» » Минеральные компоненты и зольность углей

Минеральные компоненты и зольность углей

02.08.2016

Ископаемый уголь представляет собой единую систему органических веществ (мацералов) и неорганических компонентов (минералов). Поэтому состав и количество (содержание) минеральной части — важнейшие характеристики углей. Они предопределяют использование углей в промышленности, а также характеристику получаемых шлаков и зольных уносов, образующихся при сжигании.
Минеральные компоненты углей условно разделяют на две группы: макро- и микрокомпоненты (соответственно при содержании их более или менее 1 % в минеральном веществе). К макрокомпонентам относятся соединения Si, Al, Fe, Ca, Mg, S, а в ряде случаев — Na, К, Ti. В качестве микрокомпонентов в углях обнаружены почти все химические элементы, кроме инертных газов, металлов платиновой группы, некоторых радиоактивных и редкоземельных элементов.
Содержание, состав и распределение в угле минеральных веществ обусловлены особенностями (условиями) накопления и превращения исходного растительного материала в процессе углеобразования.
Неорганические компоненты угля подразделяются на следующие генетические группы: 1) накопившиеся в процессе жизнедеятельности растений-углеобразователей (реликтовые минералы); 2) привнесенные в торфяник водой и ветром как механические примеси; 3) сформировавшиеся в результате жизнедеятельности бактерий; 4) выпавшие из растворов; 5) образовавшиеся в торфе и угле в результате биохимических и физикохимических процессов углеобразования.
В углях обнаружено свыше 40 минералов. Минеральные компоненты находятся в углях в виде породных прослоев, линз, конкреций, тонкорассеянного материала, органоминеральных соединений. Наиболее часто минеральные образования в ископаемых углях представлены сульфидами (пирит, марказит, халькопирит), карбонатами (кальцит, сидерит, арагонит), сульфатами (гипс, целестин), силикатами и алюмосиликатами (каолинит, полевые шпаты, гидрослюды и др.). Это могут быть также обломки минералов и таких пород, как аргиллиты, алевролиты, песчаники и известняки. Золообразующие компоненты, входящие в состав органических соединений, находятся в углях преимущественно в составе гуматов.
Минеральные компоненты нередко попадают в добытый (товарный) уголь из вмещающих пород и внутрипластовых породных прослоев (ложная кровля, подработка почвы и кровли, несовершенство зачистки при открытых работах и т.п.).
Минеральные вещества, как и влага, — балласт при транспортировке углей. Кроме того, они представляют собой источник образования золы, количество и состав которой существенно, а иногда и решающим образом влияет на возможность использования углей в производстве, В некоторых бассейнах, освоенных промышленностью (например, Донецком, Кузнецком, Карагандинском и др.), часть добываемых углей, органическая составляющая которых пригодна для коксования, не используются по прямому назначению вследствие высокой зольности, сернистости и очень трудной обогатимости.
Высокая зольность углей при их использовании в качестве топлива ухудшает работу энергетических установок. Зольность снижает качество кокса. В результате показатели работы доменных печей ухудшаются: увеличивается расход кокса на 1 т производимого чугуна и снижается их производительность. Так, при повышении зольности кокса на 1 % его расход возрастает приблизительно на 2 % при общем снижении производительности доменной печи.
Состав и свойства золы — важные параметры при проектировании и эксплуатации энергетических и газификационных установок, в технологии удаления шлаков и золовых уносов, а также при разработке способов их утилизации.
Состав зол и шлаков зависит от минеральных компонентов угля, золообразующих компонентов органической части угля, находящихся в сорбированном состоянии, а также пород, засоряющих уголь при добыче. Состав золы отличается от состава собственно минеральной части углей, которая претерпевает значительные изменения в результате окислительной и термической деструкции при сжигании углей.
Основные компоненты золы углей — оксиды: SiО2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, K2O, Na2O, TiO2, SO3. Кроме того, в золе содержатся «малые элементы», к которым относят редкие и рассеянные элементы, цветные, благородные и радиоактивные металлы. Средний состав зол углей различных бассейнов приведен в табл. 3.46.
Минеральные компоненты и зольность углей
Минеральные компоненты и зольность углей
Минеральные компоненты и зольность углей

