Оценка параметров, влияющих на газификацию твердых топлив

The work deals with the newly proposed method study plasticity of metals tension/compression of special lanes and consists of two parts. The first part is a detailed description of the new method; in the second we have investigated its options based on the tests of the eight special stretching bands of aluminum alloy AMg6 GOST 4784-97.

Key words: plasticity; method of investigation; index of the state of stress; indicator of the stress state; computer Modelling; DEFORM.

Harseev Vitaly Evgenievich, postgraduate, harsee vve amail. ru, Russia, Moscow, Moscow State Engineering University,

Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent,head of chair, Russia, Moscow, Moscow State Engineering University

УДК 622.278-047.43

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ГАЗИФИКАЦИЮ

ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

Р. А. Ковалев, Г.С. Болотов, И.А.Кононенко, В.И. Савин

Представлен процесс подземной газификации, протекающий по длине реакционного канала, рассмотрен прямой и обращенный процесс газификации наземной газификации твердых топлив. Кроме режимов процесса газификации, принимая во внимания геологические характеристики залегания угля, указана необходимость оценить влияние шага заложения скважин иобъемный расход дутья. Представлены зависимости теплотворности газа от расхода дутья на разных длинах подземного газогенератора на Подмосковной станции «Подземгаз»; зависимость скорости фильтрации от градиента давления; отмечено изменение проницаемости образцов подмосковного угля при уменьшении его влажности.

Ключевые слова: динамика газообразования, теплотворность газа, гидравлическое сопротивление, газификация углей, фильтрационные потоки.

Добыча в Подмосковном угольном бассейне продолжалась более 150 лет. На сегодняшний день общие геологические ресурсы составляют 11 млрд т. Балансовые запасы A+B+C1- 4098 млн т, С2- 1024 млн т, забалансовые - 1843 млн т. В угленосной песчано-глинистой толще содержится до 14 пластов и прослоев угля, из которых разрабатывался обычно один, реже два пласта мощностью 1,5-3,0 м. Угли бурые технологической группы Б2, преимущественно гумусовые, высокозольные и с повышенным содержанием серы [2].

По Подмосковному бассейну для углей характерны следующие показатели: содержание влаги - 32,5%, зольность - 31%, содержание серы -3%, выход летучих на горючую массу - 46%, теплота сгорания на горючую массу - 28,2 МДж/кг(6750 ккал/кг), низшая теплота сгорания рабочего топлива - 11,4 МДж/кг (2720 ккал/кг). Обводнённость месторождений значительная [3].

На протяжении существования бассейна разработка месторождений велась в основном подземным способом, а с 1957 г. месторождения с вскрышей до 40 м разрабатывались открытым способом. С 1939 г. и до 70-х годов прошлого столетия проводились работы по подземной газификации углей (ПГУ). Использование топлива методом ПГУ возможно и в тех случаях, когда разработка угольного месторождения шахтным способом нерентабельна. Имея значительные забалансовые запасы твердого топлива в центральном, промыш-ленно развитом, регионе данная технология определенно будет востребована при благоприятной экономической ситуации, использовании современных технических возможностей и совершенствовании технологии применительно к конкретным геологическим условиям [4].

В СССР, по данной технологии работали три станции - Ангренская - на бурых углях Средней Азии, Шатская -на бурых углях Подмосковного бассейна и Южно-Абинская - на каменных углях Кузбасса, которые в 70-х годах производили около 1,5 млрдм энергетического газа в год. В частности, подземная газификация угля в 1954 году осуществлялась на Шатской станции «Подземгаз»Институтом ВНИИПодземгаз.

