В статье приводятся данные экспериментального исследования теплофизических характеристик бурого угля Ангренского месторождения, используя предложенный метод на основе квазистационарного теплового режима, сущность которого состоит в измерении температурного перепада на окружающий образец.
Ключевые слова: бурый уголь, квазистационарный тепловой режим, диатермическая оболочка, эффективная теплоемкость, теплопроводность угля, пиролиз, синтез-газ.
Наиболее перспективными процессами переработки природного газа и твердых горючих ископаемых c целью получения жидких и твердых углеводородов являются их предварительное превращение в синтез-газ и последующий синтез из него углеводородов либо кислородсодержащих соединений.
Строгая экономия энергоресурсов возродила интерес ученых и промышленников к использованию альтернативного нефти сырья. Здесь первое место, бесспорно, принадлежит углю. Мировые запасы угля огромны, они, по различным оценкам, более чем в 50 раз превосходят нефтяные ресурсы, и их может хватить на сотни лет. Нет никаких сомнений, что в обозримом будущем использование синтез-газа будет играть ключевую роль не только и не столько для производства “угольных” топлив (здесь трудно пока конкурировать с нефтяным топливом), но прежде всего для целей органического синтеза. В связи, с чем значение процесса газификации снова стало возрастать.
В связи с этим перед авторами была поставлена задача исследования теплофизических характеристик бурого угля Ангренского месторождения как альтернативного источника получения синтез-газа.
Количество экспериментальных методов, применяемых для определения теплофизических характеристик твердых тел, в настоящее время достаточно много [1,2]. В то же время число методов, пригодных и действительно применяемых для определения теплоемкости, тепло — и температуропроводности твердых горючих ископаемых, сравнительно невелико, хотя они и разнообразны.
Все многообразие существующих методов нахождения коэффициентов тепло — и температуропроводности, а отчасти также методов определения теплоемкости основано на решениях дифференциального уравнения теплопроводности и уравнения Фурье:
(1)
(2)
Широкие возможности для изучения теплофизических свойств твёрдых топлив открывают методы квазистационарного теплового режима. Достоинством этих методов является легко осуществимая возможность широкотемпературных измерений. Квазистационарный режим, предполагающий линейное изменение температуры любой точки тела во времени, является переходным между начальным чисто нестационарным и последующим стационарным режимами.
Опыт по определению коэффициентов теплоёмкости, теплопроводности методом квазистационарного теплового режима сводится к измерению фактической скорости нагрева b и градиента температуры. Последний, вследствие предполагаемого его постоянства, заменяется обычно конечной разностью температур Tмежду двумя точками, удаленными на разное расстояние от оси симметрии тела.
Испытуемый образец в этом случае заключается в оболочку из материала с известными теплофизическими свойствами. В ходе опыта при линейном изменении температуры на поверхности оболочки измеряются температурные перепады в образце и на оболочке.
Одним из методов квазистационарного теплового режима по определению теплофизических величин является метод диатермической оболочки. Он удобен для измерения теплоемкости твердых горючих ископаемых в процессе пиролиза, так как позволяет за один опыт определить температурную зависимость эффективной теплоемкости и теплопроводности в широком температурном интервале [3].
Расчетная часть рассматриваемого метода сильно упрощается при использовании в качестве эталонного образца вещество с известными теплофизическими свойствами. В нашем случае чистый глинозем Al2O3.
Сущность метода состоит в измерении температурного перепада на окружающих образец и испытуемый материал оболочках из плохо проводящего материала и в самой толще образца и эталона в процессе нагрева системы с постоянной скоростью (т. е. в квазистационарном режиме).
Расчетная формула для теплоемкости имеет вид:
(3)
где Сэ — теплоемкость эталона при температуре Тэ; тэ — масса эталона;
тх — масса образца; Т1 — температурные перепады на оболочках. Значения Сэ и Т1э принимаются для средней температуры эталона, равной средней температуре образца.
Коэффициент теплопроводности определяется также сравнительным методом по известной теплопроводности материала, помещенного в «эталонный» стакан:
(4)
где Т2 — перепад температуры в испытуемом веществе или эталоне. В формуле (3) значения тх подставляютсяисправленные с учетом потери массы при пиролизе. Для этого используются данные о кинетике выделения летучих веществ при соответствующей скорости нагрева, полученные в отдельном опыте на модуле — деревотографе с микровесами, предназначенном для термогравиметрического анализа (ТГА) (рис.1).
