Способ определения окислительной активности углей и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХО,"ВВМОЮЕСНИКРЕСПУБЛИК ЗОБР ИСА ВТОРСНОМУ С 9 46И.Захаров,урин,ерова В.Ю. и др.амовозгоран ка", 1972,и др, Теоретирания угля. М-22.926563,етельство ССС7/14, 1977е О оГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ(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 й 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, аскорость потребления кислорода углем определяют по расх ду газа из уравнителя давления, требуемому для поддержания постоянной 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 1Изобретение относится к фиэикохимическому анализу веществ, а конкретно к исследованию склонности углей к самовозгоранию в горном деле.Известен способ определения кимической активности углей по скоростисорбции кислорода пробой фракции1-3 мм, Скорость поглощения кислорода при этом находят по изменениюдавления, и состава воздуха в герметичном реакционном сосуде Г.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности и,достигае-мому эффекту является способ определения окислительной активности углейФзаключающийся в том, что пробу угляфракции 0,35-0,5 мм продувают воздухом со скоростьк 5 л/ч иизмеряютизменение содержания кислорода ввоздухе в процессе низкотемпературного окисления исследуемой фракции 20по разности концентрации газа в свежей и исходящей струях прн несколькихзначениях температуры. Затем с помощью уравнения Аррениуса рассчитываютконстанту скорости окисления, предзкспоненциальный множитель и энергиюактивации 2 ,Недостатком известных способовопределения окислительной активностиуглей является то, что, в указанныхусловиях анализ химической активности углей по скорости сорбции неявляется достаточно достоверным,поскольку результаты исследованияискажаются неучитываемыми диффузионн . процесс, и и получаются Вани 35женными,Это обусловлено тем, что окисление частиц угля размерами более0,3-0,5 мм при обычных температурахпротекает в диффузионной области, 40т.е. процессом химического взаимодействия управляет внутренняя диффузия кислорода к реагирующим поверхностям угля. Если скорость притокакислорода к частицам угля мала и 45соизмерима со скоростью внутреннейдиффузии, как это имеет место всуществующих способах, то лимитирупен в виде вертикально расположенной цилиндрической трубки, нижнийконец которой соединен с нагнетательным штуцером побудителя расхода воздуха, всасывающий штуцер последнегоподсоединен посредством переходникак датчику, к уравнителю давления ичерез поглотитель газообразныхпродуктов окисления - к верхнемуконцу трубки,2ющей 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 угляУ его диффузионная проницаеуюсть и другие. Существенное значение в этих условиях. имеют условия загрузки угля в реакционный сосуд, что свидетельствует о неудовлетворительной воспроизводимости получаемых результатовКроме 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 .Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения окислительной активности веществ, содержащее реактивный сосуд, датчик, и уравнитель давления, суммирующий и самопишущий, приборы Г 4.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 уст(2) ройства, может протекать только вдиффузионной области,Цель изобретения - повышениедостоверности анализа за счет устранения влияния диффузионных процессовна окисление угля.5Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу определения окислйтельной активности углейпо скорости потребления кислородапутем низкотемпературного окисления 0исследуемой фракции угольных чаотицпри продувке их воздухом, окислениефракции угольных частиц размером0,1-0,3 мм проводят в кипящем слоенепрерывно циркулирующим по замкну-, 15тому циклу воздухом, а скоростьпотребления кислорода углем определяют по расходу газа из уравнителядавления, требуемому для поддержания постоянной концентрации кислорода 20в реакционном объеме.Предлагаемый способ реализуетсяустройством, содержащим реакционныйсосуд, датчик и уравнитель давления,суммирующий и самопишущий приборы иснабженным побудителем расхода воздуха с нагнетательным и всасывающимштуцерами, поглотителем газообразныхпродуктов окисления, а реакционныйсосуд выполнен в виде вертикальнорасположенной 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 верхнемуконцу трубки,Особенностью взаимодействиякислорода с углем в "кипящем слое 40является равнодоступность для газаугольных частиц. Равномерность окисления внутренних поверхностей частицугля обеспечивается выбором для .ис-следования угольной фракции 0,1-.,0,3 мм. Таким образом, окислейие мел ких частиц угля,.находящихся во взвешенном состоянии, происходит в кинетической области, и скорость сорбциикислорода определяется только интенсивностью химического взаимодействия. 