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

3. Найдем величину Gвод. При этом учтем, что согласно определению влагосодержания величина dг определяется так:

dг =GвQс.г .

Следовательно:

Gвод = dгQс.г = 0, 20 9200 =1840 кгч .

Пример 23

1. Исходные данные В соответствии с заданным вариантом имеем следующий состав

сухих продуктов газификации (см. пример 21) Vвоб = 208 106 нор.м3 ,

иVсоб.г = 241,5 106 нор.м3 .

2.Решение

1. Найдем приведенный к нормальным физическим условиям общий объем поданного на газификацию сухого воздуха на входе в воздухоподводящую скважину. Согласно [3] имеем:

2. Определим теперь приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объем сухих продуктов газификации, т.е. тот суммарный объем, который был бы при отсутствии потерь воздуха и продуктов газификации из подземного газогенератора в окружающую среду. Согласно [3] это можно сделать следующим образом:

3. Найдем средний за рассматриваемый период полный коэффициент потерь продуктов газификации. Согласно [3] он может быть определен следующим образом:

61

Пример 24

1. Исходные данные В соответствии с заданным вариантом газифицируемый уголь и

сухие продукты газификации имеют следующие состав (см. пример

20). Влагосодержание продуктов газификации dг = 0,364 кг п.в .

нор.м3 с.г

2. Решение

1. Последовательно определим величины: коэффициента избытка воздуха в продуктах газификации; приведенных к нормальным физическим условиям теоретических объемов сухого воздуха Vсо.в , необходимого для полного сгорания 1 кг рабочей массы угля с aв = 1,0 и сухих продуктов газификации с 1 кг рабочей массы угля.

В связи с тем что величины aв, Vсо.в , Vс'.г , для рассматриваемых в этом задании продуктов газификации и газифицируемого угля были уже определены в примере 20, воспользуемся этими результатами. Имеем

aв = 0,5484, Vс.во = 7,63нор.м3с.в/кг угля,

Vс'.г =5, 28нор.м3с.г/кг угля.

2. Найдем теоретический объем паров воды, получаемых при га-

зификации 1 кг рабочей массы угля Vп'.в . Для этого воспользуемся рекомендованной в [3] формулой, предложенной для расчета объема паров воды в продуктах газификации 1 кг рабочей массы угля:

Vп.в'о = 0,111H r +0,01243Wtr +1, 243qвод +1, 243αвdвVс.в −

−0,01Vс.г' (H2 +H2S+2CH4 +2C2H4 ) нор.м3 п.в.. кг угля

Учитывая, что

Vп.в' = Vс.г' dг =1, 243Vс.г' dг ,

ρп

где ρп = 0,8041 кг/нор. м3 – плотность водяного пара при нормальных физических условиях, получаем:

62

qвод = 0,8041[1, 243Vс.г'о dг −0,111H r +0,01243Wtr +1, 243 +1, 243αвdвVс.в −

−0,01Vс.г' (H2 +H2S+2CH4 +2C2H4 )] = 0,8041[1, 243 5, 28 0,364 − − 0,111 4,37 −0,01243 6 −1, 243 0,5484 0,012928 7,63 +

1. Определим массу золы и шлаков Мэ, оставшихся после отработки блока сжигания,

Mэ = 0,01Ar M y = 0,01 16, 2 100000 =16200 т

где Ar − зольность полуантрацита на рабочее состояние, найдена была ранее в примере 1 ( Ar = 16,2%).

2.Найдем удельную теплоемкость золы и шлаков Сз, усредненную

вдиапазоне температур 273,15 …Tг , где Tг − средняя в канале горения температура продуктов сгорания, К.

Для определения Cз воспользуемся температурной зависимостью Cз (T ) , полученной в результате обработки приведенных в [13] экспериментальных данных по величинам Cз в поле температур:

Cз = 0,549 +9,147 10−4 T −7,677 10−7 T 2 + 2,581 10−10 T 3 ,

где [Cз] = кДж/(кг ∙ К); [Т] = К.

Температура остающихся в блоке сжигания золы и шлаков равна средней температуре продуктов сгорания по длине канала горения Tг . Для того чтобы найти точную величину Тг, надо знать зависимость

63

изменения величины Тг по длине канала горения. При отсутствии такой зависимости величина Tг приближенно определяется так:

Tг = 0,5(Tв +Tг ) = 0,5(300 +1200) = 750К.

Подставив Tг = 750К в зависимость Cз = f(T), получаем:

Cз = 0,549 +9,147 10−4 750 −7,677 10−7 7502 +

+2,581 10−10 7503 = 0,912 кДжкг .

3.Определим абсолютные затраты тепловой энергии на нагрев оставшихся в блоке сжигания золы и шлаков

Qз =CзMз (Tг −273,15) = 0,912 16, 2 106 (750 −273,15) =

=7,04 109 кДж.

4.Определим относительные (относительно Qir ) затраты тепловой энергии на нагрев оставшихся в блоке сжигания золы и шлаков qз.от . Величину определим так:

Анализ величины qэ показывает, что на нагрев золы и шлака тратится довольно небольшая часть теплоты сгорания угля. Поэтому в расчетах процессов газификации и сгорания угля в данных условиях, не претендующих на высокую точность, величинами Qз можно пренебрегать.

Пример 26

1. Исходные данные В соответствии с заданным вариантом газифицируемый уголь и

сухие продукты его газификации имеют следующие составы (см. пример 20). Температуры: подаваемого на газификацию воздуха Тв = 335 К, газифицируемого угля Ту = 335 К.

2. Решение

1. Определим величину Qir газифицируемого угля. Воспользуемся формулой ВТИ (см. пример 2). Получаем:

64

Qir =3997 5, 2 +1011 4,37 −127(7,14 −0,31) −24,62 6 = 21067 кДжкг .

2.Найдем приведенный к нормальным физическим условиям тео-

ретический объем воздуха Vв, расходуемый на газификацию 1 кг рабочей массы угля.

Величина Vв для рассматриваемых угля и продуктов газификации была определена в примере 20, поэтому здесь воспользуемся этим результатом. Имеем Vв = 4,25 нор. м3/кг угля.

3.Найдем физическое тепло воздуха, подаваемого для газификации 1 кг рабочей массы угля. Согласно [13] это можно сделать так:

qфв = (Tв −273,15)V Tв ,

где Cв − усредненная в диапазоне температур 273,15 ... Тв объемная теплоемкость воздуха, кДж/(нор. м3 ∙ К).

Для реального атмосферного воздуха величина Cв при Т = 335 К может быть определена следующим образом

4. Найдем физическое тепло 1 кг рабочей массы газифицируемого угля. Согласно [13] это можно сделать так:

qфу = (335 −273,15)Cу ,

где Cу − усредненная в диапазоне температур 273,15 ... Ту удельная теплоемкость угля, кДж/(кг ∙ К).

Согласно [13] при Т = 300 К каменные угли имеют

Cу = 0,96 кДж/(кг ∙ К).

65

Соответственно получаем:

qфу = (335 −273,15) 0,96 =59 кгкДжК .

5. Найдем относительные величины:

Анализ величин qфв .от и qфу.от показывает, что при относительно невысоких температурах вклад в формирование приходной части теплового баланса физического тепла подаваемого на газификацию воздуха и газифицируемого угля довольно незначителен. Поэтому при отсутствии предварительного подогрева воздуха и угля в расчетах процессов газификации и сгорания угля в подземных условиях, не претендующих на высокую точность, величинами можно qфв и qфу пренебречь.

Пример 27

1. Исходные данные В соответствии с заданным вариантом сжигаемым в подземных

условиях углем является донецкий полуантрацит, имеющий следующий состав на сухое безводное состояние и соответствующие показатели его технического анализа (см. пример 1). Полуантрацит имеет

Qir =26920 кДж/кг. 2. Решение

1. Последовательно найдем состав полуантрацита на рабочее состояние и далее приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объем продуктов полного сгорания полуантрацита в воздухе Vго с αв = 1,0 при qвод = 0 и влажность этих продуктов сгора-

ния Wг.

В связи с тем что это уже было сделано ранее в примерах 1 и 8, воспользуемся этими результатами.

Имеем для: qвод = 0, Vго = 7,5 нор. м3/кг угля, Wго = 6,53%.

2. Найдем приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объем продуктов полного сгорания полуантрацита в воз-

66

духе с αв = 1,0 при qвод = 1 кг воды/кг угля Vг и влажность этих продуктов сгорания.

Согласно [3] получаем:

Vг =Vго +1, 24qвод = 7,5 +1, 24 1 =8,743 нор.м3 .

кг угля

Объем паров воды в продуктах полного сгорания полуантрацита при qвод = 1 кг воды/кг угля определим как:

VН2О =VНо2О +1, 243qвод = 0,01WгоVго +1, 243qвод =

= 0,01 6,53 7,5 +1, 243 1 =1,733 нор.м3 .

кг угля

Следовательно:

Wг =100VН2О =100 1,733 =19,82%. Vг 8,743

3. Найдем температурные зависимости Cр.о (T ) рассматриваемых

продуктов сгорания с Wго = 6,53% и с Wг = 19,82%. Учитывая рекомендации [4], получаем:

у продуктов сгорания с Wго = 6,53%

Cр.о (T ) = (1 −0,01Wго ) (1,3114 +1,7973 10−4 T ) +

+0,01Wго (1, 4070 + 2, 4688 10−4 T ) =1,3177 +1,8412 10−4 T;

у продуктов сгорания с Wг = 19,82 %

Cр.о (T ) = (1 −0,01Wг ) (1,3114 +1,7973 10−4 T ) +

+0,01Wг (1, 4070 + 2, 4688 10−4 T ) =1,3304 +1,9309 10−4 T;

где[Cр.о ]=кДж/(нор. м3 ∙ К), [Т] = К.

4. Найдем температуру рассматриваемых продуктов сгорания с Wго = 6,53%. Согласно [13] при qвод = 0 это можно сделать, используя выражение

67

где Сг(Т) – найденные выше температурные зависимости средних изобарных теплоемкостей продуктов сгорания донецкого полуантрацита; [Tгo ] = К

Раскрывая числовые значения исходных величин, получаем:

(Tго )2 +6883,6 Tго −21449054 = 0.

Решая его:

(Tго )1 = 2382,3К;(Tго )2 = −9211,9К.

Тг не может быть меньше 0 К и должна быть, по крайней мере, больше 273,15 К. Учитывая это, выбираем первый корень. Следова-

тельно, при qвод = 0, имеем Тг = 2328,3 К.

5. Найдем температуру рассматриваемых продуктов сгорания с

Wг = 19,82%

При qвод > 0 и неизменных потерях тепловой энергии в окружающую среду исходное выражение для расчета Тг записывается в виде

[13]

Tг = Qir −2462qвод + 273,15.

Vг Cг (T )

Раскрывая числовое значение исходных величин, получаем:

Преобразуя данное уравнение, получаем следующее квадратное уравнение:

Tг2 +6617,1Tг −16369568 = 0.

68

6. Найдем разницу Tго −Tг .

Имеем Tго −Tг = 2328,3 −1927,9 = 410, 4К.

Таким образом, если внешний водоприток не будет сильно сказываться на потере тепловой энергии из продуктов сгорания в окружающую среду, то каждый килограмм воды внешнего водопритока, приходящийся на 1 кг рабочей массы сгораемого полуантрацита, будет понижать температуру его продуктов полного сгорания в воздухе на

410 К.

Пример 28

1. Исходные данные В соответствии с заданным вариантом сжигаемым в подземных

условиях углем является донецкий полуантрацит, имеющий согласно справочным данным следующий состав на сухое беззольное состояние и соответствующие показатели его технического анализа (см. пример 1). Процесс конвективного теплообмена в газоотводящей выработке осуществляется при следующих исходных данных: aв = 2,0; d = 1,0 м; Qв = 9500 нор. м3/ч;

Tгвх = 900 К; Tгвых = 600 К; ε = 2,0.

2.Решение

1. Последовательно найдем состав полуантрацита на рабочее состояние и далее на его основе состав продуктов его полного сгорания

ввоздухе с aв = 2,0 и qвод = 0. В связи с тем, что это было сделано ранее

впримерах 1 и 8, воспользуемся этими результатами. В конечном ито-

ге имеем: NВ2 = 76,63%, COВ2 =9,08%, SOВ2 = 0,07%, OВ2 =10,16%, Wг = 4,06%.

69

2. Последовательно найдем приведенные к нормальным физическим условиям объемный расход подаваемого в блок сжигания сухого воздуха и теоретические объемы получаемых при этом сухих Qс.г и влажных Qг продуктов полного сгорания. Влагосодержание подаваемого в блок сжигания воздуха примем равным нормативному, то есть dв = 0,012928 кг п.в/нор. м3с.в.

Учитывая рекомендации [2, 3], последовательно получаем:

3. Определим среднюю температуру продуктов сгорания в газоотводящей выработке. Учитывая рекомендации [13], получаем:

Tг = 0,5(Tгвх +Tгвых ) = 0,5(900 +600) = 750К.

4. Определим величины Ср.о, νг и λг рассматриваемых продуктов сгорания при Тг = Tг =750 К.

В связи с тем что для рассматриваемых продуктов сгорания величины Ср.о, νг и λг при Тг = 750 К были уже найдены в примерам 15, 16 и 17, воспользуемся этими результатами.

λг =55,70 10−6 кВт .

мК

5.Определим среднюю скорость движения потока продуктов сгорания в газоотводящей выработке. Согласно [13] при Р = 0,1 МПа это можно сделать следующим образом:

70