ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 622.831.32
В.В. Дырдин, И.С. Елкин, Я.В.Логинов ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ СОРБЦИИ НА УГЛЕ
Газовыделение из угля при различной степени влажности описывается зависимостью [1]:
„ аг
О = 1Г~<, (1)
Ь + г
где О - объем метана, выделившегося из угля за время а, Ь - постоянные, значения, которых находятся экспериментально.
Скорость метановыделения определится как производная по времени от выражения (1):
аЬ
Ч =---------2 . (2)
(Ь + г)2
Постоянные в уравнениях (1) и (2) в общем случае будут зависеть от технологических условий состояния угля и физических условий: температуры,
сорбционных процессов на границе раздела уголь-газ, давления и др. Кроме того, они будут зависеть от наличия жидкости в пористой структуре угля, препятствующей выходу газа, и величины краевого угла смачивания.
Нами были проведены аналогичные исследования процессов сорбции в угле, но в качестве адсорбата был взят атмосферный воздух, содержащий пары влаги. С помощью вакуумной установки нами проведены исследования процессов сорбции данной 2-х фазной системы углем. В основе исследований лежит принцип аналогии процессов сорбции и десорбции метана и воздуха в угле. С другой стороны, существует анало-
гия между газовыделением из газонасыщенного угля при высоком давлении и газовыделе-нием при вакуумировании угля. Два процесса протекают одинаково по экспоненциальному закону.
Целью исследований являлось изучение процессов сорбции и десорбции в каменном угле в зависимости от внешнего воздействия на уголь. Исследовалось влияние степени разрушения образца на изменение сорбционной способности угля. Также изучалось влияние растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) на изменение сорбции воздуха углем.
Методика эксперимента заключается в следующем. Образцы угля вакуумировались
.й
о
о
га
ф
I
Ф
1
Ф
2
м
I
.0
с
ф
н
О
0
1
н
О
время вакуумирования: □ 5 мин
Д16 мин
Х29 мин
40 мин
Рис.1. Поглощение воздуха углем до воздействий на образец
10
В.В. Дырдин, И.С. Елкин, Я.В.Логинов
при давлении 1500 Па с помощью форвакуумного насоса в течение 20-40 мин. Затем вакуум снимался и образец взвешивался с интервалом времени 1-5 мин в течение 40 мин.
Основным параметром, характеризующим сорбционный процесс, была выбрана масса адсорбированного вещества.
Результаты экспериментальных исследований в виде зависимостей сорбированного воздуха от времени приведены на рис.1.
Относительное количество сорбированного адсорбата определялось по формуле т - тсух
О =------сус ,
тсух.
где т - масса угля в момент времени г после снятия вакуума; тсух. - масса сухого образца угля.
На диаграмме сорбции можно выделить несколько интервалов в диаграмме сорбции. На первой стадии протекает процесс активной адсорбции при интенсивной ламинарной и турбулентной фильтрации молекул адсорбата из внешней окружающей среды внутрь образца. Процесс имеет ярко вы-
раженный нелинейный характер. Второй интервал характеризует переходный процесс от интенсивной ламинарной
фильтрации к слабой ламинарной фильтрации абсорбата с последующим адсорбированием. На третьем интервале наблюдается слабая линейная фильтрация и адсорбция, описываемая линейным законом. Как можно заметить из графиков на величину сорбции оказывает влияние в первую очередь время вакуумирования и, соответствующее ему, начальное количество адсорбата -масса адсорбата перед снятием вакуума. Полученные экспериментальные данные могут быть описаны уравнением вида
О = к1п(г) + Од .
Постоянные коэффициенты зависят от множества факторов: наличия адсорбата в порах, количества пор участвующих в сорбционном процессе, размеры пор, их геометрия и др.
Установлено, что к является функцией от О0, если основным фактором, влияющим на процесс сорбции, будет являться наличие адсорбата в порах. Ап-роксимируем эксперименталь-
ные данные линейной функцией вида
к =а<2о + 0,
где а, р - эмпирические постоянные.
На рис.2 приведена линейная зависимость к=/(Ос) .
Эмпирические постоянные в уравнении зависят от разницы между массами в воздушносухом состоянии и сухим
а = /(твозд.сух., тсух. )> р = !(твозд .сух., тсух. ).
Так, при линейной связи это можно выразить в виде
р = твозд.сух. - т
При этом, необходимо полагать, что при нормальном атмосферном давлении масса угля в равновесном состоянии с окружающей средой приближенно равна массе в воздушно-сухом состоянии твозд.сух, а масса предельно вакуумированного угля равна массе сухого угля тсух , высушенного при температуре 110 0С до постоянной массы образца.
Сушка как температурное воздействие на образец может
0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012
параметр О о
Одо воздействий Хсушка Ддробление до фракции 5-10 мм
Рис. 2. Изменение параметров диаграммы сорбции в зависимости от воздействий на образец
существенно оказывать влияние на сорбционные свойства угля. Как видно из экспериментальных данных, это влияние проявляется в увеличение сорбционных пор образца.
В работе также исследовалось влияние степени разрушенности угля на процесс сорбции. Результаты показывают, что механическое разрушение ведет к увеличению количества пор, участвующих в сорбционном процессе, уменьшается длина фильтрующих капилляров. Результаты исследований показывают, что в образцах угля по данным многих авторов существует большое количество закрытых пор, которые не принимают участия в сорбционных процессах. Объем этих пор можно оценить исходя из связи между поверхностью пор сорбента и сорбционными показателями. Удельное количество закрытых пор уменьшается с уменьшением фракционного состава угля. Процесс сорбции на мелких фракциях протекает интенсивнее.
При обработке угля ПАВ характер протекания процесса сорбции воздуха будет зависеть от класса, к которому относится ПАВ, его химической активности. Агрессивные химически-активные среды вызывают растворения макромолекул угля, увеличивая при этом поперечные сечение микрокапилляров, разрушая одновременно с этим изолированность закрытых пор.
Поверхностно-активные вещества с низкой активностью, напротив, будут закупоривать микропоры, изолируя тем самым адсорбированный газ от процессов сорбции. Количество изолированных пор, не участвующих в адсорбционных процессах, будет увеличиваться.
Влияние механических воздействий на уголь, повторяющихся периодично, также не однозначно. Определяется с одной стороны амплитудой воздействия, с другой частотой повторения напряженно-
деформационного состояния в образце (события). В общем случае зависит от энергии пере-
данной образцу за период колебаний. При низкой частоте это воздействие приводит к механическому разрушению, превращения микропор в макротрещины. При высоких значениях частоты возможен переход в новое фазовое состояние, активизация процессов межфазо-вого взаимодействия между адсорбатом и адсорбентом, снижение краевого угла смачивания.
Таким образом, изменение физического состояния угля в результате физико-химического или физико-механического воздействия на уголь приводит к эквивалентным изменениям его сорбционных свойств.
На основе результатов исследований и разработанной методики предлагается метод выбора поверхностно-активного вещества в целях снижения газовыделения и пылеобразова-ния на угольных шахтах. В основе метода лежит задача определения адсорбционной способности угля по отношению к ад-сорбату.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чернов О.И., Пузырев В.Н., Вологодский В.А, Панасейко С.П. Метановыделение из увлажненных угольных пластов/ Вопросы безопасности в угольных шахтах: науч. тр. ВостНИИ.- Кемерово: Книжн. изд., 1972.- Т. 12. - С. 128-137.
□ Авторы статьи:
Дырдин Валерий Васильевич
- докт. техн. наук, проф., зав.
каф. физики
Елкин Иван Сергеевич канд. техн. наук, доц. каф. физики
Логинов Ярослав Владимирович
- студент ГЭМФ