Физико-химическая геотехнология : процессы сжигания и газификация угля в подземных условиях

Москва 2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ 
 
Кафедра геотехнологий освоения недр

Н.И. Абрамкин
Г.А. Янченко

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

ПРОЦЕССЫ СЖИГАНИЯ И ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ 
В ПОДЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

Сборник задач и заданий для практических занятий 
и самостоятельной работы

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3467

УДК 622.1:55 
 
А16

Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук, проф. В.А. Атрушкевич

Абрамкин Н.И.
А16  
Физико-химическая геотехнология : процессы сжигания и 
газификация угля в подземных условиях : сборник задач и заданий для практических занятий и самостоятельной работы студентов / Н.И. Абрамкин, Г.А. Янченко. – М. : Изд. Дом НИТУ 
«МИСиС», 2019. – 97 с.

Предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 21.05.04. «Горное дело» специализации «Подземная разработка пластовых месторождений» и «Подземная разработка рудных месторождений», 
а также для проведения практических занятий по дисциплине «Физико-химическая геотехнология» и использования для тематического и итогового контроля усвоения студентами теоретического материала и умения использовать 
его для решения соответствующих практических задач. Рассмотрены процессы сжигания и газификации угля в подземных условиях.
Включает три раздела. Часть заданий дана в многовариантной форме, что 
позволяет их использовать на контрольных работах и в домашних заданиях. 
Рассмотрены такие примеры выполнения всех заданий, что, по мнению авторов, улучшит качество усвоения материала и его использования для решения 
практических задач.

УДК 622.1:55

 Н.И. Абрамкин,
Г.А. Янченко, 2019
 НИТУ «МИСиС», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ....................................................................................................4
Основные принятые условные обозначения ..........................................5

1. Состав и свойства углей и продуктов их сгорания  
и газификации .........................................................................................10
1.1. Состав и свойства углей ................................................................. 10
1.2. Состав и свойства продуктов сгорания и газификации углей ....11

2. Материальный и тепловой балансы.  
Технологические показатели процессов сгорания  
и газификации угля в подземных условиях ..........................................16
2.1. Материальный баланс .................................................................... 16
2.2. Тепловой баланс .............................................................................. 18
2.3. Технологические показатели ......................................................... 22

3. Примеры выполнения заданий ..........................................................25
Библиографический список ...................................................................89
Приложения .............................................................................................91

ВВЕДЕНИЕ

Сборник задач предназначен для студентов вузов, обучающихся 
по направлению подготовки (специальности) «Горное дело» (специализации «Подземная разработка пластовых месторождений» и «Подземная разработка рудных месторождений»), а также для проведения 
практических занятий по дисциплине «Физико-химическая геотехнология» и использования для тематического и итогового контроля усвоения студентами теоретического материала и умения использовать 
его для решения соответствующих практических задач. Посвящено 
процессам сжигания и газификации угля в подземных условиях.
Задачник включает три раздела. В первых двух разделах сформулированы задания для расчетов соответствующих свойств сжигаемого и газифицируемого угля, получаемых при этом продуктов сгорания и газификации, статей материального и теплового балансов этих 
процессов и их технологических показателей. Часть заданий дана в 
многовариантной форме, что позволяет их использовать на контрольных работах и в домашних заданиях. В третьем разделе рассмотрены 
примеры выполнения всех заданий, что, по мнению авторов, улучшит 
в определенной степени качество усвоения материала и его использования для решения практических задач.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ 
ОБОЗНАЧЕНИЯ

,
,
,
,
daf
daf
daf
daf
daf
c
С
H
S
N
O
 − содержание соответственно углерода, 
водорода, горючей серы, азота и кислорода в угле на сухое беззольное 
состояние, % по массе;

,
,
,
,
c
С H S N O
r
r
r
r
r
 − содержание соответствующих элементов в угле 
на рабочее состояние, % по массе;

r
t
W  − общая влага угля (влажность) на рабочее состояние, % по 
массе;

,
d
r
A
A  − зольность угля соответственно на сухое состояние и рабочее состояние, % по массе;

