|
153 Очевидно, что в общем процессе подземного горения угольного пласта лимитирующей стадии 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 Ох количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции; От количество тепла, уходящего из зоны химической реакции за счет теплопроводности; Огп количество тепла, уносимого из зоны химической реакции газообразными продуктами горения. Количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции, равно <у-и’, где ц тепловой эффект физико-химического взаимодействия кислорода с углем, Дж/м3; и> скорость химической реакции, м3/с. 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. Скорость гетерогенной химической реакции описывается уравнением Аррениуса: Освг 041. ” 0> (5.1) (5.2) где К0предэкспоненциальный множитель, 1/с; Ун объем кислорода, поступающего к поверхности огневого забоя, м3; |
133 Теоретические исследования, лабораторные и промышленные эксперименты показали, что технология ТулГУ газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля , 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 подземной газификации угля. 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 стадии 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. 134 В рамках этой физической модели справедливо следующее уравнение, теплового баланса: О , в т О г л = 0 , (4.1) где ()х количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции; ()т количество тепла, уходящего из зоны химической реакции за счет теплопроводности; ^г.п. количество тепла, уносимого из зоны химической реакции газообразными продуктами горения. Количество тепла, выделяющегося в результате химической реакции, равно ^ ту, где ^ тепловой эффект физико-химического взаимодействия кислорода с уг3 3лем, Дж/м ; >г скорость химической реакции, м/с. Тепловой эффект взаимодействия кислорода с углем складывается из тепла процесса хемосорбции, которое при высоких температурах изменяется в интерва3 3ле от 18 до 37 Мдж/м и в среднем составляет 28 Мдж/м , и тепла реакции окисления углерода угля кислородом воздуха, которое равно 10 Мдж/м . Поэтому этот параметр можно считать постоянным и в среднем равным 38 Мдж/м .Скорость гетерогенной химической реакции описывается уравнением Аррениуса: ™ = К0Гкехр Е ' КТ / (4.2) где К0 предэкспоненциальный множитель, 1/с; Ук объем кислорода, поступающего к поверхности огневого забоя, м ; Е энергия активации, Дж/моль; К универсальная газовая постоянная, Дж/моль-К; Т абсолютная температура, К. Тогда можно записать, что бх = = ЧК0Сехр Е \ КТ о где Ув объем воздуха, поступающего к поверхности огневого забоя, м /с; С концентрация кислорода на поверхности огневого забоя. |