Аналитическая база

Первоначально идея превращения угля в горючие газы с помощью свободного или связанного кислорода непосредственно в недрах земли принадлежит Д.И. Менделееву (1888). С 1930 г. в СССР начались исследования в данной области, а в конце 1933 г. учёными И.Е. Коробчанским, В. А. Матвеевым, В.П. Скафа и Д.И. Филипповым было предложено проводить ПГУ в горизонтальном канале при подготовке газогенератора шахтным способом. Для создания в пласте необходимых реакционных каналов использовались: прожиг каналов с помощью кислорода, гидравлический разрыв пласта, электрический ток и направленное бурение скважин по угольному пласту. В каналах газификации сформировываются реакционные зоны и начинается процесс газификации, который ведётся обычно на воздушном дутье. Химические реакции, протекающие в каналах подземной газификации, аналогичны газогенераторному процессу. Кислород, взаимодействуя в зоне горения, реагирует с массивом угля, который в результате повышения температуры изменяет свои, в том числе и фильтрационные свойства. Основные фильтрационные потоки направлены вдоль напластования угольной массы по реакционному каналу, который для уменьшения потерь угля должен проходить в начале процесса по подошве пласта [6].

Условно можно выделить три зоны - горения, восстановления и конверсии. Образовавшиеся в окислительной зоне углекислота и пары воды в зоне восстановления реагируют с углеродом топлива по следующим реакциям.

Зона горения (температура повышается до 1300 - 15000С) С+О2 О СО2 ; 2Н2+О2 02Н2О;

СН4+2О2 ОСО2+2Н2О.

Зона восстановления (температура понижается от 1300 -15000С до 0/

800 - 900иС)

С+СО2 О2СО; С+Н2О О СО+Н2 С+2Н2О О СО2+2Н2+СН4.

500 -6000С)

Зона конверсии (температура понижается от 800 - 9000С до

СО+Н2О О СО2+Н2+СН4

В восстановительной зоне при понижении температуры до 700 -8000С реакции восстановления СО2 и разложения Н2О практически прекращаются, а образовавшийся газ незначительно обогащается за счет летучей части топлива в зоне сухой перегонки. В данной зоне протекает реакция конверсии СО.

Рассматривая гетерогенный процесс газификации, протекающий по длине реакционного канала, необходимо отметить, что неравномерность расхода углерода топлива приводит к искривлению линии огневого забоя. Газы сухой перегонки проходят раскаленный коксовый слой, в результате чего продукты сухой перегонки (смола, непредельные углеводороды) разлагаются до СН4 и Н2, а в зоне горения сжигаются за счет кислородного дутья. При реверсе дутья зона горения становится зоной сухой перегонки с минимальной температурой, где не могут идти процессы сухой перегонки и обогащения газа за счет этих продуктов.

В процессе выгазовывания угольного пласта реакционные зоны перемещаются, и под действием горного давления происходит обрушение пород кровли и заполнение ими выгазованного пространства. Размеры канала будут зависеть от шага обрушения, зольного остатка и вспучившихся пород почвы. Благодаря этому остаются в течение длительного времени размеры и структура каналов газификации.

Существенным разделом в общем исследовании газогенераторных процессов является исследование динамики газообразования. Такое исследование в естественных условиях подземной газификации осуществлялось на нескольких участках Подмосковной станции.

При наземной газификации твердых топлив различают прямой и обращенный процессы газификации. При прямом процессе уголь поступает в шахту газогенератора сверху и постепенно перемещается вниз к ко-

лосниковой решетке, через которую подается дутье. Движение топлива происходит в противотоке движению газов, причем последние активно прогревают частицы топлива. Характерной чертой этой схемы осуществления процесса газификации является хорошая термоподготовка топлива до вступления его в зону газификации и обогащение газа в верхних ярусах загрузки высококалорийными газообразными продуктами пирогенетиче-ского разложения угля.

При обращенном процессе топливо поступает параллельно с дутьем в среднюю часть шахты газогенератора и движется сверху вниз в прямотоке с движением образующихся газов. Подготовка топлива в верхней части шахты происходит за счет теплопроводности - путем теплоотвода по слою без конвективного переноса тепла. В отличие от схемы прямого процесса, при газификации по схеме обращенного процесса не имеет места физическое присоединение к продуктам газификации высококалорийных легких продуктов разложения топлива: в основном они сжигаются в кислородной зоне, а в остальной части под действием высоких температур подвергаются глубоким превращениям. Таким образом, характерной чертой обращенного процесса является значительно меньшая степень термической подготовки топлива и отсутствие в получаемом газе продуктов сухой перегонки.

