Закоршменный, Г.А. Янченко

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СГОРАНИЯ УГЛЯ В УГОЛЬНОМ КАНАЛЕ НА ТЕМПЕРАТУРУ

ПРОДУКТИВНОГО ГАЗА

ля выбора способа, технических устройств и параметров процесса дожигания горючих газов в продуктах подземного сжигания угля (III1СУ) и оценки его энергетической эффективности необходимо знать основные закономерности формирования на выходе из горных выработок (ГВ) трех основных параметров потока ППСУ: температуры Тгв, объемного расхода Qг и состава ППСУ.

При известном составе ППСУ расчет температуры в угольном канале (УК) Тук принципиальных затруднений не вызывает [1]. Экспериментами, проведенными как в стендовых, так и натурных условиях [2], установлено, что в среднем соотношение СО : Н2 : СН4 составляет, соответственно, 2 : 1 : 1. При этом содержание горючих газов в сухих ППСУ в среднем равно: СО « 1,5 %, Н2 и 0,75 %, СН4 и 0,75 %. Рассмотрим формирование величины Тук при следующих 4-х вариантах исходного содержания горючих газов в сухих ППСУ: 1-й - СО = Н2 = СН4 = 0 %; 2-й - СО = 1 %, Н2 = СН4 = 0,5 %; 3-й - СО = 2 %, Н2 = СН4 = 1 %; 4-й -СО = 3 %, Н2 = СН4 = 1,5 %.

Величина Тгв, как известно [1], напрямую зависит от величины Тук, потерь физического тепла потоком ППСУ в процессе движения по ГВ и величины внешнего водопритока, а Qг - от объемного расхода подаваемого в УК воздуха Ов, герметичности УК и ГВ и величины внешнего водопритока в них. При расположении сжигаемых угольных запасов в не нарушенных предыдущими горными работами породах и подаче воздуха в УК во всасывающем, нагнетательно-всасывающем и нагнетательном режимах, когда давление разрежения или избыточное давление в УК и ГВ незначительно отличается от атмосферного, влиянием утечек воздуха и ППСУ или подсосов воздуха на величину Ог можно пренебречь [2].

Анализ влияния химической неполноты сгорания угля в УК на величину Тук выполним на примере сжигания угольных запасов горного отвода бывшей Южно-Абинс-кой станции «Подземгаз». Средняя мощность пласта равна т и 2,2 м. Породы кровли и почвы представлены песчаниками и алевролитами. В связи с отсутствием точных данных о теплофизических свойствах этих пород, при расчетах Тук воспользуемся усредненными данными по этим свойствам у пород данного типа, приведенными в [3]. Согласно им песчаники и алевролиты каменноугольных месторождений при Т = 20 оС имеют довольно близкие значения теплофизических свойств, что дает возможность при расчетах воспользоваться средними арифметическими значениями этих свойств: коэффициент теплопроводности окружающих пород X и 1,7 Вт/(мК); коэффициент температуропроводности ап и 1 ■ 10-6 м2/с; удельная теплоемкость Сп и 900 Дж/(кгК).

Состав углей и данные их технического анализа принятые в расчетах: Сг и 68,9 %; Нг и 4,6 %; SC и 0,5; Ог и 8,4 %; Nг и 1,3 %; Аг и 10,3 %; Г/ и 6 %; Qi и 26860 кДж/кг, где Сг, Нг, Sгc , Ог, Nг - содержание углерода, водорода, горючей серы, кислорода и азота в рабочей массе угля, %; Аг, W^ - зольность и влажность рабочей массы угля, %; Qгi - низшая теплота сгорания рабочей массы угля, кДж/кг.

При выборе величин Ов учтем, что стандартные серийно выпускаемые комплексы теплоэнергетического оборудования для местных котельных обеспечивают выходную тепловую мощность в диапазоне 1.. .3 Гкал/час (1160.3500 кВт). Результаты натурных испытаний процесса ПСУ [4] и экспериментов по извлечению из ППСУ полезной энергии [2] показывают, что общий КПД з0 извлечения полезной энергии из сжигаемого под землей угля изменяется в довольно широких пределах ^ = 0,4...0,7. Это предопределяет исследование формирования Тук в довольно широком диапазоне изменения выделяемой в УК энергетической мощности: = 1165.8750 кВт. Такой диапа-

зон изменения N3^ обеспечивает следующие массовые скорости сгорания угля в УК: Gy = 0,062.0,326 кг/с.

