Современное состояние исследований в области физико-химического воздействия на угольные дисперсные системы (шламы)

Для подготовки при традиционном окусковании угля в технологическом процессе имеет место дробление или диспергирование (разрушение) кусков от 5-6 до 25 мм и выше на класс гранулометрического состава ниже 5-6 мм. В случае угольных шламов самый крупный класс до 1-2 мм и ниже, дробление не требуется и такой материал уже готов окускованию. Угольный шлам крупности такого класса 0-1 мм и наличии определенной влаги можно называть дисперсной системой.

Дисперсность – коллоидное состояние характеризуется определенной дисперсностью (раздробленностью) вещества. Вещество в этом состоянии диспергировано до очень малых частиц или пронизано мельчайшими порами. Эти частицы и поры невидимы в оптическом микроскопе, но превышают по размерам обычные молекулы. Поскольку раздробленное вещество находится всегда в какой-либо среде, свойства его нельзя рассматривать в отрыве от этой среды.

Количественной характеристикой дисперсности вещества является степень дисперсности (D) – величина, обратная размеру (а) дисперсных частиц:

- здесь, а равно либо диаметру сферических или волокнистых частиц, либо длине ребра кубических частиц, либо толщине плёнок.

- степень дисперсности численно равна числу частиц, которые можно плотно уложить в ряд (или стопку плёнок) на протяжении одного сантиметра.

- если все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, то такие системы называют монодисперсными. Частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные системы.

С повышением дисперсности всё большее число атомов вещества находится в поверхностном слое, на границе раздела фаз, по сравнению с их числом внутри объёма частиц дисперсной фазы. Соотношение между поверхностью и объёмом характеризует удельная поверхность (S_уд=S/V), которая для частиц сферической формы равна

а для частиц кубической формы

где r - радиус шара; d – его диаметр; l – длина ребра куба.

Следовательно, с повышением дисперсности вещества всё большее значение имеют его свойства, определяемые поверхностными явлениями, т.е. совокупностью процессов, происходящих в межфазовой поверхности. Таким образом, своеобразие дисперсных систем определяется большой удельной поверхностью дисперсной фазы и физико-химическим воздействием дисперсной среды на границе раздела фаз.

Фаза – часть системы одного состава, имеющая одинаковые физические свойства, ограниченная от других частей поверхностью раздела. Систему, состоящую из одной фазы, а, следовательно, имеющую одинаковые макроскопические свойства во всех ее точках, называют гомогенной.

Окускованное топливо со связующими веществами можно рассматривать как дисперсную систему, где дисперсионная среда – связующее, а дисперсная фаза – полезное ископаемое. Для такой системы характерны специфические процессы взаимного расположения и взаимосвязи ее отдельных элементов. Базируются они на явлениях адгезии, аутогезии и когезии.

Потребность в улучшении физико-механических свойств дисперсных угольных систем, составляющих шламы, обусловлена тем, что они обладают низкими адгезионными свойствами. Последнее, как повествует [3] существенно осложняет окускование углеродсодержащих материалов. Искусственная карбонизация брикетов связана с замедленной их сушкой при не высоких температурах [17].

Ребиндер П.А. показал, что основным фактором, определяющим поведение дисперсных систем, служат адсорбционные слои поверхностно-активных веществ (ПАВ). Адсорбирующиеся на поверхности частиц дисперсных фаз весьма малые добавки ПАВ, образуют адсорбционный слой. Дифильные молекулы ПАВ (иногда это частицы других дисперсных систем) фиксируются полярными группами на поверхности частиц, образуя своими ориентированными наружу радикалами. Для такого воздействия характерен наименьший уровень сил сцепления в контактах между частицами.

Угольные шламы, как дисперсные породы, включающие дисперсную фазу и дисперсную среду, представляют собой систему, основанную на физико-химическом взаимодействии её составляющих. Поэтому улучшение физико-механических свойств, дисперсных угольных шламов должно базироваться на физико-химическом воздействии на них.

Так к известным физико-химическим методам воздействия на дисперсные породы можно отнести: химическое инъекцирование, пропускание постоянного электрического тока, магнитная обработка, ультразвуковая обработка [18].

В случае угольных дисперсий физико-химическое воздействие включает: добавление ПАВ, механическая активация, добавление веществ повышающих электрокинетические свойства.

Для интенсификации процесса сушки рекомендуется вводить (до 0,1% массы) ПАВ (сульфит-спиртовая барда, сульфитные щелочи, растворимые хлориды и др.) [17].

Специальными способами, с помощью которых сегодня можно успешно осуществить окускование угольных шламов и штыбов является физико-механическое воздействие температурой и давлением. Если воздействие температурой и давлением было необходимо для успешного традиционного брикетирования, то сегодня в условиях развития физико-химической механики и в сравнении с её возможностями – это технологически сложно и нецелесообразно.

Угольные шламы и штыбы отличаются от кускового угля, обладающего определённой прочностью, тем, что в них между дисперсной фазой и дисперсной средой преобладают физико-химические связи, которые при окусковании обуславливают прочностные и деформационные свойства.

Отсюда вытекает то, что и воздействовать при окусковании на угольные шламы и штыбы, с целью улучшения прочностных и деформационных свойств, необходимо физико-химическими методами.

Однако перечисленные физико-химические методы воздействия на дисперсные угольные системы не получили пока ещё широкого применения на практике при окусковании. Причём выполненный анализ влияния на дисперсные угольные системы показал, что технология их окускования достаточно осложнена.

Как достойная альтернатива традиционному брикетированию в настоящей работе предлагается механическая активация и добавление веществ повышающих электрокинетические свойства, как способы, определяющие физико-химическое воздействие на угольные шламы и штыбы при окусковании. Данные способы стали основой новой технологии окускования разных видов твёрдого топлива адгезионо – химическим методом.

Дата добавления: 2015-08-09