Методы определения зольности углей

Твердое топливо всех видов содержит примеси минеральных веществ, которые составляют его минеральную массу. По своему происхождению минеральные вещества углей можно подразделить на внутренние, которые были накоплены в процессе образования пластов угля, и внешние, попавшие в топливо при его добыче из окружающих пород (кровли, почвы, прослойков пласта). Содержание внутренних минеральных веществ более или менее постоянно для углей данного месторождения и незначительно по сравнению с внешними минеральными примесями, содержание которых зависит от способа добычи угля.

Минеральная масса углей представляет собой смесь разнообразных неорганических веществ. В большинстве случаев ее основу составляют силикаты алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия, главным образом в виде глинистых минералов, и кремнезем (кварц). В минеральной массе угля часто встречаются дисульфиды железа (пирит и марказит), карбонаты кальция, магния (кальцит, доломит) и железа (сидерит), сульфаты кальция (гипс), железа и алюминия, оксиды железа, кальция, хлориды, а также соединения редких и рассеянных элементов. В особую группу выделяют органоминеральные соединения углей, например соли гуминовых кислот (гуматы).

При сжигании топлива его органическая масса удаляется в виде СО, СО₂ и Н₂О, а минеральные компоненты, подвергаясь ряду превращений, образуют золу. Зола – неорганический остаток после полного сгорания угля. Масса образующейся золы, или зольность, зависит от содержания и состава минеральной массы углей, а также от условий их сжигания. Зольность угля обозначается символом А.

При озолении углей протекают следующие основные процессы превращения минеральных компонентов углей.

1.Дегидратация, т.е. удаление гидратной влаги из алюмосиликатов (глин), оксидов и гидроксидов железа (гематиты) при температуре выше 500°С с образованием Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃ и Н₂О, а также из гипса

500°C

СаSO₄ · 2H₂O = CaSO₄ + 2H₂O.

2.Разложение карбонатов с выделением диоксида углерода в интервале температур 500-900°С:

Ca (Mg,Fe)CO₃ = Ca(Mg,Fe)O + CO₂.

3.Окисление дисульфидов железа (пирит, марказит) начинается при 400-

500°С:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₃.

4.Разложение сульфата железа протекает при температуре 850-950°С:

2FeSO₄ = 2FeO + 2SO₂ +O₂.

Сульфат кальция начинает разлагаться при 1300°С, однако уже при 1100°С он реагирует с кремнеземом и алюмосиликатами с выделением SO₂.

5.Улетучивание хлоридов и соединений щелочных металлов происходит при температуре выше 500°С.

6.Образование сульфата кальция происходит в интервале температур 700-1100°С:

2CaO + 2SO₂ + O₂ = 2CaSO₄.

Эта реакция протекает по мере выделения SO₂ при сгорании органической серы и окислении дисульфида железа, а также по мере разложения карбонатов, содержащихся в минеральной массе углей.

7.Окисление соединений Fe⁺² до Fe⁺³:

4FeО + O₂ = 2Fe₂O₃.

Каждая из приведенных реакций протекает при определенных стадиях озоления угля, в определенном интервале температур. В соответствии с этим масса и состав золы, полученной при озолении одного и того же угля, при разных температурах, например 500, 800 и 1000°С, будут значительно отличаться друг от друга.

Отсюда следует, что зольность угля – понятие в известной мере условное, так как масса и состав золы зависят в основном от условий озоления топлива и, прежде всего, от скорости озоления и конечной температуры прокаливания.

Стандартный метод определения зольности углей (ГОСТ 11022–95) заключается в полном сжигании навески топлива (озолении), прокаливании зольного остатка до постоянной массы при температуре 815±10°С и определении массы образовавшейся золы. Метод может выполняться по двум вариантам, отличающимся скоростью озоления и, следовательно, общей продолжительностью анализа: медленное и ускоренное озоление. В обоих случаях зольность определяют в аналитической пробе топлива, доведенной до воздушно-сухого состояния. При медленном озолении тигли с навесками топлива помещают в холодную муфельную печь и затем постепенно поднимают в ней температуру до 500°С за 60 мин и поддерживают эту температуру в течение 60 мин при озолении бурых углей, лигнитов и горючих сланцев и в течение 30 мин при озолении каменных углей и антрацитов. Далее продолжают нагрев печи до 815±10°С и выдерживают при этой температуре не менее 60 мин.

Рис. Общий вид и схема электрической муфельной печи:

1 – зона постоянной температуры; 2 – контрольная термопара; 3 – рабочая камера печи; 4 – отводная трубка; 5 – клапан; 6 – стационарная термопара; 7 – электрические нагревательные элементы.

Сущность метода ускоренного озоления с естественной вентиляцией заключается в постепенном продвижении лодочек с навесками топлива в нагретую до 815±10°С муфельную печь при озолении углей и 865±10°С при озолении горючих сланцев. Лодочки помещают на пластинку из жаропрочного материала, устанавливают ее на откинутую крышку печи так, чтобы первый ряд лодочек находился у края печи, и выдерживают в таком положении 3 мин при озолении углей или 5 мин при озолении горючих сланцев. Затем пластинку продвигают внутрь муфельной печи со скоростью 2 см/мин, закрывают дверцу печи и прокаливают зольные остатки бурый углей и горючих сланцев 20-25 мин, каменных углей и антрацитов – 25-35 мин.

Зольность аналитической пробы топлива А^а ( мас.%) в обоих методах вычисляют по формуле:

А^а = (m₁ / m) ·100,

где m₁ – масса зольного остатка, полученного после озоления и контрольных прокаливаний до постоянной массы, г; m – масса навески топлива, г.