Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ нормативной документации и методик определения качества бурых углей

Введение

Уголь - сложнейшее органоминеральное образование, и поэтому обладает разнообразными свойствами.

Качество, по определению - это совокупность свойств продукта, используемых для удовлетворения потребностей тех или иных отраслей народного хозяйства. А так как спектр использования углей огромен, то и перечень показателей качества также не мал. Например, чтобы определить, годится ли уголь для коксования, рассматривается более 30 основных показателей. То же - для производства электродной продукции и т.д. Но в данной работе мы рассмотрим лишь те показатели качества, учёт которых необходим при оценке использования угля в «малой» сфере деятельности.

Таблица 1 - Основные визуальные признаки (физические свойства) бурых углей

1.1 Влажность угля (W)

Все угли содержат то или иное количество влаги. При этом в зависимости от ее состояния (приуроченности) различают влагу поверхностную (влагу смачивания). Это вода, находящаяся на поверхности кусков и зерен угля. Она легко удаляется путем просушивания на воздухе.

Оставшаяся (после удаления поверхностной) влага характеризует влагосодержание угля, свойственное его вещественному, петрографическому и марочному составу и обозначается как максимальная влагоемкость (Wmax).

Свободная влага, на поверхности кусков и зерен угля, и влага, приуроченная к трещинам, пустотам и капиллярам (Wmax) в сумме определяют такое понятие, как влага внешняя (Wex). В лаборатории она определяется путем просушивания в сушильных шкафах: при температуре 50 - для бурых углей.

Влага воздушно-сухого угля, в основном представлена адсорбционно-связанной водой. Определяется она посредством просушки при температуре 105-110 ^оС (при ускоренном методе при 160 ^оС).

В сумме эти два вида влаги определяют понятие влага общая (Wt), или рабочая (Wrt). Содержание влаги рабочей зависит, прежде всего, от степени метаморфизма (марочного состава) угля, а также от степени окисленности угля, его зольности и кусковатости.

Влага в угле является не только балластом, она уменьшает его теплоту сгорания, т.к. требует дополнительных затрат тепла на своё испарение. Поэтому бытующая практика смачивания углей перед сжиганием, по сути, неверна. С другой стороны, смачивание угольной пыли приводит к её окомкованию и повышению проницаемости для газов, выделяемых при термической деструкции угля.

Но этот прием применяется главным образом от безысходности - при использовании угля не предназначенного для слоевого сжигания. Повышенное содержание внешней влаги приводит также к повышенной слипаемости угольной мелочи, слеживаемости и смерзаемости угля.

Вместе с тем, водяные пары, как и другие трёхатомные газы, усиливают радиационную составляющую теплообмена в топке, что важно для углей со слабосветящимся пламенем.

Вы, наверное, заметили отсутствие такого показателя, как влага аналитическая (Wa), который приводится практически во всех удостоверениях качества, сертификатах. Но, это чисто технический (лабораторный) показатель, предназначенный для пересчетов других показателей на определенное (сухое (d), сухое беззольное (daf)) состояние топлива. В расчетах потребительской ценности топлива данный показатель не используется.

В процессе углефикации (метаморфизма углей) в недрах Земли сначала (на буроугольной стадии) происходили физико-механические преобразования - уплотнение и обезвоживание. Поэтому при разделении бурых углей на группы в качестве основного показателя принимается влажность, т.е. содержание внутренней влаги.

1.2 Содержание золы (зольность, А)

Зольность, или содержание минеральных (не горючих) примесей в угле, является одним из основных показателей, определяющим качество угля. Минеральные примеси - это в основном нейтральный балласт, в меньшей степени источник вредных химических элементов, влияющих на степень экологического загрязнения.

От химического состава золы зависит и температура ее плавления, что имеет существенное значение для технологии использования топлива на ТЭЦ, в частности на методы золоудаления.

Содержание минеральных примесей зависит только от условий торфонакопления, а значит, может быть различным для углей как одной, так и разных марок.

Различают внутреннюю, связанную с органической частью угля, и внешнюю, слагающую породные прослои, золу. Первая формируется за счет золы содержащейся в растениях, в воде болот, а также пыли привнесенной с суши. Потому и характеризуется невысокими значениями, как правило, от первых до 12-14%. Содержание внешней золы может колебаться в весьма широких пределах, как в зависимости от сложности строения угольных пластов, так и от условий их отработки, объективных и субъективных особенностей его отгрузки потребителям.

В различных областях промышленности требования к зольности существенно различаются. В теплоэнергетике используются каменные угли, в основном, с Аd до 35%, при более высоком содержании золы они требуют специальных видов сжигания или предварительного обогащения.

Градаций топлива по степени зольности достаточно много. Но применительно к нашей работе наиболее приемлемой будет классификация, основанная на учете т. н. приведенной зольности, то есть, соотношения зольности к теплоте сгорания влажного беззольного угля (Ad/Qsaf).

При этом:

- к низкозольным относятся угли с (Ad/Qsaf)<0,7;

- к средне зольным……………………………0,7-1,0;

- к высокозольным…………………………..>1,0

Таким образом, требования к зольности низко метаморфизованных, а значит малокалорийных углей (бурые, длиннопламенные), должны быть более жесткими, чем к зольности высоко метаморфизованных (тощие, антрациты).

В практике используется, в основном, два показателя зольности: отнесенные к абсолютно сухому топливу (Ad) и к рабочему его состоянию, т.е. при фактической его влажности (Ar).

1.3 Выход летучих веществ (V_daf)

Органическая масса углей при термическом воздействии разлагается на две производные: летучие вещества и нелетучий остаток. В состав летучих входят первичный дёготь (в бурых углях), каменноугольная смола (в каменных) и газы: окись углерода, водород, метан, лёгкие углеводороды и их гомологи.

Содержание летучих зависит от петрографического состава углей - витринитовые (блестящие) разности содержат их большее количество, чем фюзенитовые (матовые). Причём если у первых наблюдается характерная изменчивость в ряду метаморфизма, смотри рисунок 3, то у вторых величина выхода летучих веществ в ряду метаморфизма остаётся практически неизменной.

По величине V_daf можно в первом приближении определить марочный состав угля; этот показатель и использовался прежде в бассейновых классификациях.

Данный показатель весьма важен, т.к. определяет особенности поведения угля в процессе его использования. Так, высокое содержание газообразной (летучей) составляющей в составе горючей массы угля определяет его высокую реакционную способность (т.е. воспламенение коксового (твердого) остатка происходит при более низких температурах), превалирование конвективного типа передачи тепла над лучистым. Но вместе с тем угли с высоким выходом летучих веществ обладают более низкими показателями теплоты сгорания, меньшей термической стойкостью.

1.4 Содержание серы (Std)

Сера в углях является вредной примесью. При использовании угля в металлургии сера переходит в металл, ухудшая его качество. При сжигании топлива сера образует сернистые соединения, которые, реагируя в атмосфере с водяными парами, образуют серную кислоту, выпадающую т.н. кислотными дождями. В малой энергетике сера является основным фактором, ограничивающим минимальные тепловые нагрузки котлов, поскольку при низких температурах уходящих газов на хвостовых поверхностях выпадает конденсат, а сернистый ангидрид из продуктов сгорания соединяясь с конденсатом образует серную кислоту, разрушающую металл котлов.

Содержание серы в углях Кузнецкого, Канско-Ачинского, Минусинского бассейнов колеблются в пределах 0,2-0,6%. Низким её содержанием характеризуются и угли Восточного Казахстана. Поэтому данный показатель в нашем регионе, как правило, редко учитывается при оценке качества и потребительской ценности топлива. Но, вместе с тем угли некоторых месторождений Иркутского бассейна характеризуются очень высоким, более 10%, содержанием серы, что делает их малопригодными для использования в теплоэнергетике.

1.5 Теплота сгорания (Q)

Этот показатель наиболее важен для оценки потребительской ценности углей, особенно используемых в теплоэнергетике.

Различают теплоту сгорания, пересчитанную на сухое беззольное состояние топлива (Qsdaf), часто называемую высшая, что, по сути, не совсем верно, но так принято. Высшая рабочая теплота сгорания (Qвр) учитывает также теплоту конденсации водяных паров как от влагосодержания всех видов, так и от паров, полученных при сгорании водорода, содержащегося в горючей массе. Этот показатель используется для сопоставления и классификации углей.

Низшая теплота сгорания (Qri) характеризует топливо в его естественном состоянии, т.е. при конкретных значениях влажности и зольности на рабочую массу. Именно на этот показатель и должны ориентироваться потребители угля.

Характер изменения средних значений теплоты сгорания в зависимости от степени метаморфизма (марочного состава углей). При его составлении при расчете теплоты низшей принята одинаковая для всех углей зольность, Аd=10%.

Для сопоставления энергетической ценности углей часто используют т.н. тепловой эквивалент, т.е. отношение низшей теплоты сгорания конкретного топлива к таковой условного (стандартного) топлива, равной 7000 ккал/кг. Для различных марок углей он может изменяться от 0,2 (землистые бурые угли, шлам).

В практике мировой торговли и у нас при разграничении бурых и каменных углей (ГОСТ 25583-88) используется показатель теплоты сгорания угля в пересчете на влажное беззольное состояние (Qsaf). Это более рационально, т.к. исключается изменчивость влажности угля от влияния атмосферного фактора, но менее корректно для теплотехнических расчетов.

1.6 Химический состав и температура плавления золы

Минеральная часть (зола) углей может иметь самый различный состав, что зависит от условий торфонакопления, состава пород местности, окружающей торфяники. Основными компонентами, из которых состоит зола, являются: SiO2; А1203; FеО; Fе2Оз; СаО; Мg0; (К, Nа) О2.

Как указывалось выше, зола является инертной примесью, но её состав может значительно влиять на технологические процессы использования угля в теплоэнергетике. От состава золы зависит, прежде всего, ее шлакуемость, загрязняющая способность.

Температура плавления золы прямо пропорциональна содержанию основных окислов SiO2; и А1203. По значению температуры, при которой зола переходит в жидкоплавкое состояние, выделяются следующие группы:

- легкоплавкие золы - Тпл < 1200° С;

- среднеплавкие …… Тпл 1200-1350° С;

- тугоплавкие ………. Тпл > 1350° С.

Понятно, чем ниже температура плавления золы, тем вероятней, что при сжигании угля она будет затекать в межколосниковое пространство, что сильно осложняет работу котлоагрегатов. Но при использовании жидкого золоудаления низкие температуры плавления золы являются положительным фактором.

Загрязняющая способность - свойство золовых уносов загрязнять (образовывать нагар) на теплообменниках, а значит, уменьшать КПД котлоагрегатов - зависит, в основном, от содержания в золах солей К и Nа. При содержании их окислов в золе более 3% угли должны дополнительно исследоваться с целью разработки особых условий сжигания.

1.7 Вредные примеси в углях

Угли, как и другие полезные ископаемые, содержат практически все существующие химические элементы. Большинство из них, как правило, присутствует в очень незначительных количествах. Но бывают исключения, и тогда некоторые элементы рассматриваются либо как попутные полезные ископаемые, либо как вредные примеси. В первом случае угли, конечно же, не поступают массовому потребителю, а используются на специальных установках, позволяющих утилизировать попутные полезные компоненты.

К вредным, или к токсичным, примесям относятся следующие элементы при таком минимальном содержании (в граммах на тонну сухого угля):

- мышьяк - 300 - ртуть - 1 - бериллий - 50 - свинец - 50

- ванадий - 100 - селен - 1000 - кобальт - 100 - фтор - 500

- марганец - 1000 - хром - 100 - никель - 100

Конечно, при малых объёмах сжигания угля даже большое содержание перечисленных элементов не принесет существенного вреда. Но всё же данный фактор необходимо принимать во внимание.

