Обґрунтування технологічних параметрів підземної газифікації та спалювання бурого вугілля з використанням підземних вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО НАУКИ І ОСВІТИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.278 + 662.73

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування технологічних параметрів підземної газифікації та спалювання бурого вугілля з використанням підземних вод

05.15.02 - «Підземна розробка родовищ корисних копалин»

Жолудєв Станіслав Вікторович

Дніпропетровськ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гідрогеології та інженерної геології у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, Садовенко Іван Олександрович, професор, завідувач кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, Перепелиця Валентин Григорович професор, завідуючий відділом гірничої аерогазодинаміки Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, Сажнєв В'ячеслав Петрович старший науковий співробітник, старший науковий співробітник лабораторії фізичного та математичного моделювання незворотних процесів Донецького Національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “24” грудня 2008 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий “21” листопада 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.03 кандидат технічних наук, доцент В.І. Тимощук.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для України енергетичне питання є одним з головних у зв'язку з недостатністю вітчизняних природних енергоносіїв, що потребує пошуків альтернативних джерел енергії та змін в підході до використання традиційних. Вугілля залишається головним паливо-енергетичним ресурсом України, який протягом наступних століть зможе задовільнити також потреби в хімічній сировині. Проблема раціонального видобудку вугілля з одночасним захистом навколишнього середовища для України є одною з приоритетних і соціально важливих. Особливо гостро вона стоїть в районах інтенсивного антропогенного і техногенного впливу, пов'язаного з переробкою та використанням твердих горючих корисних копалин. Підземна газифікація вугілля (ПГВ) і підземне спалювання вугілля (ПСВ), які поєднують розробку корисних копалин з їх одночасною підземною переробкою в єдиному технологічному процесі, здатні вирішити ці проблеми, але їх впровадженню перешкоджає низка принципових недоліків. По-перше, це недосконалість управління процесом підземного горіння та термохімічного перетворення вугілля, питання концентрації і транспортування продуктів спалювання на значні відстані, а також труднощі з забезпеченням оптимального гідродинамічного режиму.

У зв'язку з цим, в дисертаційній роботі була сформульована актуальна науково-практична задача розробки принципів функціонування енергетичних модулів підземного спалювання вугілля з використанням за проміжний рухомий теплоносій підземних вод у термічній зоні генератора на основі закономірностей термодинаміки газової і рідкої фаз в процесі керованої фільтрації теплоносія.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках досліджень кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету і є складовою частиною міжнародних проектів „Стан і перспективи розвитку підземної газифікації вугілля (ПГВ) в Україні” (ВФ-3) і «Стійкість геотехнічних систем», договір № М/319 - 2007 ОБ - 36, Дніпропетровськ, НГУ України, 2000 і 2007 рр. Напрям досліджень відповідає Постанові Кабінету Міністрів України від 28.03.1997 р. № 280 „Про хід перебудови вугільної галузі”.

Мета роботи полягає в обґрунтуванні технологічних принципів та параметрів функціонування енергетичних модулів ПГВ і ПСВ з використанням підземних вод як теплоносія.

Задачі, вирішені в дисертаційній роботі, полягають в наступному.

1. Виконати аналіз і математичне моделювання газо-, гідро- і термо- динамічних процесів ПГВ і ПСВ з визначенням їх режимів.

2. Обґрунтувати можливість використання підземних вод як теплоносія енергомодулів ПГВ і ПСВ.

3. Визначити на підставі закономірностей руху рідкої і газової фаз параметри управління фільтраційними потоками теплоносія.

4. Обґрунтувати технологічну схему енергетичного модуля ПСВ для конкретних умов вугільного родовища.

Ідея роботи полягає у використанні закономірностей руху газової і рідкої фаз в процесі керованої фільтрації підземних вод в підземній та наземній частинах технологічних модулів ПГВ і ПСВ.

Об'єкт досліджень - природні та технологічні фактори формування режиму ПГВ і ПСВ в складних гідрогеологічних умовах вугільних родовищ з використанням проміжного рухомого теплоносієм.

Предмет досліджень - закономірності фазового руху підземних вод у зоні ПГВ і ПСВ, а також параметри управління їх гідродинамічним режимом як теплоносія.

