2.3. Аппаратура и порядок оценки активности угля

Отобранная в шахте проба доставляется в помещение для

разделки, измельчается, просеивается на ситах с выделением узкой

фракции 1 - 3 мм (больше одного - меньше трех мм) и немедленно

подвергается испытанию. Хранение проб допускается только в

герметически закупоренных стеклянных сосудах.

Схема прибора для определения химической активности угля

показана на рис. 1 <*>. Сорбционный сосуд 1 изготавливается из

стекла толщиной 2 - 3 мм и имеет два крана: верхний кран 2,

представляющий собой стеклянную пробку с впаянной в нее трубкой 3,

пришлифован к горлу сосуда, нижний 5 вакуумный, трехходовой. Объем

сосуда 600 мл, высота с кранами 360 мм, внутренний диаметр 60 мм.

Сосуд укрепляется на штативе 6. На дно сосуда насыпается слой

стеклянных палочек 4. Прибор должен быть герметичным, краны хорошо

пришлифованы, смазаны вакуумной смазкой и проверены, так как в

результате сорбции кислорода углем в сосуде создается вакуум.

--------------------------------

<*> Не приводится.

Перед определением объема воздуха имеющиеся в наличии

сорбционные сосуды градуируются. Для этого сухой сосуд

закрепляется на штативе и заполняется водой. Нижний кран 5

открывается и после заполнения его отростка водой вновь

закрывается. После этого в горловину сосуда вставляется стеклянная

пробка 2. Верхний кран закрывается, и вода, заполнившая отросток

горловины, отсасывается через пипетку. Затем вода из сосуда

спускается в мерную колбу емкостью 500 мл. Оставшуюся воду сливают

в мерный цилиндр с ценой деления 0,2 куб. см. Замеренный объем

воды соответствует объему сосуда, включая объем впаянной в пробку

крана трубки.

Объем воздуха в сосуде v вычисляют по разности между объемом

сосуда v(с) и объемами навески угля v(у), стеклянных палочек v(п)

и 10 куб. см воды, вливаемым перед опытом в сосуд:

v = v(с) - v(у) - v(п) - 10 куб. см (4)

Объем навески угля вычисляется по формуле:

H

v(у) = ---, (5)

p

где p - плотность угля, г/куб. см.

Для определения плотности пробу угля массой 15 г помещают в

градуированный мерный цилиндр с ценой деления 0,2 куб. см и

50 куб. см воды вливают двумя порциями по 25 куб. см. После

вливания первой порции воды цилиндр встряхивают для удаления

пузырьков воздуха. Второй порцией воды обмывают стенки цилиндра.

Плотность угля рассчитывают по формуле:

15

p = -------------- г/куб. см, (6)

альфа - дельта

где альфа - объем угля с водой, куб. см;

дельта - объем воды, куб. см.

Аналогично определяют объем и плотность стеклянных палочек.

При проведении опыта навеску угля желательно выбирать так,

чтобы за время ее контакта с воздухом в сорбционном сосуде

концентрация кислорода уменьшалась приблизительно до 14 - 18%.

Ориентировочно это соответствует для каменных углей 40 - 60 г, а

для бурых - 25 - 30 г.

На дно сосуда кладут немного стеклянной или гигроскопической

ваты и вливают 10 куб. см воды, затем насыпают 200 г стеклянных

палочек и поверх них насыпают навеску угля. Стеклянные палочки

служат для того, чтобы воспрепятствовать смачиванию угля водой.

Сосуд закрывают и отмечают время начала сорбции.

Сосуд вместе со штативом ставят в термостат при температуре

25° C. Через заранее установленный промежуток времени (обычно

через 24 ч) из сосуда отбирают пробу газа. Для этого к нижнему

патрубку сосуда присоединяют пипетку Зегера 7 емкостью 150 -

200 мл. Другой конец пипетки присоединяют к нижнему тубусу

трехлитрового сосуда 8, наполненного на одну треть 12%-ым

раствором сульфата натрия. Открывают краны у пипетки и, поднимая

сосуд 7, заполняют раствором пипетку и все соединительные трубки.

Закрывают верхний кран пипетки, после чего поворотом нижнего

крана 4 сорбционного сосуда 1 соединяют последний с пипеткой.

