Wpływ zjawiska ekspansji złoża ziaren węgla w okresie jego termicznego uplastycznienia na porowatość powstającego karbonizatu

• Autorzy: Strugała, A.

Warianty tytułu

EN

The impact of coal grain bed expansion within its temperature range of plasticity on the porosity of originating chars

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule wyjaśniono wpływ zjawiska wzrostu objętości złoża ziaren węgla w okresie jego termicznego uplastycznienia na proces formowania się porowatej struktury koksu. W oparciu o bilans objętości złoża oraz poszczególnych jego elementów opracowano matematyczny opis pozwalający prognozować porowatość całkowitą powstającego karbonizatu. Opis ten wykorzystano następnie dla oceny dokładności określenia całkowitej porowatości karbonizatów za pomocą stosowanych w pracy badań mikroskopowych, porozymetrycznych i densymetrycznych. W celu szczególowego określenia wpływu zjawiska ekspansji złoża na formowanie się porowatej struktury karbonizatów węglowych, występujące w nich pory podzielono na trzy grupy wymiarowe, tj. pory o promieniu poniżej 7,5 nm, pory o promieniu 7,5-2500 nm oraz pory o promieniu powyżej 2500 nm. Podział przeprowadzono opierając się na zróżnicowanym wpływie na objętość tych grup porów w karbonizacie takich czynników, jak temperatura karbonizacji, gęstość nasypowa i wymiary ziaren węgla. Porównując objętości poszczególnych grup porów w karbonizatach otrzymanych w stałej objętości i w karbonizatach uzyskanych w warunkach swobodnej ekspansji stwierdzono, iż zjawisko wzrostu objętości złoża wywiera istotny wpływ jedynie na formowanie się grupy największych porów. Na podstawie badań objętości porów w karbonizatach otrzymanych z pojedynczych węgli oraz w karbonizatach wyprodukowanych z ich mieszanek stwierdzono, iż objętość porów o promieniu poniżej 2500 nm jest wielkością o charakterze addytywnym. W przypadku większych porów ich objętość ma charakter addytywny jedynie w karbonizatach uzyskanych w warunkach stałej objętości. Prezentowane w tym artykule wyniki oparte są na badaniach laboratoryjnych przeprowadzonych w warunkach zbliżonych do panujących w komorze przemysłowej (szybkość nagrzewania, skład i ciśnienie atmosfery gazowej, właściwości i uziarnienie węgli, gęstość nasypowa). Z tego powodu wyniki te, jak również sformułowane na ich podstawie wnioski, mogą być pomocne dla wyjaśnienia mechanizmu formowania się porowatej struktury koksu w komorze przemysłowej.

EN

The paper explains the influence of the increase in the volume of coal bed during its thermoplasticity stage on the process of char porous structure formation. Basing onrself on the volume balance of the particular elements of coal bed a mathematical model has been developed for the description of the influence of changes in bed volume as well as its solid phase during carbonization on the total porosity of originating chars. The model has subsequently been used to evaluate the possibility of determining the porosity by means of microscopy, mercury porosimetry and helium method. In order to give a detailed description of the impact of bed expansion on the formation of char porous structure, the pores have been divided into three groups, i.e. pores with radius <7,5 nm, pores with radius 7,5-2500 nm and pores with radius >2500 nm. The division has made on the basis of different influence of factors like carbonization temperature, bulk density and coal grain size on the volume of these pore groups. As a result of the comparison of the pore volume in chars obtained in the conditions of constant volume and those obtained in the conditions of free expansion, the increase in the volume of the bed has been observed to significantly influence only the formation of the pores with radius >2500 nm. Basing oneself on the examination of pore volume in chars produced from single coals and those obtained from their blends, it has been stated that volume of pores with radius <2500 nm is of additive nature. In the case of pores with radius >2500 nm their volume is additive nature only in chars obtained in the conditions of constant volume of the carbonization space. The results presented in this paper are based on laboratory research carried out in the conditions similar to those in commercial coking plants (the rate of heating, the composition and pressure of gaseous atmosphere, the bulk density and the size of coal grains). For this reason the obtained results and conclusions that have been drawn, can be used to explain the process of coke porous structure formation in the conditions of a commercial coking chamber.

Słowa kluczowe

PL

węgiel; karbonizacja; porowatość

EN

coal; carbonization; porosity

• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2002
• Tom: T. 18, z. 1
• Strony: 41-66
• Opis fizyczny: Bibliogr. 80 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Strugała, A.

