Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей
В роботі наведено результати теоретичного моделювання спалювання вуглепородних сумішей згідно з основними принципами термодинаміки, що стосуються динаміки виходу газоподібних речовин CH₄, CO, CO₂, H₂ і N₂ в залежності від температури нагріву. In work the results of theoretical design of incinerati...
Saved in:
| Published in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53640 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей / В.Л. Приходченко.// Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 82-89. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859956458522673152 |
|---|---|
| author | Приходченко, В.Л. |
| author_facet | Приходченко, В.Л. |
| citation_txt | Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей / В.Л. Приходченко.// Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 82-89. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | В роботі наведено результати теоретичного моделювання спалювання вуглепородних сумішей згідно з основними принципами термодинаміки, що стосуються динаміки виходу газоподібних речовин CH₄, CO, CO₂, H₂ і N₂ в залежності від температури нагріву.
In work the results of theoretical design of incineration of ugleporodnih mixtures pursuant to
basic principles of thermodynamics, touching the dynamics of output of the gaseous matters CH₄, CO, CO₂, H₂ and N₂ depending on the temperature of heating, are resulted.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:19:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
82
УДК 622.17:662.236.3
Канд. техн. наук В.Л. Приходченко
(ИГТМ НАН Украины)
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
СЖИГАНИЯ УГОЛЬНЫХ ШЛАМОВ И НЕКОНДИЦИОННЫХ УГЛЕЙ
В роботі наведено результати теоретичного моделювання спалювання вуглепородних
сумішей згідно з основними принципами термодинаміки, що стосуються динаміки виходу
газоподібних речовин CH4, CO, CO2, H2 і N2 в залежності від температури нагріву.
RESULTS OF THEORETICAL DESIGN OF PROCESSES
INCINERATIONS OF COAL SHLAMOV AND NO STANDARD COALS
In work the results of theoretical design of incineration of ugleporodnih mixtures pursuant to
basic principles of thermodynamics, touching the dynamics of output of the gaseous matters CH4,
CO, CO2, H2 and N2 depending on the temperature of heating, are resulted.
Функционирование добывающей отрасли сопровождается образованием
больших масс отходов, складируемых в виде некондиционных углей или жид-
ких угольных шламов, заполняющих шламонакопители. Многолетнее накопле-
ние углепородных масс приводит к всестороннему загрязнению окружающей
среды: атмосферы, почвы и водных объектов. В то же время, данные отходы с
наличием углерода представляют собой техногенные поверхностные месторо-
ждения, удобные для разработки или переработки.
С целью энерготехнологической переработки угольных шламов и неконди-
ционных углей, предложенной ИГТМ НАНУ, проведены теоретические иссле-
дования терморазложения исходного углепородного сырья для определения ко-
нечных продуктов разложения в виде газообразных и конденсированных ве-
ществ при различных температурах нагрева [1].
Для теоретического анализа разнообразных химико-технологических и теп-
лотехнических процессов, которые протекают при нагреве углепородных масс,
необходимо учитывать большое число факторов, как внутри, так и вне системы
«исходная масса – печь (реактор)». Упростить многофакторные связи позволяет
компьютерное термодинамическое моделирование при известном составе ис-
ходного сырья и заданных режимах температуры и давления.
Существует и используется ряд программ, реализующих законы термодина-
мики в однородной изотропной системе, в которой распределения температуры
и давления одинаковы во всех точках. К следующему упрощению относится то,
что свойства идеального газа присущи всем газообразным веществам системы,
а также то, что полученные составы веществ на определенной температуре со-
ответствуют стабильному состоянию системы с равномерным распределением
в ней всех ее компонентов. Для упрощения принимается также, что компенса-
ция тепловых эффектов проводится за счет внешних источников тепла.
Все эти допущения могут привести к увеличению погрешности расчетов па-
раметров термодинамических процессов при термопереработке углепородного
сырья, однако при проведении научных исследований крайне важно выявить
основные тенденции распада исходной массы с образованием твердых, жидких
и газообразных продуктов.
83
Поскольку в энерготехнологическом варианте термопеработки нас интере-
сует, прежде всего, состав и количество газообразных веществ и их соответст-
вие энергетическим газам, которые могут использоваться в различных техноло-
гических процессах и отраслях промышленности, рассмотрим результаты тео-
ретического моделирования высокотемпературных процессов на примере рас-
четов программы АСТРА–3 [1, 2].
В указанной программе используются основные законы термодинамики, со-
хранения массы, энергии и заряда, которые представляют математическую мо-
дель образования газообразных и конденсированных веществ в сложной много-
компонентоной системе, которой является угольный шлам.
