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.

2.,ккалІ(м-ч°£) №

Л, Вт/(м-К.} П

100 200 300 400 500 600 700 Г, °С

Рис. 69. Температурная зависимость эф­фективного коэффициента теплопровод­ности концентратов углей Донбасса

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).

АЖ^мЧч 16

Л, ккал/(м-ч - °С)

О 100 200 300 № 500 600 700 Г,°С

Рис. 70. Температурная зависимость ис­тинных коэффициентов тепло - и темпе­ратуропроводности концентратов углей Донбасса

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

Коэффициенты теплопроводности газового угля плотностью 0,589 г/см3 Температура, °С Эффективные значення Истинные Значення Вт/(м-К) Ккал/(м-ч°С) Вт/(мК) Ккал/(мч°С) 100 0.133 0,114 0,133 0,114 200 0,149 0,128 0,149 0,128 300 0,164 0,141 0,164 0,141 400 0,186 0,160 0,181 0,156 500 0,208 0,179 0,196 0,169 600 0,247 0,212 0,213 0,183 700 0,352 0,303 0,229 0,197 800 0,395 0,340 0,248 0,213

Таблица ХУІ.8

Коэффициенты температуропроводности газового угля ш. «Полысаевская-2» (плотность 0,589 г/см3) Температура, °С Эффективные значення Истинные значения 10"8 м2/с 1<Г4 ма/ч 10'8 м2/с 10'4 ма/с 100 17,24 6,20 17,24 6,20 200 16,54 5,95 16,54 5,95 300 15,46 5,56 16,12 5,80 400 13,57 4,88 16,23 5,84 500 13,01 4,68 16,82 6,05 600 16,26 5,85 17,24 6,20 700 30,58 11,0 17,79 6,40 800 81,18 29,2 18,77 6,75

Таблица XVI.9

Характеристика углей Кузнецкого бассейна Шахта, Результаты технического анализа, % Пластометрические показатели, мм Индекс Вязкости Технологическая группа 1ГР Лс Кг ■V У По ВУХИНу, Г/см3 Им. Кирова, Гб 1,05 7,4 40,7 44 14 4,8 «Красногорская», КЖ14 0,7 9,3 23,4 38 15 5,1 Б. 5/7, К13 0,8 12,2 21,4 35 13 7.4 «Физкультурник», К2 0,73 9,03 16,2 28 7 90 Б. 9/15, ОС 0,82 8.3 15,9 18 5

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

41*10 Мг/ч

А'Ю'8 м2/с

О 100 200 300 400 500 600 700 Г “С Ц)

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.

•^1

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).

Таблица XVI.10 Изменение коэффициента температуропроводности при коксовании углей марок Г, К, ОС [105] Марка угля Температура, °С Время Нагрева, Ч Коэффициент Температуро­ Проводности Поверх- Носги Центра 10"8 м2/с 10"4 м2/ч Г, ш. „Голубовская“ 1000 340 1,66 13,76 4,95 1000 576 1.75 20,15 7,25 1000 957 2.0 48,4 17,4 К, ЦОФ „Криворожская“ 1000 349 1.17 19,9 7,17 1000 580 1,38 25,5 9,17 1000 977 2,0 57,0 20,5 ОС, б. ш. „Ново-Коидрать- 1000 340 1,42 16,1 5,8 Евка“ 1000 572 1,65 21,2 7,64 1000 957 2,0 48,4 17,4

Изменение коэффициента температуропроводности ири коксовании угольных шихт [105]

Коэффициент Температуропроводности,
Температура, °С
Шихта Коксохимических Заводов
Время Иагрева,
10"8 ма/с
10 4 м2/с
Поверхности	Центра

Яснновского	1000 1000 1000	340 593 948	1,53 1,66 1,83	15.0 22.0 53,4
5,4 7,93 19,2
Запорожского
1000 1000 1000	346 572 959	1,57 1,75 2,17
14,8 20,0 45,6	5,34 7,2 16,4

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)