20.4. Влияние различных факторов на плотность ТГИ
В ряду гумитов с возрастанием степени их химической зрелости действительная плотность увеличивается. Средние показатели действительной плотности углей (без породы) колеблются в следующих интервалах: для бурых углей – 1100-1400, для каменных углей – 1250-1600, для антрацитов – 1400-1800 кг/м3.
Однако, рост действительной плотности углей по мере возрастания степени метаморфизма происходит не непрерывно. Многочисленными исследованиями установлен минимум на кривой зависимости плотности угля от степени углефикации в области содержания углерода 85-86% (рис. 20.1). Эти данные объясняют повышенную спекаемость углей, характеризующихся пониженной плотностью.
Рисунок 20.1. Зависимость действительной плотности гумитов от содержания углерода
Действительная плотность ТГИ при прочих равных условиях зависит от содержания и состава минеральных компонентов. С увеличением зольности плотность углей растёт. Плотность минеральных компонентов значительно выше действительной плотности органической массы ТГИ и колеблется от 2500 кг/м3 (глины) до 5000 кг/м3 (пирит). Установлено, что увеличение зольности на 1% повышает действительную плотность топлива примерно на 10 кг/м3.
Петрографические составляющие гумусовых углей значительно отличаются по действительной плотности. В углях одинаковой степени химической зрелости, особенно в менее зрелых, наименьшей плотностью обладает липтинит (dr = 1150-1200 кг/м3). Плотность его увеличивается с возрастанием степени метаморфизма (рис. 20.2).
Стадия метаморфизма почти не влияет на действительную плотность инертинита (dr = 1500-1550 кг/м3). Действительная плотность витринита (dr = 1280-1350 кг/м3) изменяется по кривой с минимумом в области углей с содержанием углерода 86%.
Малозольные сапропелиты и липтобиолиты, а также кероген горючих сланцев имеет действительную плотность меньшую, чем гумиты (dr = 1000-1100 кг/м3, иногда меньше 1000 кг/м3).
Кажущаяся плотность отличается от действительной только из-за наличия пор и трещин в кусках углей. Поэтому кажущаяся плотность всегда меньше действительной (для каменных углей – на 10-20 кг/м3).
Рисунок 20.2. Зависимость действительной плотности микрокомпонентов от степени метаморфизма углей
Насыпная плотность в меньшей степени зависит от природы ТГИ и их стадии химической зрелости. В основном она зависит от гранулометрического состава, формы кусков или частиц, их укладки, влажности и является переменной величиной. Увеличение верхнего предела крупности угольных зёрен увеличивает плотность насыпной массы загрузки.
При свободной засыпке в случае формирования штабеля без уплотнения насыпная плотность зависит главным образом от угла естественного откоса, который обусловлен коэффициентом трения между зернами. Угол естественного откоса для рядовых углей и антрацитов (среднего гранулометрического состава и влажности) составляет (в градусах): антрацит – 27-30; угли средней стадии метаморфизма – 35-40; мелкие угли – 45-50; шлам – 70-75.
На практике насыпная плотность углей и угольных шихт изменяется от 600 до 850 кг/м3 и зависит от их влажности. На рис. 20.3 приведена такая зависимость для шихт из углей Донбасса.
Наибольшее значение насыпная плотность имеет при содержании влаги в углях 0-2%, которая представлена внутренней, связанной влагой, не препятствующей перемещению угольных зёрен в загрузке.
При дальнейшем повышении влажности угля до 6-8% насыпная плотность уменьшается вследствие появления на поверхности частиц внешней влаги, как бы раздвигающей частицы угля. Поверхностное натяжение в менисках воды вокруг точек контакта угольных зёрен удерживает их в определённом положении и препятствует их более плотной укладке.
Насыпная плотность достигает минимума, при которой наблюдается наименьшая подвижность (сыпучесть) частиц и связанное с этим зависание угля в бункерах, течках, на откосах.
Рисунок 20.3. Влияние влажности угольной шихты на её насыпную плотность
1 – фактическая влажность; 2 – в пересчёте на сухую массу
Последующее увеличение влажности (свыше 10-12%) вызывает рост насыпной плотности в основном вследствие уменьшения коэффициента внутреннего трения частиц, обусловленного появления значительных прослоек влаги на их поверхности. Влага, уменьшая свою свободную поверхность, изменяет взаимное расположение частиц угля относительно друг друга, сжимая их в такие группы, чтобы суммарная свободная поверхность группы была наименьшей. Поэтому насыпная плотность повышается не только за счёт веса добавляемой воды, но и благодаря более плотной упаковке угольных частиц.