Технологические свойства и марки углей. Основные факторы катагенеза углей и нефтей

Угли ископаемые - твердые горючие полезные ископаемые; продукт преобразования растений. Основные компоненты: углифицированное органическое вещество, минеральные примеси и влага. Залегают обычно в виде пластов среди осадочных пород. Подразделяются на бурые, каменные угли и антрациты. Угли ископаемые используются 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. Главные добывающие страны: США, Австралия, Россия, Украина, Германия.

Определение влажности

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 105^оС, называется общей влагой рабочей массы угля. Если пробу угля высушивают до постоянной массы при комнатной температуре, то выделяющаяся влага называется внешней, а проба приводится к воздушно-сухому состоянию. Масса такой пробы называется аналитической массой угля, если она размельчена до 0,2мм. Влага, содержащаяся в ней - связанная влага угля, которая удерживается на его поверхности сорбционными и капиллярными силами. При удалении последней из пробы при 105^оС остается сухая масса угля. При более высоких температурах начинается разложение кристаллогидратов минеральной части, и происходит выделение гидратной влаги силикатов и гипса WM.

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). Тогда общая влажность:

влажность, обусловленная внешней влагой:

и обусловленная связанной (гигроскопической) влагой:

Во всех уравнениях m - масса навески угля (г), определенная при различных условиях анализа. Показатели, относящиеся к рабочей массе угля, обозначаются верхним индексом r, к аналитической a и сухой массе d. В таком случае, если общая влага является простой суммой количеств внешней и связанной влаги, то соответствующие влажности не могут суммироваться и связаны более сложным соотношением, что следует из приведенных выше выражений W_ex и W_h.

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.

Большая влажность антрацитов связана с тем, что для них характерны более мелкие поры, в которых сорбция воды происходит эффективнее, чем в сравнительно крупнопористых каменных углях.

Определение зольности

В ископаемых углях содержится значительное количество (2-50 мас.%) минеральных веществ, образующих после сжигания золу. Зольный остаток образуется после прокаливания угля в открытом тигле в муфельной печи при температуре 850±25 °С. 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.

По происхождению минеральные примеси делятся на три группы:

- минеральные вещества первичных растений;

- органоминеральные комплексы, сформировавшиеся в процессе углеобразования на ранних стадиях;

- минералы, отложившиеся на стадии углефикации.

Минеральные вещества, не связанные химически с органической частью и находящиеся в виде прослоек, легко отделяются от нее при обогащении. Зольность угля даже одного месторождения может колебаться в широких пределах вследствие неодинаковых условий внесения неорганических компонентов при формировании угольного пласта. При этом зольность не отвечает массовой доле неорганической части угля, т.к. при прокаливании компоненты последней соединяются с кислородом или разлагаются и остаются в виде оксидов, например:

M_nCO₃ > M_nO + CO₂ (М — ион металла)

4FeS₂ + 11O₂ > 2Fe₂O₃ + 8SO₂

XnH₂O > X + nH₂O (X — дегидратированная молекула кристаллогидрата)

4FeO + O₂ > 2Fe₂O₃

Зольность обозначатся А^d (Asche) и выражается в мас.%. Суммарное содержание влаги и золы называют балластом. Содержание собственно минеральных веществ обозначается М. Оно определяется с помощью физических и физико-химических методов (микроскопический, рентгеноскопический, радиоизотопный). При известном содержании минеральной части органическая масса угля (G_о.м., мас.% воздушно-сухой пробы) будет представлена как

G_о.м.=100–(W_h+M^a),

где М^а - массовая доля минеральной части воздушно-сухой пробы, определяемой физико-химическими методами анализа.

Определение выхода летучих веществ

Летучие вещества - паро- и газообразные продукты, выделяющиеся при разложении органического вещества твердого горючего ископаемого при нагревании в стандартных условиях. Выход летучих веществ обозначается V (volativ), выход на аналитическую пробу V^a, на сухое вещество V^d, сухое и беззольное V^daf. Эта характеристика важна для оценки термической устойчивости структур, составляющих органическую массу угля. Анализ проводят в закрытом тигле при температуре муфельной печи 850 °С, причем образуются летучие вещества и твердый остаток NV (нелетучий остаток). Выход летучих веществ V^daf падает в ряду гумусовых углей с ростом степени углефикации, а у сапропелитов эта связь не столь однозначна, иногда V^daf у них даже возрастает.

Определение теплоты сгорания

Теплота сгорания - это основной энергетический показатель угля. Определяется экспериментально путем сжигания навески угля в калориметрической бомбе или расчетным путем по данным элементного анализа.

Различают высшую теплоту сгорания угля Q_s как количество теплоты, выделившееся при полном сгорании единицы массы угля в калориметрической бомбе в среде кислорода и низшую удельную теплоту сгорания Q_i 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 Q_i^r.

Д.И. Менделеевым была предложена формула для расчета высшей теплоты сгорания по данным элементного анализа (кКал/кг):

Q_s^af=81С+300Н-26(О-S),

где С, Н, О, S - массовая доля элементов в веществе ТГИ, %.

Эта формула дает приблизительную оценку величины Q_s^af, причем наиболее точна она для малозольных топлив.

Высшая теплота сгорания основных твердых топлив: