CC BY
39
УДК 622.333:543.812
К.С. Лебедев (аспирант ООО «ВостЭКО»)
Поддержание процесса активации угля путем изменения равновесной влажности
Проведены исследования по поддержанию процесса активности угля при дезактивации. Установлено, что при изменении равновесной влажности возможна активация дезактивирующихся проб угля. Рассчитана энергия активации дезактивированных проб угля при повышении температуры. Установлена степенная зависимость времени в процессе дезактивации угля при изменении константы скорости сорбции.
Ключевые слова: ДЕЗАКТИВАЦИЯ, КОНСТАНТА СКОРОСТИ СОРБЦИИ, РАВНОВЕСНАЯ ВЛАЖНОСТЬ, ПОДДЕРЖАНИЕ ПРОЦЕССА АКТИВАЦИИ УГЛЯ, ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ
Теоретические представления о процессе окисления углей развиваются уже давно. Существует несколько научных гипотез окисления и самовозгорания углей: пиритная, непредельных соединений, фенольная, фюзено-пиритная, бактериальная, перекисная и теория комплекса уголь - кислород. На сегодняшний день многие показали свою несостоятельность. Экспериментально установлено, что наиболее точно описывает процесс окисления теория комплекса уголь - кислород [1]. Как было показано в статье [2], прошедшие дезактивацию пробы угля можно активировать, создав «критическую» равновесную влажность. Равновесная влажность - это влажность, при которой пробы угля не увеличивают и не уменьшают влагосодержание при постоянной температуре и влажности воздуха. Таким образом, определенная влажность воздуха соответствует определенному влагосодержанию угля.
Руководствуясь данными положениями, были проведены исследования, целью которых являлось дополнение, уточнение существующих научных изысканий и подтверждение гипотезы о значительном влиянии влаги на физико-химические свойства угля. В частности, возможность управления процессом дезактивации, активации угля при изменении влажности воздуха.
Для этого циклически изменялась влажность воздуха над пробами угля для прохождения ими интервала «критической» равновесной влажности. В данном эксперименте были использованы пробы каменного угля марок Д и ГЖО. Данный интервал был получен из построенных изотерм и соответствует выходу влаги из супермикропор, где, как было установлено, значительно изменяются физико-химические и физико-механические свойства каменных углей1. На рисунке 1 изображены изотермы десорбции для данных марок угля, и отмечены интервалы «критической» равновесной влажности.
1
См. статью Сазонова М.С. «Исследование физико-механических характеристик каменных углей при различных влажностях воздуха», с. 41-48.
а - влагосодержание проб угля; W - влажность воздуха
- изотерма для угля марки ГЖО;
------ изотерма для угля марки Д;
.................. интервал «критической» равновесной влажности для угля марки ГЖО;
_._._._ интервал «критической» равновесной влажности для угля марки Д
Рисунок 1 - Изотермы десорбции воды из угля
На рисунке 2 представлен график, на котором изображен процесс активации проб угля путем изменения равновесной влажности проб через атмосферу. Константа скорости сорбции фиксировалась как за пределами интервала «критической» равновесной влажности, так и при прохождении «эпицентра».
интервалы сушки проб угля; интервалы увлажнения проб угля
Рисунок 2 - График активации проб угля
Как видно из графика, именно на интервалах увлажнения происходит значительное увеличение константы скорости сорбции при дезактивации во времени. Это говорит о значительном давлении внутри структуры угля, созданном под влиянием влаги, что приводит к деформациям без механического вмешательства (см. сноску, с.86). Как было установлено, активация может происходить и при сушке [2], но данной тенденции установлено не было. Это связано со значительным интервалом высушивания проб угля, и, скорее всего, в ходе дезактивации было нивелировано увеличение константы скорости сорбции. В выработке данные процессы протекают в несколько раз быстрее, поэтому в дальнейших экспериментах будет учтена низкая кинетика реакции сушки для корректировки условий при проведении экспериментов.
