Физико-химическая геотехнология процессы сжигания и газификация угля в подземных условиях. Сборник задач и заданий для практических занятий и самостоя

№ 3467 М И Н И С Т Е РС Т В О Н АУ К И И В Ы С Ш Е ГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра геотехнологий освоения недр

Н.И. Абрамкин Г.А. Янченко

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

ПРОЦЕССЫ СЖИГАНИЯ И ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ В ПОДЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

Сборник задач и заданий для практических занятий и самостоятельной работы

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2019

3

ВВЕДЕНИЕ

Сборник задач предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки (специальности) «Горное дело» (специализации «Подземная разработка пластовых месторождений» и «Подземная разработка рудных месторождений»), а также для проведения практических занятий по дисциплине «Физико-химическая геотехнология» и использования для тематического и итогового контроля усвоения студентами теоретического материала и умения использовать его для решения соответствующих практических задач. Посвящено процессам сжигания и газификации угля в подземных условиях.

Задачник включает три раздела. В первых двух разделах сформулированы задания для расчетов соответствующих свойств сжигаемого и газифицируемого угля, получаемых при этом продуктов сгорания и газификации, статей материального и теплового балансов этих процессов и их технологических показателей. Часть заданий дана в многовариантной форме, что позволяет их использовать на контрольных работах и в домашних заданиях. В третьем разделе рассмотрены примеры выполнения всех заданий, что, по мнению авторов, улучшит в определенной степени качество усвоения материала и его использования для решения практических задач.

4

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Сdaf ,Hdaf ,Sdafc , Ndaf ,Odaf − содержание соответственно углерода, водорода, горючей серы, азота и кислорода в угле на сухое беззольное состояние, % по массе;

Сr ,Hr ,Scr , Nr ,Or − содержание соответствующих элементов в угле на рабочее состояние, % по массе;

Wtr − общая влага угля (влажность) на рабочее состояние, % по массе;

Ad , Ar − зольность угля соответственно на сухое состояние и рабочее состояние, % по массе;

K пер − коэффициент пересчета показателей угля с одного состояние на другое;

V daf − выход летучих на сухое беззольное состояние угля, % по массе;

Qidaf ,Qid ,Qir − низшая теплота сгорания топлива на соответственно сухое беззольное, сухое состояние и рабочее состояние, Дж/нор. м3 (кДж/нор. м3, МДж/нор. м3) у газообразного топлива и Дж/кг (кДж/кг, МДж/кг) у жидкого и твердого топлив;

Qsdaf ,Qsd ,Qsr − высшая теплота сгорания топлива на соответствующее состояние, Дж/нор. м3 (кДж/нор. м3, МДж/нор. м3) у газообразного топлива и Дж/кг (кДж/кг, МДж/кг) у жидкого и твердого топлив; нор. м3 − нормальный метр кубический, единица измерения объ-

ЭК − тепловой калорийный эквивалент;

Vс.во ,Vво − приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объем соответственно сухого и влажного воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг (1 нор. м3) рабочей массы (объема) топлива с aв = 1,0, нор. м3/кг топлива или нор. м3/ нор. м3 топлива; aв − коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания или гази-

фикации;

dв , dг − влагосодержание соответственно воздуха и газа (продукты сгорания или газификации угля), кг п.в/нор. м3 с.в или кг п.в/нор. м3 с.г., где п.в – пары воды, с.в – сухой воздух, с.г – сухой газ;

5

Wг − влажность газа (продукты сгорания или газификации), % по объему;

a, x, ∆,b − обобщенные статистические коэффициенты, установленные для природных углей Я.Л. Пеккером;

ρг − плотность газа (продукты сгорания или газификации) при соответствующих физических условиях, кг/нор. м3 или кг/м3;

N2,CO2,O2,SO2,CH4,CmHn,C2H4,H2S − содержание соответ-

ственно азота, диоксида углерода, кислорода, диоксида серы, метана, непредельных углеродов, этилена, сероводорода в сухой газовой смеси, % по объему;

Vс.го ,Vго ,Vс.г ,Vг − приведенные к нормальным физическим условиям теоретический объем, соответственно, сухих и влажных продуктов полного сгорания 1 кг рабочей массы угля в воздухе, соответственно,

с α = 1,0 и α > 1,0, нор. м3 /кг угля;

VNo2 ,VCOo 2 ,VSOo 2 ,VOo2 ,VHo2O − приведенные к нормальным физическим условиям объемы соответственно азота, диоксидов углерода и серы,

кислорода и паров воды, получаемые при полном сгорании 1 кг рабочей массы угля в воздухе с α = 1,0, нор. м3 /кг угля;

VN2 ,VCO2 ,VSO2 ,VO2 ,VH2O − приведенные к нормальным физическим условиям объемы соответствующих газов, получаемые при полном

сгорании 1 кг рабочей массы угля в воздухе с α >1,0 нор. м3 /кг угля; υд,i − объемная доля соответствующего i-го газа в продуктах сго-

рания или газификации угля;

ρi − плотность при соответствующих физических условиях i-го газа, входящего в состав продуктов сгорания или газификации угля, кг/нор. м3 или кг/м3;

µг − молярная масса газовой смеси, кг/кмоль; − удельная, Дж/(кг∙К), и универсальная (молярная),

Дж/(моль∙К), газовая постоянная газа или газовой смеси;

µд,i , mд,i − молярная и массовая доля i-го газа в газовой смеси;

CР,об,CР,уд,CР,µ − средняя изобарная объемная, кДж/(нор. м3∙К), удельная, кДж/(кг∙К), и молярная, кДж/(моль∙К), теплоемкость про-

дуктов сгорания или газификации; Т − текущая абсолютная температура, К;

Р − текущее абсолютное давление, Па; νг , ηг − кинематическая, м2/с, и динамическая, Па∙с, вязкость про-

дуктов сгорания или газификации;

6

νi − кинематическая вязкость i-го газа, входящего в состав продуктов сгорания или газификации, м2/с;

υс.г , υп, υс.в − объемные доли в продуктах полного сгорания в воздухе соответственно сухих продуктов полного сгорания углей с α = 1,0, паров воды и избыточного сухого воздуха;

νс.г , νп, νс.в − кинематическая вязкость соответственно сухих продуктов полного сгорания углей в воздухе a = 1,0, паров воды и сухого воздуха, м2/с;

λг − коэффициент теплопроводности продуктов сгорания или газификации угля, кВт/м∙K);

λi , λo,i − коэффициент теплопроводности i-го газа, входящего в состав продуктов сгорания или газификации угля, соответственно при температуре Т > Т0 = 273,15 К и Т = Т0 = 273,15 К, кВт/(м∙К);

λос.г − коэффициент теплопроводности продуктов сгорания или газификации на сухое состояние при Т = Т0 = 273,15 К, кВт/(м∙К);

υсс.г , υсс.в − объемные доли соответственно сухих продуктов полного сгорания углей в воздухе с α = 1,0 и избыточного сухого воздуха в сухих продуктах полного сгорания углей в воздухе с α = 1,0;

Cр.о − истинная изобарная объемная теплоемкость продуктов сгорания или газификации, кДж/(нор. м3∙К);

Pr − критерий Прандтля;

kг , ki − показатель адиабаты продуктов сгорания или газификации и их i-го газового компонента;

Vc.г − приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объем сухих продуктов газификации 1 кг рабочей массы угля, нор. м3/кг угля;

Vв − приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объем воздуха, расходуемый на газификацию 1 кг рабочей массы угля, нор. м3/кг угля;

Qс.в ,Qв ,Qс.г ,Qг − приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объемный расход соответственно сухого и влажного воздуха, сухого и влажного газа (продукты сгорания или газификации), нор. м3/кг угля;

Gвод − массовый расход воды, поступающей в продукты сгорания или газификации, кг/с;

Vвоб ,Vсоб.г − приведенный к нормальным физическим условиям общий объем соответственно поданного на газификацию воздуха и полученных сухих продуктов газификации, нор. м3;

7

Кп − средний за рассматриваемый период времени полный коэффициент потерь продуктов сгорания или газификации;

qвод − удельный внешний водоприток в блок сжигания угля или подземный газогенератор, кг воды/кг угля;

Тв, Тг − температура воздуха и газа (продукты сгорания или газификации), К;

Мз − масса золы и шлаков, кг; Сз − средняя изобарная удельная теплоемкость золы и шлаков,

