CC BY
19
УДК 622.333:543.872
С.П. Ворошилов
НП «Кузбасский межотраслевой центр охраны труда» А.С. Ворошилов
КемГУ
Т.М. Грачева
ОАО «НЦ ВостНИИ»
К.С. Лебедев, М.С. Сазонов
КузГТУ
Бескислородная дезактивация угля
Рассмотрены процессы дезактивации угля как при отсутствии кислорода, так и в воздушной среде. Опыты проводились по методу В. С. Веселовского.
Выдержка угля в метане составляла от 192 до 640 ч, а общее время экспериментов от 1000 до 1900 ч. Было показано, что дезактивация угля происходит не только с кислородом, но и при его отсутствии.
Ключевые слова: ДЕЗАКТИВАЦИЯ, БЕСКИСЛОРОДНОЕ, ОКИСЛЕНИЕ
S.P.Voroshilov, A.S. Voroshilov, T.M. Gracheva, K.S. Lebedev, M.S. Sazonov. Oxygen-free coal deactivation
Processes of coal deactivation both in oxygen-free environment and in the air are revied. The tests were made according to U.S. Veselovsky.
Coal was kept in methane from 192 to 640 hours, and total time of experiments was from 1000 up to 1900 hours. It was proven that deactivation of coal takes place not only with oxygen but in oxygen-free environment either.
Key words: DEACTIVATION, OXYGEN-FREE, OXIDATION
В настоящее время в подходах к изучению низкотемпературного окисления угля существует противоречие.
С одной стороны, многочисленные эксперименты показывают, что реакция окисления угля имеет первый порядок по кислороду и хорошо описывается уравнением Аррениуса (1):
dC
dr
где CK - концентрация кислорода;
k-K • С,, (1)
т - время;
К - константа скорости реакции.
С другой стороны, следует отметить, что скорость реакции с течением времени падает до некоторой постоянной или медленно меняющейся величины (2).
Для разрешения этого противоречия вводятся специальные эмпирические функции, которые описывают это снижение (1):
ЛСк н; I
--т ;---, (2)
dт dт I + Ьт
где Н, Ь - эмпирические постоянные.
В работе В.С.Веселовского [1] предлагается брать среднее значение скорости сорбции и за промежуток времени от 50 до 250 ч при температуре 250С.
Недостатком этих приближений является их слабая связь с физикой и химией процесса окисления и, как следствие, низкая информативность о механизме окисления угля.
Поэтому для решения вышеуказанного противоречия в описании кинетики и динамики взаимодействия кислорода с углем при низких температурах в работе [2] предлагается использовать приближение, состоящее из двух групп, параллельных реакции окисления. Каждая из этих групп достаточно полно описывается своими усредненными характеристиками (средней константой скорости, средней концентрацией, средней энергией активации и т.д.).
Первая группа - это реакции кислорода с центрами, которые условно можно назвать пассивными. Концентрация этих центров в угле достаточно велика, изменение концентрации в процессе окисления относительно мало, и поэтому вклад этой группы в общую скорость окисления постоянен во времени.
Вторая группа - реакции с активными центрами, концентрация которых соизмерима с концентрацией кислорода в воздухе. Сгорание этих центров ведет к быстрому уменьшению суммарной скорости реакции до скорости, определяемой реакциями с пассивными центрами.
В этом приближении процесс низкотемпературного окисления описывается схемой:
К + у! ^ Пх;
К + у2 ^П2,
где К - кислород;
у1, у2 - пассивные и активные центры в угле соответственно;
П1, П2 - продукты реакции окисления.
Под активными и пассивными центрами подразумевались активные и пассивные радикалы. Активные радикалы расположены на поверхности угля и имеют механохимическую природу.
Очевидно, что данные активные радикалы в угле могут рекомбинировать друг с другом как в кислородной, так и в бескислородной среде (например, метане). Таким образом, можно говорить, что скорость реакции угля с кислородом будет уменьшаться как при окислительной, так и при неокислительной дезактивации.
Для подтверждения данного предположения была проведена серия опытов.
Для определения константы скорости сорбции использовался метод, описанный в литературе [1].
В исследовании использовались угли фракции 0,4-0,63 мм, отобранные на шахтах «Северная» (пл. Двойной-Промежуточный), им. Волкова (пл. Кемеровский), «Сычевская» (пл.Сычевский I).
Для дезактивации уголь помещался в колбы, заполненные:
- воздухом для проведения дезактивации кислородом;
- метаном, который является естественным для шахт газом, для проведения бескислородной дезактивации.
Как видно из графиков, дезактивация угля происходит при отсутствии кислорода.
Стоит отметить, что более продолжительное по времени нахождение угля в метане после определенного периода перестает давать эффект снижения химической активности. Константа скорости сорбции кислорода у образцов, пробывших в метане менее продолжительное время (см. рисунки 1, 2, 3), почти такое же, как и у образцов, находившихся в метане большее количество часов.
- уголь, дезактивированный только кислородом; • - уголь, прошедший 168-часовую дезактивацию в метане; ♦- уголь, прошедший 216-часовую дезактивацию в метане; и - константа скорости сорбции, мл/г-ч; Т - время, ч
Рисунок 1 - Дезактивация угля в кислороде и метане продолжительностью 168 и 216 ч
■ - уголь, дезактивированный только кислородом; • - уголь, прошедший 360-часовую дезактивацию в метане; ♦- уголь, прошедший 600-часовую дезактивацию в метане; и - константа скорости сорбции, мл/г-ч; Т - время, ч
Рисунок 2 - Дезактивация угля в кислороде и метане продолжительностью 360 и 600 ч
■ - уголь, дезактивированный только кислородом; • - уголь, прошедший 192-часовую дезактивацию в метане; ♦- уголь, прошедший 432-часовую дезактивацию в метане; и - константа скорости сорбции, мл/г-ч; Т - время, ч
Рисунок 3 - Дезактивация угля в кислороде и метане продолжительностью 192 и 432 ч
Интересная особенность наблюдается при достижении временем отметки 600-700 ч: происходит заметное увеличение химической активности примерно на 50 -100 ч, после чего она снова начинает падать. Причины этого явления не ясны, но можно предположить, что оно обусловлено реакциями пассивных центров или радикалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Самовозгорание промышленных материалов / В.С. Веселовский, Н.Д. Алексеева, Л.П. Виноградова, Г.Л. Орлеанская, Е.А. Терпогосоева. - М.: Наука, 1964. - 246 с.
2 Поликаров, А.Г. Влияние слабоизолированной атмосферы на химическое и физическое состояние угля / А.Г. Поликаров, С.П. Ворошилов, Т.М. Грачева. - Кемерово: ВостНИИ, 1991. - 74 с.
