CC BY
11
УДК 622.278 + 662.73
С. В. Жолудев
Днтропетровський нацюнальний утверситет
ДОСЛ1ДЖУВАННЯ РУХУ ТЕПЛА ТА ВОДИ ПРИ РОБОТ1 П1ДЗЕМНИХ ГЕНЕРАТОР1В
Проблема ращонального видобудку вугiлля з одночасним захистом навколишнього середовища е одною з приоритетних для Укра'ши. Щдземш газифжащя (ПГВ) i пiдземне спалювання вугшля (ПСВ), якi поеднують розробку корисних копалин з ix одночасною тдземною переробкою в единому теxнологiчному процеа, здатнi вирiшити цi проблеми.Одним iз способiв вдосконалення розробки може бути використання як промiжного теплоносiя тдземних вод.
Ключовi слова: вугшля, тдземна газифжащя, тдземне спалювання, тдземш води.
Проблема рациональной добычи угля одновременно с защитой окружающей среды является одной из приоритетных для Украины. Подземные газификация (Ml У) и подземное сжигание угля (ПСУ), объединяющие разработку полезних ископаемых с их одновременной подземной переработкой в едином технологическом процессе, могут решить эти проблемы. Одним из способов усовершенствования разработки может быть использование промежуточного теплоносителя - подземных вод.
Ключевые слова: уголь, подземная газификация, подземное сжигание, подземные воды.
The problems of coal excavation and environement protection are priority for Ukraine. Underground coal gasification (UCG) and underground coal incineration (UCI) are combining excavation with simultaneous underground processing in entire technological process, capable to solve this problem. Using an intermediate heat carrier - ground water may optimisating of these processes.
Key words: coal, underground coal gasification, underground coal incineration, ground water.
Моделювання газо-, пдро- i термодина]шчного режи]шв горшня дозволяе видшити основш проблеми стшкост геотехшчно! системи тдземного теплогенератору. В умовах високотемпературного поля до них можна вщнести шдвищену обводневють порщ (природний фактор). Ii взаемозв'язок з рiзними технологiчними факторами ще бiльше ускладнюе поведiнку геотехшчно! системи. Але, з шшого боку, це дае можливють технологiчними заходами в певнш мiрi регулювати !! стан з метою оптимiзацi! режиму експлуатаци.
Для реалiзацi! ще! можливостi був розглянутий баланс вод, що беруть участь у процес пiдземного горшня. 1хне надходження в термiчну область вогнища вiдбуваеться рiзними шляхами залежно вщ термодинамiчних умов [1, 2]. Водний баланс виглядае таким чином: тдземш зв'язаш води (Wзв), тдземш вшьш води (Wгp) , трогенетичт води (Wп) i дуттевi води (Wд) становлять прибуткову частину, а води, що перейшли в газ (Wp) i йдуть iз газом (W^) - видаткову частину.
Позаконтурш води, якi не приймають прямо! участ в процесi горiння вугшля, у розрахунок не беруться. Таким чином, рiвняння балансу мае вигляд [3]
Wзв + Wrp + Wп + Wд = Wp + W^ (1)
Це дозволяе розрахувати кшьюсть вiльних вод, що надходять у пiдземне вогнище, що у природних умовах через мшливють коефiцiенту водопроникностi
© Жолудев С.В., 2013
порщ i napaMeTpiB вигоршого простору важко визначити. у перерахуванш на 100 кг палива приводиться нижче.
