научная статья по теме ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ВЫХОД ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ УГЛЕЙ И МАЦЕРАЛОВ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ВЫХОД ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ УГЛЕЙ И МАЦЕРАЛОВ»

химия

ТВЕРДОГО ТОПЛИВА <5 • 2004

УДК 541.6 + 620.18

© 2004 г. Гюльмалиев А.М., Гагарин С.Г., Иванов И.А., Бровенко А.Л.

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ВЫХОД ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ

ИЗ УГЛЕЙ И МАЦЕРАЛОВ

По данным для основных групп мацералов (витринит, инертинит, липтинит) и углей разных бассейнов установлена общая взаимосвязь между структурно-химическим параметром 8, характеризующим степень ненасыщенности органического вещества, и показателем выхода летучих веществ. Для витринитовых углей величина 8, определяемая по данным элементного состава, коррелирует с показателем отражения в воздушной среде Яа и масляной иммерсии Я0 и может служить в качестве структурно-химического показателя степени метаморфизма.

В научных классификациях горючих ископаемых широко используют данные элементного состава в массовом и атомном базисах и производные из этих данных величины типа атомных отношений [1-3]. В работах [4, 5] проведен анализ подобных классификационных характеристик на основе структурно-химической информации для различных классов органических соединений и всего ряда горючих ископаемых (углей, торфа, сланцев, нефтей, природного газа). Было установлено, что в качестве обобщенных параметров структуры, величины которых разграничивают отдельные типы горючих ископаемых, можно принять показатели

Г N

8 = Г-н+т4' (1)

и

П = «ат/«е, (2)

где С, Н и N - содержание в топливе (% на йа/) углерода, водорода и азота соответственно; иат - общее число атомов всех основных элементов (С, Н, О,

я, %

16 г

12-

8 -

4 -

Рис. 1. Корреляция между структурным параметром 5 и показателем отражения витринита ят (%): 1 - на воздухе Яа; 2 - в масляной иммерсии я0

0

К, Б) в единице массы, равной 100 г; пс - число атомов углерода. Общее число атомов определяется как

С и О N Б П ат = Т2 + Н + Т6 + Т4 + 3332, (3)

а величина пс = С/12.

Важно подчеркнуть, что структурный показатель п не зависит от молекулярной массы вещества, а это позволяет рассматривать в единой системе как простые органические молекулы, так и органические вещества горючих ископаемых. В частности, максимальное значение показателя (п = 5) отвечает метану, а минимальное (п = 1) - графиту. В общем случае (для всех твердых горючих ископаемых, нефтей и природного газа): 5 > п > 1. В свою очередь, величина 5, как параметр ненасыщенности структуры, принимает значения в интервале: -12.5 < 5 < 16.67, где левая граница соответствует метану, а правая - графиту (5 = 100/6).

Представляет интерес установление взаимосвязей между новыми структурными классификационными параметрами и показателями действующей в СНГ единой промышленно-генетической классификации углей (ГОСТ 2554388). Ранее отмечали, что структурный параметр 5 эквивалентен показателю отражения витринита на воздухе Яа [5]. Поскольку значения Яа функционально связаны с показателем отражения в масляной иммерсии Я0 [6, 7], можно было ожидать и определенной взаимосвязи между параметрами Я0 и 5.

Как показывает рис. 1, построенный при использовании данных [8] по вит-ринитам углей ряда метаморфизма, такая взаимосвязь действительно существует, что подтверждает возможность использования параметра 5 в качестве структурно-химического показателя степени метаморфизма. Учитывая далее известные закономерности изменения выхода летучих веществ из мацералов при повышении значений Я0 [9], следовало ожидать и аналогич-

2 Химия твердого топлива, № 5

33

8(М)

12 г

10

8

6

8

10

12 5(У0

Рис. 2. Взаимосвязь между структурными параметрами 8(м) мацералов групп: 7 - витринита уг; 2 - липти-нита Ь; 3 - инертинита i

ного типа взаимосвязей между параметром 8 и показателем Уйа для основных групп мацералов (витринита Уг, инертинита I, липтинита Ь).

