Статті

Математична модель теплообміну процесу підземної газифікації вугілля

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №5 2024

Останнє оновлення: 29 жовтня 2024

Опубліковано: 30 листопада -0001

Перегляди: 36

Authors:

П. Б. Саїк*, orcid.org/0000-0001-7758-1083, Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

М. Г. Бердник, orcid.org/0000-0003-4894-8995, Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», м. Дніпро, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

* Автор-кореспондент e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

повний текст / full article

Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2024, (5): 019 - 024

https://doi.org/10.33271/nvngu/2024-5/019

Abstract:

Мета. Розробка математичної моделі теплообміну середовища «вугілля–газ» при підземній газифікації вугілля задля прогнозування швидкості посування вогневого вибою та тривалості відпрацювання стовпів газифікації.

Методика. Для знаходження температурних полів у вугільному пласті та газі в залежності від довжини переміщення межі фазового переходу була побудована крайова задача математичної фізики. Для рішення цієї крайової задачі було застосовано перетворення Больцмана, а також методи розв’язання звичайних диференційних рівнянь, а для знаходження коренів трансцендентного рівняння використано метод Ньютона–Рафсона, що має квадратичну збіжність.

Результати. Проаналізовані тенденції щодо формування математичних моделей при дослідженні температурних полів навколо підземного газогенератора з виділенням їх недоліків. Розроблена математична модель теплообміну при підземній газифікації, що враховує межі фазового переходу середовища «вугілля–газ». Проведено обчислювальний експеримент зі встановлення температури межі фазового переходу за довжиною стовпа газифікації та тривалості процесу.

Наукова новизна. Побудована математична модель теплообміну при газифікації вугілля у вигляді крайової задачі математичної фізики, що складається із параболічних рівнянь теплопровідності, умови Стефана на межі фазового переходу та граничних умов Діріхле. У результаті розв’язання крайової задачі було отримане автомодельне рішення розподілу температурних полів вугільного пласта й газу, а також положення межі фазового переходу в залежності від тривалості газифікації та від щільності середовища, коефіцієнтів теплопровідності, питомої теплоємності газу та вугілля, питомої теплоти згоряння вугілля, температури горіння вугілля, початкової температури вугілля та постійної температури процесу газифікації. Проведений аналіз чисельних розрахунків дозволяє глибше зрозуміти динаміку процесу підземної газифікації вугілля та вносити необхідні корективи для досягнення максимальної ефективності процесу.

Практична значимість. Розроблена методика з визначення довжини переміщення межі фазового переходу середовища «вугілля–газ» з урахуванням зміни температури вогневого вибою за довжиною області газифікації від тривалості даного процесу. Застосування методики дозволяє прогнозувати час відпрацювання стовпа вугілля, що буде газифікуватися, для складання календарного плану ведення гірничих робіт.

Ключові слова: підземна газифікація, математична модель, вугілля, газ, фазовий перехід, умови Стефана

References.

1. Rosen, M. A., Reddy, B. V., & Self, S. J. (2018). Underground coal gasification (UCG) modeling and analysis. Underground Coal Gasification and Combustion, 329-362. https://doi.org/10.1016/b978-0-08-100313-8.00011-6

2. Burton, E., Upadhye, R., & Friedmann, S. (2019). Best Practices in Underground Coal Gasification. Office of Scientific and Technical Information (OSTI), 1580018. https://doi.org/10.2172/1580018.

3. Camp, D. (2017). A Review of Underground Coal Gasification Research and Development in the United States. Office of Scientific and Technical Information (OSTI), 1368032. https://doi.org/10.2172/1368032.

4. Zou, C., Chen, Y., Kong, L., Sun, F., Chen, S., & Dong, Z. (2019). Underground coal gasification and its strategic significance to the development of natural gas industry in China. Petroleum Exploration and Development, 46(2), 205-215. https://doi.org/10.1016/s1876-3804(19)60002-9.

5. Kenzhaliyev, B. K., Abikak, Y. B., Gladyshev, S. V., Manapova, A. I., & Imangaliyeva, L. M. (2024). Destruction of mineral components of red mud during hydrothermal extraction of scandium. Engineering Journal of Satbayev University, 146(2), 9-17. https://doi.org/10.51301/ejsu.2024.i2.0.

6. Bazaluk, O., Lozynskyi, V., Falshtynskyi, V., Saik, P., Dychkov­skyi, R., & Cabana, E. (2021). Experimental Studies of the Effect of Design and Technological Solutions on the Intensification of an Underground Coal Gasification Process. Energies, 14(14), 4369. https://doi.org/10.3390/en14144369.

7. Shahbazi, M., Najafi, M., & Marji, M. F. (2018). On the mitigating environmental aspects of a vertical well in underground coal gasification method. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 24(3), 373-398. https://doi.org/10.1007/s11027-018-9816-x.

8. Xiao, Y., Yin, J., Hu, Y., Wang, J., Yin, H., & Qi, H. (2019). Monitoring and Control in Underground Coal Gasification: Current Research Status and Future Perspective. Sustainability, 11(1), 217. https://doi.org/10.3390/su11010217.

9. Mandal, R., & Maity, T. (2023). Operational process parameters of underground coal gasification technique and its control. Journal of Process Control, (129), 103031. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2023.103031.

