Методы определения зольности углей

Лабораторная работа №2.

Определение влаги в углях

Вода в угле находится в различных состояниях: в виде капель, пленок, молекул, адсорбированных на поверхности, в виде капиллярной влаги, а также может входить в состав минеральной части угля. В соответствии с принятыми на практике методами анализа влагосодержание угля подразделяют на влагу внешнюю и влагу воздушно-сухого топлива.

Влага внешняя – часть общей влаги топлива, которая удаляется при его высушивании до воздушно-сухого состояния. Влага воздушно-сухого топлива – часть общей влаги топлива, которая остается в нем после высушивания до воздушно-сухого состояния. Для характеристики влажности угля в целом (влагосодержание угля) применяют термин влага общая – общее содержание внешней влаги и влаги воздушно-сухого топлива.

Гигроскопическая влага угля – это влага аналитической пробы, находящейся в равновесном состоянии с атмосферой, относительная влажность которой составляет 60±2% при температуре 20±5°С (ГОСТ 8719-90). Гигроскопическая влага – один из немногих стабильных показателей влажности – зависит от свойств конкретного угля (пористости, свойств поверхности, количества и качества минеральной массы и др.), но не зависит от параметров атмосферы помещения, в котором проводят определение. Поэтому величину гигроскопической влаги помещают в справочники по качеству топлива.Для того чтобы правильно оценить результаты анализа угля, необходимо знать влажность пробы, из которой непосредственно производится определение показателей. С этой целью было введено понятие влага аналитической пробы, т.е. содержание влаги в пробе с зернами крупностью менее 0,2 мм.

Существуют две группы методов определения влаги в углях: прямые и косвенные. Прямой метод анализа основан на принципе непосредственного определения влаги после удаления ее из угля. В косвенных методах анализа влага определяется по косвенным показателям, таким, как потеря массы при высушивании угля или изменение его электрофизических свойств.

При определении влажности топлива используют следующие условные обозначения: W_t – влага общая; W_ex – влага внешняя; W_h – влага воздушно-сухого топлива; W^a– влага аналитическая; W_max – максимальная влагоемкость; W_MM – влага гидратная; W^ги– влага гигроскопическая.

Прямой гравиметрический метод определения влаги в углях (ГОСТ 9516-92). Сущность метода заключается в высушивании навески аналитической пробы угля при 105°С в токе сухого инертного газа (азота) и определении массы выделившейся воды. Установка для проведения анализа состоит из системы подачи и очистки азота, сушильного шкафа и поглотительной системы (двух U-образных трубок с осушающим веществом). Навеску аналитической пробы угля 1,0 г помещают в трубку-реактор и вносят в сушильный шкаф, нагретый до 105°С. Очищенный от влаги азот, проходя через трубку-реактор со скоростью 100-120 см³/мин, увлекает испаряющуюся из угля влагу, которая поглощается в U-образных трубках. Анализ продолжается 1-2 часа и считается законченным, если при контрольном высушивании навески (20 мин) привес U-образных трубок не превысит 0,001 г. Общее увеличение массы U-образных трубок соответствует массе влаги, выделившейся из навески угля.

Среди всех методов определения влаги в топливах этот метод – один из наиболее точных. Для массовых анализов он не применим из-за сложности, трудоемкости и малой производительности, поэтому используется в качестве контрольного при разработке новых методов определения влаги.

Ускоренный методопределения влаги в углях (ГОСТ 11014-2001) относится к косвенным методам определения влаги в углях. Этот метод был предложен для быстрого определения влаги твердого топлива. Его сущность заключается в высушивании топлива в сушильном шкафу при 160±5°С и определении потери массы. Продолжительность сушки углей значительно уменьшается по сравнению с высушиванием при 105-110°С. Контрольные просушивания навески угля до постоянной массы не производят. Методика определения влаги ускоренным способом аналогична методу сушки угля при 105°С.

Методы определения зольности углей

Твердое топливо всех видов содержит примеси минеральных веществ, которые составляют его минеральную массу. По своему происхождению минеральные вещества углей можно подразделить на внутренние, которые были накоплены в процессе образования пластов угля, и внешние, попавшие в топливо при его добыче из окружающих пород (кровли, почвы, прослойков пласта). Содержание внутренних минеральных веществ более или менее постоянно для углей данного месторождения и незначительно по сравнению с внешними минеральными примесями, содержание которых зависит от способа добычи угля.

Минеральная масса углей представляет собой смесь разнообразных неорганических веществ. В большинстве случаев ее основу составляют силикаты алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия, главным образом в виде глинистых минералов, и кремнезем (кварц). В минеральной массе угля часто встречаются дисульфиды железа (пирит и марказит), карбонаты кальция, магния (кальцит, доломит) и железа (сидерит), сульфаты кальция (гипс), железа и алюминия, оксиды железа, кальция, хлориды, а также соединения редких и рассеянных элементов. В особую группу выделяют органоминеральные соединения углей, например соли гуминовых кислот (гуматы).

При сжигании топлива его органическая масса удаляется в виде СО, СО₂ и Н₂О, а минеральные компоненты, подвергаясь ряду превращений, образуют золу. Зола – неорганический остаток после полного сгорания угля. Масса образующейся золы, или зольность, зависит от содержания и состава минеральной массы углей, а также от условий их сжигания. Зольность угля обозначается символом А.

При озолении углей протекают следующие основные процессы превращения минеральных компонентов углей.

1.Дегидратация, т.е. удаление гидратной влаги из алюмосиликатов (глин), оксидов и гидроксидов железа (гематиты) при температуре выше 500°С с образованием Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃ и Н₂О, а также из гипса

500°C

СаSO₄ · 2H₂O = CaSO₄ + 2H₂O.

2.Разложение карбонатов с выделением диоксида углерода в интервале температур 500-900°С:

Ca (Mg,Fe)CO₃ = Ca(Mg,Fe)O + CO₂.

3.Окисление дисульфидов железа (пирит, марказит) начинается при 400-

500°С:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₃.

4.Разложение сульфата железа протекает при температуре 850-950°С:

2FeSO₄ = 2FeO + 2SO₂ +O₂.

Сульфат кальция начинает разлагаться при 1300°С, однако уже при 1100°С он реагирует с кремнеземом и алюмосиликатами с выделением SO₂.

5.Улетучивание хлоридов и соединений щелочных металлов происходит при температуре выше 500°С.

6.Образование сульфата кальция происходит в интервале температур 700-1100°С:

2CaO + 2SO₂ + O₂ = 2CaSO₄.

Эта реакция протекает по мере выделения SO₂ при сгорании органической серы и окислении дисульфида железа, а также по мере разложения карбонатов, содержащихся в минеральной массе углей.

7.Окисление соединений Fe⁺² до Fe⁺³:

4FeО + O₂ = 2Fe₂O₃.

Каждая из приведенных реакций протекает при определенных стадиях озоления угля, в определенном интервале температур. В соответствии с этим масса и состав золы, полученной при озолении одного и того же угля, при разных температурах, например 500, 800 и 1000°С, будут значительно отличаться друг от друга.

Отсюда следует, что зольность угля – понятие в известной мере условное, так как масса и состав золы зависят в основном от условий озоления топлива и, прежде всего, от скорости озоления и конечной температуры прокаливания.

Стандартный метод определения зольности углей (ГОСТ 11022–95) заключается в полном сжигании навески топлива (озолении), прокаливании зольного остатка до постоянной массы при температуре 815±10°С и определении массы образовавшейся золы. Метод может выполняться по двум вариантам, отличающимся скоростью озоления и, следовательно, общей продолжительностью анализа: медленное и ускоренное озоление. В обоих случаях зольность определяют в аналитической пробе топлива, доведенной до воздушно-сухого состояния. При медленном озолении тигли с навесками топлива помещают в холодную муфельную печь и затем постепенно поднимают в ней температуру до 500°С за 60 мин и поддерживают эту температуру в течение 60 мин при озолении бурых углей, лигнитов и горючих сланцев и в течение 30 мин при озолении каменных углей и антрацитов. Далее продолжают нагрев печи до 815±10°С и выдерживают при этой температуре не менее 60 мин.

Рис. Общий вид и схема электрической муфельной печи:

1 – зона постоянной температуры; 2 – контрольная термопара; 3 – рабочая камера печи; 4 – отводная трубка; 5 – клапан; 6 – стационарная термопара; 7 – электрические нагревательные элементы.

Сущность метода ускоренного озоления с естественной вентиляцией заключается в постепенном продвижении лодочек с навесками топлива в нагретую до 815±10°С муфельную печь при озолении углей и 865±10°С при озолении горючих сланцев. Лодочки помещают на пластинку из жаропрочного материала, устанавливают ее на откинутую крышку печи так, чтобы первый ряд лодочек находился у края печи, и выдерживают в таком положении 3 мин при озолении углей или 5 мин при озолении горючих сланцев. Затем пластинку продвигают внутрь муфельной печи со скоростью 2 см/мин, закрывают дверцу печи и прокаливают зольные остатки бурый углей и горючих сланцев 20-25 мин, каменных углей и антрацитов – 25-35 мин.

Зольность аналитической пробы топлива А^а ( мас.%) в обоих методах вычисляют по формуле:

А^а = (m₁ / m) ·100,

где m₁ – масса зольного остатка, полученного после озоления и контрольных прокаливаний до постоянной массы, г; m – масса навески топлива, г.

Контрольные вопросы к защите лабораторной работы

1.Дать определение рабочей, аналитической, сухой, сухой беззольной масс угля.

2.Существует ли в природе сухая беззольная масса угля? Если да, то привести пример.

3.Почему в справочниках в основном приводят элементный состав углей на сухое беззольное состояние?

4.Назовите единицы измерения таких показателей технического анализа углей, как , и .

5.Раскрыть понятия гидратная, адсорбционная и свободная влага углей.

6.Раскрыть понятие «влага общая на рабочее состояние топлива».

7.Раскрыть понятие «аналитическая влага углей».

8.Чем принципиально отличаются методики определения и ?

9.Основы методики определения методом ускоренной сушки?

10.Раскрыть понятие «контрольная просушка проб угля».

11.Надо ли проводить контрольные просушки проб угля при ускоренном методе определения и ?

12.Что такое зольность углей? В каких единицах она измеряется?

13.От чего зависит зольность углей?

14.Почему не совсем верно говорить о содержании золы в углях?

15.Почему зольность углей меньше, чем содержание минеральной массы в углях?

16.Почему недопустимо появление пламени при прокаливании навески угля при определении его зольности?

17.При какой температуре происходит прокаливание навески угля при определении его зольности?