Методи досліджень. Для досягнення мети і вирішення задач, поставлених у дисертаційній роботі, виконаний комплекс досліджень, серед яких аналіз експериментальних даних, математичне моделювання теплофізичних процесів навколо підземного джерела горіння вугілля, кількісна оцінка газо- , гідро- і термодинамічних параметрів стану фазових перетворень у водоносних породах, порівняльний аналіз параметрів різних енергоустановок модуля ПСВ для конкретних умов Дніпровського буровугільного басейну.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Термодинамічний режим теплогенератора при підземному горінні вугілля формується трьохфазною системою «вода - газована рідина - водяний пар» з радіусом впливу до 8 м, який є близьким до розмірів зони газогідродинамічного впливу. Це надає можливість встановити раціональний режим експлуатації енергетичних модулів ПГВ і ПСВ без відбору холодної води в єдиному технологічному циклі з горінням вугілля.

2. Основна втрата енергії теплових модулів ПГВ і ПСВ відбувається в поверхневих трубопроводах, а стабілізація об'єму кондиційних підземних вод відбувається протягом першого року експлуатації родовища бурого вугілля, причому водовідбір комбінується вертикальними свердловинами з надвугільного і підвугільного горизонтів і каналом ПСВ зі зміщенням інтенсивності водовідбору з каналу в кінці циклу відробки ділянки.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уточнені математичні моделі газо- , гідро- і термодинамічних режимів при підземній газифікації і спалюванні вугілля в умовах водонасичених родовищ, та вперше встановлено, що найбільш достовірні результати основані на урахуванні фазових переходів у підземних водах.

2. Вперше обґрунтовано, що в межах термічної зони генераторів ПГВ і ПСВ підземні води є кондиційним рухомим теплоносієм, який можливо використати для передавання теплової енергії горіння вугілля до поверхневої енергоустановки, а також проведена оцінка теплових втрат теплоносія, яка дозволяє визначити термічні і гідродинамічні параметри на вході в енергоустановку.

3. Показано, що управління фільтраційними потоками підземних вод як теплоносієм досягається комбінованим водовідбором з свердловин і каналу вигоряння, що складає параметричну основу технологічної схеми енергетичного модуля ПГВ і ПСВ в складних гідрогеологічних умовах.

4. На основі термодинамічного аналізу ефективності енергоустановок різних типів для модулів ПГВ і ПСВ при відомих параметрах підземних вод як теплоносія встановлено, що для температур близько 100 С доцільно використати турбокомпресорні станції, а понад 170 С паротурбінні установки з різним числом ступенів.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректним аналізом досвіду ПГВ і ПСВ, використанням фундаментальних положень та аналітичних методів термо- та гідрогазодинаміки; задовільною збіжністю (похибка менше 20 %) результатів досліджень і фактичних даних експлуатацій станції підземного спалювання і газифікації вугілля.

Наукове значення роботи полягає у встановленні кількісних закономірностей фізичних процесів у водонасичених породах при підземному спалюванні і газифікації вугілля і визначенні параметрів управління гідрогазодинамічним і термодинамічним режимами стану підземних вод як теплоносія.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному.

1. Встановлені кількісні параметри режимів підземного спалювання і газифікації вугілля з використанням підземних вод як теплоносія, що дозволяє підвищити енергетичну ефективність генераторів.

2. Обгрунтована схема управління фільтрацією підземних вод з комплексом заходів вдосконалення гідродинамічних умов розробки водонасичених родовищ вугілля способами ПСВ і ПГВ.

3. Розроблена технологічна схема модуля на основі ПСВ, яка дозволяє підвищити ефективність енергетичного використання вугілля.

Практична цінність роботи полягає в розробці та обґрунтуванні технологічних параметрів енергетичних модулів ПСВ, що є базою для розробки технічних рішень відпрацювання вугільних родовищ України зі складними гідрогеологічними умовами та проектування компактних і екологічних енергоустановок для районів підвищеного техногенного впливу на геологічне середовище.

Реалізація роботи. Основні результати роботи використані при прийнятті технічних рішень щодо проектування експериментальної ділянки ПСВ на Тарнавському родовищі бурого вугілля, а також у заключному звіті з міжнародного проекту «Стійкість геотехнічних систем».

Особистий внесок автора. Автором сформульовані мета, ідея і наукові положення роботи. Проведені теоретичні дослідження, розроблені методики розрахунку термо-, гідро- та газодинамічних параметрів підземних теплогенераторів ПГВ і ПСВ. Обґрунтована можливість використання підземних вод як теплоносія. Проведений аналіз ефективності енергетичних установок та розроблені технологічні принципи роботи енергомодулів.