Зв'язаш води Wзв розраховуються роздiльно для вугiлля, порiд шдошви i крiвлi, що мають рiзну вологiсть i температуру: Для вугшля
Wсв.в = 100 юв, (2)
Для порщ пiдошви
Wзв. п = ((100 - n) 1п шп Уп ^п)/ Уп m, (3)
Для порiд крiвлi
Wзв. кр = ((100 - n) 1кр юКр Укр ^кр)/ Укр m, (4)
Пiдсумовуючи кiлькiсть води, що була визначена за (2) - (4), отримана кшькють зв'язаних вод, що надходять у вогнище горшня
Wзв = Wзв.в + Wзв.п + Wзв.кр, (5)
де юв , юп , юкр - кiлькiсть зв'язаних вод у вугшл^ породах пiдошви i крiвлi, вiдповiдно;
ув, уп, укр - питома вага вугшля, порщ шдошви i ^вл^ вщповщно; m - потужнють вугiльного шару;
n - кшькють зв'язаних вод, що перейшли у вшьний стан, але не потрапили у вогнище горшня вугшля (умовно взят рiвними витокам газу з област горiння);
1п i 1кр, - потужнiсть зони про^вання порiд пiдошви i крiвлi, вщповщно; ^п i ^кр - коефiцieнти паровiддачи порiд пiдошви i ^вл^ вiдповiдно.
Пiрогенетичнi води Wп визначаються по кисню вугiлля
Wп = 18/16 Окрк , (6)
де ОК - змiст кисню у вугiллi;
рК - частка кисню вугшля, що перейшла у воду (на практищ береться 0,6-1,0 залежно вщ передбачуваних температур у вогнищi горiння вугiлля).
Води з дуттям Wд розраховуються по абсолютнiй вологост дуття
Wд =Уд Шд, (7)
де Уд - кшькють подаваного дуття на 100 кг вугшля, що згорае; юд - абсолютна вологють дуття.
Води, що перейшли в газ, Wр, визначаються по змюту водню, що перебувае як у чистому вид^ так i у виглядi сполук. До них вщноситься пiрогенетична вода, сiрководень, метан i летуч речовини [3]
18 2 2 4
Wр = 18[(2ЩУг-уг)/100х22,4)-(Нр - — Ок -0,7 — Sр - — рСр - 0,1Нр)], (8) 2 16 32 12
де Н2 - середнш змiст водню в газi;
Уг - кiлькiсть газу, яка одержусться при горiннi 100 кг вугшля; уг - виток газу при горшш 100 кг вугiлля; Нр - вмют водню; 2
— ОК - кiлькiсть водню, що перейшов у пiрогенетичну воду; 16
0,7 — Sр - юльюсть водню, що перейшов у шрководень; 32
— рСр - кшьюсть водню, що перейшов у метан;
0,1Нр - кшьюсть водню, що перейшов у летучi речовини; ОК, Sp, Ср - змiст кисню, сiрки та вуглецю у вугшл^ вiдповiдно; Р - частка вуглецю вугшля, що перейшла в метан.
Води, що вщходять iз газом, Wн, розраховуються по вологостi газу юг
Wн = (Уг - уг) Юг, (9)
Визначивши складовi (1) i вирiшивши його вщносно Wгp, була отримана кiлькiсть вшьних вод у лiтрах на 100 кг згоршого вугiлля. Таким чином, можна визначити кiлькiсть вод вшх видiв, що беруть участь у процесс i пiдiйти до ршення питання оптимiзацil водного та теплового режимiв, вiдповiдно.
Оскiльки значення фiзико-хiмiчних характеристик вугiлля, порiд пiдошви i крiвлi в даних умовах е постiйними, регулювання водного балансу, можливо технолопчним шляхом, через змiну параметрiв дуття, яке подаеться при штучному розпалюванш вугiлля i вiдбору енергетичного або технолопчного газу, який при цьому одержуеться. За даною методикою був зроблений розрахунок об'ему i вологосп дуття, що подаеться, за умови, що надходження вiльних вод у вогнище е оптимальним, тобто вщповщно до балансу (1) Wгp « 0, а температурний режим вщповщае кондицп теплоносiя. При цьому теплотворна здатшсть вугiлля повинна бути не менш 5,0 МДж/м3, а волопсть газiв у вогневому каналi 0,25 - 0,3 [4]. Об'ем газiв, що вiдходять, визначений як
Уг = 1/Уу, (10)
де Уг - вихiд газу з 1 кг вугiлля;
Уу - витрати вугшля на одержання 1 м3 газу.
Витрата вугiлля визначаеться як
Уу = 12 Сг / 22,4 Свуг, (11)
де Свуг - змют вуглецю;
Сг - сума компонент вуглецю у газi (С2 + С + СН4).
Розрахований у такий спошб мiнiмальний об'ем газу, що вщходить, у даних умовах перебувае в iнтервалi 370-380 м3/кг, при середнш втрат порядку 10%, а результати розрахунюв об'емiв дуття при трьох рiзних значеннях його вологостi представлен на рис. 1 [2].
"Г
0,0
\Угр, КГ/100 кг
Рис. 1 Об'ем дуття, яке подаеться до пiдземного теплогенератору, залежно вщ вологостi геосистеми та дуття: V - об'ем дуття; Wгр - кшьюсть вшьно! води вщносно до кiлькостi палива (1 - волопсть дуття 0,25, 2 - волопсть дуття 0,275, 3 - волопсть дуття 0,3).
З розрахунку можна побачити, що об'ем дуття в даних геолопчних i гiдрогеологiчних умовах повинен коливатися в межах 430-600 м3/кг, причому, чим вище його вологiсть, тим об'ем нижче. Отже, в умовах знижено! вологостi середовища збiльшення вологостi дуття, а при шдвищенш вологостi - И зменшення, здатно пiдвищити теплову енерпю процесу пiдземного горiння. Таким чином, використовуючи умову кондицiйного теплоношя, об'ему газу, що вiдходить, його оптимально! вологост i змiсти водню, було обчислене кiлькiсть вiльних вод, що створюе найкращi умови для горшня в данiй обстановцi. Рiзниця мiж кiлькiстю вiльних вод (Wгp) i !хнiм оптимальним значенням (Wгр. опт) вказуе на дефiцит або надлишок води в областi шдземного вогнища. При дефiцитi в баланс (1) переважае права частина, при надлишку - лiва.
При вщомих значеннях об'ему дуття, роль можливого регулювальника водного балансу грае його волопсть. На рис. 2 представлена отримана за даною методикою залежшсть мiж кiлькiстю вiльно! води, що бере участь у горшш та волопстю дуття, що дозволяе гнучко регулювати тепловий режим геотехнiчно! системи.
Рис. 2 Надходження вод до вогнища шдземного горшня залежно вщ тиску, об'ему i вологостi дуття: Wд - вологiсть дуття; Wгр - кшьюсть вшьно! води вiдносно до кшькосп палива (1 - об'ем дуття 200 кг/м3, 2 - об'ем дуття 300 кг/м3, 3 -об'ем дуття 400 кг/м3, 4 - об'ем дуття 500 кг/м3 ).
Отримаш результати показують, що водний i тепловий режими тдземного горiння можна мiняти за допомогою варiацiй технологiчних параметрiв, наприклад об'ему i вологостi дуття. Крiм того, вщжимання води зростаючим тиском дуття так само може розглядатися як спошб змiни умов. Отже, комбшащя цих заходiв дае можливiсть у певних межах регулювати процес тдземного горшня та його вплив, вщповщно. Але в силу iснуючих особливостей геолопчного середовища цi мiри будуть ддачими на вiдносно вузькому дiапазонi вологостi, близько! до оптимального, в шших випадках необхiднi кардинальнi способи регулювання теплового балансу горшня.
Список використаних джерел
1. Гинзбург Д. Б. Газификация топлива и газогенераторные установки. Ч.1/Под. ред. Шевцова Б. С. - М. - Л.: Гизлегпрпом, 1938. - 603 с.
2. Фарлоу С. Уравнения с частными производными для научных работников и инженеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 384 с.
3. Силин-Бекчурин А.И., Богородицкий К.Ф., Кононов В.И. Роль подземных вод и других природных факторов в процессе подземной газификации углей/ Труды Лаборатории гидрогеологических проблем им. Ф.П.Саваренского, т.ХХШ. - М.: Издательство Академии наук СССР, 1960. - 126 с.
4. Чарный И. А. Основы газовой динамики. - М.: Гостоптехиздат, 1961. -200 с.
Над1йшла до редколегИ' 21.02.13
