Влияние неоднородности структуры угля на особенности его термического разложения

Проведены исследования структуры угольных образцов из пластов Кузнецкого угольного бассейна и особенностей термического разложения угольного вещества при нагревании. Анализ термической устойчивости компонент молекулярной структуры угля проводился с использованием зависимостей изменения массы и скорости изменения массы навески угля от температуры. Полученные зависимости были сопоставлены со склонностью углей к самовозгоранию и выбросоопасности. По цифровым изображениям поверхности угольных образцов, полученным на сканирующем электронном микроскопе при тысячекратном увеличении, определены пространственная сложность и информационная энтропия и сделаны расчёты статистических характеристик значений «энтропия — сложность», что позволило оценить пространственную неоднородность (упорядоченность) элементов структуры исследуемых образцов и показать: уголь из невыбросоопасного пласта отличается более упорядоченной структурой, чем из выбросоопасного, который, наряду с упорядоченными областями, содержит также и области с более хаотичной организацией структурных элементов. Также показано, что угли из пластов склонных к самовозгоранию и выбросоопасности, имеют менее упорядоченную структуру и характеризуются более высокой скоростью разложения в условиях пиролиза без доступа воздуха; при этом уголь, склонный к самовозгоранию, теряет массу со скоростью, почти вдвое большей, чем уголь, не склонный к самовозгоранию. В воздушной среде пиролиз углей с упорядоченной структурой протекает с большей скоростью. Сделан вывод о том, что термическая стойкость угля существенно зависит от его структурной упорядоченности.

Ульянова Е. В., Малинникова О. Н., Пашичев Б. Н. Влияние неоднородности структуры угля на особенности его термического разложения // Горный информационноаналитический бюллетень. – 2020. – № 2. – С. 71–81. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-2-0-71-81.

Ульянова Екатерина Васильевна¹ — д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: ekaterina-ulyanova@yandex.ru,
Малинникова Ольга Николаевна¹ — д-р техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: olga_malinnikova@mail.ru,
Пашичев Борис Николаевич¹ — аспирант, ведущий инженер, e-mail: borisnik-pa@yandex.ru,
¹ Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

Ульянова Е.В., e-mail: ekaterina-ulyanova@yandex.ru.

1. Структура и свойства углей в ряду метаморфизма: cборник научных трудов. — Киев: Наукова думка, 1985. — 131 с.
2. Бирюков Ю. В., Нестеренко Л. А. / Структура и свойства углей в ряду метаморфизма: cборник научных трудов. — Киев: Наукова думка, 1985. — С. 16.
3. Marsh Н., Rodriguez-Reinoso F. Activated carbon. Elsevier Science, 2006, 536 р.
4. Фролков Г. Д., Фролков А. Г. Взаимосвязь выбросов угольного метана и структуры органической массы углей // Химия твердого топлива. — 2011. — № 1. — С. 9—13.
5. Van Krevelen D. W. Coal—typology, chemistry, physics, constitution. Elsevier, Amsterdam, 1993, 1000 p.
6. Русьянова Н. Д. Углехимия. — М.: Наука, 2003. — 317 с.
7. Захаров В. Н., Малинникова О. Н. Исследование структурных особенностей углей выбросоопасных пластов // Записки горного института. — 2014. — Т. 210. — С. 43—52.
8. Шепелева С. А., Дырдин В. В., Ким Т. Л., Смирнов В. Г., Гвоздикова Т. Н. Метан и выбросоопасность угольных пластов. — Томск: изд. Томского ун-та, 2015. — 180 с.
9. Zhang Z., Kang Q., Wei S., Yun T., Yan G., Yan K. Large scale molecular model construction of xishan bitu-minous coal // Energy and Fuels, 2017, Vol. 31, No 2, pp. 1310—1317. DOI: 10.1021/ acs.energyfuels.6b02623.
10. Han Y., Wang J., Dong Y., Hou Q., Pan J. The role of structure defects in the deformation of anthracite and their influence on the macromolecular structure // Fuel, 2017, Vol. 206, pp. 1—9. DOI: 10.1016/j.fuel.2017.05.085.
11. Li Q., Chen J., He J.-J. Physical properties, vitrinite reflectance, and microstructure of coal, Taiyuan Formation, Qinshui Basin, China // Applied Geophysics, 2017, Vol. 14, No 4, pp. 480— 491. DOI: 10.1007/s11770-017-0651-8.
12. Феоктистов А. В., Якушевич Н. Ф., Страхов В. М., Селянин И. Ф., Модзелевская О. Г. Термогравиметрический анализ изменения параметров литейного кокса и антрацита // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. — 2015. — Т. 58. — № 11. — С. 837— 845. DOI: 10.17073/0368-0797-2015-11-837-845.
13. Марьяндышев П. А., Чернов А. А., Попова Е. И., Любов В. К. Термогравиметрическое исследование процесса термического разложения и горения древесного топлива, углей и гидролизного лигнина // Современные наукоемкие технологии. — 2015. — № 5. — С. 26—31.
14. Bandt C., Pompe B. Permutation entropy: a natural complexity measure for time series // Physical Review Letters, 2002, Vol. 88, No 17, 4 p. DOI: 10.1103/PhysRevLett.88.174102.
15. Ribeiro H. V., Zunino L., Lenzi E. K., Santoro P. A., Mendes R. S. Complexity-entropy causality plane as a complexity measure for two-dimensional patterns // PLoS ONE, 2012, No 7(8): e40689. DOI: 10.1371/journal.pone.0040689.
16. Brazhe A. Shearlet-based measures of entropy and complexity for two-dimensional patterns // Physical Review E — Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 2018. Vol. 97, No 6. P. 061301. DOI: 10.1103/PhysRevE.97.061301.
17. Zunino L., Ribeiro H. V. Discriminating image textures with the multiscale two-dimensional complexity-entropy causality plane // Chaos, Solitons & Fractals, 2016, Vol. 91, pp. 679—688. DOI: 10.1016/j.chaos.2016.09.005.
18. Malinnikova O., Uchaev D., Uchaev D., Malinnikov V., Ulyanova C. «Complexity—entropy» diagrams and their application to the study of coal tectonic disturbance // E3S Web of Conferences. 2019, Vol. 129, Article 01016. DOI: 10.1051/e3sconf/201912901016.
19. Ульянова Е. В., Малинникова О. Н., Пашичев Б. Н., Малинникова Е. В. Микроструктура ископаемых углей до и после газодинамических явлений // ФТПРПИ. — 2019. — № 5. — С. 10—18. DOI: 10.15372/FTPRPI20190502.