Введение к работе
, трог, І
іссаргациіі |
АКТУАЛЫЮСТЬ ПРОБЛЕМ. Разработка и совершенствование процессов комплексной переработки угля требуют расширения представлений о структуре угля, механизмах его преврг'дений при различных воздействиях. Понятие комплексной переработки угля включает и рациональное использование минеральных компонентов углей (МКУ), Проблема ослокняется отсутствием надежных и обоснованных методологических подходов к исследованию МНУ.
Изучению состава и свойств МКУ комплексом физико-химических . методов анализа предшествует подготовка проб, заключащаяся в удалении (деструкции) органической массы углей (ОМУ), которая является препятствием для даагносиг ч МКУ в исходных образцах.
В рамках классических методов выделения МКУ окислением при
свободном доступе воздуха (высокотемпературное окисление 800+
+850С, сж.аднетешерагурное окисление 350Н00С) не всегда воз
можно удалить углерод из анализируемого материала без изменения
состава и структуры ЩУ. Метод «мокрого сожжения" (яидкофазное
окисление) таккв ш доэплявг получить достоверных. сведений о
фазовом составе МКУ, который характеризует их первоначальное ср-
стояние. v
Исследованиями, выполненными в последние года как за рубежом (C.E.Blett, W.D; Hoi land, J- D. Blackwood, F.K.McTaogart,
н.л-GiuEkoter и др.), так и в нашей стране (Л.СПолак, Л.Т.Бутаенко, М.Г.Кузьмин, Ы.Ф.Куков, И.А.Маслов, Ф.Б.Еурзель, Г.Г.Глухов, М.А.Володина, И.А.Коробецкий с сотр. и др.) показана возможность применения низкотемпературного окисления (от -196 до 300С) органических, биологических, полимерных материалов, бурых и каменных углей с целью удаления органической матрицы с сохранением состава и структуры минерального вещества. Одной из проблем широкого применения низкотемпературного окисления углей в кислородной плазме высокочастотного (ВЧ) разряда является отсутствие научно обоснованных методических рекомендаций и серийной аппаратуры для реализации этого метода. Этими соображениями определяема актуальность настоящей работа.
4,.
Диссертационная работа выполнена да рпрультатам исследований, провэдекшх в соответствии с планом НмР по Пост. ГКНГ * 56 от I0.03.8S, JS 555 от 30.10.85, Пост. Госплана СССР Я 58 от 28.0
Отдельные результаты получены в рамках двустороннего сотрудничества мезду Институтом угля СО РАН с Институтом угля Испании и Институтом углехимии Польской Академии наук.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ- Установление зависимости фазовых превращений ККУ от методов разделения органического и минерального вещества с-применением низкотемпературного окисления в кислородной плазме БЧ-разряда для расширения представлений о структуре и качественном составе угля в целях рационального и комплексного его использования.
ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в том, что уголь рассматривается как сланная гетерогенная система, регросинтетичееккй.анализ которой позволяет разложить уголь на отдельные, слагающие его компоненты, за счет деструкции ОМУ окислением в мягких условиях, используя високую реакционную способность кислорода, -возбужденного ВЧ-ра'зрядом, сохраняя при этом состав и структуру ШУ.
задачи ИССЛЕДОВАНИИ. Исходя из анализа состояния вопроса и поставленной цели, при вылолнении работы решались следукщие основные задачи: .
изучить влияние метода окисления на фазовые, превраце;шя минералов, наиболее часто присутствующих в углях, с применением низкотемпературного окисления в кислородной плазме БЧ-разряда, а также классических методов выделения ШУ;
разработать установку для минерализации углей в низкотемпературной кислородное плазме БЧ-разряда, позволяющей сохранить диагностические признаки ЫКУ и сократить время, необходимое для подготовки пробы;
установить оптимальные режима (температура,.расход окислителя, масса исходного образца) процесса окисления углей в плазме с целью качественного и количественного определения либеральных компонентов в. углях;:
определить содернание (оценочные кондиции) микроэлементов
минеральной массы, выделенной из углей окислением в низкотемпературной кислородной плазме БЧ-разряда;
- обосновать рекомендации применения метода низкотемпера
турного окисления в кислородной плазме ВЧ-разряда в сочетании с
физико-хшическиш методами анализа МКУ (рентгенофазоЕый анализ,
инфраісрасная спектроскопия, дифференциальный термический анализ)
на примере углей Кузнецкого бассейна.
ЮТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ. Работа выполнялась с использованием комплекса методов исслед' заний, вюючакщего:
„яализ и научное обобщение ранее проведенных исследований по применению низкотемпературного окисления в шгазме;
экспериментальные исследования на модельных образцах: искусственных смесях минералов с малозольними углями с целью определения границ применения низкотемпературного окисления в кислородной плазме ВЧ-разряда;
исследования с натурными объектами: окисление углей различной сг тдии метаморфизма и различным количественным содержанием ЬКУ;
физико-химические метода анализа: рентгенофазовцй анализ, ИК-спектроскопию и дифференциальный термический анализ (дерива-тография) и др.
НйУЧШЕ ПОЛОЖЕНИЯ, защищаемые автором:
идентификация минералов, сопутствувдих углям, существенно зависит от метода окисления, при этом наилучшие результаты достигаются применением низкотемпературного окисления в кислородной плазме ВЧ-разряда Пы сравнению с высокотемпературным и сред-нетемпературным окислением (озолением) при свободном доступе воздуха;
использование предложенного держателя образца цилиндрического типа в разработанной установке "ГНОМИК" для минерализации углей в низкотемпературной кислородной плазме ВЧ-разр.<да, позволяет сохранить диагностические признаки МКУ и сократить время, необходимое для подготовки пробы, снизить потери образца;
технологические параметри (температура, расход окислителя, масса исходного образца) влияют на скорость процесса окисления угл.-'t в кислородной плазме ВЧ-разряда, а также на качественное и количественное определьяие минеральных компонентов в углях;
скорость окисления углей в низкотемпературной кислородной плазме ВЧ-разряда зависит от степе mi измельчения проби: уиенькіе-нпе разборов частиц угля увеличивает его удельную поверхность, Что приводят к увеличению скорости окисления;
определение содержания микроэлементов в углях существенно говисит от метода'выделения ККУ: метод низкотемпературного окис-"5!гая углей в кислородной плазме ВЧ-разряда позволяет значительно сократить потери большинства макроэлементов;
скорость окисления углей в низкотемпературной кислородной плотта ВЧ-разряда зависят от качественного и количественного содержания гяшеральша компонентов в углях.
ДОСТОВЕРНОСТЬ научных поло-акий, выводов, рекомендаций, сформулгрованшіх в работе, обосновываются и подтверждаются:
- экспериментально-аналитическими исследованиями, вшолнен-ннми на разработанном образце установки "ГНОМИК";
исследованием образцов углей различных стадий метаморфизма и месторождений Кузнецкого бассейна;
удовлетворительвой сходимостью результатов экспериментов на реальных углях и искусственных модельных образцах;
применением современных физико-химических методов анализа, внполь'чных на прецизионных приборах (ДРОК-ЗМ, specord-75 IR-, дериватограф фирма "КОМ") и др..
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы:
впврвне проведено систематическое исследование фазовых превращений ЫКУ с применением метода низкотемпературного окисления ь кислородной плазке ВЧ-разряда для углей Кузнецкого бассейна; .
зависимость фазовых превращений МКУ от метода окисления углей (низкотемпературное окисление в кислородной плазме ВЧ-разряда, высокотемпературное и средне температурное озолеьш при свободном доступе воздуха);
определен прямым путем количественный вещественный состав МКУ различных классов и марок углей Кузнецкого бассейна;
предложен новый держатель образца, отличаидэйся тем, что с целью сокращения'времени окисления и сниаэния поторь образца, держатель выполнен в виде цклиндра с шероховатой внутренней поверхностью;
показано влияние удельной поверхности окисляемого образца
на скорость окисления в низкотемпературной кислородной плазме БЧ-разряда;
выявлена зависимость скорости окисления углей в низкотемпературной кислородной плазме ВЧ-разряда.от качественного и количественного содержания Ш7;
установлена зависимость, содержания микроэлементов в аиа-лите от метода выделения МКУ.
ЛКЧлЫЛ ВКЛАД АВТОРА состоит:
в установлении влияния различных методов окисления на ф;. зовые превращения 1/КУ;
в определении влияния различных факторов на процесс окисления в кислородной плазме ВЧ-разряда и фазовые, превращения !ЯУ;
в разработка установок для минерализации углей в кислородной плазмо БЧ-разряда;
в разработке нового держателя образца, что обеспечило увеличение скорости окисления и снижение потерь образца;
в определении влияем качественного и количественного cq- . держания минеральных компонентов в углях на скорость окисления в низкотемпературной кіслородной плазме БЧ-разряда;
в определении содержания микроэлементов в углях Кузнецкого бассейна;
в обосновании рекомендаций применения метода низкот .ле-ратурного окислений в кислородной плазме ВЧ-разряда для мидшра-лизации углей.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ состоит в том, что полученные результаты исследований позволяют:
использовать разработанные образцы установок для окис: -ния углей в низкотемпературной кислородной, плазме ВЧ-разряца, которое являются.надезнны инструментом для выделения !.!КУ с сохранением их диагностических, признаков;.
определять,, в какой форме минерал находится в составе твердих горючих ископаемых;
обнаружить микроэлементы., которые ив удается без потерь Ендедить из углей стандартными,методами;
пр;^енять показатель {% №iRnj) колїчєстбо минерального ЕеэдстЕа, выделенного из 1,0 г угля при окислении в плэзмз ВЧ-рэгряда, который для всех без исклжче: .л углей, изучекгах в настоящей рйЗоте, га,. .,;ллает стандартный (ГОСГ 11022-75)'показатель
зольности, как дополнительный, что особенно важно для установления содержания минеральных компонентов оурах углей, а также углей с повышенном содержанием щелочных металлов;
- использовать рекомендации по применению метода низкотемпературного, окисления в кислородной плазме БЧ-разряда для подтоки проб перед исследованиями физико-химическими методами с целью получения более точных представлений о составе и свойствах МКУ, которые'играют роль во всех технологических процессах, связанных с добычей, транспортировкой:, хранением, обогащением И переработкой твердых горючих ископаемых, направленных на рациональное комплексное использование природных ресурсов недр.,
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработанные рекомендации по применению метода низкотемпературного окисления углей в кислородной плазме ВЧ-разряда и экспериментальные образцы установок "ГНОМИК" используются при выполнении научно-исследовательских работ іі Институте горючих ископаемых, Московском хне хо-техно-логическом институте им.Д.И.Менделеева, Институте физико-органической химии и 'тлехимии АН Украины им.Л.М.Литвиненко, Институте геохимии им.А.П.Виноградова СО- РАН, Институте. угля СО РАН, Кузбасском политехническом институте. :
Разработанные в настоящем исследовании методики определения количественного вещественного состава МКУ внедрены в практику Центра сертификации углей Кузбасса КемНЦ СО РАН.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались на конференциях молодых ученых и специалистов: г.Новокузнецк, 1980 г., 1983, г.,; г.Р^о-тов-на-Дону, І98Г г.; г.Свердловск, 1985 г., 1983 г*і^.Кемерово, 1985 г.; г.Красноярск, 1988 г.; на совещвниа "Комплексное использование зол углей СССР в народном хозяйстве*, г.Иркутск, Г989 г.; на 2-м Всесоюзном семинаре "Структура твердых горючих ископаемых", г.Донецг 1939 г.; на 6-й Всесоюзной научно-практической конференции "Применение, свч анергии в технологических процессах и научных исследованиях", г.Саратов, 1991 г.; на школе передового опыта "Новые методы комплексного изучения и использования углей, горючих сланцев и сопутствуиких им полезных ископаемы» при геологоразведочных работах", г.Москва, 1989 г.; на Международном СШПОЗИуме "coal structure '89", JadHistn near Warsaw, Poland, 19B9.
?
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, в т.ч., 6 работ в зарубежных изданиях: Ризі
Processing Technology (США), Erdol & Kohl є Erdgas Petrocheroie
(Германия) и др., получено одно авторское свидетельство по заявке на изобретение.
СГГУКТУРА И ОБЪЕЛ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 30 рисунков, списка использованной литературы из 115 наименований.
Ан. ор выражает глубокую признательность за ценные консультации к.т.н. , с.н.с. И.А.Коробецкому. На благодарны члену-корреспонденту РАН Г.И.Грицко за интерес и поддержку, а также сотрудникам лаборатории комплексного использования угля Института угля СО РАН за практическу» помощь.
