Фрактальные подходы при рассмотрении механизма низкотемпературного окисления угля

УДК 622.333:553.068.41

А.С. Ворошилов, К.С. Лебедев, М.С. Сазонов

Фрактальные подходы при рассмотрении механизма низкотемпературного окисления угля

Показано, что окисление угля происходит не в микро- и супермикропорах, а на поверхностях и трещинах, образующихся за счет механического воздействия, так как размерность химической реакции окисления равна 0=2,5, а размерность микро- и супермикропор 0=3.

Ключевые слова: ОКИСЛЕНИЕ, СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ, МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, ФРАКТАЛЬНОСТЬ

Руководствуясь современными подходами к анализу гетерогенных реакций, можно говорить о фрактальной природе взаимодействия кислорода с углем, что подтверждается дробной степенной зависимостью между константой скорости сорбции и радиусом частиц на широком диапазоне фракций угля. Это было показано в работе [1], в которой установлена зависимость константы скорости сорбции от размера частиц угля:

К ~ Яв~3 ,

где К - константа скорости сорбции кислорода, мл/ (г-ч);

Я - радиус частиц угля, мм;

О - фрактальная размерность угля.

Из уравнения (1) следует, что О - 3 = - 0,5. Таким образом, фрактальная размерность скорости реакции окисления угля равна 2,5.

Дробная зависимость скорости реакции окисления от размера частиц угля говорит о том, что реакция идет не только на поверхности, но и внутри частиц. Для уточнения типа пор, в которых идет реакция окисления, были проведены эксперименты по определению фрактальной размерности микро- и супермикропор.

Для этого были сняты изотермы десорбции воды из угля различных фракций: 0,0063-0,1 мм; 0,4-0.7 мм; 1-1,6 мм при температуре 10 0С. В эксикаторы с различной концентрацией кислоты были установлены бюксы с пробами угля массой 20-40 г, и в течение недели каждый день проводилось измерение веса проб. Полученные изотермы представлены на рисунке 1.

¥ г- влажность воздуха, а - влагосодержание в угле нижний график - фракция 0,0063-0,1; средний график - 0,4-0,7; верхний график -1-1,6

Рисунок 1 - Изотермы десорбции воды

На рисунке 2 в двойных логарифмических координатах представлены графики зависимости влажности воздуха - ¥г и радиуса частиц угля - К для различных типов пор.

Ьп (Я) - логарифм радиуса частиц угля, Ьп (А) - логарифм влагосодержания угля Рисунок 2 - График зависимости влагосодержания в угле и радиуса частиц в двойных

логарифмических координатах

По формуле (2) рассчитана фрактальная размерность каждого типа пор:

В - 3 = 1п К / 1п а .

Для микропор В~2,97 и супермикропор В~2,98 и практически равна 3, что свидетельствует о том, что низкотемпературное окисление угля кислородом, имеющее размерность В=2,5, практически не идет в микро- и супермикропорах.

Судя по всему, реакция низкотемпературного окисления идет в основном на новых поверхностях, образовавшихся в результате воздействия механических сил.

Окисление угля протекает на активных центрах (в том числе свободных радикалах), расположенных на этих поверхностях и возникших под воздействием механодеструкции. Причем, по-видимому, основная масса активных центров является свободными радикалами, о чем свидетельствует быстрое падение константы скорости сорбции кислорода углем со временем, за счет рекомбинации свободных радикалов. Это подтверждается результатами работы по бескислородной дезактивации угля [2].

Размерность химической реакции В = 2,5 говорит о том, что активные центры распределены не только на внешней поверхности угля, но и в его внутренней структуре, однако не охватывают весь внутренней объем.

Данный подход к процессу окисления угля несколько отличается от других теорий. Так, в работе [3] говорится о том, что окисление идет непосредственно в пористой структуре угля или на поверхности, а в работе [4] о том, что реакция низкотемпературного окисления проходит как на поверхности, так и внутри поровой структуры.

Таким образом, несовпадение фрактальной размерности поровой структуры и химической реакции говорит о том, что, скорее всего, процесс низкотемпературного окисления идет не в поро-вой структуре угля, а в химически активных микротрещинах и поверхностях, образовавшихся в результате механического разрушения угля.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Ворошилов, А.С. Фрактальная размерность скорости реакции окисления углей / А.С. Ворошилов, М.С. Сазонов, К.С. Лебедев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2009. - №2. -С. 25-27.

2 Ворошилов, С.П. Бескислородная дезактивация угля / С.П. Ворошилов, А.С. Ворошилов, Т.М. Грачева, К.С. Лебедев, М.С. Сазонов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2009. -№1. -С. 33-37.

3 Самовозгорание промышленных материалов / В.С. Веселовский, Н.Д. Алексеева, Л.П. Виноградова, Г.Л. Орлеанская, Е.А. Терпогосова. - М.: Наука, 1964. - 245 с.

4 Саранчук, В.И. Теоретические основы самовозгорания угля / В.И. Саранчук, Х.А. Баев. - М.: Недра, 1976. - 150 с.

FRACTAL APPROACHES AT LOW TEMPERATURE COAL OXIDATION MECHANISM CONSIDERATION

A.S. Voroshilov, K.S. Lebedev, M.S. Sazonov

It is shown that coal oxidation occurs not in micro- and supermicropores but on the surfaces and cracks which are formed due to mechanical impact as oxidation chemical reaction dimensionality is equal to D=2,5, and dimensionality of micro- and supermicropores D=3.

Key words: OXIDATION, FREE RADICALS, MECHANICAL IMPACT, FRACTALITY

Ворошилов Алексей Сергеевич тел.: (3842) 64-02-60 Лебедев Кирилл Сергеевич тел.: 89050774054 Сазонов Михаил Сергеевич тел.:89236015177