Исследование плотности угольной пыли различного аэродинамического диаметра Текст научной статьи по специальности «Физика»

© С.Б. Романченко, 2008

С.Б. Романченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ РАЗЛИЧНОГО АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ДИАМЕТРА

ТЪ процессе решения широкого класса задач динамики пыле-А^вых аэрозолей [1, 2, 3] авторами используются уравнения движения частиц, как результат взаимодействия нескольких сил. Для спокойного воздуха рассматривается взаимодействие двух сил: О - силы тяжести и Б - силы сопротивления воздуха. Для частиц шарообразной формы с диаметром г и объемом 4/3 п г3 сила тяжести определяется по формуле

О = 4/3 п г3 в (р - ру), (1)

где р и ру - плотность частицы и воздуха соответственно, кг/м3.

Противодействующая оседанию частиц сила сопротивле-ния воздуха (для частиц 0,8-35 мкм) определяется по закону Стокса

Б = 6 п ц г V (2)

ц - коэффициент динамической вязкости воздуха, кгс/(м с); V - скорость оседания частиц (м/с).

На основании указанных зависимостей В.Н.Ворониным теоретически определены предельные скорости, при которых частицы пыли с аэродинамическим диаметром d (и менее) будут находиться во взвешенном состоянии по всему сечению и длине выработки:

* > а2 -Д (см/сек), (3)

18-у-р \а

где а - аэродинамический диаметр частиц, мкм; а, у - величины для нормальных атмосферных условий равные 1,5 и 15 10-6 соответственно.

Таким образом, в уравнениях пылевой динамики масса и вес пыли определяется на основании плотности или удельного веса частиц, принимаемого авторами в теоретических гипо-тезах равным плотности угля (константе).

142

Данный вопрос имеет не только теоретическое значение. Процессы измерения уровней запыленности всеми приборами на негравиметрическом принципе измерений требуют Перес-чета измеренного физического параметра (например, объема или суммарной отражающей площади частиц аэрозоля - в приборе ТМ^а1а; суммарной площади частиц, закрывающих поры фильтра - ПКА и т.д.) на вес или массу пыли. Аналогичные проблемы возникают при фракционном анализе проб пыли, выполняемым методом не прямого взвешивания (лазерные анализаторы фракционного состава).

Как показывает анализ частиц пыли, выполненный на электронно-сканирующих микроскопах высокого разрешения [4] и результаты непосредственных взвешиваний фиксиро-ванных объемов (1 см3) пыли, величина р, являющаяся постоянной для жидкостей, газов и твердых кристаллических тел, для сыпучих и пористых тел является резко меняющейся величиной. В процессе дробления в микро частицах происходит ряд качественных изменений, различимых при микроскопном анализе. На поверхности пластинчатых формирований частиц коксующегося угля различима защитная пленка грубозернисто-гранулированного строения (рис. 1, увеличение х 20 000). Пленка толщиной 100-150 нм (рис. 2, х 50 000) для мелких частиц сопоставима с их размерами. Для коксующихся углей «монолитные структуры» частиц на электроннограммах могут определяться как конгломераты с пористой структурой.

Кроме визуально наблюдаемых преобразований в измельчаемом угле происходят химические реакции, связанные с резким увеличением поверхности соединения с кислородом. Все это приводит к значительным изменениям в плотности как отдельных частиц, так и совокупной плотности частиц пыли в аэрозольном либо аэрогельном состоянии.

Для пористых и сыпучих масс различают истинную плот-ность (без учета пустот) и кажущуюся плотность - отношение массы вещества ко всему занимаемому им объему. Плотность кажущаяся (аэрогеля) как и истинная измеряется в кг/м3 (система СИ) и в г/см3 (система СГС).

Динамика удельного веса (или плотности) для пористого образования может быть рассмотрена при заполнении объема (напр. 1 м3) шарами с убывающим диаметром (рис. 3).

143

Рис. 1. Пористый характер мелких частиц пыли антрацита; х 12 000 (фрагметы А, В) - х 25 000 (фрагменты С,В)

Рис. 2. Частицы пыли бурого угля с поверхностной пленкой при увеличении х 2 500 ^ 18 000

Рис. 3. Заполнение объема сыпучим веществом (пылью) с различным фракционным составом частиц

Для наглядности предполагаем убывание диаметра кратно 2 (2П, где п - число шагов уменьшения диаметра, ребро куба и начальный диаметр шара принимаем 1).

Математически возможно показать, что суммарный объем пустот Ур не зависит от степени уменьшения d (рис. 3, А, В, С):

У= 1 -23и- — 4- = 1 0,476417 (4)

р 6 23п 6

Согласно (4) суммарный объем пор Ур не зависит от степени дробления шара и составляет около 47,64 % от объема куба. Поэтому, без учета качественных преобразований в веществе, удельный вес угольной пыли не должен быть менее 0,523 от удельного веса угля и не убывать при дальнейшем уменьшении диаметра d. При этом необходимо учитывать неправильные формы частиц пыли (рис. 1, рис. 2), и частичного заполнения пустот меньшими частицами.

Визуально фракции тонкой пыли (< 20 мкм) создают аэро-гельное образование по ряду свойств, приближающееся к жидкости (текучесть, отсутствие видимых пустот и т.д.). Вместе с тем отсутствие макро пустот не приводит к увеличению удельного веса (и соответственно плотности пыли). В таблице даны фрагменты измерений веса 1 см3 с точностью до 10-4 г.

В литературных источниках во всех задачах пылевой динамики принимается величина удельного веса угля, близкая к 1,28 (т/м3 или г/см3). Фактически происходит резкое уменьшение данной величины (рис. 4) по закону, близкому к логарифмическому. Вес 1 см3 пыли в зависимости от диаметра частиц

146

Марка угля; Вес 1 см3, г Среднее значение, г

Размер частиц

Уголь марки К; 0,2402

менее 20 мкм 0,2577 0,2378

0,2291

0,2278

Уголь марки Ж; 0,3785

менее 45 мкм 0,4122 0,3853

0,3633

0,3905

Уголь марки Ж; 0,4034

менее 100 мкм 0,4406 0,4153

0,3987

0,4116

Уголь; 0,6263

Менее 200 мкм 0,6437 0,6702

0,7141

0,7057

Уголь; 0,8314

Менее 500 мкм 0,8087 0,810

0,7977

0,8045

Пыль алевролит; ме- 0,6455

нее 100 мкм 0,6484 0,6562 0,6481

№01 1,52 1,55

(менее 100 мкм) 1,58 1,55 Уд.вес кристаллов соли - от 2,03 до 2,24.

Для приведенных данных зависимость веса единицы объема (1 см3; 1 м3 и т.д) и диаметра частиц пыли аппроксимируется зависимостью

у* 0,218394-1п й - 0,4707183 « 0,218394-1п й - (1 -П) (5)

6

С учетом (5), масса частиц пыли является нелинейной функцией диаметра и может определяться из выражения

(А- 1п й - В)-п-й3

т = у-г = ±-^-, (7)

6

147

Рис. 4. Изменение удельного веса пыли от диаметра частиц

где А,В - безразмерные константы, определяемые экспериментально (с учетом погрешности ситового раздела проб пыли А« 0,218; В= 1-п/6).

Полученные результаты уточняют модели расчета процессов витания пыли в горных выработках. В процессе построения современных средств измерений уровней запыленности, величина плотности пыли не может рассматриваться как константа и должна учитываться при микропроцессорной обработке результатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

148

1. Рудничная аэрология горных предприятий / Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Медведев И.И. - М.: Недра, 1978ю. - 440 с.

2. Воронин В.Н. Параметры вентиляционной струи, характеризующей эффективность выноса пыли из горных выработок. Издательстве АН СССР, том I, Москва. 1953, с. 97-114.

3. Рудничная вентиляция: Справочник/ Гращенков Н.Ф., Петросян А.Э., Фролов М.А. и др. - М.: Недра, 1988. - 440 с.

4. Романченко С.Б., Ищук И.Г. Современные методы анализа формы и дисперсного состава угольной пыли //Научн.сообщ. /ННЦ ГП - ИГД им.А.А.Скочинского. - М., 2007. -Вып.ЗЗЗ. - С. 270-286. ЕШ

— Коротко об авторе -

Романченко С.Б. - Сибирская управляющая энергетическая компания.

149