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

При отсутствии данных об элементном составе угля величину Qc.г можно определить для приведенных характеристик угля [3]:

где х − обобщенный статистический коэффициент, по Я.Л. Пеккеру каменных углей х = 18,2 [3].

Анализ приведенных здесь величин Q и величины Qc.г., определенной для этих же исходных данных в примере 21, показывает, что все три метода расчета величин Qс.г, обладают практически одинаковой точностью. Следовательно, все они одинаково успешно могут применяться для практических расчетов величин Qс.г.

Для дальнейших расчетов используем Qс.г = 3,20 нор.м3/с.

5. Учитывая, что на выходе из газоотводящей скважины определяется реальный общий объем продуктов газификации, найдем теоретический общий объем сухих продуктов газификации (Vс.г) и далее средний за рассматриваемый период полный коэффициент потерь продуктов газификации Кп.

Величины (Vвоб ,Vсоб.г ), а далее и Kп были найдены в примере 23, поэтомуздесьсразувоспользуемсяконечнымрезультатом−Kп =0,05=5%.

6. Определим величины Q вр и Qгр .

Согласно [3] при Kп.в = Kп.г = 0,5 ∙ Kп получаем:

81

Пример 33

1.Исходные данные (см. пример 20)

2.Решение

В связи с тем что часть паров воды, образующихся при сгорании угля и испарения воды внешнего водопритока, в процессе газификации может преобразоваться в горючие газы (СО, Н2, СН4), теоретический химический КПД газификации nх Более правильно определять по высшей теплоте сгорания газифицируемого угля Qsг и самих продуктов газификации. Согласно [13] такой nх определяется как:

nx =100 Qx / Qsг ,%,

где Qx − запас химического тепла в сухих продуктах газификации 1 кг рабочей массы угля, кДж/кг угля.

1. Найдем величину Qx.

Согласно [33] это можно сделать так:

Qx =Vс.г Qsd ,

где Qsd − высшая теплота сгорания сухих продуктов газификации, кДж/нор.м3.

Величина Qsd для рассматриваемых в этом гадании продуктов газификации была найдена в примере 13, поэтому здесь воспользуемся этим результатом − Qsd =3359 кДж/нор.м3.

Величина Vс.г для заданных в гадании исходных данных была найдена в примере 20, поэтому здесь также воспользуемся этим результа-

том Vс.г = 5,28 нор.м3/кг угля. Следовательно, получаем:

Qx =5, 28 3359 =17736 кгкДжугля .

2. Найдем Qsг угля.

Для этого воспользуемся соотношением между Qsг и Qiг у твердых топлив. Согласно [1] это соотношение имеет вид:

82

Qsг =Qiг + 24,62(8,94 Нг +Wtг ) =

= 28896 + 24,62(8,94 4,37 +6) =30006 кДжкг .

При расчете Qsг была использована Qiг рассматриваемого угля,

найденная ранее в примере 26 – Qiг = 28896 кДж/кг. 4. Найдем nx

nx =100 −17736 / 30006 =99, 41.

Пример 34

1. Исходные данные В соответствии с заданным вариантом сжигаемым под землей

углем является донецкий полуантрацит, имеющий следующий состав на сухое безвольное состояние: (см. пример 1). Мощность сжигаемого угольного пласта m = 0,5 м, удельный массовый водоприток qвод – 1,5 кг воды/кг угля, объемный расход воздуха Qв = 20000 нор. м3/ч, а его температура на входе в угольный канал Тв = 300 К, температура продуктов сгорания на выходе из угольного канала Тг = 1200 К.

2. Решение

1. Определим приведенный к нормальным физическим условиям объемный расход подаваемого в блок сжигания сухого воздуха, при этом влагосодержание воздуха примем равным нормативному, т.е. dв = 0,012928 кг п.в/нор.м3с.в.

Согласно [3] имеем:

2. В связи с тем что в приложении 1 дан состав полуантрацита на сухое безвольное состояние, найдем его состав на рабочее состояние.

Состав рассматриваемого в этой задаче полуантрацита на рабочее состояние был определен в примере 1, поэтому здесь воспользу-

емся этим результатом: Cr =71,7%, Hr = 2,8%, Scr = 2,1%, Nr = 1,0%,

Or = 1,2%., Wtr = 5,0%, Ar = 16,2 %.

3. Используя данные по элементному составу полуантрацита в рабочее состояние определим величину Vсо.в .

83

Величина Vсо.в для рассматриваемого в этом задании полуантрацита была найдена в примере 5, поэтому здесь воспользуемся этим результатом:Vсо.в = 7,15 нор.м3с.в/кг угля.

