Анализ физико-химических процессов при тепловом воздействии на углеродсодержащие материалы

Abstract

В статье представлены результаты исследований по изучению процессов физико-химических превращений при тепловом воздействии на углеродсодержащие материалы для получения газов в геотехнологиях разработки месторождений. В работе обоснована модель теплового воздействия на углеродсодержащие материалы, представляющие собой бинарную смесь угля и породы, с учетом теплообмена и пористости горной среды в условиях ограниченного доступа воздуха. На основе выполненного моделирования нестационарных режимов теплового воздействия установлены закономерности изменения температуры процесса в зависимости от состава и свойств углесодержащих материалов. Определены тепловые критерии, при которых начинается интенсификация физикохимических изменений в углеродсодержащих материалах, а также параметры протекания процессов каталитических превращений, при которых увеличивается скорость и удельная производительность процесса без повышения температуры. Установлено, что интенсификация физико-химических превращений в горной среде происходит в присутствии солей и оксидов щелочных металлов, а также при использовании металлургических и котельных шлаков. Проведенные исследования позволили обосновать и повысить достоверность модели нестационарного теплового воздействия на углеродсодержащие материалы, определить параметры термического процесса для получения газа и выявить наиболее предпочтительный состав газовой фазы, снизить до минимума потребление окислителей.

У статті представлено результати досліджень з вивчення процесів фізикохімічних перетворень при тепловій дії на вуглецевмісні матеріали для отримання газової фази в геотехнологіях розробки родовищ. В роботі обґрунтовано модель теплової дії на вуглецевмісні матеріали, які представляють собою бінарну суміш вугілля і породи, з урахуванням теплообміну і пористості гірничого середовища в умовах обмеженого доступу повітря. На основі виконаного моделювання нестаціонарних режимів теплової дії встановлено закономірності зміни температури процесу в залежності від складу і властивостей вуглецевмісних матеріалів. Визначено теплові критерії, при яких починається інтенсифікація фізико-хімічних перетворень у вуглецевмісних матеріалах, а також параметри протікання процесів каталізу, при яких збільшується швидкість і питома продуктивність процесу без підвищення температури. Встановлено, що інтенсифікація фізико-хімічних перетворень в гірничому середовищі відбувається в присутності солей і оксидів лужних металів, а також при використанні металургійних та котельних шлаків. Проведені дослідження дозволили обґрунтувати і підвищити достовірність моделі нестаціонарної теплової дії на вуглецевмісні матеріали, визначити параметри термічного процесу для отримання газу і виявити найбільш прийнятний склад газової фази, знизити до мінімуму споживання окисників.

The paper presents the investigation results on processes of physical-and-chemical transformations occurred in the carbon-contained materials exposed to the thermal impact for producing gases by mining geo technologies. The paper describes a model of thermal impacting on the carbon-contained materials, presented as a binary coal-and-rock mixture, with taking into account heat exchange and porosity of the rock medium with limited access for air. On the basis of simulation of nonstationary modes of the thermal impact, physical laws were established for the process temperature changing depending on composition and properties of the carbon-contained materials. Heat criteria were defined, at which physical and chemical changes are intensified in carbon-contained materials. Catalysis parameters were described at which the process rate and specific productivity increase without a temperature rise. It is stated that physical and chemical changes in the rock medium are intensified at presence of salts and oxides of alkali metals and when metallurgical or boiler slag is used. The findings have allowed to substantiate and improve accuracy of the non-stationary model of thermal impact on the carbon-contained materials; to determine the process parameters for producing gas and identify the most appropriate composition of the gas phase; and to reduce the oxidants consumption to minimum.