Введение к работе
Актуальность темы. Кризис, поразивший в настоящее время угольную промышленность России , привел к тому, что доля угля в топливной энергетике страны сократилась до 20 ... 25 % , а доля нефти и природного газа превысила 70 % . Это противоречит тенденциям развития топливной энергетики основных промышлсиис развитых стран мира (США, Германия, Великобритания и др.), в которых доля угля в топливной энергетике достигает 60 ... 90 % , а нефть и природный газ рассматриваются как ценнейшее химическое и технологическое сырьё. В топливной энергетике России доля угля должна составлять, по оценкам специалистов, не менее 50 % .
Приоритетное использование угля в топливной энергетике страны в настоящее время серьезно тормозится низкими экономическими показателями работы угольной отрасли и большими экологическими проблемами, возникающими при добыче угля и выработке из него энергии. Поэтому все работы, обеспечивающие эконом:!':?^:! оправданное увеличение доли угля в топливной энергетике ар^ны при минимальном отрицательном экологическом воздействии т-. окружающую среду, являются чрезвычайно сажными и актуальными. Важность этих работ обусловлена ещё и тем, что уголь уже не в столь отдаленном будущем станет основным сырьём для топливной энергетики, причем не только России, но и всего мира.
Традиционные технологии добычи угля на больших глубинах его залегания на сегодняшний день морально устарели. То же и в тп-ливной энергетике. В результате энергетическая эффективность получения полешой энергии из угля не превышает 20 %, на чю впервые образ ил внимание в начале 80-х годов академик ЛИ ('{'('I'
В.В.Ржевский. При этом окружающей среде наносится довольно большой экологический ущерб.
Обеспечить приоритетное и эффективное использование угля в топливной энергетике возможно только на базе новых технологий его добычи и использования для получения энергии, которые в оптимальном варианте могли бы применяться как самостоятельно, так и в совокупности с традиционными, устраняя недостатки последних.
Комиссия ГКНТ СССР, работавшая в начале 80-х годов под руководством акад. В.В.Ржевского, пришла к выводу, что из всех известных нетрадиционных технологий подземной разработки энергетических углей наиболее перспективными являются технологии подземной газификации угля (ПГУ) і*подземного сжигания угля (ПСУ). Работы в области ПГУ ведутся в нашей стране уже с начала 30-х годов, а в области ПСУ - начались практически с середины 80-х.
Объединение при ПСУ процессов добычи энергетического угля и получения из него тепловой энергии в единый процесс, причем в месте непосредственного залегания угля, обеспечивает снижение как материальных и энергетических затрат на получение конечного продукта в виде необходимой потребителю полезной энергии, так и отрицательного экологического воздействия на окружающую среду.
Настоящая работа выполнялась в рамках Общесоюзной научно-технической программы 0.05.08 «Разработать и освоить технологию и технические средства комплексного извлечения на шахтах угля, газа и тепловой энергии, получаемой от сжигания в недрах оставшихся их запасов, обеспечивающие повышение производительности труда в 5-6 раз по сравнению с традиционным способом добычи угля (технологию «Углегаз»)» и Отраслевой (межотраслевой) программы 012510 Мннуг-лепрома СССР «Разработать и освоить технологию комплексного извлечения угля, газа и энергии на шахтах, обеспечивающую повышение ііроиіводпіелиюстн труда в 5,0 - 6,0 раз по сравнению с традиционным способом добычи \і;ія», раїрабоїашп.іх на I486 - 1991) її. н до
2000 г. во исполнение постановлений ГКНТ СССР № 559 от 03.10.1983 г. и № 535 от 31.12.1986 г., а также в рамках проекта 04 «Создание экологически чистого теплотехнического предприятия на базе подземного сжигания оставленных на закрытых шахтах запасов угля для нужд малой энергетики» Межотраслевой научно-технической программы «Уголь России» Минтопэнерго России на 1993 - 1997 гг.
Целью работы является разработка научных основ, установление основных закономерностей и физико-техническое обоснование параметров, технологических и технических решений процесса ПСУ для получения тепловой энергии, обеспечивающих повышение его энергетической эффективности при одновременном снижении отрицательного экологического воздействия на окружающую среду.
Основная идея работы заключается в корректном учёте и комплексном использовании выявленных обобщенных закономерностей движения и взаимодействия материальных и энергетических потоков в гетерогенной термодинамической системе, состоящей из твердой (уголь, вмещающие породы), жидкой (подземные воды) и газовой (воздух, продукты подземного сжигания угля, далее ППСУ , их смеси) фаз, обеспечивающих оптимизацию технологических и технических решений, режимных параметров процесса ПСУ и методов управления ими в разных горно-геологических условиях .
Методы исследований. Для достижения поставленной цели в работе использован комплексный метод исследовании, включающий: научный анализ и обобщение; теоретические исследования с использованием фундаментальных положений термодинамики, теории тепломассообмена и теплопроводности, теории горения и газификации і оплив, теплотехники, молекулярно-кинетической теории газов и физики горных пород: математическое моделирование на ЭВМ; экспериментальные исследования в стендовых и натурных условиях с обработкой данных методами математической статистики и теории вероятностей.
.?
Осїзозїіьіє научные «сложения, иьшоеиыыг на защиту:
-
При отсутствии данных об элсмстийт сосіак углл nowna-іели материального баланса процесса его подземного сжигания вне зависимости от полноты сгорания угля »:огуг быть рассчотаны на основании его приведенных характеристик (по Я.Л.Пехкеру) и данных о низшей теплоте сгорания рабочей массы угля и её влажности.
-
Для той интенсивности теплообмена, которая имеет место в угольном канале и газоотводящей выработке, времени с; й коэффициент формы цилиндрической полости (по А.Ф.Воропаеву) ямлется функцией критериев Фурье и Био.
3: При оценке потерь тепла потоком продую і.;- сгорания в окружающую среду процесс реального ко*щуктнь«о-конвелтнвно-лучистого теплообмена в угольном канале мо,к*-г б*.-і'ь с;>їдс!ї к модели лонвективно-лучистого теплообмена, при этом, в случае умеренного водопритока в угольный канал, при критерии Рейнольдса Re > 500000 в основном имеет место конвективный теплообмен, а при меньшем -лучистый, который на 70 ... 80 % формируется излучением угольных стенок.
-
Средняя температура горения угольных стенок TVt в канале тесно связана с температурой продуктов сгорания на выходе из него Тк, при этом в диапазоне Тк = 800 ... 1600 К и содержании горючих газов в продуктах сгорания не более 4 % взаимосвязь между этими температурами близка к линейной.
-
При удельных водопритоках в угольный канал gBW1 > 1,0 ... 1,5 кг воды / кг угля, при сжигании бурых углей, и {>>д > 2,5 ... 3,0 кг воды / кг угля - каменных, происходит изменение режима горения угля с наиболее эффективного диффузионного на переходный и даже кинетический, что делает невозможным управление процессом подземного сжигания угля только за счет изменения ре>::имі-.» нодичн но ідуча.
6. При диффузионном режиме горения угля тепловая мощность на выходе из угольного канала пропорциональна его длине 1к в степени 6,25, что предопределяет значительно более высокую энергетическую эффективность повышения -тепловой мощности на выходе из газоотводящей выработки NT гв за счет роста длины угольного анала по сравнению с увеличением их количества.
7.В пределах каждой из двух групп углей по их природному виду, в бурых и антрацитах с каменными, низшая теплота сгорания сухой беззольной массы углей Q^'тесно связана с выходом летучих Vdaf;
8. Обеспечение постоянства тепловой мощности на выходе из газоотводящей выработки при увеличении водопритока и угольный канал, только за счет роста скорости сгорания угля, приводит, даже в случае сохранения диффузионного режима его горения , к уменьшению КПД извлечения энергии в виде физического тепла, при этом КПД извлечения энергии в виде суммы физического тепла и скрытой теплоты испарения воды внешнего водопритока растет.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны научные основы и методология прогнозирования ожидаемых результатов извлечения тепловой энергии при сжигании угольных пластов (запасов) на основе выявленных закономерностей формирования материального и теплового балансов данного процесса при нагнетательном и всасывающем режимах подачи воздуха в угольный канал и физико-технического обоснования способов повышения его энергетической эффективности.
-
Сформулированы условия получения в угольном канале продуктов сгорания с максимальным запасом физического тепла н минимальным содержанием экологически вредных компонентов.
-
Вскрыты основные взаимосвязи между показателями материального баланса процессов полного и неполного сгорания угля и
угольном канале и приведёнными характеристиками угля (по Я.Л.Пеккеру).
