2.2. Взаимодействие влаги и углерода в угольной частице2.2.1. Общая схема взаимодействия влаги и углерода в угольной части

Прогрев угольной частицы начинается с ее поверхности. Скорость прогрева зависит от температуры и теплофизических свойств угольных частиц (в первую очередь от коэффициента теплопроводности) и шлакового расплава (коэффициента теплоотдачи от расплава частице). По теплопроводности угольных частиц имеется весьма ограниченное количество данных [45-47]. Для твердых топлив [47] коэффициент теплопроводности зависит от температуры и плотности, увеличиваясь с их ростом. Анализ показал,

что наибольший коэффициент теплопроводности у антрацитов и полуантрацитов (при 0°С - 0,35-0,38; при 100°С - 0,49-0,53 Вт/(м-К)), наименьший - у бурых углей (при 0°С - 0.30-0.32; при 100°С - 0,42-0,44 Вт/(м-К)), В интервале между этими значениями находятся коэффициенты теплопроводности для углей марок Д, Г, СС, ОС, Ж, К (при 0°С - 0,32-0,34; при 100°С - 0,44-0,47 ВтУ(м-К)) [48].

В работах [49,50] исследовали процесс прогрева угольных частиц. Авторы сделали заключение, что существует двигающийся фронт испарения, скорость которого пропорциональна градиенту температур внутри частицы.

К.Юнг и Б.Р. Стэнмор [51] изучали сушку и дегазацию (пиролиз) Австралийских углей. Эксперименты были проведены при 1043К в воздушной атмосфере. Использовались частицы размером 5,5-8,5 мм. Было определено, что сушка заканчивается почти во всех случаях за 15 с. Причем сушка и дегазация могут в достаточно крупных частицах осуществляться одновременно.

Рассмотрим процесс прогрева угольной частицы радиусом га при ее погружении в шлаковый расплав (рис. 1). В самом начале прогрева угольной частицы, когда температура ее поверхности достигает 100 °С (t^), влага, находящаяся в порах

прогретого слоя, начинает испаряться и, проходя по ним, удаляться из угля. При этом пары воды не взаимодействуют с углеродом, так как температура начала взаимодействия составляет некоторую величину Т0> которая выше температуры ис-парения влаги. На рис.1 этому соответствует зона а (временной интервал At"), где

температура поверхности угольной частицы еще не достигла Т0 и пары Н20 из объ-ема частицы, заключенного между радиусами r0-rl3 не могут реагировать с углеро-дом.

В момент времени температура поверхностного слоя угольной частицы

становится равной Г0. При этом испаряющаяся из более глубоких слоев угольной частицы влага будет взаимодействовать с углеродом, находящимся в слоях с тем-пературой > Го. На рис.1 этому соответствует зона б (временной интервал Л1с+Нг°), где пары Н20 из объема угольной частицы, заключенного между радиусами г, -0, могут реагировать с углеродом, находящимся в объеме частицы между г0 - г,. Г, MMf

t, с

Рис.1, Схема процесса прогрева угольной частицы и зоны физико-химических превращений: а - зона испарения влаги; б - зона возможного взаимодействия влаги с углеродом; б - зона прогрева сухого угля;

-температурный фронт Т=100°С;

С+Н30

At

Г, ММ А 2 - температурный фронт T=Tq. В момент времени температура центра угольной частицы становится

равной 100°С. Начиная с этого момента, в угле отсутствует влага и протекает процесс дальнейшего прогрева частицы (зона в, рис. 1),

В зависимости от теплопроводности угольных частиц схема их прогрева может отличаться от той, которая изображена на рис.1. При высокой теплопроводности угля и незначительном градиенте температур может происходить полное удаление влаги из частищ.1 без взаимодействия Н2О с углеродом (рис.2).

Если рассматривать угольные частицы с одинаковым коэффициентом теплопроводности и с различным диаметром, то можно сказать, что в частицах меньших размеров условия для взаимодействия С и НгО хуже, так как, чем больше диаметр угольной частицы, тем выше разница температур между ее центром и поверхностью. Следовательно, при прочих равных условиях расстояние г0-г2 будет меньше (либо равно нулю, как в случае, показанном на рис.2) в частице меньшего диаметра. В частице большего диаметра влага, удаляющаяся из ее центра, будет прохо-дить больший путь, и поэтому вероятность взаимодействия влаги с углеродом выше. Отсюда следует, что в процессе РОМЕЛТ при наличии углей с различными размерами кусков с одинаковой влажностью предпочтительнее использовать уголь с меньшей крупностью.

Из сравнения коэффициентов теплопроводности углей марок Т, А, ОС, СС, которые использовались в опытно-промьшленнъгх плавках на НЛМК, следует, что наименьшее взаимодействие влаги с углеродом внутри угольных частиц будет у антрацита, так как данная марка угля имеет наибольший коэффициент теплопроводности, а наибольшее - у бурых углей. Г, MM А

t4 |-п

L100 LTn

r, MM А

О

t"

400

t?_

t, С Рис. 2, Схема процесса прогрева угольной частицы при отсутствии взаимодействия влаги с углеродом:

а ~ зона испарения влаги; в - зона прогрева сухого угля; 1 -температурный фронт 1М00°С; 2 - температурный фронт Т=%. Анализ данных, полученных при проведении кампаний на ОПУ, не позволяет выявить степень взаимодействия влаги с углеродом из-за влияния на процесс большого количества факторов, часть которых невозможно было контролировать, В связи с этим была проведена серия экспериментов в лабораторных условиях.

В работах [52,53] приведены данные по исследованию скоростного нагрева образцов углей с высоким (F°=35-44%), средним 26-32%) и низким (F°=20%) содержанием летучих компонентов.

Эти результаты позволили ограничиться только опытами по скоростному нагреву влаго содержащих угольных частиц в газовой фазе для определения степени взаимодействия влаги с углеродом внутри частиц.