Также был проведен эксперимент по установлению влияния температуры на дезактивированные пробы угля. Дезактивированные пробы угля были помещены в температурный шкаф. Увеличение температуры производилось на 5°С, после чего фиксировалось значение константы скорости сорбции. Максимальная температура составила 45°С. Экспериментально подтверждено, что энергия активации проб по температуре, подвергшихся циклическому изменению равновесной влажности воздуха, и исходных проб, фактически идентична. Также можно предположить, что для
полного спектра марок угля данная величина будет изменяться синбатно. На рисунке 3 в двойных логарифмических координатах представлены графики энергии активации для различных проб.
--исходная проба марки Д;
----подвергшаяся циклическому изменению равновесной влажности проба марки Д;
----------------исходная проба марки ГЖО;
....................................подвергшаяся циклическому изменению равновесной влажности проба марки ГЖО
Рисунок 3 - Графики энергии активации проб угля по температуре, прошедших циклическое изменение равновесной влажности, и исходных проб
Значения энергии активации составляют в среднем 55 кДж/моль как для проб, подвергшихся циклическому изменению равновесной влажности воздуха, так и для исходных проб. Из этого видно, что процесс дезактивации проб имеет одну природу. Идентичен и процесс взаимодействия кислорода с активными центрами, образованными в ходе механодеструкции у исходных проб и проб, прошедших циклическую активацию, при активации по температуре.
Была установлена степенная зависимость времени в процессе дезактивации угля при изменении константы скорости сорбции проб, полученных при различной равновесной влажности. Упрощенно данная зависимость будет выглядеть следующим образом:
и = т-, (1)
где и - константа скорости сорбции, мл/г-ч; т - время, ч;
к - степень зависимости константы скорости сорбции от времени.
Значения степени были получены прямым расчетом согласно экспериментальным данным по следующему отношению:
1п и
1пт
Результаты расчета представлены на рисунке 4.
= к. (2)
к - значение степени; Ж - равновесная влажность
Рисунок 4 - Изменение степени зависимости константы скорости сорбции от времени для проб, полученных при различной равновесной влажности
Следует обратить внимание, что данная зависимость в какой-то степени напоминает изотерму десорбции. При этом, как следует из графика, чем суше проба, тем быстрее она дезактивируется. Также на интервале «критической» равновесной влажности от 30 до 55 % происходит значительное скачкообразное изменение скорости дезактивации проб угля, полученных при различной равновесной влажности.
Выводы
1 Экспериментально подтверждена гипотеза о циклической активации угля путем последовательного изменения равновесной влажности воздуха над пробой.
2 Установлено, что пробы различных марок углей - подвергшиеся циклической активации и исходные - имеют практически идентичную энергию активации по температуре.
3 Установлена степенная зависимость времени в процессе дезактивации угля при изменении константы скорости сорбции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Саранчук, В.И. Теоретические основы самовозгорания угля / В.И.Саранчук, Х.А.Баев. - М.: Недра, 1976. - 150 с.
2 Некоторые особенности процесса окисления каменных углей в зависимости от влажности воздуха / С.П. Ворошилов [и др.] // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2010. - №2. - С. 94-99.
SUPPORT OF COAL ACTIVATION PROCESS BY MEANS OF BALANCED MOISTURE
K.S. Lebedev
Researches had been made in order to support coal activity process during deactivation. It was found that with alteration of balanced moisture deactivating coal test samples activation becomes possible. Deactivated coal test sample activation energy with temperature increase is calculated. Time stage dependence in the process of coal deactivation at sorption speed constant alteration is stated.
Key words: DEACTIVATION,SORPTION SPEED CONSTANT, BALANCED MOISTURE, COAL ACTIVATION PROCESS SUPPORT, ACTIVATION ENERGY
Лебедев Кирилл Сергеевич Tел. 89050774054
