Химический состав углей

07.11.2020

Химические анализы служат основным методом изучения качества угля. Проводятся они в химических лабораториях шахты, треста или комбината по образцам угля, поставляемым я эти лаборатории.

При химических исследованиях, в зависимости от их назначения, производятся технические и элементарные анализы угля.

Технический анализ. Технический анализ — это определение горючих и негорючих частей топлива. В его задачи входит определение влаги W, золы А, летучих веществ Vr, коксового остатка К', характеризующего спекаемость, серы Sоб и теплоты сгорания Q, которая выражается в килокалориях на килограмм (ккал/кг).

Влага и зола составляют негорючую часть угля (балласт топлива), остальные составные части образуют органическую горючую массу угля.

Влага ископаемого угля состоит из внешней, или гордой, и внутренней, или лабораторной.

Внешняя влага представляет собой тонкую пленку, покрывающую отдельные частицы угля. Она может улетучиваться в окружающий воздух, после чего уголь переходит в воздушно-сухое состояние. Внутренняя — состоит из гигроскопической и конституционной (химически связанной) влаги и удаляется только при нагревании угля до температуры 105° С.

Абсолютно сухое топливо получают путем высушивания угля при температуре выше 105° С.

При технических анализах определяется влажность воздушно-сухой пробы и делаются пересчеты на абсолютно сухое топливо.

Содержание влаги уменьшается от торфа к бурым, далее каменным углям и далее к антрацитам.

Зола смесь минеральных веществ, которые остаются после сгорании всех горючих веществ топлива. Вес золы не равен весу минеральных примесей, заключавшихся в топливе. Считают, что из угля получается на 5—10% меньше золы, чем в нем было минеральных примесей. Причина этого в том, что при сжигании углей карбонаты разлагаются, образуя углекислый газ и окись металла; примеси сорного колчедана FeS2 образуют сернистый газ — SО3 и окись железа; окиси металлов в свою очередь могут поглощать сернистый газ и переходить в сульфаты и т. д.

Зола в угле содержится в следующих формах:

1) зола внутренняя, так называемая конституционная, или растительная, которая химически связана с веществом угля. При обогащении внутреннюю золу почти нельзя удалить из угля;

2) зола внешняя (наносная), т. е. принесенная ветром или водой в период накопления растительного материала в торфяниках. Она связана с органической массой механически и обычно состоит из мельчайших частиц глинистого вещества и кварца:

3) зола, полученная из прослойков пустой породы глинистого состава в пласте угля;

4) зола от пород и минеральных образований, которые заполняют трещины в углях. Этот материал вторичного происхождения и может состоять из глины, песка, гипса, сидерита и даже кристаллических пород;

5) зола, получаемая при разработке пласта угля от случайной примеси кусков породы из почвы или кровли.

Зольностъ углей исключительно важный и нередко решающий качественный показатель, от которого зависит пригодность угля к использованию. Она колеблется в широких пределах: от 2—3% до 35—40% и более. Граница между углем и углистым сланцем условно принимается при содержании золы выше 40%.

Значительное количество золы понижает теплоту сгорания топлива требует лишних расходов по перевозке и излишней загрузки транспорта, большое наличие минеральных примесей в угле часто делает невозможным использование его при коксовании. Металлурги считают, что 1% золы увеличивает расход кокса в домне в среднем на 2—2,5% и уменьшает производительность печи примерно на 2%.

Удаление минеральных примесей из углей называется обогащением и осуществляется сочетанием различных механических, физико-химических и химических процессов, приводящих к снижению зольности угля, В зависимости от состава зола углей используется в шлакобетонном и цементном производстве, для выработки шамотных изделий и получения окиси алюминия.

В золе нередко содержатся значительные количества редких элементов. Так, например, в 1 т золы, получаемой после сжигания некоторых углей, содержится до 10 г серебра, около 1 г золота к 0,5 г платины. В золе углей обнаруживается также германий и ванадий. Содержание германия в углях достигает от 0,002 до 1,6%, а ванадия — от 0,001 до 0,003%. Исследования показали, что германий сосредоточен в основном в витрене, а в фюзене скоплений этого элемента значительно меньше. В золе витрена установлены в заметных количествах окислы некоторых элементов, например TiO2 (9—15%).

Для ископаемых углей достаточно характерна способность концентрировать в своей минеральной части редкие элементы. Значительное обогащение в золе углей отмечается для следующих элементов: Be, Sr, Ba, В, Se, V, La, Al, V, Co, Ni, Mo, Pd, Rh, Pt, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Ag, Cd, Sn, J, Au, Pb, Bi. Наибольшего содержания достигают бор (1%), германий (до 1,6%) и бериллий (до 1%), все остальные встречаются в количестве порядка 0,1, 0,01 и 0,001%. Наибольшее количество редких элементов, в том числе и германия, приурочено преимущественно к наиболее малозольным углям.

Значительное разнообразие указанных элементов связано с жизнедеятельностью растительных организмов: с процессами истлевания и разложения растительного вещества и с процессами обогащения, возникающими под влиянием водных растворов, циркулирующих в угленосном веществе.

