Способ определения окислительной активности углей и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01N7/14 G01N33/22 

2. Устройство для определения окислительной активности углей, содержащее реакционный сосуд, 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 выполнен в виде вертикально расположенной цилиндрической трубки, нижний конец которой соединен с нагнетательным штуцером побудителя расхода воздука, всасывающий штуцер последнего подсоединен посредством переходника к датчику, к уравнителю давления и через поглотитель газообразных продуктов окисления - к верхнему концу трубки.

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

Изобретение относится к физикохимическому анализу веществ, а конкретно к исследованию склонности уг лей к самовозгоранию в горном деле, Известен способ определения хими ческой активности углей по скорости сорбции кислорода пробой фракции 1-3 мм. Скорость поглощения кислорода при этом находят по изменению давления, и состава воздуха в герматичном реакционном сосуде ClJ. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ опреде ления окислительной активности угле заключающийся в том, что пробу угля фракции 0,35-0,5 мм продувают возду хом со скоростью 5 л/ч и измеряют изменение содержания кислорода в воздухе в процессе низкотемпературного окисления исследуемой фракции по разности концентрации газа в све жей и исходящей струях при нескольк значениях температуры. Затем с помо щью уравнения Аррениуса рассчитываю константу скорости окисления, предэкспоненциальный множитель и энерги активации С2 . Недостатком известных способов определения окислительной активност углей является то, что, в указанных условиях анализ химической активности углей по скорости сорбции не является достаточно достоверН1Ф1, поскольку результаты исследования искажаются неучитываемыми диффузион ными процессами и получаются заниженными .. Это обусловлено тем, что окисление частиц угля размерами более 0,3-0,5 мм при обычных температурах протекает в диффузионной области, т.е. процессом химического взармодействия управляет внутренняя диффу зия кшглорода к реагирующим поверхностям угля. Если скорость притока кислорода к частицам угля мала и соизмерима со скоростью внутренней диффузии, как это имеет место в существующих способах, то лимитируйщей 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, его диффузионная проница лость и другие. Существенное значение в этих условиях, имеют условия загрузки угля в реакционный росуд, что свидетельствует о неудовлетворительной вocпpoизвoди юcти получаемых результатов, . 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 СзJ, Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения окислительной активности веществ, содержащее реактивный сосуд, датчик, и уравнитель давления, суммирующий и самопишущий .приборы Г4, Существукицие 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 устройства, может протекать тольков диффузионной области. Цель изобретения - повышение достоверности анализа- за счет устра нения влияния Диффузионных процессо на окисление угля. Поставле нная цель достигается тем, что согласно способу определения окислительной активности углей по скорости потребления кислорода путем низкотемпературного окисления исследуемой фракции угольных частиц при продувке их воздухом, окисление фракции угольных частиц размером 0,1-0,3 мм проводят в кипящем слое непрерывно циркулирующим по замкнугтому циклу воздухом, а скорость потребления кислорода углем определяют по расходу газа из уравнителя давления, требуемому для поддержания постоянной концентрации кислород 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 О1{исления, а реакционный сосуд выполнен в виде вертикально расположенной цилиндрической трубки нижний конец которой соединен с нагнетательным штуцером побудителя расхода воздуха, всасывающий штуцер пос леднего подсоединен посредством пере ходника к датчику, к уравнителю давления и через поглотитель газообразных продуктов окисления - к верхнему концу трубки. Особенностью взаимодействия кислорода с углем в кипящем слое является равнодоступность для газа угольных частиц. Равномерность окисления внутренних поверхностей частиц угля обеспечивается выбором для исследования угольной фракции 0,1-., 0,3 им. Таким образом, окисление мел ких частиц угля, находящихся во взве шенном состоянии, происходит в кинетической области, и скорость сорбции кислорода определяется только интенсивностью химического взаимодействия Постоянное содержание кислорода в реакционном блоке поддерживают за счет компенсации были газа при )взаимодёйствии с -углем. Компенсацию ютреблеиия кислорода осуществляют автоматически посредством периодического пополнения реакционного объема кислородом из дополнительной емкости до восстановления первонёбального давления. Для исключения влияния газообразных продуктов окисления на изменение давления в реакционном блоке предуоиотрено поглощение этих газов. Для получения показателей химической активности углей при их низкотемпературном 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°С). Причем измерения производят в изотермических условиях. Константу скорости окисления К и энергию рассчитывают по двум полученным з.начениям скорости сорбции и И Us соответствующим абсолютным температурам 3 и Т. При этом реша-i ют систему двух уравнений Аррениуса U) .(-Rir) и получают расчетные зависимости 2-,Чт.) 2 / VT/ U7 где р - плотность угля,R - универ,сальная 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 воздуш- каналу подсоединены элементы измерительной части, включающей датчик давления контактного , смонтированный на базе жидкостного У-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 инотульсов (частотомером) 9и 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.

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 noMOJibro регуляторов расхода на всасывающей и нагнетательной сторонах побудителя расхода воздуха 2 (воздуходувки).

По мере потребления кислорода в химическом взаимодействии с углем давление воздуха в реакционном объеме уменьшается и уровень жидкости в колене манометра 6, соединенном с воздушным каналснх, поднимается и замыкает контакты-датчика давления 5 Это вызывает срабатывание реле 8, которое замыкает цепь электромагнита 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 количеству газа, израсходованному -На окисление. Оно подсчитывается суммирующим блоком 12 и с помощью преобразователя 13 передается для регистрации на самопишущий прибор 14

Благодаря наличию в устройстве поглотителя углекислого газа и -изобарного 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 на предлагаемой установке.

Исследуемые угли измельчают, отбирают пробы фракций 0,1-0,2 и 0,20,3 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 0,350,5 мм продувают воздухом с небольшой скоростью. Кроме того, для сравнения проведены исследования химической активности углей иэвестньш сорбционным методом, при котором не проводятпродувку УГОЛЬНЫХ частиц фракции 1-3 мм. Результаты также

сведены в таблицу.

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 реакционной трубке при наличии кипящего слоя угольных частиц размерами менее 0/3 мм практически не влияет на интенсивность поглсяцения кислорода.

Полученные зависимости подтверждают положение о том, что окисление угля в. условиях известных методов ограничено скоростью диффузионных процессов, причем влияние диффузии будет тем больше, чем крупнее частицы угля и меньше скорость про,дувки пробы, а в предлагаемом метод интенсивность взаимодействия не завсит от процессов массопереиоса. Таким образом, показано, что за счет устранения влияния диффузионных процессов и создания условий протекания окисления в кинетической области достигается повышение достоверности анализа окислительной актиности углей.

Проверочный анализ газовых проб, отобранных из воздушного канала в ходе анализа предлагаемым методом показывает, что изменения концентрации кислорода в процессе исследования весьма несущественны, что подтверждает эффективность используемого принципа поддержания постоянса ва содержания кислорода. Техническое решение предлагаемого устройства несложно и не требует дефицитных и дорогостоящих приборов и материалов. Благодаря простоте конструкции и использованию серийно

0 вьшускаемых промышленностью приборов оно надежно в эксплуатации инесложно 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, снижагацих результаты анализа, результаты исследования имеют лучшую воспроизводимость, что объясняется отсутствием в предлагаемом способе зависимости скорости сорб/ ции кислорода от внешних факторов, повышается точность анализа за счет обеспечения постоянной концентрации кислорода в процессе исследования, существенно снижается трудоемкость исследований вследствие устранения

0 необходимости отбора и анаЛиза проб воздуха.

Таким образом, предлагаемый способ и осуществляющее его устрой5 ство могут использоваться для проведения более достоверного анализа окислительной активности угля с целью прогноза склонности его к окислению и самовозгоранию, а также для изуче0 ния строения угля.