Заглавие с экрана

[References: 15 tit.]

The paper describes a mathematical model that simulates the heating of an underground coal bed by passing electrical current through electrothermal breakdown channel. The breakdown channel, which is a heat source, is formed between two electrodes located in the wells inside the subterranean formation. The electrodes are connected by cables to the aboveground electrical equipment. The diameter of electrothermal breakdown channel at the time of formation is small, and it expands as the coal is heated and carbonized in the vicinity of the channel. The distance between the electrodes is set to 0.5 meters. The values of dielectric and thermal properties are taken on the basis of experimental and literature data for the coals of the Republic of Kazakhstan. The time dependences of the temperature in the center of the heated part of the reservoir at different heating powers are obtained. The images of the thermal field in the heated region and its immediate vicinity are shown. The results of calculations of electrical parameters of required for heating electrical equipment, and changes in these parameters over time as heating, is given.

Построена математическая модель, описывающая нагрев подземного пласта угля электрическим током, протекающим через канал электротеплового пробоя. Канал пробоя, являющийся источником тепла, формируется между двумя электродами, расположенными в скважинах внутри подземного пласта. Электроды подключены кабелями к наземному электрооборудованию. Канал электротеплового пробоя в момент формирования имеет малый диаметр и расширяется по мере нагрева и карбонизации угля в окрестности канала. Величина расстояния между электродами задана равной 0,5 метра. Значения диэлектрических и теплофизических свойств взяты на основании экспериментальных и литературных данных для углей Казахстана. Получены зависимости температуры в центре нагреваемого участка пласта от времени при разной мощности нагрева. Получены изображения теплового поля в нагреваемой области и ее ближайшей окрестности. Приведены результаты расчетов электрических параметров электрооборудования, требуемого для нагрева, и изменения этих параметров во времени по мере нагрева. Изначально подземный пласт имеет некоторую исходную температуру. Если мы нагреваем участок пласта, часть тепловой энергии будет распространяться в менее нагретые окружающие области за счет теплопроводности и массопереноса. Поскольку уголь не прозрачен в инфракрасном диапазоне, теплопередача за счет излучения отсутствует. Предположительно, основной теплоотвод будет происходить за счет теплопроводности, поэтому массоперенос в модели не учтен.

При нагреве угля органическая масса претерпевает изменения, происходящие под действием температуры. В диапазоне от исходной температуры до 120°C происходит выход влаги, которая содержится в угле как в свободном, так и в ионно-связанном виде. При дальнейшем нагреве от 120°Cдо 300°C выходит преимущественно ионно-связанная и пирогенетическая влага. Далее в диапазоне от 300°C до 550°Cпроисходит разложение твердых органических соединений с образованием жидких и газообразных углеводородов. Остатком от реакций распада является кокс - аморфный углерод. За счет появления кокса снижается электрическое сопротивление угля. При температурах выше 550°C происходят вторичные реакции жидких и газообразных углеводородов с твердым углеродом. Продуктами этих реакций являются газообразный водород и монооксид углерода. Как видно из уравнения теплового баланса, расходование тепла происходит на нагрев угольного вещества, а также на термохимические превращения. Компонент, отвечающий за теплоту термохимических превращений, может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от баланса экзотермических и эндотермических реакций. Это видно по кривой теплового потока термогравиметрического анализа. В разных диапазонах температур тепловой поток пиролиза может быть положительным или отрицательным. В среднем, однако же, доминируют эндотермические реакции, таким образом, часть тепла поглощается. Физическая теплоемкость угля без учета термохимических реакций также зависит от температуры.

Определить температурную зависимость теплоемкости угля без учета энергии термохимических превращений не представляется возможным. Поэтому чаще используют эффективную теплоемкость, т.е. теплоемкость с учетом поглощения энергии на термохимические превращения. В расчетах использована эффективная теплоемкость, аналитическая форма которой аппроксимирована в температурном диапазоне по полиномиальной функции. Кроме температуры в межэлектродном пространстве, на эффективность технологии влияет также распределение тепловой энергии в окрестности электродов. Показаны изображения теплового поля в расчетной области в разные моменты времени при мощности нагрева 3кВт. Наиболее характерными являются следующие особенности. В начале нагрева температура резко возрастает в непосредственной близости с электродами. Далее происходит прогрев межэлектродного пространства, при этом окружающие области нагреваются слабо. Спустя более продолжительное время тепловая энергия начинает распределяться по направлению от электродов, прогревая таким образом область в радиусе нескольких метров. Подготовка натурных испытаний технологии требует знания требуемых технических параметров оборудования для нагрева. По известным величинам начального и конечного (до и после пиролиза) сопротивлений угля, а также рассчитав степень превращения, можем определить изменение межэлектродного сопротивления по мере нагрева. Результаты для межэлектродного расстояния 0,5 м приведены на рисунках.