Обоснование и разработка методов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойств под влиянием внешних воздействий

Таблица 2. Влияние термообработки на изменение микротвердости и микрохрупкости углей разных генотипов

Все вышеприведенное указывает на то, что использование традиционных методов, таких как ИК-спектроскопия и функциональный анализ углей, а также разработанного метода, основанного на определении показателей сорбции углями ДМФА, позволяет оценить структурно-химические параметры углей разных генотипов. Соотношение в составе углей разных генотипов алифатического и ароматического углерода, содержания общего и функционального кислорода, а также степень сорбционного снижения прочности углей отражают особенности их надмолекулярной структуры и определяют динамику изменения микротвердости, трещиноватости и хрупкости при тепловой обработке и сорбционном деформировании.

Пятая глава посвящена разработке методов оценки и прогноза склонности углей разных генотипов к окислению и самовозгоранию на основании структурно-текстурных и структурно-химических параметров углей.

Окисление углей - это процесс, который сопровождает все этапы их добычи, обогащения, хранения и переработки. Окисление углей в пластах приводит к разрушению массивов, образованию большого количества мелочи и зачастую к самовозгоранию. Окислительные процессы при хранении и подготовке углей сопровождаются также частичной потерей их потребительских свойств.

Существуют разные методы оценки склонности углей к окислению. Эти методы основаны на исследовании петрографического состава углей, их стадии метаморфизма и спекаемости, состава летучих продуктов термического разложения, на оценке атомных групп, содержащих кислород и т.д. Однако на сегодняшний день надежного метода, позволяющего оценить склонность углей разных месторождений к окислению, не существует. Это связано в первую очередь со сложным механизмом самого процесса окисления, а также различными его проявлениями, такими как разрушение, потеря прочности, уменьшение количества углерода, самовоспламенение и т. п.

В самом общем случае процесс окисления углей состоит из двух стадий: первая - диффузионная, связанная с транспортом кислорода к твердой поверхности угля и вторая - химическая реакция окисления углерода. Если для оценки второй стадии (химической реакции) существуют достаточно надежные параметры, отражающие химический состав углей, то для первой стадии - диффузионной, такие параметры практически не выявлены.

Экспериментальные исследования окисления углей проводили при температурах 150-300 ⁰С на образцах разной крупности. Установлено, что такая обработка приводит к образованию трещин и разрушению материала. Однако для углей разных генотипов количественные показатели трещиноватости и характер трещин существенно различаются. Данные, приведенные на рисунке 12 показывают, что относительное количество участков, затронутых трещинами (Т), образующихся при окислении, больше для угля I генотипа.

Рисунок 12. Изменение трещиноватости (Т) углей при окислении : -- I генотипа, ----- IV генотипа

При исследовании морфологии трещин проявились четкие различия для углей разных генотипов (рисунок 13). Для углей I и II генотипа характерно образование густой сетки трещин, затрагивающих все зерно и приводящих к нарушению его сплошности. Трещины окисления углей III и IV генотипов имеют клиновидную форму, не нарушают сплошности материала и не имеют определенных направлений.

Рисунок 13. Трещины в окисленных углях: а - IV генотипа , б - I генотипа

Окисление приводит к изменению показателей, характеризующих химический состав углей: увеличивается содержание кислорода, уменьшается содержание водорода и углерода. С учетом полученных ранее данных по функциональному составу углей становится объяснимым полученный при исследовании химического состава окисленных углей результат: при сравнении изометаморфных углей разных генотипов установлено, что относительное уменьшение содержания углерода при термоокислении больше для углей IV генотипа (рисунок 14). Это дает возможность сделать вывод, что в рамках одной стадии метаморфизма угли IV генотипа проявляют большую склонность к самовозгоранию.

Известно, что склонность углей к окислению и самовозгоранию определяется в значительной степени их микропористостью. Исследование микропористости углей разных генотипов методом сорбции диоксида углерода при комнатной температуре на автоматическом сорбтометре Hiden Analytical Ltd. позволило установить, что угли III-IV генотипов характеризуются большей микропористостью по сравнению с изометаморфными I-II генотипов (рисунок 15).

