Способ определения окислительной активности углей и устройство для его осуществления
Патент 1060991
Авторы
Способ определения окислительной активности углей и устройство для его осуществления
Иллюстрации
Реферат
Способ определения окислительной активности углей по скорости потребления кислорода путем низкотем пературного окисления исследуемой фракции угольных частиц при продувке их воздухом, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности анализа за счет устранения влияния диффузионных процессов на окисление угля, окисление фракции угольных частиц размером 0,1-0,3 мм проводят в кипящем слое непрерывно циркулирующим по замкнутому циклу воздухом, а скорость потребления § кислорода углем определяют по расхоел ду газа из уравнителя давления, требуемому для поддержания посто- НИНОЙ Концентрации кислорода в реакционном объеме. а о со со
..SU„„09 А
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
«««««
РЕСПУБЛИК
3(59 С 01 N 7/14, G 01 N 33/22
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
«
Н I««TOP«««O«IV «ЗОЩ««В««СТВ««!
° «Ь
°
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ (21) 3465968/23-26 .(22) 07.07.82 (.46) 15.12.83. Бюл. Ю 46 .(72) Э.М.Соколов, E.È.Çàõàðîâ, С.В.Шкловер, Н.М.Качурин, Н.Д.Левкин, И.В.Панферова и В.В.Кузнецов
/ (53) 543е822(088.8) (56) 1. ВЕселовский В.Ю. и др.
Физические основы самовозгорания угля и руд. M. "Наука", 1972, с. 36-41.
2. Саранчук В.И. и др, Теоретические основы самовозгорания угля. М., "Недра", 1976, с. 21- 22.
3. Патент США Р 3926563, кл. 23-255 E 1975.
4. Авторское свидетельство СССР
Р 575541, кл.G 01 N 7/14, 1977 ° (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ
АКТИВНОСТИ УГЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ
ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) Способ определения окислительной активности углей по скорости потребления кислорода путем низкотемпературного окисления исследуемой фракции угольных частиц при продувке их воздухом, о т л и ч а ю щ.и и с я тем, что, с целью повышения достоверности анализа за счет устранения влияния диффузионных процессов на окисление угля, окисление фракции угольных частиц размером 0,1-0,3 мм проводят в "кипящем слое" непрерывно циркулирующим по замкнутому циклу воздухом, а скорость потребления Е
О кислорода углем определяют по расходу газа из уравнителя давления, требуемому для поддержания посто- . янной концентрации кислорода в реакционном объеме.
1060991
2. Устройство для определения окислительной активности углей, содержащее реакционный сосуд, датчик и уравнитель давления, суммирующий и самопишущий приборы, о т л и ч аю щ е е е с я тем, что оно снабжено побудителем расхода воздуха с нагнетательным и всасывающим штуцерами, поглотителем газообразных продуктов окисления, а реакционный сосуд выпол-
Изобретение относится к фиэикохимическому анализу веществ, а конкретно к исследованию склонности углей к самовозгоранию в горном деле.
Известен способ определения химической активности углей по скорости сорбции кислорода пробой фракции
1-3 мм, Скорость поглощения кислорода при этом находят по изменению давления, и состава воздуха в герметичном реакционном сосуде Г1 g.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и,достигае- мому эффекту является способ опреде-. ления окислительной активности углей ..
Ф заключающийся в том, что пробу угля фракции 0,35-0,5 мм продувают воздухоМ с0 скоростьк 5 л/ч и измеряют изменение содержания кислорода в воздухе в процессе низкотемпературного окисления исследуемой фракции 20 по разности концентрации газа в свежей и исходящей струях прн нескольких значениях температуры. Затем с помощью уравнения Аррениуса рассчитывают константу скорости окисления, пред- 25 зкспоненциальный множитель и энергию активации 2 ).
Недостатком известных способов определения окислительной активности углей является то, что, в указанных условиях анализ химической активности углей по скорости сорбции не является достаточно достоверным, поскольку результаты исследования искажаются неучитываемыми диффузионн npo„ecc H и получаются Вани 35 женными, Это обусловлено тем, что окисление частиц угля размерами более
0,3-0,5 мм при обычных температурах протекает в диффузионной области, 40 т.е. процессом химического взаимо действия управляет внутренняя диффузия кислорода к реагирующим поверхностям угля. Если скорость притока кислорода к частицам угля мала и 4$ соизмерима со скоростью внутренней диффузии, как это имеет место в существующих способах, то лимитирупен в виде вертикально расположенной цилиндрической трубки, нижний конец которой соединен с нагнетательным штуцером побудителя расхода воздуха, всасывающий штуцер последнего подсоединен посредством переходника к датчику, к уравнителю давления и через поглотитель газообразных продуктов окисления — к верхнему концу трубки.
2 ющей стадией процесса окисления становится и внешняя диффузия кислорода.
Следовательно, в этих способах определения химической активности углей скорость поглощения кислорода определяется не столько интенсивностью химического взаимодействия, сколько скоростью внешнего и внутреннего массопереноса кислорода.
При этом на скорость сорбции кислорода влияют различные нехимические факторы: степень измельчения угля
t его диффузионная проницаемость и другие. Существенное значение в этих условиях. имеют условия загрузки угля в реакционный сосуд, что свидетельствует о неудовлетворительной воспроизводимости получаемых резуль- . татов..
Кроме того, характерной особенностью известных способов является непостоянство концентрации кислорода как во времени, так и в разных -сечениях сосуда, что также искажает результаты анализа.
Известны автоматические устройства, предназначенные для определения химической активности веществ по отношению к кислороду, содержащие реакционный сосуд, датчик и уравнитель давления, принцип действия которых сорван на компенсации убыли газа ,в ходе взаимодействия посредством периодического пополнения реакционного сосуда кислородом до восстановления требуемого давления (3 g.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения окислительной активности веществ, содержащее реактивный сосуд, датчик, и уравнитель давления, суммирующий и самопишущий, приборы Г4 .
Существующие устройства предназначены для исследования биохимической потребности в кислороде сточных вод и неприменимы для определения химической активности углей в режиме кинетического окисления, поскольку взаимодействие кислорода с углем, засыпанным в реакционный сосуд уст1060991 ройства, может протекать только.в диффузионной области.
Цель изобретения — повышение достоверности анализа. за счет устранения влияния диффузионных процессов на окисление угля.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения окислйтельной активности углей по скорости потребления кислорода путем низкотемпературного окисления исследуемой фракции угольных чаотиц при продувке их воздухом, окисление фракции угольных частиц размером
0,1-0,3 мм проводят в кипящем слое непрерывно циркулирующим по замкну-. 15 тому циклу воздухом, а скорость потребления кислорода углем определяют по расходу газа из уравнителя давления, требуемому для поддержания постоянной концентрации кислорода.® в реакционном объеме.
Предлагаемый способ реализуется устройством, содержащим реакционный сосуд, датчик и уравнитель давления, суммирующий и самопишущий приборы и снабженным побудителем расхода воздуха с нагнетательным и всасывающим штуцерами, поглотителем газообразных продуктов окисления, а реакционный сосуд выполнен в виде вертикально расположенной цилиндрической трубки, нижний конец которой соединен с нагнетательным штуцером побудителя расхода воздуха, всасывающий штуцер последнего подсоединен посредством переходника к датчику, к уравнителю дав- 35 ления и через поглотитель газообразных продуктов окисления — к верхнему концу трубки»
Особенностью взаимодействия кислорода с углем в "кипящем слое 4g является равнодоступность для газа угольных частиц. Равномерность окисления внутренних поверхностей частиц угля обеспечивается выбором для ис- следования угольной фракции 0,1-., 0,3 йм. Таким образом, окислейие мел-45 ких частиц угля,.находящихся во взвешенном состоянии, происходит в кинетической области, и скорость сорбции кислорода определяется только интенсивностью химического взаимодействия. 50
Постоянное содержание кислорода в реакционном блоке. поддерживают эа счет компенсации убыли газа при взаимодействии с углем. Компенсацию 55 ,потребления кислорода осуществляют автоматически посредством периодического пополнения реакционного
Объема кислородом из дополнительной емкости до восстановления первона-. g{) чального давления. Для исключения влияния газообразных продуктов окис-: ления на изменение давления в реакционном блоке предусмотрено погло- щение этих газов, Для получения показателей химической активности углей при их ниэкотемпературном окислении — константы скорости окисления.и энергии активации. — проводят серию из двух измерений скорости сорбции кислорода при двух значениях температуры в пределах начальной стадии окисления (до +60ОС). Причем измерения производят в изотермических условиях.
Константу скорости окисления К о и энергию рассчитывают по двум полученным значениям скорости сорбцни.
II u 02, соответствующим абсолютным температурам Т1 и Т . При этом решают систему двух уравнений Аррениуса
О„=у К exp ††(1)
U =рК ехр 2 0 .С йт2/ и получают расчетные зависимости т2 1 о=p "г е"р т -т 2 "1 3 (2) т1т 02
Е= — -Д- 2 (3) где p — плотность угля — универсальная газовая постоянная.
На чертеже изображена принципиальная схема устройства. устройство содержит реакционную ,цилиндрическую трубку 1, расположенную вертикально в замкнутом .воздушном канале, включающем побудитель расхода воздуха (воздуходувку) 2, который осуществляет циркуляцию воздуха в канале. Последовательно с реакционной трубкой 1 подключен поглотитель газообразных продуктов окисления 3, в качестве которого может быть использован барботажный сосуд.
Посредством переходника 4 к воздушному каналу подсоединены элементы измерительной части, включающей датчик давления контактного типа 5, смонтированный на базе жидкостного
Д-образного манометра 6, одно колено которого соединено с переходником 4, а другое — с изобарным сосудом 7, электронное реле 8, вход которого связан с выходом датчика давления 5,. а выход — с измерителем длительности импульсов (частотомером) 9 и уравнителем давления в качестве которого может быть использован электромагнитный клапан 10 с дополнительной емкостью с кислородом 11, соединенной с переходником 4. Частотомер 9 через суммирующий блок 12 и преобразователь 13 связан с самопишущим прибором 14. устройство работает следующим образом.
1060991
Частицы угля в реакционной трубке 1 взвешивают восходящим потоком воздуха, создаваемым воздуходувкой 2.
Требуемое качество "кипящего слоя" в трубке и первоначальное статическое давление а переходнике 4 (уровень жидкости в манометре 6) устанавливают с помо адью регуляторов расхода на всасывающей и нагнетательной сторонах побудителя расхода воздуха 2 (воздуходувки). 10
По мере потребления кислорода в химическом взаимодействии с углем давление воздуха в реакционном объеме уменьшается и уровень жидкости в колене манометра 6, соединенном с 15 воздушным каналом, поднимается и замыкает контакты, датчика давления 5.
Это вызывает срабатывание реле 8, которое замыкает цепь злектромагйита клапана 10. Клапан 10 открывается и пропускает кислород из дополнительной емкости 11, где он находится под избыточным давлением, в окислительную систему до тех пор, пока давление воздушной смеси не восстановится до первоначального уровня и опускающийся мениск жидкости в манометре 6 не разомкнет контакты датчика давления 5. В результате реле 8 выключается, цепь электромагнита обесточивается и клапан 8 закрывается. При этом, частотомером 9 измеряется длительность такта открытия клапана 8.
Общее время пеоепуска кислорода за период измерения пропорционально З5 количеству газа, израсходованному .на окисление. Оно подсчитывается суммирующим блоком 12 и с помощью преобразователя 13 передается для регистрации на самопишущий прибор 14.40
Благодаря наличию в устройстве поглотителя углекислого газа и иэобарного сосуда 7 результаты измерения не искажаются выделением газообразных продуктов окисления и колебаниями атмосферного давления. Чтобы исключить влияние изменений температуры на результаты анализа, предусмотрено расположение устройства в термостате.
Пример. Исследование окислительной активности углей проводится для трех различных образцов углей при температуре +25oC на предлагаемой установке.
Исследуемые угли измельчают, отбирают пробы фракций 0,1-0,2 и 0,20,3 мм массой 50 r и поочередно загружают в реакционную трубку диаметром
20 мм и высотой 400 мм.
Пробы угля с помощью воздуходувки продувают потоком воздуха со скоростью 10 и 15 л/мин, так что в реакционной трубке образуется "кипящий слой" угольных частиц.
Результаты исследования сведены в таблицу, Для получения сравнительных данных проводится анализ химической активности тех же образцов углей базовым методом, в качестве которого используется известный способ определения окислительной активности углей, заключающийся в том, что угольные частицы размерами 0,350,5 мм продувают воздухом с небольшой скоростью. Кроме того, для сравнения проведены исследования химической активности углей известным сорбционным методом, при котором не проводят продувку угольных частиц фракции 1-3 мм. Результаты также сведены в таблицу.
1060991 юи
70 Ц4 нхох ойдо. и хаъ
I3,IO Е И
О а И О х о хо о и хн
3»Ъ СЧ
Н» 4Ч
an an о а ч о
М М н
ch н» о о
М н»
»7Ъ »О
Н аО с с сч о
1О 1О Н
Н 07 ОЪ
Ю М
Ul Н
00 л
C) 00 и н с с
° 3 in
»»3 !
СЧ х юн ци оои ц О» х»
285m о
»»Ъ ИЪ о о с М о о
IA. aA»7Ъ о а
» о о
1 о н»
М о
Н1 00
IA Ю IA
3Ч <Ч (Ч с
О О О 3 1
Ch
IA
4Ч
% о
I7
I 1
1 ии .э
w x mo
Р» Х Х н» л г с о а (Ч
Ю М э о 1 9
1 Х
I д
1 Э
1 30
»"Ъ» Ъ о о о о
СР»37 о о
М М о о (Ч IA сч н
Ъ Ъ о о л
Н»3Ъ (О
М
О ЪО
1»3 а ! л
1 с
I. ФХ
I 3 Х
7Х о
3 и
7Х о к
М х !
» и х о»
Ф н
01
А»
Э 9
И 3
М K х х
PI PI
Н о о
Д 3» м ж
69.
l М Ц ! PI 3»
Ф
1 о !