ИСХОДНОГО СО,

Критическая величина удельного внешнего водопритока gв оценивается как gв = 2.3 кг воды/кг угля (далее размерность gв в основном будет опущена). Поэтому процесс формирования Тук исследуем для трех случаев для случая полного сгорания угля в УК и внешнего удельного водопритока: gв = 0; 1,0 и 3,0 кг/кг. При появлении в ППСУ горючих газов величина gв будет уменьшена в соответствии с произошедшим увеличением массовой скорости сгорания угля [1].

В процессе исследований условно примем, что весь внешний водоприток приходится в УК. Как отмечено в [5], это наиболее характерно для реального процесса ПСУ даже при транспортировании ППСУ по горным выработкам. Водопроницаемость обрушаемых после выгорания угля пород кровли на несколько порядков выше водопроницаемости пород, окружающих ГВ. Это приводит к перераспределению внешнего водоприто-ка в основном в УК.

Для оценки границ диапазона изменения объемного расхода воздуха Qв при полном сгорании угля в УК воспользуемся известным [1] соотношением Qв =

Таблица 1 Таблица 2

СОСТАВЫ СУХИХ ППСУ, ВЕЛИЧИНЫ Уст И Б ПРИ РАССМАТРИВАЕМЫХ ВАРИАНТАХ

Я ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

1,016Шеу° , где у°

приведенный к нормальным

физическим условиям (далее все объемные характеристики воздуха и ППСУ будут приведены к нормальным физическим условиям) теоретический объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг рабочей массы угля, нм3/кг угля. При наличии данных об элементном составе сжигаемого угля у0в рассчитывается по

нормативной формуле [6]: у^в = 7,1 нм3/кг угля. Соответственно диапазон изменения Qв будет: Qв = 0,45 .2,35

нм3/с.

Результаты расчетов составов сухих ППСУ при образовании горючих газов по 2-й рассмотренной в [1] схеме, объемов сухих ППСУ ^.г, получаемых при сгорании 1 кг рабочей массы угля, и коэффициентов избытка воздуха а при разных вариантах исходного содержания горючих газов приведены в табл. 1.

Анализ полученных данных показывает, что появление горючих газов, оказывая относительно сильное влияние на величины ^.г и а, довольно слабо сказывается на содержании в сухих ППСУ основных газовых компонентов - N2 и СО2. Содержание первого уменьшается максимум на 5,15 %, а второго - на 0,45 %. Это позволяет при последующих расчетах теплофизических свойств ППСУ воспользоваться их средним составом на сухое состояние: N = =78,6 %; СО2 = 18,48 %; SО2 = 0,05 %; СО = =1,42 %; Н2 =

0,71 %; СН4 = 0,71 %, учитывая при переходе к влаж-

ным ППСУ изменение только их влажности Wг. Последнюю определим следующим образом:

Жг =

100Уп. V + V

, (1)

е.г ' " п.в

где V™ - объем паров воды, образующихся при сгорании 1 кг рабочей массы угля, норм. м3/кг угля; ^г] = %.

Величину V™ определим в соответствии с рекомендациями [6]:

),01243Г/ + 1,243яв +

Упв = 0,111Я

(2)

+ 0,0161а Усв - 0,01Усг,

Дя 2 + 2СН 4 )

Характер изменения Wг и Vг = ^.г + ^.в в пределах рассматриваемых gв = 0.2 и вариантах исходного содержания горючих газов приведен на рис. 1.

Анализ полученных данных показывает, что основную роль в формировании Wг играет удельный внешний водоприток. Появление в ППСУ горючих газов незначительно сказывается на величине Wг.

Результаты расчетов Gу и ^к, выполненных в соответствии с рекомендациями [6] для рассматриваемого диапазона изменения Qв =

=0,45.2,35 нм3/с, представлены на рис. 2.

Анализ этих данных показывает, что относительный прирост N3^ при каждом последующем варианте исходного содержания горючих газов остается постоянным при всех Qв. Так при 2-м варианте содержание горючих газов N3^ увели-чивается на 9.10 %, 3-м -

18.20 % и 4-м -

26.27%. Однако абсолютный прирост N3^ зависит от величины Qв. Зависимость в первом приближении прямо пропорциональная. Так при 4-м варианте содержания горючих газов абсолютный прирост N3^ при Qв = 0,45 нор. м3/с составляет порядка 350 кВт, а при Qв = 2,35 нм3/с - 2300 кВт.