С увеличением степени метаморфизма углей уменьшается относительное содержание в них Ca, Mg и Fe и растет содержание кремнезема и глинозема. Это обусловлено потерей углем функциональных групп, удерживающих металлы, переходом их в минеральную форму и частичным выносом из угля. Вследствие этого высокие содержания CaO в золе характерны преимущественно для бурых и окисленных каменных углей. Высокие содержания CaO в золе обычно связаны с углями, подвергшимися воздействию изверженных пород, и обусловлены наличием вторичных карбонатов.
На большинстве угольных месторождений отмечается корреляционная зависимость между зольностью и составом зол. В бурых углях с увеличением зольности уменьшается содержание в золе CaO, MgO и Fe2O3, что связано с возрастанием роли терригенных минеральных компонентов, представленных преимущественно алюмосиликатами и кремнеземом.
Зольность свежедобытых углей колеблется от 5 до 40—45 %. Петрографические составляющие угля могут значительно различаться по этому показателю. Так, по данным Л.Л. Нестеренко, зольность витренов донецких углей составляет 0,4—2,0 %, а фюзенов — 3,5—10,8 %.
Зольность и состав золы относятся к важным показателям качества углей. Широко используют показатели плавкости золы, важные для обеспечения нормального функционирования тепловых и энергетических установок.
Плавкость золы зависит от соотношения тугоплавких (Al2O3 и SiO2) и легкоплавких (FeO, Fe2O3, MgO, CaO) компонентов. Чем выше это соотношение, тем труднее плавится зола. В процессе сжигания угля зола проходит через три фазы изменения вещества, что связано с достижением опеределенных температур: начало деформации t1, размягчение t2 и переход в жидкое состояние t3. В связи с этим различают легкоплавкую (t3 < 1200 °C), среднеплавкую (t3 = 1200+1300 °С) и тугоплавкую (t3 = 1300+1500 °С) золу.
Для характеристики состава золы используют модули: силикатный M1 = SiO2/(AI2O3 + Fe2O3); кремниевый M2 = Al2O3/Si02; глиноземный M3 = Al203/Fe2O3; гидравлический M4 = CaO/(SiO2 + Al2O3 + Fe2O3); M5 = (Al2O3 + SiO2)/(Fe2O3 + CaO + MgO). Модуль M2 — основной показатель возможности применения золы в качестве промышленного сырья.
В настоящее время используется методика определения температур шлакоудаления золы (t2, t3) и температуры нормального жидкого шлакоудаления tн.ж на основе химического состава золы энергетических топлив. Взаимосвязь температур плавкости по отношению к разности тугоплавких кислых и щелочноземельных составляющих золы представлена выражением
К = SiO2 + Al2O3 - CaO - MgO,

где SiO2, Al2O3, CaO и MgO — содержание данных составляющих на бессульфатную массу в золе, %.
Температура начала размягчения золы углей соответствует:
Минеральные компоненты и зольность углей

где Fe2O3 и R2O — соответственно содержание оксидов железа и щелочных металлов в золе на бессульфатную массу, %.
При сжигании на крупных электростанциях в золу и шлаки переходит около 60 % масс, неорганических компонентов, содержащихся в углях. Минеральная часть углей удаляется из них путем переработки на обогатительных фабриках. При этом около 40 % неорганических компонентов в виде породы идет в хвосты обогащения.
Разработаны способы комплексного использования неорганической части твердых горючих ископаемых, позволяющие решать проблемы ликвидации отвалов, улучшения санитарно-гигиенического состояния воздушного бассейна, территории и восстановления земельных угодий. Золы, шлаки и отходы обогащения углей в основном применяют в промышленности строительных материалов. Наиболее перспективно с экономической и технологической точек зрения использование зол в цементном производстве, производстве облегченного и силикатного кирпича, наполнителей для бетонов и изделий из них, производстве шлаковаты и каменного литья.