автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Физико-техническое обоснование способов повышения энергетической эффективности процесса сжигания угольных пластов

?Гб од

2 2 ИЮН 1993

На правах рукописи.

ЯНЧЕНКО Геннадий Алексеевич

УД'К 622.278.06:662.746

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 05.15.11 — «Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации иа соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ).

Ведущая организация — Национальный научный центр горного производства ИГД им. А. А. Скочинского.

О Сг 1

Заихита диссертации состоится « . . . » 998 года

в . час. на заседании диссертационного совета Д-053.12.06 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, Ленинский пр., 6. Факс 237-64-88. _

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. К.РЕЙНИН Е. В., докт. техн. наук, проф. ШУВАЛОВ Ю. В., докт. техн. наук, проф. ЯРУНИН С. А.

Автореферат разослан

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. БАКЛАШОВ И. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 промыылскис развитых стран мира (США, Германия, Великобритания и др.), & 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 эяергсгике 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:!1:?«!! оправданное увеличение доли угля в топливной энергетике (пр^ны при минимальном отрицательном экологическом воздействии ка окружающую среду, являются чрезвычайно важными 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 к в юн-ливной энергетике. В результате энергетическая эффективное!ь получения поле »ной энергии из угля не превышает 20 %, на что впервые образ ил внимание в начале 80-х годов академик АН ГГСР

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) 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 груда 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 комплексною извлечения угля, газа и энергии на шахтах, обеспечивающую повышение протводтелыюстн труда в 5,0 - 6,0 раз но сравнению с традиционным способом добычи )1;1Я», рафлбоишных на 1486 - 1990 п. и 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 кш-лив. теплотехники, молекулярно-кинегической 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 вероятностен.

Ocisosiibis научные положения, выносимые на защиту:

1. При отсутствии данных об эньметш* cotia;-, углл помпа* isnu материального баланса процесса его подземного ежнгания вне зависимости от полноты сгорания угля г.огут быть расодшны на основании его приведенных характеристик (по Я.Л.Пехкеру) и данных о низшей теплоте сгорания рабочей массы угля и её влажности.

2. Для той интенсивности теплообмена, которая имеет место в угольном канале и газоотводящей выработке, времени a ;í коэффициент формы цилиндрической полости (по А.Ф.Воропаеву) является функцией критериев Фурье и Био.

3: При оценке потерь тепла потохом продукт.:- „горения в окружающую среду процесс реального ко^адуктивно-конвелтивно-яучисгого теплообмена в угольном канале может бшь с^гдсе. к модгли -.онвекишно-лу чистого 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.

4. Средняя температура горения угольных стенок ТУи в канале тесно связана с температурой продуктов сгорания на выходе из него Тк, при этом в диапазоне Т* = 800 ... 1600 К и содержании горючих газов в продуктах сгорания не более 4 % взаимосвязь между этими температурами близка к линейной.

5. При удельных водопритоках в угольный канал g^ > 1,0 ... 1,5 кг воды / кг угля, при сжигании бурых углей, и g»oa > 2,5 ... 3,0 кг воды I кг угля - каменных, происходит измененне режима горения угля с наиболее эффективного диффузионного на переходный и даже кинетический, что делает невозможным управление процессом подземного сжигания угля только за счет изменения резкими» иодичн воздуха.

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 Ыт 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 С?^тесно связана с выходом летучих У4"';

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:

1. 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.

2. Сформулированы условия получения в угольном канале продуктов сгорания с максимальным запасом физического тепла и минимальным содержанием экологически вредных компонентов.

3. 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:, СО, ЬЬ; массовой скорости сгорания угля; коэффициента избытка воздуха а в продуктах сгорания в широком диапазоне изменения их срсгава (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 Я02макс = С02макс + 502иш1С , 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.

5. Вскрыты основные закономерности: формирования материального и теплового балансов процесса подземного сжигания утя при появлении в продуктах сгорания горючих газов и их последующем дожигании; показателей физических свойств продуктов сгорания, формирующих тепловой баланс процесса, в широком диапгзоне изменения

»

их состава (от продуктов полного сгорания до продуктов га-

• зификации угля) при Т = 273,15 ... 1573,15 К; формирования показателей материального и теплового балансов процесса подземного сжигания угля при использовании в качестве окислителя низкоконцен-грированных метано-воздушных смесей.

6. Выявлен вид взаимосвязей между жаропроизводительностью углей Т«.кс и низшей теплотой сгорания их рабочей массы , рабочей влагой XVи зольностью А1* , ¡1 в обоснованных двух группах углей по их природному виду (бурые и антрациты с каменными) - между нш-

6

шей теплотой сгорания сухой беззольной массы углей О,41' и выходом летучих У1*'.

7. Разработана математическая модель и выявлены основные закономерности процесса конвективно-лучистого теплообмена ь угольком канале и газоотводящей выработке.

8. Получены зависимости, описывающие закономерности формирования длины зоны горения Ъ угля в угольном канале при диффузионном и переходном режимах и тепловой мощности потока продуктов сгорания на выходе из угольного канала Ыг к при диффузионно?.; режиме горения, установлен характер влияния на эти показатели основных внутренних и внешних факторов (водоприток, теплота сгорания углей, мощность сжигаемых угольных пластов ш и т.д .).

9. Вскрыты основные закономерности изменения КПЛ 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 из газоотводящей выработки обеспечивается только за счет роста скорости сгорания угля при сохранении диффузионного режима горения.

10. 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 значенне работы заключается в выявлении ос.чозиых закономерностей формирования параметров процесса сжигания угольных пластов (запасов) для получения тепловой энергии, а также п 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 подземного сжигания угля;

в 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 выработки или скважины (патент РФ 1438805, авт. свид. СССР 1630378), позволяющих повысить энергетическую эффективность процесса сжигания угольных пластов (запасов) при одновременном снижении его отрицательного 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, теплопроводности, горения и газификации топлнв, молекулярно-кииетичеекой

8

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 газоотводяшей 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 № 1 шахтоуправления «Калиновское» ПО «Шахтуголь» (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 в 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 вышеукапш-

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Потребление энергии в стране во многом определяет уровень и темпы развития её производительных сил. Увеличение на ! % общественной производительности труда требуег минимум такого же увеличения его энерговооруженности. Это и предопределило довольно резкое увеличение, более чем в 3 раза, потребление в мире первичных топливно-энергетических ресурсов за последние 50 лет. Более 70 % из них приходится на основные органические топлива: нефть, природный газ, уголь. Их запасы в России довольно большие и позволяют ей не только полностью обеспечивать себя этими видами топлив, но и экспортировать их в довольно большом количестве. Однако в формировании топливно-энергетического баланса России в настоящее время приоритет отдан использованию в топливной энергетике продуктам переработки нефти и природного газа, что в корне противоречат тенденциям развития топливной энергетики промышленно разьитых стран Запада. В них нефть и газ в основном рассматривают как ценнейшее химическое и технологическое сырье, а в топливной энергетике в основном используется уголь. Увеличение доли угля в топливной энергетике страны позволит не только увеличить сроки сё самообеспечения нефтью и газом, но и увеличить использование последних в качестве химического и технологического сырья . Это даёт неизмеримо больший экономический эффект. Рассчитывать на вытеснение цефш и природного газа из топливной энергетики России другими источниками энергии пока не приходится.

Выполненный в работе анализ показывает, что обеспечить приоритетное использование угля в топливной энергетике возможно только на базе новых технологий его добычи и переработки его химической энергии в тепловую. Используемые в настоящее время технологии в определенной степени морально устарели, особенно в угольной промышленности, о чем свидетельствуют их довольно низкие экономические показатели и наносимый ими значительный экологический ущерб окружающей среде. На сегодняшний день из всех известных нетрадиционных технологий добычи угля наиболее перспективными для разработки энергетических углей остаются технологии, базирующиеся на способах ПГУ и ПСУ.

В России к настоящему времени накоплен более чем 60-летний и в целом положительный опыт применения ПГУ в различных горногеологических условиях его залегания. Большие исследования в области ПГУ проводятся в настоящее время в США, Англии, Бельгии, Японии и других странах. Наибольший вклад в разработку теоретических и практических вопросов ПГУ внесли советские и российские ученые: З.Ф.Чуханов, П.В.Скафа, А.А.Агроскин, Г.О.Нусинов; Р.И.Пнтин, Н.В.Лавров, Б.В.Канторович, Е.В.Крейнин, К.Н.Звягинцев, М.К.Ревва и многие другие.

Исследования, выполненные в последнее время в ИГД им. А.А.Скочинского под руководством докт. техн. наук Е.В.Крейнина, позволили сформулировать условия экономически целесообразного применения технологии ПГУ. Наиболее важные из них: минимальная мощность станций «Подземтаз» - 300 МВт (примерно 800000 т газифицируемого угля в год); минимальный срок эксплуатации - 30 лет; удельный водоприток §>вод 2 1,0 кг воды / кг угля (далее размерность будет опущена). Такие довольно жесткие условия сужают область рационального применения технологии ПГУ. Она может быть применена дчя отработки не более 22 % балансовых угольных запасов России. Для опальных угольных запасов, не говоря уже о брошенных запасах угли

на действующих и закрываемых угольных предприятиях и относительно небольших забалансовых угольных запасах (это десятки миллиардов тонн), применение технологии ПГУ экономически нецелесообразно. Здесь наиболее рационально применение технологии ПСУ.

Обзор исследований в области разработки научных основ процесса и технологии ПСУ для получения тепловой энергии показывает, что приоритет в этом вопросе в настоящее время принадлежит бывшим советским и российским ученым. Наибольший вклад в становление и разработку этого вопроса внесли такие ученые и производственники, как В.В.Ржевский, А.С.Бурчаков, Ю.Ф.Васючков, Е.И.Глузберг, Г.И.Селиванов, А.П.Килячков, А.Б.Ковальчук, С.А.Ярунин, В.С.Ямщиков, В.Л.Шкуратник, М.Г.Кипнис, И.М.Закоршменный, В.А.Серов, С.В.Янко, А.Н.Засульский, В.М.Макридин и другие. Выполненные во второй половине 80-х годов экспериментальные исследования технологии ПСУ в натурных условиях разных угольных бассейнов (Донбасс, Кузбасс, Мосбасс), в ряде которых автор принимал непосредственное участие, дали в целом положительные результаты (см. табл. 1). Однако уровень теоретических разработок не позволил полностью реализовать в экспериментах все потенциальные возможности этой технологии. В результате резкого сокращения финансирования данные эксперименты в конце 80-х годов были практически прекращены.

Как известно, процессы ПГУ и ПСУ при выходе на стационарные режимы протекают в условиях угольного канала (УК), стенки которого образованы углём (угольная стенка) и вмещающими породами (породная стенка).

Анализ процессов формирования состава газа в УК достаточно большой 1К показывает, что процессы обмена энергией, лежащие в основе процессов ПГУ и ПСУ, довольно близки по своей природе и относятся к одному классу термохимических процессов взаимодействия газообразных окислителей с поверхностью твердых органических топ-

лив. Процесс ПГУ, с точки зрения перевода химической энергии угля в физическое тепло, получаемых в УК газообразных прочуктов подземной газификации угля (ППГУ) можно рассматривать, как теоретически самый неэффективный процесс ПСУ. Условие получения в УК продуктов подземного сжигания угля (ППСУ) с максимальным запасом физического тепла и минимальным содержанием экологически вредных компонентов (горючие газы, пары каменноугольной смолы) - 1г = 1к . Условия реализации процессов газификации в УК: 1к = (8 ... !0)1г, а температура ( Т ) ППСУ на выходе из зоны горения должна быть не менее 1000 К.

