Введение

Измерение свойств угля

Методы анализа угля – это специализированные аналитические процедуры, разработанные для определения конкретных физических и химических характеристик угля. Эти методы используются главным образом для оценки пригодности угля для коксования, выработки электроэнергии или для доменного производства стали.

Химические свойства угля

Уголь бывает четырех основных типов или рангов: лигнит или бурый уголь, битуминозный уголь или черный уголь, антрацит и графит. Каждый тип угля характеризуется определенным набором физических параметров, которые в основном определяются влажностью, содержанием летучих веществ (в пересчете на алифатические или ароматические углеводороды) и содержанием углерода.

Летучие вещества

Летучие вещества в угле – это компоненты угля, за исключением влаги, которые выделяются при высокой температуре в бескислородной среде. Обычно это смесь коротко- и длинноцепочечных углеводородов, ароматических углеводородов и некоторого количества серы. Содержание летучих веществ также характеризует адсорбционные свойства активированного угля. Определение летучих веществ в угле проводится по строгим нормам и стандартам. В австралийских и британских лабораториях образец угля нагревают до 900 ± 5 °C (1650 ± 10 °F) в течение 7 минут. Кроме того, с повышением степени метаморфизма угля содержание летучих веществ уменьшается (AMK).

Пепел

Содержание пепла в угле — это негорючий остаток, образующийся после сжигания угля. Он представляет собой основную массу минеральных веществ, оставшуюся после удаления углерода, кислорода, серы и воды (включая воду, содержащуюся в глине) в процессе сгорания. Анализ достаточно прост: уголь тщательно сжигают, а количество пепла выражают в процентах от первоначального веса образца. Это также может служить показателем качества угля. Содержание пепла может определяться в пересчете на состояние, высушенное на воздухе, и в пересчете на состояние, высушенное в печи. Основное различие между этими методами заключается в том, что второй метод предполагает предварительное удаление влаги из образца угля.

Фиксированный углерод

Содержание фиксированного углерода в угле – это углерод, остающийся в материале после удаления летучих веществ. Это отличается от общего содержания углерода в угле, поскольку часть углерода теряется в составе углеводородов вместе с летучими веществами. Содержание фиксированного углерода используется для оценки выхода кокса из пробы угля. Определяется оно путем вычитания массы летучих веществ, определенной в ходе испытания на летучесть, из исходной массы пробы угля.

Относительная плотность

Относительная плотность или удельный вес угля зависит от его марки и степени минеральной примеси. Знание плотности каждого угольного пласта необходимо для определения свойств композитов и смесей. Плотность угольного пласта требуется для перевода ресурсов в запасы. Относительная плотность обычно определяется потере веса образца в воде. Наилучших результатов можно достичь, используя мелко измельченный уголь, так как объемные образцы достаточно пористые. Однако для определения запасов угля в естественном залегании важно сохранять поровое пространство при измерении удельного веса.

Распределение размеров частиц

Распределение частиц по размерам измельченного угля зависит отчасти от марки угля, определяющей его хрупкость, и от операций по обработке, дроблению и помолу, которым он подвергался. Как правило, уголь используется в печах и коксовых печах определенного размера, поэтому необходимо определить его дробимость и количественно оценить его характеристики при дроблении. Эти данные необходимо знать до начала добычи угля, чтобы можно было спроектировать подходящее дробильное оборудование для оптимизации размера частиц для транспортировки и использования.

Испытание на плавучем водолазе

Угольные пласты и частицы имеют различные относительные плотности, определяемые содержанием витринита, степенью метаморфизма, зольностью/содержанием минеральных веществ и пористостью. Обычно уголь обогащают, пропуская его через ванну с жидкостью известной плотности. Это позволяет удалить частицы с высокой зольностью и повысить товарность угля, а также его энергетическую ценность в расчете на единицу объема. Следовательно, уголь необходимо подвергать испытанию методом флотации и осаждения в лаборатории, чтобы определить оптимальный размер частиц для обогащения и плотность обогащающей жидкости, необходимую для удаления максимального количества золы при минимальных затратах энергии. Испытание методом флотации и осаждения проводится на дробленом и распыленном угле в процессе, аналогичном металлургическому анализу металлической руды.

Испытание на абразию

Стерение – это свойство угля, характеризующее его склонность и способность к износу оборудования и самоизмельчению. Хотя углеродистое вещество в угле относительно мягкое, кварц и другие минеральные компоненты угля обладают значительной абразивностью. Это свойство определяется в откалиброванной мельнице, содержащей четыре лопасти известной массы. Уголь перемешивается в мельнице в течение 12 000 оборотов при скорости 1500 оборотов в минуту (то есть 1500 оборотов в течение 8 минут). Индекс истираемости определяется путем измерения потери массы четырех металлических лопастей.

Специфическая энергия

Помимо физических или химических анализов для определения характеристик обработки и состава загрязняющих веществ угля, энергетическая ценность угля определяется с помощью бомбового калориметра, который измеряет удельный выход энергии при его полном сгорании. Это особенно важно для углей, используемых в парогенерации.

Испытание на слияние пепла

Поведение золы угля при высокой температуре является критическим фактором при выборе угля для производства пара. Большинство печей спроектированы для удаления золы в виде порошкообразного остатка. Уголь, зола которого спекается в твердый стекловидный шлак, известный как клинкер, обычно непригоден для использования в печах, так как требует очистки. Однако печи могут быть спроектированы для работы с клинкером, как правило, путем его удаления в расплавленном состоянии. Температуры спекания золы определяются путем наблюдения за формованным образцом золы угля через смотровое окно высокотемпературной печи. Зола, имеющая форму конуса, пирамиды или куба, нагревается постепенно выше 1000 °C до максимально возможной температуры, предпочтительно фиксируются следующие температуры:
Температура деформации: достигается, когда углы формы начинают скругляться. Температура размягчения (сферизации): достигается, когда верхняя часть формы приобретает сферическую форму. Температура полусферы: достигается, когда вся форма приобретает форму полусферы. Температура плавления (текучести): достигается, когда расплавленная зола оседает на дно печи в виде уплощенной капли.

Индекс надутости в топе (индекс свободной надутости)

Простейшим тестом для оценки пригодности угля для производства кокса является определение индекса свободного разбухания. Он заключается в нагреве небольшого образца угля в стандартизированном тигле до температуры около 800 градусов Цельсия (1500 °F). После нагрева в течение заданного времени или до полного удаления летучих веществ в тигле остается небольшая коксовая проба (пуговица). Индекс свободного разбухания определяется путем сравнения поперечного профиля этой пробы с набором стандартизированных профилей.

Классификация угля по рангу

Несколько международных стандартов классифицируют уголь по рангу, где повышение ранга соответствует углю с более высоким содержанием углерода. Ранг угля коррелирует с его геологической историей, как описано в законе Хилта. В системе ASTM любой уголь с содержанием более 69% фиксированного углерода классифицируется по содержанию углерода и летучих веществ. Уголь с содержанием фиксированного углерода менее 69% классифицируется по теплотворной способности. Содержание летучих веществ и углерода определяется в пересчете на абсолютно сухое вещество без минеральных примесей; теплотворная способность определяется по содержанию влаги в добытом виде, но без учета свободной воды. ISO также имеет систему ранжирования угля, однако ее подразделения не соответствуют стандарту ASTM. +Классификация угля по ASTMГруппаФиксированный углерод, % (абсолютно сухое, без минералов)Летучие вещества, % (абсолютно сухое, без минералов)Теплотворная способность, МДж/кг (влажное, без минералов)АнтрацитМетаантрацит>98<2Антрацит92–982–8Полуантрацит86–928–14БитуминозныйНизколетучий78–8614–22Среднелетучий69–7822–31Высоколетучий А<69>31>32,6Высоколетучий B30,2–32,6Высоколетучий C26,7–30,2СуббитуминозныйСуббитуминозный A24,4–26,7Суббитуминозный B22,1–24,4Суббитуминозный C19,3–22,1ЛигнитЛигнит A14,7–19,3Лигнит B<14,7