Методы определения зольности углей. Твердое топливо всех видов содержит примеси минеральных веществ, которые составляют его минеральную массу

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.

Таблица 3.

Результаты определения зольности угля А^а и А^r, 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?