Густина твердих горючих копалин (стр. 2 из 3)
Дослідження міцності окремих петрографічних інгредієнтів показало, що найміцнішим є напівматове щільне вугілля дюренового типу. Менша міцність напівматового зернистого вугілля пов'язана з менш однорідною будовою. Значно менш міцним виявилося блискуче вугілля, складене вітреном і клареном, що пояснюється крихкістю його блискучих інгредієнтів.
При визначенні опору розтисканню встановлено, що більш міцним є матове дюренове вугілля. Фюзен має найбільшу крихкість, кларен і вітрен займають проміжне положення.
Крихкість визначається здатністю твердих тіл руйнуватися без застосування зовнішніх впливів. Мікрокрихкість вугілля визначається за величиною, зворотній глибині занурення індикатора в зразок вугілля, при якій не наступає крихке руйнування. Для антрацитів показник мікрокрихкості змінюється від 0,5 до 1,05 мкм --1.
Таким чином, зміна механічних властивостей вугілля в ряді вуглефікації пов'язана з їх структурними особливостями і надмолекулярною організацією і може отримати наукове обґрунтування при зіставленні з параметрами молекулярної структури і будови на різних рівнях.
Теплофізичні властивості
До показників, що характеризують теплофізичні властивості твердих тіл, належать теплопровідність, теплоємність, термічне розширення. Ці властивості вугілля досить детально вивчені.
Основні термічні коефіцієнти - теплопровідності, температуропровідості і теплоємності - пов'язані між собою рівнянням:
,де а - коефіцієнт температуропровідності, м2/с;
l- коефіцієнт теплопровідності, Дж/(с К м);
с - теплоємність матеріалу, Дж/(кг К);
r - густина матеріалу, кг/м3.
Вугілля і гірські породи за своїми тепловими властивостями наближаються до теплоізоляторів і являють собою неоднорідні тіла, що складаються з твердих інгредієнтів, рідких прошарків і повітряних чарунок. Коефіцієнт теплопровідності таких матеріалів є умовною величиною і іноді називається видимим коефіцієнтом теплопровідності.
Величина коефіцієнта теплопровідності вугілля визначається теплопровідністю власне вугільної речовини (l), її пористістю (Р), зольністю (А), вологістю (W) і температурою системи (Т).
Температурний коефіцієнт для вугілля позитивний, а зростання l із збільшенням температури відбувається або за лінійним, або при підвищених температурах, за квадратичним законом. Збільшення коефіцієнта теплопровідності вугілля і горючих сланців із зростанням температури пояснюється значною мірою сильним впливом променистого теплообміну (конвекції) між поверхнями пор палива через розділяючі їх газові чарунки.
Приймаючи, що в певних інтервалах температур існує лінійна залежність коефіцієнта теплопровідності, можна записати
,де:
, 1/град.Встановлено, що для вугілля різного ступеня метаморфізму в інтервалі температур від 20 до 100 0С існує лінійна залежність l від температури і b =0,002 1/град.
Можна прийняти наступне середнє значення температурного коефіцієнта теплопровідності для різних інтервалів температури:
| Інтервал температур, °С | 0 --100 | 100 --300 | 300 --1000 | 0 --1000 | |
| Температурний коефіцієнт b, 1/град. | Для засипок | 0,002 | 0,0003 | 0,0010 | 0,0009 |
| Для ціликів | 0,002 | 0,0003 | 0,0016 | 0,0014 | |
Зростання коефіцієнту температуропровідості вугілля в інтервалі температур 0-200 0С незначне, оскільки одночасно із збільшенням теплопровідності зростає і теплоємність вугілля. Збільшення коефіцієнта температуропровідності після 250-300 0С пояснюється одночасним впливом збільшення коефіцієнта теплопровідності, зменшенням теплоємності і густини внаслідок виділення летких.
Найменші значення теплопровідності і температуропровідності в ряді метаморфізму мають жирне і коксівне вугілля. Значення l і а збільшуються при переході до газового вугілля з одного боку, до пісного вугілля і антрацитів з іншого. Температуропровідність вугілля змінюється в ряді метаморфізму в значно меншій мірі, ніж теплопровідність. При нормальних температурах теплопровідність вугілля змінюється від 0,10 до 0,13 Дж/(м с град.), а температуропровідность від 1,0Ч10- 4 до 1,8Ч10-4 м2/с.
Теплопровідність вугілля підвищується із збільшенням виходу летких речовин і густини. Коефіцієнт теплопровідності вугілля різко збільшується з підвищенням вологості вугілля. У кам'яного вугілля при вологості 10 % він зростає в 2-2,5 рази, у бурого вугілля таке зростання l досягається при Wp=20-25 %.
