» » Химический состав углей

Химический состав углей

02.08.2016

Сложность петрографического состава углей, обусловленная наличием в них большого числа микрокомпонентов как органической, так и минеральной природы, предопределила сложность их химического состава. Под химическим составом углей понимается наличие в них определенных химических элементов в макроколичествах (элементный состав), а также комплекса веществ органической природы, сформированных из растительного материала в процессе его углефикации (групповой состав).
Элементный состав углей. Под элементным составом в химии угля понимают содержание основных элементов — углерода, водорода, кислорода, азота и органической серы — в его органической части. Образуя сложные по молекулярному строению вещества, перечисленные элементы присутствуют во всех видах твердых горючих ископаемых. Кроме них, в состав органической массы угля входят фосфор и некоторые редкие элементы, содержание которых обычно не превышает тысячных, а иногда и миллионных долей процента.
Прямым химическим анализом устанавливаются содержания углерода, водорода, азота и серы. Количество кислорода, как правило, рассчитывается по разностям. Содержание углерода (табл. 3.9) возрастает от 69 % в бурых углях до 96 % в антрацитах. Концентрация водорода в гумусовых углях изменяется от 1,3 до 6,5 %, в бурых углях — от 4 до 6,5 %, в каменных — от 3,5 до 6 % и в антрацитах — от 1,3 до 3 % и существенно зависит от их петрографического состава: увеличивается с ростом количества липтинита и уменьшается в фюзинитовых разностях. Максимальная концентрация водорода (до 7,5—10,5 %) отмечается в сапропелитовых углях.
Химический состав углей

Содержание кислорода в углях следующее, %: бурые — 20—30, каменные — 2—18, антрациты — 0,1—2. Концентрация азота в гумусовых углях изменяется от 0,3 до 3,0 %. Максимальна она в углях пермского возраста (Кузнецкий, Тунгусский, Минусинский, Таймырский и Печорский бассейны) — почти в 2 раза выше, чем в карбоновых (Донецкий, Карагандинский бассейны и др.) и юрских (Иркутский, Южно-Якутский и Канско-Ачинский бассейны).
Сера в ископаемых углях присутствует в трех типах соединений — сульфидах (в основном марказит и пирит), органических веществах (меркоптан, тиофен и др.) и сульфатах. Соотношение ее в углях в форме неорганических и органических соединений колеблется в широких пределах. Угли, залегающие в бассейнах Европейской части СНГ, отличаются высокой сернистостью (> 1,5 %). В частности, в углях отдельных бассейнов ее количество варьирует в следующих пределах, %: Днепропетровском — 3,5—5; Донецком — 1,5—4,5; Львовско-Волынском — 2,5—4,5; Кизеловском — 5—7,5; Подмосковном — 3—7,8. К малосернистым (< 1 %) относится большая часть углей Канско-Ачинского, Кузнецкого и Южно-Якутского бассейнов.
При энергетическом использовании сернистых углей сера (кроме сульфатной) переходит в SO2 и удаляется с дымовыми газами, вызывая загрязнение атмосферы, а также коррозию котлов, дымоходов и аппаратуры. При коксовании значительная часть серы из угля попадает в кокс, что существенно снижает его качество.
Фосфор, как и сера, является вредной примесью. Его концентрация редко превышает сотые доли процента, однако в некоторых случаях, даже при содержании его 0,02 %, угли не могут применяться для получения специальных сортов металлургического кокса. Угли Донбасса обычно содержат менее 0,01 % фосфора, а Кузбасса — до 0,02 %. При коксовании углей фосфор переходит в кокс, из которого в доменном процессе он поступает в металл и придает ему хладноломкость.
По мере роста степени метаморфизма углей наблюдается увеличение концентраций углерода на фоне снижения содержаний водорода и кислорода.
Результаты элементного анализа углей позволяют судить (по содержанию водорода и азота) о характере их материнского вещества, т.е. установить, являются они гумусовыми или сапропелевыми. Соотношение концентраций углерода, кислорода и водорода в углях дает возможность установить степень их метаморфизма. Кроме того, элементный состав углей может быть использован при расчетах выхода химических продуктов коксования, теоретической температуры горения, а также при определении теплоты сгорания и состава продуктов горения при расчетах материальных балансов различных процессов использования углей.
Показатели элементного состава углей обычно рассчитывают по аналитической пробе на их горючую массу, т.е. беззольный и безводный уголь (daf), а именно (100 - Wa - Aa) %. Однако в связи с тем, что состав минеральных микрокомпонентов в углях различен, при определении зольности угля его прокаливание сопровождается удалением СО2 из карбонатов, воды из гидратированных минералов и серы из сульфидов минеральной массы. Поэтому элементный состав органической массы в определенной мере не соответствует показателям, рассчитанным на условную горючую массу, и органическую массу углей следует определять по формуле
Химический состав углей

где CO2а — диоксид углерода из карбонатов; H2O — вода из гидратированных минералов; Ska — содержание колчеданной (сульфидной) серы; SA — содержание серы в золе (Sобщ); Sса — содержание сульфатной серы.
Групповой состав углей. В составе ископаемых углей выделяют следующие группы веществ: битумы; гуминовые кислоты; продукт, остающийся после извлечения из углей битумов и гуминовых кислот, — остаточный уголь.
Битумы — это продукты превращения смол и восков растений-углеобразователей. Они подразделяются на две группы веществ — углеводороды и смолы. Наибольшую ценность имеет восковая часть, называемая горным воском.
Каменные угли содержат не более 1 % битумов, бурые — от 2 % (Подмосковный бассейн) до 8 % и более (Днепропетровский и Южно-Уральский бассейны). Битумы из углей извлекают бензолом или бензином. В битумах, полученных из углей Южно-Уральского бассейна, количество воска не превышает 30 %.
Гуминовые кислоты извлекаются из углей растворами щелочей. Они подразделяются на фульвокислоты (растворяются в воде), гиматомеланевые (растворяются в спирте) и гумусовые (нерастворимые в воде и спирте).