Результаты расчетов объемных расходов влажных ППСУ, Qг = GуVг, показывают, что появление горючих газов не сказывается на величинах Qг и ^ В качестве примера ниже приведены результаты расчетов Qг

ВаРианты исхо|нв@рМнть деРжания горю^ижїнМРго, исходного !ючлу газов содер- I 31 4 2

% % ,2 £ гг. кг вод ы/кг^ут^ля 79,44 0 77,71 ?76, 100 1

% % ,2 О2 С Qг■ нм3/с 18,70 ВД 0 47 180<5 5 0# 25 47 0,55 _С

% % ,2 О2 СО 0,05 0,05 0,05 0,( 55=

|| СО, % 0 0,98 1,90 2,80

% % ,2 к 0 0,49 0,96 1,40

% % К С 0 0,49 0,96 1,40

^.г, нор. м3/кг угля 6,9 6,4 6,0 5,7

а 1,000 0,913 0,844 0,790

при Qв = 0,45 нм3/с и рассматриваемых величинах gв и вариантах содержания горючих газов, табл. 2.

Взаимосвязь между Qг, Qв и gв в графической форме представлена на рис. 3. Практически полное отсутствие влияния горючих газов на величину Qг влажных ППСУ, а также относительно слабое влияние на содержание в них основных газовых компонентов (Ы2 и СО2) позволяет при оценке параметров конвективного и лучистого теплообменов между породными стенками УК и ГВ и потоком ППСУ рассматривать последние как влажные продукты полного сгорания угля в воздухе.

Согласно [1], величина Тук может быть определена из уравнения теплового баланса процесса ПСУ в УК. При отсутствии предварительного подогрева подаваемого в УК воздуха и сжигаемого угля уравнение для расчета Тук имеет следующий вид:

т — Qi ~ Уз ~ Чв ~ Чг.г ~ Чпот , т

ТуК = усЛт„..тш) +Т0,

(3)

где Т0 - температура, определяющая нормальные физические условия, Т0 = 273,15оК; qз - удельные, т.е. отнесенные к 1 кг рабочей массы угля, затраты тепла на нагрев золы и шлаков, кДж/кг угля; qв - удельные затраты тепла на нагрев и испарение воды внешнего водопритока, кДж/кг угля; qг.г -удельное количество тепла, находящееся в продуктах сгорания 1 кг рабочей массы угля в виде теплоты

сгорания горючих газов, кДж/кг угля; qпот - удельное количество тепла, теряемого потоком ППСУ в окружающие УК породы вследствие конвективного и лучистого теплообменов, кДж/кг угля; Сг(Т0.Тук) - объемная изобарная теплоемкость ППСУ, усредненная в диапазоне температур от Т0 до Тук, кДж/(нор. м3 К).Уравнение (3) в явном виде не решается, т.к. ряд показателей, входящих в его правую часть, Ст(Т0.ТУк); qз; qпот

Рис. 1. Зависимость объемов ППСУ (б) и влажности (а) от удельного во-допритока: 1-4 - номера вариантов исходного содержания горючих газов

являются функциями температуры, причем довольно сложного вида. Поэтому для решения этого уравнения воспользуемся методом последовательных приближений, подробно рассмотренным в [1]. При расчетах всех исходных величин, необходимых для решения (3), также воспользуемся рекомендациями этой работы.

Результаты расчетов Тук представлены на рис. 4. Их анализ показывает следующее. Повышение содержания горючих газов в ППСУ приводит к снижению величины Тук, однако довольно незначительному (при 4-м варианте исходного содержания горючих газов и gE = const и Qe = const не более чем на 5.10 %). Это обусловлено тем, что повышение содержания горючих газов в ППСУ не только уменьшает запас физического тепла в V-, но и уменьшает величину этого объема. Эти два процесса с небольшой разницей в скорости уменьшают числитель и знаменатель (3), обеспечивая довольно слабое снижение Тук. Следовательно, если

Рис. 24 .ЗЗварактертызмшсевий скоро-«ературиания уиляоДа) ив звеЛIfflеI'№-каошлшщности (б) от объемного расхода воздуха

Рис. 3. Зависимость объемного расхода газа от объемного расхода воздуха________________________________

суммарное содержание горючих газов в сухих ППСУ не будет превышать 6 %, а это автоматически будет

обеспечиваться при 1у

1г, где 1г -

длина зоны горения в УК, то для ориентировочных расчетов Тук можно рассматривать ППСУ как продукты полного сгорания угля в воздухе.