Рисунок 14. Относительное изменение содержания в углях разных генотипов углерода (ДС, %) в зависимости от температуры окисления

Рисунок 15. Распределение микропор (dV/dr) по размерам (r) в углях разных генотипов

На основании полученных результатов была разработана «Методика оценки склонности углей к окислению и самовозгоранию». В соответствии с этой методикой склонность углей к окислению и самовозгоранию определяется комплексом параметров: стадией метаморфизма угля, содержанием мацералов группы витринита, генетическим типом угля (по значениям ФШС-параметров), содержанием общего и функционального кислорода, а также степенью уменьшения содержания кислорода при термоокислении. Методика апробирована на углях разных месторождений и используется на предприятии «Центр мониторинга социально-экологических последствий ликвидации шахт Восточного Донбасса» (г.Шахты, Ростовской области) для оценки состояния отработанных угольных выработок с точки зрения их пожарной безопасности.

В шестой главе рассматриваются вопросы, связанные с применением полученных закономерностей и разработанных методик для управления качеством добываемого топлива и возможностью его комплексного использования.

Вопросы управления качеством угольной продукции напрямую связаны с созданием методов и средств информационного обеспечения производства.

В настоящий момент методы оценки качества угольной продукции ориентированы на существующие технологии энергетического сжигания и слоевого коксования углей и основаны на достаточно ограниченной номенклатуре показателей, устанавливающих марку и регламентирующих основные технологические свойства углей (зольность, теплоту сгорания, влажность, содержание серы).

Однако при переходе к ресурсосберегающим экологически безопасным технологиям добычи и переработки сырья необходимо расширять номенклатуру показателей качества. В переработке углей к таким технологиям относятся производство экологически чистого водоугольного топлива (ВУТ) для получения тепла и электроэнергии, технологическая переработка угольных суспензий, газификация, различные методы подготовки сырья (термоподготовка, избирательное дробление, брикетирование) для повышения экологической безопасности традиционных и новых способов переработки, а также совместная переработка углей с твердыми бытовыми отходами (ТБО).

Полученные в работе результаты показали, что базовые физико-химические и физико-механические свойства существенно зависят от структурно-текстурных и структурно-химических особенностей углей разных генотипов. Для оценки углей как сырья для получения ВУТ и оперативного контроля производства разработана «Методика определения гранулометрического состава мелких классов углей», основанная на параметризации изображений угольных порошков, полученных при микроскопическом наблюдении в проходящем свете, и обработке полученных данных с использованием лицензионного программного обеспечения IMAGESCOPE M (разработчик ОАО «Системы для микроанализа»).

В таблице 3 представлены результаты исследования гранулометрического состава и стабильности ВУТ, полученных из углей разных генотипов. Показано, что высокая неоднородность органического вещества углей I генотипа определяет более широкое распределение частиц по крупности, обеспечивающее, как известно, бульшую стабильность суспензии. Исследование горения этих топлив показало, что ВУТ на основе углей I генотипа характеризуются большими скоростью и теплотой сгорания. Разработанная методика используется на ОАО «Ковдорский ГОК» с целью подбора угольного сырья для получения водо-угольного топлива, определения оптимальных режимов диспергирования углей и экспресс-контроля технологического процесса.

Таблица 3.

Характеристики ВУТ

Изучение термоподготовки углей в условиях, моделирующих различные условия промышленных процессов, показало, что структурно-текстурные особенностями углей разных генотипов определяются их прочностные свойства и склонность к окислению. Последнее является весьма существенным фактором, влияющим на снижение калорийности топлив.

Утилизация твердых полимерных отходов в процессы коксования углей уже сегодня реализуется в промышленно развитых странах. И в этом случае особенности строения углей разных генотипов определяют качество конечного продукта -кокса и состав побочных продуктов (каменноугольной смолы и коксового газа). На основании экспериментальных работ по совместному коксованию углей с полимерными продуктами разного состава были установлены основные требования к составу угольных шихт и определены критерии выбора углей для получения кокса удовлетворительного качества.

Таким образом, параметры, отражающие структурные особенности углей разных генотипов, являются, наряду с традиционными показателями, критериями, определяющими качественные характеристики углей. Включение этих параметров, в номенклатуру характеристик углей позволит расширить возможности управления качеством топлива . а также обеспечить его комплексное использование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой научно-квалификационную работу, на базе проведенных автором экспериментальные и теоретических исследований, решена крупная научная проблема обоснования и разработки методов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойств под влиянием внешних воздействий, что имеет важное значение для информационного обеспечения эффективного и безопасного ведения горных работ, а также управления качеством добываемого сырья.

