Способ определения марочного состава каменных углей Советский патент 1983 года по МПК G01N27/02 

1 Изобретение относится к физикохимическим исследованиям, конкретне к исследованию состава горных пород и может найти широкое применение, например, на шахтах и в лабораторны углеразеедочных организациях для промышленной классификации ископаем углей по маркам. Известен способ определения маро го состава углей по величине их удельного сопротивления постоянному электрическому току. Способ основан на зависимости между марочным соста вом углей и их электропроводностью Ul 3 Однако вследствие слабой дифферен ции по электропроводности каменных углей различного марочного состава разделение последних по маркам с помощью данного параметра в большинс ве случаев не дает удовлетворитель. ных результатов. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения марочного состава углей, заключающийся в том, что к образцу в виде плоскопараллельных пластин прикладываютпеременное электрическое поле, нагре вают образец с постоянной скоростью и регистрируют по температурной зави симости электропроводности образца. На основании зависимости находят величину максимального значения удельного электрического сопротивлен образца, и по этой величине судят о степени преобразования органического вещества. В основу этого способа положено установленное экспериментальным путем четкое различие по величине максимального значения удельного электрического сопротивления разных видов твердого топлива - образцов каменного угля, бурого угля и горючего сланца 2 Однако из-за низкой чувствительчести и большой флуктации указанного физического параметра, вызванной существенным влиянием на него ряда внешних факторов, не связанных с физико-химическими особенностями, и структурой органического вещества, уверенная диагностика марочного состава кам.енны)5 углей по величине максимального значения удельного электр ческого сопротивления практически HeBO3hpmHa. Цель изобретения - повышение точности определения марки угля. 2 Поставленная цель достигается тем, что, согласно способу определения марочного состава каменных углей, заключающемуся в том, что образцу в виде плоскопараллельной пластины прикладывают переменное электрическое поле, нагревают образец с постоянной скоростью и регистрируют темпедатурную зависимость его электропроводности. Но .максимуму которой находят физический параметр, позволяющий судить о степени преобразования органического вещества, перед прикладыванием поля пробу исследуемого угля предварительно вакуумируют и охлаждают до минимума электропроводности, а для установления марки каменного угля используют температуру максимального значения электроп роводности. Вакуумирование прежде всего- десорбирует летучие компоненты, физически связанные с твердой фазой угля, и исключив тем самым их влияние на электрические процессы, протекающие в объеме образца, повышает чувствительность измеряемых электрических параметров угольного вещества к особенностям его молекулярной структуры, закономерно изменяющейся в процессе природной углефикации ( метаморфизма) при переходе от одной марки каменного угля,к другой. Кроме того, Вакуумирование нагреваемого образца угля способствует быстрому отводу из его объема газов, выделяющихся под воздействием на него температуры, и тем самым не допускает взаимодействия последних со свободными связями, образовавшимися при термодеструктивных процессах угольного вещества, что в свою очередь обеспечивает получение более достоверной термической зависимости электропроводности угля при его нагревании. Переход в область низких,темпераур позволяет стабилизировать распрееление сформировавшихся в угольной ассе.свободных носителей зарядов приводит к заполнению ими энергеических ловуше-к, максимальная глубиа которых возрастает с повышением емпературы образования угля, т.е. увеличением степени углефикации рганического вещества. Поэтому высобождение всех этих зарядов при наревании вакуумированного угольного

3l

образца, осуществляемое только при достижении энергии, сравнимой с энергией выхода из ловушки, будет проис.ходить при температурах тем больших, мем выше стадия метаморфизма угля. А так как моменту выхода всех носителей зарядов из ловушек соот етствует максимум тока, то-величина температуры этого максимального значения тока должна характеризовать степень метаморфизма или марочный состав каменных углей.