Апробація результатів досліджень. Основні результати досліджень доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на міжнародних науково-практичних конференціях «Виробництво синтетичного моторного палива з вугілля Донецького басейну, як складова енергетичної безпеки Європи» (Луганськ, 2005 р.), на 4-й всеукраїнській науково-технічній конференції «Фізичні процеси і поля технічних і біологічних об'єктів» (Кременчук, 2005 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень надруковано 7 наукових робіт, в тому числі 4 статті у фахових виданнях, 2 статті в інших виданнях, 1 - в матеріалах конференції.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних літературних джерел з 153 найменувань і містить 147 сторінок машинописного тексту, 51 малюнок, 1 таблицю, 2 додатки. Загальний обсяг роботи 187 сторінок.

Дана робота виконана на кафедрі гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету під керівництвом заслуженого діяча в галузі науки і техніки України, д.т.н., професора І.О. Садовенка, якому автор глибоко і щиро вдячний.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета, задачі, об'єкт і предмет досліджень, відображена наукова новизна і основні результати, наукові положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації і публікації досліджень.

В першому розділі проаналізовані літературні джерела з метою виявлення чинників, які впливають на ефективність підземної газифікації і спалювання вугілля. Серед матеріалів з физико-хімічних процесів в умовах родовищ, що газифікуються, найбільший інтерес представляють роботи Г. П. Зибалова, Н. З. Бруштейна, М. Б. Равіча, Н. В. Лаврова, К. Б. Тріфонової, В. І. Паньковського, Г. О. Нусинова, І. А. Турчанинова та ін. Особливості процесу ПГВ і ПСВ обводнених вугільних родовищ вивчалися О. І. Силін-Бекчуріним, К. Ф. Богородіцьким, В. І. Кононовим та ін. Сучасні дослідження присвячені головним чином розробці перспективних технологічних схем ПГВ і ПСВ (О. В. Колоколов, Н. М. Табаченко, О. M. Ейшинський, В. Г. Перепелиця, О. М. Мікенберг та ін.).

Аналіз свідчить, що процеси ПГВ і ПСВ є складними для вивчення і відтворення основних технологічних ланок роботи підземних генераторів. Науково-практичний досвід дає підстави вважати, що підвищення ефективності ПГВ і ПСВ може досягатись шляхом зниження втрат теплової енергії і збільшення активності і стійкості горіння вугілля. Ці питання потрібно вирішувати на підставі емпіричних і експериментальних даних з використанням математичного моделювання термо-, газо- і гідродинамічного режимів.

Досліджений в підземному теплогенераторі зв'язок між горінням вугілля, навколишніми породами і підземними водами дозволяє стверджувати про їх взаємний вплив і утворення єдиного теплофізичного комплексу, компоненти якого активно взаємодіють і формують загальне теплове поле.

Інтерес представляють підземні води області термічного впливу підземних теплогенераторів ПГВ і ПСВ, які мають високі теплові параметри і рухливість, що дає можливість використати їх як проміжний теплоносій. Для його відбирання необхідні засоби концентрації і передачі на поверхню. Перенесення енергії підземними водами знімає необхідність відбору продуктів газифікації і їх транспортування, і дозволяє перейти до технологічно більш простої схеми - підземне спалювання. Ці підстави дозволили скласти завдання досліджень дисертаційної роботи.

В другому розділі шляхом математичного моделювання проведений аналіз термо- і гідрогазодинамічних процесів ПГВ і ПСВ. Теплова енергія підземного генератора переноситься конвективно-дифузійним газовим потоком і підземними водами.

Для оцінки впливу горіння і охолодження підземного генератора використані теплофізичні закономірності, засновані на законі теплопровідності Фур'є у вигляді рівняння

= a (+ + ) = aT, (1)

де a - коефіцієнт температуропровідності; T - температура; - оператор Лапласа.

Рішення виконані чисельним кінцево-різницевим методом за явною схемою з використанням програми WATFOR. В результаті була отримана картина зміни температури в часі. Встановлено, що в середовищі, близькому до однорідного, прогрівання порід доходить до 30-ти метрів, процес охолоджування (?3 роки) в багато разів перевищує період експлуатації (?6 місяців), а на розігрівання генератора практично не впливає зниження температури паралельного зупиненого генератора.

При моделюванні двохкомпонентної системи (водонасичені гірські породи) використовувалося рівняння конвективно-дифузійного теплопереносу

с_п+ с_в v = , (2)

де с_п і с_в - коефіцієнт об'ємної теплоємності породи і води; v - швидкість фільтрації води; - коефіцієнт теплопровідності.

В цьому випадку радіус дії одиночного генератора знижується до 10 м, швидкість охолодження стає набагато вищою, а початковий тепловий режим практично відновлюється через шість місяців. Область прогрівання навколишніх порід вцілому не перевищує перших метрів (в середньому 5…7 м). Також був оцінений вплив швидкості фільтрації води в діапазоні від нуля до 15 м/доб. Збільшення швидкості фільтрації, з одного боку, знижує інтенсивність розігрівання генератора, а з іншого, прискорює його охолодження.

Наявність в області впливу генератора речовин в газоподібному і рідкому станах та їх бінарної композиції, вимагає, щоб опис динаміки враховував закономірності руху кожної з фаз (т. з. «задача Стефана»). За відстанню від вогнища виділяються три зони: газоподібна, двохфазна зона конденсації (перехідна зона) і зона рідкої фази. Межі перехідної зони визначаються температурами початку Тп і кінця Тк конденсації. Теплота фазового перетворення Е виділяється в об'ємі двохфазної зони і може бути обчислена з введенням функції джерела теплоти q(T) в рівняння теплопровідності на інтервалі температур Тп...Тк

(Т) с_еф (Т)= div ( (T) grad T) + q(Т) , (3)

де - щільність; с_еф - ефективна теплоємність, яка дорівнює с_еф(Т) = с₀ (Т) - Е,

= = = (Т) ,

де V_р і V_о - об'єми рідкої і двохфазної зон; с_г, с₀, с_р -теплоємність газоподібної, перехідної та рідкої фаз.

Розрахунок був проведений для температурного діапазону Тп - 374,15 С (критична температура), Тк - 100 С при ентальпії фазового переходу 1930 КДж/кг (відповідно температурі 200 С), на термін експлуатації генератора 6 місяців. Результати розрахунків представили зміну в часі характеру теплового поля навколо генератора і порівнянні з експериментальними даними. Ділянки збільшення крутини кривих відповідають перехідній зоні конденсації. Порівняння температурного режиму окремо для водяної пари, бінарної рідини і води, з результуючою кривою, що враховує перехід між цими фазами, показує уточнення отриманих результатів, від розрахованих за традиційними методиками.

При дослідженні газової фази розглядалась динаміка дуття, що подається в теплогенератор, а також відбирання енергетичного або технологічного газу і водяної пари. Рух газу у вугільному пласті в одному напрямку описується рівнянням

= , (4)

де Р - тиск газу на момент часу t; Р₀ - початковий тиск; m - пористість; n - показник політропи; k - проникність середовища,

(t) = ,

де - в'язкість газу; т - постійна, що характеризує умови руху газу в пласті.

Газодинамічний режим підземного генератора і радіус зони впливу дуття були розраховані при різному тиску (0,2…2,4 МПа) та різних значеннях проникності середовища (пористість 0,2…0,5; коефіцієнт фільтрації 1,0…15,0 м/доб) на термін експлуатації 6 місяців.

Через 6 місяців після початку експлуатації при втратах тиску та об'єму газу в пласті, які не перевищують 10 %, зона впливу від дуття розповсюдиться не більше ніж на 7 м (на середину терміну до 5…6 м). Радіус цієї зони практично співпадає з радіусом теплового впливу газогенератора. Таким чином, можно стверджувати, що підземні води знаходяться під впливом тиску дуття, що нагнітається, і характер їх стану визначається газодинамічним режимом генератора, а зміною тиску дуття і відбору газу можна в певних межах регулювати водний режим підземного генератора.

Моделювання газо-, гідро- і термодинамічного режимів дозволило встановити взаємозв'язок їх параметрів і визначає можливість їх взаєморегулювання. Проведений аналіз балансу вод, що беруть участь в процесі підземного горіння вугілля, дозволив отримати залежність між кількістю вільних вод і вологістю дуття, що дозволяє гнучко регулювати процес.

В третьому розділі розглядаються питання гідродинаміки теплоносія. Як правило, при ПСВ відбирається тепло горіння вугілля, а енергія, що витрачається на прогрівання вміщуючих порід і навколишніх водоносних горизонтів, не використовується. Оточуючі генератор нагріті підземні води є теплоносієм і їх необхідно вивести на поверхню і забезпечити перетворення в зручний для передачі і розподілу спосіб.