Сопоставление анализов золы современных растений и золы угля показывает, что в последнем отсутствуют растворимые вещества, а количество труднорастворимых элементов увеличивается в 20 раз. Это объясняется совершенно исключительной способностью угля связывать вещества, находящиеся в циркулирующих растворах, и тем самым удерживать их в угольной массе. Сюда относятся: обогащение вследствие адсорбционного действия угля; восстановительное действие угли на вещество раствора (например, Ge, Ag, Au); осаждение щелочными карбонатами, получившимися из растительного вещества; осаждение сульфидов тяжелых металлов вследствие присутствия серы и углях (например, Zn, Pb, Mo, As).

При сравнении содержания редких элементов в углях со средним процентом их в литосфере оказывается, что для значительного большинства вышеуказанных элементов коэффициент обогащения углей составляет величину от 10 до 100. Согласно Гольдшмидту, это вызывается выщелачиванием легко растворимых щелочных и щелочноземельных элементов из разложившихся растительных остатков и тем самым обогащением углей труднорастворимыми редкими элементами.

Однако не всегда редкие элементы дают труднорастворимые соединения. Для бериллия, бора и германия наблюдается значительно более высокий коэффициент (от 500 до 2300). В этом случае можно думать об особенно сильном обогащении, вызванном жизнедеятельностью микроорганизмов (бор) или сорбционным действием угля на циркулирующие растворы, содержащие германий.

Наблюдается повышенное содержание германия в наиболее малозольных углях, что видно из табл. 11.

Угли менее метаморфизованные обладают большей способностью удерживать в своей массе германий.

Отмечается повышенное содержание германия в нижней части угольного пласта, что, по-видимому, связано как с режимом циркулирующих вод, так и с распределением сульфидных минералов в разных частях пласта.

Летучие вещества играют большую роль в качественной характеристике угля. Важной особенностью угля является способность его претерпевать термические превращения при нагреве без доступа воздуха до разных температур.

Под летучими веществами ископаемых углей принято понимать смесь газообразных и парообразных веществ, которые выделяются из угля в результате разложения органической массы при нагревании ее (до t° -850°) без доступа воздуха.

Содержание летучих обычно вычисляется на безводный и беззольный уголь, на так называемую горючую массу.

Выход летучих веществ закономерно уменьшается с ростом степени их химической зрелости. Это особенно хорошо заметно при сопоставлении разных типов каменных углей одного и того же месторождения, например Донбасса. Поэтому показатель выхода летучих веществ часто принимают в качестве одного из важнейших параметров при построении различных классификаций каменных углей.

Коксовый ocтaтoк (королек) представляет собой твердый остаток, содержащий часть органического вещества и золообразующие примеси, который получают после удаления летучих веществ. Чтобы получить количество беззольного кокса, или так называемого связанного углерода, нужно из веса коксового остатка вычесть вес золы.

При определении выхода летучих веществ методом тигельной пробы можно судить в первом приближении о спекаемости. Это свойство весьма важно для промышленной характеристики углей, используемых с целью получения металлургического кокса.

Коксовый остаток может иметь вид порошка, тогда уголь называют неспекающимся. Он может быть представлен также одним куском, в таком случае его называют коксовым корольком и говорят, что уголь спекается. Ho степень спекания может быть разная: если в корольке можно различить отдельные зерна или кусочки угля, более иди менее сцементированные сплавленной массой, то королек называют слипшимся, а уголь плохо спекающимся. Если же получился пористый сплошной однородный коксовый королек, то его называют спекшимся, а уголь — спекающимся. Слабоспекающийся уголь дает очень непрочный королек: при легком нажиме он рассыпается.

Спекаемость углей может изменяться в широких пределах в зависимости от метаморфизма углей, а также от соотношения между витреновыми, споровыми и фюзеновыми веществами. Спекаемость увеличивается, при прочих равных условиях, с увеличением в углях витрена и экзин спор.

Сера входит в состав различных сернистых соединений, содержащихся в ископаемых углях, и не зависит от метаморфизма последних. Наличие сернистых соединений всегда следует учитывать при установлений генезиса углей.

Наличие сернистых соединений в углях оказывает настолько большое влияние на их свойства, что во многих случаях этот показатель является решающим при установлении пригодности углей для различных видов практического использования. Именно поэтому определение сернистости входит в число показателей технического анализа угля и является обязательным для их характеристики.

Важнейшим показателем сернистости углей является так называемая общая сера (Sобщ), включающая серу органического и неорганического происхождения,

Источником серы органического происхождения (Sор) служит главным образом белковое вещество растений.

Сера неорганического происхождения в свою очередь подразделяется на колчеданную (Sи) и сульфатную (Sс).

При сгорании серы образуется сернистый газ, который с водой образует серную кислоту, разъедающую стенки котлов. Наличие серы в коксе повышает расход руды и снижает производительность доменной печи.

