При подземной газификации кислород воздушного угля вступает также в реакцию с горючими компонентами летучих веществ и серой. Эти реакции протекают по схемам

Процесс химической реакции кислорода с горючими компонен­тами летучих веществ угля называется гомогенным, в отличие от реакций кислорода с углеродом на твердой поверхности угля, ко­торые относятся к гетерогенным процессам.

Скорость химической реакции кислорода с углеродом на твер­дой поверхности угля зависит в основном от температуры и удель­ной реагирующей поверхности. Удельная реагирующая поверх­ность характеризуется площадью угля в единице его объема, на которой протекает гетерогенный процесс химической реакции кис­лорода с углеродом. Скорость этой реакции с увеличением тем­пературы возрастает значительно быстрее, чем скорость диффузии кислорода в угле. Например, при увеличении температуры угля на 10°С скорость гетерогенной реакции кислорода с углеродом увеличивается в 2—3 раза, в то время как коэффициент диффу­зии воздуха в угле увеличивается всего лишь на 20—30%. Таким образом, скорость подземной газификации угля будет зависеть от скорости химической реакции горения углерода и скорости диф­фузии воздуха в угле.

На основании изложенного процесс горения угля при его под­земной газификации можно разделить на три режима.

1. Диффузионный режим, когда скорость диффузии кислорода к углеродной поверхности значительно меньше скорости химиче­ской реакции кислорода с углеродом угля. Для интенсификации процесса подземной газификации угля в этом случае необходимо увеличить скорость диффузии кислорода к углеродной поверх­ности.

2. Кинетический режим, когда скорость диффузии кислорода к углеродной поверхности значительно выше скорости химической реакции кислорода с углеродом. В этом случае для интенсифи­кации процесса подземной газификации угля необходимо увели­чить его температуру.

3. Промежуточный режим, когда скорость горения соизмерима со скоростью диффузии и скоростью химической реакции кислорода с углеродом.

Технологические основы подземной газификации угля.

Отличительной технологической особенностью подземной гази­фикации угля является направление движения огневого забоя, дутья и газовых продуктов газификации. В зависимости от этого по технологическому признаку выделяют четыре метода подзем­ной газификации угля: прямой, обращенный, фронтальный и по­точный. Эти методы отличаются друг от друга направлением дви­жения огневого забоя, дутья и газовых продуктов газификации (табл. 15.1, рис. 15.2).

При прямом и обращенном методах подземной га­зификации движение окислителя к огневому забою или газообраз­ных продуктов газификации происходит за счет их фильтрации в порах и трещинах угольного пласта. Поэтому эти методы соответственно могут называться прямым фильтрационным или обра­щенным фильтрационным.

Рис. 15.2. Расположение химико-технологических зон и путь газов в результа­тивный газ при различных методах подземной газификации угля:

а —прямой метод; б — обращенный метод; в —фронтальный метод; г — поточный метод; 1— дутьевая скважина; 2 — дутьевой коллектор; 3 — газоотводящая скважина; 4 -- газо­сборный коллектор

Фронтальный метод подземной газификации угля воз­можно обеспечить в том случае, когда будет предотвращено сме­шивание окислителя, подаваемого на забой, и газообразных про­дуктов газификации, отводимых от забоя. Практически это можно сделать только при газификации из шахтных выработок, поэтому этот метод -пока не применяется.

Для обеспечения поточного метода газификации необходимо соединить концы газифицируемого участка пласта каналом, ко­торый называется каналом газификации. В этом случае газифи­кация угля осуществляется по всей длине канала газификации, который во времени увеличивается в диаметре. Огневой забой при

Таблица 15.1

поточной газификации движется перпендикулярно к направлению движения окислителя и газообразных продуктов газификации.

Прямой и обращенный методы газификации угля можно рас­сматривать как поточные в том случае, если считать каждую пору и трещину пласта отдельным каналом газификации. Сумму отдельных пор и трещин при прямом и обращенном методах под­земной газификации угля можно представить как систему при­мерно параллельных каналов газификации. Газификация угля в его порах и трещинах при прямом и обращенном методах может получить превалирующее развитие по одной или нескольким тре­щинам. В этом случае прямой и обращенный методы переходят в процесс газификации в канале. С учетом изложенного главной отличительной особенностью газификации угля в порах и трещи­нах при прямом и обращенном методах от газификации в канале является то, что в первых двух случаях движение огневого забоя перпендикулярно к направлению движения дутья и газообразных продуктов газификации весьма ограниченно, а при газификации в канале это направление является преобладающим.

В каждом из вышеперечисленных методов подземной газифи­кации угля происходит реагирование кислорода, углекислоты и водяного пара с горючими компонентами угля и продуктов его газификации. Превалирующим является гетерогенный процесс реагирования кислорода дутья с углеродом угля. Так как удель­ная реагирующая поверхность угля велика, то газификация его в порах и трещинах в направлении движения дутья заканчивается на небольшой длине реакционной зоны.

При подземной газификации в канале длина кислородной зоны значительно больше, чем при других методах, что позволяет по­лучить максимально возможную общую поверхность реагирования. Для всех методов подземной газификации угля характерно на­личие различных зон, в каждой из которых доминирующим явля­ется один из процессов (см. рис. 15.2). К таким зонам относятся зона окисления или кислородная зона (ЗО), зона восстановления (3В), зона термического разложения (ЗТ), зона частичного тер­мического разложения (ЗЧТ), зона сушки (ЗС) и зона шла­ков (ЗШ).

При прямом методе подземной газификации угля кислород воздушного дутья реагирует с коксовым остатком, образовавшим­ся в процессе нагрева газообразными продуктами газификации участков пласта, расположенных между огневым забоем и газоот-водящей скважиной. При этом методе кислород воздушного дутья расходуется на газификацию только коксового остатка, который другим способом газифицировать невозможно. Кроме этого, при прямом методе тепло шлаков используется на нагрев воздушного дутья, а тепло газообразных продуктов газификации, получен­ных в предыдущих зонах, расходуется на реализацию процессов в последующих зонах, так как в направлении движения газа зоне сушки предшествует зона термического разложения, а ей, в свою очередь, предшествует зона восстановления и т. д.