Выделение летучих пропорционально степени термической обработки топлива, а в условиях подземной газификации - степени нагрева поверхности угля по длине огневого забоя. Максимальное выделение летучих продуктов имеет место в районе, примыкающем к зоне горения, но притекающие сюда летучие продукты здесь же и сгорают. Выделение летучих уменьшается по направлению движения газового потока, и, проходя через высоконагретую поверхность угольного пласта, подвергаются термическому разложению.

Таким образом, по характеру термической подготовки угля и поведению летучих продуктов разложения угля, процесс подземной газификации занимает промежуточное место между прямым и обращенным процессами газификации.

Результаты исследований. Как известно, теплотворность газа, получаемого при прямом процессе газификации, значительно выше теплотворности газа, получаемого при обращенном процессе. Обращенный характер процесса подземной газификации угля, интенсивное протекание реакции конверсии СО на значительной части длины огневого забоя, неблагоприятные аэродинамические условия, а также худшие тепловые условия по сравнению с обычной наземной газификацией обусловливают пониженное качество газа подземной газификации угля при принятом методе газификации, в том числе высокое содержание в нем СО2 и Н2, низкое содержание СО, меньшее, чем при обычной наземной газификации, содержание СН4.

Поэтому для улучшения качества и повышения теплотворности газа ПГУ должны быть выбраны такие режимы ведения процесса, при которых улучшаются условия углеподготовки, в большей степени сохраняются летучие продукты разложения угля, снижается развитие реакций объемного горения и конверсии, улучшаются аэродинамические и тепловые условия работы подземных газогенераторов [1].

К режимам необходимо отнести технологию с реверсированием потоков дутья и газа, принимая во внимание влияние интенсивности дутья на качество газа в процессе ПГУ. Кроме режимов процесса газификации, принимая во внимание геологические характеристики залегания угля, необходимо оценить влияние шага заложения скважин, определив оптимальное расстояние между скважинами в процессе газификации. Очевидно, что расстояние между скважинами в ряду должно быть таково, чтобы ко времени снижения теплотворности газа ниже определенного предела был вы-газован весь или почти весь приходящийся на скважину запас угля. Если же расстояние между скважинами больше рационального, то либо должны оставаться невыгазованные полосы угольного пласта между соседними скважинами, либо процесс выгазования должен продолжаться с получением некондиционного газа.

Условно примем по аналогии с показателями наземной газификации, величину потерь углерода в золе и шлаках. По средним данным содержание горючих в золе и шлаках при газификации подмосковных углей в слоевых газогенераторах составляет в среднем 16% при средней зольности рабочего топлива (отсортированного подмосковного угля) 19%. Среднюю зольность угля примем в пределах 25...28% по рабочей массе. Соответственно вышеприведенному, примем содержание углерода в золе и шлаках выгазованного пространства газогенератора равным 20% при зольности исходного топлива - 25%. Отсюда условная величина потери углерода в золе и шлаках выгазованного пространства составит 25x0,2= = 5 кг на 100кг прогазифицированного угля. Следовательно, при увеличении расстояния между скважинами будут возрастать потери угля. Однако рациональное расстояние также должно определяться с учетом удорожания производства при уменьшении шага бурения между скважинами.

Увеличение расстояния между скважинами является актуальной задачей, но она должна решаться в комплексе с рядом других элементов технологического процесса.

Следовательно, расстояние между скважинами необходимо соотносить с действительными условиями протекания процесса ПГУ и по мере надобности корректировать его в ходе эксплуатации с учетом изменяемости горно-геологических условий для обеспечения сплошности выгазова-ния угольного пласта по фронту расположения скважин.

Еще одним важным фактором ПГУ является объемный расход дутья, который должен учитывать изменяющееся гидравлическое сопротивление в процессе газификации и имеет различные значения в на начальный момент времени, определяемый горно-геологическими условиями. Малые объемы дутья и, следовательно, низкие температуры создают значительные теплопотери и могут привести к полному уничтожению восстановительной зоны. Следовательно, при ламинарном режиме потоков дутья и газа в подземном газогенераторе, когда линейные скорости потоков чрезвычайно малы, и кислородная зона может сильно удлиняться. Так, по данным исследований на Подмосковной станции «Подземгаз» при увеличении расхода дутья (0) с 3000 м /ч до 6000 м /ч содержание О2 на расстоянии 15 мот дутьевой скважины было:

при 0=3000 м3/ч - 1,8 %,

при 0 = 4500 м3/ч - 2,5 %,

при 0=6000 м3/ч - 3,0 %.

При снижении расхода дутья с 6000 до 1500 м /ч содержание О2 на том же расстоянии от дутьевой скважины было:

при 0=4500 м3/ч -4,3 %, при 0=3000 м3/ч - 3,7 %, при 0=1500 м3/ч -2,4 %. При вторичном увеличении расхода дутья с 1500 до 6250 м /ч также наблюдалось повышение содержания О2 с увеличением расхода дутья. Приведенные данные свидетельствуют об удлинении кислородной зоны с увеличением расхода дутья. В связи с удлинением кислородной зоны изменяется и теплотворность газа. Для наглядности в табл. 1 представлены зависимость теплотворности газа от расхода дутья на разных длинах подземного газогенератора.

Таблица 1

Теплотворность газа в зависимости от расхода дутья на разных длинах подземного газогенератора

№ Расход дутьевого воздуха 0, м3/ч Расстояние между скважинами 1, м

17,5 35 70 105

1 3000 980 820 800 730

2 5000 750 740 800 780

3 7500 430 710 730 705

4 10000 270 700 700 680

Обработка опытов, проведенных лабораторией № 1 Института ВНИИПодземгаза в 1951 - 1952 гг., и эксплуатационные данные Подмосковной станции «Подземгаз» показали, что для газогенераторов №1,4 и 5, а также для опытной технологической панели зависимость гидравлического сопротивления между двумя скважинами от расхода дутья имеет линейный характер [5].

Линейная зависимость гидравлического сопротивления от расхода дутья позволяет сделать предположение о ламинарном режиме потока дутья и газа на Подмосковной станции «Подземгаз». Графическое изображение на рис. 1 зависимости теплотворности газа от расхода дутья для расходов показывает, что наибольшая теплотворность газа получается при расходе дутья, равном 2500...4000 м3/ч.

Такой характер зависимости теплотворной способности газа от расхода дутья может быть объяснен следующим образом. Поскольку режим потока ламинарный, то перенос кислорода дутья к угольной поверхности осуществляется посредством молекулярной диффузии, поэтому количество израсходованного кислорода, несмотря на различное количество дутья на данной длине подземного газогенератора, будет более или менее постоянным. А так как абсолютное количество кислорода при большем расходе дутья будет поступать в подземный газогенератор больше, чем при меньшем расходе, то естественно, что при большем расходе дутья кислородная зона будет растягиваться. До тех пор, пока кислородная зона не будет перекрывать следующие за ней зоны полувосстановительных и восстановительных реакций, состав газа будет улучшаться. После наступления определенного оптимума дальнейшее увеличение расхода дутья будет ухудшать состав газа.

ккал/м3

1000

800

600

400

200

2000 4000 6000 8000 1 0000О нГ/час

Рис. 1. Зависимость теплотворности газа от расхода дутья на Подмосковной станции «Подземгаз»

Еще в 1950 г. во ВНИИПодземгазе [7] было проведено исследование влияния влагосодержания поступающего дутья на изменение проницаемости образцов подмосковного угля, продуваемых этим дутьем. Результаты этого исследования позволяют сделать вывод о том, что применение осушенного дутья в несколько раз ускоряет достижение состояния повышенной проницаемости влажного подмосковного угля в сравнении с дутьем из неосушенного атмосферного воздуха.

Результаты проведенных исследований доказали также, что уменьшение влажности подмосковного угля влечет за собой изменение его свойств, в том числе и свойства его проницаемости. Однако оставался еще неясным характер изменения проницаемости подмосковного угля в зависимости от уменьшения его влажности. Задача заключалась в том, чтобы опытным путем определить зависимость проницаемости подмосковного бурого угля от его влажности. Для решения этой задачи были взяты образцы подмосковного угля с различной влажностью и проведены исследования по определению проницаемости каждого образца.

