Испытание качества углей

Гранулометрический состав — количественная характеристика угля по размеру кусков — нормируется для всех видов использования. Разделение угля на классы крупности производится путем его сортировки (грохочения) на ситах с отверстиями соответствующих размеров.

Механическая прочность углей изучается по двум параметрам: способность угля сохранять размеры кусков при ударе и при истирании. Она необходима при использовании углей для газификации, получении термоантрацитов, в электродном и литейном производствах.

Термическая прочность угля характеризуется механической прочностью в кусках после термической обработки. Она исследуется в углях, предназначенных для сжигания в топках транспортных средств, полукоксования, гидрирования и получения литейных электродных термоантрацитов.

Электрические свойства служат для оценки стадий метаморфизма: угли на низких стадиях являются диэлектриками, на средних — полупроводниками, на высоких (антрациты) — проводниками.

Плотность углей характеризует его пористость. В естественном состоянии извлеченный из недр уголь обычно имеет многочисленные трещины и включает поры (пустоты) различной формы и размеров. Различают действительную (dr) и кажущуюся (da), закрытую и открытую пористость.

Элементный анализ включает в себя определение содержания в органической массе следующих основных элементов: углерода, водорода, азота, кислорода и органической серы. Поскольку углерод, водород и кислород содержатся в минеральной части углей, входят в cocтав карбонатов, оксидов, а также содержатся в гидратной воде силикатов, различают соответственно содержание этих элементов: общее (ct, Ht, ot), в органической массе (co, Ho, oo) и в минеральной части углей (cm, Hm, om).

Технический анализ объединяет определение основных показателей качества угля, предусмотренных требованиями нормативных документов для всех видов их использования. К показателям качества угля относятся: влажность, зольность, содержание серы, фосфора, выход летучих веществ, теплота сгорания. В случаях, когда направление использования углей конкретного месторождения определено в достаточной степени, производится сокращенный технический анализ, включающий определения только зольности углей, влажности и выхода летучих веществ.

Зольность представляет собой отношение (в %) массы неорганического остатка (золы), получаемою после полною сгорания угля, к массе исследуемой пробы угля. Основные компоненты — оксиды Si, Al, Fe, Са, Mg, Na, К, подчиненное значение имеют оксидыTi, Р, Мn. Выход и состав золы зависят от природы угля, условий его сжигания (прежде всего от скорости озоления и конечной температуры прокаливания). По составу золы угли подразделяются на кремнистые (SiO2 40-70%), глиноземные (А2O3 30-45%), железистые (Fе2О3 > 20%), известковистые (СаО — 20-40%).

Влажность подразделяется на поверхностную (влага смачивания), максимальную (Wmaxвлагоемкость угля, свойственная его химической природе, петрографическому составу, степени yглефикации), воздушно-сухого угля (представлена адсорбционно связанной водой и характеризует пористость и гидрофильные свойства поверхности частиц угля) и общая (суммарная величина внешней влаги и влаги воздушно-сухого угля).

Сернистость угля. Массовая доля обшей серы (Std) в углях колеблется в широких пределах. По этой величине угли разделяются на низкосернистые (до 1,5%), среднесернистые (1,5-2,5%). сернистые (2,5-4%) и высокосернистые (более 4%). Сера входит в состав органического вещества, минеральной части угля, иногда присутствует в виде элементарной. Выделяют следующие разновидности серы: органическую (So), сульфидную (Ss), сульфатную(SSO4).

Содержание фосфора (Р ) в углях обычно не превышает 0,05%. Массовая доля его ограничивается лишь в углях, направляемых на получение специальных сортов доменного кокса (<0,012%), а также в антрацитах, используемых при производстве карбида кальция (<0,05%).

Выход летучих веществ (V) оценивается при нагревании угля без доступа воздуха по разности разложения на газо- и парообразные продукты и твердый нелетучий складок. Cocтав летучих продуктов представляет собой первичный деготь (для бурых углей) или каменноугольную смолу (для каменных углей). Они состоят из газов (СО, СО2, H2, CH2)и летучих yглеводородов и их производных, а тaкжe воды.

Теплота сгорания угля (Q) используется для сопоставления теплотехнических свойств углей различных месторождений, марок между собой и с другими видами топлива. Определение теплоты сгорания производится замером количества тепла, выделяемого единицей массы угля при полном сгорании eгo в калориметрической бомбе в cpeде сжатого кислорода в стандартных условиях. Соответвуюшими пересчетами величины теплот сгорания получают значения выешей теплоты сгорания (Qs) с исключением тепла, полученного за счет кислотообразования, и низшей (Qi) теплоты сгорания с дополнительным исключением тепла, полученною за счет испарения воды.

Термические свойства углей характеризуются спекаемостью и коксуемостью.

Спекаемость — свойство угля при нагревании без доступа воздуха переходить в пластическое состояние с образованием связанного нелетучсго остатка. Свойство углей спекать инертный материал с образованием такого остатка называется спекающей способностью. При нагреве углей определенного петрографического состава и степени углефикации выше 300°С без доcтупа воздуха из них выделяются napoгазовые и жидкие продукты. При температуре 500-550°С масса затвердевает, образуется спекшийся твердый остаток — полукокс. При дальнейшем увеличении температуры (до 1000 С и более) в полукоксе снижается содержание кислорода, водорода, серы, возрастает содержание углерода. Полукокс переходит в кокс. Спекаемостью обладают каменные угли II-V стадий метаморфизма, определенного петрографического состава.

Коксуемость — свойство измельченного угля спекаться с последующим образованием кокса с установленной крупностью и прочностью кусков. Изучается прямыми (лабораторное, ящичное и полузаводское коксование) и косвенными методами.

Групповой анализ чаще всею используется для оценки качества бурых углей, в которых при обработке растворителями или химическими реагентами часть органической массы угля переходит в растворы и некоторые получаемые из экстрактов вещества (битумы, гуминовые кислоты) применяются в различных отраслях народного хозяства. Битумы, извлекаемые из легких бурых углей opганическими растворителями (бензолом, бензином и др.) представлены в основном восками и смолами. Минимальное содержание восксодержащего битума в бурых углях, используемых в промышленности, составляет 7%. Гуминовые кислоты угля — смесь кислых высокомолекулярных аморфных темноокрашенных органических веществ с высокой степенью окисленности и гидрофильностью, извлекаемых из угля водными щелочными растворами. Выход гуминовых кислот из бурых и окисленных каменных углей колеблется от нуля до 100% органической массы.

Микроэлементы в углях находятся как в органической, так и в минеральной массе. Они представлены соединениями цветных металлов, редких и рассеянных элементов, суммарная концентрация которых обычно не превышает 1% сухой массы угля.
Наибольшее практическое значение для извлечения имеют уран и германий. Кроме того, попутно могут извлекаться галлий, ванадий и другие.
Для определения содержания в углях «малых» элементов используются спектральный, спектрофотометрический, активационный и атомно-абсорбционный методы.