Наличие при ПСУ в УК только одной зоны обмена энергией, а именно только зоны горения с 1Г = (0,1 ... 0,125) 1гв1, где Irai - длина зоны газификации, а также отсутствие жестких ограничений по температуре ППСУ предопределяют не такую сильную зависимость эффективности процесса ПСУ от различных внешних неблагоприятных факторов, как при ПГУ, и позволяют отрабатывать технологией ПСУ довольно небольшие в плане угольные запасы, которых, согласно оценке акад. В.В.Ржевского, скопилось в недрах земли в основных угледобывающих регионах СССР на начало 80-х годов порядка 20 млрд. тонн.

Исследования процессов формирования при ПСУ передаваемой потребителям полезной энергетической мощности Nubix показали, что её формирования в общем случае происходит на 7 характерных участках: 1 - тягодутьевая установка; 2 - воздушная магистраль; 3 - воз-духоподводящая выработка (ВВ) ; 4 - УК; 5 - газоотводящая выработка (ГВ); 6 - теплоэнергетический комплекс; 7 - энергопередающая сеть. На каждом нз них происходит как уменьшение энергетической мощности A N,' , так и увеличение её Л Ni" , где i = 1, ..., 7. Выходная энергетическая мощность каждого i-ro участка N, = N,. 1 - Д N,'+ A N,". Эффективность формирования N, наиболее полно оценивается с помощью предложенных коэффициент энергетической эффективное!и

({>.' = N¡/N¡.1 и КПД формирования ^¡ = N¡/(>1;. | + Д К,"). Они позволяют не только оценивать энергетическую эффективность принимаемых тех или иных решений, но и дают возможность при наличии опытных данных прогнозировать ожидаемые показатели процесса ПСУ в соответствующих горно-геологических условиях.

В общем случае

Ывых = Ид фэ06 = Ыд /7 ф,' = (Ид + £ А N¡'0 ( 1)

I I

где - мощность двигателя тягодутьевой установки; фэ°6, Т]°б - общие коэффициенты энергетической эффективности и полезного действия ПСУ.

Эффективное преобразование энергии потока ППСУ в необходимую потребителям полезную энергию возможно только при полном согласовании параметров применяемого теплоэнергетического оборудования с параметрами потока ППСУ на выходе из ГВ (энергетической мощности ЫГв, температурой Т™, реальным объемным расходом составом Сипсу и т.д.), которые в принципе и определяют эффективность извлечения энергии и её качество непосредственно при ПСУ.

В общем случае Ыгв определяется физическим и химическим теплом ППСУ, скрытой теплотой испарения находящихся в них паров воды и кинетической энергией потока, которой можно пренебречь:

= {Сг(Т„ ...Тп)0\,-То) + + 1,243сГг)] +

+ [г„ ¿'г/(1 + 1,243 сГ,-)]} <3,1\ <2>

где Сг(Т0 ... Т,„) - изобарная объемная теплоемкость ППСУ. усредненная в интервале температур То ... Т™ , кДж / (нм3-К) (здесь и далее везде запись им3 означает нормальный метр кубический, т.е. рассматриваемая объемная характеристика газа отнесена к нормальным физическим условиям: Т„ = 273,15 К и Ро = 101325 Па): <31',г - низшая теплота сгорания ППСУ на сухое состояние, кДж / им'; - вяагосод';рж,:ние

Г1Г1СУ, кг п.в / нм3 с.г (здесь и далее везде: п.в - пары воды; с.г - сухой газ; с.в - сухой воздух); ги - удельная теп юта испарения 1.оды, кДж / кг.

В связи с тем что точное определение величин ф,' и п> зачастую связано с большими трудностями, в работе предложен метод приближенной оценки эффективности извлечения энергии при ПСУ, только на основании данных на выходе из ГВ.

Прогнозирование показателей извлечения энергии при любом термохимическом процессе взаимодействия окислителя и топлива невозможно без знания закономерностей формирования материального баланса этого процесса.

При ПСУ могут иметь место два случая, когда имеются данные об элементном составе сжигаемого угля и когда таковые отсутствуют. Последнее характерно для сжигания небольших забалансовых угольных запасов.

В первом случае все необходимые теоретические показатели материального баланса (объемы воздуха и ППСУ, отнесенные к 1 кг рабочей массы угля, объемные расходы сухих Ос и влажных (}г ППСУ, массовая скорость сгорания угля Су) в принципе могут быть получены, что и сделано в работе, на основании баланса любого из участвующих в процессе горения элементов угля и воздуха. Наличие ряда однотипных формул позволяет, в зависимости от имеющихся исходных данных о составе реально полученных ППСУ, выбрать для оценки показателей материального баланса процесса ПСУ наиболее приемлемые формулы. Оценка точности этих формул показала, что для практических расчетов наименее подходят те, которые получены на основе баланса горючей серы.

Второй случай предопределяет использование приближенных методов расчета. Анализ таких методов показал, что для условий ПСУ наиболее приемлем метод, разработанный .Я.Л.Пеккером для расчетов показателей процесса полного сгорания углей в воздухе. В основу метода положены приведенные характеристики углей, являющиеся но-

16

статными в пределах каждой из 8 их групп. В работе доказана возможность применения приведенных характеристик углей для оценки показателей материального баланса процесса ПСУ не только в режиме полного сгорания, но и при появлении в ППСУ горючих газов. В первом случае взаимосвязь между Ос.г и теоретическим объемным расходом подаваемого в УК сухого воздуха С^.в имеет вид

<3сг = (}<:» (а+ 0,01 -х-0,21), (3)

а во втором

<3с Г = х- С5с.в / [а (СОг + Б02 + СО + СН4 + 2С2Н4 + НзБ)], {4) где а - коэффициент избытка воздуха в ППСУ; д- - приведенная характеристика угля по Я.Л.Пеккеру, % ; СО2.....ШЭ - содержание

соответствующих газовых компонентов в сухих ППСУ , % ; [Ос. , Осв] = нм3/с . Из ( 3 ) и ( 4 ) следует, что при полном сгорании угля (}с.г / Осв = К = 0,95 ... 1,0, а при а = 0,4 ... 0,5 (состав ППГУ) -К = 1,4 ... 1,5, Точность полученных приближенных формул вполне приемлема для практических расчетов.

Такая важнейшая характеристика материального баланса процесса ПСУ, как теоретическая массовая скорость сгорания угля 0>, может быть рассчитана на основании данных о величинах 0СВ и С?С г. На входе в ВВ экспериментально замеряются объемные расходы влажного воздуха <3в, которые элементарно пересчитываются на С?,.-,,, а на выходе из ГВ - реальные объемные расходы влажных ППСУ (},», также довольно легко пересчитываемые на С}Рс.г. Поэтому на практике Си может быть оценена только с помощью С2в. Величину С>г для оценки 0> необходимо определять уже расчетным методом, например с помошыо ( 3) и ( 4). Использование же в формулах для расчетов Бу 0,1' дает при ПСУ в режиме отсоса ППСУ не теоретическую, а реальную массовую скорость сгорания угля 0>|\ При ПСУ п режиме нагнетания воздуха

экспериментально замеряемые О» и СМ1 позволяют оценивать в/ только при учете потерь воздуха и ППСУ в окружающую среду.

Исследования закономерностей ПСУ с помощью математической модели этого процесса предопределяют необходимость целенаправленного изменения составов рассматриваемых ППСУ, причем как на сухое, так и на влажное состояние.

Если варьирование величиной сГг в диапазоне от <1'г.„,,„ до сГг,™*, где ¿'г.пш > <3'г,1ШХ - <Гг при соответственно, ¡^оД = 0 и ¡>>д = шах в рассматриваемых горно-геологических условиях может осуществляться произвольно, то при варьировании составом сухих ППСУ необходимо всегда соблюдать баланс элементов угля и воздуха в соответствии с установленными в работе закономерностями - как для режима полного сгорания угля, так и при появлении в ППСУ горючих газов: СО, Нг, СН-1. В отличие от метода оценки состава продуктов сгорания топлив на основе констант равновесия, предложенный в работе метод не увязывает Сппсу с их температурой Т.

Возможность варьирования Сппсу позволила выявить характер влияния СО, Нг, СН4 на формирование (}с.г и ву. Установлено, что в наибольшей степени появление этих газов изменяет (увеличивает) и наиболее сильно проявляется это при появлении в ППСУ СШ При СН4 = 2 % Су увеличивается в 1,25 раза при а = 1,0 и практически в 1,5 раза при а = 2,0. Вскрытые взаимосвязи однозначно указывают на необходимость обеспечения высокой точности газового анализа ППСУ и оценки величин а . Иначе возможны серьезные ошибки в определении величин и О,.

Для расчета а в продуктах сгорания различных топлив в настоящее время предложено довольно много различных методов. Однако область их применения ограничивается содержанием горючих газов, характерным для продуктов сгорания, получаемых в наземных топочных установках. В ППСУ, не говоря уже о ГШ ГУ, содержаний го-

рючих газов значительно больше. В работе прредложен новый метел расчета а в ППСУ, обеспечивающий получение приемлемой точности (относительная погрешность е„ < 5 % ) в очень широком диапазоне изменения их состава (от продуктов полного сгорания до состава, характерного составу ППГУ). Все необходимые для расчетов а (сходные данные вычисляются на основании данных газового анализа ППСУ и приведенных характеристик углей.

Для реального процесса ПСУ, осуществляемого в режиме нагнетания воздуха в УК, характерно наличие потерь воздуха и ППСУ в окружающую среду, а при отсосе ППСУ - подсосы воздуха из неё. Поэтому реальные показатели материального баланса процесса ПСУ отличаются от теоретических. При нагнетании воздуха наиболее точно показатели материального баланса процесса ПСУ определяются, когда суммарные потери воздуха и ППСУ, оцениваемые общим коэффициентом потерь Кп, будут разделены иа потери непосредственно воздуха и ППСУ (в практике ПГУ потери воздуха и ППГУ принимаются равными), а при отсосе ППСУ достаточно знать суммарные подсосы воздуха, оцениваемые общим коэффициентом подсоса Кпод.

Если, обозначить координату входа в ВВ как 7л, входа в УК -Ъ\, входа в ГВ - Ъг, а выхода из ГВ - Ъъ< то величины К„ и К„од определяются как

к„ = к„(го... И) = 1 - [(Уо (г3) / дсг (г3)]; (5)

Кпоя = к„„л(го... г5) = [р"с(&) I о,.г (&)] -1, 'ь)

где (Ъ'сх (2з) , Ост (2з) - реальный, экспериментально определяемый, м теоретический объемные расходы сухих ППСУ на выходе из ГВ. им3 / с.

Средние за рассматриваемый промежуток времени т коэффициенты потерь К„(2у ... Ъ\) и подсосов К„о.,(2о ... '¿¡) воздуха в ГЕ могу! быть определены следующим образом:

... г,) = 1 - [Ы;г а (¿т.) I '-/с„.л„1 ; С»

К„сД(2о... 1\) = [Мур а (г2) У°с.в / Уев,общ] - 1 , (8)

где Мур - масса реально сгоревшего уг.г я за время т , к: ; У0С.» - теоретический объем сухого воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг рабочей массы угля, нм3 / кг угля; Ус.в,общ - общий объем поданного ! в ВВ за время т сухого воздуха, нм3; а (¿г), а (2г) - а .'рассчитанные по данным газового анализа ППСУ на выходах из ГВ и УК.

Для случая, когда газовый анализ ППСУ на выходе из УК невозможен, разработан метод экспериментального определения Кподф ... ¿0 при ПСУ в режиме нагнетания воздуха. Величины К„(2л) ... 2|) и Кпол позволяют увязать между собой все реальные и теоретические показатели материального баланса процесса ПСУ.

Наличие внешнего водопритока и подсосов воздуха в ГВ и потерь ППСУ из неё приводят к изменению их От и Слпсу, что в конечном итоге сказывается на величине Тг». Использование гипотезы о линейном характере изменения Кп(гг ... Т) или КподФ — Z), где Ъг<Ъ<, 23, по длине ГВ и понятия о средней массовой скорости внешнего водопритока на единицу длины ¿во^Лг ... 1-ъ) в ГВ позволили вскрыть основные закономерности изменения (}г и Снису в ГВ для обоих рассматриваемых режимов подачи воздуха в УК.

Появление горючих газов в ППСУ не только снижает запас физического тепла в них, но и увеличивает их 'отрицательное влияние на окружающую среду. Их ликвидация путем дожигания определенным образом сказывается на объемных характеристиках ППСУ. В зависимости от содержания в ППСУ Ог при дожигании горючих газов могут иметь место 3 случая; 1 - й - СЬ > Ог", где Ог" =»,5СО +0,5Нг + +2СН4 +1,5Нг5 + +3,02СгН4 - необходимое содержание кислорода в ППСУ для обеспечения, полного дожигания их горючих газов, %; 2-й - О2 = 0; 3-й - 0 < Ог < Ог". Во 2 - м и 3 - м случаях, необходима подача в ППСУ дополнительного воздуха. Анализ материальных балансов реакций полного окисления горючих газов в Ог ив дополни-

телыю подаваемом воздухе позволил выявить основные закономерности изменения объемных характеристик ППСУ при дожигании в них горючих газов. Так , например , при Oj > О2" взаимосвязь между Qc.i-.и объемным расходом полученных сухих продуктов полного сгорания Qu e имеет вид: .

Qnc = Qcr(l -0.01М), (9)

где М = 0.51СО + 1,5Н2 + 2,01СН4 + 1,53H2S + 2,02С2Н4; [Q„ c, Qc.r] = нм5 / с ; [СО,.... С2Н4] = % .

Анализ выявленных закономерностей показывает, что при О2 > Огн объемные характеристики ППСУ на сухое состояние уменьшаются, при О2 = 0 - увеличиваются, а при 0 > Ог > Огн ч зависимости от соотношения О: / О:" либо увеличиваются, либо уменьшаются.

Температура ППСУ на выходе из УК Тк может быть определена из уравнения теплового баланса сгорания угля в УК, отнесенного к 1 кг рабочей массы сгораемого угля:

Тк = (Q,r + q.i>,y + Яф.» + qit.noj - qx.r - q« - qj - qnor) I

/[VrpCr(To...TK)] + T„, (10)

где q(j,.y , Чф.и, ЧФлол - физическое тепло участвующих в процессе горения угля, воздуха и воды внешнего водопритока, кДж/кг угля; qx., , q» - химическое тепло и скрытая теплота испарения паров воды внешнего водопритока, кДж / кг угля; q,, qnor - потери тепла на нагрев золы ( шлаков) и в окружающую среду, кДж 1 кг угля; Vri' - реальный объём ПГТСУ, получаемый при сгорании 1 кг рабочей массы угля п УК , нм'/ угля; Q' - низшая теплота сгорания рабочей массы угля, кДж/ кг.

Количественная оценка формирования теплового баланса сгорания угля в УК показывает, что если конструкция блока сжигания не предусматривает предварительного подогрева угля и воздуха, то ЧФл + од.в + q,],.,».! = (0,01 ... 0,02)Qir. Даже при относительно небольшом содержании в Г1 ПСУ горючих газов q*> может достигать довольно больших величин до 10 ... 30 % от Q', причем величина qv.r зависит не

только от содержания горючих газов, но и от а . Довольно больших величин может достигать и qH . Причем отрицательное влияние внешнего водопритока на Тк сильнее проявляется в низкокачественных углях, В каменных углях каждый килограмм попадаемой в УК воды уменьшает запас физического тепла в ППСУ на 8 ... 12 % , а в бурых -до 25% . Величина q3 составляет 1 ... 2 % от Q,1.

Величина qnoi определяется как:

Чпот = Q(0 ... тк) Sn.c / (m2 ру Ik), (II)

где Sac - площадь породных стенок УК, м2; m - мощность сжигаемого угольного пласта ,м ; ру - объемная плотность угля, кг / м3; Q(0 ... Тк) -количество тепла, поступающего в породные стенки УК через 1 м2 их площади за время от начала нагрева т = тн = О до окончания т = т*, кДж / м2, определяемое как:

Q(0... Тк) = (Тг.ср - Тп) Т\к, dT> (12)

где Тг.ср , Ти - средняя температура газовоздушного потока по длине УК и начальная температура окружающих УК пород, К; К, - текущий коэффициент нестационарного теплообмена между газовоздушным потоком в УК и его породными стенками, являющийся функцией времени, кВт / (м2 • К).

Для определения т* и К, необходимы данные о форме и размерах поперечного сечения УК. В связи со сложностью процессов формирования этого сечения в результате совместного действия сил горного давления и высокой Т, до настоящего времени нет более-менее обобщающих рекомендаций по оценке формы и размеров сечения УК.

Сделанные в работе анализ и обобщение ьсех исследований, выполненных по этому вопросу в области ПГУ, показали, что если кровля угольного пласта не нарушена предыдущими горными работами, то при оценке потерь тепла в окружающую УК среду его поперечное сечение можно рассматривать, как прямоугольное с высотой

ах - 0,45ш и шириной Ь* = ш с двумя, вертикальной и горизонтальной, угольными стенками относительной площадью 50 %.

Расчет К, по точной формуле, предложенной в 50 - х годах А.Н.Щербанём и О.А.Кремнёвым, связан с определенными трудностями даже при использовании современной вычислительной т. .ники. Поэтому, в работе предложен приближенный метод расчета К, , в основу которого положен временной коэффициент формы цилиндрической полости Фц , предложенный А.Ф.Воропаевым. При этом было установлено, что для той интенсивности теплообмена, которая имеет место в УК, Фц является функцией не только критерия Фурье Бо, но и критерия Био Вт Последнее позволило уменьшить погрешность в вычислениях К, до еп £ 10 % . В-процессе исследований было установлено, что при ^ Бо 2 3 - 2 1й В1 для расчетов К, вполне приемлема (еп £ 15 %) более простая приближенная формула К, =0,5 г-/1 • где Лп - коэффициент теплопроводности породы, кВт / (м-К); г, - эквивалентный диаметр канала, в котором происходит нестационарный теплообмен, м, предложенная А.Н.Щербанём н О.А.Кремневым для расчетов Кх в выработках вентилируемых от 1 года до 50 лет.

Анализ величин Япот показал, что при -» 0 и реализации в УК процесса полного сгорания угля величина тепловой мощности на выходе из УК N. к достигает величин 80 ... 90 % от РГОу . Более высокие ЭДг.к характерны для повышенных Оу и окружающих пород с невысокими Хп. При этом Тк может достигать величин 1600 ... 2000 К.

Выполненная в работе теплотехническая оценка процесса дожигания показала, что его реализация в реальных ППСУ позволяет только за счет qx.г увеличить их Т на 200 ... 500 К. Такое повышение Т может потребовать применения принципиально другого типа теплоэнергетического оборудования для извлечения полезной энергии из

11ПСУ. Ориентировочно увеличение Т ППСУ при дожигании в них горючих газов ДТдо* можно определить ь-ак:

ДТдож = 70 СО» + 60 Н2»'+ 200 СН-.» + 330 С2Н48 +131 H2S», где СОв.....H2SB - содержание горючих газов во влажных ППСУ , % .

Уменьшение Т ППСУ в ГВ происходит за счёт потерь гми тепла в окружающую среду, на нагрев подсасываемого воздуха и на испарение воды внешнего водопритока . В зависимости от используемой технологической схемы и конструкции блока сжигания длина ГВ 1Гв может изменяться или быть постоянной . Изменение 1™ будет определяться линейной скоростью выгорания вертикальной угольной стенки и,ор и временем отработки угольных запасов т . Полученное в работе уравнение для расчёта Т ППСУ в сечении ГВ с координатой Z2 < Z < Zj имеет вид:

T,(Z) = Д-> < [Д(ТК - То) + Д i„ gW(Zj... Z)] ехр{- -Z2) /

/ [Сг(То... Tr (Z)) QrP (Z2... Z)]} - Л in ё'вод(г2... Z)] > + То . ( 13 ) где Д = KX(Z2 ... Z)-K-d3 + l,243g'B„;i(Z2 ... Z) ■ Cn(To ...Tr(Z)) + +QB,noS(Z2...Z) (Z - Z2)'1 CB (Tb ...Tr (Z)); Z2 = const или Z2 = Z2 (urop,t ,7); Ошр- скорость выгорания угольной стенки, м/с ; Ai„ - изменение условной удельной энтальпии водяного пара в диапазоне от начальной температуры воды ТВОД=280...290 К до Т=373,15 К, определяется как Д i„= = 3108 - 2,26Твод, кДж I кг; Kt (Z2...Z), ё'вод (Z2...Z) - К,, кВт / (м2 • К), и ё'вод, кг / (м • с), усредненные по длине от Z2 до сечения с координатой Z ; Qrp(Z2...Z), QSlnofl(Z2...Z) - средний реальный объемный расход ППСУ и объемный расход подсасываемого в ГВ воздуха на её участке от Z2 до Z, нм3 / с; Сг (То ... Tr (Z)), Сп (То ... Tr (Z)) - усредненная в диапазоне То ... Тг (Z) изобарная объемная теплоёмкость соответственно ППСУ состава , усредненного по длине рассматриваемого участка ГВ, и водяного пара. кДж / (н.м' ■ К); d, - эквивалентный диаметр ГВ, м; у - угол между осью Z и вектором ишР, градус: Cu (Tu...Tr (Z)) - изобарная объ-

емная теплоемкость воздуха, усредненная в диапазоне Т от начальной температуры воздуха Тв до Т,(2), кДж I (им5 • К).

При 2 = 2з Тг(2) = Тп>. Использование в ( 13 ) <3,^ (2:... Ъ) позволяет учитывать влияние на Тг (2) как потерь ПГ1СУ из ГВ, так и подсосов воздуха в неё. Часть входящих в ( 13 ) исходных величин являются функцией не только Т, но и координаты 2. Это предопределяет использование специального метода расчета Тг©, подробно рассмотренного в работе.

Анализ (13) показывает, что наибольшее влияние на формирование Тг» оказывают 1гв, А, в'вод (7-2... 2з), время эксплуатации ГВ ъ и теплофизические свойства окружающих пород. Влияние потерь ППСУ и подсосов воздуха значительно слабее. Увеличение тэ до ¡00 ... 200 суток и более и Оур в определенной степени снижает отрицательное влияние на Тг» 1ге, А, д'вод (22... 2з). При g'в0л (¿г ... 2э) = 0 и согласовании 1гв, 4>, Тэ , Х„ , ап, где ап - коэффициент температуропроводности породы, м2/ с, с СуР, потери тепла в окружающую среду можно свести к минимуму и в течение т = (0,8 ... 0,9) тэ обеспечить получение ППСУ с Тг» £ (0,8 ... 0,9)ТХ.