4. Получены теоретические зависимости для расчётов: состава сухих продуктов сгорания при изменении содержания в них следующих (одного или нескольких) газовых компонентов - О:, ГН-і, СО, ЬЬ; массовой скорости сгорания угля; коэффициента избытка воздуха а в продуктах сгорания в широком диапазоне изменения их состава (от продуктов полного сгорания до продуктов газификации угля); потерь и подсосов воздуха в воздухоподводящую выработку и оценки их влияния на показатели материального баланса процесса сжигания; состава, объемного расхода и температуры продуктов сгорания на выходе из угольного канала и газоотводящей выработки; максимального суммарного содержания в продуктах сгорания диоксидов углерода и серы R02MaKC = С02макс + S02ue*c , на основе данных газового анализа этих продуктов и приведенных характеристик углей и возникающих при этом погрешностей; показателей нестационарного теплообмена в угольном канале и газоотводящей выработке.
-
Вскрыты основные закономерности: формирования материального и теплового балансов процесса подземного сжигания упуія при появлении в продуктах сгорания горючих газов и их последующем дожигании; показателей физических свойств продуктов сгорания, формирующих тепловой баланс процесса, в широком диапазоне изменения их состава (от продуктов полного сгорания до продуктов газификации угля) при Т = 273,15 ... 1573,15 К; формирования показателей материального и теплового балансов процесса подземного сжигания угля при использовании в качестве окислителя низкоконцен-трированных метано-воздушных смесей.
-
Выявлен вид взаимосвязей между жаропроизводительносгью углей Тм,кч и низшей теплотой сгорания их рабочей массы Q,r, рабочей влагой W,' и зольностью Ad , а в обоснованных двух группах углей по их природному виду (бурые и антращпы с каменными) - между нш-
шей теплотой сгорания сухой беззольной массы углей Q, и выходом летучих Vм.
1. Разработана математическая модель и выявлены основные закономерности процесса конвективно-лучистого теплообмена ъ угольком канале и газоотводящей выработке.
8. Получены зависимости, описывающие закономерности фор
мирования длины зоны горения 1г угля в угольном канале при диффу
зионном и переходном режимах и тепловой мощности потока продук
тов сгорания на выходе из угольного канала Nr* при диффузионном
режиме горения, установлен характер влияния на эти показатели ос
новных внутренних и внешних факторов (водоприток, теплота сгора
ния углей, мощность сжигаемых угольных пластов m и т.д .).
-
Вскрыты основные закономерности изменения КГЦ! извлечения энергии из сжигаемого угля в виде физического тепла и скрытой теплоты испарения воды при увеличении внешнего водопритока в угольный канал, когда постоянство тепловой мощности на выходе цз газоотводящей выработки обеспечивается только за счет роста скорости сгорания угля при сохранении диффузионного режима горения.
-
Установлены величины водопритоков в угольный канал, при которых происходит смена диффузионного режима горения угля на переходный и сформулированы условия минимизации потерь продуктов сгорания и воздуха и его подсосов при нагнетательно-всасывающем режиме подачи воздуха в угольный канал.
Научное значение работы заключается в выявлении основных закономерностей формирования параметров процесса сжигания угольных пластов (запасов) для получения тепловой энергии, а также и физико-техническом обосновании способов повышения его энергетической эффективности за счёт оптимизации технологических и технических решений, режимных параметров и методов управления последними в разных горно-геологических условиях.
Практическое значение работы заключается в разработке:
комплекса инженерных методик прогнозирования показателей и оптимизации режимных параметров процесса подземного сжигания угля для получения тепловой энергии, реализации оперативного контроля его эффективности и выбора оптимальных технологических и технических решений;
методов оперативного контроля полноты сгорания угля, результатов газового анализа получаемых при этом продуктов, определения низшей теплоты сгорания рабочей массы углей на основе их влажности, зольности и выхода летучих, экспериментального определения коэффициентов потерь и подсосов воздуха в воздухоподводя-щей выработке;
концепции формирования комплекса теплоэнергетического
оборудования для извлечения полезной энергии из продуктов подзем
ного сжигания угля;
о способа сжигания и газификации угля в подземных условиях на основе нагнетательно-всасывающего режима подачи воздуха в угольный канал (патент РФ 1760787);
новых технических решений по конструкции блоков сжигания
(патент РФ 1635634, авт. свид. СССР 1829503) и газоотводящей выра
ботки или скважины (патент РФ 1438805, авт. свид. СССР 1630378), по
зволяющих повысить энергетическую эффективность процесса сжига
ния угольных пластов (запасов) при одновременном снижении его от
рицательного воздействия на окружающую среду.
