CC BY
70
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2012. № 1 (10)
науки о земле
УДК 622.71
Т. В. Селиванова, Итакура Кен-ичи
СЕЛИВАНОВА ТАТЬЯНА ВАЛЕРЬЕВНА, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геологии, геофизики и геоэкологии Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: Selivanova_d@mail.ru
ИТАКУРА КЕН-ИЧИ, профессор, ведущий специалист Центра передовых разработок в области охраны окружающей среды и предотвращения катастроф (Технологический институт, г. Муроран, Япония). E-Mail: itakura@epsilon2.csse.muroran-it.ac.jp
СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ УГЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ
В настоящее время подземная газификация углей (ПГУ) является одним из наиболее экологически чистых способов переработки угля. Одним из наиболее проблемных вопросов ПГУ является изучение термохимических механизмов преобразования угля в процессе горения. Автором сделана попытка суммировать имеющийся опыт изучения термохимического преобразования угля с точки зрения возможного применения теоретических основ для изучения дистанционных методов контроля продвижения огневого забоя при подземной газификации угольных пластов. Ключевые слова: подземная газификация угля, термохимическое преобразование, уголь.
Structural changes of coal Under Their Thermal Decomposition. Tatyana V. Selivanova, PhD in geological and mineralogical science, associate professor of the Chair of geology, geophysics, and geoecology, Engineering School (Far Eastern Federal University, Vladivostok), Itakura. K. Center of Environmental Sceince and Disaster Mitigation for Advanced Research (Muroran Institute of Technology, Japan). E-mail: itakura@epsilon2.csse.muroran-it.ac.jp
Nowadays the Underground Coal Gasification (UCG) is one of the new clean energy technologies with zero emission. In spite of the fact that modern sensing and control techniques reduce UCG's impact on environment it is necessary to improve it in the future. One of the most important UCG's problems is to study thermo-chemical mechanism of coal conversion under combustion. The authors tried to make summary review of the available theoretical and practical investigation of coal thermo-chemical conversion with the aim to implement the theoretical foundations to study the distant control methods of the combustion face's movement under underground gasification of the coal bed.
Key words: underground coal gasification (UCG), thermo-chemical mechanism conversation, coal.
Угольные пласты следует рассматривать как гетерогенную систему, состоящую из твердых минеральных веществ и высокопористой органической массы, внутренняя поверхность которой заполнена газообразной фазой того или иного вещества. Поэтому, рассматривая физико-химические основы процесса горения угля, нужно иметь в виду чрезвычайную сложность вещественного состава не только твердой фазы (органическая и минеральная составляющие),
© Селиванова Т.В., Итакура Кен-ичи
но и наличие газообразных компонентов, которые при нагреве могут взаимодействовать с органической массой и влиять на протекание процесса термохимических превращений в целом.
В общем угольные пласты дальневосточных месторождений, пригодных к отработке способом ПГУ [5, 6], насыщены минеральными примесями в виде линз, прослоев и вкрапленностей, представленых аутигенными и терригенными минералами. Среди аутигенных выделяются сингенетические (каолинит, кальцит, сидерит, пирит) и эпигенетические (кварц) минералы. Морфологические разновидности каолинита представлены мелкими зернами округлой формы, рассеянными в массе угля, и каолинитом, выполняющим трещины и полости растительных тканей. Кальцит и сидерит содержатся в угле в виде мелких образований. Пирит встречается редко и обычно представлен мелкозернистыми образованиями правильной формы, реже - в виде линз, приуроченных обычно к кровле угольного пласта. Часто одна и та же трещина в угле может быть минерализована кальцитом, каолинитом, сидеритом, кварцем. Терригенный материал состоит из тонкодисперсного глинистого вещества, обломков кварца, полевого шпата. Эти включения имеют беспорядочное распределение и не связаны с типами угля. Удельный вес углей колеблется: для малозольных - 1,2-1,3 г/см3; для зольных -1-1,7 г/см3. Обобщенный химический состав золы дальневосточных углей [1, 8, 9], пригодных для отработки способом ПГУ, приведен в табл. 1.