Присоединяют сосуд 7 через пробку к вакуумному насосу и создают в

нем разряжение. Открывают верхний кран пипетки. После заполнения

пипетки газом закрывают его верхний кран и, подняв сосуд 8

(предварительно отсоединенный от вакуумного насоса), создают в

пипетке небольшое избыточное давление для того, чтобы

предотвратить возможный подсос в нее воздуха. Закрывают нижний

кран пипетки и отсоединяют ее. Отмечают время отбора пробы газа

(конец сорбции).

Для продолжения опыта в сорбционном сосуде необходимо

восстановить нормальный состав воздуха. Для этого сосуд продувают

воздухом в течение 5 мин. со скоростью 1,3 м/мин. (увеличивать

скорость воздуха не рекомендуется, так как это вызывает охлаждение

сосуда и испарение из угля воды). После этого сосуд опять помещают

в термостат.

В отобранной пробе воздуха определяют последовательно

содержание газов CO , O и CH обычными методами газового

2 2 4

анализа. Выделяющиеся газы CO и CH не влияют на действующую

2 4

концентрацию кислорода, но они вносят искажения в результаты

газового анализа пробы воздуха. Чтобы исключить искажения,

необходимо определить объем этих газов и вычесть его из объема

пробы воздуха. После этого вычисляют содержание кислорода в

оставшемся объеме газа. Результаты анализа выражают в долях

единицы.

Поглощение кислорода происходит при постоянном объеме газа в

сорбционном сосуде с образованием в нем вакуума. При отборе из

сосуда пробы воздуха она сжимается, что вызывает увеличение

концентрации в ней кислорода. Поэтому газовый анализ дает

концентрацию кислорода большую, чем она была в сорбционном сосуде.

Для того, чтобы вычислить истинную концентрацию кислорода в

сорбционном сосуде на основании газового анализа отобранной из

него пробы воздуха, применяется следующая формула:

1 - C(0)

C = -------- x C(а), (7)

1 - C(а)

где C(а) - концентрация кислорода в пробе отобранного воздуха.

Вычисление константы скорости сорбции кислорода производится

по формуле:

v (B - 23,8) [1 - C(0)] x C(а)

U = - ------------ ln ----------------- куб. см/ г ч, (8)

H(тау) x 760 C(0) x [1 - C(а)]

где B - барометрическое давление перед началом сорбции, мм рт.

ст.;

23,8 - упругость паров воды при 25° C, мм рт. ст.

Вычисленные по формуле (8) значения констант характеризуют

скорость сорбции кислорода в некоторый средний момент времени

между двумя отборами проб. Их значения наносят на график в

декартовых или логарифмических координатах. По мере проведения

опыта химическая активность угля уменьшается. Поэтому

целесообразно увеличить время контакта угля с воздухом для того,

чтобы конечная концентрация кислорода в сорбционном сосуде

составляла 14 - 18%.

Так как скорость сорбции кислорода уменьшается со временем, то

в течение опыта производится несколько определений константы

скорости сорбции кислорода, дающих ряд чисел. По этим данным

строится кривая изменения константы скорости сорбции во времени

(рис. 2). Затем на этом графике определяют значения для 50; 100;

150; 200 и 250 ч и вычисляют их среднее арифметическое значение.

Эта величина обозначается U(25) и служит основным показателем

химической активности угля.

U, куб. см/г ч

0,1 ¦-+

¦

¦

¦

¦

¦

¦ +

¦

0,05¦-

¦

¦ | +

¦ |

¦ |

¦ | | +

¦ | |

¦ | | | +

¦ | | | | + | +

¦ | | | | |

0 L-------------------------------------------------------

50 100 150 200 250 тау, ч

Рис 2. Изменение константы сорбции кислорода углем во времени

В табл. 1 дан пример оформления записи проведения опыта.

Расчет константы скорости сорбции проведен на примере

вычисления первой точки

472,2 x (729 - 23,8)

U = - ------------------- ln -

100 x 17,5 x 760

(1 - 0,2095) x 0,1515

- --------------------- = 0,099 куб. см/г ч.

