ТЕПЛОФИЗИКА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Измерения при высоких температурах

На значение коэффициентов теплопереноса угольной загруз­ки в процессе ее нагрева до высоких температур оказывают существенное влияние тепловые эффекты, сопровождающие пи­ролиз. Вследствие этого эффективная теплопроводность коксую­щейся загрузки на разных стадиях процесса может изменяться с различной скоростью, хотя для истинной теплопроводности углеродистого вещества характерно, по-видимому, монотонное возрастание, обусловленное совершенствованием молекулярной структуры.

При использовании приведенных ниже данных об эффек­тивных коэффициентах теплопереноса следует иметь в виду, что они, помимо перечисленных выше факторов (гранулометри­ческий состав, тип угля, насыпная плотность и др.), в значи­тельно большей степени, чем теплоемкость, зависят от метода определения. Наиболее точные данные могут быть получены при исследовании малых навесок, так как в этом случае расстояние между точками измерения температуры невелико и в ходе опы­та может быть определена теплопроводность угольной массы, последовательно проходящей все стадии пиролиза (сушка, пла­стическое состояние и пр.).

При большом объеме пробы между точками измерения

А№~ймг/с обычно расположено несколь- К ко «слоев» находящегося на разных стадиях пиролиза уг­ля. Это приводит к сглажива­нию и некоему усреднению фактических данных. Тем не менее, последние также пред­ставляют практический инте­рес, так как они в большей мере отвечают условиям, ха­рактерным для реальных кок­совых камер. Преимуществом данных первого типа является то, что на их основе (как и вообще для дифференциаль­ных зависимостей) могут быть получены данные второго ти­па, тогда как обратный пере­ход невозможен.

На рис. 68 и 69 изображе­ны температурные зависимос­ти эффективных и «истинных» коэффициентов тепло - и тем­пературопроводности концен­тратов ряда углей Донбасса, характеристику которых см. в табл. VII.1 и VII.2. Измерения выполнялись методом квазистационарного теплового режима при скорости нагрева 10° С/мин с измельченными (0—0,25 мм) образцами в токе азота [100]. Для определения истинной теп­ло - и температуропроводности образцы подвергались 4-часово­му изотермическому выдерживанию при температурах 300, 400, 500 и 700° С, после чего они охлаждались и вновь использова­лись для измерений.

В интервале температур от 100 до 400° С (см. рис. 68) эф­фективная температуропроводность углей уменьшается, что вызвано значительным эндотермическим эффектом разложения. При дальнейшем повышении температуры (после 600° С) начи­нают преобладать экзотермические реакции поликонденсации в твердой фазе, которые вызывают резкое увеличение эффектив­ной температуропроводности загрузки. Так, для угля марки Г при 100° С коэффициент температуропроводности составляет 6,28-10~4 м2/ч, тогда как при 800° С он достигает 29,4-10~4 м2/ч!

Характерно, что в интервале 100—300° С температуропро­водность уменьшается с повышением температуры линейно. Это становится понятным при совместном рассмотрении всех трех термических характеристик. Так как эффективные значения теп­лоемкости и теплопроводности изменяются в рассматриваемом 188
интервале линеино, такая же зависимость должна со­храняться и для коэффици­ента температуропроводно­сти, поскольку плотность в этом интервале температур практически не изменяется.

Во всех случаях коэф­фициент теплопроводности возрастает с повышением температуры (см. рис. 69).

В начальный период на­грева (до 300—400° С) он изменяется пропорциональ­но температуре. Средний температурный коэффици­ент 6< = 0,012ккал/(м-ч-°С).

При дальнейшем повыше­нии температуры скорость изменения теплопроводно­сти резко возрастает, что объясняется преобладанием на данной стадии экзотер­мических реакций и упоря­дочением структуры. При 100° С наибольшее значение [0,195 ккал/(м-ч° С)] имеет теплопроводность антраци­та (см. рис. 69), а наименьшее — тощий уголь [0,095 ккал/(мХ Хч-°С). Однако при 800° С теплопроводность тощего угля зна­чительно выше, чем антрацита [0,325 ккал/(м-ч-°С) против

0, 294 ккал(м-ч-° С)].

Истинная теплопроводность, которая не является функцией тепловых эффектов, изменяется для всех углей по кривой с не­ярко выраженным минимумом (рис. 70). До 700° С она растет пропорционально температуре.

Описанным выше методом получены данные об эффективных и истинных коэффициентах теплопроводности газового угля ш. «Полысаевская-2» (Кузбасс) (табл. XVI.7 и ХУ1.8).

Как и в случае донецких углей, эффективный коэффициент температуропроводности существенно уменьшается с повыше­нием температуры на начальных стадиях пиролиза, и при 475° С он достигает минимального значения, равного 4,65Х X 10~4 м2/ч. При дальнейшем нагреве угля его температуро­проводность резко возрастает и при 800°С достигает 29,2х X 10~4 м2/ч. Высокое значение коэффициента температуропро­водности при температурах выше 700° С объясняется протека­нием реакций с резко выраженным экзотермическим эффектом.

Истинная температу­ропроводность этого угля мало изменяется с повы­шением температуры и характеризуется нерез­ким минимумом при 300° С (5,80-10-4 м2/ч).

Эффективный коэф­фициент теплопроводно­сти газового угля ш. «Полысаевская-2» непре­рывно возрастает с повы­шением температуры. При 800° С его значение равно 0,340 ккал/(мХ Хч-ЧС).

Коэффициент истин­ной теплопроводности, как и в предыдущих слу­чаях, линейно растет с повышением температу­ры и составляет при

800° С 0,212 ккал'(м'Х

Хч-°С) против 0,114 ккал/(м-ч-°С) при 100° С.

На рис. 71 изображе­на температурная зави­симость эффективной теплопроводности других углей Кузнецкого бассей­на (табл. XVI.9) [101].

Коэффициент температуропроводности измерялся квазиста - ционарным методом [101] на измельченных (<1,5 мм) образ­цах при скорости нагрева 6° С/мин. Исходная плотность под­держивалась постоянной во всех опытах — 0,71 г/см3.

Результаты показали, что до начала интенсивного разложе­ния (при температурах ниже 400° С) исследованные угли мало различаются по температуропроводности, как и донецкие угли (см. рис. 68). При дальнейшем нагреве, однако, обнаружива­ются заметные различия в коэффициентах температуропровод­ности, что объясняется различиями в величине тепловых эф­фектов, сопровождающих формирование структуры, и в плот­ности контакта между дисперсными угольными частицами (т. е. в способности углей спекаться). Наиболее отчетливо указанные различия проявляются при формировании структуры твердого остатка — при переходе полукокса в кокс, т. е. при температуре выше 600° С. В этой области [101] эффективный коэффициент температуропроводности убывает в ряду исходных углей: Г6->- 190

Рис. .71. Температурная зави­симость эффективного коэффи­циента температуропроводно­сти углей Кузнецкого бассейна: / — углн Гб; 2 — КЖ14: 3 — ЮЗ;

4— К2; 5 —ОС

—«-КЖ14—>-К13->-К2->-ОС. В том же направлении (см. табл. XVI.9) возрастает индекс вязкости.

Представляет интерес сопоставление указанной зависимости с данными, полученными Е. М. Тайцем и др. [121], согласно ^которым электросопротивление каменноугольных коксов линей­но снижается с увеличением толщины пластического слоя ис­ходных углей. Не вызывает сомнения, что возрастание коэф­фициентов переноса тепловой и электрической энергии в дан­ном случае обусловлено одной и той же причиной — увеличе­нием поверхности контакта между спекающимися или спекши­мися зернами — см. также [81].

В целом. характер изменения эффективной температуропро­водности кузнецких углей'аналогичен тому же изменению дл углей Донбасса (см. рис. 68). Наблюдаемый при температуре 130—150° С минимум (см. рис. 71), как и предшествующее ему •снижение эффективной температуропроводности, объясняется, по-видимому, удалением влаги.

Приведенные выше данные не позволяют обнаружить каких - либо экстремальных точек на температурных зависимостях теп­ло- и температуропроводности при переходе угля в пластическое состояние, хотя физические свойства пластической массы резко отличаются от свойств как дисперсной угольной загрузки, так и образующегося после ее затвердевания полукокса.

Это, возможно, объясняется недостатками применяемых ме-1 тодов измерения, не учитывающих, что уголь переходит в пла­стическое состояние не одновременно во всем объеме испытуе­мого образца, а слоями от периферии к центру, так что в зоне измерения сосуществуют одновременно несколько фаз. Для по лучения данных о фактической теплопроводности пластической, массы необходимо либо сузить зону контроля до величины в 192
несколько миллиметров (что связано с определенными экспе­риментальными трудностями), либо перевести всю загрузку одновременно в пластическое состояние (например, путем на­грева токами высокой частоты).

Л. С. Коротков и А. С. Джаманбаев [102] попытались выявить аналитическую зависимость изменения тепло- и темпе­ратуропроводности углей различных марок при их термической обработке от 0 до 1000° С. Обработав данные разных авторов, они получили эмпирические степенные формулы, описывающие эту зависимость.

Эмпирические уравнения для подсчета эффективных значе­ний коэффициентов теплопроводности и температуропроводно­сти углей в зависимости от температуры нагрева приводятся также В. И. Буториным и Г. Н. Матвеевой [103].

Изменение теплопроводности ряда углей ЧССР при их на­греве от 100 до 750° С приведено в литературе [104].

Следует отметить, что применение стационарного метода накладывает отпечаток на характер полученных результатов. Как известно, измерение теплопроводности в этом случае про­изводится после стабилизации температурного поля в образце. В случае низкой температуропроводности этот процесс требует значительного времени, с течением которого свойства угля мо­гут существенно измениться. В. В. Казмина [105], стремясь, по возможности, приблизиться к условиям реальных коксовых ка­мер, определила коэффициенты температуропроводности ряда углей Донбасса и угольных шихт. Определения проводились в 10-килограммовом адиабатическом калориметре, который по­мещался в предварительно нагретую до конечной температуры печь (табл. XVI.10 и XVI.! 1).

Изменение коэффициента температуропроводности ири коксовании угольных шихт [105]

Следует отметить, что, несмотря на все принятые меры, по­лученные результаты значительно (более чем в 2 раза) отлича- ются от усредненных коэффициентов температуропроводности! угольной загрузки в коксовых камерах при тех же температур рах в осевой плоскости (см. ниже)