кДж/(кг∙К); Св – средняя изобарная объемная теплоемкость атмосферного воз-

духа, кДж/ (нор. м3∙К); Су − средняя изобарная удельная теплоемкость угля, кДж/(кг∙К);

wг − средняя скорость движения потока газа (продукты сгорания или газификации) в подземном канале, м/с;

Re − критерий Рейнольдса;

aK , aИ − средний по длине рассматриваемого подземного канала коэффициент теплоотдачи соответственно конвекцией и за счет излучения, кВт/(м2∙К) или Вт/(м2∙К);

Tгвх ,Tгвых ,Tг − температура газа (продукты сгорания или газификации) на входе в рассматриваемый подземный канал, на выходе из него

исредний по длине этого канала, К;

ε− коэффициент шероховатости стенок подземного канала;

aг , aс − степень черноты излучаемого потока высокотемпературного газа и стенок канала, по которому он движется;

Тс − начальная температура стенок подземного канала, К;

м; Sэф − эффективная длина пути луча излучающего газового потока,

Vг , Sс.г − объем, м3, излучающего газового потока и площадь, м2, стенок канала, ограничивающих излучающий газовый поток;

К – коэффициент ослабления лучей средой канала, по которому движется излучающий газовый поток, 1/(м∙МПа);

Кг − коэффициент ослабления лучей от несветящихся газов, 1/(м·МПа);

vΣ – суммарная объемная доля в излучаемом газовом потоке трехатомных газов;

qизл – поверхностная плотность суммарного теплового потока излучения, Вт/м2;

Gу , Gур − теоретическая и реальная массовые скорости сгорания или газификации угля, кг/с;

8

Qвр , Qгр − приведенный к нормальным физическим условиям реальный объемный расход соответственно воздуха и продуктов сгорания или газификации, нор. м3;

Kп. в , Kп. г − средний за рассматриваемый период коэффициент потерь подаваемого в блок сжигания или газогенератор воздуха и получаемых при этом продуктов сгорания или газификации;

lу.к − длина угольного канала, м;

b, h – ширина и высота угольного канала, м;

Vм(P0 , T0 ) − молярный объем идеального газа при нормальных физических условиях, нор. м3/кмоль.

9

1.СОСТАВ И СВОЙСТВА УГЛЕЙ

ИПРОДУКТОВ ИХ СГОРАНИЯ

ИГАЗИФИКАЦИИ

1.1. Состав и свойства углей

Задание 1. Используя справочные данные по элементному составу угля на сухое беззольное состояние и данные его технического анализа по влажности Wtr и зольности Ad, определить состав угля на рабочее состояние, на основе которого определяются показатели процессов сгорания и газификации угля в подземных условиях.

Исходные данные для выполнения задания взять из приложения 1 в соответствии с заданным преподавателем вариантом задания.

Задание 2. Используя справочные данные по элементному составу угля на сухое беззольное состояние и данные его технического анализа по влажности Wtr и зольности Ad, определить низшую теплоту сгорания угля на рабочее состояние. Расчеты сделать по формуле Д.И. Менделеева и бывшего Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ). Обе рассчитанные величины Qir сравнить с экспериментальным значением Qir , приведенным в Приложении 1.

Сделать оценку погрешности расчетов Qir по обеим формулам. Исходные данные для выполнения задания взять из приложения 1

в соответствии с заданным преподавателем вариантом.

Задание 3. Используя данные технического анализа угля по влажности Wtr , зольности Ad и выходу летучих V daf , определить низшую теплоту сгорания на рабочее состояние Qir . Задание выполнить двумя методами:

1)при использовании полинома Qidaf = f (V daf ) 2-й степени;

2)при использовании полинома Qidaf = f (V daf ) 4-й степени. Сделать оценку погрешности определения обоими методами. Исходные данные для выполнения задания взять из Приложения 1

всоответствии с заданным преподавателем вариантом.

Задание 4. Определить, какова будет величина низшей теплоты сгорания угля на рабочее состояние Qir , если в результате изменений условий его разработки величина Ad угля изменилась Х абсолютных

процентов, a Wtr − на Y абсолютных процентов.

Исходные величины Wtr и Ad взять из приложения 1 в соответствии с заданным преподавателем вариантом, величины X и Y взять из

10