Уголь ископаемый

УГОЛЬ ИСКОПАЕМЫЙ - твердое горючее полезное ископаемое; продукт преобразования растений. Основные компоненты: углефицированное органическое вещество, минеральные примеси и влага. Залегает обычно в виде пластов среди осадочных пород. Подразделяется на бурый уголь, каменный уголь и антрацит. Угли ископаемые использутся в основном в энергетике, для получения металлургического кокса, в химической промышленности. Основные технологические характеристики: зольность, содержание влаги, серы, выход летучих веществ. Мировые запасы около 3700 млрд. т.

Кузбасс является главной базой России по твердому топливу.

Технический анализ углей

Все виды твердых горючих ископаемых объединяют в себе две составляющие: органическое вещество и минеральную компоненту, которую прежде рассматривали как балласт, но теперь все чаще считают источником ценного минерального сырья, в частности редких и рассеянных элементов. Для оценки возможностей и режимов переработки горючих ископаемых применяют технический анализ, позволяющий определить направления использования их как энергетического и химического сырья. Под техническим анализом понимается определение показателей, предусмотренных техническими требованиями на качество угля. 
В технический анализ обычно объединяются методы, предназначенные для определения в углях и горючих сланцах зольности, содержания влаги, серы и фосфора, выхода летучих веществ, теплоты сгорания, спекаемости и некоторых других характеристик качества и технологических свойств. Полный технический анализ проводится не всегда, часто бывает достаточно провести сокращенный технический анализ, состоящий в определении влажности, зольности и выхода летучих веществ.

Влажность

В связи с тем, что молекулы воды могут быть связаны с поверхностью угля силами разной природы (абсорбция на поверхности и в порах, гидратирование полярных групп макромолекул, вхождение в состав кристаллогидратов минеральной части) при разных способах выделения влаги из угля получаются различные величины его обезвоженной массы и, соответственно, разные значения влажности. 
Масса угля с содержанием влаги, с которым он отгружается потребителю, называется рабочей массой угля, а влага, которая выделяется из нее при высушивании пробы до постоянной массы при 105oC, называется общей влагой рабочей массы угля. 
Содержание влаги в горючем ископаемом характеризуется его влажностью. Эта величина выражается отношением массы выделившейся при температуре обезвоживания влаги к массе анализируемого образца. Влажность обозначается буквой W (Wasser). 
Влага угля снижает полезную массу при перевозках, на ее испарение тратится большое количество тепла при сжигании топлива, кроме того, зимой влажный уголь смерзается. 
Общее содержание влаги меняется в зависимости от степени углефикации ископаемого в следующем ряду.  
Торф > Бурые угли > Антрациты > Каменные угли.

Зольность

В ископаемых углях содержится значительное количество (2-50 %) минеральных веществ, образующих после сжигания золу. Зольный остаток образуется после прокаливания угля в открытом тигле в муфельной печи при температуре 850±25oС. Зола на 95-97% состоит из оксидов Al, Fe, Ca, Mg, Na, Si, K. Остальное - соединения P, Mn, Ba, Ti, Sb и редких и рассеянных элементов. 
Зольность обозначатся буквой Аd (Asche) и выражается в мас.%. Суммарное содержание влаги и золы называют балластом. Содержание собственно минеральных веществ обозначается буквой М. Оно определяется с помощью физических и физико-химических методов (например, микроскопический, рентгеноскопический, радиоизотопный).

Летучие вещества

Летучие вещества - паро- и газообразные продукты, выделяющиеся при разложении органического вещества твердого горючего ископаемого при нагревании в стандартных условиях. Выход летучих веществ обозначается символом V (volativ), выход на аналитическую пробу Va, на сухое вещество Vd, сухое и беззольное Vdaf. Эта характеристика важна для оценки термической устойчивости структур, составляющих органическую массу угля. Выход летучих веществ при прокаливании послужил основой для одной из классификаций угля по маркам.

МаркаОбозначение
Марки    Группы

Выход летучих
веществ Vdaf,%

Толщина пластического
слоя Y,%

Длиннопламенный       Д         более 37  
Газовый Г Г6 Г7 более 37 17 - 25
Газовый жирный ГЖ - более 31 -37 17 - 25
Жирный Ж 1Ж26 2Ж26 более 33 26 и более
Коксовый жирный КЖ КЖ14 КЖ6 25 - 31 6 - 25
Коксовый К К13 К10 17 - 25 13 - 25
Коксовый второй К2 - 17 - 25

6 - 9

Отощённый спекающийся ОС - менее 17 6 - 9
Слабоспекающийся СС 1CC 2CC 25 - 35  
Тощий Т - менее 17  
Антрацит А - менее 10

Теплота сгорания

Теплота сгорания - это основной энергетический показатель угля. Она определяется экспериментально путем сжигания навески угля в калориметрической бомбе или расчетным путем по данным элементного анализа. 
Различают высшую теплоту сгорания угля Qs как количество теплоты, выделившееся при полном сгорании единицы массы угля в калориметрической бомбе в среде кислорода и низшую удельную теплоту сгорания Qi как высшую теплоту сгорания за вычетом теплоты испарения воды, выделившейся и образованной из угля во время сгорания. Высшая теплота сгорания часто определяется на беззольное состояние угля Q s af, а низшая на рабочее состояние Qir. Д.И. Менделеевым была предложена формула для расчета высшей теплоты сгорания по данным элементного анализа (кКал/кг): 
Qsaf=81°С+300Н-26(О-S), где С, Н, О, S - массовая доля элементов в веществе ТГИ, %. 
Высшая теплота сгорания основных твердых топлив:

Торф 5500-5700 кКал/кг 23-24 МДж/кг
Бурый уголь  6100-7700 кКал/кг 26-32 МДж/кг
Каменный уголь  7700-8800 кКал/кг 32-37 МДж/кг
Антрацит 8000-8500 кКал/кг 34-36 МДж/кг

Спекаемость  

Одним из наиболее важных, если не важнейшим, направлением использования каменного угля является его переработка в металлургический кокс - твердый продукт высокотемпературного (>900C) разложения каменного угля без доступа воздуха, обладающий определенными свойствами. Далеко не все угли способны спекаться, т.е. переходить при нагревании без доступа воздуха в пластическое состояние с последующим образованием связанного нелетучего остатка. Если этот спекшийся остаток отвечает требованиям, предъявляемым к металлургическому коксу, то говорят о коксуемости угля. Таким образом, коксуемость есть спекаемость, но первое понятие более узкое. Спекаются угли марок Г, Ж, К, ОС, но металлургический кокс можно получить только из углей марки К или из смеси углей, которая по свойствам приближается к ним.

Элементный анализ ТГИ 

Как уже говорилось, органическая масса всех видов ТГИ состоит из С, Н, О, S и N. Суммарное их количество превышает 99мас.% в расчете на органическое вещество любого угля и торфа.

Содержания углерода и водорода

Углерод и водород определяют по выходу СО2 и Н2О при сжигании навески угля в токе кислорода. Эти оксиды улавливают в поглотительных аппаратах, заполненных растворами КОН и Н2SO 4 соответственно. Последние взвешивают до и после сжигания навески и по разности масс рассчитывают содержание С и Н в пробе, обычно в мас.%. Надо отметить, что при этом результаты могут быть искажены за счет поглощения воды и углекислого газа, имеющих неорганическое происхождение, и образовавшихся за счет термического разложения минеральных компонентов угля.

Содержание азота

Содержание азота в углях невелико, обычно не превышает 1 %, изредка достигая 3-4 %.

Содержание серы 

В целом более распространена в углях сера. Ее содержание составляет от долей процента до 10-12%. Различают сульфатную (SSO4), пиритную (Sp) и органическую серу (So), суммарное содержание их называется общей серой (St). Содержание серы, устанавливаемое по данным элементного анализа, является важной характеристикой, которая определяет особые требования к переработке и использованию сырья, отличающегося ее высокой концентрацией. Выделяющиеся летучие серосодержащие продукты, такие как Н2S и SO2, крайне опасны при попадании в окружающую среду, а при проектировании производств, следует учитывать их высокую коррозионную активность.