• Wydział Paliw i Energii AGH, Kraków

Bibliografia

• [1] Aarna J., Suuberg E.M., 1998 – The role of porosity and surface area in carbon combustion and gasification reactions. Ext. Abstracts and Programme; Science and Technology of Carbon – Strasbourg Vol. 1, s. 157.
• [2] Albiniak A. i in., 1997 — Pore structure evolution of low rank coals during rapid and slow pyrolysis. Proc. 9th International Conference on Coal Science — Essen vol. 2, s. 785.
• [3] Asada S. i in., 1993 — The mechanism of formation of density-distribution in lump coke made from wet coal charge. Cokemaking International 5, s. 23.
• [4] Bałanow W.G. i in., 1982 — Izuczienije poristoj struktury koksa s pomoszcziu mikroanalizatora Epikwant. Koks i Chimia 10, s. 17.
• [5] BCRA, 1979 — Studies of coke texture using a computerized microscope for automatic image analysis. Carbonization Research Report No.73, Chesterfield.
• [6] BCRA, 1981 — Microstructure and porosity and their relation to the mechanical properties of carbons and cokes. Carbonization Research Report No. 96, Chesterfield.
• [7] BCRA, 1983 — Studies of the factors controlling the formation and development of the porous structure of coke. Carbonization Research Report No. 123, Chesterfield.
• [8] Bratek K., Wilk P., 1989 — Nowa metoda oznaczania struktury makroporowatej koksów przy zastosowaniu analizatora obrazu Mini-Mop. Karbo-Energochemia-Ekologia 34, s. 239.
• [9] Bratek K., Wilk P., 1992 — Badania makroporowatości koksów z witrytów węgli gazowych i semikoksowych. Karbo-Energochcmia-Ekologia 37, s. 243.
• [10] Buchtele J. i in., 1990 — Zawislost porowitcho systemu koksu na hustotc a vlkhost vsazky a na rezimu jejiho ohrevu. Hutnicke listy 6, s. 377.
• [11] Buchtele J. i in., 1992 — Wpływ struktury substancji organicznej węgla na własności koksotwórcze i na tworzącą się teksturę koksów modelowych. Proc. 2nd International Cokemaking Process - London, vol. 2, s. 214.
• [12] Buchtele J. i in., 1995 — Wpływ inertynitu na porowatą teksturę węgli oraz otrzymanych z nich koksów. Karbo-Energochemia-Ekologia 40, s. 76.
• [13] Długosz A., Budzyń St., 1998 — Wpływ obróbki termicznej na kształtowanie się porowatości koksu hutniczego i elektrodowego. Karbo-Energochemia-Ekologia 43, s. 18.
• [14] Drake L.C., Pitter H.L., 1945 — Pore size distribution in porous materials. Industrial and Engineering Chemistry - Analytical Edition 17, s. 782.
• [15] Drake L.C., Pitter H.L., 1945 — Macropore size distributions in some typical porous substances. Industrial and Engineering Chemistry - Analytical Edtion 17, s. 787.
• [16] Eifert K.D. i in., 1971 — Untersuchung zur Kennzeichnung der Reaktionsfläch bei der Vergasung von Koksen mit Kohlenoxid. Glückauf-Forschungshefte 32, s. 237.
• [17] Elliot M.H., Howard J.B., 1981 — Fundamentals of coal pyrolysis and hydropyrolysis. Ed. John Wiley, New York.
• [18] Gavalas G.R., 1980 — A random capillary model with application to char gasification at controlled rates. AIChE Journal 26, s. 577.
• [19] Griaznow N.S., 1976 — Osnowy tieorii koksowanija. Izd. Mietałłurgija, Moskwa.
• [20] Hartwell i in., 1982 — Effect of low-volatile additives on the structure and strength of cokes. Fuel 61, s. 329.
• [21] Hatano M., Fukada M., 1976 — Coke quality and behaviour in the blast furnace. Ironmaking Proc. AIME 35, s. 2.
• [22] Hautkappe J.,1986 — Untersuchungen über den Gasdruck in der plastischen Zone. Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs - TU Berlin.
• [23] Hays i in., 1976 — Pore structure development during coal carbonization. Part I - Behaviour of single coals. Fuel 55, s. 297.
• [24] Heckman H., Klose W., 1994 — Beeinflussung des Durchgasungsverhaltens der plastischen Zone und des Halbkokses. Glückauf Forschungshefte 55, s. 5.
