2.2.5 Реакционная способность
Исследования по реакционной способности проводились на образцах березовского угля разной степени окисленности и полукоксах, полученных на их основе на Q-дериватографе системы Паулик, Эрдей [89]. Режим записи дериватограммы выбирался с учетом рекомендаций, сделанных в работе [90]. За меру реакционной способности по отношению к кислороду воздуха исследуемых образцов выбрана температура начала интенсивного загорания tниз, значение которой наилучшим образом характеризует способность топлива к воспламенению в топочных устройствах. Эта температура определялась на дериватограмме в точке отклонения температурной кривой от заданной программы в результате воспламенения образца, что соответствует появлению на кривой ДТА экзотермического образца (рис. 2.23).
Анализ дериватограмм показывает, что кривые ДТА исходных образцов угля со степенью окисленности до 70 % характеризуются наличием двух экзоэффектов (рис. 2.23, а). Первый экзоэффект соответствует горению летучих веществ, второй, начинающийся при более высокой температуре, – горению коксового остатка. На кривых ДТА образцов угля со степенью окисленности более 70 % первый экзотермический эффект отсутствует (рис. 2.23, б). На дериватограммах полукоксов характерно наличие одного экзоэффекта, соответствующего одновременному горению остаточных летучих и коксовой основы
Результаты исследования реакционной способности исходных углей и их полукоксов представлены на рис. 2.24. Для исходных образцов углей со степенью окисленности до 73 % зависимость температуры начала интенсивного загорания от степени окисленности показана двумя линиями, линия 3 соответствует tниз летучих веществ, а линия 1 – tниз коксовых остатков. При увеличении степени окисленности более 73 % линии 1 и 3 сливаются в одну, что свидетельствует о том, что воспламенение летучих веществ начинается одновременно с воспламенением коксового остатка. Реакционная способность коксовых остатков практически не зависит от степени окисленности исходного топлива и только при значительном окислении, т. е. при переходе к сажистому углю, резко уменьшается.
Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Ухудшение реакционных свойств угля по отношению к кислороду воздуха в процессе окисления связано с изменениями, происходящими в его вещественном составе. Окисление угля сопровождается значительным увеличением выхода летучих веществ, содержания кислорода и гуминовых кислот и уменьшением водорода (рис. 2.4, 2.5). Одновременно с этим происходят изменения в составе самих гуминовых кислот, выражающиеся в снижении углерода при резком увеличении кислородосодержащих функциональных групп [91-92].
Значит, по мере окисления угля в пласте в составе его летучих веществ будет возрастать доля балластных негорючих кислородосодержащих компонентов (СО2, Н2О), снижающих реакционную способность и уменьшающих теплоту сгорания летучих веществ.
Этим объясняется отсутствие первого экзоэффекта на дериватограммах угля со степенью окисленности более 70 %. Летучие вещества этих проб угля настолько забалластированы, что все тепловыделение происходит практически за счет горения только коксового остатка.
Хроматографическое определение состава газов, выделяющихся из проб углей, нагретых до 250 °С (рис. 2.25, 2.26), показало, что максимальное выделение балластного газа СО2, содержание которого достигает 95 % (объемных), характерно для проб топлива с наибольшей степенью окисленности. Это объясняется тем, что в процессе термоподготовки из угля удаляется значительная часть летучих веществ. Остаточные летучие удерживаются в полукоксе прочно, поэтому их выход и воспламенение происходят одновременно с воспламенением коксовой основы.
Рисунок 2.23 – Дериватограмма березовских углей: а – со степенью окисленности до 73 %; б – со степенью окисленности более 73 %
В результате термического разложения проб угля со степенью окисленности менее 70 % значение tниз увеличивается за счет частичной потери реакционноспособных летучих веществ, а значение tниз угля со степенью окисленности более 73 % уменьшается из-за удаления балластных летучих веществ.
Таким образом, реакционная способность бурых углей КАбасса определяется не только количеством летучих веществ, как это утверждается в ряде работ [93-94], но и их качественным составом, который, прежде всего, зависит от степени окисленности КАУ.
Рисунок 2.24 – Зависимость реакционной способности березовского угля и его полукокса от степени окисленности: 1 – коксовый остаток; 2 – полукокс;
3 – летучие вещества
Рисунок 2.25 – Выход сухого газа и влаги из проб березовского угля разной степени окисленности при нагревании до 250 °С
Рисунок 2.26 – Содержание углекислого газа и оксида углерода в сухом газе термического разложения проб березовского угля разной степени окисленности (температура 250 °С)