Залежність теплопровідності від пористості дуже складна. Нижньою межею теплопровідності пористого матеріалу є 0,02 Дж/(м*с* град.), що дорівнює теплопроводністі повітря. Чим більше загальний об'єм пор і чим менше їх розміри, тобто чим дрібніші пори, тим нижче повинен бути коефіцієнт теплопровідності при тій же насипній густини. Температуропровідність вугілля меншає із зростанням насипної ваги.
Теплопровідність вугільних ціликів набагато вище за теплопровідність дробленого вугілля. Гранулометричний склад дробленого вугілля впливає на його теплопровідність переважно тому, що при зміні його міри дроблення одночасно змінюється насипна густина.
Оскільки теплопровідність мінеральних компонентів вугілля значно вище за теплопровідність органічної маси, можна передбачити, що коефіцієнт теплопровідності вугілля повинен збільшуватися із зростанням його зольності. Встановлено, що теплопровідність вугілля вздовж нашарування на 3-7 % вище, ніж перпендикулярно нашаруванню.
Теплоємність матеріалу визначається кількістю тепла, необхідного для підняття температури 1 г даного тіла з t1 до t2 і характеризується питомою теплоємністю тіла:
,де
- середня питома теплоємність Дж/(г К);q - кількість тепла, необхідна для підвищення температури тіла від t1 до t2, Дж/кг.
Якщо кількість тепла q, необхідна для нагрівання тіла від t1 до t2 не залежить від температури, то величина
постійна. Однак у більшості випадків q залежить від температури, і ця залежність може бути представлена наступною емпіричною формулою: 
,звідси
,де: си - дійсна питома теплоємність тіла.
Для визначення теплоємності твердих тіл застосовується ряд способів, які можна розділити на три групи:
а) метод змішання;
б) методи, основані на вимірюванні швидкості нагрівання або охолоджування;
в) методи прямого визначення істинної теплоємності.
Згідно з теоретичними передумовами, питома теплоємність вугілля повинна меншати в ряді вуглефікації, якщо врахувати, що водень і вуглеводні володіють більшою теплоємністю, ніж графіт, до структури якого наближається вугілля при підвищенні ступеня метаморфізму. Наприклад, теплоємність водню рівна 2,30, металу - 2,30, ацетилену - 1,63 і графіту - 0,84 кДж/(кг град.). Залежність середньої питомої теплоємності вугілля при однаковій температурі від виходу летких речовин можна прийняти лінійною і виразити рівнянням:
, кДж/кг град,де: сt - питома теплоємність вугілля при температурі t, 0С;
А і В - емпіричні коефіцієнти. У інтервалі температур 0-100 0С А=0,900-1,025; В=0,034-0,050.
Теоретичний аналіз і обробка експериментальних даних дозволили встановити закономірність зміни теплоємності вугілля від температури. У інтервалі температур від 0 до 250-300 0С питома теплоємність вугілля зростає і, досягши максимуму при 270-350 0С, вона меншає при подальшому підвищенні температури, наближаючись при 1000 0С до теплоємності графіту.
Величини теплоємності вугілля Донбасу, отримані Померанцевим В.В. розрахунковим шляхом, приведені в наступній таблиці 2.11.
Таблиця 2.11 - Теплоємність вугілля Донбасу, кДж/(кг К)
| Температура, °С | Марка вугілля | |||
| Д | Ж | Т | А | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 20 | 1,38 | 1,38 | 1,26 | 1,05 |
| 300 | 1,34 | 1,38 | 1,22 | 1,05 |
| 500 | 1,12 | 1,26 | - | 1,05 |
| 700 | 1,05 | 1,17 | 1,01 | 0,97 |
| 900 | 0,97 | 0,92 | - | 0,92 |
| 1000 | 0,86 | 0,86 | 0,92 | 0,86 |
Автор не проводив досліджень в діапазоні температур 0-300 0С, тому з отриманих результатів випало збільшення теплоємності з температурою в цьому інтервалі.
Мінеральні домішки дещо знижують питому теплоємність вугілля, оскільки вони мають питому теплоємність с24-100=0,80-0,84 кДж/(кг К), однак при зольності вугілля до 12 % це зниження невелике (1-2 %). Потрібно відмітити значне зростання (майже в 2 рази) теплоємності мінеральних включень в інтервалі температур 20-1000 0С.
Теплоємність коксу, отриманого з різного вугілля, мало коливається і становить c25-100=0,837-0,840 кДж/(кг К). Зі зростанням температури теплоємність коксу росте, причому темп приросту рівний 0,0021 кДж/(кг К) в інтервалі температур 50-475 0С.