Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы газификации и горения твердого топлива. Учебное пособие
.pdf
21
Углерод является основной составной частью ископаемых углей. При сгорании он соединяется с кислородом и образует СО2. Горение сопровождается выделением значительного количества тепла
(8149 ккал/кг углерода). Содержание углерода растет со степенью углефикации ископаемых углей и колеблется от 75 до 95 %. Но одновременно с этим падает содержание водорода, теплота сгорания которого значительно превышает таковую для углерода. Поэтому
теплота сгорания углей возрастает с увеличением степени углефикации только до известного предела, начиная с которого дальнейшее
повышение содержания углерода сопровождается повышением этой
теплоты.
При сгорании угля соединение водорода с кислородом воздуха
сопровождается выделением тепла 34200 ккал/кг H2. Но необходимо
иметь в виду, что не весь водород, содержащийся в угле, может служить источником тепла. Часть его условно принимается связанной в
виде воды. Поэтому горючим является лишь H2 за вычетом из общего
его содержания части, равной одной восьмой содержания O2.
Вопросы для самопроверки
1. Какие виды влаги принято выделять в углях по ГОСТ 17070-
2014 «Угли. Термины и определения»?
2. К каким нежелательным последствиям может привести ис-
пользование углей с высоким содержанием влаги?
3. Что собой представляет зола углей?
4. К каким нежелательным последствиям может привести ис-
пользование углей с высокой зольностью?
5. Каким образом влияет степень метаморфизма углей на вы-
ход летучих веществ?
6. От каких факторов зависит выход летучих веществ из ТГИ?
7. Что такое теплота сгорания ТГИ?
22
ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТГИ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ
ДЛЯ ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ
3.1. Плотность ТГИ
Выделяют два вида плотности, которые применимы к различным состояниям вещества ТГИ:
‒ кажущаяся плотность характеризует кусковой материал
твердых горючих ископаемых с присущей ему влагой, минерализацией и пористостью, количественно представляет собой частное от
деления массы данного куска на его объем;
‒ действительная плотность характеризует само вещество
тех или иных составляющих твердых горючих ископаемых, освобожденное от воздуха и несвязанной воды, но содержащее минеральные
примеси, причем не в куске, а в порошкообразном состоянии.
Минеральные примеси имеют значительно большую и непостоянную плотность, поэтому их присутствие в твердых горючих ископаемых искажает данные о действительной плотности органической
массы углей. Действительную плотность органической массы твер-
дых горючих ископаемых (d
r
d
) вычисляют с учетом того, что зольность их эквивалентна содержанию минеральных примесей, средняя
плотность которых составляет 2700 кг/м3.
Расчетная формула для определения действительной плотности
органической массы углей (d
r
d
) имеет вид [4]
( )
100
100
rM
d
r
rM
M d d
d
M d d
−
=
,
где M – содержание минеральных примесей в угле, %; dr – действительная плотность угля, определяемая пикнометрическим способом
в спирте, кг/м3; dM – средняя действительная плотность минеральных
примесей, кг/м3.
Действительная плотность органической массы гумусовых уг-
лей закономерно изменяется в катагенетическом ряду. На рис. 3.1
приведена кривая изменения dr углей, построенная по данным различных исследований. Из него видно, что dr углей имеет минимум
при содержании в них 85–89 % С [4].
23
Действительная плотность разных микрокомпонентов различается не только по абсолютной величине в одном и том же угле, но и
по динамике изменения с возрастанием степени зрелости углей
(рис. 3.2):
‒ dr инертинита с повышающейся стадией зрелости углей
практически не изменяется, и лишь на высоких стадиях ее развития
она несколько увеличивается;
‒ dr витринита со стадией зрелости изменяется по кривой с минимумом при 86–88 % С;
‒ dr липтинита наиболее резко возрастает с повышением стадии зрелости углей. Как видно, разные петрографические компоненты отличаются по действительной плотности, особенно в менее
химически зрелых углях весьма значительно, поэтому для петрографически неоднородных углей можно говорить лишь о средней ее величине [4].
Плотность горючих сланцев зависит от массовой доли органического вещества в нем: чем выше содержание органического вещества в сланце, тем ниже его плотность. Плотность сланцев с содержанием керогена более 30 % составляет 900–1050 кг/м3, а сланцев
высокозольных, то есть с содержанием керогена менее 25–30 %, более 1800 кг/м3. Четкая зависимость между содержанием органического вещества и плотностью сланцев обусловили другую технологическую особенность – влияние плотности на теплоту сгорания и
выход смолы.
Знания о плотности твердых горючих ископаемых, их петрографических составляющих и компонентах минеральных примесей
имеет большое прикладное значение. Так, гравитационное обогащение углей основано на разности в плотности массы с минеральными
веществами. На различии в плотности петрографических микрокомпонентов основано так называемое петрографическое обогащение
углей. Оно позволяет получить целевой продукт (концентрат), обогащенный спекающимися компонентами группы витринита и липтинита. Неспекающиеся и более минерализованные компоненты
группы инертинита при этом концентрируются в промежуточном
продукте, используемом для сжигания на ТЭЦ.
24
Рис. 3.1. Зависимость действительной плотности органической массы
гумусовых углей от содержания в них углерода
Рис. 3.2. Зависимость действительной плотности микрокомпонентов
от стадии химической зрелости углей по содержанию углерода:
1 – инертинит; 2 – витринит; 3 – липтинит
60 80 100
C
daf
, %
2000
1600
1200
dr, кг/м³
82 90
1500
1300
1100
C
daf
, %
dr, кг/м³
25
3.2. Тепловые свойства ТГИ
Наиболее изучены тепловые свойства каменных углей в связи с
большим объемом их термической переработки. Основные их тепловые свойства – коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·К), коэф-
фициент температуропроводности α, м2/с, и удельная теплоемкость
С, Дж/(кг·К), связаны соотношением [4]
α =
λ
C ∙ ρ
.
На абсолютные величины термических коэффициентов
(табл. 3.1) значительно влияет степень химической зрелости ТГИ, а
также их влага, что зависит от резко различающихся значений этих
коэффициентов для веществ углей, воздуха и воды. Так, удельная
теплоемкость воды в три раза, а коэффициент теплопроводности в
25 раз больше, чем удельная теплоемкость воздуха, поэтому коэффициенты тепло- и температуропроводности возрастают с увеличением
влаги в углях [5].
Таблица 3.1
Сравнение термических коэффициентов углей разного типа
Уголь
С, Дж/(кг·К)
λ, Вт/(м·К)
Длиннопламенный
1,15
0,116
Жирный
1,09
0,119
Тощий
1,05
0,134
Антрацит
0,93
0,149
Насыпная плотность углей также оказывает существенное влияние на термические коэффициенты. С ростом насыпной плотности
углей теплопроводность увеличивается, а температуропроводность
уменьшается. Величина термических коэффициентов углей зависит
от температуры, при которой производится ее измерение: от 0 до
250–300 ℃ теплоемкость углей возрастает с повышением температуры; достигнув максимума при 270–350 ℃, она вновь снижается.
Тепло- и температуропроводность заметно возрастают с повышением температуры обработки углей.
26
Из других видов горючих ископаемых известны исследования
теплофизических характеристик [удельной теплоемкости,
кДж/(кг·К)] главным образом для горючих сланцев:
‒ прибалтийские сланцы – 0,992–1,109;
‒ кероген, выделенный из сланца, – 1,310–1,503;
‒ минеральная часть – 0,452;
‒ сланцевый кокс – 0,880–0,887.
3.3. Прочностные свойства ТГИ
Совокупность этого вида свойств включает такие понятия, как
механическая прочность, под которой понимают свойство кусков
угля сопротивляться разрушению от внешнего воздействия, дробимость, твердость и т. д.
Конкретным выражением механической прочности является
дробимость, которая зависит от способности кусков угля сопротивляться появлению новых отдельностей, главным образом в результате взаимного их соударения или удара другим твердым телом. Она
определяется совокупностью таких свойств угля, как твердость –
свойство тела сопротивляться проникновению в него другого более
твердого тела; пластичность – свойство твердого тела сохранять
произведенную деформацию после снятия напряжений; хрупкость –
свойство материала разрушаться в необратимой форме без заметного
поглощения механической энергии.
Другим важным показателем прочности углей и прочих углеродистых материалов, как природных, так и искусственных, является
истираемость. Истираемость отличается от дробимости тем, что работа разрушения в таком случае является результатом сил взаимного
трения кусков угля или их трения о другую твердую поверхность,
поэтому об истираемости судят по количеству образовавшейся пыли
и других мелких частичек материала. Разграничение работы дробления и истирания весьма условное. Поскольку дробимость является
комплексным показателем физико-механических свойств углей, ее
отождествляют с прочностью. Для определения дробимости углей
их измельчают в специальных аппаратах при заданной работе разрушения. О дробимости судят по выходу классов крупности измельченной навески угля.
Дробимость углей изменяется в зависимости от степени химической зрелости и петрографического состава. Характер изменения
27
дробимости кузнецких углей разной степени зрелости, по данным
Е. М. Тайца, показан на рис. 3.3. Дробимость углей по количеству
остатка крупных их кусков наибольшая для углей средних стадий катагенетического ряда. Величина ее снижается (повышается прочность) для углей как низких, так и высоких стадий химической зрелости [4].
Рис. 3.3. Зависимость выхода крупных классов (> 2,36 мм)
при дроблении углей в зависимости от выхода летучих веществ
Повышение механической прочности углей высоких стадий
зрелости (тощих и антрацитов) связано с процессами структурного
уплотнения их веществ. Повышение прочности углей низкой стадии
химической зрелости связано с наличием у них упругости, то есть
свойства тела восстанавливать свои первоначальные размеры и
формы после снятия деформации.
Прочностные свойства, как указывалось ранее, связаны с твер-
достью материала, в частности с микротвердостью. В РФ измерение микротвердости проводят по ГОСТ 21206-75. Микротвердость
углей определяют путем нанесения алмазной опрокинутой пирамидкой отпечатка на поверхности куска угля и измерения размеров отпечатка. Каменные угли имеют большую микротвердость.
Физические свойства петрографических составляющих углей
обусловливают их характерное распределение по классам крупности
и фракциям различной действительной плотности, что имеет существенное значение при подготовке углей для коксования [5].
V
daf
,
Выход, %
50 40 30 20
70
50
30
10
28
3.4. Пористая структура ТГИ
Пористые характеристики угля определяют фильтрационные,
диффузионные и сорбционные процессы в условиях естественного
залегания углей в пластах, при их хранении и превращениях под воздействием физических и физико-химических факторов [6].
Основными параметрами пористой структуры углей являются
общая пористость, эффективная пористость, удельная поверхность,
размер пор и распределение их объемов по размерам входных отверстий [7].
Общая пористость характеризует объем всех пор (открытых и
закрытых) независимо от их размера. Эффективная пористость включает только поры, доступные для жидкостей или газов в каких-либо
определенных условиях. Величина общей пористости 𝑃0 характеризуется отношением объема пор к единице объема угля. Определение
ее сводится к оценке действительной d
r
d
и кажущейся d
a
r
плотности
угля и рассчитывается по формуле
P0=
d
r
d
– d
a
r
d
r
d
.
Размеры пор углей и их удельную поверхность устанавливают
следующими основными методами:
‒ заполнения пор жидкостями, например, ртутью, йодом и др.;
‒ путем сорбции газов;
‒ оптической и электронной микроскопии;
‒ рентгеноструктурного анализа.
Метод ртутной порометрии, заключающийся в определении
объема ртути, вдавливаемой в поры при различных давлениях (до
600 МПа), позволяет установить размеры пор, распределение объема
пор по радиусам, рассчитать удельную поверхность пор.
С помощью оптической микроскопии можно определить размеры и другие характеристики макропор и трещин размером более
0,1 нм, а путем электронной микроскопии и рентгеноструктурного
анализа – поры размером от 1 до 200 нм.
Адсорбционные методы измерения позволяют определить пористую структуру с размером пор от 0,1 до 100 нм. Определение адсорбции из растворов не требует сложного оборудования, изменение
29
концентрации регистрируется стандартными приемами титрования,
фотоколориметрии и т. д.
Для определения удельной поверхности углей, которая может
составлять от 0,1 до 400 м2, используют изменение теплоты смачивания и метод низкотемпературной сорбции азота и аргона [7].
Большое разнообразие пор, отличающихся по размерам, форме,
взаимному расположению и характеру взаимодействия различных
реагентов со стенками пор, требует их классификации. Большинство
исследователей пользуются классификацией М. М. Дубинина, предложенной для пористых сорбентов. Она основана на различном механизме сорбционных процессов в порах.
Согласно классификации М. М. Дубинина [8], поры подразделяются следующим образом:
– трещины, видимые невооруженным глазом, размером от
1 мм и более;
– макропоры с объемом ~ 0,015 см3/г и эффективными радиусами более 100–200 нм. Удельная поверхность макропор равна 0,5–
2 м2/г;
– переходные поры, размеры которых находятся между макрои микропорами, но значительно превышают размеры сорбируемых
молекул. Радиусы переходных пор находятся в пределах от 1,5 до
100–200 нм;
– микропоры, соизмеримые с размерами сорбируемых молекул и имеющие радиусы менее 1,5 нм.
Согласно рекомендациям ИЮПАК, пористые тела классифицируют по преимущественному размеру пор на микропористые (поры
до 2 нм), мезопористые (от 2 до 50 нм) и макропористые (более
50 нм); по однородности этих размеров – на однородно- и разнороднопористые; по жесткости структуры – на жесткие и набухающие.
С пористой структурой углей связаны многие явления, происходящие при их добыче и переработке. Установлено, что причины
внезапных выбросов угля и метана связаны с пористостью угля. Метан, выделяющийся в процессе углеобразования, остается в углях в
адсорбированном виде в количествах, составляющих десятки кубических метров на тонну угля. Основную роль при этом играют экзогенные трещины и внутрифрагментарные поры, которые обусловливают десорбцию газов при раздроблении кусков угля в процессе
добычи. Высокой скоростью десорбции метана отличаются инерти-
30
нитовые угли, обладающие повышенной внутрифрагментарной пористостью [5].
Работами И. Л. Эттингера с сотрудниками показано [8], что основной сорбционный объем углей приходится на микропоры. Определение фактического объема микропор позволяет установить соотношение между сорбционным и свободным метаном в угольных
пластах, что является важным фактором для раскрытия механизма
газовыделения из угольных пластов и разработки методов борьбы с
внезапными выбросами.
Установлено, что пористость и удельная поверхность в значительной степени зависят от степени метаморфизма и петрографического состава углей [4, 6].
Суммарный объем пор имеет наибольшие значения для низкои высокометаморфизованных углей и наименьшие – для углей средней стадии метаморфизма с содержанием углерода около 87–89 %.
Так, для низкометаморфизованных углей общий объем пор составляет 0,1–0,2 см3/г, для средних стадий метаморфизма – около
0,05 см3/г и в области антрацитов вновь повышается до 0,1 см3/г.
В зависимости от петрографического состава углей содержание
микропор уменьшается в ряду
инертинит > витринит > липтинит.
В инертините в большей степени развиты переходные поры, в
витрините – макропоры и трещины [6].
Вопросы для самопроверки
1. Какие существуют виды плотностей твердых горючих иско-
паемых?
2. От каких факторов зависит теплопроводность ТГИ?
3. Что такое отражательная способность углей? Как она изме-
няется для разных видов ТГИ?
4. Какими показателями характеризуются прочностные свой-
ства ТГИ?
5. Что такое пористость углей?
6. На какие типы подразделяются поры в углях?
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]