З метою оцінки параметрів управління потоками теплоносія була проведена схематизація гідрогеологічних умов Дніпровського буровугільного басейну та оцінені запаси потенційного теплоносія. Встановлено, що об'єм прогрітих до стану теплоносія підземних вод при разробці кожної ділянки ПСВ протягом одного року не буде вичерпаний.

Відбір теплоносія пропонується здійснювати свердловинами, а по мірі формування вигорілого каналу ПСВ його гідродинамічна роль стає визначальною. Необхідно забезпечити відбір вже прогрітої води і підтік холодних вод до генератора з подальшим їх нагрівом. Дуття віджимає прогріті води до області відкачування. По мірі відкачування, нагріті води змінюються більш холодними, які прогріваються відносно швидко.

Охолодження підземного генератора відбувається природним шляхом після вигоряння товщі. В цей час спостерігається поступове охолодження. Інтенсивність звуження термічної зони за результатами моделювання менше ніж розширення при нагріві. При охолодженні вогнища горіння роль нагрівача поступово переходить до навколишніх порід і вод. При повному охолодженні генератора підземні води ще є джерелом тепла. Межа розподілу теплих і холодних вод, досягнувши термічної зони, призводить до падіння температури, що відповідає завершенню експлуатації даної ділянки підземного генератора.

Знаходження оптимальних сіток свердловин, дебітів і знижень, які при якнайменших витратах забезпечать роботу енергомодуля і подачу кондиційного теплоносія, було основним завданням моделювання течії теплоносія з метою управління цим процесом. Розрахунок зводився до визначення кількості води, яка може бути прийнята водозбірним каналом відомого розміру. Чинники, що виявляються з часом - зміна водного балансу за рахунок вертикального перетікання, зниження тиску, взаємовплив вертикальної і горизонтальної складових водовідбору - оцінюються розрахунком комбінованого водовідбору, яким є пропонована схема.

Розрахунки були проведені для різної відстані між ділянками ПСВ (20, 30 і 40 м) та довжини водоприймальної частини (50 і 60 м) в різних гідрогеологічних умовах (коефіцієнт фільтрації 3, 6 і 9 м/доб). Результати показали, що продуктивність водовідбору коливається в широкому диапазоні (93,3...354,4 м³/доб) і залежить головним чином від фільтраційних властивостей порід і менше від просторової схеми водозабору.

Встановлено, що при малих коефіцієнтах фільтрації продуктивність водозбірних каналів буде домінувати і вертикальні надходження перехоплюватимуться. При високих параметрах фільтрації канал не здатний відбирати висхідні напірні води і може спостерігатися передчасний прорив холодного потоку в термічну зону. У цьому випадку вертикальні свердловини перехоплюватимуть надмірний водоприток.

Найбільші втрати енергії теплоносія відбудуться на етапі поверхневого транспортування в трубопроводі до енергоустановки. Розрахунок показав необхідність обмежити цю відстань 3-ма км для зберігання кондиційних параметрів теплоносія.

У четвертому розділі обгрунтована технологічна схема енергомодуля ПСВ. Основними елементами модуля є: 1) порідний теплообмінник робочого горизонту; 2) розкриваючі канали, що з'єднують робочий горизонт з поверхнею; 3) рухомий теплоносій; 4) технічний комплекс на поверхні. Використовується природний рухомий двохфазний теплоносій (підземні води, пара), який виходить на поверхню під дією власного тиску або шляхом відкачування з природних або штучних каналів. Циркуляція теплоносія може здійснюватися через систему водозабірних, нагнітальних і експлуатаційних свердловин. Особливістю модуля є зосередження в одному місці систем відбору теплоти і її перетворення в електроенергію. Визначальними чинниками є геолого-гідрогеологічні і термічні умови.

Модуль складається з чотирьох систем: 1) відбору теплоносія; 2) трубопроводів; 3) перетворення теплової енергії (турбіни, генератори, теплообмінне і допоміжне устаткування); 4) технічного водопостачання.

Основні відмінності енергомодуля від сучасних теплових електростанцій стосуються відносно низької початкової температури теплоносія, що потребує використання теплоенергетичного устаткування з вологою парою і створення системи відведення низькопотенційного тепла. Також необхідна система водовідбору та наявність трубопроводів для руху теплоносія від свердловин до турбін і відведення відпрацьованої води.