Количественная оценка статей теплового баланса процесса получения тепловой энергии при ПСУ невозможна без данных о температурных зависимостях средней изобарной объемной теплоемкости

ППСУ С(То ... Т), их показателя адиабаты К(Т), коэффициентов теплопроводности Хг(Т), кинематической \'Г(Т) и динамической г),(Т) вязкости, критерия Прандтля Рг(Т). Отсутствие в литературе таких данных предопределило проведение комплекса исследований всех вышеуказанных свойств в поле Т. Упор был сделан на использование расчетных методов определения показателей соответствующих свойств, в основу которых положены температурные зависимости этих свойств у газовых компонентов ппсу. Последние были уточнены на основании послед-

них экспериментальных данных (в основном стандартных справочных данных).

Для расчетов Сг(То... Т), 1с и Рг были использованы известные

классичег ие методики. Для'расчетов уг и т]г наиболее приемлемой оказалась эмпирическая формула Манна, точность которой для таких сложных газовых смесей, как реальные ППСУ, была повышена путем введения в неё эмпирического температурного коэффициента. Для расчетов Яг была разработана новая методика, в основу которой положены эмпирические формулы С.А.Улыбина и Брокау.

В результате выполненных исследований выявлены основные закономерности формирования всех указанных выше теплофизических свойств при Т = 273,15 ... 1573,15 К в широком диапазоне тизменения состава ППСУ (от продуктов полного сгорания с а = 1,0 до ППГУ). Их анализ позволил рекомендовать для практических расчетов теплофизических свойств ППСУ ряд довольно простых расчетных формул, использование которых не требует точных данных о составе ППСУ, и одновременно показал, что с точностью, вполне приемлемой для.практических расчетов, реальные сухие ППСУ, содержащие не более 4 ... 5 % горючих газов, можно рассматривать как сухие продукты полного сгорания угля в воздухе с определением а по содержанию свободного Ог в ППСУ. Наличие водяных паров в ППСУ довольно сильно влияет на показатели всех теплофизических свойств за исключением к .

Полученные в работе обобщенные зависимости С,(Т<> ... Т). у,(Т), г|,(Т) и Лг(Т) для реальных сухих ППСУ, позволяют при переходе к влажным ППСУ, довольно точно рассчитывать показатели этих свойств, используя модели двухкомпонйнтной (сухие ППСУ и пары воды), а при необходимости и более точной трехкомпонентной (продукты полного сгорания угля в воздухе с а = 1,0, избыточный

воздух н пары воды) газовых смесей. Аналогичные результаты получены и для ППГУ.

Передача тепла в окружающую среду из УК и ГВ осуществляется в ходе сложного теплообмена между потоком ППСУ и породными стенками этих каналов. В УК проходит кондуктивно-конвективно-лучистый теплообмен, а в ГВ - конвективно-лучистый. Исследования показали, что применительно к оценке потерь тепла в окружающую среду реальный теплообмен в УК можно заменить моделью конвективно-лучистого теплообмена, характерного для ГВ. Закономерности этого теплообмена в общем виде хорошо описываются взаимосвязями, выявленными при фундаментальных исследованиях по отдельности конвективного и лучистого теплообменов при движении газообразных теплоносителей в каналах. При этом средний по длине УК или ГВ суммарный коэффициент теплоотдачи конвстнвно-лу чистого теплообмена ат может быть определен как: аг = ак + а„ , где ак , аи - средние по длине УК или ГВ коэффициенты теплоотдачи при конвективном теплообмене и результирующем излучении, кВт/(мг • К).

Установлено, что наиболее полно и точно все особенности конвективного теплообмена в УК и ГВ описываются следующим уравнением:

Ми = Ыиоо Бш Е, Едт Бгор, (14)

где Ми = ак & //., - средний по длине УК или ГВ критерий Нуссельта; Ни,, - N11 при стабилизированной конвективной теплоотдаче в УК или ГВ, т.е. при I* и и -» х>; 8Ш , £, , £лт , Е3 , С11;р - поправочные эмпирические коэффициенты, учитывающие влияние на а» соответственно шероховатости стенок каналов, их длины, температурного напора, запыленности газового потока, и протекающих в УК реакций горения.

Для расчетов N11« в УК и ГВ наиболее приемлема формула, предложенная акад. АН СССР М.А.Михеевым для расчетов ак 1 т

турбулентном течении жидкости и газов в каналах. Величины поправочных коэффициентов в ( 14 ) определялись в работе на основании результатов экспериментальных исследований процессов теплообмена в моделях УК и ГВ в стендовых условиях.

Величина а„ в УК и ГВ в общем случае определяется следующим образом:

а« = [(! - Дпс) ан у (Туе - Тп.с) / Д Тер] + а„.г, (15 )

где сси.у, <Хи.г ~ усредненные по длине УК или ГВ коэффициенты теплоотдачи излучением от угольных стенок и потока ППСУ породным стенкам УК или ГВ, кВт / (м2 • К); Ту.с - средняя по длине УК температура горения угольных стенок , К ;Т„С - средняя по длине УК или ГВ температура их породных стенок, К; Л Тср - средний по длине УК или ГВ температурный напор, А Тч> = Тг,Ф - Т„с ; Дне - средняя поглоща-тельная способность потока ППСУ в УК.

Анализ фундаментальных исследований в области лучистого теплообмена в каналах позволил выявить основные закономерности формирования величин any и a« г в УК и ГВ, и выбрать для их количественной оценки наиболее приемлемые расчетные формулы. Проверка их пригодности для практических расчетов a,,.y и а,,, была проведена в ходе отмеченных выше экспериментальных исследований.

В связи с довольно большой трудоёмкостью исследований процессов теплообмена в стендовых условиях, они были объединены с экспериментами по физическому моделированию процесса ПСУ. Замеры параметров теплообмена в моделях УК и ГВ осуществлялись в основном на начальных этапах моделирования, т.е. до первого обрушения слоя налегающих пород, моделирующего кровлю сжигаемого угольного пласта. Для получения максимально возможного объема достоверной информации в пределах одного эксперимента в стендовых установках был применен ряд технических решений, признанных изобретениями (авт. свид. СССР 517698, 1321050, 1466245). При замерах

параметров теплообмена были использованы нестационарные термопарные датчики, разработанные автором для аналогичных исследований ири термическом разбуривании взрывных скважин. Для разделения параметров хонвективного и лучистого теплообменов использовались термопарные датчики с различной степенью черноты рабочих поверхностей (различие не менее чем в 5 раз). Использование нестационарных датчиков позволило в ходе экспериментов фиксировать дополнительно и Ту.с.

Было выявлено в первом приближении влияние воды внешнего водопритока на процесс горения угля в УК. Для этого вода распылялась в воздушном потоке на входе в УК. Установлено, что при превышении некоторых критических расходов воды, величина которых связана со степенью её распыления , происходит довольно значительное снижение величины Ту.с, что приводит к смене наиболее эффективного диффузионного режима горения угля в УК на переходной, а далее и на кинетический.

В ходе выполненных экспериментов были уточнены все эмпирические коэффициенты, характеризующие особенности процесса теплообмена в УК и ГВ. Рекомендованы либо их конкретные величины, либо расчетные формулы, позволяющие делать их численную оценку с точностью, вполне приемлемой для практических расчетов. Обоснованы также способы усреднения по длине УК и ГВ необходимых для расчетов ак и аи исходных данных . Установлено, что Тус тесно взаимосвязана с Тк . В диапазоне Тк = 800 ... 1600 К и содержании горючих газов в сухих ППСУ не более 4 % это взаимосвязь имеет вид: Ту.с = 125 + 0,96Тк , где (Тус, Тк] = К.

Как указывалось выше, максимальная эффективность получения энергии в виде физического тепла в УК имеет место при 1Г = 1к. Мете дам расчета 1г в литературе уделено довольно много внимания (З.Ф.Чуханов, С.А.Гольденберг, Е.В.Крейнин, А.Н.Засульский и др V Все теоретические формулы получены в основном для цилинд-

рпческого УК со сплошной угольной стенкой и только одна экспериментальная (С.А.Гольденберг) - для УК с прямоугольным поперечным сечением и одной вертикальной угольной стенкой. Довольно сильные отличия реальных УК от рассмотренных в исследованиях предопределили довольно низкую точность всех формул при оценке 1г.

Выполненные в работе исследования показали, что точность расчетных формул может быть повышена, если их привести к более реальной форме УК, например, к обоснованной в данной работе, и учесть неизотермичность процесса горения угля в УК и более реальное содержание в ГТПСУ на выходе из зоны горения свободного О:.

За основу в работе были взяты: теоретическая' формула Е.В.Крейшша, как наиболее точная из всех известных на сегодняшний день, и экспериментальная С.А.Гольденберга, в которой влияние нс-нзотермнчности горения угля в УК учтено автоматически. В результате выполненных исследований первая была преобразована к виду (16 ), а вторая -(17).

1Г = 5,1пЛе0'6 (16); 1Г= (11.48т|'|Т*е°-,ь)/(1,25+.т°.-»). (17)

Анализ обеих формул показал, что при щ = 0,8 ... 3,2 м и Яе = 105 ... 5 -106 они дают очень близкие результаты. Максимальная разница в величинах 1г , имеющая место при т = 3,2 м и Ые =5 • 106, практически не превышает 10 %. Это говорит о том, что выполненные преобразования позволяют более объективно учесть реальные стороны процесса сгорания угля в УК. В противном случае не удалось бы привести обе исходные формулы, »полученные авторами с разницей во времени порядка 25 ... 30 лег, практически к одному результату. Точность ( 16 ) и ( 17 ) может быть еще более повышена. Для этою необходимы точные экспериментальные данные о реальном сечении УК и реальной площади его угольных стенок.

Формулы <16 ) и ( 17 ) получены для диффузионного режима горения угля в УК, когда Тус 2 1200 К. При ТУс = 800 ... 1200 К наступает пер. ;одный режим горения угля.

Для оценки !г при этом режиме горения угля, т.е. IV , в работе получено следующее выражение:

IV = 5,1 ш ехр [0,0079 (1200 - ТУс^Ле0-1*.. (13)

Из ( 18 ) следует, что при Т>с < 1200 К наблюдается резкое увеличение IV . При Тус = 800 К IV * 23,61г.

Таким образом, наличие в УК факторов, отрицательно влияющих на процесс горения угля (например, внешний водоприток, появление в ППСУ большого количества горючих газов), увеличивает 1г. Это необходимо учитывать уже на стадии проектирования блоков сжигания, особенно при неблагоприятных гидрогеологических условиях.

Анализ влияния различных факторов на формирование величины 1г показал, что при диффузионном режиме горения угля в УК 1Г в основном определяется величиной ш . Влияние других факторов значительно слабее.

При 1г = 1К тепловая мощность на выходе из УК жестко увязывается с 1к: . Мгк = (0,081- 1КР3 (Р, + Рг) Сг (То ... Тг,ср) Уг / < га' » { 1 +

+ С№) [0.р(22)] '}[1 + (Тв + То) (Тк - То)"']), (19 )

где РР, Рг -абсолютное давление воздуха на входе в УК и ППСУ на выходе из него, Па; СУ'Ш) , С?,р(2>) - реальные объемные расходы воздуха на входе в УК и ППСУ на выходе из него, им3 / с: Г^гл ] = кВт; [!«. т] = м: [ V,. ] - и2/с; [ То, Т-.Т«]» 1С; [Сг (Т-. ...Т, .)] ~ '(нмЧС). Лилгиз ( 19 ) покрывает, что ;-з всех -У- кмг&ую с;пьн< • ».»л ск*яымт 1< , \л и . Так, и.>.1.:»>Хх<;р, ¿««лп'.сиие 1* на ч ...20 :г;„ ,}г кг.'|Г;.осуасли'хиис ,Ч,Ь . Огдчт ^-...сс;- Г аЛсолг-:-г^.п -кнах , грк; сл<. и.х-ыих иго'*! *--„.<. Гч.«;« ,ип< ¿.-с, •)« и.панся

31

только с некоторой критической длины 1к , конкретной для соответствующих горно-геологических условий . Так, при ПСУ марок СС и Й2 с 111 = 1.0 м и = 0 при и ^ 20 м Ыгл довольно мала и не превышает 1000...2000 кВт , для получения Ы™ = 5000 кВт необходима 1К = 28 ... 31 м , а Ыгл = 10000 кВт - 1* = 33 ... 37 м . Эти данные однозначно указывают на более высокую энергетическую эффективность блоков сжигания с минимальным количеством УК, в идеале - одним .

В работе выявлен характер влияния на Кт* таких факторов, как О',, ш , . Влияние этих факторов довольно сильное , что требует повышенной точности их определения при прогнозировании ожидаемой энергетической эффективности процесса ПСУ.

На стадии проектирования процесса ПСУ могут возникнуть две задачи. Первая, когда необходимо найти 1к, обеспечивающую нужную величину Ывьн . Вторая, когда имеются размеры в плане угольных запасов, т.е. возможная 1» , и надо определить КВих, которую можно при этом получить. Кроме того, в обоих случаях необходимо выбрать тип и параметры необходимого тя го дутьевого оборудования. Обе задачи подробно рассмотрены в диссертации и разработаны методики их решения.

Максимальная эффективность получения тепловой энергии при ПСУ может быть обеспечена только в случае постоянного контроля выходных параметров процесса и своевременного принятия необходимых решений. Постоянный полный газовый контроль ППСУ практически невозможен. Его реализация требует больших материальных затрат. Поэтому в работе предложен оперативный метод контроля полноты сгорания угля в УК, для реализации которого необходимо определение содержания в ППСУ только О; и Я02 = СО: + Б О: . Условие полного сгорания угля:

1Ю2 - яо1! I д гю2 - л яо'2!, (20)

где ЯО'г - 1Ю2, которое должно иметь место в ППСУ при полном сгорании угля в воздухе с а 2 1,0, % ; Д ¡Ю2, Л {Ю'2 - абсолютные погреш-нос I и определения 1102 и ГЮ'2, % .

Величина Ю'г довольно легко определяется на основании данных об элементном составе сгораемого угля и содержании О2 в ППСУ. При отсутствии первых можно, как показано в работе, воспользоваться приведенными характеристиками углей. В этом случае Ш'з = 4,76 .V (21 - Ог) / (79 + л) . В связи с тем, что К02 и ЯО'г определяются с помощью довольно простых зависимостей, оценка Д ЯСЬ и Л ЯО'г принципиальных трудностей не вызывает.

Невыполнение условия ( 20 ) свидетельствует либо о наличии в ППСУ горючих газов, либо об ошибках в определении 02, ССЬ, йСЬ . В обоих случаях необходимо проведение полного газового анализа ППСУ . Условие достоверности его результатов:

1102.у"«« - Я02. гм,к<: < IЛ Ш2,,м»кс + Л К02, гм"кс I , (21)

где Н02.»макс, г"81" - максимальное суммарное содержание в сухих продуктах полного сгорания угля в воздухе С02 и Б02, имеющее место при а = 1,0 , определенное на основании элементного состава или приведенных характеристик сжигаемого угля и по данным газового анализа ППСУ, % ; Д ЯОг.у""" , Л К02,,м"к- - погрешности определения КОг.у""*с и ¡Юг,,"»« , %.

На базе приведенных характеристик углей ¡Ю2,у"а,;с вычисляется как К02.умак = 100 .х / (79 + лс ). Расчетные формулы для определения Я02. ,мих получены в работе на основе установленных закономерностей по изменению объёма ППСУ при дожигании горючих газов: при 02 > 02н ИОг г"»« = 100 С/(100 - 4,7602 + 0); (22)

при Оа= О И Оз.100 С/(100 -Ю); (23)

при 0 <02 5 О:» Я02.гма" = 100С • О2" / [(100- О:» - Ог-М +

+ (О2" - О;) О], (24 '

где О = 1.87СО + 0,88Н2 + 7,51СН4 + 5,71Н28 + 12,35СзНц; С = Я02 + 0.99СО + 0,99Н2Б + СН4 + 2С2Н4 .

В работе вскрыты закономерности формирования погрешностей

А 1Ю2. ,к№ч при вычислении К02,гМ1(С по формулам ( 22).....( 24).

Анализ материального и теплового баланса процесса ПСУ на основе приведенных характеристик углей невозможен без данных о <3,г углей. Экспериментальное определение (},' углей довольно трудоёмко. Для этого требуются специальные калориметрические лаборатории. Поэтому прогнозированию величин О,' на базе легко определяемых в обычных условиях показателей посвящено довольно много работ. Однако в основном они получены для конкретных угольных пластов и поэтому мало применимы в других условиях. Исследованиями, выполненными в работе, доказано наличие довольно тесной взаимосвязи между О,11", которая довольно легко пересчитывается в на основании данных о влажности XV,' и зольности А- углей , и выходом летучих У4'1. При этом было установлено, что обобщенной зависимости д^г _ ^у'-^1) для углей быть не можск Такая зависимость в виде полинома 4 - й степени существует в 2 группах по их природным видам: в антрацитах и каменных углях <3^'= 32257 + 365 У™- 25,1936(Уы)г + 0,62302(У|Ь1)3 -

- 0,00555 ; ( 25 >

в бурых углях

- 16738 + 2516.91 У*''- 28,991 (Vм)-- 0,388^(У*11)-1 + + 0,00б18268(У"")->, (26)

где [С^'] = кДж / кг; [Vй" ] = % .

Средняя погрешность определения О,11"' с помощью (25) и ( 26 ) в основном не превышает 4 % .

При описании С>,1Ы = ((Vй) более простыми полиномами 2-й степени угли необходимо уже разбить на 4 группы: антрациты и то-

щие , каменные , бурые с S 45 % , бурые с Vм > 45 % . Точность этих полиномов аналогична точности (25) и (26).

Выявленные взаимосвязи Q,ltaf = f (Vdaf) позволяют при необходимости довольно точно оценивать величины Q'< углей по основным показателям их технического анализа : Ad, W,r и Vd"'.

Основные результаты экспериментальных исследовании процесса ПСУ в натурных условиях при всасывающем режиме подачи воздуха в УК приведены в табл. ! ( в таблице Q/ - высшая тето-тп сгеранпя рабочей массы угля , кДж/кг).

Вскрытые в работе закономерности формирования материаль-лого и теплового балансов процесса ПСУ позволили в.черчые сделать полный комплексный анализ результатов этих экспериментов и вышить основные причины относительно невысокой эффективности извлечения. тепловой энергии в них ( ц,, / Q/ = 8,6...21,6 % , Т:в = 385...445 К). Установлено, что основной причиной этого явились большие внешние водопритоки : $>ÜJX = 1.8...2,4 при сжигании бурого угля и &юЛ = 4,5...6,0 - каменных . Характерные для таких g^ !t » 1« и Туе min привели к одновременному появлению в ППСУ довольно большого количества О2 н горючих газов ( qxl- / Qsr = 11,7...38,0 % ) . Не совсем удачными с позиции сегодняшнего дня , оказались и конструкции блоков сжигания .

Предпринятые попытки уменьшить внешний водоприток з процессе 2-го этапа эксперимента на шахте № 1 «Острый» не дали положительных результатов . Выбранные схема и режимы зодспониже-"ия не обеспечили понижения уровня депрессионнон поверхности подземных вод ниже абсолютных отметок расположения УК и ГВ .

Анализ данных этих экспериментов и результатов зкеперимен-юв по влиянию воды на процесс горения угля в УК б стендовых условиях показал, что смена диффузионного режима горения угля и УК на

переходный происходит ориентировочно при &,0д > 1,0...1,5 в бурых углях и при ¡>од> 2,5...3,0 - в каменных.

Таблица 1

Основные результаты экспериментов по ПСУ в натурных условиях и их анализа

Показатели Объект проведения эксперимента

шахта № 1 «Острый» шахта «Киреевская-3» Южно-Абинская станция «Подземгаз»

1-ый этап 2-ой этап 1-ый этап 2-ой этап

Запасы угля, т 1010 35000 2500 14500 2500

Продолжительность эксперимента, сутки 150 458 232 575 110

Т„ .К 443 445 3X5 412 . 423

0;р ■ 10г. кг/с 7,79 9,30 6,4*/ 15,2 6.94 5,47

Влажность ППСУ , ° 0 41,8 30,« 64,2/46,0 56,4/36,0 .42.9

£»од . кг вод/ кг угля 4,5 6,0 4,6/ 1.8 6,1/2,4 4,9

ЧФ.. /О.'.0" 12 21.Л -** / 8,6 -/ 15,2 9,5

20,8 5.7 38.0 11.7 26,9

Чн/О.'Ло 41,5 54.« -/37,3 - / 55.7 38,1

дпот/(3.г, °° 25,7 17,9 -/16,1 -/ 17,4 25,5

а 1,16 2,30 1,14 1,71 0,86

Кпод, 18 - - 366 -

Экономический эффект | в ценах 1989 г., руб. 75000 165000 65000

* В числителе приведены данные , взятые из литературных источников, и результаты сделанного на их основе анализа , а в знаменателе уточнённые данные и результаты анализа на их основе.

** Прочерк означает , что либо экспериментальных данных нет , либо ни основе имеющихся невозможно сделать точную оценку показателя.

Из-за низкой Тщ полезную энергию в экспериментах удалось получить только в виде горячей воды , которая была использована для

центрального отопления жилых зданий и сооружений . Это позволило, даже при достигнутых в экспериментах довольно невысоких показателях извлечения тепловой энергии,.получить реальный экономический эффект (см. табл. 1).

Наблюдения за экологической обстановкой окружающей среды, производимые в ходе всех экспериментов , показали , что даже при отсутствии очистки отработанных ППСУ отрицательное воздействие процесса ПСУ на окружающую среду меньше такового при сжигании эквивалентного количества угля в наземных условиях.

В ходе проектирования опытных участков ПСУ на шахтах № 1 «Острый» и «Киреевская-3» ( проекты не были реализованы из-за прекращения финансирования ) для диффузионного режима горения угля а УК был сделан анализ влияния внешнего водопритока на Ntid и ТГ1>, где N, тепловая мощность потока ППСУ на чыходе из ГВ . Было установлено , что для обеспечения Nm в — const при увеличении водопритока необходимо соответствующее увеличение Gy . Однако это сопровождается уменьшением Тк и КПД извлечения энергии из сжигаемого угля в виде физического тепла ППСУ. В то же время суммарный КПД извлечения энергии в виде суммы физического тепла ППСУ и скрытой теплоты испарения воды внешнего водопритока возрастает , достигая величин 65.„80 % . Это доказывает , что при небольших Gy и отсутствии эффективного осушения сжигаемых угольных запасов полезную энергию при ПСУ, даже в случае диффузионного режима горения угля в УК, можно будет получать только в виде горячей воды .