М
»0 х н х и
P3 O"ъя о»х
Е»О ОХ ооха
Р» о» и
М И3 о о
М »
IA н н» о »ъ
0О
»»Ъ » о
Ю
IA и I о о
» » о о н1
Г Ъ
В
С7 еъ о
ОО о о о о
О»»Ъ
\ 1 н
IA ъ 3Ч (мЪ»Ч о .о о о
aA I 1
7»Ъ Н СЧ Н»
М М М о о о о
»»Ъ
1 н»! о
Я, III Dg
ЛИ М М
7 7PI
I 1
1 1
В 0
693
Pi X O ооа
I0 X V. 4Ч
М
l0 Х х х х I6
0! И
»О О»»»0
Э Э
37 Ц с оо
g vî
I0 K ох нн ии оэ и ,I
7 1
I
I
"1
I И
1 Э
1 Р» о
И о
R5
53 IL
И 3".
И 3
6 и и о и о и
3н
xv хо х
C P3 хй
0I 30
1
I
1 I
1
I
1
I
I
1
1. х н и
Ф
03
М о э х их v х х
МФ О дй х
9 34
» 7Ъ о
СЧ. »7Ъ с о аА
Cl
) (Л
» 7Ъ
% о о сч»ч н1 н» н»
М » М
СЧ (Ч <Ч
»»Ъ Ч) Ю о о о н» н» н»
% а Ь о о о со в о о о
М » о о о
7Х х
Н х
И
Х 1 1
М е о о о
М Ь о о а н и н
<Ч»»Ъ СЧ
» о о о
1 1
Н» 1Ч Н
\ » о о о
М
Ф х
3 х х х
К 9 х
P3 t» цо ох хи
Ф
1 Х Р3
3»Ъ
C) I
<Ч»7Ъ с о
7Х
3 х н и
Ф
Л э х д х х х
K 9
Х 3
Р\ И ао ох ди
tA
М о
In
РЪ
» о
7Х х
Я
М 9
И 33 х о ч (Ч С Ъ
М с о о
I 1 н Гч
М о о
3 (Ч »7Ъ с с о о
1 1 и сч
М о о
1060991
Составитель О. Чернуха
Редактор Л. Авраменко Техред t),Кузьма Корректор О. Билак
10078/44 Тираж 471 Подписное
Заказ
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4
Анализ экспериментальных данных указывает на существенное отличие результатов исследований предлагаемым методбм от результатов, полученных базовым.и известным методами.
При этом скорость сорбции кислорода, измеренная без продувки частиц угля размерами 1-3 мм, для всех трех образцов получается наименьшей по сравнению с результатами, полученными другими методами, а скорость сорбции, измеренная базовым методом меньше, чем предлагаемым. В то же время при исследовании предлагаемым методом установлено, что степень измельчения и скорость воздуха в 15 реакционной трубке при наличии
"кипящего слоя" угольных частиц размерами. менее 0;3 мм практически не влияет на интенсивность поглощения кислорода.
Полученные зависимости подтверждают положение о том, что окисление угля в условиях известных методов ограничено скоростью диффузионных процессов, причем влияние диффузии Я будет тем больше, чем крупнее частицы угля и меньше скорость про; дувки пробы, а в предлагаемом методе интенсивность взаимодействия. не зависит.от процессов массопереноса. Таким образом, показано, что эа счет устранения влияния диффузионных процессов и создания: условий протекания окисления в кинетической области достигаетсю повышение досто- верности анализа окислительной актив- З5 ности углей.
Проверочный анализ газовых проб, отобранных из воздушного канала в ходе анализа предлагаемым методом показывает, что изменения концентра- 40 ции кислорода в процессе исследования весьма несущественны, что подтверждает эффективность используемого принципа поддержания постоянства содержания кислорода. Техническое решение предлагаемого устройства несложно и не требует дефицитных и дорогостоящих приборов и материалов. Благодаря простоте конструкции и использованию серийно выпускаемых промышленностью приборов оно надежно в эксплуатации и несложно в ремонте.
ИСПользование предлагаемого способа определения окислительной активности углей и устройства для его осуществления имеет следующие преимущества: повышается достоверность исследования за Счет устранения влияния неучитываемых диффузионных процессов, снижающих результаты анализа, результаты исследования имеют лучшую воспроизводимость, что объясняется отсутствием в предлагаемом способе зависимости скорости сорбцни кислорода от внешних факторов, повышается точность анализа за счет обеспечения постоянной концентрации кислорода в процессе исследования, существенно снижается .трудоемкость исследований вследствие устранения необходимости отбора и анализа проб воздуха.
Таким образом, предлагаемый способ и осуществляющее его устройство могут использоваться для проведения более достоверного анализа окислительной, активности угля с целью прогноза склонности его к окислению и самовозгоранию, а также для изучения строения угля.