10. Bazaluk, O., Ashcheulova, O., Mamaikin, O., Khorolskyi, A., Lozynskyi, V., & Saik, P. (2022). Innovative activities in the sphere of mining process management. Frontiers in Environmental Science, (10), 878977. https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.878977.

11. Lozynskyi, V. (2023). Critical review of methods for intensifying the gas generation process in the reaction channel during underground coal gasification (UCG). Mining of Mineral Deposits, 17(3), 67-85. https://doi.org/10.33271/mining17.03.067.

12. Wachowicz, J., Łączny, J. M., Iwaszenko, S., Janoszek, T., & Cempa-Balewicz, M. (2015). Modelling of Underground Coal Gasification Process Using CFD Methods. Archives of Mining Sciences, 60(3), 663-676. https://doi.org/10.1515/amsc-2015-0043.

13. Lozynskyi, V., Falshtynskyi, V., Saik, P., Dychkovskyi, R., Zhautikov, B., & Cabana, E. (2022). Use of magnetic fields for intensification of coal gasification process. Rudarsko-geološko-Naftni Zbornik, 37(5), 61-74. https://doi.org/10.17794/rgn.2022.5.6.

14. Krasnovyd, S., Konchits, A., Shanina, B., Valakh, M., Yukhymchuk, V., Skoryk, M., Molchanov, O., & Kamchatny, O. (2023). Coal from the outburst hazardous mine seams: Spectroscopic study. Mining of Mineral Deposits, 17(1), 93-100. https://doi.org/10.33271/mining17.01.093.

15. Bazaluk, O., Sobolev, V., Molchanov, O., Burchak, O., Bezruchko, K., Holub, N., …, & Lozynskyi, V. (2024). Changes in the stability of coal microstructure under the influence of weak electromagnetic fields. Scientific Reports, 14, 1304. https://doi.org/10.1038/s41598-024-51575-w.

16. Sadovenko, I. A., & Inkin, A. V. (2018). Method for Stimulating Underground Coal Gasification. Journal of Mining Science, 54(3), 514-521. https://doi.org/10.1134/s1062739118033941.

17. Bondarenko, V., Tabachenko, M., & Wachowicz, J. (2010). Possibility of production complex of sufficient gasses in Ukraine. New Techniques and Technologies in Mining – Proceedings of the School of Underground Mining, 113-119. https://doi.org/10.1201/b11329-19.

18. Berdnyk, M. (2018). The Mathematic Model and Method for Solving the Dirichlet Heat-Exchange Problem for Empty Isotropic Rotary Body. Solid State Phenomena, 277, 168-177. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.277.168.

19. Porada, S., Czerski, G., Dziok, T., Grzywacz, P., & Makowska, D. (2015). Kinetics of steam gasification of bituminous coals in terms of their use for underground coal gasification. Fuel Processing Technology, 130, 282-291. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.10.015.

20. Zhang, H., Xiao, Y., Luo, G., Fang, C., Zou, R., Zhang, Y., Li, X., & Yao, H. (2024). Numerical simulation study on chemical ignition process of underground coal gasification. Energy, 298, 131350. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.131350.

21. Falshtynskyi, V. (2014). Some aspects of technological processes control of an in-situ gasifier during coal seam gasification. Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane, and Ores Mining, 109-112. https://doi.org/10.1201/b17547-20.

22. Buktukov, N. S., Gumennikov, E. S., & Mashataeva, G. A. (2019). In-situ gasification of steeply dipping coal beds with production hole making by supersonic hydraulic jets. Mining Informational and Analytical Bulletin, (9), 30-40. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-09-0-30-40.

23. Yesmakhanova, L. N., Tulenbayev, M. S., Chernyavskaya, N. P., Beglerova, S. T., Kabanbayev, A. B., Abildayev, A. A., & Maussymbayeva, A. D. (2021). Simulating the coal dust combustion process with the use of the real process parameters. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 16(22), 2395-2407.

24. Gazaliyev, A. M., Portnov, V. S., Kamarov, R. K., Maussymbayeva, A. D., & Yurov, V. M. (2015). Geophysical research of areas with increased gas content of coal seams. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (6), 24-29.

25. Khan, M. M., Mmbaga, J. P., Shirazi, A. S., Trivedi, J., Liu, Q., & Gupta, R. (2015). Modelling underground coal gasification – a review. Energies, 8(11), 12603-12668. https://doi.org/10.3390/en81112331.

26. Kostúr, K., Laciak, M., & Durdan, M. (2018). Some influences of underground coal gasification on the environment. Sustainability, 10(5), 1512. https://doi.org/10.3390/su10051512.

27. Xin, L., Cheng, W., Xie, J., Liu, W., & Xu, M. (2019). Theoretical research on heat transfer law during underground coal gasification channel extension process. International Journal of Heat and Mass Transfer, 142, 118409. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.07.059.

28. Pivnyak, G., Dychkovskyi, R., Bobyliov, O., Cabana, E. C., & Smoliński, A. (2018). Mathematical and Geomechanical Model in Physical and Chemical Processes of Underground Coal Gasification. Solid State Phenomena, 277, 1-16. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.277.1.

29. Saik, P., & Berdnyk, M. (2022). Mathematical model and methods for solving heat-transfer problem during underground coal gasification. Mining of Mineral Deposits, 16(2), 87-94. https://doi.org/10.33271/mining16.02.087.

• < Попередня
• Наступна >