50 Постоянное содержание кислорода в реакционном блоке. поддерживают эа счет компенсации убыли газа при вза" имодействии с углем. Компенсацию 55 ,потребления кислорода осуществляют автоматически посредством периодического пополнения реакционного Объема кислородом из дополнительной емкости до восстановления первона-. щ 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 +60 ОС). Причем измерения производят в изотермических условиях, Константу скорости окисления К о и энергию рассчитывают по двум полученным значениям скорости сорбцни 0 и У 2, соответствующим абсолютным температурам Т 1 и Т. При этом решают систему двух уравнений Аррениуса.2 о, ЯТ 2 / и получают расчетные зависимости ТТЕ- "Я - -ф- Е . (3)где У - плотность угляЯ - универсальная газоваяпостоянная,На чертеже изображена принципиальная схема устройства.устройство содержит реакционную,цилиндрическую трубку 1, расположенную вертикально в замкнутом,воздушном канале, включающем побудительрасхода воздуха (воздуходувку) 2,который осуществляет циркуляцию воздуха в канале. Последовательно с реакционной трубкой.1 подключен поглотитель газообразных продуктов окисления 3, в качестве которого можетбыть использован барботажный сосуд.Посредством переходника 4 к воздушному каналу подсоединены элементыизмерительной части, включающей датчик давления контактного типа 5,смонтированный на базе жидкостного3-образного манометра б, одно коленокоторого соединено с переходником 4,а другое - с изобарным сосудом 7,электронное реле 8, вход которогосвязан с выходом датчика давления 5,.а выход - с измерителем длительностиимпульсов (частотомером) 9 и уравнителем давления в качестве которогоможет быть использован электромагнитный клапан 10 с дополнительной емкостью с кислородом 11, соединенной спереходником 4. Частотомер 9 черезсуммирующий блок 12 и преобразователь 13 связан с самопишущим прибором 14устройство работает следующимобразом.Частицы угля в реакционной трубке 1 взвешивают восходящим потоком Ьоэдуха, создаваемым воздуходувкой 2, Требуемое качество "кипящего слоя" в трубке и первоначальное статическое давление в переходнике 4 (уровень жидкости в манометре б) устанавливают с помощю регуляторов расхода на всасывающей и нагнетатель-" ной сторонах побудителя расхода воздуха 2 воздуходувки). 10По мере потребления кислорода в химическом взаимодействии с углем давление воздуха в реакционном объеме уменьшается и уровень жидкости в колене манометра б, 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 35 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,П р и м е р, Исследование окислительной активности углей проводится для трех различных образцов углей при температуре +25 ОС на предлагаемой установке.Исследуемые угли измельчают, отбирают пробы Фракций 0,1-0,2 и 0,2- 0,3 мм массой 50 г 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 0,35- 0,5 мм продувают воздухом с небольшой скоростью. Кроме того, для сравнения .проведены исследования химической активности углей известным сорбционным методом, при котором не проводятпродувку угольных частиц фракции 1-3 мм. Результаты также сведены в таблицу.1060991 ао м Ц нхох ойдо. о ха ао к;3 о аоо х о хо ооы цЪ Ч ,-чс цЪ цЪ о чн н нсч ч ч О О н о н н м н о о с с н м О н ю с с ч о р ф нн есц) н н 00 л с оЧ Л сч н о о лН Л ООсо ч 11. 3 ф хц ох нн оо ое О О1с . ФХ3 х В о к о ф о к М хо х а Э н х 6 ас Э 6 и 3 М Ж х х ф ф Ц Ц о о Д И х х 56.1 Х Кф И рь 6 М1 оХ ф с О х н х о ф о"ъз ах цо ох оохз аао М И о о с цЪ цЪ и н3 ЭО фио ооа ахич.хх хххх ео аОЭ ЭЦоох оо 1 1 1 1 111 1 1 11 111 1,х н о Э ф М о6 Хих фох хМФд о6 Х м о ОО со о ОЪ с о 1 Л мо ххНИ1 т О е 6 Х я х х х К 6 х к ф И цо ох и о Э 1 Х ф Р) с о 1 ч м с о:х з х н о Ф К Л с о 1 цЪ мо э х д х х х М 6 х к ф И цо ох до В х Я М 6 И М хо т ч м с с о о 1 1 и ч с с о о1060991 20 Составитель О, ЧернухаРедактор Л, Авраменко Техред 11,Кузьма Корректор О. Билак 10078/44 Тираж 471 Подписное Заказ ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 филиал ППП "Патентф, г. ужгород, ул. Проектная, 4 Анализ экспериментальных данныхуказывает на существенное отличиерезультатов исследований предлагаемым методбм от результатов, полученных базовым и известным методами,При этом скорость сорбции кислорода,измеренная без продувкичастиц угляразмерами 1-3 мм, для всех трехобразцов получается наименьшей посравнению с результатами, полученными другими методами, а скоростьсорбции, измеренная базовым методомменьше, чем предлагаемым. В то жевремя при исследовании предлагаемымметодом установлено, что степеньизмельчения и скорость воздуха в 15реакционной трубке при наличии"кипящего слоя" угольных частиц размерами. менее 0;3 мм практически невлияет на интенсивность поглощениякислорода.Полученные зависимости подтверждают положение о том, что окислениеугля в условиях известных методовограничено скоростью диффузионныхпроцессов, причем влияние диФфузии 25будет тем больше, чем крупнеечастицы угля и меньше скорость про;дувки пробы, а в предлагаемом методеинтенсивность взаимодействия. не зависит.от процессов массопереноса. Таким образом, показано, что эа счетустранения влияния диффузионныхпроцессов и создания: условий протекания окисления в кинетической области достигаетоя повышение досто-верности анализа окислительной актив. З 5ности углей,Проверочный анализ газовых проб,отобранных из воздушного канала входе анализа предлагаемым методомпоказывает, что изменения концентра 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 эа 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.