пер
K
 − коэффициент пересчета показателей угля с одного состояние на другое;

daf
V
 − выход летучих на сухое беззольное состояние угля, % по 
массе;

,
,
daf
d
r
i
i
i
Q
Q
Q  − низшая теплота сгорания топлива на соответственно 
сухое беззольное, сухое состояние и рабочее состояние, Дж/нор. м3 
(кДж/нор. м3, МДж/нор. м3) у газообразного топлива и Дж/кг (кДж/кг, 
МДж/кг) у жидкого и твердого топлив;

,
,
daf
d
r
s
s
s
Q
Q
Q  − высшая теплота сгорания топлива на соответствующее состояние, Дж/нор. м3 (кДж/нор. м3, МДж/нор. м3) у газообразного топлива и Дж/кг (кДж/кг, МДж/кг) у жидкого и твердого топлив;
нор. м3 − нормальный метр кубический, единица измерения объема газа, находящегося при нормальных физических условиях: 

0
237,15
0
К
С
T
T
=
=
=
°
 и 
0
101325
1
1,01325
Па
атм
бар;
P
P
=
=
=
=

δ − относительная погрешность определения физической величины, % от точного значения этой физической величины;
ЭК − тепловой калорийный эквивалент;

,
о
о
с.в
в
V
V − приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объем соответственно сухого и влажного воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг (1 нор. м3) рабочей массы (объема) 
топлива с aв = 1,0, нор. м3/кг топлива или нор. м3/ нор. м3 топлива;
aв − коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания или газификации;

,
в
г
d
d  − влагосодержание соответственно воздуха и газа (продукты сгорания или газификации угля), кг п.в/нор. м3 с.в или кг п.в/нор. 
м3 с.г., где п.в – пары воды, с.в – сухой воздух, с.г – сухой газ;

г
W  − влажность газа (продукты сгорания или газификации), % по 
объему;

, , ,
a x
b
∆
 − обобщенные статистические коэффициенты, установленные для природных углей Я.Л. Пеккером;

г
ρ  − плотность газа (продукты сгорания или газификации) при соответствующих физических условиях, кг/нор. м3 или кг/м3;

2
2
2
2
4
2
4
2
N ,CO ,O ,SO ,CH ,C H ,C H ,H S
m
n
 − содержание соответственно азота, диоксида углерода, кислорода, диоксида серы, метана, 
непредельных углеродов, этилена, сероводорода в сухой газовой смеси, % по объему;

,
,
,
о
о

с.г
г
с.г
г
V
V
V
V  − приведенные к нормальным физическим условиям теоретический объем, соответственно, сухих и влажных продуктов 
полного сгорания 1 кг рабочей массы угля в воздухе, соответственно, 
с α = 1,0 и α > 1,0, нор. м3 /кг угля;

,
,
,
,

2
2
2
2
2
o
o
o
o
o
N
CO
SO
O
H O
V
V
V
V
V
 − приведенные к нормальным физическим 
условиям объемы соответственно азота, диоксидов углерода и серы, 
кислорода и паров воды, получаемые при полном сгорании 1 кг рабочей массы угля в воздухе с α = 1,0, нор. м3 /кг угля;

,
,
,
,

2
2
2
2
2
N
CO
SO
O
H O
V
V
V
V
V
 − приведенные к нормальным физическим 
условиям объемы соответствующих газов, получаемые при полном 
сгорании 1 кг рабочей массы угля в воздухе с α >1,0 нор. м3 /кг угля;

д,i
υ
 − объемная доля соответствующего i-го газа в продуктах сгорания или газификации угля;

iρ  − плотность при соответствующих физических условиях i-го 
газа, входящего в состав продуктов сгорания или газификации угля, 
кг/нор. м3 или кг/м3;

г
µ  − молярная масса газовой смеси, кг/кмоль;

,
у
R
Rµ  − удельная, Дж/(кг∙К), и универсальная (молярная),  
Дж/(моль∙К), газовая постоянная газа или газовой смеси;

,
,
,
д
д
i
i
m
µ
 − молярная и массовая доля i-го газа в газовой смеси;

Р,об
Р,уд
Р,
C
,C
,C
µ  − средняя изобарная объемная, кДж/(нор. м3∙К), 
удельная, кДж/(кг∙К), и молярная, кДж/(моль∙К), теплоемкость продуктов сгорания или газификации;
Т − текущая абсолютная температура, К; 
Р − текущее абсолютное давление, Па;

г
г
,
ν
η  − кинематическая, м2/с, и динамическая, Па∙с, вязкость продуктов сгорания или газификации;

iν  − кинематическая вязкость i-го газа, входящего в состав продуктов сгорания или газификации, м2/с;

с.г
п
с.в
,
,
υ
υ
υ
 − объемные доли в продуктах полного сгорания в воздухе соответственно сухих продуктов полного сгорания углей с α = 
1,0, паров воды и избыточного сухого воздуха;

с.г
п
с.в
,
,
ν
ν
ν
 − кинематическая вязкость соответственно сухих продуктов полного сгорания углей в воздухе a = 1,0, паров воды и сухого 
воздуха, м2/с;

г
λ  − коэффициент теплопроводности продуктов сгорания или газификации угля, кВт/м∙K);

,
,
o
i
i
λ λ
 − коэффициент теплопроводности i-го газа, входящего в 
состав продуктов сгорания или газификации угля, соответственно 
при температуре Т > Т0 = 273,15 К и Т = Т0 = 273,15 К, кВт/(м∙К);

о
с.г
λ
 − коэффициент теплопроводности продуктов сгорания или газификации на сухое состояние при Т = Т0 = 273,15 К, кВт/(м∙К);

с
с

с.г
с.в
, 
υ
υ
 − объемные доли соответственно сухих продуктов полного сгорания углей в воздухе с α = 1,0 и избыточного сухого воздуха в 
сухих продуктах полного сгорания углей в воздухе с α = 1,0;

р.о
C
− истинная изобарная объемная теплоемкость продуктов сгорания или газификации, кДж/(нор. м3∙К);
Pr − критерий Прандтля;

,
г
i
k k  − показатель адиабаты продуктов сгорания или газификации 
и их i-го газового компонента;

c.г
V
 − приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объем сухих продуктов газификации 1 кг рабочей массы угля, 
нор. м3/кг угля;
Vв − приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объем воздуха, расходуемый на газификацию 1 кг рабочей массы угля, нор. м3/кг угля;

,
,
,
с.в
в
с.г
г
Q
Q Q
Q  − приведенный к нормальным физическим условиям теоретический объемный расход соответственно сухого и влажного воздуха, сухого и влажного газа (продукты сгорания или газификации), нор. м3/кг угля;
Gвод − массовый расход воды, поступающей в продукты сгорания 
или газификации, кг/с;

,
об
об
в
с.г
V
V
 − приведенный к нормальным физическим условиям общий объем соответственно поданного на газификацию воздуха и полученных сухих продуктов газификации, нор. м3;

Кп − средний за рассматриваемый период времени полный коэффициент потерь продуктов сгорания или газификации;
qвод − удельный внешний водоприток в блок сжигания угля или 
подземный газогенератор, кг воды/кг угля;
Тв, Тг − температура воздуха и газа (продукты сгорания или газификации), К;
Мз − масса золы и шлаков, кг;
Сз − средняя изобарная удельная теплоемкость золы и шлаков, 
кДж/(кг∙К);
Св – средняя изобарная объемная теплоемкость атмосферного воздуха, кДж/ (нор. м3∙К);
Су − средняя изобарная удельная теплоемкость угля, кДж/(кг∙К);
wг − средняя скорость движения потока газа (продукты сгорания 
или газификации) в подземном канале, м/с; 
Re − критерий Рейнольдса;

,
И
K
a
a  − средний по длине рассматриваемого подземного канала 
коэффициент теплоотдачи соответственно конвекцией и за счет излучения, кВт/(м2∙К) или Вт/(м2∙К);

,
,
вх
вых

г
г
г
T
T
T  − температура газа (продукты сгорания или газификации) на входе в рассматриваемый подземный канал, на выходе из него 
и средний по длине этого канала, К;
ε − коэффициент шероховатости стенок подземного канала;

,
г
с
a a  − степень черноты излучаемого потока высокотемпературного газа и стенок канала, по которому он движется;
Тс − начальная температура стенок подземного канала, К;
Sэф − эффективная длина пути луча излучающего газового потока, 
м;

,
г
с.г
V S
 − объем, м3, излучающего газового потока и площадь, м2, 
стенок канала, ограничивающих излучающий газовый поток;
К – коэффициент ослабления лучей средой канала, по которому 
движется излучающий газовый поток, 1/(м∙МПа);
Кг − коэффициент ослабления лучей от несветящихся газов,  
1/(м·МПа); 

vΣ  – суммарная объемная доля в излучаемом газовом потоке трехатомных газов; 
qизл – поверхностная плотность суммарного теплового потока излучения, Вт/м2;

,
р

у
у
G
G  − теоретическая и реальная массовые скорости сгорания 
или газификации угля, кг/с;

,
р
р
в
г
Q
Q  − приведенный к нормальным физическим условиям реальный объемный расход соответственно воздуха и продуктов сгорания или газификации, нор. м3;

,
п. в
п. г
K
K
 − средний за рассматриваемый период коэффициент потерь подаваемого в блок сжигания или газогенератор воздуха и получаемых при этом продуктов сгорания или газификации;
lу.к − длина угольного канала, м;
b, h – ширина и высота угольного канала, м;

0
0
(
,
)
м
V
P T
 − молярный объем идеального газа при нормальных физических условиях, нор. м3/кмоль.

1. СОСТАВ И СВОЙСТВА УГЛЕЙ 
И ПРОДУКТОВ ИХ СГОРАНИЯ 
И ГАЗИФИКАЦИИ

1.1. Состав и свойства углей

Задание 1. Используя справочные данные по элементному составу 
угля на сухое беззольное состояние и данные его технического анализа по влажности 
r
t
W  и зольности Ad, определить состав угля на рабочее состояние, на основе которого определяются показатели процессов сгорания и газификации угля в подземных условиях. 
Исходные данные для выполнения задания взять из приложения 1 
в соответствии с заданным преподавателем вариантом задания.
Задание 2. Используя справочные данные по элементному составу 
угля на сухое беззольное состояние и данные его технического анализа по влажности 
r
t
W и зольности Ad, определить низшую теплоту сгорания угля на рабочее состояние. Расчеты сделать по формуле 
Д.И. Менделеева и бывшего Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ). Обе рассчитанные величины 
r
i
Q сравнить с экспериментальным значением 
r
i
Q , приведенным в Приложении 1.
Сделать оценку погрешности расчетов 
r
i
Q  по обеим формулам.
Исходные данные для выполнения задания взять из приложения 1 
в соответствии с заданным преподавателем вариантом.
Задание 3. Используя данные технического анализа угля по влажности 
r
t
W , зольности Ad и выходу летучих 
daf
V
, определить низшую 
теплоту сгорания на рабочее состояние 
r
i
Q . Задание выполнить двумя 
методами:
1) при использовании полинома 
(
)
daf
daf
i
Q
f V
=
 2-й степени;

2) при использовании полинома 
(
)
daf
daf
i
Q
f V
=
 4-й степени.
Сделать оценку погрешности определения обоими методами. 
Исходные данные для выполнения задания взять из Приложения 1 
в соответствии с заданным преподавателем вариантом.
Задание 4. Определить, какова будет величина низшей теплоты 
сгорания угля на рабочее состояние 
r
i
Q , если в результате изменений 
условий его разработки величина Ad угля изменилась Х абсолютных 
процентов, a 
r
t
W  − на Y абсолютных процентов.
Исходные величины 
r
t
W  и Ad взять из приложения 1 в соответствии с заданным преподавателем вариантом, величины X и Y взять из