• [25] Heilpern S., 1969 — Badanie wpływu warunków termicznych i surowcowych na porowatą strukturę koksu w oparciu o porozymetrię ciśnieniowo-rtęciową. Koks-Smoła-Gaz 24, s. 191.
• [26] Heilpern S., 1971 — Badania mikrostruktury koksu. Koks-Smoła-Gaz 26, s. 230.
• [27] Heilpern S.,1971 — Wpływ stabilizacji termicznej koksu na jego własności fizykochemiczne. Koks-Smoła-Gaz 26, s. 268.
• [28] Jankowska i in., 1985 — Węgiel aktywny. WNT, Warszawa.
• [29] Jasieńko S., Bratek K„ 1978 — Badania fizykochemiczne własności i struktury węgli z Rybnickiego Okręgu Węglowego i otrzymanych z nich koksów. Chemia Stosowana 22, s. 235.
• [30] Jasieńko S. i in., 1997 — Atlas mikroskopowych typów struktur występujących w węglach kamiennych i koksach. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.
• [31] Kasjan I.I. i in., 1987 - Wlianije usłowij połuczenia koksa na jewo poristuju strukturu. Chimia Twierdowo Topliwa 1 s. 97.
• [32] Kawęcka J., - 1988 Struktura porowata węgli kamiennych. Zeszyty Naukowe AGH nr 1212, Chemia 8, s. 69.
• [33] Kerkkoner O., 1998 — The study of coke porous structure using automatic image analysis. Ext. Abstracts and Programme; Science and Technology of Carbon — Strasbourg vol. 1, s. 7.
• [34] Klose W., Lent M., 1984 — Agglomerationskinetik von Kokskohlenpartikeln wahrend der Erweichung Chemie Ingenieur Technik 56, s. 772.
• [35] Klose W., Lent M., 1985 — Agglomeration kinetics of coking coal particles during the sotftening phase. Fuel 64, s. 193.
• [36] Klose W., 1987 — The development of a comprehensive coking mechanisms. Proc. 1st International Cokemaking Congress - Essen vol. I, s. Dl.
• [37] Lester E. i in., 1996 - Char characterisation using image analysis techniques. Energy & Fuels 10, s. 696.
• [38] Loison R. i in., 1970 — Le Coke. Dunod, Paris.
• [39] Marsh, 1981 The relation between the coke porosity and the strength of metallurgical coke. Proc. of the Conference on Coke Oven Techniques - Luxembourg, s. 53.
• [40] Mastral A M. i in., 1992 — From coal to char. Carbon 30, s. 375.
• [41] Merrick D., 1983 — Mathematical models of the thermal decomposition of coal. Part 3 - density, porosity and contraction behaviour, Fuel 62, s. 547.
• [42] Miura S., Silveston P.L., 1980— Change of pore properties during carbonization of coking coa., Carbon 18, s. 93.
• [43] Mucznik D.A. i n., 1987 — Mietod uskoriennowo opriedielienija poristosti koksa. Chimia Twiedowo Topliwa 1 s. 17.
• [44] Nodzeński A. i in., 2001 — Struktura porów wybranych węgli kamiennych z Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego Karbo-Energochemia-Ekologia 46, s. 2.
• [45] Ogórek J., Wróblewska J., 1994 — Pomiar porowatości za pomocą analizy obrazowej. Karbo-Energochemia-Ekologia 39, s. 18.
• [46] Oshovsky W. i in., 1998 — Statistic regulations of pores and walls distribution in coal activation products. Ext. Abstracts and Programme; Science and Technology of Carbon - Strasbourg vol. I, s. 303.
• [47] Otlik A., 1980 — Kompleksowa analiza ilościowa struktury koksów naftowych metodą statystyczną pięciopunktową Mat. VIII Sympozjum Przemysłu Elektrodowego, Racibórz, s. 36.
• [48] Pampuch R. i in., 1971 — Mikroskopowa metoda oznaczania parametrów tworzyw węglowych i grafitowych Zeszyty Naukowe AGH nr 275, Ceramika 17, s. 77.
• [49] Patrick J.W, Walker A., - 1985 Preliminary studies of the relation between the carbon texture and the strength of metallurgical coke. Fuel 64, s. 136.
• [50] Patrick J.W, Walker A., 1989 — Macroporosity in cokcs; its significance, measurement and control Carbon 27 s. 117.
• [51] Pluta M., 1982 — Mikroskopia optyczna. PWN, Warszawa.
• [52] Pruss W., 1961 Die Bestimmung der Porengrössen und Porenverteilung in Kohle und Koks. Brennstoff Chemie 42 s. 157.