Предварительно целесообразно рассмотреть взаимосвязи между значениями структурных параметров 8(М) для мацералов этих групп, выделенных из углей разных стадий метаморфизма (рис. 2). В случае низкометаморфизо-ванных углей при 8(Уг) < 10 значения параметра 8(Ь) для липтинита располагаются ниже линии 8(Уг), что обусловливается более высоким содержанием водорода в липтините в сравнении с витринитом и соответственно более низкими значениями параметра 8(Ь) согласно формуле (1). С ростом степени метаморфизма показатели структуры этих групп мацералов выравниваются [10], вследствие чего и линии 8(Ь) и 8(Уг) на графике рис. 2 быстро сближаются. Напротив, в инертините содержание водорода существенно ниже, а углерода - выше, чем в мацералах групп Уг и Ь, поэтому в соответствии с (1) значения 8(1) при фиксированной степени метаморфизма угля более высокие в сравнении с величиной структурного параметра 8 других мацералов.

Указанные закономерности находят свое отражение и в зависимостях от параметра 8 выхода летучих веществ Уйа из мацералов (рис. 3). При 8 < 10 липтинит характеризуется существенно более высоким выходом летучих веществ по сравнению с витринитом, однако значения Уйа для групп Уг и Ь выравниваются при 8 > 10. С другой стороны, при равных значениях 8(1) и 8(Уг) параметр 8 инертинита отражает структуру менее метаморфизованных углей в сравнении с витринитом, вследствие чего выход летучих веществ из инертинита при 8(1) = 8(Уг) превышает значения Уйа для витринита. Как будет показано ниже, зависимости на рис. 3 можно использовать для оценки выхода летучих веществ из петрографически неоднородных углей при известном их мацеральном составе по эффективной величине 8 для угля, найденной по данным его элементного анализа.

В работе [11] на примере витринитовых углей различных стран установлена сопоставимость значений выхода летучих веществ Уаа?(Уг) при равной сте-

Рис. 3. Взаимосвязь между структурным параметром 5 и выходом летучих веществ У^из мацералов групп: 1-3 (см. рис. 2)

уЛа/, %

50 Г

01-1-1-1

7 9 11 13

5

Рис. 4. Корреляция между структурным параметром 5 и выходом летучих веществ У^ из витринитовых углей: 1 - ЮАР; 2 - США; 3 - Австралии

пени метаморфизма по показателю отражения Я0. Результаты анализа экспериментальных данных показывают, что этот вывод сохраняется и при рассмотрении структурного параметра 5 как меры метаморфизма. В табл. 1-3 приведены исходные данные элементного состава и выхода летучих веществ для витринитовых углей У > 75%) ЮАР, США и Австралии из работ [12-14] соответственно, а также определенные по формуле (1) значения параметра 5 (данные упорядочены по возрастанию показателя отражения витринита). Коэффициенты корреляции между 5 и Я0 (или Я0 тах) составляют соответственно 0.973, 0.914 и 0.882, что подтверждает возможность использования структурного параметра 5 для описания степени метаморфизма витринитов.

2* 35

о % оо, тах' /0 Элементный состав, % на йа/ уйа/, % 5

С Н N §

0.51 79.0 5.4 2.1 0.7 12.8 42.7 7.92

0.56 79.7 5.0 2.1 0.6 12.6 38.8 8.43

0.60 81.0 5.4 2.0 0.3 11.3 40.1 8.24

0.62 82.5 5.8 2.2 0.9 8.6 44.7 8.11

0.63 80.6 5.2 2.2 1.0 11.0 37.2 8.39

0.63 81.6 5.3 2.3 0.6 10.2 39.2 8.46

0.67 80.5 5.4 2.3 0.5 11.3 40.8 8.18

0.68 80.1 5.4 2.2 0.5 11.8 39.6 8.11

0.68 82.2 5.5 2.1 0.4 9.8 39.8 8.35

0.69 80.9 4.6 2.1 0.4 12.0 33.2 9.03

0.70 80.4 5.4 2.0 0.4 11.8 40.0 8.14

0.71 82.0 5.6 2.3 0.6 9.5 41.8 8.23

0.71 82.8 5.8 2.3 0.8 8.3 44.2 8.16

0.71 83.2 5.5 2.3 0.5 8.5 39.4 8.53

0.72 80.6 5.2 2.0 0.4 11.8 37.0 8.38

0.72 82.4 5.4 2.0 0.7 9.5 38.8 8.48

0.75 84.2 5.4 2.4 0.7 7.3 37.3 8.80

0.75 83.0 5.6 2.3 0.6 8.5 41.0 8.40

0.75 83.0 5.5 2.2 0.5 8.8 39.8 8.49

0.75 82.7 5.6 2.2 0.8 8.7 42.4 8.34

0.77 84.3 5.9 2.5 0.7 6.6 43.5 8.33

0.77 83.8 5.7 2.2 0.6 7.7 42.7 8.42

0.78 84.1 5.6 2.2 0.7 7.4 41.8 8.57

0.78 82.6 5.6 2.0 0.5 9.3 41.1 8.31

0.84 84.1 5.7 2.5 0.6 7.1 41.0 8.50

0.85 84.0 5.6 2.4 1.1 6.9 40.1 8.57

0.88 85.8 5.7 2.6 0.7 5.2 35.6 8.79

0.93 86.0 5.5 2.5 1.2 4.8 34.2 9.01

0.99 85.9 5.7 2.5 1.0 4.9 40.2 8.80

1.15 88.7 5.2 2.8 0.8 2.5 26.2 9.78

1.22 87.6 5.1 2.5 1.3 3.5 27.3 9.68

1.31 88.7 5.0 2.6 1.1 2.6 23.6 9.97

1.33 89.4 5.2 2.3 0.8 2.3 27.7 9.86

1.48 89.9 4.6 2.6 0.7 2.2 17.6 10.57

1.85 90.6 4.1 2.6 0.5 2.2 11.6 11.10

2.40 92.2 3.3 2.5 0.8 1.2 6.2 12.25

В свою очередь, обработка данных табл. 1-3 показывает, что значения структурного параметра 5 и выхода летучих веществ для витринитовых углей находятся в тесной обратной взаимосвязи при абсолютных по величине коэффициентах корреляции 0.977, 0.913 и 0.978 для углей месторождений ЮАР, США и Австралии соответственно. Приведенная на рис. 4 общая корреляция, характеризуемая коэффициентом -0.969, с одной стороны, подтверждает существование взаимосвязи между 5 и Ула и с другой - на примере 90 образцов витринитовых углей трех континентов указывает на общность

О ло, тт-тах' % Элементный состав, % на йа/ уйа/, % 5

С Н N §

0.59 79.45 5.23 1.79 1.00 12.53 37.85 8.140

0.60 81.60 5.27 1.66 0.74 10.73 38.12 8.449

0.62 81.79 5.48 1.65 1.92 9.16 42.13 8.270

0.81 84.25 5.43 1.69 0.76 7.87 36.62 8.732

0.81 84.00 5.33 1.64 0.81 8.22 37.25 8.787

0.84 83.90 5.66 1.68 1.66 7.10 41.05 8.443

0.85 83.96 5.16 1.74 1.01 8.13 35.67 8.958

0.86 85.16 5.14 1.58 0.89 7.23 36.25 9.166

0.87 82.41 5.26 1.63 1.02 9.68 36.60 8.591

0.88 85.15 5.54 1.56 2.45 5.30 37.00 8.763

0.89 86.04 5.46 1.45 1.42 5.63 38.36 8.984

0.93 83.85 5.23 1.64 0.78 8.50 35.01 8.862

1.01 85.12 5.57 1.65 0.58 7.08 33.72 8.734

1.04 86.98 5.65 1.56 0.94 4.87 34.62 8.958

1.05 86.12 5.61 1.52 0.46 6.29 32.28 8.852

1.10 88.12 5.20 1.49 1.59 3.60 30.83 9.593

1.15 88.30 5.31 1.48 0.75 4.16 29.94 9.512

1.19 85.08 5.24 1.58 0.39 7.71 29.18 9.053

1.20 89.51 5.36 1.53 0.66 2.94 27.64 9.668

1.25 88.02 5.32 1.61 0.46 4.59 26.56 9.465

1.38 89.69 5.23 1.09 0.57 3.42 24.26 9.796

1.43 89.98 4.74 1.44 1.66 2.18 21.90 10.360

1.60 90.04 5.01 1.79 0.29 2.87 19.57 10.125

как структуры основной группы мацералов, так и их поведения при термическом воздействии в условиях определения выхода летучих веществ.

Дополнение рассмотренного массива данных результатами [15] изучения витринитовых фракций углей Кузнецкого бассейна (табл. 4) согласуются с общей тенденцией: для кузнецких углей коэффициенты корреляции между показателями в парах 5 -—- Я0 и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком