Альтернативные источники органических топлив

     Бурый уголь шахт ОАО «Мосбассуголь» является типичным для бурых углей Подмосковного угольного бассейна. Марка угля - Б2, состав угля на рабочую массу ~ W_t=33%, А =23,5%,  S -2,9%, С = 29,1%, Н = 2,2%, N =0,6%, О = 8,7%, низшая теплота сгорания угля на рабочую массу Q = 10500 кДж/кг, по данным исследований, проведённых в МГГУ, средняя теплота сгорания ТБО на рабочую массу  составляет Q_i = 6300 кДж/кг. Состав ТБО на рабочую массу вариабелен, поэтому их влажность, которая является одной из важнейших характеристик топлива при теплотехнических расчетах, примем равной влажности на рабочую массу угля, т.е. W_ТБО = W_t = 33%. Вероятность того, что W_ТБО будут равны W_t угля, довольно большая, поскольку до процесса сжигания ТБО могут находиться в  камерах  довольно длительное  время (порядка 1 года) и весьма вероятно, что между ними и углем в межкамерных целиках установится равновесное состояние как по температуре, так и по влажности.

     Состав  теплотехнического комплекса должен определяться заданной теплопроизводительностью, составом парогазовой смеси и ПДК. Все устройства и аппараты,  входящие в  комплекс,  должны быть  увязаны между собой по всем параметрам и подчинены общей технологии утилизации физического тепла газов подземного  сжигания угля и их очистки. В состав теплотехнического комплекса должны входить следующие основные устройства и аппараты: контрольно-регулирующая и управляющая аппаратура; обвязка скважины (ствола) исходящих газов; аппараты предварительной мокрой очистки газов и регулировки их температуры и производительности; система очистки газов от сернистых соединений; система котлов-утилизаторов тепла; система пылеулавливания газов, выбрасываемых в атмосферу; вентилятор-дымосос; система трубопроводов парогазовой смеси; система   циркуляции теплофикационной воды в виде насосов, трубопроводов, аппаратуры управления; система химической подготовки подпиточной воды и ее магнитной обработки; дымовая труба и газовые задвижки.

     Учитывая  данные расчетов, температура газа - теплоносителя может достигать 1000⁰С, что требует защиты обсадных колонн скважин. Кроме того, следует учитывать требования, предъявляемые к оборудованию (Т_г £ 600⁰С). Использование данного устройства позволяет сохранить скважину и полезно использовать извлекаемое при этом тепло.

     Для очистки газов от твердых частиц следует применять мокрые золоуловители следующих типов: центробежные скрубберы (ЦС ВТИ) или мокротрубковые золоуловители (МП ВТИ), работающие в комплексе с оросительными устройствами производительностью 2,1-3,25м³ воды в час. Для повышения степени очистки дымовых газов при установке центробежных скрубберов типа ЦС ВТИ перед скруббером рекомендуется применять аппараты типа МВ-УО ОРГОЭС или МПР-50, включающие трубы Вентури с системой орошения, обеспечивающие удельный расход воды в пределах                     50-200 г/м³ газа. При этом эффективность пылеулавливания составляет 57-99%.

     Горно-геологическими  факторами,  определяющими  значения физико-химических факторов, влияющих на устойчивость подземного горения угольного пласта,  являются  обводненность  месторождения, тип угля и вмещающих пород, гипсометрия и глубина залегания угольного пласта, наличие карстовых нарушений.

     Максимальный  КПД  теплообменника  при  устойчивом горении угольного пласта обеспечивается если температура газообразных продуктов  горения составляет 473-523 К, а расход  20000-50000 м³/ч.  Для такого режима работы теплообменника необходимо прогреть угольный пласт на линии  всасывающих скважин до температуры не менее 573 К. Устойчивое горение бурого угля происходит в фильтрационном канале  и зависит от интенсивности фильтрационного потока воздуха, поступающего к огневому забою. Параметрами   оптимизации   газотеплогенератора  являются расстояния между скважинами и рядами скважин;  количество воздуха, подаваемого в нагнетательные скважины; перепад давления, развиваемый источниками тяги. Физико-химическими факторами, определяющими интенсивность физико-химических процессов горения угля,  являются  проницаемость, трещиноватость и  влажность  угля  и вмещающих пород;  коэффициент диффузии                кислорода;  энергия активации, константа скорости окисления угля и тепловой эффект реакции кислорода с углем.

      При фиксированном перепаде давления фильтрационный  поток воздуха к огневому забою будет зависеть от проницаемости и трещиноватости угольного пласта, на  которые существенное влияние оказывает влажность угля. Если плотность фильтрационного потока будет недостаточна, то процесс горения будет затухать. Горно-геологические условия Подмосковного бассейна позволяют эффективно использовать как технологию подземной газификации угля, так технологию «Углегаз», на базе существующего оборудования.

     Теоретические исследования, лабораторные и промышленные эксперименты показали, что технология комплексной постадийной отработки угольных месторождений «Углегаз», разработанная в Московском горном университете под руководством академика В.В. Ржевского, позволяет резко снизить нагрузки на окружающую среду по сравнению с традиционными способами угледобычи. Однако положительный экологический эффект достигается при устойчивом процессе подземного горения угольного пласта.  Поэтому на стадии проектных решений необходимо иметь корректное математическое описание этого процесса, являющегося одним из основных в технологии «Углегаз».

     Область горения угольного пласта, расположенную  между рядом нагнетательных и вытяжных скважин  можно  разделить  на  следующие составные части - это зольный остаток; объем угольного пласта, реагирующий с кислородом воздуха; зона термической подготовки угольного пласта. Объем угля, контактирующий с зольным остатком, имеет наибольшую температуру в области горения. Учитывая, что линейный размер этой  зоны  на несколько порядков меньше расстояния  между скважинами, будем считать,  что область горения состоит из двух полуплоскостей - зольного остатка и термически подготовленного угля, которые разделены линией огневого забоя.

     В качестве физической модели  процесса  подземного  сжигания угольного пласта принята модель, в соответствии с которой горение угля определяется интенсивностью трех различных процессов: химической реакции кислорода с углем на поверхности огневого забоя, сопровождающейся выделением тепла; конвективно-диффузионным переносом кислорода к огневому забою и отводом газообразных продуктов реакции.

     Очевидно, что в общем процессе подземного  горения угольного пласта лимитирующей стадией является тепломассоперенос в зоне химического реагирования. При определенном сочетании параметров тепломассообмена устанавливается состояние динамического равновесия, которое характеризуется постоянной скоростью химической реакции, и горение протекает в устойчивом режиме.

     В рамках этой физической модели справедливо  следующее уравнение теплового  баланса: ,  где Q_x - количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции; Q_Т - количество тепла, уходящего из зоны химической реакции за счет теплопроводности; Q_Г.П. - количество тепла, уносимого из зоны химической реакции газообразными продуктами горения. Количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции, равно q×w, где q - тепловой эффект физико-химического взаимодействия кислорода с углем, Дж/м³; w - скорость химической реакции, м³/c.

     Тепловой  эффект взаимодействия кислорода с  углем складывается из тепла процесса хемосорбции, которое при высоких температурах изменяется в интервале от 18 до 37 МДж/м³ и в среднем составляет 28 МДж/м³, и тепла реакции окисления углерода угля кислородом воздуха, которое равно 10 МДж/м³. Поэтому этот параметр можно считать постоянным и в среднем равным 38 МДж/м³.

     Математическое  описание процесса подземного горения  угольного пласта можно представить  в следующем виде:

      ;                                                                           (1)

      ;                                     (2)

      ;                                                     (3)

      ;                                                                            (4)

      ,                                (5)

где K₀ – предэкспоненциальный множитель, 1/с; E - энергия активации, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль×K; l_у - теплопроводность термически подготовленного угля, Вт/м×K; С_у – теплоемкость термически подготовленного угля, Дж/кг×K;  l_Пi - теплопроводность вмещающих пород (индекс i=1 относится к породам кровли, i=2 - к породам почвы), Вт/м×К;  Т_i(x,y_i,t) - функция, описывающая поле температур во вмещающих породах, K; r_г - плотность газообразных продуктов горения, кг/м; V - скорость фильтрации, м/с; С_г - теплоемкость газообразных продуктов горения, Дж/кг×K.

     Уравнения (1) - (5) описывают нестационарное поле температур угольного пласта и вмещающих пород соответственно. Математическая модель  процесса,  представленная  уравнениями (1) - (2) и условиями (3) - (5), является теоретическим обобщением результатов физического моделирования и стендовых испытаний, проведенных сотрудниками МГГУ и ТулГУ. Полученная модель позволяет решить следующие практические задачи:

• определение расстояние между рядами нагнетательных и всасывающих скважин, которое обеспечит эффективную работу теплообменника;
• определение физических условий, обеспечивающих устойчивую реакцию горения;
• оценка химического состава газообразных продуктов подземного сжигания угольного пласта и мощность выбросов загрязнителей в водоносные горизонты и приземные слои атмосферы.

     Забалансовые  запасы целого ряда угольных месторождений  Подмосковного бассейна целесообразно отрабатывать по скважинной технологии, которая аналогична известным технологическим схемам подземной газификации угля. Это позволяет использовать в качестве математического описания распределения воздуха в угольном пласте и вмещающих породах модели, предложенные И.А. Чарным. Адаптация этих моделей к рассматриваемым физическим условиям сводится к следующему.

     Пусть в однородном пласте расположены  два параллельных  ряда скважин, расстояние между которыми 2h, расстояние между скважинами в ряду s, глубина каждой скважины одна и та же и равна H. Установившееся течение газовой смеси в пористой среде описывается уравнением Лапласа: , где F - потенциал массовой скорости фильтрации газа; k - коэффициент газовой проницаемости, м²; m - коэффициент динамической вязкости воздуха, Па×с; r₀ - плотность воздуха, кг/м³; p₀ - атмосферное давление, Па; p - давление воздуха в данной точке пористой среды, Па.

     При этом вновь  введенные  источники  окажут небольшое влияние на распределение потенциалов в плоскости z=H, так как расстояние от них до этой плоскости 2H значительно больше расстояния между скважинами 2s. В этом случае потенциал массовой скорости фильтрации будет иметь вид: 

      ,                                  (6)

где q₁, q_2n  - мощность стоков и источников, на единицу длины скважины, Н/м×с; n - число скважин.

     Массовые  дебиты  скважин источников находятся  из условий равенства нулю потенциалов на их контурах:

      ,          (7)

где r - радиус скважины.

     Условия (7) представляют собой систему N линейных уравнений. Учитывая, что радиус скважины значительно меньше расстояний между ними, эту систему уравнений можно записать в следующем виде: 

                     ,                       (8)

где

      ;

      ;

      ;

      . 

     Учитывая  тот факт, что массовая скорость фильтрации газовой смеси пропорциональна градиенту потенциала фильтрационного течения, получим: