Технический анализ углей

Технический анализ углей производится с целью установления возможности промышленного использования углей (технической оценки) и заключается в определении (в весовых процентах) в углях:

влаги (W),

золы (А),

выхода летучих веществ (V),

коксового остатка (К),

серы (S),

фосфора (Р).

Показатели технического анализа обозначаются заглавными буквами латинского алфавита. Чтобы придать им большую определенность, при них ставятся индексы: верхний, как прави­ло, указывает состояние анализируемого вещества; нижний - в одних случаях метод определения (для теплоты сгорания), в других – характер сложности вещества (для серы) и т.д. Определение проводится согласно установленным стандартам ГОСТ.

Влага. В углях она являемся нежелательной примесью, т.к. на ее испарение при сжигании угля затрачивается непроизводительное тепло, что снижает общую теплоту сгорания.

В естественном залегании в недрах уголь содержит воду, которая называется общей влагой (W_общ). Ее количество в угле (в бурых от60 до 20-30%, каменных и антрацитах от 15 до 5-3%) зависит от гидрогеологического режима месторождения и природы угля.

Та часть влаги, которая удаляется вследствие испарения при выдерживании угля на воздухе, называется внешней влагой (W_вн), а уголь (после удаления внешней влаги) называется «воздушно-сухим». Оставшаяся часть влаги, более тесно связанная с угольным веществом, удаляется лишь при нагреваний до 102-105^оС и называется гигроскопи­ческой (внутренней) влагой (W_гигр), а уголь (после удаления гигроскопической влаги) – «абсолютно сухим». Количество гигроскопической влаги в углях с увеличением степени метаморфизма от бурых до углей, переходных к антрацитам, закономерно уменьшайся: бурые угли - от 25,4 до 5%,каменные от 8,7 до 0,2%, а в антрацитах вновь несколько увеличивается от 4,0 до 0,1%за счет роста внутренней поверхности пор.

Количество влаги в сапропелевых углях, как правило, меньше, чем в гумусовых и липтобиолитовых.

Из петрографических ингредиентов гумусовых углей в фюзена и витрене влаги содержится несколько больше, чем в кларене и дюрене.

Для промышленной оценки углей большое значение имеет влага общая или влага на рабочее топливо (W^р_общ), т.е. все количество влаги в свежедобытом угле. Для определения влаги на рабочее топливо, время с момента отбора пробы до ее поступления в лабораторию не должно превышать 12 часов и изменение в весе не более 0,5%.

В керновых пробах количество общейвлаги может быть увеличено искусственно за счет промывочной жидкости, поэтому для прогноза W^р_общ по керновым пробам определятся максимальная влагоемкость. Полученная максимальная влагоемкость (W_max) приравнивается к влаге на рабочее топливо (W^р_общ).

Влажность углей имеет особо большое значение при оценке качест­ва бурых и слабометаморфизованных каменных углей. Для бурых углей влажность рабочего топлива (W^р_общ), близкая к естественной влажности углей, принята в качестве основного классификационного показателя для промышленной группировки.

Бурые угли СССР подразделяются по содержанию влаги на рабочее топливо (W^р_общ) на три технологические марки:

Б1 - содержание W^р_общ более 40%;

Б2 - содержание W^р_общ от 30 до 40%;

БЗ - содержание W^р_общ менее 30%.

По международной классификации бурые угли подразделяются по содержанию влаги (W^р)и выходу первичного дегтя.

Зольность. Минеральные вещества, содержащиеся в ископаемых углях, после полного сгорания образуют остаток - золу. Зола углей складывается из минеральных веществ, содержащихся в угольном веществе (неорганические соединения растений-углеобразователей и минеральные включения, отложившиеся впериод образования угля), - внутренняя зола, и из минеральных включений, попавших в уголь придобыче (прослойки пород в угольном пласте, породы кровли и почвы), - внешняя зола.

Количество и состав золы не соответствуют количеству и составу минеральных примесей, содержащихся в угле. Ряд минеральных веществ, (пирит, силикаты, сульфаты, карбонаты) при сжигании угля разлагаются и частично удаляются в виде летучих соединений (вода, углекис­лота идр.). Поэтому общее количество золы, как правило, на 8-10% меньше содержания в угле минеральных примесей.

В зависимости от видов топлива различают зольность рабочего топлива (А^р), зольность аналитической пробы (А^а) и зольность сухого топлива (А^с),

Зольность углей сухого топлива (А^с) являетсяодним из основных показателей общей промышленной ценностиуглей и основным нормативом кондиций по качеству углей при подсчете запасов (для каждого бассейна существует свой ГОСТ по содержанию золы в угле).

Зольность углей (А^с) колеблется от долей и первых процентов (Дуйское месторождение острова Сахалин, некоторые пласты Донецкого и Кузнецкого бассейнов) до 35-45% (Челябинский, Подмосковный бас­сейны и др.). В связи о этим угольные пласты подразделяются на:

- малозольные (содержание А^с до 10%),

- среднезольные (A^с от 10 до 20%),

- многозольные (А^с больше 20%).

Если золы содержатся более 40-45%, то это уже не уголь, а углистая порода. В единичных случаях, в Вос­точно-Уральских полуантрацитовых и антрацитовых месторождениях к углям относят углистые образования с зольностью (A^с) до 60%. Это связано с экономикой района, качеством углей и запасами.

Вода является нежелательной примесью углей. Повышенная зольно­сть снижает теплоту сгорания (на 1%золы уменьшается теплота сгорания на 100 больших калорий), удорожает стоимость перевозок.

При коксовании углей зола, содержащаяся в углях, переходит в кокс, повышает его зольность, а также приводит к снижению производительности доменного процесса (1% золы в коксе снижает производи­тельность домны на 2,5%).

Допустимая зольность коксующихся углей не выше 7%, энергетических - менее 10%. При большем содержании золы угли обогащаются (уда­ление минеральных примесей физическими, химическими и механически­ми методами).

Зола состоит из окислов Al₂O₃, SiO₂, FeO, Fe₂O₃, MgO, CaO. По температуре плавления зола подразделяется на:

- легкоплавкую T_пл.з. = 1200°С,

- среднеплавкую T_пл.з. = 1200-1850°С,

- тугоплавкую T_пл.з. > 1850^oC.

Оценку плавкости проводят по соотношению:

(Al₂O₃+ SiO₂)/(FeO+ Fe₂O₃+ MgO+ CaO).

Чем выше числовые значения, темвыше температура плавления золы.

Выход летучих веществ. Это паро- и газообразные продукты, выделяющиеся при нагревании угля без доступа воздуха при температуре 800°С (происходит термическое разложение органической и минеральной частей угля). В состав выхода летучихвеществ входят водород, кис­лород, азот, углеводороды, окись углерода, углекислый газ, серово­дород и т.д.

Ископаемые угли содержат самое разнообразное количество минераль­ных примесей, которые при нагревании угля, так же как и органичес­кая масса, разлагаются и образуют выход летучих веществ. В связи с этим для получения сравнимых результатов по углям, содержащим не одинаковое количество минеральных веществ и влаги, выход летучих ве­ществ принято пересчитывать на горючую массу V^г (на беззольный и безводный уголь).

Выход летучих веществ из углей колеблется в довольно широких пределах (от 93 до 1%)изависит от исходного материала угля, петрографического состава, степени метаморфизма и степени окисления. Наибольшими значениями V^г обладают сапропелевые угли (от 93 до 60%)и липтобиолиты (от 80 до 52%). В гумусовых углях выход летучих ве­ществ изменяется от 55 до 1%,в том числе в бурых - от 55 до 45%, вкаменных - от 45-43 до 9% и в антрацитах - от 9 до 1%.

Однако выход летучих веществ, определяемый в процентах по весу (V^г), не разделяет однозначно полуантрациты и антрациты. В области этих уг­лей гораздо чувствительнее объемный выход летучих веществ (V^г_об). В широком интервале выхода летучих веществ от 45 до9%(каменные угли) объемный выход летучих веществ (V^г_об) изменяется незначи­тельно от 360 до 330 см³/г, а в интервале от 9 до 1,0% (полуантрацитыи антрациты) объемный выход снижается от 380 до 60 см³/г.

Из петрографических ингредиентов гумусовых углей наибольший выход летучих веществ характерен для витрена, наименьшей - для фюзена. Кларен и дюрен имеют промежуточные значения. Если в сложении 2-х последних ингредиентов преобладают оболочки спор, кутикула, смоляные тела, коровые ткани, то они также характеризуются повышенным выходом летучих веществ.

С увеличением степени метаморфизма ископаемых углей, выход летучих веществ на горючую массу, как правило, закономерно уменьшается, поэтому V^г является одним из классификационных показателей марки­ровки каменных углей (таблица 2).Особенно четко эта закономерность проявляется в гумусовых углях однородного петрографического соста­ва (Донецкий бассейн и др.). Для углей сложного петрографического состава выход летучих веществ не отражает действительной степени метаморфизма углей, поскольку витрен и фюзен сами по себе на одной и той же стадии метаморфизма обладают неодинаковым величинами V^г.

Поэтому различные соотношения витрена, фюзена, спор, кутикулы, смолы в углях одной и той же стадии метаморфизма оказывают влияние на этот показатель.

При определении выхода летучих веществ образуется также твердый (нелетучий) остаток, который может быть в виде порошка, если уголь не спекается или в виде сплавленного кусочка - кокса, если уголь обладает спекаемостью.

Спекаемость. Это способность зерен измельченного угля давать при нагревании (без доступа воздуха) до определенной температуры связанный, плотный нелетучий остаток - кокс (коксовый королек). Это свойство угля находится в тесной зависимости степени метаморфизма угля и петрографического состава, т.е. от способности отдельных компонентов углей при нагревании размягчаться и переходить в пластическое вязкое состояние. Коксовый остаток углей представляет собой смесь углерода изолы.

Для характеристики лабораторных коксовых корольков разработан специальный ГОСТ, в котором по степени и характеру спекания корольков, а также выхода летучих веществ можно определять марку угля, т.е. возможность использования угля в металлургии.

Спекаемость появляется в углях марки Д, растет до марки Ж, где достигает максимума, затем понижается и на границе марок ОС и Т исчезает. При равной степени метаморфизма спекаемость зависит от вещественно-петрографического состава углей.

В настоящее время на основании двух показателей: выход летучих веществ на горючую массу и пластометрического параметра «y», для каменных углей каждого бассейна утвержден свой ГОСТ. В таблице 2 приведена классификация каменных углей и антрацитов Донецкого бассейна.

Таким образом, по данным технического анализа определяется пригодность угля для производства кокса, который используется в металлургическом процессе, как бездымное высококалорийное топливо ( дляплавки металла) и как восстановитель руд.

Хорошей коксующейся особенностью обладает гумусовые угли среднейстадии метаморфизма (марки Ж, KЖ, К). Бурые угли и антрациты не коксуются. Хотяв принципе из торфов и бурых углей и получают кокс, но он не удовлетворяет требованиям по крепости. Из некоторых антрацитов получают термоантрациты, используемые в металлургии.

Марка угля	Услов­ное обозначе-ние группы угля	Показатели	Характер нелетучего остатка
	Спека-емость
Длиннопламен- ный (Д)	-	-	37 иболее	-	Порошкообраз-ный, слипшийся, слабоспекшийся
Газовый (Г)	Г6	-	35 и бол.	6-25
Г16	-	35 и бол.	16-25
Жирный (Ж)	ЖI3	-	27- < 35	13-20
Ж21	-	27- <35	21 и бол.
Коксовый (К)	КЖ	-	18- <27	21и бол.
К14		18-<27	14-20
Отощенно спе- кающийся (ОС)	ОС6	-	14-22	6-13	Спекшийся без порошка
ОС	-	14-22	<6
Тощий (Т)	-	-	9-17	-	Порошкообраз- ный, слипшийся, слабоспекаемый
Полуантрацит (ПА)	-	230- 330	4-9	-
Антрацит (А)	-	< 220	< 4	-