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.
| Марка | Обозначение Марки Группы |
Выход летучих |
Толщина пластического |
|
|---|---|---|---|---|
| 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.
