Физико-техническое обоснование способов повышения энергетической эффективности процесса сжигания угольных пластов

Кризис, поразивший в настоящее время угольную промышленность России (основы его были заложены ещё в 80-ые годы, когда капиталовложения в эту отрасль в СССР были сокращены до 2% от общих капиталовложений в промышленность), привел к тому, что доля угля в топливной энергетике страны сократилась на сегодняшний день до 20.25%. Это 2,5. 3 раза меньше, чем, например, в таких развитых промышленных странах, как США, Германия, Великобритания, Австралия. По оценкам специалистов в России, добывающей помимо угля довольно большие объемы нефти и природного газа, доля угля в топливной энергетике должна быть не менее 50%. Это позволит резко увеличить использование нефти и природного газа в качестве химического и технологического сырья, что даёт несравнимо больший экономический эффект, чем их использование в топливной энергетике. Однако, на сегодняшний день уголь значительно проигрывает в конкуренции и нефти, и природному газу. Поэтому все работы, обеспечивающие экономически оправданное увеличение доли угля в топливной энергетике страны при минимальном отрицательном экологическом воздействии на окружающую среду являются чрезвычайно важными и актуальными.

Малая конкурентоспособность угля в топливной энергетике, предопределила закрытие на сегодняшний день довольно большого количества нерентабельных шахт (с 1993 г. по 1997 г. закрыто более 60 шахт и сокращено порядка 270 тысяч человек), в таких традиционных угледобывающих регионах страны как Урал, Восточный Донбасс, Приморский край и т. д. Это, соответственно, приводит к уменьшению использования угля в топливной энергетике в целом по стране, обострению социального положения населения и усилению энергодефицита этих регионов, который в полной мере проявится после преодоления кризисных явлений в промышленности и начале её подъёма.

Подземный способ добычи угля, несмотря на все его крупные недостатки, в перспективе будет определяющим в угольной отрасли страны, т.к. основная часть угольных запасов и ресурсов расположена на значительных, порядка 1 км и более, глубинах. Традиционные же технологии подземного способа добычи угля, оставшиеся практически без изменения последние 20. 30 лет, уже не удовлетворяют требованиям сегодняшнего дня. Низкая производительность труда, тяжелые и зачастую чрезвычайно опасные его условия, большие, в отдельных случаях до 40. 50%, потери угля в пределах шахтных полей, довольно значительное отрицательное экологическое воздействие на окружающую среду процессов добычи угля и последующего извлечения из него полезной энергии предопределяют низкую конкурентоспособность использования угля в топливной энергетике.

Потенциальные возможности традиционных технологий подземной разработки энергетических углей на больших глубинах их разработки довольно ограничены. Поэтому рассчитывать на приоритетное использование угля в топливной энергетике можно только при широком внедрении принципиально новых технологий его добычи.

Комиссия ГКНТ СССР, работающая под руководством акад. АН СССР В. В. Ржевского в начале 80-ых годов, пришла к выводу, что для разработки энергетических углей наиболее перспективны технологии на базе способов подземной газификации угля (ПГУ) и подземного сжигания угля (ПСУ). Это нашло своё отражение в постановлении ГКНТ СССР от 03.10.1983 г. № 559 «О развитии научно-исследовательских и опытных работ в области подземной газификации угля», предусматривающем выполнение работ в этой области по двум направлениям: «Совершенствование традиционной технологии подземной газификации» и «Технология «Углегаз». Второе направление предусматривало разработку технологии получения тепловой энергии в местах непосредственного залегания угольных пластов (запасов) путем их сжигания. Отличительная особенность этой технологии — всасывающий режим подачи воздуха в блок сжигания, реализуемый посредством отсоса из него продуктов подземного сжигания угля (ППСУ). Последнее дает возможность использовать технологии ПСУ не только для отработки пластов энергетических углей, но и для отработки угольных запасов, как на действующих, так и закрытых угольных шахтах, а также тех угольных запасов, сжигание которых в режиме нагнетания воздуха принципиально невозможна, например, из-за возможных больших потерь ППСУ в окружающую среду. В связи с тем, что технология ПСУ объединяет процессы добычи угля и получения из него тепловой энергии в единый процесс непосредственно в месте его залегания, она обеспечивает снижение материальных и энергетических затрат на получение конечного продукта в виде полезной энергии, причем с минимальным отрицательным экологическим воздействием на окружающую среду.