Принята следующая промышленная группировка углей по сернистости:

I группа — малосернистые угли с содержанием серы от 0,5 до 1,5%;

II группа — среднесернистые угли с содержанием серы от 1,6 до 2,5%;

III группа — сернистые угли с содержанием серы от 2,6 до 4,0%;

IV группа — высокосернистые угли с содержанием серы более 4%.

Теплота сгорания. Теплотой сгорания умей называется количество тепла. выделяемое при полном сгорании единицы их веса. Обычно за единицу веса считают 1 кг, и количество тепла выражают в калориях.

Теплота сгорания определяется на рабочую массу (Qр), на абсолютно сухую массу (Qс), на аналитическую пробу (Q) и на горючую массу (Qг).

Теплоту сгорания можно определить по результатам элементарного анализа по эмпирическим формулам. Одна из таких формул, предложенная Д.И. Менделеевым для жидкого топлива, оказывается пригодной и для твердого:
Химический состав углей

где Qвысш, C, Н, О, S даны в процентах.

Исходя из предположения о том, что весь кислород топлива связывает только часть водорода, а тепло при горении может выделять лишь водород, не связанный с кислородом. Дюлонг дал такие формулы для расчета теплоты сгорания топлива:

В научной и промышленной практике пользуются специальной калориметрической бомбой. Показатель теплоты сгорания по калориметрической бомбе, вычисленной без поправок на парообразование и образование кислоты, называют «теплотой сгорания по бомбе». Это, однако, не соответствует теплоте сгорания, получаемой при сгорании угля в промышленных топках и печах, поскольку азот, находящийся в угле и попадающий в топку с воздухом, не сгорает, а уходит с газами в виде элементарного азота. Между тем в калориметрической бомбе образуется некоторое количество азотной кислоты за счет окисления азота воздуха.

Сера, содержащаяся в угле, в промышленных топках сгорает. В бомбе же от избытка кислорода она переходит в сернистый газ, образующий с водой серную кислоту.

Образование азотной и серной кислот в калориметрической бомбе сопровождается выделением добавочного количества тепла, чего при сжигании угли в топках не происходит. Поэтому при определении теплоты сгорания в бомбе делают поправку на образование этих кислот, и теплоту сгорания называют высшей теплотой сгорания.

Кроме того, в калориметрической бомбе выделяется тепло за счет конденсации паров воды, образующихся при горении угля, в то время как при сжигании в топках пары воды успевают до конденсации удалиться из топки вместе с другими продуктами горения. Если учитывается поправка на парообразование, то теплоту сгорания углей называют низшей теплотой сгорания.

Для бурых углей теплота сгорания обычно не превышает 4500 ккал/кг, для коксующихся углей составляет 8600—8750 ккал/кг, а для антрацитов — 8200—8500 ккал/кг.

С ростом степени метаморфизма углей теплота сгорания вначале возрастает к достигает максимума у коксовых и отощенных спекающихся углей, а затем снижается к тощим углям к антрацитам (рис. 8). Это объясняется тем, что у коксовых углей имеется благоприятное соотношение углерода в водорода. Теплота сгорания углей сапропелевого происхождения выше, чем гумусовых.

Для сопоставления разных видов топлива с точки зрения их ценности как источника тепловой энергии введено понятие условного топлива, являющегося эталоном для сравнения топлива. В качестве такого эталона принято топливо с теплотой сгорания рабочей массы, равной 7000 ккал/кг.

Элементарный анализ. Элементарный анализ производится с целью определения количественного соотношения (0 %) элементного состава вещества углей. При этом определяют содержание углерода, водорода, кислорода, азота и органической серы, иногда определяют содержание фосфора, имеющего важное значение для установления качества коксующихся углей.

Углерод определяет теплоту сгорания углей. Содержание его (на органическую массу) в углях различно и зависит от степени их обуглероживания. В бурых углях содержание углерода составляет в среднем 60—75%, в каменных углях — 75—91%, у антрацитов — до 99%.

Водород повышает теплоту сгорания углей, так как при сгорании водорода выделяется теплота в 4,2 раза больше, чем при сгорании углерода. Содержание водорода снижается от бурых углей (4—6%) к антрацитам. В сапропелитах количество водорода достигает 7—9% и даже 11%.

Кислород убывает от бурых углей (10—30%) к антрацитам, где его содержание всего 1—2%. В торфе кислорода содержится около 40%.

Азот по содержанию в углях колеблется от 1 до 3% с заметным его уменьшением по мере повышения степени углефикации углей. В гумусовых углях азота содержится больше, чем в сапропелевых.

Сера органическая химически связана с углем, так как входит в состав растений, из которых образовался уголь.

Фосфор содержится в углях различных бассейнов и угольных пластов очень неравномерно (в Донецких углях 0,01—0,02%, а в углях Кузбасса — до 0,1%). Фосфор является очень вредной примесью в коксующихся углях, так как он из кокса полностью переходит в чугун и резко снижает его качество. Для металлургии содержание фосфора в коксующихся углях должно быть не более 0,02%.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна