Структура и теплофизические характеристики гумусовых ископаемых и твердых продуктов их пиролиза
Каменные угли и другие гумусовые ископаемые
Описанные выше процессы преобразования молекулярной структуры веществ ископаемых гумитов находят свое отражение в изменении теплоемкости органической массы. С повышением степени превращения структуры теплоемкость гумитов непрерывно снижается (табл. III. 1).
42
Таблица III. 1 Изменение теплоемкости гумитов в процессе геологического метаморфизма
|
Одна из первых попыток связать теплоемкость каменных углей с их строением, предпринятая ван Кревеленом [32], заключалась в применении к органической массе углей эмпирического правила Неймана — Коппа, согласно которому молярные теплоемкости твердых соединений равны сумме атомных теплоемкостей входящих в них элементов:
Ср=2т;Сг, (III. 1)
I
Где тг — доли элементов в данном соединении; Сг — теплоемкости элементов.
Элементы |
Н |
О |
N |
С Р |
Другие Элементы |
Атомные теплоемкости: |
|||||
Дж(моль-К) |
10—10,5 |
17 |
12,6 |
7,5—8,4 22,6 |
25 |
Кал/(г-атом-°С) |
2,3—2,5 |
4,0 |
3,0 |
1,8—2,0 5,4 |
6 |
Метод ван Кревелена был основан на том, что углерод входит в алифатические и ароматические соединения с разной теплоемкостью, и вследствие этого теплоемкость органической массы углей понижается с ростом степени конденсированности. Сопоставляя рассчитанные по формуле (III. 1) молярные теплоемкости различных углей с экспериментальными данными, 0ан Кревелен показал, что разность этих величин относительно возрастает с повышением стадии метаморфизма гумитов, свидетельствуя об увеличении степени конденсированное™ структуры.
Приложение квантовой теории к твердым горючим ископаемым сопряжено со значительными трудностями, обусловленными не столько сложностью строения, сколько чрезвычайной неоднородностью объекта, препятствующей разработке единой, физически адекватной модели «вещества углей».
Тем не менее, основываясь на изложенных выше представлениях о молекулярной структуре веществ твердых горючих 7 ископаемых, в ряде случаев можно установить качественные, а - т с помощью эксперимента и количественные зависимости между : их структурными особенностями и теплофизическими СВОЙСТ- ’ вами. ■ I
Возбужденные в нерегулярной атомной решетке колебания, | определяющие, как уже упоминалось, внутреннюю энергию и ^ теплоемкость органической массы углей, можно (условно) раз - 1 делить на несколько групп, расположив их в порядке возраста - * яия характерной частоты: *
1) низкочастотные колебания решетки как целого, обуслов - ^
Ленные ван-дер-ваальсовым взаимодействием между отдельны - ми макромолекулами; 5
2) деформационные (конформные) колебания макромоле - |
Кул, проявляющиеся во вращении их массивных фрагментов | вокруг связей С—С, С—О—С и др. (см. рис. 4); 5
3) крутильные колебания атомных груп (метальных, гидро - ; ксильных, карбоксильных и пр.) вокруг их связей с ароматиче - ** скими и гетероароматичскими циклами;
4) поперечные и. продольные колебания углеродных атомов-|
В гидро - и гетероароматических циклах; «
5) прецессионные колебания отдельных атомов, насыщаю-*^
Щих наружные связи гидро - и гетероароматических циклов, в1 том числе конденсированных ядер макромолекул; ' Г,
6) собственные колебания конденсированных ароматиче - ;
Ских ядер, которые, учитывая сказанное в предыдущем разделе « относительно их сложной пространственной конфигурации, лишь ^ в первом приближении можно уподобить колебаниям графито-1 вого монослоя. з
Уже простое перечисление возбуждающихся колебаний ука^| зывает на чрезвычайно сложный вид функции распределения ч частот в спектре, делающий практически невозможным в дан - ; ном случае использование коллективной модели. Более конст- руктивным является представление рассматриваемой системы 1 в виде суммы невзаимодействующих гармонических осциллято - ^ ров (т. е. эйнштейновское приближение). / 1
Молярная теплоемкость такой системы |
Где I — порядковый номер данного вида колебаний; п — общее.^ число колебаний решетки, отнесенное к одному молю вещества; I Vi — число степеней свободы для данного внда колебаний; * б/ — отношение числа колебаний данного вида к общему числу! колебаний решетки. ^
Анализ, выполненный для модели макромолекулы витрена* (см. рис. 4), показывает, что относительное число наиболее 1 44 *
«мягких» колебаний, отнесенных к группам 1—3, в этом случае невелико; к тому же ограничено число степеней свободы для большинства таких колебаний. Это позволяет в первом приближении ограничиться рассмотрением вклада в теплоемкость колебаний, отнесенных нами к группам 4—6. Уже такой подход дает возможность получить аналитические зависимости, связывающие теплоемкость органической массы углей с особенностями их молекулярного строения.
Известно, например, что одним из результатов сложных структурно-химических преобразований исходного материала в ходе метаморфизма является увеличение среднего размера Ьа углеродных ядер. Укрупнение конденсированных ядер в зависимости от уже достигнутой степени превращения структуры может осуществляться либо благодаря постепенному переходу углеродных атомов из нерегулярной части структуры в ядер - ную с предшествующей их ароматизацией, либо вследствие слияния отдельных ядер, либо, наконец, посредством обоих названных механизмов. Поскольку, однако, в каждом из перечисленных случаев имеет место более или менее значительное смещение спектра колебаний в высокочастотную область, постольку увеличение параметра должно сопровождаться снижением теплоемкости (при постоянной температуре).
Пусть из общего числа N углеродных атомов, образующих моль исследуемого вещества, атомов входят в состав периферийных групп, а N2 атомов — в состав ароматической ядер - ной части. Их относительные доли п=Ы1Ы и т=М2/Ы связаны очевидной зависимостью п+т= 1. По правилу аддитивности общая теплоемкость такой модели
(Ш.2) |
Ср — Сfi--C2m = С—т(С—Сг),
Где С] — теплоемкость углерода в периферийных цепях (усредненная по концентрации); Сг — теплоемкость ароматического
Углерода в конденсированном „ , .
„ - Содержание углерода, Сг, %
Ядре. При постоянной темпера - ' п во85909г 04
Туре С] и С2 постоянны, поэтому Ср полностью определяется величиной т.
На рис. 5 изображена зависимость Ср (в расчете на моль углерода) от степени ароматизации /а = Л^а/N = 171. На ранних стадиях метаморфизма (Сг^
^70%, /а = 0,7) теплоемкость линейно уменьшается с ростом степени конденсированности (в
Отличие от терминологии Степень ароматизации / а ван Кревелена здесь под этим рис д Зависимость теплоемкости "термином подразумевается от - гумитов от степени ароматизации
носительная доля углерода, организованного только в ароматические кольца).
Наблюдаемая закономерность позволяет считать, что на ранних стадиях метаморфизма рост ароматических углеродных слоев и образование новых ядер осуществляется почти исключительно за счет углерода из периферийных цепей и, следовательно, число слоев в моле не уменьшается (т. е. не происходит слияние отдельных ядер).
Число атомов в слоях пропорционально их средней площади Л:
(Ш. З)
Откуда
Где <7 — число слоев в моле; ф0 — площадь элементарной ячейки в плоскости слоя; Ьа — средний диаметр ядер; — средний диаметр слоев, образующихся при условии перехода всех N углеродных атомов в ядерную часть (без слияния отдельных ядер).
В соответствии с уравнением (III. 2)
(Ш.5) |
СР = С1--^а. (С,-С2) =С,-/^а2.
Дальнейший анализ изображенной на рис. 5 зависимости показывает, что начиная с некоторого момента (/а~0,7) пропорциональность между Ср и fа нарушается, при этом теплоемкость предельно ароматизированного углерода (/а=1) все еще не достигает теплоемкости графита. Это позволяет заключить, что в случае более “метаморфизованных углей снижение теплоемкости следует отнести на счет другого механизма, который по мере повышения стадии метаморфизма постепенно становится доминирующим. Таким механизмом является слияние углеродных слоев и вызванное этим уменьшение числа периферийных групп и отдельных атомов, насыщающих связи краевых атомов углерода и дающих повышенный по сравнению с ароматическим углеродом вклад в теплоемкость.
Число этих групп и атомов в первом приближении пропорционально суммарному периметру углеродных слоев, который, естественно, уменьшается при их слиянии.
Пусть в некоторый момент моль углеродистого вещества включал в себя ^ слоев со средним диаметром Ьа и общим периметром Б — длЬа. При слиянии части этих слоев их средний диаметр увеличивается, суммарный периметр уменьшается, но общая площадь остается без изменения (предполагается, что на этом этапе переход углеродных атомов в ядро из периферий
ных цепей пренебрежимо мал). Тогда в каждый момент число слоев в моле равно отношению
Ф 22а (III. 6)
4 Р» V а ’
Где ф — суммарная площадь всех слоев, входящих в моль; Г а — средняя площадь отдельного слоя; — диаметр гипотетического слоя, образованного слиянием всех? слоев.
С учетом этого суммарный периметр
Б = кЬа = сопв!, (И1.7)
Т. е. он изменяется обратно пропорционально среднему диаметру ядер.
Если представить теплоемкость в виде суммы составляющих, относящихся к ядерной (С2) и периферийной (Сп) частям, т. е.
Ср = С2--п(Са—Сг), (III.8)
То, предполагая п~5, получаем
СР = С2+Л~, (Ш.9)
Откуда следует, что вклад периферийных групп в теплоемкость органической массы гумитов на данной стадии метаморфизма уменьшается пропорционально Ьа~1
После подстановки в формулы (III. 5) и (III. 9) значений постоянных и коэффициентов, определенных эмпирическим путем, получим следующие зависимости: для первой стадии
Ср = 23,9-0,55Ьа2, Дж/(моль - К), (111.10)
Для второй стадии
Ср = 8,59+56,ЫаДж/(моль-К). (III.11)
На рис. 6 найденные зависимости изображены графически. Уравнение (III. 11) описывает параболу с асимптотой Сср~ ~Ю,5 Дж/(моль-К), заметно превышающей теплоемкость графита. Следовательно, дальнейшее снижение теплоемкости, наблюдаемое на более поздних стадиях метаморфизма, обусловлено уже не укрупнением слоев, а их агрегированием в «кристаллиты», взаимной азимутальной ориентацией и сближением, т - е. постепенным переходом турбостратной, или малоупорядоченной, структуры в трехмерно упорядоченную графитовую структуру.
Рис. 6. Зависимость теплоемкости гумитов от среднего диаметра углеродных слоев ароматических ядер:
Иойержание углерода % № 90 92 94 |
/ — кривая, описываемая уравнением {111.10); 2 — то же, уравнением (111.11)
Наибольший интерес с точки зрения структурных исследований представляет низкотемпературная зависимость теплоемкости. Характер этой зависимости, как это вытекает из теоретических соображений, позволяет вынести ценные заключения о структурных особенностях исследуемого вещества.
Рис. 7. Низкотемпературные зависимости теплоемкости витрена газового угля (/), его полукокса (2), его кокса (3) и графита (4) |
На рис. 7 изображены в логарифмических координатах температурные зависимости теплоемкости витрена газового угля, его полукокса (540° С) и кокса (1040° С) в интервале температур 60—300 К [33]. При низких температурах зависимости Су(Г) названных образцов представляют собой прямые линии с разными угло-. выми коэффициентами. Это позволяет представить их в виде уравнения
Су=АТп,
Где показатель степени п равен тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс. ,
Значения |п для углеродистого вещества на разных стадиях пирогенного процесса следующие:
TOC o "1-5" h z Материал п
Исходный уголь 1
Полукокс 1,2
Кокс 1,6
Графит 2
Из приведенных данных следует, что теплоемкость углей в - процессе пиролиза претерпевает существенные изменения Начинающаяся при 250—300° С интенсивная деструкция периферийных цепей, сопровождающаяся образованием и выделением летучих веществ, приводит к некоторому уменьшению доли нерегулярной структуры и соответственно к снижению теплоемкости.
Для структуры полукокса, образующегося после затвердевания пластической массы, характерна в целом большая конден - сированность, чем для исходного угля. Однако вновь образовавшиеся углеродные сетки имеют на этой стадии еще весьма малые линейные размеры, и значительная часть углеродных атомов все еще приходится на нерегулярную часть структуры.
На следующем этапе термических превращений угля — при переходе полукокса в кокс — преобладают процессы поликонденсации с накоплением ароматического углерода и ростом углеродных слоев, сопровождающиеся отщеплением и удалением водорода. Влияние этих процессов на теплоемкость углеродистого материала более подробно рассмотрено в гл. VII,. VIII и XI.
В ходе пиролиза изменяется не только абсолютное значение теплоемкости, но и характер ее температурной зависимости (см. рис. 7). В частности, возрастание показателя степени п свидетельствует о направленном преобразовании молекулярной структуры коксующегося материала в сторону графитовой.
Приведенные данные указывают на определенную аналогию* в характере изменения теплоемкости гумитов в ходе метаморфизма и при пиролизе, что обусловлено физическим сходством структурных преобразований, протекающих в обоих случаях.
Несмотря на то что теплопроводность углей при низких температурах не исследована, а при высоких ее температурная зависимость искажена тепловыми эффектами разложения, можно считать, что в отношении теплопроводности твердые горючие ископаемые проявляют себя как типично аморфные тела, т. е. их теплопроводность при температуре ниже начала разложения - увеличивается с ростом температуры. Это относится ко всем углям, в том числе к наиболее метаморфизованным. Данные, иллюстрирующие это положение, приведены в главе XVI.
Каменноугольный кокс
Рассмотренный в предыдущем разделе процесс пиролиза - спекающегося каменного угля приводит к формированию при температуре 1000—1100°С качественно новой структуры высо-
1 Речь идет об истинной теплоемкости. 4 Зак. 179
Котемпературного кокса. На молекулярном уровне эта структура образована пакетами ароматических углеродных слоев, соединенными в жесткий пространственный гетерополиконденсат перекрестными связями. Последние образуются в результате ряда последовательных реакций деструкции периферийных цепей макромолекул исходного вещества и являются главной причиной разупорядоченности молекулярной структуры коксов. В то же время именно перекрестные связи сообщают структуре кокса повышенную по сравнению с графитом прочность.
В силу своего строения перекрестные цепи дают заметный вклад в теплоемкость органической массы коксов. Этот вклад можно оценить, если теплоемкость органической массы представить в виде суммы
CK = mC2+(l-m)Cb (III.12)
Где т — относительная доля углеродных атомов, организованных в слои. Из формулы (III. 12) теплоемкость углерода в перекрестных цепях
Ct = C]Zmm2 • (III.13)
В первом приближении можно допустить, что теплоемкость С2 «слоистой части» структуры кокса мало отличается от теплоемкости графита. В действительности по причине значительной дефектности и малых размеров углеродных слоев в коксах теплоемкость последних должна быть несколько выше теплоемкости идеальной графитовой структуры. Однако это различие существенно лишь при низких температурах.
Для перехода от удельной теплоемкости к атомной можно воспользоваться формулой СР=СУМ (Су — удельная теплоемкость, М — молекулярная масса), в которой под величиной М следует понимать некую «эквивалентную» молекулярную массу Мэ. Последняя может быть определена путем экстраполяции экспериментальной зависимости СУ(Т) в высокотемпературную область по уравнению Дебая (I. 33) с использованием очевидного соотношения
CP{Tt) Cv(Tt)
. . ■ = const=МЭ.
Су (Су (Т{)
При этом параметр 0 должен подбираться таким образом, чтобы обеспечивалось постоянство Мэ.
Пример расчета эквивалентной молекулярной массы вещества кокса из газового угля приведен в табл. III. 2.
Результаты расчета С^Г) по формуле (111.13) для того же кокса сведены в табл. III. 3. При этом данные о теплоемкости графита при низких температурах взяты из табл. I. 3, а при более высоких температурах рассчитаны по формуле (I. 57). 50
Таблица 1П.2 К расчету эквивалентной молекулярной массы (@=1680 К)
Среднее значение Мэ=12,81(±1,3%). Таблица III.3 |
К расчету вклада перекрестных цепей в теплоемкость вещества кокса
|
Низкотемпературная зависимость теплоемкости кокса принята по литературным данным [33], а значение т принято равным доле углерода, организованного в блоки [34].
Сопоставление полученных расчетом значений С[ с табули-
I ®13
Рованными функциями И, (Т~) ДЛя взаимодействующих цепей
И с обычной функцией Дебая (см. раздел I) показывает, что найденной зависимости наилучшим образом удовлетво
Ряет последняя '. Это объясняется малой протяженностью пе-
1 Критерием при выборе той или иной модели служит постоянство характеристической температуры 0, хотя вследствие приближеиного характера Уравнения (1.33) эта величина даже в случае совершенных кристаллов не строго постоянна. Разумеется, описанный метод позволяет определять значение 0] сугубо приближенно. Более точные значения могут быть получены путем измерения теплоемкости при водородных п гелиевых температурах.
Рекрестных цепей и сильной связью между ними, осуществляющейся через жесткие ароматические слои.
Как видно из табл. III. 3, колебания углеродных атомов в перекрестных цепях характеризуются дебаевской температурой 61 «630 К. Полученное значение 01 гораздо выше всех оценок для характеристической температуры межслоевого взаимодействия в решетке графита, что вполне отвечает более высокой жесткости вещества кокса.
Найденному значению 01 отвечает дебаевская частота сот= = 1,31 • 1013 с-1. Средняя (эйнштейновская) частота со=0,98Х Х1013 с-1 (см. раздел I) и силовая постояннная
/= (2л)2а>-Мс= (2л)2-0,982- Ю26 е. ожмо"
= 75,7Н/м(7,7 кгс/м),
Где Мс — масса углеродного атома; 6,023-1023 — число Авога - дро. _
Рассчитанные числовые значения со и / заметно ниже соответствующих характеристик ординарных и тем более кратных углерод-углеродных связей. Это позволяет предположить, что структуре перекрестных связей на данной стадии преобладаю ординарные С—С связи, для которых характерна значительн дефектность, обусловленная, возможно, присутствием в цепя тяжелых гетероатомов.
Приведенные выкладки имеют непосредственное отношение к проблеме оценки механических свойств коксов, точнее к то" ее части, которая связана с истираемостью кокса.
Действительно, как было показано выше, структурная проч ность отдельного ароматического конденсированного слоя ис* ключительно высокая, и, следовательно, прочность структуры целом определяется силами межслоевого взаимодействия.
В структуре каменноугольных и других коксов взаимодей*? ствие между ароматическими слоями в большей степени осу' ществляется через перекрестные межслоевые и межкристалли ные связи. Поскольку разрушение материала при приложении нему сдвигающего усилия состоит в разрыве связей, пересекав ющих поверхность, по которой происходит разрушение, П' столько сопротивление кокса истиранию определяется густот: (средним числом на единицу поверхности разрушения) и жес.,, костью перекрестных связей.
На рис. 8 изображена зависимость удельной теплоемко твердых остатков пиролиза бурого и газового углей, а так* антрацита от средней протяженности [35] углеродных слое“' Эта зависимость представляется авторам [35] линейной, хо расположение экспериментальных точек указывает на дру ее характер (пунктирные линии), скорее свойственный завис' мостям, приведенным на рис. 6.
Рис. 8. Зависимость между теплоемкостью твердых остатков пиролиза бурого (Б), газового (Г) углей и антрацита (А) и средним диаметром углеродных слоев
Си, ккал/(кг°і) |
Си, кДжКкгК) |
Отмеченная аналогия в характере изменения теплоемкости в ходе метаморфизма и при пиролизе позволяет предположить, что при /.а>35-10->° м (см. рис. 8) зависимости переходят в параболические типа зависимости (III.9).
Совершенствование молекулярной структуры коксов при нх прокаливании сопровождается также изменением других их свойств — действительной плотности, межслоевого расстояния и др. Поэтому в ряде случаев можно установить достаточно однозначные зависимости между теплоемкостью и микрострук - турными характеристиками кокса. На рис. 9 изображена зависимость между теплоемкостью и рентгенографической степенью графитации у, рассчитанной по формуле [36]
(III.14) |
__ ^шах — Л 3,425 - Л
' ^тіп |
3,425-3,356
Где й — фактически измеренное межслоевое расстояние, Ш-10 м.
Приведенные данные показывают, что на всех этапах пиро - генного процесса — от исходного угля до графита — можно проследить четкую связь между молекулярной структурой твердого топлива и его теплоемкостью.
С, кал/(г°С) |
Влияние на теплоемкость коксов различных случайных факторов, как будет показано ниже, вообще невелико, а в рамках одного завода при установившемся режиме подготовки шихты оно сводится к минимуму. Поэтому связь теплоемкости с важнейшими технологическими и структурными характеристиками кокса (в первую очередь с температурой обработки) позволяет рекомендовать ее в качестве критерия степени готовности кокса. Методика определения теплоемкости при этом должна предусматривать сушку пробы и обеспечивать погрешность результатов не выше 1—2%, что является реальным.
Рис. 9. Зависимость между теплоемкостью и степенью графнтацин кокса
В отличие от теплоемкости теплопроводность кокса в большой мере зависит от макроструктурных факторов — зернистости, пористости и трещиноватости. Поэтому применительно к. данному вопросу целесообразно в коксах различать следующие, структурные уровни:
Молекулярную структуру, полностью определяющую свойства беспористого материала кокса;
Лишенную трещин пористую структуру коксовой «отдельности»-— трещиноватый и пористый кусковой кокс.
В одной из работ [37] высказано предположение, что вещество кокса (материал стенок пор) по своему строению занимает промежуточное положение между типично аморфными и поликристаллическими телами. Вследствие небольшого среднего размера углеродных блоков вещество обычного металлургического кокса можно при умеренных температурах рассматривать как сплошную среду, коэффициент поглощения которой в интервале (11.10) не зависит от частоты распространяющихся в ней колебаний. Из этого следует, как показывают приведенные расчеты [37], что при умеренно низких температурах теплопроводность вещества кокса должна изменяться пропорционально теплоемкости:
Яо-Cv. (III.15)
Так как пористость и трещиноватость, уменьшая теплопроводность по абсолютной величине, при низких температурах не сказываются на характере ее температурной зависимости, выражение (III.15) остается справедливым для двух других структурных уровней.
Приведенные соображения относятся к обычному высокотемпературному коксу, полученному при температуре около 1000°С. Опыт показывает; что в этих условиях тип исходнаг угля не оказывает заметного влияния на характер зависимости: ЦТ).
Однако при повышении температуры обработки до 1700— 1800° С и выше в коксах из графитирующихся углей возникает и по мере дальнейшего повышения температуры совершенствуется трехмерно упорядоченная структура, приближающаяся к структуре графита. Тепловое сопротивление такой структуры определяется, как показано выше, процессами переброса при фонон-фононных взаимодействиях, вследствие чего, наряду с возрастанием теплопроводности по абсолютной величине, иэ^; меняется характер ее температурной зависимости — она приближается к зависимости, характерной для кристаллов.
В коксах из неграфитирующихся углей трехмерная упоря доченность отсутствует вплоть до самых высоких температур прокаливания, поэтому изменение теплопроводности с повышением температуры обработки носит в основном количественный характер. Увеличение средних размеров углеродных блоков
Приводит к некоторому возрастанию теплопроводности из-за уменьшения рассеяния на их границах. По-видимому, это увеличение относительно незначительно, а зависимость Х(Т) соответствует зависимости вида (111.15) или близкой к ней.