Система алгебраических уравнений взаимосвязи параметров состояния сис-
темы приведена в [1, 2]. Здесь же кратко следует упомянуть, что программа
АСТРА–3 в соответствии с вышеприведенными допущениями использует
уравнения: концентрации газообразных отдельных веществ; концентрации от-
дельных конденсированных компонентов; состояния идеального газа; общей
электронейтральности термодинамической системы; сохранения массы хими-
ческих элементов; энтропии термодинамической системы и определения эн-
тальпии.
Поскольку согласно программе обрабатывается равновесный состав термо-
динамической системы по 20-ти химическим элементам, то в этих же пределах
задан химический состав угольных шламов Червоногвардейской ЦОФ и углей
Львовско-Волынского бассейна (ЛВБ). Углеотходы обогащения отобраны с по-
верхности и глубины шламонакопителя №1, а в качестве проб углей отобраны
высокозольный сапропелевый и низкозольный гумусовый уголь. Их исходные
химические составы заданы как основа расчетов и полностью приведены в [3].
Результатом теоретических термодинамических расчетов явились показате-
ли концентраций, образованных на определенной температуре (по мере ее рос-
та) газообразных и конденсированных веществ – продуктов терморазложения
исходной массы.
По газообразным компонентам изучена динамика основных составляющих
газа: водорода H2, окисла углерода СО, двуокиси углерода CO2, метана CH4,
азота N2 и сероводорода H2S. Именно их суммарное содержание составляет 92–
95 %.
Температура нагрева исходной массы задана в пределах 200–2500 °С. По-
мимо углепородной массы (уголь + минеральная часть) в расчете также задано
небольшое количество окислителя H2O, чтобы промоделировать вероятное
сжигание угольного шлама с его жидкой фракцией без предварительного осу-
шения, как это требуется в некоторых процессах.
В качестве результатов термодинамических расчетов при ожидаемом сжи-
гании угольного шлама приведен рис. 1, на котором представлена динамика
выхода отдельных компонентов газа с увеличением температуры нагрева t, °С.
84
1 – H2; 2 – СО; 3 – CH4; 4 – СО2; 5 – N2
Рис. 1 – Выход компонентов газа при термической обработке шлама
Как показано на рис. 1, содержание водорода H2 в газе возрастает при нагре-
ве от 200 °С до 800 °С, что непосредственно связано с присутствием в шламе
угля и разложением его органической массы. Затем при дальнейшем нагреве
шлама до 2500 °С концентрация водорода плавно снижается, что можно пред-
ставить аппроксимационной иррациональной функцией вида
4
1
H
12 t
taC
+
= , где
a1 – коэффициент пропорциональности; t – температура нагрева исходной сме-
си.
При этом в режиме нагрева 200–800 °С наблюдается резкое уменьшение
объемов выхода метана в газе, что можно объяснить за счет прохождения реак-
ции пиролиза CH4 → C + 2H2.
С достижением температуры нагрева 1000 °С содержание одного из наибо-
лее энергетического компонента в газе – метана CH4 (теплота его сгорания
свыше 36 МДж/м3) снижается практически до нуля, что описывается показа-
тельной функцией 24 2CH t
t
e
eaС = , где a2 – коэффициент пропорциональности.
Окись углерода CO – ядовитый горючий газ с теплотой сгорания более
13 МДж/м3, который не поддерживает горения, но является одним из основных
компонентов газа при сгорании углерода в условиях недостаточного притока
воздуха. При нагреве и сжигании угольного шлама от 200 °С до 1000 °С CO
наиболее активно выделяется практически синхронно с водородом, и с ростом
температуры до 2500 °С постепенно увеличивается в объеме. Описание данной
тенденции по мере увеличения температуры возможно с помощью показатель-
ной функции
2/1
3CO
teaС −= , где a3 – коэффициент пропорциональности.
Эти тенденции при наличии окислителя H2O объясняет реакция C + 2H2O →
CO + H2, а также при имеющейся двуокиси углерода CO2 следует реакция вида
C + CO2 → 2CO, что в совокупности дает наблюдаемое увеличение окиси угле-
0
10
20
30
40
50
60
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
Ci, %
1
2
3
4
5
85
рода.
На графиках рис. 1 при терморазложении шлама показана динамика выхода
двуокиси углерода CO2, которая является бесцветным и негорючим газом, ко-
торая, согласно вышеприведенной реакции, лишь увеличивает содержание CO.
Двуокись углерода имеет максимум выделения при t° = 500 °С с постоянным
снижением до 1000 °С в соответствии с показательной функцией 22
4
CO tte
aС
+
= ,
где a4 – коэффициент пропорциональности.
Динамика выхода азота практически постоянна и с учетом погрешности
расчетов находится на минимальном уровне.
С помощью компьютерного моделирования проведены расчеты выходов тех
же компонентов газа при сжигании проб гумусового и сапропелевого угля,
приведенные на рис. 2.
По результатам расчетов получены выходы водорода из углей (рис. 2,а), ко-
торые превышают расчетные значения из шламов. При этом водород из гуму-
сового угля выделяется в 1,8 раза больше и динамика его выхода на высоких
температурах (свыше 1000 °С) отличается от динамики выхода из шлама, т.к.
практически стабилизируется до 2000 °С.
Динамика выхода H2 из сапропелевого угля сходна по характеру с выходом
из шламов, однако его максимальный выход достигает 70 % на температурах
нагрева 800–1400 °С, в то время как из шламов – всего лишь 48 %. Это еще раз
подтверждает факт высокозольности шламов и сапропелевого угля.
Выходы метана из углей при температурах 200–300 °С находятся в пределах
59–62 %, в то время как из шламов максимальный выход не доходит до 20 %,
что непосредственно сказывается на температуре сгорания газа из шлама в нача-
ле нагрева. Выходы метана из углей также резко снижаются до нуля к 1000 °С
(рис. 2,в).
Выходы CO также показывают непосредственное влияние исходного соста-
ва сырья, т.к. высокозольные сапропелевый уголь и шламы характеризуются
практически одинаковой динамикой, однако первый максимум выхода CO у са-
пропелевых углей в диапазоне температур 750–1300 °С составляет 30 %, в то
время как у шламов – 50 %, что приводит к повышению теплоты сгорания газа.
У гумусовых углей выход CO достигает максимума при 800 °С и остается на
постоянной величине – 18 % (рис. 2,б).
Распределения CO2 из углей с ростом температуры, показанные на рис. 2,г,
повторяют характер выхода из шламов, однако из гумусового угля максималь-
ное количество CO2 составляет 3,1 % при температуре нагрева 500 °С, в то вре-
мя как у шламов – 23 %.
Содержание азота в газе из углей максимально в начале нагрева (0,8–0,9 %)
и так же, как и из шламов, снижается к 1000 °С.
86
0
1
2
3
4
5
6
7
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
CCO2, %
1
2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
CH2, %
1
2
а) б)
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
CCH4%
1
2
в) г)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
CN2, %
1
2
д)
а) H2; б) СО; в) CH4; г) СО2; д) N2
1 – гумусовый уголь; 2 – сапропелевый уголь
Рис. 2 – Выход компонентов газа при термической переработке углей ЛВБ
Анализы расчетов выхода основных компонентов газа из комплексных проб
шлам–уголь различного состава в разных соотношениях приведены на рис. 3 и
4, которые также показывают влияние исходного состава сырья на выход газо-
0
10
20
30
40
50
60
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
CCO, %
1
2
87
образных продуктов.
а) б)
в) г)
д)
а) H2; б) СО; в) CH4; г) СО2; д) N2
1 – шлам-уголь – 2: 1; 2 – шлам-уголь – 1: 1; 3 – шлам-уголь – 1: 2
Рис. 3 – Выход компонентов газа при термической переработке
пробы гумусового угля и шлама в различных соотношениях
У наиболее важных энергетических составляющих газа – метана и водорода
видна зависимость наибольших выходов от увеличения количества угля в про-
бе, в то время как максимальные выходы CO и CO2 наблюдаются в результате
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
СН2, %
1
2
3
0
10
20
30
40
50
60
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
ССО, %
3
2
1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
ССН4, %
3
2
1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
ССО2, %
3
2
1
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
СN2, %
3
2
1
88
наибольшего количества шлама в составе исходного сырья.
а) б)
в) г)
д)
д)
1 – шлам-уголь – 2: 1; 2 – шлам-уголь – 1: 1; 3 – шлам-уголь – 1: 2
Рис. 4 – Выход компонентов газа при термической переработке
комплексной пробы сапропелевого угля и шлама в различных соотношениях
Результатами проведенных расчетов компьютерного моделирования явля-
ются:
– состав исходного углепородного сырья влияет на объемы и состав газа,
образующегося при их сжигании, что особенно сказывается на начальной ста-
дии нагрева до 1000 °С;
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
СН2, %
1
2
3
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
ССО, %
1
2
3
0
5
10
15
20
25
30
35
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
ССН4, %
1
2
3
0
5
10
15
20
25
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
ССО2, %
3
2
1
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
t, oC
СN2, %
3
2
1
89
– выявлены отличия в динамике выхода основных компонентов газа при
терморазложении шламов, углей и их комплексных проб различного состава;
– показано увеличение выхода водорода и метана из углей по сравнению со
шламами;
– получена наибольшая динамика выхода CO и CO2 из шламов по сравне-
нию с углями;
– в комплексных пробах шлам–уголь в различных соотношениях показано
увеличение выхода водорода и метана с увеличением в составе пробы углей, и
рост выхода оксида и диоксида углерода с увеличением в составе пробы шлама.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Разработать исходные данные на проектирование энерготехнологического комплекса утилизации шла-
мов и некондиционных углей: Отчет о НИР (заключительный) ИГТМ НАН Украины; Руководитель А.Ф. Булат.