Достоверность н обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
корректностью постановки и решения задач в части выбора математических и физических моделей и расчетных схем;
использованием в исследованиях фундаментальных и апробированных положений термодинамики, теорий теплообмена, теплопроводное! и, горения и газификации топлив, молекулярно-кинетической
теории газов и физики горных пород для выявления закономерностей, протекающих в рассматриваемой гетерогенной термодинамической системе, физико-химических и тепловых процессов и их математического описания;
достаточным объемом и представительностью выполненных экспериментальных исследований в стендовых условиях по изучению процессов теплообмена на моделях угольного канала и газоотводяшеіі выработки и дожиганию горючих газов в ППСУ;
удовлетворительной сходимостью полученных теоретических результатов, в пределах допустимых погрешностей, с экспериментальными, полученными как в этой работе, так и заимствованными из работ других авторов.
Реализация выводов и рекомендаций работы осуществлена:
при разработке в 1985 ... 1990 гг. технических заданий и проектов сооружений и ввода в эксплуатацию участков подземного сжигания угля на шахте № 1 «Острый» ПО «Селидовуголь» (Донбасс), на шахте «Киреевская-3» ПО «Тулауголь» (Мосбасс), участка комбинированной технологии «ПГУ - ПСУ» на Южно-Абинской станции «Подземгаз» ПО «Киселёвскуголь» (Кузбасс);
при разработке технических заданий на сооружение участков ПСУ на шахте «Суртаиха» ПО «Киселёвскуголь» для отработки угольных запасов в зоне эндогенных пожаров в 1986 г. и на отработанной шахте .Nb 1 шахтоуправления «Калиновское» ПО «Шахтуїоль» (Восточный Донбасс) в 1993 г.;
при разработке в 1991 г. руководства «Типовые решения для составления проекта подземного сжигания остановленных в недрах запасов угля с получением энергии для бытовых и производственных нужд», утвержденного Корпорацией «Уголь России»;
при экспериментальном определении теплоты сгорания ТИТР (твердое искусственное топливо Ржевского) в проблемной лаборатории
«Разрушение горных пород» кафедры «Физика горных пород и процессов» МГГУ в 1986 ... 1987 гг.;
в учебном процессе б курсах «Термодинамика»,
«Геохимические процессы горного производства» и
«Геотехнологические способы разработки месторождений полезных ископаемых» для студентов специальностей 070600 «Физические процессы горного и нефтегазового производства» и 550601 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на IX Всесоюзной научной конференции «Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов» (Москва, 1987 г.); на X Всесоюзной научной конференции «Физические процессы горного производства» (Москва, 1991 г.); на научных конференциях и симпозиумах в рамках «Неделя горняка» (Москва, 1994, 1996 , 1997, 1998 гг.); на научной конференции «Экологические проблемы горного производства» (Москва, 1995 г.); на секциях Ученого совета ИГД им. А.А.Скочинского (Люберцы, 1986 ... 1996 гг.); на технических советах ПО «Тулауголь», «Селидовуголь», «Киселёвскуголь» (Тула, Селидово, Киселёвск, 1985 ... 1991 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 65 печатных работах, включая 8 учебных пособий, 3 патентах РФ и 5 авторских свидетельствах СССР.
Структура ж объем работы. Диссертационная работа общим объемом 547 страниц состоит из введения, 7 глав и заключения, содержит 75 рисунков, 42 таблицы, список использованных источников из 219 наименований.
. Автор выражает глубокую благодарность коллективам кафедр «Физика горных пород и процессов» и «Технология, механизация и организация подземной разработки угля» МГГУ за методическую помощь, ценные советы и замечания, высказанные в процессе выполнения работы, а также инженерно-техническим работникам вышеукшан-
ных ПО, принимавшим участие в проведении соответствующих экспериментальных исследований по теме диссертации.
Автор чтит память скончавшегося научного руководителя работ по Общесоюзной научно-технической программе 0.05.08 акад. АН .СССР В.В.Ржевского, оказавшего большую методическую помощь ч выполнении данной работы на начальных этапах.