Виды связи влаги с бурым углем и их влияние на его физические свойства
Источник: И.Е. Святец, А.А. Агроскин Бурые угли как технологическое сырье Назад в библиотеку
Для выбора оптимального режима сушки с целью получения заданных физических и технологических свойств высушенного угля, определяемых дальнейшим его использованием (брикетирование, экстрагирование битумов, производство углещелочных реагентов), необходимо знать закономерности изменения этих свойств в процессе удаления влаги и воздействия тепла.
Как и для всех капиллярно-пористых материалов, изменение состояния угля при сушке вызвано различным характером связи с ним поглощенной влаги. Процесс удаления влаги со¬провождается нарушением связей влаги с углем, на что затрачивается определенная энергия.
Все виды связи влаги с капиллярно-пористыми материалами делятся на три большие группы: химическую, физико-химическую и физико-механическую.
Поскольку химически связанная вода удерживается наиболее прочно и при нагревании угля до 120—150° С не удаляется, она не влияет на изменение физических и технологических свойств угля при его сушке и переработке.
Физико-химическая связь влаги с углем обусловлена воздействием молекулярного силового поля внешней и внутренней поверхностей угля на поглощенную влагу. Физико-химически связанная влага образуется вследствие адсорбции влаги внешней и внутренней поверхностью угля и избирательной диффузии через полупроницаемую оболочку (осмотическая связь).
Связанная влага обладает рядом свойств, отличающих ее от обычной воды — не растворяет электролиты и другие растворимые вещества, имеет повышенную плотность, более низкую температуру замерзания, обладает высоким удельным электросопротивлением. При этом не вся связанная вода имеет одинаковые свойства. Более прочно связан мономолекулярный слой жидкости, последующие ее слои менее прочно связаны, и свойства их постепенно приближаются к свойствам свободной жидкости.
Физико-механическая связь влаги определяется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости и капиллярным давлением, обусловливающим высоту капиллярного поднятия.
Физико-химическая связь влаги в бурых углях представлена адсорбционно-связанной водой на внешней (контурной) и внутренней (стенки капилляров) поверхностях угольных зерен. Вода в микрокапиллярах, макрокаппллярах, промежуточных капиллярах, а также вода смачивания удерживается за счет физико-механической связи.
Содержание поверхностной п связанной влаги и виды ее связи характеризуют микроструктуру бурых углей и влияют на их
насыпную плотность, кажущуюся плотность, смерзаемость, сыпучие свойства, окисление при хранении на складах и др.. Наличие остаточной (после сушки) влаги является непременным условием его брикетируемости без связующих веществ при давлениях 1000— 1500 кгс/см2, развиваемых штемпельными прессами. Поскольку в процессе сушки меняются насыпная и кажущаяся плотности высушенного угля, максимальное проникновение растворителей во внутреннюю поверхность бурых углей при экстракции из них битумов и гуминовых кислот также зависит от влажности зерен.
В литературе отсутствуют данные исследований по достоверным количественным определениям различных видов связи влаги с углем, а также данные по закономерностям изменения состояния бурых углей в зависимости от их влажности. Общепринятые термины трактуются неоднозначно. Исследователи, считают, что связанная влага — это влага воздушно-сухого состояния угля или гигроскопическая влага.
Известно, что гигроскопическая или равновесная влажность угля при прочих равных условиях зависит от относительной
влажности среды, ее температуры и способа достижения равновесия (путем адсорбции или десорбции). Равновесная влаж¬ность угля при полном насыщении среды водяными парами представляет собой максимальную гигроскопическую влажность или максимальное сорбционное влагосодержаиие.
Установлено, что в процессе сорбции влаги капиллярно-пористыми телами происходит заполнение его микрокапилляров.
Экспериментальное обоснование деления капилляров на макро- и микрокапилляры дано Кавказовым. Им показано, что-макрокапилляры не сорбируют влагу из влажного воздуха, а отдают ее атмосфере, насыщенной водяными парами. Давление насыщенного пара для таких капилляров равно давлению пара над плоской поверхностью. Давление насыщенного пара в микрокапиллярах, имеющих диаметр меньше 10-5 см, зависит от кривизны мениска. Микрокапилляры могут заполняться водой путем сорбции пара и капиллярной конденсации.
Различным по природе углям соответствует и различная относительная влажность воздуха при постоянной температуре, при которой в капиллярах угля начинается конденсация влаги. Поэтому максимальное гигроскопическое влагосодержание капиллярно-пористого тела является некоторой постоянной величиной, определяемой количеством микрокапилляров в теле. Основные виды связи сорбированной влаги—адсорбционная и капиллярная. Для большинства капиллярно-пористых материалов гндратационное влагосодержание меньше максимального гигроскопического влагосодержания.
Исследователи по форме изотерм сорбции и десорбции определяют количественные зависимости различных видов связи влаги с материалом. Интерпретация изотерм сорбции и десорбции для капиллярно-пористых коллоидных тел, к которым относится и уголь, сводится в основном к следующему:
первоначальный участок изотермы при ср воздуха от 0 до 0,1 имеет характерную для мономолекулярпой адсорбции выпуклость кривой к оси влажности материала;
на участке при угле от 0,1 до 0,9 изотермы обращены выпуклостью к оси влажности воздуха, что характерно для полимолекулярной адсорбции;
на участке изотермы при значении ср от 0,9 до 1,0 происходит поглощение капиллярной жидкости.