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 Аа (мас.%) в обоих методах вычисляют по формуле:
Аа = (m1 / m) ·100,
где m1 – масса зольного остатка, полученного после озоления и контрольных прокаливаний до постоянной массы, г; m – масса навески топлива, г.
Таблица 3.
Результаты определения зольности угля Аа и Аr, мас.%
| Показатель | Навеска 1 | Навеска 2 |
| Масса прокаленного тигля без навески угля МЛ , г | ||
| Масса тигля с исходной навеской угля МЛУ , г | ||
| Масса исходной навески угля МУ = МЛУ – МЛ , г | ||
| Масса тигля с зольным остатком после озоления МЛЗ, г | ||
| Масса зольного остатка D МЗ = МЛЗ - МЛ, г | ||
| Зольность аналитической пробы угля Аа 1 и Аа 2 мас.% | ||
| Зольность аналитической массы угля Аа, мас.% | ||
| Зольность рабочей массы угля Аr, мас.% |
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?