Робочий вугільний горизонт розробляється способами ПСВ або ПГВ з перевагою використання способу підземного спалювання, оскільки інтерес представляють не продукти горіння, а теплова енергія, що виділяється при цьому. Відбір «підземних вод - теплоносія» здійснюється в початковий період експлуатації підземного генератора вертикальними свердловинами з надвугільного і підвугільного пластів доки ще не утворився у вугільному пласті вигорілий простір. З вигорянням, вертикальний водовідбір змінюється комбінованим, де в ролі горизонтального каналу виступає вигорілий простір вугільного пласта, який має конфігурацію субгоризонтальної водовідбірної галереї, витягнутої уздовж напряму подачі дуття.

Після виведення на поверхню теплоносій через мережу трубопроводів подається до енергоустановки. Її місцезнаходження вибирається виходячи з конфігурації вугільної ділянки з таким розрахунком, щоб довжина трубопроводів не перевищувала відстані, де теплові втрати знизять температуру теплоносія нижче кондицій. Після відробки теплоносій подається на очищення і повертається в пласт закачуванням.

За перетворювачі теплової енергії використовуються паро-, гідропаротурбінні і турбокомпресорні енергоустановки. Розрахунок енергоустановок дозволив оцінити їх енергетичні можливості залежно від прийнятої теплової схеми і теплотехнічного устаткування, що використовується. Аналіз ефективності енергетичного модуля зводився до порівняння ефективності теплогенеруючих установок різних типів за ефективним і ексергетичним коефіцієнтами корисної дії (К. К. Д.).

Для ефективного К. К. Д.

_еф = (Q₁ - Q_Р )/Q₁ = 1 - (1 - е) , (5)

де Q₁ - енергія теплоносія на вході в енергоустановку; Q_p - втрати енергії в розширювачі енергоустановки; Т₁ - температура теплоносія на вході до енергоустановки; Т₀ - температура холодного джерела (довкілля); е - частка води, що випаровується в енергоустановці.

Ексергетичний К. К. Д., оцінювався за відносними втратами ексергії

_екс = Е_вих/Е_вх = (Е_вх - D)/ Е_вх = 1 - D/ Е_вх, (6)

де Е_вх і Е_вих - ексергія на вході і виході з установки; D - сумарні втрати.

Турбокомпресор порівнювався з трьома варіантами паротурбінної установки з одно-, двох- і трьохступеневим розширенням пари. При температурі теплоносія до 100 °С турбокомпресорна установка має більш високу термодинамічну ефективність в порівнянні з паротурбінною. Але по мірі зростання початкової температури теплоносія ця різниця швидко зменшується, а при температурі понад 170 °С вона зовсім зникає. Турбокомпресорні установки доцільно використовувати для низьких параметрів теплоносія.

Ефективність всіх типів енергоустановок поступово знижується, починаючи з 180 °С. Особливо інтенсивно вона падає у турбокомпресора. Це пов'язано з фазовими перетвореннями теплоносія на даному інтервалі температур, коли ентальпія фазового переходу змінюється стрибкоподібно і швидкість цих змін перевищує швидкість зростання корисної роботи.

Висновок

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова і прикладна задача обґрунтування технологічних принципів та параметрів функціонування енергетичних модулів ПГВ і ПСВ при використанні підземних вод термічної зони підземного генератора як теплоносія, що дозволяє зробити технічне розв'язання питань підземної розробки вугільних родовищ зі складними гідрогеологічними умовами та проектування компактних і екологічних енергоустановок для районів підвищеного техногенного впливу.

У процесі виконання роботи отримані наступні наукові і практичні результати.

1. Обгрунтовані математичні моделі газо-, гідро- і термодинамічного режимів підземної газифікації і спалювання вугілля в умовах підвищеної обводненості. На основі чисельних рішень отримані кількісні дані і співвідношення динамічних і часових параметрів роботи підземних генераторів, їх вплив на гірські породи, підземні води і фазовий склад середовища.

2. Встановлено, що в реальних умовах має місце двох- (гірські породи - підземні води) і трьох- (гірські породи - підземні води - водяна пара і гази) компонентні системи, що відображають найбільш точну картину фазових перетворень підземних вод поблизу генераторів ПСВ і ПГВ. Зона термічного впливу підземного генератора обмежена 10 м, з тривалістю горіння 6 месяців.

3. На підставі аналізу результатів моделювання різних режимів ПСВ встановлений раціональний режим цього процесу, який керується шляхом регулювання параметрів дуття. З використанням розробленої математичної моделі газодинамічного режиму визначено, що розмір області впливу дуття на гірські породи 8 м, а втрати тиску і об'єму не перевищують 10 %.

4. Встановлено, що води в межах термічної зони підземних генераторів ПСВ і ПГВ можуть бути використані як кондиційний рухомий теплоносій для транспортування теплової енергії до поверхневої енергоустановки. На етапі поверхневого транспортування теплові втрати будуть найбільшими і для їх зниження необхідно розміщувати елементи енергомодуля на відстані не більш ніж 3 км.

5. Розроблена технологічна схема керування фільтрацією «підземних вод - теплоносія» шляхом комбінованого водовідбору зі свердловин і каналу ПСВ, що вирішує питання розробки зводнених вугільних родовищ.

6. Запропонована і обґрунтована чотирьохкомпонентна технологічна схема енергетичного модуля ПСВ і ПГВ, яка базується на використанні проміжного рухомого теплоносія - нагрітих підземних вод.

7. Проведений термодинамічний аналіз можливих типів енергоустановок модулів ПСВ і ПГВ при відомих параметрах теплоносія з розрахунками ефективного і ексергетичного К. К. Д. При низьких температурах води (?100 С) більш ефективні турбокомпресорні, а понад 170 С - паротурбінні установки з різною кількістю ступенів.

8. Результати дисертації впроваджені у проекті розробки Тарнавського родовища бурого вугілля з очікуваним економічним ефектом 250 тис. грн./рік.

Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи опубліковано в наступних роботах

1. Жолудев С. В. К определению оптимального водного режима газогенераторов при подземной газификации углей / С. В. Жолудев // Новини науки Придніпров'я. Інженерні дисципліни. - 2003. - №3. - с. 13 - 17.

2. Жолудев С. В. К определению особенностей теплового режима эксплуатации газогенератора при подземной газификации углей / С. В. Жолудев // Новини науки Придніпров'я. Інженерні дисципліни. - 2003. - №4. - с. 21 - 27.

3. Жолудев С. В. Расчет газодинамического режима подземного генератора / С. В. Жолудев // Уголь Украины. - 2004. - №11. - с. 33 - 34.

4. Жолудев С. В. Влияние фазовых превращений подземных вод на тепловой режим газогенератора / С. В. Жолудев // Уголь Украины. - 2005. - №4. - с. 31 - 33.

5. Геотехнологические и экологические аспекты регулирования процесса газификации и сжигания угля на месте его залегания / И. А. Садовенко, С. В. Жолудев// Материалы международной инвестиционной научно-практической конференции [«Производство синтетического моторного топлива из угля донецкого бассейна, как составляющая энергетической безопасности Европы»], Луганск, 2005 р. - с. 24 - 25.

6. Жолудев С. В. Расчет теплового режима газогенератора при подземной газификации углей / С. В. Жолудев // Вісник Дніпропетровського університету. Серія геологія, географія. Вип. 5. - 2003. - №7. - с. 11 - 20.

7. Жолудев С. В. Возможность использования подземных вод термической зоны подземного газогенератора в качестве теплоносителя теплогенерирующих установок / С. В. Жолудев // Вісник Дніпропетровського університету. Серія геологія, географія. Вип. 6. - 2004. - №8. - с. 31 - 34.

Анотація

Жолудєв С. В. «Обґрунтування технологічних параметрів підземної газифікації та спалювання бурого вугілля з використанням підземних вод». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.02 - «Підземна розробка родовищ корисних копалин». Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2008 р.

Технологія підземної газифікації (ПГВ) і підземного спалювання (ПСВ) вугілля мають низку недоліків. Одним із способів вдосконалення підземної розробки вугілля може бути використання як проміжного теплоносія підземних вод.

Математичне моделювання гідротермодинамічного режиму підземного генератора показало, що радіус його теплового впливу складає 7…8 м, тривалість - до шести місяців. Встановлено, що найбільш точно режим відображається при урахуванні фазових перетворень підземних вод. Близькі розміри термічної і дуттєвої зон поблизу підземного генератора дозволяють їх взаєморегулювання.

Обгрунтовано, що раціональна технологічна схема енергетичного модуля ПСВ складається з чотирьох компонентів: порідний теплообмінник робочого горизонту, розкриваючі канали, які з'єднують робочий горизонт з поверхнею, рухомий теплоносій, технічний комплекс на поверхні.

Проведений аналіз існуючих типів енергоустановок показав, що турбокомпресори доцільні для використання в модулі ПСВ при низьких температурах теплоносія.

