СТАТЬИ АРБИР
 

  2018

  Июль
  Август   
  Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
30 31 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26
27 28 29 30 31 1 2
   

  
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?


Моделирование процесса розжига огневого забоя при подземной газификации угля


МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РОЗЖИГА ОГНЕВОГО ЗАБОЯ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ

Аннотация

Подземная газификация угля (ПГУ) - физико-химический процесс превращения угля в горючие газы с помощью свободного или связанного кислорода непосредственно в недрах земли. В настоящей работе представлена математическая модель ПГУ по методу потока. Приводится визуализация полученных результатов численных расчётов при моделировании розжига огневого забоя.

Ключевые слова

Подземная газификация углей, огневой забой, уравнение теплопроводности,

уголь.

Угольные предприятия являются серьезными загрязнителями окружающей среды. Для Кузбасса заметное нарушение и засорение плодородного слоя земной поверхности, проблемы с золоудалением и отчуждением земной поверхности под складирование угля и золы становятся существенными угрозами экологической безопасности. Существенно усугубляет эту проблему работа на территории региона большого количества углеперерабатывающих предприятий. Одним из возможных решений этих проблем является подземная газификация углей (ПГУ).

По определению, ПГУ - это процесс подземного горения угля, получения при этом горючих газов путем нагнетания в угольный массив окислителя и последующего их использования для получения тепла, электроэнергии или различных химических продуктов. В [1] представлена физико-химическая модель ПГУ, согласно которой уголь, горящий на границе (“огневой забой”) между угольной массой и газовой полостью (огневым штреком или каналом газификации), превращается в смесь газов. ПГУ позволяет принципиально прекратить производственный травматизм со смертельным исходом, существенно уменьшить транспортную составляющую в цене конечного продукта, улучшить экологию мест, где добывается уголь, позволит ввести в оборот маломощные и крутосклонные месторождения. Для исследования процесса наряду с физическим моделированием и натуральными экспериментами, следует использовать методы математического моделирования с применением современных суперкомпьютеров для численного решения построенных моделей.

В [2] рассматривается двумерная математическая модель подземного газогенератора (ИГ) по методу “потока” на начальной стадии его работы на основании уравнений механики многофазной недеформируемой пористой реагирующей среды. Математическая модель ПГУ представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими начальными и граничными условиями, являющихся следствиями законов сохранения. Необходимо отметить, что данная модель предполагает, что уголь уже находится в процессе горения, в предложенной модели в [2] как таковой процесс розжига отсутствует. Поэтому, главной целью данного исследования являлось установление закономерностей физико-химических и горно-технических особенностей розжига огневого забоя (горящая часть огневого пласта) и дальнейшего процесса распространения фронта горения по угольной поверхности (огневому штреку); моделирование процесса розжига огневого забоя от точечных источников на границе, решение задачи распространения горючих газов по массиву угля и разработка соответствующего вычислительного алгоритма. А в работе [3] приводятся численные результаты расчетов изменения состава газа внутри газификатора.

В статье [2] в рассматриваемой модели учтены практически все известные реакции, происходящие при горении угля, сжимаемость и многокомпонентность получающегося газа. Процесс фильтрации части газа через угольную массу и породу описывается уравнением Дарси. Большая часть образующегося газа на подвижном огневом забое поступает в огневой штрек. Движение газа в нем описывается системой уравнений Навье-Стокса для сжимаемой вязкой и теплопроводной жидкости, учитывающей химические реакции. На рисунке 1 представлена схема ПГ по методу потоку. В данной работе,

в отличие от работы [3], в которой все процессы рассматриваются в огневом забое и в огневом штреке, рассматриваются розжиг огневого забоя и процесс распространения тепла и горючих газов от границы, на которой осуществляется процесс горения, внутрь угольного массива, содержащего участки породы.

У -
Г4
О з
г3
Г!
1
П-?
t
Г2

О х

Рисунок 1.Схема подземного газогенератора по методу потока

На рисунке 1 введены следующие обозначения: П — область угольного массива, П2 - область огневого штрека, П3 - область пласта породы/грунта, П = П U П2 иП3 ; Гх - огневой забой, Г2 - нижняя граница штрека, Г3 - граница между средами угля и грунта, Г4 - поверхность земли, Г5 ,Г6 - стенки дутьевой и газоотводящей скважин; - объемные доли фаз пористой среды (i = 1 - сухой уголь, i = 2 - связанная с углем влага, i = 3 - газовая фаза, i = 4 - кокс, i = 5 - зола); ск - концентрации газов в смеси (k = 1 — СН4, k = 2 - Я2, k = 3 - СО, k = 4 - 02, k = 5 - С02, k = 6 - Н20, k = 7 - N2).

В этом пункте приведём модель розжига огневого забоя.

В области выполняется уравнение сохранения энергии пористой среды с внутренним источником энергии:

ОТ ОТ ОТ О ОТ О ОТ

C3*gt+P3Cp‘V3\ug^+vd^) = g^\A,*d^) + d^ (V ) +

2 6 4

+ ^ 4iPi + Рз ^ ЧкРк + s ^ qSjRj,

5

^эф = / ' Pi^piVi

i=1 i=1

В (1) введены следующие обозначения: qi,qk - тепловой эффект гомогенных реакций; qsj - тепловой эффект гетерогенных реакции; Pj - абсолютные значения массовых скоростей процессов разложения (Pj_) и испарения влаги (Р2); Рк - массовые скорости гомогенных реакций; Ру - массовые скорости гетерогенных реакций; s - поверхность пор в единице объема пористой среды. сэф, Яэф - эффективные удельная теплоемкость и теплопроводность пористой среды в области П1, зависящие главным образом от ф; (i = 1,. .,5) - объемных долей фаз пористой среды.

На границе Г1 ставится условие IV рода или условие сопряжения между средами уголь-штрек, означающее выполнение закона сохранения энергии и описывающее процесс горения на поверхности угольного пласта.

Его вид:

+ (ф4£4=1^уДу)1г1,Г?11=Гп'

П2

14

Условия (2)(2) устанавливают связь между тепловыми потоками по

обе стороны границы Г1 , осуществляя перенос температуры с более холодной на более горячую сторону. Уравнение (2) показывает, как пропускается энергия через границу. При отсутствии горения на границе происходит усреднение разницы температур. Второе слагаемое в правой части описывает теплообразование и определяется гетерогенными реакциями горения кокса на границе, скорость которых зависит от температуры.

Моделирование процесса розжига заключается в подводе постоянного источника тепла к участку границы Г1. Изменение фронта горения определяется температурой воспламенения топлива Т*, а также временем его выгорания t*. В соответствии с условием (2) постепенно происходит распространение огня на верхние пласты топлива, по мере сгорания фронт горения поднимается вверх, выгоревшее пространство частично заполняется обрушивающимися породами кровли и зольными остатками угля. На рисунке 2 представлены результаты расчетов по распространению области горения (верхние рисунки) и затем области выгорания угля (нижние рисунки, на которых синим цветом обозначены выгоревшие участки с образованием золы) с одним и двумя очагами возгорания с течением времени.

Рисунок 2. Распространение области горения и области выгорания угля с одним и двумя очагами возгорания с течением времени

Список литературы:

Крейнин, Е. В. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекаемых топлив: уголь, углеводородное сырье [Текст] / Е. В. Крейнин. - М., ООО ”ИРЦ Газпром”, 2004. - 302 с.

Zakharov, Yu. N., Zelenskii E. E., Shokin, Yu. I. A model of an underground gas problem // RJNAMM, vol. 28, 2013. - pp. 301-317.

Захаров, Ю. Н. Математическое моделирование работы подземного газификатора по методу потока [Текст] / Ю. Н. Захаров, Е. Е. Зеленский, М. С. Родина // Вестник Кемеровского государственного университета. - 2012. - № 4(52), Том 2. - С. 61-68.


Полухина М.Е. - магистрант 2 года обучения Научный руководитель - Захаров Ю.Н., д.ф.-м.н., профессор ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет», Россия, г. Кемерово





МОЙ АРБИТР. ПОДАЧА ДОКУМЕНТОВ В АРБИТРАЖНЫЕ СУДЫ
КАРТОТЕКА АРБИТРАЖНЫХ ДЕЛ
БАНК РЕШЕНИЙ АРБИТРАЖНЫХ СУДОВ
КАЛЕНДАРЬ СУДЕБНЫХ ЗАСЕДАНИЙ

ПОИСК ПО САЙТУ