Сильное влияние на величину Тук оказывает подземный водоприток. Каждый килограмм попадающей в УК воды уменьшает Тук примерно на

15.20 %, при этом характер влияния этого водопри-тока на величину Тук не зависит от содержания в ППСУ горючих газов.

В рассмотренном диапазоне изменения Qв =

0,45.2,33 нм3/с величина Qв слабо влияет на величину Тук. Минимальные величины Тук, имеющие место при Qв = 0,45 нм3/с, отличаются от максимальных величин Тук, имеющих место при Qв = 2,33 нм3/с, не более, чем на 5.7 %. При этом характер влияния Qв на Тук одинаков при всех рассмотренных gв и вариантах исходного содержания в ППСУ горючих газов.

Выводы

1. При наличии внешнего водопритока в УК химическая неполнота сгорания угля практически не сказывается на величине приведенного к нормальным физическим условиям объемного расхода влажных ППСУ.___________

2. Относительное увеличение мощности УК по выделяемой в нем энергии при повышении содержания в ППСУ горючих газов является величиной постоянной при всех объемных расходах подаваемого в УК воздуха.

3. Слабое влияние химической неполноты сгорания угля в УК на влажность ППСУ и содержание в них азота и диоксида углерода позволяет при расчетах теплофизических свойств ППСУ и параметров конвективного и лучистого теплооб-менов ППСУ как влажные продукты полного сгорания угля в воздухе.

4. Химическая неполнота сгорания угля и внешний водоприток в УК приводят к снижению темпера-

туры ППСУ на выходе из УК Тук. Основное (до 95 %) влияние на изменение величины Тук оказывает внешний водоприток. Влияние химической неполноты сгорания при суммарном содержании горючих газов в сухих ППСУ не более 6 %, значительно слабее, что позволяет в этом случае при расчетах Тук, не требующих большой точности, рассматривать реальные ППСУ как влажные продукты полного сгорания угля в воздухе.

5. Увеличение времени эксплуатации газоотводящих выработок, объемного расхода подаваемого в

УК воздуха и удельного водопритока, содержания в ППСУ горючих газов и уменьшение диаметра и длины газоотводящих выработок способствуют уменьшению удельных, т.е. отнесенных к 1 кг рабочей массы угля, потерь физического тепла потоком ППСУ в газоотводящих выработках, при этом влияние химической неполноты сгорания угля на величину температуры ППСУ на выходе из газоотводящей выработки снижается при уменьшении времени эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Янченко Г.А. Физикотехническое обоснование способов повышения энергетической эффективности процесса сжигания угольных пластов. : Дисс. ... докт. техн. наук. - М.: МГГУ, 1998. - 547 с.

2. Селиванов Г.И. Обоснование и разработка технологии подземного сжигания угля для получения тепловой энергии. : Дисс. ... докт. техн. наук. - М.: МГИ, 1990. - 536 с.

3. Фрянов В.Н., Чижик Ю.И. Математическая модель распределе-

ния температуры в горном массиве // Изв. вузов. Горный журнал. - 1994. -№ 8. - с. 17-19.

4. Закоршменный И.М., Янченко Г.А. Анализ и пути повышения эффективности извлечения тепловой энергии // ГИАБ. - 1997. - № 8. - с. 813.

5. Типовые решения для составления проекта подземного сжигания оставленных в недрах запасов угля с получением тепловой энергии для бытовых и производственных нужд /

Ржевский В.В., Бурчаков А.С., Дмитриев А.П., Селиванов Г.И., Янченко Г.А., Закоршменный И.М. и др. - М.: Корпорация «Уголь России». - МГИ, 1991. - 269 с.

6. Теплотехнический справочник / Под ред. Юренева В.Н. и Лебедева П.Д. - М.: Энергия, 1975 и 1976. - Т. 1 и Т. 2 - 744 с. и 896 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

________________а

Закоршменный Иосиф Михайлович — доцент, кандидат технических наук, кафедра «Подземная разработка пластовых месторождений», Московский государственный горный университет.

Янченко Геннадий Алексеевич - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.