Dynamic seepage of nitrogen through coal briquettes

• Autorzy: Wierzbicki M.

Warianty tytułu

PL

Dynamiczna filtracja azotu przez brykiety węglowe

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper concerns the phenomenon of nitrogen seepage through coal briquettes, made from coal dust of grain size smaller than 0.2 mm. The porosity of the briquettes was from 20% to 30%. Seepage took place under average pressures of 0.2-1 MPa. The experiments revealed an existing relationship between the average seepage pressure and the seepage coefficient according to Darcy's Law. To preserve the relationship between the seepage parameters and the seepage conditions, two elements were applied in the form of a non-linear, phenomenological equation. A new equation, with two coefficients, which describe the coal briquette/nitrogen seepage process is presented. The coefficients, in the conditions being studied, are inter-connected and for this reason the equation presented becomes a singled parameter equation. The paper describes the dynamic seepage of nitrogen through coal briquettes, earlier saturated with gas. Seepage was caused by reducing the gas pressure in the space in front of the briquette face. The pressure fell down from pore pressure to atmospheric pressure. The rate of decrease of nitrogen pressure at the front of the briquettes was not constant over the whole series of experiments. The equation described the course of dynamic seepage related to its form in stationary conditions. Good conformity between the experimental results and the phenomenological solution in both stationary and non stationary conditions was observed. The values of the parameters of the equation used fitted the process under stationary and dynamic conditions. In both cases very similar values were obtained.

PL

Praca dotyczy opisu zjawiska filtracji azotu w brykietach o porowatościach od 20 do 30%, wykonanych z pyłu węglowego o uziarnieniu przedstawionym na wykresie z rysunku 1. Ciśnienia średnic filtracji wynosiły 0,2-1 MPa. Stwierdzono istnienie zależności między ciśnieniem średnim filtracji a współczynnikiem filtracji, liczonym zgodnie z prawem Darcy'ego (2). Wartości współczynnika filtracji brykietu o porowatości 21,15%, wyznaczone przy ciśnieniach średnich azotu wynoszących od 1,2 do 5 atm, dopasowane do liniowego prawa filtracji (2), przedstawia zależność na rysunku 2. Aby uniknąć zależności pomiędzy parametrami filtracji a warunkami, w jakich ona zachodzi, zastosowano dwuskładnikowe, nieliniowe równanie (5) podane przez Topolnickiego, Wierzbickicgo (2000). Równanie to można zapisać w postaci (6). We wzorze tym występują dwa współczynniki, opisujące własności filtracyjne układu: brykiet węglowy-azot. Współczynniki te w rozpatrywanych warunkach są zależne od porowatości, dziąki czemu podany wzór jest wzorem jednoparametrowym. Zależności KG = /(E) i KL = /(E) W zakresie porowatości 20-30% mają charakter wykładniczy i mogą być opisane równaniem (7). Przyjmujemy hipotezę roboczą, że wzór (6) opisujący wydatek gazu w warunkach filtracji stacjonarnej stanowi przypadek szczególny wzoru (10) oraz założenia wstępne, że: a) przepływ gazu przez brykiet ma charakter jednowymiarowy, b) brykiet węglowy jest jednorodnym, izotropowym materiałem porowatym, c) odkształcenia szkieletu węglowego pod wpływem zmian ciśnienia porowego są pomijalnie małe, d) proces filtracji gazu jest procesem izotermicznym. Uwzględniając założenia wstępne i wstawiając (10) do (9) otrzymujemy równanie opisujące zmiany ciśnienia wywołane filtracją (11). W celu sprawdzenia poprawności opisu zjawiska filtracji niestacjonarnej równaniem (11) i wyznaczenia współczynników KG i KL wykonywano eksperymenty na stanowisku pokazanym schematycznie na rysunku 7. Brykiety węglowe umieszczone we wnętrzu rury były pierwotnie równomiernie nasycane gazem. Ciśnienia nasycania wynosiły 0,2-1 MPa. Filtrację wywoływano poprzez obniżanie ciśnienia w przestrzeni graniczącej z brykietem. Stosowano zmienne tempo spadku ciśnienia azotu preed ezołem nasycanych azstem brykietów. Równanie (11) razwiązywano numerycznie metodą różnic skończonych. Aby na podstawie (11) obliczyć rozkład ciśnienia porowego w czasie i przestrzeni P = P(x,t), konieczne jest określenie warunków początkowych i brzegowych. Warunek początkowy ma postać: P(x,t) = PQ dla t < 0. Warunki brzegowe zadawane są poprzez podanie wartości ciśnień, rejestrowanych przez manometry P(xi,t), P(xj,l) umieszczone na końcach (XJ, Xj; Xi < xj) rozpatrywanego odcinka brykietu. Zakładamy, że wyznaczone w warunkach filtracji stacjonarnej zależności (7) obowiązują również w warunkach filtracji niestacjonarnej. Poszukiwana jest wartość porowatości (i związana z nią para współczynników KG i KL), dla której suma kwadratów różnic pomiędzy wartościami ciśnień zmierzonych i obliczonych z rozwiązania równania (11) osiąga minimum. Stosujemy metodę gradialną. Uznajemy, że tak wyliczone wartości współczynników KG i KL charakteryzują własności filtracyjne badanego materiału.

Słowa kluczowe

EN

seepage; coal briquette; gas and coal outburst; Darcy’s law

PL

filtracja; wyrzuty skalno-gazowe; prawo Darcy'ego

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 47, nr 2
• Strony: 175--188
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wierzbicki M.

• Instytut Mechaniki Górotworu, Polska Akademia Nauk, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 27

Bibliografia

• [1] Bodziony J., Krawczyk J., Topolnicki J., 1994. Determination of the porosity distribution in coal briquette by measurements of the gas filtration parameters in an outburst pipe. Int. J. Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., vol. 31, no. 6, 661-669.
• [2] Bear J., 1972. Dynamics of fluids media. American Elsevier Environmental Science Scries Ottawa, Canada, 1962.
• [3] Dake L.P., 1978. Fundamentals of reservoir engineering. Amsterdam.
• [4] Dyrga L., 1986. Badania pola prędkości w modelach przestrzeni porowej i rzeczywistej przestrzeni porowej, Archives of Mining Sciences vol. 31, i. 1 (in Polish).
• [5] Drzymała Z., 1988. Podstawy inżynierii procesu zagęszczania i prasowania materiałów. PWN, Warszawa (in Polish).
• [6] Gawor M., Litwiniszyn J., Rysz J., Smolarski A.Z., 2000. Rock and gas outbursts. Archives of Mining Sciences vol. 45, i. 3, 347-361.
• [7] Kutilek M., 1969. Trans. 1969 Haifa Symposium on fundamentals of transport phenomena in porous media, p. 327. Ed. IAHR, Elsevier, Amsterdam 1972.
• [8] Scheidegger A.E., 1974. The physics of flow through porous media. University of Toronto Press.
• [9] Skawiński R., 1992, Non-linearity of flow in a porous medium and its origin. Archives of Mining Sciences vol. 37, i. 4.
• [10] Standing M.B., Katz D.L., 1942. Density of natural gases. Trans AIME, 146,(140-149).
• [11] Topolnicki J., 1999. Wyrzuty skalno-gazowe w świetle badań laboratoryjnych i modelowych. Wyd. IGSMiE PAN, Kraków (in Polish).
• [12] Topolnicki J.,Wierzbicki M., 2000. Phenomenological description of gas seepage in coal briquettes. Bulletin of the Polish Academy of Sciences - Earth Sciences vol. 48, no. I, s. 63-76.