Максимальная влажность, приобретенная образцами подмосковного угля, находившимися в воде, составляла по опытным данным величину в пределах 27,4...33,2%.

Проведенные опыты по определению проницаемости образцов подмосковного угля различной влажности дали возможность судить о режиме движения газа через испытанные образцы угля. Так, на рис. 2 и 3 показаны изменения скорости фильтрации q см3/с см2 в зависимости от градиента давления У атм/см для ряда образцов угля при различной влажности их.

0,2

о

0,15

=г

гз о.

0,1

а

о о

О-

о

о

0,05

А >

А

/ / 1

о

О,

05 0,1 0,15 0,2

Градиент давления, ат/см

Рис. 2. Зависимость скорости фильтрации от градиента давления. Подмосковный уголь, партия 1, серия 1; образец № 63 с осью,

параллельной наслоению

Приведенные данные позволяют иметь представление о порядках величин градиента давления и скорости фильтрации, при которых проводились исследования проницаемости образцов угля.

Результаты опытов показывают также, что в пределах градиентов давления, которые имели место при проведении опытов, прохождение газа через образцы угля удовлетворяет линейному закону фильтрации. Фильтрующееся через образец подмосковного угля дутье, как показали результаты опытов [8], неравномерно распределяется по поперечному сечению образца угля.

Полученные результаты опытов дали возможность определить проницаемость образцов угля в зависимости от их влажности.

На рис. 3 представлены изменения логарифмов коэффициентов проницаемости (в Дарен) образцов подмосковного угля в зависимости от уменьшения их влажности.

Градиент давления, ат/см

Рис. 2. Зависимость скорости фильтрации от градиента давления. Подмосковный уголь, партия 1, серия 2; образец № 102 с осью, перпендикулярной наслоению

При уменьшении влажности подмосковного угля величина проницаемости образцов угля резко возрастает. Так, при изменении влажности подмосковного угля от 30 до 2% величина проницаемости увеличивается примерно на пять порядков.

Зависимость между влажностью и проницаемостью образцов подмосковного угля не является линейной.

Характер кривых показывает, что изменение проницаемости образцов в различных областях влажности подмосковного угля происходит неодинаково.

По характеру изменений проницаемости образцов подмосковного угля весь диапазон влажности можно разделить на три области.

В первой области, при уменьшении влажности от XV максимальной до XV = 20...22%, проницаемость образцов подмосковного угля при подсушке увеличивается в сотни и тысячи раз.

Во второй области при уменьшении влажности от 22...20% до 10...8% проницаемость образцов увеличивается в пределах одного порядка.

В третьей области при изменении влажности угля с 10...8% до 3...2% проницаемость образцов увеличивается в десятки и сотни раз.

+1

-1

* -2 О)

-3

-4

-5

о

о ^ о

X

1 X

10 15 20 25

0

Рис. 3. Изменение проницаемости образцов подмосковного угля при уменьшении его влажности

Из имеющихся данных следует, что величина проницаемости образцов подмосковного угля, измеренная в направлении наслоения, при любой влажности угля больше, чем проницаемость образцов угля, измеренная в направлении, перпендикулярном поверхности наслоения.

Увеличение проницаемости подмосковного угля при уменьшении его влажности влечет за собой возможность снижения градиента давления для достижения одного и того же расхода дутья или возможность увеличения расхода при сохранении постоянного градиента давления.

При наличии повышенной проницаемости подмосковного угля и, следовательно, при работе с увеличенным расходом дутья можно ожидать повышения скорости сбойки. Уменьшение градиента давления, связанное с возрастанием проницаемости подмосковного угля, может вызвать сокращение расхода энергии на перемещение заданного количества газа по определенному участку угольного пласта.

Кроме того, чем большая масса угля будет иметь повышенное значение проницаемости, тем большая часть потока дутья и газов будет проходить по толще угольного целика. При этом создаются благоприятные условия для протекания основных реакций процесса газообразования.

Ход изменения проницаемости подмосковного угля при уменьшении его влажности показывает, что наибольший относительный эффект повышения проницаемости подмосковного угля происходит при уменьшении его влажности от Ш= Шмакс до Ш = 22...20%. Это означает, что потеря первой трети влажности сырого подмосковного угля уже создает условия для значительного повышения его проницаемости.

Оценивая эффективность процесса ПГУ, необходимо отметить, что наряду с составом газа, степенью полезного использования запасов угля и КПД процесса газификации имеется еще ряд других показателей, характеризующих эффективность и освоенность производства газа ПГУ. К их числу относятся масштаб выработки и себестоимость производства, причем они в значительной степени взаимосвязаны.

Так, например, нельзя, пренебрегая экономикой, считать рациональным улучшение качества газа путем обогащения дутья кислородом или путем значительного подогрева дутья за счет сжигания части газа, а также путем уменьшения расстояния между скважинами в ряду с целью использования эффекта получения газа повышенной теплотворности, в первый период работы скважин после сбойки или путем отбора газа с повышенной теплотворностью из отдельных скважин. Точно также нельзя считать рациональным чрезмерное увеличение расстояния между скважинами с целью сокращения затрат на бурение, когда это приводит к росту потерь угля в недрах и снижению средней теплотворности валового газа.

При реализации процесса ПГУ вопросы улучшения качества газа, сокращения потерь угля, дутья и газа, увеличения химического и энергетического КПД, повышения экономичности и другие должны решаться комплексно.

Список литературы

1. Гаркуша И.С. Подземная газификация. М.: Углетехиздат, 1954.

73 с.

2. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. М., 1962. Т. 2. 78 с.

3. Горная энциклопедия /под ред. Е.А. Козловского. М.: Сов.энцикл.,1989. Т. 4. 623 с.

4. Коллектив авторов. Подмосковный угольный бассейн / под общ. ред. В.А. Потапенко. Тула: Гриф и К°, 2000. 276 с.

5. Оника Д.Г. Подмосковный угольный бассейн (1855 - 1955) / Д.Г. Оника. М.: Москов.рабочий, 1956. 233 с.

6. Яблоков B.C. История изучения каменноугольных отложений и углей Подмосковного бассейна, М., 1967. Т. 2. 84 с.

7. Питин Р.Н., Сухотинская Т.М. Пути повышения газопроницаемости Подмосковного угольного пласта:отчет ВНИИПодземгаза. 1950. 79 с.

8. Нусинов Г.О. [и др.]. Экспериментальные исследования механизма и показателей процесса бесшахтной сбойки скважин в условиях Подмосковной станции «Подземгаз»:отчет ВНИИПодземгаза. 1951. 85 с.

Ковалев Роман Анатольевич, д-р техн. наук, проф., директор Института горного дела, kovalevdekanamail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Болотов Григорий Сергеевич, асп., Bolotovgs@tomato-pizza. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Кононенко Илья Алексеевич, асп., kononenko05arambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Савин Владимир Ильич, магистрант, Savin collamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

EVAL UA TION PARAMETERS AFFECT THE GASIFICA TION OF SOLID FUELS

R.A.Kovalev, G.S.Bolotov,I.A. Kononenko, V.I.Savin

The paper presents the process of underground gasification, flowing through the length of the reaction, not the channel is considered the direct and inverse process of gasification-earth gasification of solid fuels. Also modes gasification process, taking into account the geological characteristics of the occurrence of coal is specified to assess the impact of the step of laying the wells and the volume flow of blast. The dependences of the calorific value of the gas flow from the blast at different lengths underground gaz generator in the Moscow station Podzemgaz; the dependence of the rate of radio-folder of the pressure gradient; marked changes in the permeability of samples Podmoskovnij coal while reducing its moisture.

143

Key words: dynamics of gas production, the calorific value of gas-hydraulic pressure drop and coal gasification, filtration flows.

Kovalev Roman Anatolievich, doctor of technical sciences, professor, Director of the Institute of Mining, kovalevdekan@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

Bolotov Grigorij Sergeevich, postgraduate, Bolotovgs@tomato-pizza. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kononenko Ilja Alekseevich, postgraduate, kononenko05@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Savin Vladimir Ilyich, undergraduate, Savin_coll@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University