Usage of fluent application in the process of numerical calculation of barium sulphate deposits flow through the Jankowice and Pniowek coal mines' settling tanks

• Autorzy: Branny M. , Swolkień J.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie programu Fluent w obliczeniach numerycznych przepływu cząstek siarczanu baru przez osadniki KWK "Jankowice" i KWK "Pniówek"

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article treats about the process of barium sulphate deposits flow through the Jankowice and Pniowek coal mines' settling tanks. The review is mainly focused on the description of the numerical simulation of deposits flow through the determination of their velocity field and trajectory. These calculations allow to determine the sedimentation efficiency and the time of particles descending in the settling tanks. This knowledge is very important due to the "Olza" interceptor sewer's protection. It allows to protect pipelines from being overgrown with barium sulphate sediment which is important due to their technical condition.

PL

W artykule podjęto próbę opisania procesu przepływu cząstek siarczanu baru przez osadniki dwóch kopalń należących do Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A., a mianowicie KWK "Jankowice" i KWK "Pniówek". Obie kopalnie odprowadzają silnie zanieczyszczone wody kopalniane do rzeki Odry za pośrednictwem systemu retencyjno-dozującego "Olza". Charakter chemiczny wód obu kopalń ściśle zależy od warunków hydrogeologicznego ukształtowania terenu południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Odprowadzanie za pośrednictwem kolektora wód o odmiennym składzie chemicznym jest główną przyczyną wytrącania się w jego rurociągach osadów stałych, co powoduje ich zarastanie, zwiększenie zużycia energii na przepompowywanie wody, a w konsekwencji konieczność przeprowadzania kosztownych remontów. Na przestrzeni lat opracowano szereg metod pozwalających na zmniejszenie ilości jonów baru i jonów siarczanowych w samych kopalniach, czyli u źródła. W przypadku wymienionych kopalń metoda ta opiera się o proces sedymentacji siarczanu baru w osadnikach przykopalnianych. Skuteczność stosowanej metody jest wysoka, ale aby nie dopuścić do przedostawania się do rurociągów kolektora niestrąconych jonów baru i jonów siarczanowych, konieczne jest poznanie przebiegu procesu sedymentacji siarczanu baru, jak również jego efektywności. Przedmiotem poniższego artykułu jest próba opisania przebiegu zjawiska sedymentacji wytworzonego osadu siarczanu baru w osadnikach wymienionych kopalń, przy wykorzystaniu metod symulacji numerycznej jego przepływu. Symulacje trójwymiarowego (3D) przepływu cząstek stałych przez osadniki kopalń Jankowice i Pniówek wykonano w oparciu o model Eulera-Lagrange'a zakładając, że przepływ jest dwufazowy. Fazę ciągłą stanowi woda zaś fazę rozproszoną cząstki stałe o rożnych średnicach. Obliczenia wykonano z wykorzystaniem programu FLUENT 6.1. Wyznaczenie pól prędkości i trajektorii cząstek siarczanu baru, przedstawionych na rysunkach 1,2,3,4,5, pozwoliło w przybliżeniu określić efektywność ich sedymentacji (tab. 2) w zależności od przyjętej do obliczeń średnicy oraz czas ich opadania (przebywania cząstek stałych w osadniku). Do obliczeń przyjęto oba zbiorniki wymienionych kopalń, gdyż zasadnicze różnice w ich geometrii (tab. 1) sprawiają, iż przebieg procesu w każdym z nich jest nieco inny. Najmniejsza efektywność, a tym samym najdłuższy czas opadania występuje przy średnicy 1×10-6 m. W przypadku osadnika Jankowice i średnicy cząstek siarczanu baru 1×10-6 m efektywność sedymentacji wynosi 62,5%. Nieco niższą efektywność otrzymano dla osadnika kopalni Pniówek. W obu omawianych przypadkach wraz ze wzrostem średnicy cząstek skraca się czas ich opadania i jednocześnie wzrasta efektywność sedymentacji. Efektywność wynoszącą 100% uzyskano w przypadku osadnika kopalni Pniówek przy średnicy ziaren 1×10-5 m, podczas gdy dla osadnika kopalni Jankowice praktycznie tą samą efektywność uzyskuje się już przy średnicy cząstek wynoszącej 7×10-6 m. Różnice w efektywnościach i czasach opadania zależą od geometrii zbiornika, usytuowania miejsc dopływu i odpływu (zasilania i odbioru wody), objętościowego natężenia przepływającej wody, a także przyjętej do obliczeń wartości średnicy ziaren. Wariantowe obliczenia przepływu przez osadnik zawiesiny o rożnym strumieniu masowym pozwalają zobrazować przebieg zjawiska sedymentacji, a wiedza ta pozwala ocenić jak długo należy przetrzymywać wodę w osadnikach wspomnianych kopalń, by zapobiec przedostaniu się niestrąconych jonów baru i siarczanowych do rurociągów kolektora "Olza". Ma to olbrzymie znaczenie ekonomicznie, gdyż brak osadów w rurociągach zmniejsza energochłonność systemu, a także wpływa korzystnie na ich stan techniczny.

Słowa kluczowe

EN

sedimentation; sedimentation’s efficiency; deposition of barium sulphate; numerical calculation

PL

sedymentacja; efektywność sedymentacji; osadzanie się siarczanu baru w osadnikach; symulacja numeryczna

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 55, no 3
• Strony: 501--516
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Branny M.

autor

Swolkień J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Cracov, Poland,

Bibliografia

• Badurski R., Szreter G., Witoszek A., 2001. Dozowanie siarczanu sodu do wód kopalni Borynia. Seminarium nt.: „Wody kopalń południowej części GZ”.
• Bemonowski J., Merta H., Zioło J., 1995. Sedymentacja zawiesin. Zasady i projektowanie. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
• Fluent 6.1 Documentation User’s Guide: Discrete Phase Models.
• Hinze J.O., 1987. Turbulencje. McGraw-Hill, Wydawnictwo Pan, Wrocław-Warszawa-Kraków, s. 18-38.
• Krawczyk J., 2007. Jedno i wielowymiarowe modele niestacjonarnych przepływów powietrza i gazów w wyrobiskach kopalnianych. Przykłady zastosowań. Archiwum Górnictwa, Seria: Monografia, nr 2.
• Lebecka J., 1994. Metoda i technologia oczyszczania z radu wód dołowych typu B. GIG Katowice.
• Majcherek H., 2006. Podstawy hydromechaniki w inżynierii oczyszczania wody. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, s. 45-48.
• Orzechowski Z., Prywer J., Zarzycki R., 1997. Mechanika płynów w inżynierii środowiska, Wydawnictwo Naukowo–Techniczne, Warszawa, s. 372-436.
• Pluta I., Łukaszczyk Z., Bandurki R., 2006. „Kompleksowe oczyszczanie wód kopalń Jastrzębskiej Spółki Węglowej z baru i izotopów radu., Miesięcznik WUG, s. 14-18.
• Pluta I., Piotrkowski Z., 2000. Optymalizacja składu mieszaniny do lokowania w podziemiach kopalni „Borynia” dla zminimalizowania zanieczyszczenia wód barem. Materiały V Konferencji Naukowo-Technicznej nt.: „Aktualny stan środowiska oraz zamierzenia Proekologiczne w Rybnickim Okręgu Przemysłowym”, Jastrzębie Zdrój, s. 121-124.
• Pluta I., Piotrkowski Z., 2002. Lokowanie odpadów w podziemiach kopalni „Borynia” w celu zminimalizowania zanieczyszczenia wód kopalnianych barem i radem, Przegląd Górniczy, nr 1, s. 12-14.
• Pluta I., Szczepańska J., 2002. Wykorzystanie odcieków ze składowisk odpadów górniczych do oczyszczania wód kopalnianych z baru i radu. Przegląd Górniczy, nr 5, s. 24-28.
• Tu J., Yeoh G.H., Liv Ch., 2008. Computational Fluid Dynamics. Elsilver, 2008, p. 100-109.
• Wacławik J., 1993. Mechanika płynów i termodynamika. Wydawnictwo AGH, Kraków, s. 323-340.