Ключові слова: підземна газифікація вугілля, підземне спалювання вугілля, підземний генератор, проміжний рухомий теплоносій, гідродинамічний і газодинамічний режими, енергетичний модуль.

Аннотация

Жолудев С. В. «Обоснование технологических параметров подземной газификации и сжигания бурого угля с использованием подземних вод». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых». Национальный горный университет, Днепропетровск, 2008 г.

Диссертация посвящена вопросам обоснования технологических параметров функционирования теплового энергетического модуля подземной газификации и сжигания угля.

Технологии подземной газификации (ПГУ) и подземного сжигания (ПСУ) угля имеют целый ряд природных, эксплуатационных и технологических факторов, которые снижают эффективность разработки месторождений. Одним из способов совершенствования подземной разработки угля может служить использование многоступенчатой схемы с применением промежуточного теплоносителя, позволяющего выводить на поверхность не продукты переработки или горения угля, а тепловую энергию, полученную в подземном генераторе. Применение в качестве подвижного теплоносителя нагретых подземных вод позволяет решить эту задачу.

Математическое моделирование гидротермодинамического режима подземного генератора показало, что радиус его теплового влияния составляет 7…8 м, продолжительность до шести месяцев. Установлено, что наиболее точно режим отражается при учете фазовых превращений подземных вод.

Обоснованые модели газодинамических процессов позволили установить размеры возмущенной подаваемым дутьем зоны до 8 м. Причем, на этот радиус в практикуемых диапазонах мало влияет давление дутья. Близкие размеры термической и вышеуказанной зон подтверждают их возможное взаиморегулирование с целью получения рационального водного и газового режимов сжигания угля. Режим регулируется влажностью и техническими параметрами дутья.

Обоснованная технологическая схема энергетического модуля ПСУ включает четыре компонента: породный теплообменник рабочего горизонта (разрабатываемый пласт угля и вмещающие породы); сеть вертикальных скважин соединяющих рабочий горизонт с поверхностью и горизонтальные каналы; подвижный теплоноситель (подземные воды); водозаборные сооружения и технический комплекс на поверхности (сеть трубопроводов и энергогенератор). газифікація вугілля підземний

На начальном этапе отбор теплоносителя из водоносных горизонтов обеспечивается вертикальными скважинами, а по мере формирования выгоревшего пространства угольного пласта эта функция выполняется горизонтальным каналом. Наибольшие потери энергии происходят при транспортировке от водозабора к энергоустановке в поверхностном трубопроводе, поэтому его протяженность ограничивается 3 км.

Проведеный анализ существующих типов энергоустановок методами эффективного и эксергетического К. П. Д. показал, что при температуре теплоносителя до 100 С эффективность турбокомпрессорной установки выше, чем паротурбинной. С ростом температуры разница уменьшается, а свыше 170С исчезает, следовательно, турбокомпрессорные установки целесообразнее использовать в модуле ПСУ для низких тепловых параметров теплоносителя.

Ключевые слова: подземная газификация угля, подземное сжигание угля, подземный генератор, промежуточный подвижный теплоноситель, гидродинамический и газодинамический режимы, энергетический модуль.

Abstract

Zholudyev S. V. Basing technical parameters of underground brown coal gasification and incineration with ground water application. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree of technical sciences by speciality 05.15.02. - “Underground mining of deposits” - National Mining University, Dnipropetrovsk, 2008.

The thesis is devoted to improve technological parameters of heat energy modules based on Underground Coal Gasification (UCG) and Underground Coal Incineration (UCI) technology.

Underground Coal Gasification and Underground Coal Incineration are combining excavation with simultaneous underground processing in entire technological process. It's difficult and requires additional specific measures for optimization of underground combustion, concentration and transportation of products, and stabilization of worked out and flooded space. For solve these problems possible use intermediate moving heat carrier. Flow controlled ground water within thermal zone can be used as heat carrier.

The Numeric Modeling and Analyzing of gas-, hydro- and thermodynamic processes under UCG and UCI technologies were needed for the better understanding of the process. For it's solution the various numerical methods are used. The possibility to use ground water as heat carrier was also estimated.

The results of calculation show the character of an underground generator thermal and pressure fields. As a result were developed technical parameters of energy modules UCG and UCI. An application of such energy modules allows increasing advantages and efficiency of coal extraction.

Keywords: underground coal gasification, underground coal incineration, gas generator, intermediate moving heat carrier, gas-, hydro- and thermodynamic modes, energy module.

Размещено на Allbest.ru