Основные выводы и результаты диссертационной работы, полученные лично автором:

1. Установлено, что основой для разработки методов изучения структуры углей являются представления об их генетическом типе, отражающем совокупность структурно-текстурных особенностей гелифицированного вещества.

2. Показано, что параметризация изображений углей разных месторождений, полученных при микроскопическом наблюдении в проходящем поляризованном свете с использованием метода ФШС, позволяет получить количественные параметры, адекватно отражающие структурно-текстурные особенности углей разных генотипов. В качестве основных параметров предложены: - мера ступенчатости изменяющейся контрастности как среднеквадратическое отклонение значений контрастности от среднего уровня, S01 - фактор острийности в изменениях контрастности как мера нерегулярностей-всплесков.

3. Установлены зависимости между структурно-текстурными ФШС-параметрами углей и их физико-механическими характеристиками, такими как микрохрупкость и гранулометрический состав при механическом измельчении. Увеличение параметров, характеризующих неоднородность угольного вещества, приводит к пропорциональному увеличению хрупкости углей. Так, при увеличении параметра от 8,5 до 33,2 микрохрупкость углей пропорционально повышается от 31 до 70%. Подобная зависимость наблюдается при сопоставлении параметров S01 и микрохрупкости. Структурная неоднородность углей I и II генотипов определяет более широкое распределение частиц по размерам при измельчении углей.

4. Экспериментально установлено, что криогенное и комбинированное воздействия на угли приводят к их разрушению. Распределение частиц по классам крупности и характер образующихся трещин определяются структурно-текстурными особенностями углей разных генотипов.

5. Установлено, что определение соотношения в составе углей алифатического и ароматического углерода, содержания общего и функционального кислорода, а также установление характеристик, описывающих сорбцию углями специфического сорбата - диметилфорамида, позволяют в комплексе оценить структурно-химические особенности углей.

6. Установлены зависимости между структурно-химическими параметрами углей и их микротвердостью при сорбционных и термических воздействиях. Для углей III-IV генотипов термическая обработка приводит к незначительному повышению микрохрупкости, микротвердость при этом практически не изменяется. Напротив, после термообработки угли I-II генотипов характеризуются более высокой микротвердостью, а их микрохрупкость увеличивается в 2-3 раза.

7. Экспериментально установлено, что характер разрушения углей при окислении и их склонность к самовозгоранию определяются структурно-текстурными и структурно-химическими особенностями органического угольного вещества. Трещиноватость углей при термоокислении определяется их генотипом: для углей I-II генотипов это величина на 20-30% больше соответствующего значения для углей IV генотипа. При сравнении изометаморфных углей разных генотипов установлено, что относительное уменьшение содержания углерода при термоокислении больше для углей IV генотипа. Это показывает, что в рамках одной стадии метаморфизма угли IV генотипа проявляют большую склонность к самовозгоранию.

8. Получены новые данные о распределении микропор в углях разных генотипов. Установлено, что угли III-IV генотипов характеризуются большей микропористостью по сравнению с изометаморфными I-II генотипов.

9. Разработаны критерии, позволяющие оценить поведение углей при термической обработке, при выборе сырья для получения ВУТ и для совместной переработки с твердыми полимерными отходами.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Эпштейн С.А.Трещинообразование в углях разных генотипов. - Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2009.-№9.- С.71-76.

2. Чеглакова Н.С., Соколовская Е.Е., Эпштейн С.А., Савченко Л.И., Белякова О.С. Опыт ОАО «Москокс» по оптимизации состава угольных шихт. - Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2009.-№9.- С.281-286.

3. Эпштейн С.А. Физико-механические свойства витринитов углей разных генотипов. - Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2009.-№8.- С.58-69.

4. Подгаецкий А.В., Бунин И.Ж., Эпштейн С.А. Влияние комбинированной (криогенной и электромагнитной импульсной) обработки на механические свойства углей. - Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2009.-№3.- С.159-168.

5. Эпштейн С.А., Супруненко О.И., Ржевская С.В., Широчин Д.Л. Классификация и кодификация - гарантия обеспечения качества угольной продукции. - Уголь.-2009.-№1.-С.48-51.

6. Эпштейн С.А., Монгуш М.А., Нестерова В.Г. Методы оценки склонности углей к окислению и самовозгоранию. - Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2008.-№12.- С. 211-216.

7. Эпштейн С.А., Барабанова О.В., Минаев В.И., Широчин Д.Л. Влияние термообработки на механические и физико-химические свойства углей разных генотипов. - Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2008.-№5.- С. 371-375.

8. Aipshtein S.A., Beliy A.A., Bunin A.V., Shirochin D.L. Sorption and Deformaion of Coals in The Gas and Liquid Media// Proceeding of International Conference on Coal Science and Technology. Nottingham, UK, August 28th - 31st 2007.- CD.- 13p. (Эпштейн С.А., Белый А,А, Бунин А,В, Широчин Д.Л. Сорбция и деформация углей в газовой и жидкой среде).

9. Aipshtein S.A., Minaev V.I. Transformation of Coals at the Heat Treatment// Proceeding of International Conference on Coal Science and Technology. Nottingham, UK, August 28th - 31st 2007.- CD.-University of Nottingham.- CD.-University of Nottingham.- 10p. (Эпштейн С.А., Минаев В.И. Превращения углей при термообработке).

10. Aipshtein S.A., Novikova V.A. Definition of inclination of coals to oxidation by petrographic and structural attributes // Proceeding of International Conference on Coal Science and Technology. Nottingham, UK, August 28th - 31st 2007.- CD.-University of Nottingham.- 8p.(Эпштейн С.А., Новикова В.А. Оценка склонности углей к окислению по петрографическим и структурным признакам).

11. S.A.Aipshtein, O.I.Suprunenko, O.V.Barabanova. Substantial composition and reactivity of coal vitrinites from Donetsk and Kusnetsk basins // Proceeding of International Conference on Coal Science and Technology. Nottingham, UK, August 28th - 31st 2007.- CD.-University of Nottingham.- 6p. (Эпштейн С.А., Супруненко О.И., Барабанова О.В. Вещественный состав и реакционная способность витринитов углей Донецкого и Кузнецкого бассейнов).

12. Эпштейн С.А., Барабанова О.В., Минаев В.И., Ж.Вебер, Широчин Д.Л. Влияние обработки углей диметилформамидом на их термическую деструкцию и упругопластические свойства. - Химия твердого топлива.- 2007.- №4.- С.22-29.

13. Эпштейн С.А., Барковская В.А., Горлов Е.Г., Широчин Д.Л. Определение дисперсности композиционных водоугольных топлив. Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ).- 2006.-№1.- С.336-339.

14. Aipshtein S.A., Minaev V.I., Shirochin D.L. New coals collection. The first results and prospects// Proceedings of 23rd International Pittsburgh Coal Conference, Pittsburgh, PA, 25-28 September, 2006. - CD. - ISBN#1-8909777-23-3.- 10p. (Эпштейн С.А., Широчин Д.Л., Минаев В.И. Новая коллекция углей. Первые результаты и перспективы).

15. Эпштейн С.А., Барабанова О.В., Малькова В.В., Барковская В.А.Совместная переработка углей с полимерными добавками.- Горный информационно-аналитический бюллетень.-2005.-№11.- с.321-325.

16. Эпштейн С.А., Барабанова О.В., Минаев В.И., Широчин Д.Л. Физико-химические предпосылки регулирования качества углей при термоподготовке.- Горный информационно-аналитический бюллетень.-2005.-№7.- С.342-345.

17. Эпштейн С.А., Гагарин С.Г., Минаев В.И., Барабанова О.В. Влияние термообработки каменных углей разной степени восстановленности на сорбцию диметилформамида . - Химия твердого топлива.- 2005.-№5.- С.12-22.

18. Гагарин С.Г., Эпштейн С.А., Барабанова О.В.Кинетика десорбции диметилформамида из разновосстановленных углей. - Химия твердого топлива. - 2005.-№3.- С.10-21.

19. Эпштейн С.А., Супруненко О.В., Барабанова Л.В. Вещественный состав и реакционная способность витринитов каменных углей разной восстановленности. - Химия твердого топлива. - 2005.-№1.- С.22-35.

20. Эпштейн С.А., Супруненко О.В., Барабанова Л.В. Превращения каменных углей при взаимодействии с диметилформамидом. - Химия твердого топлива.- 2004.-№3.- С.21-31.

21. Эпштейн С.А., Худяков Д.С., Горлов Е.Г. Морфологические и термохимические превращения бурого угля при баротермической обработке спиртоводоугольного топлива. - Химия твердого топлива.- 2004.-№2.- С.35-40.

22. Патент 2003128590 Российская федерация, МПК ⁷ G01N33/22, C10L1/32. Способ определения дисперсности эмульсионных топлив/ С.А.Эпштейн, Е.Г.Горлов.- № 2003128590/04; заявл. 25.09.2003; опубл. 20.03.2005, Бюл.№8, 4с.:ил.

23. Aipshtein S.A., Gorlov E.G., Malkova V.V. The characteristics of high-volatile coals as raw material for coal-water fuels// Proceeding of 12^th Int. Conference on Coal Science. Cairns, Australia, 2-6 November, 2003.- Vol.14. - P.1-6. (Эпштейн С.А., Горлов Е.Г., Малькова В.В. Характеристики углей как сырья для производства водо-угольного топлива).

24. Aipshtein S.A., Barabanova O.V. Structure and properties of carbonaceous residues after coals and plastics co-pyrolysis// Proceeding of 12^th Int. Conference on Coal Science. Cairnce, Australia, 2003.-. Vol.14. - P.1-5. (Эпштейн С.А., Барабанова О.В. Структура и свойства коксов совместной переработки углей и полимеров).

25. Aipshtein S.A., Suprunenko O.I., Weishauptova Z. Effect of micro porous structure of coals on their swelling in the organic solvents// Proceeding of 11^th Int. Conference on Coal Science. San-Francisco, USA, September 3--October 5, 2001.-CD.-NETL.- 5 p. (Эпштейн С.А., Супруненко О.И. Влияние микропористости углей на их набухание в органических растворителях).

26. Aipshtein S.A., Suprunenko O.I., Sakurovs R. Interstructural mobility of coal substances and texture of coke// Proceeding of 11^th Int. Conference on Coal Science. San-Francisco, USA, 2001.-. CD.-NETL.- 4 p. (Эпштейн С.А., Супруненко О.И. Межмолекулярная подвижность структуры углей и текстура кокса).

27. Эпштейн С.А., Малькова В.В. Морфологические и термохимические превращения углей после низкотемпературной обработки // Химия угля на рубеже тысячелетий: сб. тр. междунар. науч. конф. и шк.-семинара ЮНЕСКО, Клязьма, 13-15 марта 2000 г. В 2 ч. Ч.1. - М.: МГУ, 2000. - С.11-14.

28. Эпштейн С.А., Супруненко О.И., Зверев И.В. Применение ИМИДЖ-анализа для изучения взаимодействия углей с растворителями// Международная конференция «Химия и природосберегающие технологии использования угля»: Тез.докл., Звенигород, 15-17 февраля, 1999.-С.26-28.

29. Эпштейн С.А., Супруненко О.И. Морфологические изменения углей разных генотипов при набухании в диметилформамиде// 4-й Международный симпозиум «Каталитические и термохимические превращения природных органических полимеров»: Сб.научн.тр., Красноярск, 30 мая-3 июня 2000.- С.306-312.

30. Aipshtein S.A., Suprunenko O.I., Zverev I.V. Swelling of different degree reduction coals in organic solvents// Proceeding of 10^th Int. Conference on Coal Science. Prospects or Coal Science in the 21th century.Taiyuan, P.R. China, 1999. - V.1.-P.231-235. (Эпштейн С.А., Супруненко О.И., Зверев И.В.Набухание углей разных генотипов в органических растворителях).

31. Aipshtein S.A., Zverev I.V., Dolgova M.O. Structural transformation in coals at the temperature below ⁰ C. // Proceeding of 10^th Int. Conference on Coal Science. Prospects or Coal Science in the 21th century.Taiyuan, P.R. China, 1999. - V.1.-P.53-58. (Эпштейн С.А., Зверев И.В., Долгова М.О. Структурные превращения углей при температурах ниже ⁰ C).

Размещено на Allbest.ru