Введение к работе
Актуальность работы. В России и за рубежом проведен большой объем исследований сложных процессов,. протекающих при метаморфизме, следствием которых является изменение свойств такой разновидности горных пород как уголь. Достаточно хорошо исследовано распределение в недрах температур, геотермических градиентов, тепловых потоков. Недостаточно изучена такая фундаментальная термодинамическая характеристика как теплота (энтальпия) образования углей.
Актуальность данной работы обусловлена необходимостью дальнейшего познания термодинамических условий образования углей разной стадии метаморфизма. Для этого разработан метод расчета теплоты (энтальпии) образования твердых горючих ископаемых.
Актуальность работы заключается также в том, что теплота (энтальпия) образования горючих ископаемых, являясь фундаментальным термодинамическим параметром, может служить основополагающим генетическим параметром, положенным в основу классификации углей.
Диссертация выполнена в соответствии с планами НИР ИГДС СО РАН в 1997-2000 г.г. по теме: «Исследование физических процессов горного производства в условиях многолетней мерзлоты и разработка эффективных способов и средств управления ими для совершенствования перспективных нетрадиционных технологий и технических систем при освоении недр Севера, учитывающих экологические особенности региона» (№ государственной регистрации 01.960.009247).
Цель работы. Разработать метод расчета теплоты (энтальпии) образования твердых горючих ископаемых, исследовать характер изменения нового параметра в ряду метаморфизма каменных углей и изучить его взаимосвязь с основными свойствами и качественными характеристиками углей как предпосылку к разработке новой классификации углей.
Идея работы. Установить и доказать принципиальную значимость такого параметра как теплота (энтальпия) образования твердых горючих ископаемых.
Основными задачами работы являются:
разработка метода расчета теплоты (энтальпии) образования каменных углей, включающего методики расчета всех необходимых для этого параметров: теплоты (энтальпии) сгорания углей, стехиометрических коэффициентов процесса сгорания углей и др.;
разработка программного обеспечения для пересчета различных качественных характеристик углей из одного состояния в другое, а также для расчета теплоты (энтальпии) образования углей;
- для бассейна, угли которого образуют полный ряд метаморфизма,
исследовать характер изменчивости теплоты (энтальпии) образования и ее
взаимосвязь с наиболее важными свойствами и качественными характери
стиками углей.
Методы исследований:
анализ и обобщение литературных источников;
математические и статистические с применением стандартных программ и специально разработанного пакета программ.
Научные положения, представляемые к защите:
- метод расчета теплоты (энтальпии) образования твердых горючих
ископаемых, включающий методики расчета теплоты сгорания каменных
углей по элементному составу, стехиометрических коэффициентов реакции
горения твердого топлива; теплоты образования продуктов горения;
методика установления границ марок и технологических групп по выходу летучих веществ каменных углей Кузбасса;
эндотермический характер тепловых процессов при метаморфизме и значительные отличия скорости поглощения тепла углем на разных этапах углефикации.
Научная новизна:
- впервые разработан метод расчета теплоты (энтальпии) образования
твердых горючих ископаемых, включающий методики расчета теплоты
сгорания каменных углей по элементному составу и стехиометрических
коэффициентов процесса горения твердого топлива;
впервые проведено системное изучение характера изменения теплоты (энтальпии) образования каменных углей Кузбасса, представляющих собой весь ряд метаморфизма;
установлено, что для углей Кузбасса, о. Сахалин и Южно-Якутского угольного бассейна процесс метаморфизма имеет, как правило, эндотермический характер, т.е. протекает с поглощением тепла.
Личный вклад автора состоит в:
разработке метода расчета теплоты (энтальпии) образования твердых горючих ископаемых, включающего методики: расчетного определения теплоты (энтальпии) сгорания углей; расчета стехиометрических коэффициентов процесса горения топлива; расчета теплоты (энтальпии) образования продуктов сгорания топлива; пересчета теплоты сгорания, полученной при постоянном объеме, в теплоту сгорания при постоянном давлении;
разработке программного обеспечения для пересчета различных параметров, характеризующих качество углей, из одного состояния в другое, а также для расчета теплоты (энтальпии) образования углей;
- расчетах и исследовании теплоты образования углеіі ряда метамор-
физма Кузбасса, о. Сахалин и Южно-Якутского бассейна.
Практическая ценность:
новая методика позволяет оперативно установить границы марок и технологических групп углей Кузбасса по выходу летучих веществ, практически совпадающие с предусмотренными ГОСТ 8162-79;
теплота (энтальпия) образования горючих ископаемых может быть положена в основу классификации углей, т.к. является фундаментальным термодинамическим и основополагающим генетическим параметром, характеризующим степень метаморфизма углей;
разработанные программ - "PERESCHET" и "TEPLOTA" - могут быть использованы в лабораториях угольных разрезов и обогатительных фабрик, в НИИ и ВУЗах для пересчетов результатов анализов твердого топлива из одного состояния в другое.
Достоверность научных положений, выводов и результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждаются: корректностью постановки расчетного метода определения теплоты (энтальпии) образования твердых горючих ископаемых, теплоты сгорания каменных углей; стехио-метрических коэффициентов реакции сгорания твердого топлива; корректным применением существующих рекомендаций по статистической обработке данных.
Реализация работы. Программа "PERESCHET", предназначенная для пересчетов результатов анализов твердого топлива из одного состояния в другое, передана в Управление качества и метрологии ГУЛ "Якутуголь" для практического использования.
Апробация работы. Отдельные разделы и основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на II симпозиуме "Проблемы катализа в углехимии" (г. Красноярск, 1993 г.); межвузовской научно - практической конференции "Наука - невостребованный потенциал" (г. Нерюнгри, 1996 г.); научно-практической конференции "Вуз и наука в Южной Якутии (г. Нерюнгри, 1996 г.); научной конференции студентов и молодых ученых PC (Я) "Лаврентьевские чтения" (г. Якутск, 1997 г.); научно - практической конференции "Пути эффективного использования экономического и промышленного потенциала Южно-Якутского региона в 21-м веке" (Нерюнгри, 2000 г.); научных семинарах лаборатории комплексного использования углей и заседаниях Ученого совета ИГДС СО РАН.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 научных статей и тезисов докладов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 119 наименований, 3
приложений, содержит 157 страниц машинописного текста, включая 15 рисунков и 12 таблиц.