4. Определим приведенные к нормальным физическим условиям теоретические объемы газовых компонентов продуктов полного сгорания 1 кг рабочей массы полуантрацита в воздухе с α = 1,0.

Учитывая рекомендации [3], получаем:

5. Определим приведенные к нормальным физическим условиям теоретические объемы сухих и влажных продуктов полного сгорания 1 кг рабочей массы полуантрацита в воздухе с αв = 1,0.

Учитывая определенные выше объемы соответствующих газовых компонентов, получаем:

6. Определим составы продуктов полного сгорания полуантрацита на сухое и влажное состояние.

Состав сухих продуктов сгорания будет:

84

СО2 =100 1,347,01 =19,12%;

SO2 =100 7,0,0101 = 0,14%.

Состав влажных продуктов сгорания будет:

СOв2 =100 1,349,36 =14,32%;

SOв2 =100 9,360,01 = 0,11%; Wг =100 9,362,35 = 25,1%.

7. Найдем приведенные к нормальным физическим условиям теоретические объемные расходы сухих и влажных продуктов полного сгорания полуантрацита в воздухе. Учитывая рекомендации [3], получаем:

8. Найдем среднюю температуру продуктов сгорания по длине угольного канала Тг.

Согласно [13] величину Тг можно найти следующим образом:

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

9. Найдем площадь поперечного сечения угольного канала Sy.к. Согласно рекомендациям проф. А.А. Агроскина [13] с точностью, достаточной для практических расчетов, поперечное сечение уголь-

85

ного канала при сжигании и газификации горизонтальных и пологопадающих угольных пластов малой и средней мощности, можно рассматривать как прямоугольное с высотой h = 0,45 м и шириной b = m.

Следовательно,имеем:h=0,45∙0,5=0,225м;b =0,5м;Sy.к =0,225∙0,5= = 0,1125 м2.

10. Найдем объемный расход влажных продуктов сгорания полуантрацита при средних реальных величинах Т = Tг и P в угольном

канале Qг (T, P).

При отсосе продуктов сгорания из блока сжигания среднее давление в угольном канале близко к атмосферному, т.е. P = Р0 = 101325 Па.

Учитывая это, получаем:

11. Определим νг влажных продуктов сгорания полуантрацита. Расчет νг продуктов сгорания полуантрацита в воздухе, правда, несколько иного состава, при Т = Tг = 750 К подробно рассмотрен в примере 15. Используя найденные там νг газовых компонентов продуктов сгорания найдем νг рассматриваемых в этом задании продук-

тов сгорания:

12. Определим величину ly.к.

Для этого воспользуемся рекомендованной в [9] формулой, преобразованной с учетом рекомендаций [14]:

lу.к =5 Kп.с Re0,16 dэкв ,

где Kп.с − коэффициент, учитывающий, что часть стенок угольного канала сложена породами, т.е. являются породными стенками;

d экв − эквивалентный диаметр угольного канала, м; Rе − критерий Рейнольдса;

νг − средняя скорость движения газового потока в угольном канале, м/с.

86

Согласно [13, 14] величину dэкв необходимо определять как:

где П − полный периметр поперечного сечения угольного канала, при прямоугольной форме этого сечения П = 2(b + h). Величина νг равна:

Следовательно, величина Re будет:

Re = 174, 2 0,31 = 741888. 72,79 10−6

Согласно [14] величина Кп должна определяться как: Kп = Fк ,

Fу.с

где Fк, Fу.с − приведенная площадь соответственно всех стенок канала горения и его угольных стенок, отнесенная к единице объема канала горения, 1/м.

Величины Fк и Fу.с определяются и в следующих выражений:

где Пу.к, Пу.с − полный периметр поперечного сечения угольного канала и периметр, образованный угольной стенкой этого канала, м.

Для цилиндрического угольного канала с диаметром d имеем:

87

При прямоугольном поперечном сечении угольного канала Fк будет:

Fк = 2(b + h) . bh

Величину Fу.с определим, учитывая, что согласно [9, 14] в угольном канале с прямоугольным поперечным сечением практически всегда имеются две угольные стенки: вертикальная и горизонтальная. Первая образована горящим забоем угольного пласта, а вторая находящимися на дне канала горящими кусками угля, которые попадают туда в результате частичного разрушения верхней части горящего угольного пласта силами горного давления.

Учитывая это, получаем:

Следовательно, Kп = Fк = 2.

Fу.с

Следует отметить, что Пу.с, определенная таким образом, из чисто геометрических соображений несколько меньше реальной величины Пу.с, т.к. в реальности угольные стенки канала имеют довольно большую шероховатость. Особенно это характерно для горизонтальной угольной стенки, образованной слоем горящих кусков угля. В связи с отсутствием данных о величине шероховатости угольных стенок канала Пу.с приходится определять исходя из чисто геометрических соображений. В этом случае величина получается несколько больше реальной для данных условий.

Принимая во внимание числовые значения всех промежуточных физических величин, получаем: lу.с =5 2 7418880,16 0,31 = 27 м.

88

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Янченко Г.А. Физические основы показателей качества углей: Учеб. пособие. – М.: МГИ, 1992. – 51 с.

2.Селиванов Г.И., Янченко Г.А. Методы расчетов теоретических объемных расходов продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях: Метод. указания. – М.: МГИ, 1990. – 31с.

3.Янченко Г.А. Материальный баланс процесса газификации углей: Учеб. пособие. – М.: МГИ, 1989. – 57 с.

4.Янченков Г.А. Теплофизические свойства продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях. Ч. 1. Теплоемкость и показатель адиабаты: Учеб. пособие. – М.: МГИ, 1992. – 43 с.

5.Янченко Г.А. Теплофизические свойства продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях. Ч. 2. Вязкость: Учеб. посо-

бие. – М.: МГИ, 1993. – 36 с.

6.Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие. – М.: Высшая школа, 1969. – 560 с.

7.Янченко Г.А. Теплофизические свойства продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях. Ч. 3. Теплопроводность и критерий Прандтля. – М.: МГГУ, 1995. – 54 с.

8.Ревва М.К., Крейнин Е.В., Гершевич Э.Г., Фролов Л.С. Некоторые особенности процесса подземной газификации кузнецких угольных пластов средней мощности // Проблемы подземной газификации

вКузбассе: Сб.статей. – Кемерово: Кемеровское кн. изд-во, 1967. –

Вып. 2. – С. 124-130.

9.Подземная газификация угольных пластов // Е.В. Крейнин, Н.А. Фролов, К.Н. Звягинцев и др. – М.: Недра, 1992. – 151 с.

10.   Скафа П.В. Подземная газификация углей. – М.: Госгортехиз-

дат, 1960. – 322 с.

11.   Теплотехнический справочник / Под ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. Т. 1. – М.: Энергия, 1975. – 744 с.

12.   Теплотехнический справочник / Под ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. Т. 2. – М.: Энергия, 1976. – 896 с.

13.  Пеккер Я.Л. Теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам топлива (обобщенные методы) – М.: Энергия, 1977. – 256 с.

14.   Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология: Учеб. посо-

бие – М.: МГГУ, 2001. – 656 с.

15.   Пучков Л.А., Качурин Н.М., Мельник В.В., Абрамкин Н.И. Фи- зико-химическая геотехнология: Учеб. пособие. – Тула: Издательство ТулГУ, 2013. – 282 с.

89

16.   Абрамкин Н.И., Янченко Г.А. Физико-химическая геотехнология : Сборник задач и заданий для практических занятий и самостоятельной работы. Ч. 1. Процессы сжигания и газификации угля в подземных условиях : Учеб. пособие. – М.: Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2014. – 98 с.

17.   Пучков Л.А., Качурин Н.М., Абрамкин Н.И. Комплексное использование буроугольных месторождений : Учеб. пособие для магистров. – М.: Горная книга, 2007. – 277 с.

18.   Качурин Н.М., Абрамкин Н.И., Ефимов В.И. Геоэкологическое обоснование добычи угля на малых глубинах. – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005. – 299 с.

19.   Мельник В.В., Абрамкин Н.И. Обоснование параметров гидромеханизированной технологии разработки мощных крутых угольных пластов : монография / Под общ.ред. проф. В.В. Мельника.В.В. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. – 113 с.

20.   Терентьев Б.Д., Мельник В.В., Абрамкин Н.И. Геомеханическое обоснование подземных горных работ : очистные горные работы : учеб.пособие. – М.: Изд.Дом НИТУ «МИСиС», 2016. – 258 с.

21.   Абрамкин Н.И., Местоева Х.Х., Местоев И.Х. Обоснование технологических решений при интегрированной отработке запасов выемочных участков угольных шахт // Горный информационно-ана- литический бюллетень (научно-технический журнал). – 2018. – № 11 (спец.выпуск 47). – 12 с.

90