» » Основные показатели качества углей

Основные показатели качества углей

02.08.2016

При оценке пригодности использования углей в различных отраслях их подвергают техническому анализу и ряду специальных технологических исследований. Полученные результаты в комплексе с элементным и групповым анализами позволяют выбрать наиболее рациональные и экономически эффективные направления их использования, что играет не последнюю роль в определении экономической значимости угольных месторождений.
Технический анализ углей объединяет методы, предназначенные для определения в углях зольности, содержания влаги, серы и фосфора, выхода летучих веществ, теплоты сгорания, спекаемости, коксуемости и некоторых других характеристик качества и технологических свойств. Если известно направление использования какого-либо угля в промышленности, то проводится неполный технический анализ: определяются только влажность и зольность угля.
Результаты анализа позволяют установить:
1) марки и технологические группы углей отдельных шахтопластов на основе принятых для данного бассейна классификационных параметров;
2) наиболее рациональные направления применения в народном хозяйстве;
3) соответствие нормам качественных характеристик добываемого и отгружаемого потребителям топлива;
4) закономерности изменения отдельных показателей качества углей и горючих сланцев в условиях естественного залегания в пределах шахтных полей и месторождений;
5) изменения качественных характеристик углей и горючих сланцев в процессе разработки и в результате обогащения.
Влажность W, %. В угле выделяются несколько разновидностей влаги: поверхностная; общая (состоящая из внешней влаги и влаги воздушно-сухого угля); пирогенетическая и гидратная.
Поверхностная влага находится на внешней поверхности частиц измельченного при добыче угля и свободно стекает при его хранении и транспортировке.
Общая влага выделяется из угля при высушивании его до постоянной массы при температуре 105—110 °С. Внешняя влага представляет собой ту ее часть, которая испаряется из измельченного угля при высушивании его в лабораторных условиях до воздушно-сухого состояния, а влага воздушно-сухого угля — ту часть, которая остается в угле после доведения его до воздушносухого состояния.
Пирогенетическая влага образуется при термической деструкции органических веществ, слагающих уголь,
Гидратной называется влага, входящая в состав минеральных примесей.
Общая влага рабочей массы Wf — один из основных показателей качества угля. В землистых бурых углях массовая доля ее достигает 60 %, в плотных бурых снижается до 16 %, в каменных — до 4—6 %, но в антрацитах несколько повышается по сравнению с каменными углями — до 5—8 %.
Внешняя влага служит причиной смерзаемости углей при транспортировке в вагонах в зимнее время (при ее содержании в угле более 5 %), а также слеживаемости угля в бункерах и слипании угольной мелочи при классификации по крупности. Высокая влажность отрицательно влияет на теплотехнические и технологические свойства угля.
Зольность А, % — выход негорючего остатка (золы) после выжигания горючей части топлива и удаления летучих соединений. Негорючий остаток (зола) образуется в результате прокаливания и полного окисления минеральных составляющих топлива и частично элементов, входящих в состав их органических соединений. Для углей различают внутреннюю и внешнюю золы.
Внутренняя зола формируется за счет химически связанных с органическим веществом золообразующих компонентов или минеральных примесей, находящихся в органическом веществе угля в тонкодисперсном состоянии. Внешняя зола возникает за счет более крупных минеральных включений в угольных пластах, а также за счет пород, находящихся в виде прослоев и вмещающих угольные пласты. Эти породы попадают в уголь при добыче. Содержание внутренней золы в наиболее чистых разностях углей Донбасса составляет 1,2—7,5 %, Кузбасса — 1,9—5,9 %, Карагандинского бассейна — 3,4—9,2 %. Внешняя зольность в углях может достигать нескольких десятков процентов.
Повышение зольности в углях снижает тепловой эффект при их сжигании, отрицательно влияет на эффективность их переработки, в частности, на технологию коксования и качество кокса.
Выход летучих веществ V, %. При пиролизе (термическом разложении) угля образуются летучие вещества и твердый нелетучий углеродистый остаток. Летучие вещества состоят из паров жидких продуктов, конденсирующихся при охлаждении до комнатной температуры, и газов — CO, СО2, предельных и непредельных углеводородов (преимущественно CH4). Выход летучих веществ — важная характеристика, используемая в качестве основного параметра в промышленных классификациях углей в качестве показателя, отражающего их химическую зрелость.
Выход летучих веществ из антрацитов составляет менее 10 %, в бурых углях — обычно превышает 40 %, в каменных — колеблется от 10 до 50 %. Он существенно зависит от петрографического состава угля. Наиболее высоким выходом летучих веществ при прочих равных условиях отличаются микрокомпоненты группы липтинита, наименьшим — инертинит (рис. 3.20).
Основные показатели качества углей

Твердый нелетучий остаток состоит из углерода и продуктов разложения минеральных примесей, находящихся в угле. Бурым углям и антрацитам свойствен неспекающийся порошкообразный остаток, каменным углям средних стадий метаморфизма (III—IV) — сплавленный вспученный.
Характер нелетучего остатка позволяет ориентировочно оценить спекаемость углей.
Теплота сгорания Q. Удельная теплота сгорания — одна из важнейших характеристик твердых горючих ископаемых. Она применяется для теплотехнических расчетов, сопоставления теплотехнических свойств углей различных месторождений, марок углей между собой и с другими видами топлива, для разделения бурых и каменных углей и установления их окисленности. Этот показатель изменяется при метаморфизме угля (табл. 3.17); максимальные значения теплоты сгорания характерны для липтинита (рис. 3.21).
Основные показатели качества углей
Основные показатели качества углей

Спекаемость — свойство каменного измельченного угля переходить при нагревании без доступа воздуха в пластическое состояние и образовывать пористый монолит. Спекаемость в углях проявляется на границе I и II стадий метаморфизма, достигает максимума на III и исчезает на VI.
Способностью спекаться обладают газовые, жирные, коксовые, отощенные коксовые и отощенные спекающиеся угли (бурые, длиннопламенные, тощие угли и антрациты не спекаются), а из слагающих угли петрографических микрокомпонентов — витринит, липтинит и частично семивитринит. Спекаемость угля — основной показатель, по которому оценивается его пригодность для использования в коксохимической промышленности.
Первое представление о спекаемости дает характер нелетучего коксового остатка — королька, полученного в тигле при определении выхода летучих веществ.
По внешнему виду королька и его прочности различают: порошкообразный; слипшийся (при легком нажиме рассыпается в порошок); слабоспекшийся (при легком нажиме пальцем раскалывается на отдельные кусочки); спекшийся несплавленный (для раскалывания на отдельные кусочки необходимо приложить усилие); сплавленный невспученный (плоская лепешка с серебристым блеском поверхности); сплавленный вспученный (вспученный нелетучий остаток с серебристым металлическим блеском поверхности).
Нелетучий остаток бурых углей и антрацитов — неспекшийся порошкообразный у длиннопламенных и тощих углей он изменяется от порошкообразного до слабоспекшегося. Спекшиеся и сплавленные корольки типичны для углей средних стадий метаморфизма (от газовых до отощенно-спекающихся).
Для количественной оценки спекаемости используется пластометрический метод Л.М. Сапожникова. Этот метод заключается в определении на пластометрическом аппарате в условиях, предусмотренных ГОСТ 1186—87, следующих числовых значений:
• величины пластометрической усадки х, мм;
• толщины пластического слоя у, мм;
• максимального расстояния между границами твердых фаз (неизмененного угля и полукокса), где уголь находится в пластическом состоянии.
Спекаемость углей, обычно выражаемая толщиной пластического слоя у, мм, существенно зависит от их петрографического состава (рис. 3.22) и имеет максимальные значения в витринитовых углях на III стадии метаморфизма Rо = 0,86/1.
Коксуемость — способность смеси угольных зерен в заданных условиях подготовки и коксования образовывать твердый углеродистый остаток (кокс) необходимой крупности и прочности.
Основные показатели качества углей

Оценивается коксуемость прямыми и косвенными методами. Прямые методы предусматривают коксование испытуемого угля или смеси углей (шихты) в лабораторных или полузаводских условиях с последующим изучением физико-механических свойств полученного кокса. В лабораторных условиях исследуются пробы массой 3 кг (ГОСТ 9251—74), а в полузаводских — массой 50 кг (опытное коксование проводится в металлических ящиках, помещаемых в коксовые печи) или 200—300 кг (в небольших коксовых печах). Физико-механические свойства кокса, полученного при опытном коксовании, устанавливают путем испытания его в большом или малом барабанах в соответствии с требованиями ГОСТов. При этом определяются две характеристики: дробимость кокса — М40 и истираемость — М10. При испытании кокса в большом барабане (Сундгрена) устанавливают его остаток в барабане после 150 оборотов и содержание мелочи (< 10 мм) в провале.
Качество кокса зависит от петрографического состава (рис. 3.23) и степени метаморфизма угля (рис. 3.24).
Основные показатели качества углей

Косвенные методы основаны на установленных взаимосвязях между петрографическими характеристиками, элементным составом и спекаемостью, с одной стороны, и коксуемостью — с другой,
Обогатимость углей устанавливается на основе определения гранулометрического (ситового) и фракционного составов.
При выявлении гранулометрического состава уголь рассеивается на ситах с круглыми отверстиями диаметром 150, 100 и 50 мм и с квадратными отверстиями размером 25x25, 6x6, 1x1 и 0,5x0,5 мм. Получаемые ситовые фракции в зависимости от крупности обломков подразделяются: на плитный уголь П≥100 мм; крупный К — 100—50 мм; орех О — 50—25 мм; мелкий M — 25—13 мм; семечко С — 13—6 мм; штыб Ш<6 мм.
Фракционный анализ выполняют путем расслоения проб углей на отдельные классы в тяжелых жидкостях плотностью 1,3, 1,4, 1,5, 1,6 и 1,8 г/см3 (водный раствор хлористого цинка). Фракционный анализ угля с крупностью частиц менее 1 мм проводится методом центрифугирования. По результатам фракционного анализа определяются выход отдельных фракций угля и их качество.
Степень обогатимости угля условно устанавливают по суммарному выходу средних (промежуточных) фракций плотностью 1,4—1,8 г/см3, выраженному в процентах и отнесенному к беспородной массе (с плотностью менее 1,8 г/см3).
Уголь различных категорий обогатимости характеризуется следующим выходом промежуточных фракций, %: легкой — менее 4; средней — 4—10; трудной — 10—17 очень трудной — более 17. Угли отдельных пластов и бассейнов имеют различную обогатимость. Наиболее труднообогатимы — угли Карагандинского и Экибастузского бассейнов.