Эксперименты по повышению эффективности получения тепловой энергии при ПСУ за счет дожигания находящихся в ППСУ горючих газов, что одновременно повышает и их экологическую чистоту, показали не только принципиальную возможность реализации данно .> процесса в ППСУ с относительно низкими Т , но и его несомненную чффекшвность (иишеченне энергии из ППСУ увеличилось в экспериментах с 36,5 до 63,0 % ) . Однако в то же время было установлено ,

что нагрев до температуры воспламенения горючих газоа всего ооьема ППСУ не даёт максимально возможного эффекта. Прирост в абсолютных единицах извлечения полезной энергии в этом случае получается несколько меньше запаса химического тепла в ППСУ . Для повышения энергетической эффективности процесс дожигания необходимо реализовывагь в непосредственной близости от выхода из УК , где Т ППСУ близка к Тк, а также разделять поток ППСУ на отдельны»; части и использовать источник внешнего теплового воздействия для дожигания горючих газов только в одной из частей потока . Выдслле-шуюся при этом тепловую энергию использовать далее для дожигания горючих газов в остальных частях потока ППСУ. Предложенные в работе технические решения , реализующие эти предложения с одновременным снижением потерь тепла в окружающую среду , признаны изобретениями (а. с. СССР 1630378 , патент РФ 1438805).

В работе также предложен ряд технических решений , позволяющих повысить эффективность извлечения тепловой энергии при ПСУ . Для отработки крутопадаюших угольных пластов предложена конструкция блока сжигания , в которой предусмотрено извлечение тепловой энергии из пород , окружающих сжигаемые угольные запасы (патент РФ 1635634) . Предложена конструкция блока сжигания для отработки угольных пластов с большим содержанием серы при наличии в породах кровли значительного количества пропластков угля и карбонатных пород (а. с. СССР 1829503) . Данная конструкция позволяет не только получать дополнительное количество энергии за счёт сжигания пропластков угля в породах кровли , но и повышать экологическую чистоту ППСУ за счёт удаления из них окислов серы при их взаимодействии с карбонатными включениями .

Для сжигания угольных запасов , находящихся в породах с высокой газопроницаемостью , например в обрушенных породах , а также при наличии высокого сопротивления аэродинамической сети блоков сжнгализ , предложен новый способ , основанный на нагнетатель-

но-всасывающем режиме подачи воздуха в УК (патент РФ 1760737). Воз«о;;;ча реализация этого способа и при ПГУ . Его суть заключается з и м , что режимы нагнетания воздуха и отсасывания ПГ1СУ (или ППГУ) подбираются такими , чтобы обеспечивалось соотношение между экспериментально замеряемыми Qn(Zo) и Qrr(Z3), равное теоретическому соотношению при данном составе ППСУ . В этом случае сводятся к минимуму как потери воздуха и ППСУ в окружающую среду , так и подсосы воздуха из неё . При сжигании оставленных угольных целиков в отработанных газогенераторах с использованием имеющейся в наличии сети газоотводящих н воздухоподводящих скважин, этот способ позволяет осуществлять управление движением газовоздушных потоков под землей. На основе этого способа можно реализовать процесс ПСУ и на больших глубинах при довольно незначительных диаметрах газоотводящих скважчн.

Выполненными исследованиями показано, что эффективность получения тепловой энергии при ПСУ может быть повышена и за счет замены подаваемого в УК воздуха низкоконцентрированной метано-воздушной смесью (МВС) с СН4 £ 3 % . Установлено, что если объемный расход Ог будет в обоих случаях одинаков (это обеспечивает выделение в УК одинакового количества тепловой энергии), то в случае использования МВС происходит уменьшение !г в УК примерно на 4,5 % на каждый процент находящегося в МВС СН* . В этом случае для обеспечения условия !г = (к необходимо увеличивать объемный расход подаваемой в УК МВС. В результате при 1к = const будет иметь место увеличение NT* в 1,5 ... 2,5 раза с одновременным аналогичным уменьшением величины gmm . МВС могут быть как каптируемые, так и искусственные , получаемые в результате смешивания воздуха и природного горючего газа.

В работе рассмотрен и ряд других способов повышения энергетической эффективности процесса ПСУ, реализация которых на практике принципиальных затруднений не вызывает.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе на основе выполненных исследований разработаны теоретические положения и методология расчёта технологических, режимных и выходных параметров процесса подземного сжигания угольных пластов (запасов) и физико-технического обоснования способов повышения его энергетической эффективности, совокупность которых является крупным научным достижением в области термохимических процессов подземной и скважинной добычи твёрдых горючих полезных ископаемых.

Выводы, научные результаты и рекомендации работы заключаются в следующем:

1. Технология подземного сжигания угля (ПСУ) позволяет эффективно отрабатывать угольные пласты (запасы), разработка которых существующими на сегодняшни!', день технологиями нерациональна по экономическим причинам, при КПД извлечения энергии не менее 70...85 % и температуре Т получаемых продуктов подземного сжигания угля (ППСУ), обеспечивающей эффективное преобразование извлечённой энергии для передачи потребителям. Однако для этого необходимо полное согласование режимных параметров процесса ПСУ и принятых технологических и технических решений с горногеологическими условиями залегания сжигаемых угольных запасов, их размерами и требованиями потребителей энергии.

Основной причиной относительно низкой эффективности извлечения энергии в виде физического тепла при общем КПД её извлечения более 74 % в проведённых к настоящему времени натурных экспериментах по ПСУ явились большие водопритоки в угольные каналы (УК) и газоотводящие выработки (ГВ).

2. Вскрыты основные закономерности формирования выходной энергетической мощности М»ых при ПСУ . Выявлены характерные уча : к и формирования Ывых и предложены методы оценки эффективности этого процесса. Максимальный запас физического тепла в Г1ПСУ при минимальном содержании в них экологически вредных компонентов имеет место при формировании зоны горения на всей длине УК, т.е. при 1к = 1г, где 1*. 1г - длина УК и зоны горения в нем.

3. Разработаны методы расчётов теоретических и реальных показателей материального баланса процесса ПСУ для режимов полного" и неполного сгорания угля в УК как на основе данных об элементном составе угля (точные методы), так и на основе его приведённых характеристик (по Я.Л.Пеккеру) и установленных взаимосвязей между низшей теплотой сгорания сухой беззолыюй массы угля С2,'ы и выходом летучих У^ (приближённые методы). Точност1 • последних вполне приемлема для практических расчётов. Установлен характер влияния на формирование материального баланса процесса ПСУ внешнего водо-притока, химической неполноты сгорания угля, потерь воздуха и Г1ПСУ и подсосов воздуха.

4. Вскрыты основные закономерности формирования теплового баланса процесса ПСУ. Установлено , что реализация в УК режима полного сгорания угля, уменьшение мощности угольного пласта, отсутствие внешнего водопритока, утечки ППСУ из УК и ГВ, увеличение геометрических размеров последней и высокая теплопроводность окружающих пород способствуют увеличению потерь тепловой энергии в окружающую среду. Использование для транспортировки ППСУ шахтных выработок, имеющих, как правило, большие сечения, с энергетической точки зрения неэффективно, т.к. в этом случае имеют место большие потери тепла о окружающую среду - до 30...40 % в левые месяцы их эксплуатации и порядка 10...15 % через 1...2 года. Использование таких выработок в определённой степени оправдано

только при их небольшой длине и больших скоростях сгорания утю? (более 1 кг/с) и сроках эксплуатации ГВ (более 1 года).

5. Продукты подземного сжигания угля, содержащие да 5 % горючих газов, вполне допустимо рассматривать как продукты полного сгорания • . ля в воздухе с определением коэффициента избытка воздуха а по содержанию свободного Ог в ППСУ при расчетах показателей И7. фязических свойств, определяющих формирование теплового баланса процесса ПСУ. Установлено, что в пределах диапазонов изменения составов реальных сухих ППСУ температурные зависимости этих физических свойств хорошо описываются обобщёнными взаимосвязям:!. Это позволяет при переходе к влажным ППСУ пользоваться моделями двухкемгюнентной (сухие ППСУ и пары воды) или трёхкомпонектно:» (сухие продукты полного сгорания с а = 1,0, избыточный воздух, пары воды) газовых смесей.

6. Разработан приближённый метод расчёта параметров нестационарного теплообмена в УК и ГВ, в основу которого положен временной коэффициент формы цилиндрической полости Фц (по А.Ф.Воропаеву). Показано, что для той интенсивности теплообмена, которая характерна для УК и ГВ, Фц является функцией критериев Фурье и Био. Это позволило получить для расчетов потерь тепла в окружающую среду единую расчетную формулу, погрешность которой в пределах реального времени эксплуатации ГВ составляет порядка 10 %.

7. Реальный кондуктивно-конвективно-лучистый теплообмен в УК при оценке потерь тепла в окружающую среду можно заменить моделью более простого конвективно-лучистого теплообмена, закономерности которого в общем виде хорошо описываются взаимосвязями, выявленными при фундаментальных исследованиях конвективного и лучистого теплообменов при движении высокотемпературных газовых сред в каналах. Уточнение этих взаимосвязей на основе результатов выполненных в стендовых условиях экспериментальных исследований процесса теплообмена в УК и ГВ позволило уменьшить погрешность

расчетов показателей теплообмена в этих каяллах в средне?.! до 25 % . При этом было установлено, что при небольших ^„л, где ¡>л - удельны!. водоприток, кг воды / кг угля, в УК при крктерии Ришольдса Ре > 500000 в основном имеет место конвективный теплообмен, а при меньшем - лучистый, который на 70 ... 80 % формируется излучением угольных стенок. Выявленные закономерности теплообмена являются общими для всех режимов подачи воздуха в УК - к&гнетательном, всасывающем и нагнетательно-всасывающем.

8. Вскрыты закономерности формирования длины зоны горгния !, в УК при диффузионном и переходном режимах горения угля и выходной тепловой мощности УК Мт.к при первом из них. Устаисзлеио, что возможность управления величиной !г крайне ограничена, т.к. она на 80...90 % определяется мощностью сжигаемого угольного пласта и величиной ¿»вод. Резкое увеличение 1г (на порядок и более) имеет место при смене режимов горения в УК, происходящей в бурых углях при &юд 5 1,0 ... 1,5, а в каменных - ^д £ 2,5 ... 3,0. Максимальная энергетическая .эффективность процесса ПСУ характерна для блоков сжигания, конструкция которых обеспечивает при использовании современных методов осушения уменьшение &ол до величин, при которых в УК имеет место только диффузионный режим горения угля, наличие которого позволяет установить полученная взаимосвязь между температурой горения угольных стенок стенок Ту с и ППСУ на выходе из УК Тк.

9. Имеющаяся при диффузионном режиме горения угля тесная взаимосвязь между Ыт* и 1* (И™ -1«6 25) предопределяет более высокую энергетическую эффективность процесса ПСУ у блоков сжигания, конструкция которых, предусматривает получение необходимой к минимальным количеством работающих УК (в идеале одним). В этом случае реальный объёмный расход подаваемого в УК воздуха являйся эффективным инструментом управления величиной N. к и снижения отрицательного воздействия на процесс ПСУ внешнею водопри гока.

10. Обеспечение постоянства тепловой мощности на выходе из ГВ Ктг» при увеличении внешнего водопритока в УК только за счет соответствующего роста скорости сгорания угля энергетически оправдано, если конструкция теплоэнергетического комплекса предусматривает извлечение из Г! ПСУ скрытой теплоты испарения воды, т.к. это приводит, даже в случае сохранения в УК диффузионного режима горения угля, к уменьшению КПД извлечения энергии из сжигаемого угля в виде физического тепла и увеличению КПД извлечения энергии в виде суммы физического тепла и скрытой теплоты испарения воды.

11. Неполное сгорание угля, внешний водоприток потери тепла в окружающую среду, наличие потерь ППСУ и воздуха (подсосов воздуха) являются характерными признаками реального процесса ПСУ. Прн отсутствии согласования режимных параметров процесса и принятых технологических и технических решений с горногеологическими условиями залегания сжигаемых угольных запасов вклад этих факторов в формирование теплового баланса процесса ПСУ в первом приближении равнозначен. Повышение энергетической эффективности этого процесса может быть обеспечено снижением влияния этих факторов на формирование его теплового баланса как за счёт оптимизации режимных параметров и принимаемых техноло-. гических и технических решений, так и за счёт извлечения из ППСУ химического тепла и скрытой теплоты испарения воды в теплоэнергетическом комплексе.

12. Разработанные предложения и технические решения, включающие: методы оперативного контроля химической полноты сгорания угля в УК и достоверности результатов газового анализа ППСУ; методику расчёта а в ППСУ с повышенным содержанием горючих газов; конструкции блоков сжигания, обеспечивающие извлечение из вмещающих пород сконцентрированной в них в процессе сгорания угля тепловой энергии и вовлечение в процесс сгорания находящихся в породах кровли пропластков угля: конструкции выработок

(скважин), объединяющих функции воздухоподводящей и гачоотводя-ш.ей выработок и обеспечивающих снсшгнис потерь тепла а окружаю-щс. породы н максимальную эффективность процесса дожигания горючих газов в Г1ПСУ; способ сжигания (газификации) угольных запасов при иагнетательно-всдсывающем режиме подачи воздуха н УК; использование в качестве окислителя при ПСУ вместо воздуха низкскон-дгнтрированных метано-воздушных смесей, позволяют за счет пот.: шеиия оперативности управления параметрами процесса ПСУ и режимами работы теплоэнергетического комплекса, снижения потерь тепла в окружающую среду, снижения утечек ППСУ и воздуха в окружающую среду и подсосов воздуха из неё повысить энергетическую эффективность процесса ПСУ и расширить область его рационального изменения.

Основное содержанке диссертации млп-ссно д слездющкх г-5 )-тах автора:

1. Янченко Г.А. Метод расчета температуры газа при подземной газификации углей // Интенсификация и контроль горного прсизьод-стза физико-химическими методами: Сб. научи, трудов. - М.: МГМ, 1985,- С. 175- 179.

2. Селиванов Г.Я., Янченко Г.А. Теплотехническая оценка процесса подземного сжигания мощных хрутопадагоших угольны.«. пластов: Методические разработки. - М.: МГИ, 1987. - 77 с.

3. Янченко Г.А. Формирование состава газа при подземной газификации углей // Изв. зузоз. Горный журнал. - 1989. - >"г 4. - С. 10 -14.

4. Янченко Г.А. Расчет теоретических объёмов продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях II Изв. вузов. Горный -.куриал. - 1990. - № 3. - С. 7 - И.

5. Янченко Г.А. Влияние утечек воздуха и газа на показатели горения и газификации угля // Изв. вузов. Горный журнал. - 1991. - №> 2. -С. 1 - 3.

6. Янченко У.А.. Расчёт теоретических объёмных расходов продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях // Изв. вузов. Горный журнал. - 1991. - № I. - С. 5- 9.

7. Янченко Г.А. Изменение объёмов сухих продуктов подтел;:!'"') газификации углей при дсгхиганни в них горючих газов II Изв. вузов Горный журнал. - 1991. 9. - С. 31 - 34.

Я. Янченко Г.А. Расчет КО/"14 углей но .шншм пиозого ана.чч <а продуктов их иодземчои газификации //Изв. вузов Горный журна > -199Г - 11. - С. 3 - 7.

9. Янченко Г.А. Расчет погрешностей вычислений ЯОг"""1 углей по данным элементного состава и состара продуктов сгорания и гпзи-фикации II Защита окружающей среды при разработке угольных месторождений: Сб. статей. - Караганда: Карагандинское обл. правление Союза научн. и имж. обществ СССР, 1991. - С. 43 - 56.

10. Типовые решения для составления проекта подземного сжигания оставленных в недрах запасов угля с получением тепловой энергии для бытовых и производственных нужд / В.В.Ржевский, А.С.Бурчаков, А.П.Дмитриев, Г.И.Селиванов, Г.А.Янченко и др. - М.: Корпорация «Уголь России» - МГИ, 1991. - 269 с.

11. Янченко Г.А. Теплоёмкость продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях II Изв. вузов. Горный журнал. - 1992. -№6. - С. 13 - 17.

12. Янченко Г.А. Расчёт массовой скорости сгорания и газификации угля в подземных условиях по балансу горючих элементов // Изв. вузов. Горный журнал. - 1992. - № 7. - С. 1-4.

13. Янченко Г.А. Оценка теплоты сгорания углей по данным выхода летучих // Изв. вузов. Горный журнал. - 1993. - № 2. - С. 7 - 10.

14. Янченко Г.А. Показатель адиабаты продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях // Изв. вузов. Горный журнал. -

1993. - \о 7 - С. 15-19.

15. Янченко Г.А. Вязкость продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях II Изв. вузов. Горный журнал. - 1994. - № 1 -С. 19-24.

16. Янченко Г.А. Критерий Прандтля продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях II Изв. вузов. Горный журнал. -

1994.-№7.-С\ 3-7.

17. Янченко Г.А. Теплопроводность продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях // Изв. вузов. Горный журнал. -1994. - № 8 . - С. 8 - 14.

18. Янченко Г.А. Расчет коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания и газификации угля в подземных условиях // Изв. вузов. Горный журнал. - 1995. - № 2. - С. 78 - 81.

19. Янченко Г.А. Определение коэффициентов потерь и подсосов воздуха при сгорании и газификации угля в подземных условиях II Изв. вузов. Горный журнал. - 1995. - ЛЬ 7. - С. 11-17.

20. Янченко Г.А. К расчету параметров нестационарного теплообмена при сгорании и газификации угля в подземных условиях II11з». вузов. Горный журнал. - 1995. -№9. - С. 13 - 18.

21.Янчетсо Г.А. Об изменении объёмного расхода и состава продуктов сгорания и газификации угля при движении по га3001 водящей выработке// Изв. вузов. Горный журнал. - 1996. - Ле 7. - С. 6 - 9.

22. Янченко Г.А. О расчете температуры продуктов сгорания и газификации угля в газоотводящей выработке // Изв. вузов. Горный журнал. - 1997'. - № 1 - 2. - С. 1 - 4.

23. Янченко Г.А. Анализ влияния исходных факторов на выходную мощность по физическому теплу зоны горения в подземном

46

угольном канале // Горный ннформ. - аналит. бюлл. МГГУ. - 1997. -Вып. 7.-С. 29- 34.

24. Янченко Г.А. Форма и размеры поперечного сечения канала гор ния и газификации угля в подземных условиях // Изв. вузоа. Горный журнал. - 1997. - № 7-8. - С. 8 - 12 .

25. A.c. 1321050 СССР, МКИ5 С 10 J 5/00. Установка для лабораторных исследований процессов горения и газификации угля в подземных условиях / Г.С. Алексеев, В.К. 'Захаров, М.Г. Кипнис, В.В. Ржевский, Г.А. Янченко и др. - 5 е.: ил. 3. Заявлено 20.03.1985г.

26. Патент РФ 1438805, МКИ3 Е 21 В 43/24. Устройство для подземного сжигания угля / A.C. Бурчаков , И.М. Закоршменный, В.В. Ржевский, Г.А. Янченко и др. - 5 е.: ил. 3. Заявлено 11.11.1986 г.

27. A.c. 1466245 СССР, МКИ5 С 10 J 5/00. Стенд для исследования процессов подземной газификации угля / Г.С. Алексеев, М.Г. Кипнис, B.C. Орловский, Г.А. Янченко и др. - 3 е.: ил. 2. Заявлено 27.02.1987 г.

28. A.c. 1630378 СССР, МКИ3 Е 21 В 43/295. Устройство для дожигания горючих газов подземного сжигания угля / Г.С. Алексеев, С.Р. Зуммеров, М.Г. Кипнис, Г.А. Янченко и др. - 5 е.: ил. 2. Заявлено 10.01.1989.

29. Патент РФ 1635634, МКИ5 Е 21 В 4.>/295. Способ получения тепловой энергии при подземном сжигании наклонных н кругопадаю-щих угольных пластов в отработанных шахтах / В,М. Курдин, Г.И. Селиванов, Г.А. Янченко и др. - 5 е.: ил 3. Заявлено 06.09.1988 г.

30. Патент РФ 1760787, МКИ5 Е 21 В 43/295. Способ подземной газификации твёрдых полезных ископаемых и устройство для его осуществления / И.М. Закоршменный, Г.И. Селиванов, Г.А. Янченко и др. -7с.: нл.1. Заявлено 08.06.1990 г.

31. A.c. 1829503 СССР, МКИ3 Е 21 В 43/295. Блок доя подземного сжигания угольных пластов I Г.С. Алексеев, М.Г. Кипнис, Г.А. Янченко и др. - 6 е.: ил. 5. Заявлено 23.04. 1990г.

'. УУ ' у' ■ -V

/ / ~ ^ ^ / цТ .''

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЯНЧЕНКО ГЕННАДИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 05.15.11 - «Физические процессы горного производства»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................... 7

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ..................................................................................... 19

1.1. Топливно-энергетический баланс России на современном этапе и приоритеты его формирования.......... 19

1.2. Перспективы увеличения использования угля в топливной энергетике России на современном этапе........ 36

1.3. Энергетический и экологический аспекты традиционных технологий добычи и использования энергетических углей................................................................ 46

1.4. Основные результаты и перспективы развития подземного сжигания и газификации угольных пластов

для получения тепловой энергии.................................. 61

1.5. Особенности формирования состава и температуры

газа в угольном канале.................................................. 85

1.6. Основы формирования выходной энергетической мощности при подземном сжигании угля.................... 101

1.7. Показатели оценки эффективности извлечения энергии при сжигании и газификации угля в подземных условиях......................................................................... 124

1.8. Цели и задачи исследований......................................... 128

Выводы...................................................................................... 129

2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ПОДЗЕМНОГО СЖИГАНИЯ УГЛЯ........................................................... 134

2.1. Понятие материального баланса.................................. 134

2.2. Теоретические объемы воздуха и продуктов полного сгорания угля................................................................. 135

2.3. Теоретический объем ППСУ при наличии в них горючих газов.................................................................... 145

2.4. Теоретическая массовая скорость сгорания угля в угольном канале............................................................ 150

2.5. Теоретический объемный расход ППСУ...................... 158

2.6. Методы оценки состава продуктов подземного сжигания угля....................................................................... 162

2.7. Анализ влияния горючих газов в сухих ППСУ на их объемный расход и скорость сгорания угля................. 173

2.8. Коэффициент избытка воздуха в продуктах подземного сжигания угля........................................................ 178

2.9. Реальные показатели материального баланса процесса ПСУ при потерях воздуха и ППСУ в окружающую среду............................................................................... 181

2.10. Реальные показатели процесса ПСУ при наличии подсосов воздуха............................................................ 190

2.11. Определение коэффициентов потерь и подсосов воздуха при ПСУ................................................................. 193

2.12. Изменение состава и объемного расхода ППСУ при движении по газоотводящей выработке....................... 201

2.13. Изменение объема сухих ППСУ при дожигании в них горючих газов................................................................ 207

Выводы...................................................................................... 214

3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ПОДЗЕМНОГО

СЖИГАНИЯ УГЛЯ................................................................. 218

3.1. Статьи теплового баланса процесса сгорания угля в угольном канале............................................................ 218

3.2. Методы расчета температуры ППСУ на выходе из угольного канала........................................................... 231

3.3. Расчет жаропроизводительности углей........................ 236

3.4. Теплотехническая оценка процесса дожигания горючих газов в ППСУ..................................................... 238

3.5. Нестационарный теплообмен в угольном канале и газоотводящей выработке и его показатели................. 244

3.6. Форма и размеры поперечного сечения угольного канала ................................................................................ 258

3.7. Закономерности изменения температуры ППСУ при движении по газоотводящей выработке....................... 267

Выводы...................................................................................... 281

4. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОДУКТОВ СЖИГАНИЯ И ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ В ПОДЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ ................................................................................... 285

4.1. Состояние вопроса......................................................... 285

4.2. Теплоёмкость продуктов подземного сжигания и газификации угля.............................................................. 287

4.3. Показатель адиабаты продуктов подземного сжигания и газификации угля................................................. 293

4.4. Вязкость продуктов подземного сжигания и газификации угля...................................................................... 300

4.5. Теплопроводность продуктов подземного сжигания и газификации угля........................................................... 312

4.6. Критерий Прандтля продуктов подземного сжигания

и газификации угля........................................................ 322

Выводы...................................................................................... 327

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕПЛООБМЕНА В УГОЛЬНОМ КАНАЛЕ И ГАЗООТВОДЯЩЕЙ ВЫРАБОТКЕ...................................................... 329

5.1. Особенности процесса теплообмена и обоснование

его модели...................................................................... 329

5.2. Основные закономерности конвективного теплообмена в каналах и их анализ применительно к процессу ПСУ................................................................................ 338

5.3. Основные закономерности лучистого теплообмена в каналах и их анализ применительно к процессу ПСУ................................................................................. 350

5.4. Основы методики экспериментального исследования процесса теплообмена и конструктивные особенности стендовых установок..................................................... 362

5.5. Результаты исследований процесса теплообмена и их анализ............................................................................. 376

Выводы...................................................................................... 384

6. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОДЗЕМНОГО СЖИГАНИЯ УГЛЯ И КОНТРОЛЬ ЕГО ЭФФЕКТИВНОСТИ ..................................................................... 388

6.1. Длина зоны горения в угольном канале....................... 388

6.2. Взаимосвязь между длиной угольного канала и его тепловой мощностью..................................................... 406

6.3. Основные положения методики определения необходимой длины угольного канала и ожидаемой тепловой мощности, а также выбора необходимого тяго-дутьевого оборудования................................................ 418

6.4 Об оперативном контроле химической полноты сгорания угля при подземном сжигании............................ 424

6.5. Основы методики контроля достоверности результатов газового анализа ППСУ при наличии в них горючих газов................................................................... 426

6.6. Экспресс-метод определения низшей теплоты сгорания рабочей массы углей............................................... 434

Выводы...................................................................................... 439

7. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ПО ПОДЗЕМНОМУ СЖИГАНИЮ УГЛЕЙ, ИХ АНАЛИЗ

И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА..............................................................................................443

7.1. Основные результаты экспериментов и анализа их тепловых балансов......................................................... 443

7.2. Влияние внешнего водопритока на эффективность процесса ПСУ в условиях шахт № 1 «Острый» и «Киреевская - 3»............................................................. 469

7.3. Исследование влияния дожигания горючих газов в ППСУ на эффективность извлечения из них полезной энергии и повышения их экологической чистоты........ 476

7.4. Нагнетательно-всасывающий способ подземного сжигания угля................................................................. 480

7.5. Технические решения, обеспечивающие повышение эффективности извлечения энергии при подземном сжигании угля................................................................ 485

7.6. Оценка эффективности применения метано-воздушных смесей в качестве окислителя при подземном сжигании углей....................................................... 502

7.7. Способы повышения энергетической эффективности процесса ПСУ................................................................ 513

Выводы...................................................................................... 516

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................. 519

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................... 526

ВВЕДЕНИЕ

Кризис, поразивший в настоящее время угольную промышленность России (основы его были заложены ещё в 80-ые годы, когда капиталовложения в эту отрасль в СССР были сокращены до 2 % от общих капиталовложений в промышленность), привел к тому, что доля угля в топливной энергетике страны сократилась на сегодняшний день до 20...25 % . Это 2,5 ... 3 раза меньше, чем, например, в таких развитых промышленных странах, как США, Германия, Великобритания, Австралия. По оценкам специалистов в России, добывающей помимо угля довольно большие объемы нефти и природного газа, доля угля в топливной энергетике должна быть не менее 50 % . Это позволит резко увеличить использование нефти и природного газа в качестве химического и технологического сырья, что даёт несравнимо больший экономический эффект, чем их использование в топливной энергетике. Однако, на сегодняшний день уголь значительно проигрывает в конкуренции и нефти, и природному газу. Поэтому все работы, обеспечивающие экономически оправданное увеличение доли угля в топливной энергетике страны при минимальном отрицательном экологическом воздействии на окружающую среду являются чрезвычайно важными и актуальными.

Малая конкурентоспособность угля в топливной энергетике, предопределила закрытие на сегодняшний день довольно большого количества нерентабельных шахт (с 1993 г. по 1997 г. закрыто более 60 шахт и сокращено порядка 270 тысяч человек) , в таких традиционных угледобывающих регионах страны как Урал, Восточный Донбасс, Приморский край и т.д. Это, соответственно, приводит к уменьшению использования угля в топливной энергетике в целом по стране, обострению социального положения населения и усилению энергодефицита этих регионов, который в полной мере проявится после преодоления кризисных явлений в промышленности и начале её подъёма.

Подземный способ добычи угля, несмотря на все его крупные недостатки, в перспективе будет определяющим в угольной отрасли страны, т.к. основная часть угольных запасов и ресурсов расположена на значительных, порядка 1 км и более, глубинах. Традиционные же технологии подземного способа добычи угля, оставшиеся практически без изменения последние 20 ... 30 лет, уже не удовлетворяют требованиям сегодняшнего дня. Низкая производительность труда, тяжелые и зачастую чрезвычайно опасные его условия, большие, в отдельных случаях до 40 ... 50 % , потери угля в пределах шахтных полей, довольно значительное отрицательное экологическое воздействие на окружающую среду процессов добычи угля и последующего извлечения из него полезной энергии предопределяют низкую конкурентоспособность использования угля в топливной энергетике.

Потенциальные возможности традиционных технологий подземной разработки энергетических углей на больших глубинах их разработки довольно ограничены. Поэтому рассчитывать на приоритетное использование угля в топливной энергетике можно только при широком внедрении принципиально новых технологий его добычи.

Комиссия ГКНТ СССР, работающая под руководством акад. АН СССР В.В.Ржевского в начале 80-ых годов, пришла к выводу, что для разработки энергетических углей наиболее перспективны технологии на базе способов подземной газификации угля (ПГУ) и подземного сжигания угля (ПСУ). Это нашло своё отражение в постановлении ГКНТ СССР от 03.10.1983 г. № 559 «О развитии научно-исследовательских и опытных работ в области подземной газификации угля», предусматривающем выполнение работ в этой области по двум направлениям: «Совершенствование традиционной технологии подземной газификации» и «Технология «Углегаз». Второе направление предусматривало разработку технологии получения тепловой энергии в местах непосредственного залегания угольных пластов (запасов) путем их сжигания. Отличительная особенность этой технологии - всасы-

вающий режим подачи воздуха в блок сжигания, реализуемый посредством отсоса из него продуктов подземного сжигания угля (ППСУ). Последнее дает возможность использовать технологии ПСУ не только для отработки пластов энергетических углей, но и для отработки угольных запасов, как на действующих, так и закрытых угольных шахтах, а также тех угольных запасов, сжигание которых в режиме нагнетания воздуха принципиально невозможна, например, из-за возможных больших потерь ППСУ в окружающую среду. В связи с тем, что технология ПСУ объединяет процессы добычи угля и получения из него тепловой энергии в единый процесс непосредственно в месте его залегания, она обеспечивает снижение материальных и энергетических затрат на получение конечного продукта в виде полезной энергии, причем с минимальным отрицательным экологическим воздействием на окружающую среду.

Выполненные во второй половине 80-ых годов экспериментальные исследования этой технологии в натурных условиях в Донбассе, Кузбассе, Подмосковном угольном бассейне, потребовавшие больших материальных затрат, в целом дали положительные результаты. Однако, они оказались значительно хуже ожидаемых и однозначно показали, что дальнейшее развитие работ в этом направлении невозможно без разработки теоретических основ процесса ПСУ для получения тепловой энергии. Сложность экспериментов в натурных условиях и большие материальные затраты на их проведение резко сужают возможность получения необходимой информации опытным путем. Только разработка теоретических основ процесса ПСУ и на их основе физико-техническое обоснование способов обеспечения максимальной эффективности получения тепловой энергии в разных горногеологических условиях залегания сжигаемых угольных пластов (запасов) позволит обеспечить широкое внедрение технологии ПСУ в угольной отрасли страны. Последнее позволит не только увеличить долю угля в топливной энергетике страны, но и дополнительно во-

влечь в народнохозяйственный оборот десятки миллиардов тонн энергетических углей, оставленных к настоящему времени в недрах или неразрабатываемых изначально из-за экономической нецелесообразности. При этом в целом будет повышена эффективность использования угля как источника энергии и в определенной степени уменьшено отрицательное экологическое воздействие на окружающую среду, характерное для традиционных технологий добычи угля и получения из него тепловой энергии. Нельзя не учитывать и тот фактор, что реализация технологии ПСУ на закрывающихся шахтах, что не требует больших материальных затрат, позволит не только обеспечить работой увольняемых рабочих (хотя бы часть из них), но и уменьшить (хотя бы временно) энергодефицит, возникающий в этих районах вследствие закрытия шахт.

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 Минуг-лепрома СССР «Разработать и освоить технологию комплексного извлечения угля, газа и энергии на шахтах, обеспечивающую повышение производительности труда в 5,0 - 6,0 раз по сравнению с традиционным способом добычи угля», разработанных на 1986 - 1990 гг. и до 2000 года 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 , 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 исследований, включающий: научный анализ и обобщение; теоретические исследования с использованием фундаментальных положений термодинамики, теории тепломассообмена и теплоп