Пример определения марочного состава каменных углей. Образец угля, представляющий собой плоскопараллельную пластинку толщиной 1-1,510 м, помещают в герметичную камеру, вакуумируют примерно до 1,3-10 Па, охлаждают жидким азотом до температуры порядка 170 К при которой подвижность электрических зарядов практически отсутствует; а затем к образцу прикладывают переменное электрическое поле с частотой 20-30 Гц и напряженностью до 100 В/см. После этого, выдержав образец некоторое время под напряжением при низкой температуре, нагревают его с постоянной скоростью, равной 2-3 град/мин, регистрируют изменение электрического тока, судят о марке исследуемого углн.

На чертеже приведена серия кривых температурной зависимости электропроводности.

Jля наблюдения приведенных кривых используется специальная лабораторная установка, основными элементами, которой является криостат, снабженны высокоомными электровводами и соединенный с вакуумной системой, и измерительная аппаратура. Нагревание образца с постоянной скоростью осуществляется при помощи микроэлектропечки. В качестве регистрирующего прибора используется двухкоординатный самопишущий потенциометр.

Изменение электропроводности вакуумированного угля при повышении его температуры с физической точки зрения можно объяснить следующим образом.

По мере увеличения температуры электропроводность- угля возрастает как.за счет увеличения подвижности ионов, так и за счет возрастания количества свободных радикалов, образующихся вследствие отрыва периферийных групп молекулы при нагревании

24

образца. При достижении определенной температуры, величина которой

Зависит от степени метаморфизма угля, электропроводность образца достигает своего максимального значения, что связано с высвобождением носителей зарядов, предварительно локализован ных на ловушках, а также с возбуждением в веществе процесса термической деструкции. Дальнейший рост темпе-v ратуры каменного угля приводит сначала к некоторому понижению его электропроводности, вызванному поглощением носителей тока при структурномолекулярных превращениях угольного вещества, а затем к увеличению его электропроводности. Это вторичное возрастание тока, начинающее пример- но с К, вызвано, во-первых усилением термической деструкции, приводящей к более интенсивному росту числа свободных радикалов, а вовторых, возникновением в у г ле -электронов, обуславливающих посте- пенный переход ионной проводийости в электронную.

Температура, при которой наступает, максимум тока, совпадает с максимальной температурой, до которой нагревается уголь в процессе своего формирования, т.е. с температурой, обусловлившей определенные особенности молекулярной структуры и физикохимические свойства угольного вещества. Поэтому каменным углям разных марок, характеризующимся разными температурными условиями образования, будут соответствовать разные температуры максимального значения их электропроводности. При этом чем выше марка каменного угля, тем при большей температуре начинаются в угле необратимые термические превращения, непосредственно связанные с температурой углеообразования, и тем выше, следовательно, температура максимума тока.

Как видно из чертежа, на всех кривых температурной зависимости : электропроводности отмечается точка максимума тока или точка перегиба кривой, характерной особенностью которой является смещение ее в области возрастающих температур при переходе к более метаморфизованным углям. Так, для исследованного образца угля марки Д эта критическая точка находится в пределах температуры

S 10it51026

368 К, для угля марки Г она сме-Таким образом, по температурщается к температуре 388 К, для угляной зависимости электропроводносмарки Ж ей отвечает температурати угольных проб, а точнее по

К, а дли еще более метаморфиэо-величине температуры максимума

ванных каменных углей (марки К, ОС.5 этой зависимости можно довольно

т) температура максимума тока соот-точно установить марку каменноветственно составляет порядка А23,го угля различной степени мета 438 и 63 К.морфизма.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАРОЧНОГО СОСТАВА КАМЕННЫХ УГЛЕЙ, заключающийся в том, что к образцу в. виде плоско параллельной пластины прикладывают переменное электрическое поле, нагревают образец с постоянной ско-: ростью и непрерывно определяют температурную зависимость электропроводности, отличающий ся тем, что, с целью повышения точности определения, перед прикладыванием переменного электрического поля об-разец вакуумируют и охлаждают до минимального значения -электропроводности, а марочный состав определяют по температуре максимального значения электропроводности. ffffS pi, t