– Днепропетровск, 2010. – 255 с. – №0107U002003; Инв. №6959.
2. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов / Г.Б. Синярев,
Н.А. Ватолин, Б.Г. Трусов, Г.К. Моисеев. – М:. Наука, 1982. – 221 с.
3. Влияние условий нагрева низкосортных углей и отходов углеобогащения на продукты термодеструкции
/ В.Л. Приходченко, Е.А. Слащева, В.Я. Осенний, Н.В. Коваль, Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Меж-
вед. сб. науч. тр. / ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 2010. – Вып. 89. – С. 63–72.
УДК 622.454:622.831.325.3
Д-р техн. наук Б.В. Бокий
(ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько»)
ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСНОЙ ДЕГАЗАЦИИ
ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ
Викладені результати шахтних досліджень по керуванню аерогазодинамічним процесом
на високопродуктивних виймальних ділянках, що відпрацьовують газоносні вугільні шари
по стовповій системі. Розглянуті особливості застосовуваних схем провітрювання і комплек-
сної дегазації. Наведені значення участі на паях вентиляції та способів дегазації ( у тому чис-
лі нетрадиційного) у газовому балансі виймальної ділянки при адаптивнім керуванні повіт-
рерозподілом
FEATURES INTEGRATED DEGASSING WORKING AREAS
The results of studies on the mine management of aero gas-dynamic process in the working ar-
eas of high-performance, gas-bearing coal seams were working on the pillar system. The features
used ventilation circuits and integrated drainage. The values of the equity of ventilation and drain-
age ways (including nontraditional) in the gas balance of the excavation site in adaptive manage-
ment of air distribution
Газообильность шахт определяется, в основном, суммарной интенсивностью
источников газовыделения на действующих выемочных участках. Снижение
газообильности участков требует больших затрат на усиленную вентиляцию
выработок, а также на осуществление мероприятий по управлению газовыделе-
нием и газораспределением. Применение таких мероприятий коренным обра-
зом изменило ранее сложившееся представление об ограничении нагрузки на
очистной забой по газовому фактору. В результате границы этого фактора зна-
чительно отодвинуты, подвигание очистного забоя достигло 5-6 м/сут, а на-
грузка на забой – 3000-4000 и более тонн угля в сутки.
Газообильность добычных участков, как известно [1], зависит от горно-
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-53640 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-4556 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:19:30Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Приходченко, В.Л. 2014-01-25T13:44:33Z 2014-01-25T13:44:33Z 2012 Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей / В.Л. Приходченко.// Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 82-89. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53640 622.17:662.236.3 В роботі наведено результати теоретичного моделювання спалювання вуглепородних сумішей згідно з основними принципами термодинаміки, що стосуються динаміки виходу газоподібних речовин CH₄, CO, CO₂, H₂ і N₂ в залежності від температури нагріву. In work the results of theoretical design of incineration of ugleporodnih mixtures pursuant to basic principles of thermodynamics, touching the dynamics of output of the gaseous matters CH₄, CO, CO₂, H₂ and N₂ depending on the temperature of heating, are resulted. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей Results of theoretical design of processes incinerations of coal shlamov and no standard coals Article published earlier |
| spellingShingle | Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей Приходченко, В.Л. |
| title | Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей |
| title_alt | Results of theoretical design of processes incinerations of coal shlamov and no standard coals |
| title_full | Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей |
| title_fullStr | Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей |
| title_full_unstemmed | Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей |
| title_short | Результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей |
| title_sort | результаты теоретического моделирования процессов сжигания угольных шламов и некондиционных углей |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53640 |
| work_keys_str_mv | AT prihodčenkovl rezulʹtatyteoretičeskogomodelirovaniâprocessovsžiganiâugolʹnyhšlamovinekondicionnyhuglei AT prihodčenkovl resultsoftheoreticaldesignofprocessesincinerationsofcoalshlamovandnostandardcoals |