Рис. 1. Динамика снижения массы угля Ангренского месторождения при его нагреве
Исходным материалом для опыта приняты длиннопламенные слабоспекающиеся бурые угли Ангренского месторождения (табл. 1).
Таблица1
Средние показатели качества исходного угля, %
|
Ситовый состав |
Технический состав |
|||||||||||
|
+40 |
40–20 |
20–10 |
10–5 |
5–0 |
С |
Н |
S |
N |
О |
Wr |
Ad |
Vdaf |
|
27,3 |
50,2 |
13,0 |
6,2 |
3,1 |
53 |
5,2 |
0,37 |
1,59 |
16,73 |
9,1 |
13,5 |
42,1 |
По результатам измерений путем подставления значений в выражение (4) были получена зависимость теплоемкости от температуры, представленная на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость теплоемкости угля Ангренского месторождения от температуры
При сравнении кривой теплоёмкости (рис.2) с кривыми других слабоспекающихся углей наблюдается менее интенсивный рост коэффициента теплоёмкости на участке 50 ч 350С.
Четко выраженный эндотермический максимум в точке около 500С характерен для любых каменных углей, причем эффективная теплоемкость при данном эффекте слабоспекающихся углей значительно превышает теплоемкость газовых углей [4]. Аналогично коэффициенту теплоемкости согласно формуле (4) были получены значения коэффициента теплопроводности, представленные в таблице 2.
Таблица 2
Экспериментальные значения коэффициента теплопроводности
|
t, C |
50 |
150 |
250 |
350 |
450 |
550 |
600 |
|
, ВтмС |
0,124 |
0,146 |
0,17 |
0,183 |
0,19 |
0,23 |
0,26 |
Как правило, для большинства видов твердого топлива структурирование пластической массы проявляется на кривой в виде экзотермического максимума на фоне в целом эндотермического процесса. Характерно, что у углей (в нашем случае бурый уголь Ангренского месторождения) этот эффект проявляется слабо или вовсе отсутствует. Как и следовало ожидать, суммарный тепловой эффект реакции пиролиза отрицателен.
В заключение следует отметить, что в результате проведения оценки пределов погрешностей измерительной системы, попределам допускаемых основных и дополнительных погрешностей средств измерения получено значение общей среднеквадратической максимально-допустимой погрешности измерительной системы ис= 1,34 %, что считается вполне допустимой и приемлемой для дальнейшего использования результатов опыта в научных исследованиях.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:
- При сравнении кривой теплоёмкости бурого угля Ангренского месторождения с кривыми других бурых углей наблюдается менее интенсивный рост коэффициента теплоёмкости на участке 50 ч 350С. Однако четко выраженный эндотермический максимум в точке около 500С характерен для любых бурых углей, причем эффективная теплоемкость при данном эффекте значительно превышает теплоемкость газовых углей. Различия в абсолютных значениях эффективной теплоемкости этих, в целом близких по свойствам углей, объясняются, по-видимому, разным содержанием минеральных примесей в принятых для исследования пробах.
- При сравнении кривой теплопроводности бурого угля Ангренского месторождения с кривыми других длиннопламенных углей очевидно меньшее значение коэффициента теплопроводности по всему интервалу температур. Влияющим фактором, как и в случае с теплоемкостью, по-видимому, является зольность топлива.
- Суммарный тепловой эффект реакции пиролиза отрицателен.
Литература:
- Каримов А. А., Хидирова Г. А., Шакиров А А., Бабаходжаев Р. П., Мукольянц А. А. Изучение гидродинамики двухфазного фонтанирующего слоя в коническом аппарате. //EUROPEAN APPLIED SCIENCES. — 2014. — № 3. — С.96–100.
- Никифоров A. C., Калиакпаров А. Г., Жумагулов М. Г., Никонов Г. Н. Экспериментальное изучение теплофизических свойств Шубаркольского угля.//Вестник ИнЕУ. -2007. -№ 2. — С. 106–111.
- Сучков С. И. О возможности эффективного решения проблем сжигания некоторых топлив посредством применения их газификации // Сб. док. V научно-практической конференции с междунар. участием. «Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы». Челябинск. 7–9 июня 2011. Том III. — С.204–210.
- Буянтуев C.JL, Бадмаев Л. Б. Газификация угля в плазменных реакторах// Вестник БГУ. Серия 9. Физика и техника. Вып. 4. -Улан-Удэ, 2005. — С. 21–26.
