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

где Qг (750) – объемный расход продуктов сгорания, отнесенный к

Тг = 750 К.

6. Определим критерии Рейнольдса Re и Прандтля Pr при движении потока продуктов сгорания в газоотводящей выработке. Имеем:

7. Найдем величину αk .

Согласно [13] это можно сделать по следующей формуле:

αk = 0,022λг d −1 Re0,3 Pr0,4 ε=

=0,022 55,7 10−6 1−1 1283030,3 0,71230,4 2 =

= 26,10 10−3 кВт .

м2 К

Пример 29

1.Исходные данные (см. пример 28)

2.Решение

Согласно стандартной методике расчета αu в топках котлов и других теплотехнических установках осуществляется по формуле

где ac и аг − степень черноты излучающего потока газа и стенок канала, по которому он движется; Tc − начальная температура стенок канала, в задании принять Tc = 280 K; n − опытный коэффициент: для запыленного газового потока n = 4 для чистого газового потока n = 3.6

Согласно [13] для стенок подземных каналов, по которым движутся продукты сгорания и газификации, можно принять ас = 0,9.

1. Определим величину Tг

Величина Tг была определена в примере 28. Имеем Tг = 750 К.

71

2. Определим величину аг Для продуктов сгорания твердых топлив:

aг =1 −exp(−KPSэф ),

где Sкаэф, м−;эффективная длина пути луча излучающего газового пото-

Р − абсолютное давление излучающего газового потока, МПа;

K − коэффициент ослабления, лучей средой канала, в котором движется излучающий газовый поток, 1/(м ∙ МПа).

Величина Sэф определяется так:

где Vг − объем излучающего газового потока, в нашем случае объем газоотводящей выработки диаметром d и длиной 1 м3, Sс.г − площадь стенок выработки, ограничивающих излучающий газовый поток, м2.

Величина Р при отсосе продуктов сгорания из блока сжигания порядка Р ≈ 0,1 МПа.

Величина K определяется так:

K = Kг υ+ Kэлµэл +10Kк x1x2 ,

где Kг − коэффициент ослабления лучей от несветящихся газов, 1/(м ∙ МПа); υ − суммарная объемная доля в газовом потоке трехатомных газов (СО2, SO2 и т.д.); Kэл, Kк− коэффициент ослабления лучей от частиц соответственно золы и кокса, 1/(м ∙ МПа); µэл − концентрация золы в газовом потоке, кг золы/кг газа; х1 и х2 − опытные коэффициенты.

При движении продуктов сгорания в газоотводящей выработке их можно рассматривать как незапыленный газовый поток. В этом случае:

K = Kгυ.

Определим величину υ в рассматриваемых продуктах сгорания:

υ = 0,01(COв2 +SOв2 +Wr ) = 0,01(8,83 +0,13 +19,67) = 0,1321.

72

Окончательно получаем

aг =1 −exp(−5,52 0,1 0, 45) = 0, 22.

3. Найдем теперь величину αu , при этом учтем, что газовый поток незапыленный и п = 3,6:

Рассчитаем теперь величину аn по методике, предложенной Шаком:

где Tг − средняя температура излучающего газового потока, К; qизл − поверхностная плотность суммарного теплового потока излучения, Вт/м2.

4. Определим величину Tг .

Для рассматриваемой методики расчета величина Tг определяется следующим образом:

73

где Tсвх ,Tсвых − температура стенки канала у входа в канал и у выхода из него, К.

При расчете Tг было учтено, что в начальный момент теплообмена, для которого и рассчитывается величина αи, Tсвх =Tсвых = Tc = 280 К.

5. Найдем величину qизл

Для этого воспользуемся уравнением

qизл = εст (qгаз −qст ), мВт2 К ,

где εст − степень черноты лучевоспринимающих стенок канала;

qгаз − поверхностная плотность теплового потока излучения трехатомных газов при Tг , Вт/м2;

qст − поверхностная плотность теплового потока, поглощаемого трехатомными газами при Tс = 0,5(Tсвх +Tсвых ) = 280К,Вт/м2.

Величина εст определяется как:

εст = aс2+1 = 0,92+1 = 0,95.

Величины qгаз и qст определяются как:

qгаз = qCO2 +SO2 (Tг.cp ) + qH2O (Tг.cp ),Вт/м2 , qст = qCO2 +SO2 (Tc ) + qH2O (Tc ),Вт/м2 ,

где qCO2 +SO2 и qH2O − поверхностная плотность теплового потока излучения соответственно СО2 + SO2 и паров воды, Вт/м2.

Величины qCO2 +SO2 и qH2O рассчитываются из уравнений:

qCO2 +SO2 = 4,07 3Sэф (T / 100)3,5 ,Вт/м2 ,

qH2O = 4,07 pH0,82O Sэф0,6 (T / 100)3 ,Вт/м2 ,

74

где qH2O , qCO2 +SO2 − парциальное давление в газовом потоке, соответственно СО2+SO2 и паров воды, бар.

Как известно [6], парциальное давление i-го газа в газовой смеси

Pi = P ϑi ,

где ϑi − объемная доля i-го газа в газовой смеси. Следовательно, при Р = 0,1 МПа получаем:

PСО2 +SO2 = 0,1 ϑСО2 +SO2 = 0,1 0,001(9,08 +0,07) =9,15 10−3 МПа; PН2О = 0,1 1ϑН2О = 0,1 0,001 4,06 = 4,06 10−3 МПа.

Принимая во внимание, что 1 бар = 0,1 МПа, переведем PСО2 +SO2 и PН О из МПа в бары.

2Получаем:

PСО2 +SO2 =9,15 10−3 МПа =9,15 10−3 10бар = 0,0915бар; PН2О = 4,06 10−3 МПа = 4,06 10−3 10бар = 0,0406бар.

Следовательно, получаем:

qСО2 +SO2 (Tг.cp ) = 4,07 30,0915 (734 / 100)3,5 =1897,1Вт/м2 ; qH2O(Tг.cp ) = 4,07 0,09150,8 0,90,6 (734 / 100)3 =1164,3Вт/м2 ; qСО2 +SO2 (Tг.cp ) = 4,07 30,0915 (734 / 100)3,5 = 65,0Вт/м2 ; qН2О(Tг.cp ) = 4,07 0,09150,8 0,90,6 (734 / 100)3 = 64,6Вт/м2.

Далее получаем:

qгаз =1897,1 +1164,3 =3061, 4Вт/м2 ; qст = 65,0 +64,6 =129,6Вт/м2.

Следовательно,

qизл = 0,95(3061, 4 −129,6) = 2785, 2 Втм2 .

75

5. Оценим степень погрешности расчетов αu вторым методом

Анализ величины δ показывает, что обе методики дают в принци-

пе одинаковую точность в расчетах величин αu в газоотводящей выработке, где продукты сжигания угля в подземных условиях можно рассматривать как свободные от частиц золы, породы и несгоревшего угля. Поэтому применение обеих методик для расчета αи в газоотводящих выработках возможно.

2. Последовательно найдем приведенные к нормальным физическим условиям теоретические объемы сухих Vc.г и влажных Vг продуктов газификации, получаемых от 1 кг рабочей массы газифицируемого каменного угля.

Величина Vc.г была найдена в примере 20, поэтому воспользуемся этим результатом − Vc.г = 5,28 нор. м3/кг угля.

Величину Vг найдем так:

Vг =Vс.г (1 +1, 243dг ) =5, 28(1 +1, 243 0,364) = 7,67 нор.м3 .

кг угля

76

3. Определим среднюю изобарную объемную теплоемкость влажных продуктов газификации при Тг = 800 К.

Для этого воспользуемся рекомендациями [4], где показано, что с

4.Определим низшую теплоту сгорания продуктов газификации

на сухое состояние Qid .

Величина Qid рассматриваемых продуктов газификации была найдена в примере 13, поэтому здесь воспользуемся этим результатом −

Qid = 3085 кДж/нор.м3.

5.Определим низшую теплоту сгорания на рабочее состояние газифицируемого каменного угля.

Величина Qir газифицируемого угля была найдена в примере 26, поэтому здесь: воспользуемся этим результатом − Qir = 28896 кДж/кг.

6. Найдем величину удельного внешнего водопритока qвод в подземный газогенератор.

Величина для рассматриваемых продуктов газификации найдена в примере 24, поэтому здесь воспользуемся этим результатом −

qвод = 2,008 кг воды/кг угля.

7. Последовательно найдем величины физического qфг и химического qхг тепла, а также скрытой теплоты испарения паров воды внешнего водопритока qиг , находящихся в продуктах сгорания.

Учитывая рекомендации [13], получаем:

qфг =Cр.оVг (Tг −273,15) =1, 4958 7,67(800 −273,15) = 6604 кгкДжугля ; qхг =QidVс.г =3085 5, 28 =16289 кгкДжугля ;

qиг qвод = 2462 2,008 = 4944 кгкДжугля .

77

8. Определим теперь теоретически возможные относительные величины физического qфг .от и химического qхг.от тепла, а также скрытой теплоты испарения qиг.от паров воды в продуктах газификации на выходе из зоны газификации угольного канала.

Получаем:

Анализ величин qфг .от , qиг.от и qхг.от показывает, что суммарный запас физического тепла и скрытой теплоты испарения воды внешне-

го водопритока в продуктах подземной газификации угля ненамного меньше запаса в них химического тепла. Поэтому при решении вопросов извлечения из продуктов подземной газификации углей физического тепла и теплоты испарения воды энергетический КПД этого процесса может быть повышен в 1,5−2,0 раза.