• [53] Reifenstein A.P., 1997 — Transformation of coal grains to coke microstructure. Cokemaking International 9 s. 45.
• [54] Ritter H., Juranek G„ 1960 — Eine neue Methode zur Untersuchung und Beschreibung der Erweichungsverhaltens von Kohlen. Brennstoff Chemie 4, s. 170.
• [55] Rybak W.,1988 — Reactivity of heat-treated coals. Fuel Processing Technology 19, s. 107.
• [56] Ryś J„ 1995 — Stereologia materiałów. Wyd. Fobit Design, Kraków.
• [57[ Sakawa M. Shiraishi K , 1987 — In-situ observation of coal carbonization process and estimate of coke quality in width direction of oven chamber by computerized tomography (CT). Proc. 1st International Cokemaking Congress - Essen vol. 1, s. D2.
• [58] Sato H. i in., 1998 — Effect of coal properties and porous stracture on tensile strength of metallurgical coke Fuel 77 s. 1203.
• [59] Singla P.K. i in. 1983 — Pore development during carbonization of coals. Fuel 62, s. 645.
• [60] Spitzer Z., 1981 - Mercury porosimetry and its application to the analysis of coal pore structure, powder Technology. 29, s. 177.
• [61] Stiepanow J. W. i in., 1985 — Opriedielienije poristosti koksa na awtomaticzeskim strukturnom analizatorie Epikwant Koks i Chimia 7, s. 17.
• [62] Straka P., 1990 — Vztah tloustky sten hrubych poru koksu k mcchanickym vlastnostem koksu po reakci s oxidem uhlicitym. Hutnik 40, s. 203.
• [63] Straka P., Buchtele J., 1993 — Poużiti analyzy obrazu ke stanoveni mechanickych parametru koksu, Hutnicke Listy 3, s. 4.
• [64 Strugała A., Burmistrz P., 1988 — Identyfikacja czynników determinujących parametry tekstury porowatej koksów. Koks-Smoła-Gaz 33, s. 87.
• [65] Strugała A.,1998 — Zmiany gęstości rzeczywistej substancji mineralnej węgli kamiennych w procesie pirolizy. Karbo-Energochemia-Ekologia 43, s. 105.
• [66] Strugała A., 1998 — Substancja mineralna węgla kamiennego i jej przemiany w procesie koksowania. Gospodarka Surowcami Mineralnymi 14, s. 9.
• [67] Strugała A., 1999 — Substancja organiczna węgla kamiennego i jej przemiany w procesie pirolizy. Gospodarka Surowcami Mineralnymi 15, s. 5.
• [68] Strugała A., 2000 — Empirical relationships for the determination of true density of coal chars. Fuel 79, s. 743.
• [69] Suginobe H.,1985 — Zur Veränderung der Porenverteilung im Verlauf der Verkokung und deren Auswirkung auf die Spaltzugfestigkeit und den Elastizitätsmodul von Koksen.
• [70] Szapiro F.L. i in., 1984 — Struktura mietałłurgiczeskowo koksa. Koks i Chimia 6, s. 14.
• [71] Tajc E.M, 1980 — Formirowanije poristoj struktury koksa. Koks i Chimia 3, s. 18.
• [72] Toda Y. i in., 1970 — Fine structure of carbonized coals. Carbon, 8, s. 565.
• [73] Toda Y.,Toyoda S., 1972 — Application of mercury porosimetry to coal. Fuel 51, s. 199.
• [74] Toda Y.,1973 — A study by density measurement of changes in pore structures of coals witli heat treatment. Part I: Macropore structure. Fuel 52, s. 52.
• [75] Toda Y.,1973 — A study by density measurement of changes in pore structures of coals with heat treatment. Part 2: Micropore structure. Fuel 52, s. 99.
• [76] Tomeczek J., Gil S., 1997 — Pore structure evolution and volatiles release during high — pressure coal pyrolysis. Proc. 9th International Conference on Coal Science - Essen vol. 2, s. 545.
• [77] Volk W., 1973 — Statystyka stosowana dla inżynierów. WNT, Warszawa.
• [78] Weishauptova Z. i in., 1992 — A change in the porous structure of coke between 1540 and 2880°C. Carbon 30, s. 1055.
• [79] Zwietering P., van Krevelen D.W., 1954 — Chemical Structure and Properties of Coal. Part IV: Pore Structure, Fuel 33, s. 331.
• [80] Zygourakis K., 1997 — Effect of pyrolysis conditions on the macropore structure of coal-derived chars. Energy & Fuels 7, s. 33.