Таблица 1
Обобщенный химический состав (%) и температура плавления золы углей (
SiO2 А1А FFeA ттю2 ССаО MMgO N№,0 КК20 Среднее значение температуры плавления
31,6-75,7 10,9-37,1 0,5-6,4 1,4-5,5 0,7-8,4 0,5-5,0 0,2-1,7 0,5-2,7 1288 1304 1349
40,8 16,1 1,4 2,1 2,7 1,5 0,6 0,9
Минеральная составляющая дальневосточных углей в основном представлена глинистыми минералами каолинита и иллита, дисульфидов железа в виде пирита, карбонатов в виде сидерита, анкерита и кальцита, окислов в виде кварца, гидрослюд - в виде лимонита, сульфидов, фосфатов, сульфатов, силикатов, различных солей, редких и редкоземельных элементов.
Накопленный эмпирический опыт позволяет определить следующие основные теоретические положения процессов термохимического преобразования угля [2, 3, 6, 7, 13].
1. Механизм термохимических превращений углей разной степени метаморфизма, разного петрографического состава принципиально одинаков. Различие состоит лишь в том, что разные по природе и степени метаморфизма угли имеют различие в соотношении протекающих вторичных реакций. Последнее обуславливает различный выход и свойства конечных продуктов термохимических превращений углей.
2. Процесс термохимического разложения углей сложный, представляющий собой ряд последовательных реакций.
3. Особенности макромолекулярного строения органических веществ углей предопределяет как протекание низкотемпературной деструкции, не затрагивающей основную молекулярную структуру, так и массовую деструкцию основной молекулярной структуры с образованием газообразных, жидких и твердых промежуточных продуктов, которые при дальнейшем повышении температуры могут взаимодействовать.
4. Скорость и глубина протекания термохимических превращений зависят не столько от химического строения углей, сколько от свойств промежуточных продуктов термической деструкции.
5. Температура, давление, степень дисперсности угольных зерен, наличие химически активных жидких и газообразных веществ оказывают значительное влияние на термохимические преобразования углей.
6. Вследствие неоднородности макромолекулярной структуры углей, процесс потери их массы при нагреве имеет стадийный характер. Для всех типов углей выделены четыре стадии, характеризующиеся разной скоростью потери массы (табл. 2).
Таблица 2
Потери массы угля для различных интервалов температур
Интервал температур, °С Потеря массы, % от общей потери Потеря массы на 1°С, %
110-230 13 0,11
230-380 4 0,03
380-485 41 0,39
485-850 42 0,12
До начала термической деструкции испаряется влага и происходит десорбция газов, адсорбированных углями в естественных условиях. С уменьшением энергии системы наступает разрыв водородных и наименее прочных ковалентных связей с потерей массы вещества при температурах ниже 300°С. При температуре свыше 450°С летучие вещества, главным образом смолы и газообразные углероды, выделяются с максимальной скоростью. Пик газовыделения приходится на интервал температур 700-800°С, главным образом вследствие интенсивного выделения водорода и окиси углерода. С повышением уровня метаморфизма скорость потери массы уменьшается, и ее максимум смещается в область более высоких температур. Процесс потери массы зависит не только от степени метаморфизма, но и от петрографического состава углей. Более интенсивно и при более низкой температуре протекает деструкция лейпнита, за ним следует витринит и затем - фюзинит.
7. При термической обработке линзы прослои блестящего угля переходят в пластическое состояние и вспучиваются, деформируя объем; прослои матового угля с большим содержанием фюзинита дают усадку и растрескиваются. Скорость нагрева и размер угольных зерен влияют на протекание пиролиза в их массе. При медленном нагревании (3°С/мин) в зерне диаметром 3 мм перепад температуры по радиусу составляет 0,1-0,2°С, что обеспечивает относительно равномерный прогрев массы угольного зерна. При нагреве со скоростью 100°С/мин градиент температуры по радиусу зерна составляет 5-10°С, а при скорости 100°С/с - свыше 150°С. При нагреве со скоростью 3°С/мин - до 60-70°С. На поверхности зерен бурого угля появляются первые трещины. При дальнейшем нагреве их количество увеличивается, происходит расширение образовавшихся трещин и скалывание углов и выступов. Образование трещин связано с возникновением градиента усадки вначале вследствие высыхания, а при более высокой температуре, вплоть до 700°С - вследствие пиролиза. Зерна бурого угля не образуют видимой пластической массы, не вспучиваются; при нагреве свыше 300°С вначале быстро, а потом более медленно сокращаются в объеме. При 700°С линейная усадка достигает 20-25%. Такие же изменения наблюдаются при нагреве со скоростью 50-100°С/мин, но происходят они более интенсивно. При коксовании указанного угля
основное развитие пористости происходит в интервале 350-450°C и достигает 28%. С повышением температуры и скорости нагрева (до 50°С/с) пористость увеличивается до 38%, но средний размер пор почти не изменяется, колеблясь в пределах 3-4 мкм. Увеличение пористости происходит главным образом вследствие увеличения количества пор размером 6-15 мкм. При высокоскоростном, менее равномерном, нагреве трещины появляются также при расширении зерен, которое происходит до начала интенсивной термической деструкции. Значение коэффициента термического расширения для спекающихся углей зависит от температуры и вследствие анизотропии свойств углей изменяется в различной степени по отношению к плоскости напластования угля. С увеличением степени метаморфизма углей средний коэффициент расширения снижается от 3,7*10-5см/°С до 10-5см/°С. Температура образования макроскопических трещин повышается с ростом степени метаморфизма. Исключение составляют зерна угля, обогащенные лейптинитом. Зерна спорового дюрита растрескиваются при более низкой температуре, но в меньшей степени. Более крупные зерна неспекающихся или слабоспекающихся углей при быстром нагревании могут терять часть массы не только при выделении летучих веществ, но и вследствие скалывания. Они не вспучиваются, поэтому одновременно с потерей массы уменьшается их объем.
Описанный механизм термохимического преобразования угля в процессе его термической деструкции будет использован при дальнейшем изучении аномальных физических свойств угольных пластов в процессе их подземной газификации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васянович А.М., Садардинов И.В., Агошков А.И., Попов В.Н. Угольная промышленность Приморья. Владивосток: ДВГТУ: ТАНЭБ,1997. 280 с.
2. Грязнов Н.С. Пиролиз углей в процессе коксования. М.: Металлургия, 1983. 184 с.
3. Десяткин А.С. Изучение петрофизических свойств углей по данным геофизических исследований скважин (ГИС) // Горный инф.-аналит. бюл. 2006. № 1. С. 118-132.
4. Информационная записка «Дальнедра» // Вестн. горнопромышленников Дальнего Востока. 2008. Вып. 6. С. 50-55.
5. Кондырев Б.И., Белов А.В., Гребенюк И.В. Перспективы применения технологии подземной газификации угля на месторождениях Дальнего Востока с получением газа-сырья для синтеза жидкого топлива // Уголь. 2008. № 10. С. 36-37.
6. Кондырев Б.И., Жуков А.В., Белов А.В., Гребенюк И.В. Исследование физико-химических процессов скважинных технологий добычи угля: моногр. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2008. 123 с.
7. Крейнин Е.В. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекаемых топлив: уголь, углеводородное сырье: моногр. М.: ИРЦ Газпром, 2004. 301 с.
8. Перспективы освоения угольных месторождений Дальнего Востока: в 2 т. Т. 1. Горно-экологические условия / под общ. ред. И.В. Садардинова. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 2004. 348 с.
9. Подолян В.И. Краткая геолого-тектоническая характеристика угленосных структур региона // Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. Т. 2. Угольные бассейны и месторождения Сибири, Казахстана и Дальнего Востока. М.: Недра, 1979. 327 с.
10.Садардинов И.В. Перспективы освоения угольных месторождений Дальнего Востока. Владивосток: ДВГУ 2004. 212 с.
11. Садардинов И.В., Васянович А.М. Угольная промышленность Дальнего Востока, Забайкалья и Восточной Сибири на рубеже XXI века. Владивосток: ТАНЭБ, 1999. 266 с.
12.Селиванова Т.В. Петухов В.И., Лаврушин Г.А. Геофизические исследования скважин при определении геометрических параметров угольных пластов (на примере месторождений Приморского края): моногр. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2008. 139 с.
13.Склар М.Г., Касаточкин В.И. Ларин Н.К. Строение и свойства природных углей, М.: Недра, 1976. 159 с.