Пример 31

1. Исходные данные В соответствии с заданным вариантом газифицируемый камен-

ный уголь имеет следующий состав на рабочее состояние (см. пример 30), а полученные при этом продукты, газификации (см. пример 30). Средний за рассматриваемый период газификации объемный расход подаваемого на газификацию воздуха Qв = 9350 нор.м3/ч. Общие объемы: поданного на газификацию воздуха Vвоб = 208 ∙ 106 нор.м3, полу-

ченных сухих продуктов газификации Vсоб.г = 241,5 ∙ 106 нор. м3. 2. Решение

1. Определим приведенный к нормальным физическим условиям средний объемный расход подаваемого на газификацию сухого возду-

ха Qc.в.

Величина Qc.в, для Qв = 9250 нор.м3/ч была найдена в примере 21, поэтому здесь воспользуемся этим результатом Qc.в = 9104 нор.м3/ч = = 2,53 нор.м3/с.

78

2. Найдем приведенный к нормальным физическим условиям средний теоретический объемный расход сухих продуктов газифика-

ции Qc.г.

Величина Qc.г, для рассматриваемых условий также была найдена в примере 21, поэтому здесь воспользуемся этим результатом − Qc.г = = 11398 нор.м3/ч = 3,17 нор.м3/с.

3. Найдем коэффициент избытка воздуха в сухих продуктах газификации.

Величина α для рассматриваемых продуктов газификации была найдена в примере 19, поэтому здесь воспользуемся этим результа-

том − α = 0,5484.

4. Найдем приведенный к нормальным физическим теоретический объем сухого воздуха Vсо.в , необходимый для полного сгорания 1 кг рабочей массы газифицируемого угля.

Величина Vсо.в для рассматриваемого угля была найдена в примере 20 поэтому здесь воспользуемся этим результатом − Vсо.в = 7,63 нор. м3/кг угля.

5. Определим среднюю теоретическую массовую скорость газификации угля Gy.

При известной величине Qc.в согласно [3] Gy можно найти следующим образом:

При известной величине Qc.г согласно [2] Gy можно найти следующим образом:

Gу = 0,536 Qс.г (СО2 +СН4 +СО+2С2Н4 ) / Cr =

= 0,536 3,17(14, 40 +1,6 +10, 20 + 2 0,18) / 75, 20 = 0,600 кгс .

Анализ величин Gy показывает, что оба метода расчета дают практически одинаковую величину Gy (разница между ними порядка 0,8%). Для дальнейших расчетов возьмем Gy = 0,600 кг/с.

6. Учитывая, что на выходе из газоотводящей скважины фиксируются реальные объемный расход и общий объем продуктов газификации, найдем теоретический общий объем сухих продуктов газификации (Vсоб.г ) и далее средний за рассматриваемый период полный коэффициент потерь продуктов газификации Kп .

79

Величины Vсоб.г , а далее и Kп были найдены в примере 23, поэтому здесь сразу воспользуемся конечным результатом – Kп = 0,05 = 5%.

7. Найдем реальную массовую скорость газификации угля Gур . При этом в связи с отсутствием данных о потере воздуха воздухоподводящей сети Kп.в (или потерь продуктов газификации в канале газификации и газоотводящей сети Kп.г ) примем в соответствии с реко-

мендациями Kп.в = Kп.г .= 0,5 К. Имеем:

Gур =Gу (l − Kп.в ) = 0,6(1 −0,5 0,05) = 0,585 кгс .

Пример 32

1. Исходные данные (см. пример 31) Решение

1. Определим приведенный к нормальным физическим условиям средний объемный расход сухого воздуха на входе в воздухоподводящую скважину, т.е. средний теоретический объемный расход сухого

воздуха, Qc.в.

Величина Qc.в для заданных исходных данных была найдена в примере 21, поэтому здесь воспользуемся этим результатом − Qc.в = 9104 нор.м3/ч = 2,53 нор.м3/с.

2. Найдем коэффициент избытка воздуха, а в. сухих продуктах газификации.

Величина α для рассматриваемых продуктов газификации была найдена в примере 19, поэтому здесь воспользуемся этим результатом

− α = 0,5484.

3. Найдем приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объем сухого воздуха Vc.в, необходимый для полного сгорания 1 кг рабочей массы газифицируемого угля.

Величина Vc.в для рассматриваемого угля была найдена в примере 20, поэтому здесь воспользуемся эти результатом – Vc.в = 7,63 нор.м3/ кг угля.

4. Найдем приведенный к нормальным физическим условиям средний теоретический объемный расход сухих продуктов газификации Qc.г.

В соответствии с заданием сделаем это двумя методами.

При наличии данных об элементном составе угля на рабочее состояние величину Qc.г можно определить на основе баланса «условного углерода» Kг = С + 0,375 ∙ Scr [2]:

80