Выполненные во второй половине 80-ых годов экспериментальные исследования этой технологии в натурных условиях в Донбассе, Кузбассе, Подмосковном угольном бассейне, потребовавшие больших материальных затрат, в целом дали положительные результаты. Однако, они оказались значительно хуже ожидаемых и однозначно показали, что дальнейшее развитие работ в этом направлении невозможно без разработки теоретических основ процесса ПСУ для получения тепловой энергии. Сложность экспериментов в натурных условиях и большие материальные затраты на их проведение резко сужают возможность получения необходимой информации опытным путем. Только разработка теоретических основ процесса ПСУ и на их основе физико-техническое обоснование способов обеспечения максимальной эффективности получения тепловой энергии в разных горногеологических условиях залегания сжигаемых угольных пластов (запасов) позволит обеспечить широкое внедрение технологии ПСУ в угольной отрасли страны. Последнее позволит не только увеличить долю угля в топливной энергетике страны, но и дополнительно вовлечь в народнохозяйственный оборот десятки миллиардов тонн энергетических углей, оставленных к настоящему времени в недрах или неразрабатываемых изначально из-за экономической нецелесообразности. При этом в целом будет повышена эффективность использования угля как источника энергии и в определенной степени уменьшено отрицательное экологическое воздействие на окружающую среду, характерное для традиционных технологий добычи угля и получения из него тепловой энергии. Нельзя не учитывать и тот фактор, что реализация технологии ПСУ на закрывающихся шахтах, что не требует больших материальных затрат, позволит не только обеспечить работой увольняемых рабочих (хотя бы часть из них), но и уменьшить (хотя бы временно) энергодефицит, возникающий в этих районах вследствие закрытия шахт.

Настоящая работа выполнялась в рамках Общесоюзной научно-технической программы 0.05.08 «Разработать и освоить технологию и технические средства комплексного извлечения на шахтах угля, газа и тепловой энергии, получаемой от сжигания в недрах оставшихся их запасов, обеспечивающие повышение производительности труда в 5 — 6 раз по сравнению с традиционным способом добычи угля (технологию „Углегаз“)» и Отраслевой (межотраслевой) программы 12 510 Минуг-лепрома СССР «Разработать и освоить технологию комплексного извлечения угля, газа и энергии на шахтах, обеспечивающую повышение производительности труда в 5,0 — 6,0 раз по сравнению с традиционным способом добычи угля», разработанных на 1986 — 1990 гг. и до 2000 года во исполнение постановлений ГКНТ СССР № 559 от 03.10.1983 г. и № 535 от 31.12.1986 г., а также в рамках проекта 04 «Создание экологически чистого теплотехнического предприятия на базе подземного сжигания оставленных на закрытых шахтах запасов угля для нужд малой энергетики» Межотраслевой научно-технической программы «Уголь России» Минтопэнерго России на 1993;1997 гг.

Целью работы является разработка научных основ, установление основных закономерностей и физико-техническое обоснование параметров, технологических и технических решений процесса ПСУ для получения тепловой энергии, обеспечивающих повышение его энергетической эффективности при одновременном снижении отрицательного экологического воздействия на окружающую среду.

Основная идея работы заключается в корректном учёте и комплексном использовании выявленных обобщенных закономерностей движения и взаимодействия материальных и энергетических потоков в гетерогенной термодинамической системе, состоящей из твердой (уголь, вмещающие породы), жидкой (подземные воды) и газовой (воздух, продукты подземного сжигания угля, их смеси) фаз, обеспечивающих оптимизацию технологических и технических решений, режимных параметров процесса ПСУ и методов управления ими в разных горно-геологических условиях.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели в работе использован комплексный метод исследований, включающий: научный анализ и обобщениетеоретические исследования с использованием фундаментальных положений термодинамики, теории тепломассообмена и теплопроводности, теории горения и газификации топ-лив, теплотехники, молекулярно-кинетической теории газов и физики горных породматематическое моделирование на ЭВМэкспериментальные исследования в стендовых и натурных условиях с обработкой данных методами математической статистики и теории вероятности. Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. При отсутствии данных об элементном составе угля, показатели материального баланса процесса его подземного сжигания, вне зависимости от полноты сгорания угля, могут быть рассчитаны на основании его приведенных характеристик (по Я.Л.Пеккеру) и данных о низшей теплоте сгорания рабочей массы угля и её влажности.

2. Для той интенсивности теплообмена, которая имеет место в угольном канале и газоотводящей выработке, временной коэффициент формы цилиндрической полости (по А.Ф.Воропаеву) является функцией критериев Фурье и Био.

3. При оценке потерь тепла потоком продуктов сгорания в окружающую среду, процесс реального кондуктивно-конвективнолучистого теплообмена в угольном канале может быть сведен к модели конвективно-лучистого теплообмена, при этом, в случае умеренного водопритока в угольный канал, при критерии Рейнольдса Яе > 500 000 имеет место конвективный теплообмен, а при меньшем — лучистый, который на 70. 80% формируется излучением угольных стенок.

4. Средняя температура горения угольных стенок Ту .с в канале тесно связана с температурой продуктов сгорания на выходе из него Тк, при этом в диапазоне Тк= 800. 1600 К и содержании горючих газов в продуктах сгорания не более 4% взаимосвязь между этими температурами близка к линейной.

5. При удельных водопритоках в угольный канал > 1,0. 1,5 кг воды / кг угля, при сжигании бурых углей, и gвoд > 2,5. 3,0 кг воды / кг угля — каменных, происходит изменение режима горения угля с наиболее эффективного диффузионного на переходный и даже кинетический, что делает невозможным управление процессом подземного сжигания угля только за счет изменения режимов подачи воздуха.

6. При диффузионном режиме горения угля, тепловая мощность на выходе из угольного канала пропорциональна его длине 1к в степени 6,25, что предопределяет значительно более высокую энергетическую эффективность повышения тепловой мощности на выходе из газоотводящей выработки Их .гв за счет роста длины угольного канала по сравнению с увеличением их количества.

7.В пределах каждой из двух групп углей по их природному виду, в бурых и антрацитах с каменными, низшая теплота сгорания сухой беззольной массы углей О^ тесно связана с выходом летучих Ус1аГ;

8. Обеспечение постоянства тепловой мощности на выходе из газоотводящей выработки при увеличении водопритока в угольный канал, только за счет роста скорости сгорания угля, приводит, даже в случае сохранения диффузионного режима его горения, к уменьшению КПД извлечения энергии в виде физического тепла, при этом КПД извлечения энергии в виде суммы физического тепла и скрытой теплоты испарения воды внешнего водопритока растет.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны научные основы и методология прогнозирования ожидаемых результатов извлечения тепловой энергии при сжигании угольных пластов (запасов), на основе выявленных закономерностей формирования материального и теплового балансов данного процесса при нагнетательном и всасывающем режимах подачи воздуха в угольный канал, и физико-технического обоснования способов повышения его энергетической эффективности.

2. Сформулированы условия получения в угольном канале продуктов сгорания с максимальным запасом физического тепла и минимальным содержанием экологически вредных компонентов.

3. Вскрыты основные взаимосвязи между показателями материального баланса процессов полного и неполного сгорания угля в угольном канале и приведёнными характеристиками угля (по Я.Л.Пеккеру).

4. Получены теоретические зависимости для расчётов: состава сухих продуктов сгорания при изменении содержания в них следующих (одного или нескольких) газовых компонентов — О2, СШ, СО, Н2- массовой скорости сгорания углякоэффициента избытка воздуха, а в продуктах сгорания в широком диапазоне изменения их состава от продуктов полного сгорания до продуктов газификации угля) — потерь и подсосов воздуха в воздухоподводящую выработку и оценки их влияния на показатели материального баланса процесса сжиганиясостава, объемного расхода и температуры продуктов сгорания на выходе из угольного канала и газоотводящей выработкимаксимального суммарного содержания в продуктах сгорания диоксидов углерода и серы 1Ю2макс = С02макс + 80гмакс, на основе данных газового анализа этих продуктов и приведенных характеристик углей, и возникающих при этом погрешностейпоказателей нестационарного теплообмена в угольном канале и газоотводящей выработке.

5. Вскрыты основные закономерности: формирования материального и теплового балансов процесса подземного сжигания угля при появлении в продуктах сгорания горючих газов и их последующем дожиганиипоказателей физических свойств продуктов сгорания, формирующих тепловой баланс процесса, в широком диапазоне изменения их состава (от продуктов полного сгорания до продуктов газификации угля) при Т = 273,15. 1573,15 Кформирования показателей материального и теплового балансов процесса подземного сжигания угля при использовании в качестве окислителя низкоконцентрированных метано-воздушных смесей.

6. Выявлен вид взаимосвязей между жаропроизводительностью углей Тмакс и низшей теплотой сгорания их рабочей массы, рабочей влагой и зольностью А*, а в обоснованных двух группах углей по их природному виду (бурые и антрациты с каменными) — между низшей теплотой сгорания сухой беззольной массы углей С^^ и выходом летучих УйаГ.

7. Разработана математическая модель и выявлены основные закономерности процесса конвективно-лучистого теплообмена в угольном канале и газоотводящей выработке.

8. Получены зависимости, описывающие закономерности формирования длины зоны горения 1 г угля в угольном канале при диффузионном и переходном режимах и тепловой мощности потока продуктов сгорания на выходе из угольного канала Ыт. к при диффузионном режиме горения, установлен характер влияния на эти показатели основных внутренних и внешних факторов (водоприток, теплота сгорания углей, мощность сжигаемых угольных пластов т и т. д. .).

9. Вскрыты основные закономерности изменения КПД извлечения энергии из сжигаемого угля в виде физического тепла и скрытой теплоты испарения воды при увеличении внешнего водопритока в угольный канал, когда постоянство тепловой мощности на выходе из газоотводящей выработки обеспечивается только за счет роста скорости сгорания угля при сохранении диффузионного режима горения.

10. Установлены величины водопритоков в угольный канал, при которых происходит смена диффузионного режима горения угля на переходный и сформулированы условия минимизации потерь продуктов сгорания и воздуха и его подсосов при нагнетательно-всасывающем режиме подачи воздуха в угольный канал.

Научное значение работы заключается в выявлении основных закономерностей формирования параметров процесса сжигания угольных пластов (запасов) для получения тепловой энергии, а также в физико-техническом обосновании способов повышения его энергетической эффективности за счёт оптимизации технологических и технических решений, режимных параметров и методов управления последними в разных горно-геологических условиях.

Практическое значение работы заключается в разработке:

1. Комплекса инженерных методик прогнозирования показателей и оптимизации режимных параметров процесса подземного сжигания угля для получения тепловой энергии, реализации оперативного контроля его эффективности и выбора оптимальных технологических и технических решений.

2. Методов оперативного контроля полноты сгорания угля, результатов газового анализа получаемых при этом продуктов, определения низшей теплоты сгорания рабочей массы углей на основе их влажности, зольности и выхода летучих, экспериментального определения коэффициентов потерь и подсосов воздуха в воздухоподводя-щей выработке.

3. Концепции формирования комплекса теплоэнергетического оборудования для извлечения полезной энергии из продуктов подземного сжигания угля.

4. Способа сжигания и газификации угля в подземных условиях на основе нагнетательно-всасывающего режима подачи воздуха в угольный канал (патент РФ 1 760 787).

5. Новых технических решений, по конструкции блоков сжигания (патент РФ 1 635 634, авт. свид. СССР 1 829 503) и газоотводящей выработки или скважины (патент РФ 1 438 805, авт. свид. СССР 1 630 378), позволяющих повысить энергетическую эффективность процесса сжигания угольных пластов (запасов) при одновременном снижении его отрицательного воздействия на окружающую среду.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью постановки и решения задач в части выбора математических и физических моделей и расчетных схемиспользованием в исследованиях фундаментальных и апробированных положений термодинамики, теорий теплообмена, теплопроводности, горения и газификации топлив, молекулярно-кинетической теории газов и физики горных пород для выявления закономерностей, протекающих в рассматриваемой гетерогенной термодинамической системе физико-химических и тепловых процессов и их математического описаниядостаточным объемом и представительностью выполненных экспериментальных исследований в стендовых условиях по изучению процессов теплообмена на моделях угольного канала и газоотводящей выработки и дожиганию горючих газов в ППСУудовлетворительной сходимостью полученных теоретических результатов, в пределах допускаемых погрешностей, с экспериментальными результатами, полученными как в этой работе, так и заимствованными из работ других авторов.

Реализация выводов и рекомендаций работы осуществлена:

1. При разработке в 1985. 1990 гг. технических заданий и проектов сооружения и ввода в эксплуатацию участков ПСУ на шахте № 1 «Острый» ПО «Селидовуголь» (Донбасс), на шахте «Киреевская-3» ПО «Тулауголь» (Подмосковный угольный бассейн), участка комбинированной технологии «ПГУ-ПСУ» на Южно-Абинской станции «Подземгаз» ПО «Киселевскуголь» (Кузбасс).

2. При разработке технических заданий на сооружение участков ПСУ на шахте «Суртаиха» ПО «Киселевскуголь» для дожигания угольных запасов в зоне эндогенных пожаров в 1986 г. и на отработанной шахте № 1 шахтоуправления «Калиновское» ПО «Шахтуголь» (Восточный Донбасс) в 1993 г.

3. При разработке в 1991 г. руководства «Типовые решения для составления проекта подземного сжигания оставленных в недрах запасов угля с получением энергии для бытовых и производственных нужд», утвержденного тогдашней Корпорацией «Уголь России».

4. При экспериментальном определении теплоты сгорания ТИТР (твердое искусственное топливо Ржевского) в проблемной лаборатории «Разрушение горных пород» кафедры «Физика горных пород и процессов» Московского государственного горного университета в 1986. 1987 гг.

5. В учебном процессе при подготовке и методическом обеспечении курсов «Термодинамика», «Геохимические процессы горного производства» и «Геотехнологические способы разработки месторождений полезных ископаемых» для студентов специальностей 70 600.

Физические процессы горного и нефтегазового производства" и 550 601 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на IX Всесоюзной научной конференции «Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов» (Москва, 1987 г.) — на X Всесоюзной научной конференции «Физические процессы горного производства» (Москва, 1991 г.) — на научных конференциях и симпозиумах в рамках «Неделя горняка» (Москва, 1994, 1996, 1997, 1998 гг.) — на научной конференции «Экологические проблемы горного производства» (Москва, 1995 г.) — на секциях Ученого совета ИГД им. А. А. Скочинского (Люберцы, 1986. 1996 гг.) — на технических советах ПО «Тулауголь», «Селидовуголь», «Киселёвскуголь» (Тула, Селидово, Киселёвск, 1985.1991 гг.).

Автор выражает глубокую благодарность коллективам кафедр «Физика горных пород и процессов» и «Технология, механизация и организация подземной разработки угля» Московского государственного горного университета за методическую помощь, ценные советы и замечания высказанные в процессе выполнения работы, а также инженерно-техническим работникам вышеуказанных предприятий, принимавшим участие в проведении соответствующих экспериментальных исследований по теме диссертации.

Автор чтит память скончавшегося научного руководителя работ по Общесоюзной научно-технической программе 0.05.08 акад. АН СССР В. В. Ржевского, оказавшего большую методическую помощь в выполнении данной работы на начальных этапах.

Выводы, научные результаты и рекомендации работы заключаются в следующем:

1. Технология подземного сжигания угля (ПСУ) позволяет эффективно отрабатывать угольные пласты (запасы), разработка которых существующими на сегодняшний день технологиями нерациональна по экономическим причинам, при КПД извлечения энергии не менее 70.85% и температуре Т получаемых продуктов подземного сжигания угля (ППСУ), обеспечивающей эффективное преобразование извлечённой энергии для передачи потребителям. Однако для этого необходимо полное согласование режимных параметров процесса ПСУ и принятых технологических и технических решений с горногеологическими условиями залегания сжигаемых угольных запасов, их размерами и требованиями потребителей энергии.

Основной причиной относительно низкой эффективности извлечения энергии в виде физического тепла при общем КПД её извлечения более 74% в проведённых к настоящему времени натурных экспериментах по ПСУ явились большие водопритоки в угольные каналы (УК) и газоотводящие выработки (ГВ). Помимо перевода значительного количества физического тепла ППСУ в скрытую теплоту испарения воды, они привели к возникновению в УК переходного и, весьма возможно, кинетического режима горения угля. Это предопределило появление в ППСУ довольно значительного количества как свободного О2, так и горючих газов.

2. Вскрыты основные закономерности формирования выходной энергетической мощности Ивых при ПСУ. Выявлены характерные участки формирования Ивых и предложены методы оценки эффективности этого процесса. Максимальный запас физического тепла в ППСУ при минимальном содержании в них экологически вредных компонентов имеет место при формировании зоны горения на всей длине УК, т. е. при 1К = 1 г, где 1к, 1 г — длина УК и зоны горения в нём.

3. Разработаны методы расчётов теоретических и реальных показателей материального баланса процесса ПСУ для режимов полного и неполного сгорания угля в УК как на основе данных об элементном составе угля (точные методы), так и на основе его приведённых характеристик (по Я.Л.Пеккеру) и установленных взаимосвязей между низшей теплотой сгорания сухой беззольной массы угля С)^ и выходом летучих Ум (приближённые методы). Точность последних вполне приемлема для практических расчётов. Установлен характер влияния на формирование материального баланса процесса ПСУ внешнего водо-притока, химической неполноты сгорания угля, потерь воздуха и ППСУ и подсосов воздуха.

4. Вскрыты основные закономерности формирования теплового баланса процесса ПСУ. Установлено, что реализация в УК режима полного сгорания угля, уменьшение мощности угольного пласта, отсутствие внешнего водопритока, утечки ППСУ из УК и ГВ, увеличение геометрических размеров последней и высокая теплопроводность окружающих пород способствуют увеличению потерь тепловой энергии в окружающую среду. Использование для транспортировки ППСУ шахтных выработок, имеющих, как правило, большие сечения, с энергетической точки зрения неэффективно, т.к. в этом случае имеют место большие потери тепла в окружающую среду — до 30.40% в первые месяцы их эксплуатации и порядка 10. 15% через 1.2 года. Использование таких выработок в определённой степени оправдано только при их небольшой длине и больших скоростях сгорания угля (более 1 кг/с) и сроках эксплуатации ГВ (более 1 года).

5. Продукты подземного сжигания угля, содержащие до 5% горючих газов, вполне допустимо рассматривать как продукты полного сгорания угля в воздухе с определением коэффициента избытка воздуха ос по содержанию свободного Ог в ППСУ при расчётах показателей их физических свойств, определяющих формирование теплового баланса процесса ПСУ. Установлено, что в пределах диапазонов изменения составов реальных сухих ППСУ температурные зависимости этих физических свойств хорошо описываются обобщёнными взаимосвязями. Это позволяет при переходе к влажным ППСУ пользоваться моделями двухкомпонентной (сухие ППСУ и пары воды) или трёхкомпонентной (сухие продукты полного сгорания с, а = 1,0, избыточный воздух, пары воды) газовых смесей.

6. Разработан приближённый метод расчёта параметров нестационарного теплообмена в УК и ГВ, в основу которого положен временной коэффициент формы цилиндрической полости Фц (по А.Ф.Воропаеву). Показано, что для той интенсивности теплообмена, которая характерна для УК и ГВ, Фц является функцией критериев Фурье и Био. Это позволило получить для расчетов потерь тепла в окружающую среду единую расчетную формулу, погрешность которой в пределах реального времени эксплуатации ГВ составляет порядка 10%.

7. Реальный кондуктивно-конвективно-лучистый теплообмен в УК при оценке потерь тепла в окружающую среду можно заменить моделью более простого конвективно-лучистого теплообмена, закономерности которого в общем виде хорошо описываются взаимосвязями, выявленными при фундаментальных исследованиях конвективного и лучистого теплообменов при движении высокотемпературных газовых сред в каналах. Уточнение этих взаимосвязей на основе результатов выполненных в стендовых условиях экспериментальных исследований процесса теплообмена в УК и ГВ позволило уменьшить погрешность расчетов показателей теплообмена в этих каналах в среднем до 25%. При этом было установлено, что при небольших где §-вод — удельный водоприток, кг воды / кг угля, в УК при критерии Рейнольдса Яе > 500 000 в основном имеет место конвективный теплообмен, а при меньшем — лучистый, который на 70. 80% формируется излучением угольных стенок. Выявленные закономерности теплообмена являются общими для всех режимов подачи воздуха в УК — нагнетательном, всасывающем и нагнетательно-всасывающем.

8. Вскрыты закономерности формирования длины зоны горения 1 Г в УК при диффузионном и переходном режимах горения угля и выходной тепловой мощности УК Кт. к при первом из них. Установлено, что возможность управления величиной 1 г крайне ограничена, т.к. она на 80.90% определяется мощностью сжигаемого угольного пласта и величиной §-вод. Резкое увеличение 1 г (на порядок и более) имеет место при смене режимов горения в УК, происходящей в бурых углях при 1,0. 1,5, а в каменных — £вод > 2,5. 3,0. Максимальная энергетическая эффективность процесса ПСУ характерна для блоков сжигания, конструкция которых обеспечивает при использовании современных методов осушения уменьшение gвoД до величин, при которых в УК имеет место только диффузионный режим горения угля, наличие которого позволяет установить полученная взаимосвязь между температурой горения угольных стенок стенок Ту. с и ППСУ на выходе из УК Тк.

9. Имеющаяся при диффузионном режиме горения угля тесная взаимосвязь между «Ыт.к и 1к (Кт.к ~ 1к6,25) предопределяет более высокую энергетическую эффективность процесса ПСУ у блоков сжигания, конструкция которых предусматривает получение необходимой Мг. к минимальным количеством работающих УК (в идеале одним). В этом случае реальный объёмный расход подаваемого в УК воздуха является эффективным инструментом управления величиной Мг. к и снижения отрицательного воздействия на процесс ПСУ внешнего водопритока.

10. Обеспечение постоянства тепловой мощности на выходе из ГВ 1Чт. гв при увеличении внешнего водопритока в УК только за счет соответствующего роста скорости сгорания угля энергетически оправдано, если конструкция теплоэнергетического комплекса предусматривает извлечение из ППСУ скрытой теплоты испарения воды, т.к. это приводит, даже в случае сохранения в УК диффузионного режима горения угля, к уменьшению КПД извлечения энергии из сжигаемого угля в виде физического тепла и увеличению КПД извлечения энергии в виде суммы физического тепла и скрытой теплоты испарения воды.

11. Неполное сгорание угля, внешний водоприток потери тепла в окружающую среду, наличие потерь ППСУ и воздуха (подсосов воздуха) являются характерными признаками реального процесса ПСУ. При отсутствии согласования режимных параметров процесса и принятых технологических и технических решений с горногеологическими условиями залегания сжигаемых угольных запасов вклад этих факторов в формирование теплового баланса процесса ПСУ в первом приближении равнозначен. Повышение энергетической эффективности этого процесса может быть обеспечено снижением влияния этих факторов на формирование его теплового баланса как за счёт оптимизации режимных параметров и принимаемых технологических и технических решений, так и за счёт извлечения из ППСУ химического тепла и скрытой теплоты испарения воды в теплоэнергетическом комплексе.

12. Разработанные предложения и технические решения, включающие: методы оперативного контроля химической полноты сгорания угля в УК и достоверности результатов газового анализа ППСУметодику расчёта, а в ППСУ с повышенным содержанием горючих газовконструкции блоков сжигания, обеспечивающие извлечение из вмещающих пород сконцентрированной в них в процессе сгорания угля тепловой энергии и вовлечение в процесс сгорания находящихся в породах кровли пропластков угляконструкции выработок (скважин), объединяющих функции воздухоподводящей и газоотводя-щей выработок и обеспечивающих снижение потерь тепла в окружающие породы и максимальную эффективность процесса дожигания горючих газов в ППСУспособ сжигания (газификации) угольных запасов при нагнетательно-всасывающем режиме подачи воздуха в УКиспользование в качестве окислителя при ПСУ вместо воздуха низкоконцентрированных метано-воздушных смесей, позволяют за счёт повышения оперативности управления параметрами процесса ПСУ и режимами работы теплоэнергетического комплекса снижения потерь тепла в окружающую среду, снижения утечек ППСУ и воздуха в окружающую среду и подсосов воздуха из неё, повысить энергетическую эффективность процесса ПСУ и расширить область его рационального применения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Тенденция развития топливной энергетики в мире однозначно свидетельствует о возрастающей роли угля в производстве энергии. Его доля в ТЭБ развитых в промышленном отношении стран на сегодняшний день в 2,5. 3,5 раза выше, чем в России, где она не превышает 23%, а должна быть, по оценкам специалистов, не менее 50% .

Переориентация топливной энергетики России на приоритетное использование угля, позволяет не только увеличить сроки самообеспечения страны, такими ценными видами органического топлива, как нефть и природный газ, но и расширить её экспортные возможности в этих видах топлива, а также увеличить их использование в качестве химического и технологического сырья. Последнее экономически более оправдано, чем использование нефти и природного газа в топливной энергетике.

Однако, широкое использование угля в масштабах всей страны для производства энергии требует в настоящее время серьезного технического переоснащения и модернизации угольной и энергетической промышленности, что связано зачастую с непреодолимыми трудностями экономического, технического и экологического характера. На местном уровне задача приоритетного использования угля для производства энергии довольно легко и эффективно решается при использовании при разработке угольных месторождений технологий ПГУ и ПСУ. Области эффективного применения каждой из них строго ограничены определенными рамками.

В диссертационной работе на основе выполненных исследований разработаны теоретические положения и методология расчёта технологических, режимных и выходных параметров процесса подземного сжигания угольных пластов (запасов) и физико-технического обоснования способов повышения его энергетической эффективности, совокупность которых является крупным научным достижением в области термохимических процессов подземной и скважинной добычи твёрдых горючих полезных ископаемых.