0,2095 x (1 - 0,1515)

Таблица 1

ПРИМЕР ЖУРНАЛА ЗАПИСИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦА

Бассейн и район: Кузбасс, Прокопьевский Дата отбора пробы: 13.12.96

Шахта: "Коксовая-1" Место отбора: участок N 25

Пласт: Горелый горизонт 35 м

Марка угля: К глубина 300 м

W = 5,4%; A = 19,2%; S = 0,0%; 1 южное крыло

V = 23,3%; Q = 8416 ккал с квершлага N 29,

1 параллельный штрек

--------------T-------T----T----T-----------T----T----T----T----------------T-----¬

¦ Условия ¦ Дата ¦Ба- ¦ N ¦ Время ¦ДЕ- ¦тау,¦тау,¦ Анализ газа, % ¦ U, ¦

¦ испытания ¦отбора ¦ро- ¦про-+-----T-----+ЛЬ- ¦ ч ¦ ч +----T-----T-----+ куб.¦

¦ ¦ проб ¦мет-¦ бы ¦отбо-¦окон-¦ ТА ¦ ¦ ¦ CO ¦ O ¦ CH ¦см / ¦

¦ ¦ ¦ри- ¦га- ¦ ра ¦ ча- ¦тау,¦ ¦ ¦ 2¦ 2 ¦ 4 ¦ г ч ¦

¦ ¦ ¦чес-¦ за ¦проб ¦ ния ¦ ч ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦кое ¦ ¦газа ¦про- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦дав-¦ ¦ ¦дувки¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦ле- ¦ ¦ ¦и за-¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦ние,¦ ¦ ¦кры- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦ мм ¦ ¦ ¦ тия ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦ рт.¦ ¦ ¦крана¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦ ст ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

+-------------+-------+----+----+-----+-----+----+----+----+----+-----+-----+-----+

¦N испыта- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ния 40¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦N образца 97¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦N сосуда 77¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Объем со- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦суда, ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦куб. см / ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦г ч 646,5¦13 дек.¦746 ¦ ¦ ¦19.10¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Масса ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦угля, г 100¦14 дек.¦746 ¦ 1 ¦12.38¦12.45¦17,5¦ 18 ¦ 9¦0,10¦15,15¦37,45¦0,099¦

¦Объем, ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦куб. см: ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦угля 76,2¦15 дек.¦744 ¦ 2 ¦11.12¦11.27¦22,6¦ 40 ¦ 29¦0,15¦16,35¦20,75¦0,059¦

¦воздуха 472,2¦17 дек.¦743 ¦ 3 ¦12.32¦12.37¦49,1¦ 89 ¦ 65¦0,15¦15,20¦19,05¦0,036¦

¦Фракция, ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦мм -3 + 1¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Плотность ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦угля, ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦куб. см 1,33¦19 дек.¦748 ¦ 4 ¦13.17¦13.22¦48,7¦138 ¦ 114¦0,20¦16,85¦12,05¦0,025¦

¦Темпера- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦тура, °C 25¦21 дек.¦742 ¦ 5 ¦11.57¦12.01¦46,6¦186 ¦ 162¦0,20¦18,00¦ 7,55¦0,018¦

¦Стеклян- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ные па- ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦лочки: ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦масса, г 200¦23 дек.¦749 ¦ 6 ¦12.21¦12.36¦48,3¦233 ¦ 210¦0,20¦18,55¦ 4,65¦0,014¦

¦объем, ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦куб. см 80¦25 дек.¦751 ¦ 7 ¦11.32¦Окон-¦47,1¦280 ¦ 257¦0,15¦18,70¦ 3,05¦0,013¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦чание¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

+-------------+-------+----+----+-----+-----+----+----+----+----+-----+-----+-----+

¦ Показатель химической активности угля U(25) = 0,0237 ¦

L----------------------------------------------------------------------------------

При расчете объем воздуха в сосуде приведен к нормальному

давлению с учетом упругости паров воды при 25° C. Для упрощения

вычислений составлена таблица значений

[1 - C(0)] x C(а)

ln = -----------------,

C(0) x [1 - C(а)]

которая приведена в Приложении 2.

Значения константы сорбции за первые двое суток не входит в

вычисление показателя химической активности угля потому, что в

начале сорбции воспроизводимость результатов хуже, чем в

дальнейшем.