Очень часто среди потребителей возникают слухи о повышенной радиоактивности угля. На самом деле чистый уголь практически не содержит радиоактивных элементов. Повышенной интенсивностью излучения могут обладать породы прослоев, представленные углистыми разностями, но и они не могут влиять на уровень радиоактивности, т.к., как правило, содержатся в незначительных количествах.

Вместе с тем не исключено поступление угля, особенно добытого в зоне окисления, радиоактивность которого (прежде всего его золы), будет превышать допустимые пределы. Поэтому на угольных складах необходимо периодически проводить соответствующие радиометрические исследования. Благо, они весьма просты в исполнении и относительно дешевы.

1.8 Плотность угля

Действительная плотность (удельный вес) зависит, прежде всего, от вещественного состава угля. Так, матовые и полуматовые разности имеют более высокую плотность, чем блестящие.

Действительная плотность угля зависит также от содержания в нем минеральных примесей (золы). Ориентировочно эта зависимость выражается формулой:

, (1)

где - действительная плотность угля, г/см3;

y - плотность органической (беззольной) массы угля;

к - коэффициент, учитывающий увеличение плотности на 1% зольности, в среднем равный 0,01 г./см³;

- зольность угля.

Кажущаяся плотность (объемный вес) зависит в основном от физического состояния угля, т.е., от его пористости, трещиноватости и пр. Она всегда ниже действительной. Различия в их величинах максимальны для бурых углей (0,3-0,7 г/см3).

Существует и такое понятие, как насыпная масса, или плотность угля в разрыхленном состоянии. Она зависит от плотности кажущейся (объемного веса) и коэффициента разрыхления. Для сухих малозольных углей с незначительным содержанием мелочи насыпная масса колеблется в пределах 0,85-1,0 т/м3. Этот показатель можно использовать для ориентировочной оценки качества (зольности) угля при известном объеме и весе угля в том же вагоне или ином транспортном средстве: если отношение веса к объему близко к 1, то уголь достаточно качественный, если больше 1,15 - 1,2, то необходимо принять меры по детальной его оценке.

1.9 Физико-механические свойства угля, гранулометрический состав

Перечень показателей, определяющих физико-механические свойства угля, весьма обширен. Нас же интересуют лишь те, которые определяют его потребительские свойства при использовании в «малой» сфере деятельности, т.е. крепость, термическая стойкость, природная трещиноватость (кливажность), и которые обусловливают один из важнейших показателей топлива для коммунально-бытовых и бытовых целей - гранулометрический состав.

Крепость угля зависит прежде всего от степени метаморфизма и возрастает от бурых углей до антрацитов. Минеральные примеси (зола) уменьшают крепость бурых и низко метаморфизованных каменных углей и увеличивают средне- и высоко метаморфизованных.

Термическая стойкость - это способность угля сохранять свою структуру (не рассыпаться) при термическом воздействии. Она зависит от степени метаморфизма и вещественного состава. Термическая стойкость возрастает от бурых углей к антрацитам. Блестящие угли, как правило, менее термически устойчивы при горении, чем матовые.

Гранулометрический состав угля зависит от многих факторов: степени метаморфизма, зольности, условий разработки и т.д.

По марочному составу наиболее благоприятным грансоставом характеризуются угли низких (бурые, длиннопламенные) и высоких (тощие, антрациты) стадий метаморфизма. В них выход крупных классов иногда достигает 70-80%. Наибольшее содержание мелочи наблюдается в группе коксующихся углей (жирных, коксовых).

Классификация углей по гранулометрическому составу, размеру кусков (ГОСТ 19242-73).

К физико-механическим свойствам угля необходимо отнести и степень его сохранности при хранении на открытом воздухе. Так, бурые и низкометаморфизованные каменные угли (марки Д, ДГ) за счёт повышенного содержания влаги даже при непродолжительных сроках хранения, особенно в летние месяцы, рассыпаются на мелкие обломки и в значительной степени теряют свою потребительскую ценность.

1.10 Изменение свойств угля в зоне окисления

В силу наклонного залегания пород один и тот же пласт может находиться на разной глубине от поверхности. Потому его верхняя часть, т.н. «выходы на поверхность», подвергается воздействию атмосферных факторов, окислению. По сути, в зоне окисления происходит процесс, обратный углефикации (метаморфизму): уменьшается относительное содержание углерода, возрастает содержание влаги, кислорода и азота. Как следствие - значительно ухудшаются потребительские свойства угля. В пределах зоны окисления по степени изменения угля можно выделить несколько уровней (подзон):

- Подзона выветривания. В ее пределах уголь рыхлый (сажистый). Он совершенно не пригоден для использования в качестве топлива, но вместе с тем может быть хорошим органно-минеральным удобрением. Глубины выветривания могут достигать от одного до нескольких десятков метров от дневной поверхности, в зависимости от климатических особенностей региона и рельефа местности.

- Подзона собственно окисления. В ее пределах, в зависимости от глубины, в той или иной степени уменьшается механическая прочность, теплота сгорания угля. Коксующиеся угли в зоне окисления практически полностью теряют спекаемость, превращаясь, таким образом, из очень ценного технологического сырья в ценное энергетическое топливо (угли марки СС).

При классификации окисленных углей чаще всего используются показатели уменьшения теплоты сгорания (для энергетических) и спекаемости (для коксующихся). Так, в Кузбассе окисленные угли подразделяются на две группы:

- окисленные угли первой группы (ок. 1) - снижение теплоты сгорания высшей (Qsdaf) от первых долей до 10% включительно по сравнению с таковой свежих (не окисленных) углей;

- окисленные угли второй групп (ок. 2) - снижение Qsdaf более чем на 10%, до 20-25% для углей разных марок.

Окисленные угли из-за их относительной дешевизны часто поступают на рынок нашего региона. Обозначаются они абравиатурой ДРок1 (2), ТРок1 (2) и т.д. Для них характерна пониженная прочность, отсутствие блеска, округлая форма обломков. К весьма наглядным признакам окисленности угля относятся наличие бурых налетов гидроокислов железа, малая крепость породных включений. Такие угли, особенно окисленные второй группы (ок2), из-за низкой теплоты сгорания для отопления практически непригодны, хотя могут иметь довольно низкую зольность.

1.11 Самовозгораемость угля

Явление самопроизвольного возгорания угля в недрах и при хранении имеет довольно широкое распространение. Основной причиной этого является адсорбция углем кислорода и повышение температуры за счет процессов окисления.

Склонность углей к самовозгоранию зависит от многих факторов. Прежде всего, от марочной принадлежности: с ростом степени метаморфизма (углефикации) самовозгораемость уменьшается, т.е. бурые угли более склонны к самовозгоранию, чем каменные, а каменные более, чем антрациты. В связи с этим по степени самовозгораемости угли подразделяются на 2 группы:

- 1-я группа - антрациты и каменные угли марки Т; температура воспламенения их достигает 700 градусов;

- 2-я группа - каменные и бурые угли с температурой воспламенения

около 300 0С.

Более опасные по самовозгораемости - фюзенитовые и первично (природно) окисленные разности угля. Способность к окислению возрастает также с уменьшением крупности угольных обломков.

2. Методические рекомендации по оценке качества и потребительской ценности угля

Опробование

Основной целью опробования является получение исследуемого материала в минимальном количестве, но при этом определяющем средние значения основных параметров его качества. Второй, и не менее важной задачей, является получение визуальных данных о состоянии топлива, основных его особенностях.

В настоящее время основным документом регулирующим отбор проб

считается ГОСТ 10742-71 «Угли бурые, каменные, антрацит, горючие сланцы и угольные брикеты. Методы отбора и подготовки проб для лабораторных испытаний». Но данный ГОСТ, как видим, датирован 1971 годом и потому он адаптирован для оценки качества топлива при передаче его от государственного производителя государственному же заказчику. При этом исполнители как с той, так и с другой стороны в малой степени были заинтересованы в некорректной оценке качества топлива.

Основные этапы проведения опробования следующие:

1. Визуальный осмотр хранящегося (или свежевыгруженного) угля.

При этом основное внимание должно уделяться визуальной однородности топлива, так как в одном массиве могут быть соскладированы разные по марочному и сортовому составу угли. В принципе складирование разных типов угля в один массив, и, соответственно, оценка их качества не допускается. Но в наших условиях это не является исключением. Потому при планировании отбора проб необходимо принять решение о разделении массива на отдельные части (что практически всегда отвергается заказчиками) или же учитывать эту особенность при размещении системы отбора точечных проб. Факт наличия в опробуемом массиве углей разного типа должно быть зафиксировано на фото и в акте отбора проб.

2. Документация (описание) угля. Производить детальное описание угля при отборе проб не всегда возможно по многим причинам, в основном из-за часто неблагоприятных погодных условий. Лучше это делать при обработке проб, в цехе пробоподготовки. В полевых условиях достаточно отметить основные особенности: цвет угля, размер кусков и примерное их содержание по группам классов, наличие инородных, породных, включений, крепость угля и породы.

3. Составление программы отбора проб. При составлении программы отбора проб определяющими моментами являются количество топлива подлежащего оценке и максимальный размер его кусков.

От количества (массы) топлива зависит количество точек, в которых необходимо произвести отбор проб. Согласно ГОСТ 10742-71.

Здесь необходимо отметить, что к обогащенному топливу можно относить и однородные по составу угли, не содержащие видимых включений вмещающих пород.

Масса топлива, отбираемого в каждой точке (масса точечной пробы) определяется максимальным размером кусков в соответствии с нижеприведенной формулой:

m=0.06D, (2)

Но при этом нужно иметь ввиду, что содержание таких кусков должно составлять не менее 5%. При меньшем их количестве, в расчет массы точечной пробы принимается размер наиболее часто встречающихся крупных кусков. В случае, если в точку опробования попадает кусок большего, чем принято в расчет, то он должен быть расколот вручную до размера принятого в расчет.

4. Отбор пробы.

5. Обработка пробы.

Заключение

Большинство угольных лабораторий и испытательных центров предоставляют заказчикам полученные данные исследований в виде таблиц значений показателей.

Для оценки потребительской ценности угля необходимо, прежде всего, знать его марочный и сортовой (гранулометрический) состав, теплоту сгорания, влажность, зольность, окисленность.

Основными показателями, используемыми при разделении ископаемых углей на группы и марки согласно ГОСТ 25543-88 являются: отражательная способность витринита (R_о), теплота сгорания на влажное беззольное состояние топлива (Qsaf) и выход летучих веществ (Vdaf).

Но при этом нужно отметить, что ГОСТ 25543-88 является универсальной классификацией углей всех бассейнов и месторождений СССР. До этого существовали бассейновые классификации. Потому в нашем случае, когда в регион поступают близкие по основным свойствам угли из Кузбасса, Канско-Ачинского, Минусинского бассейна и месторождений Восточного Казахстана, мы вправе использовать региональную (Кузнецкую) классификацию.

Согласно этой бассейновой классификации (и ГОСТ 25543-88 тоже) разделение углей, поступающих в наш регион, на бурые (Б), каменные (от Д до Т) и антрациты (А) производится в соответствии с таблицей:

Список используемых источников

1 ГОСТ 19242-73 «Угли бурые, каменные и антрацит. Классификация по размеру кусков»;

2 ГОСТ 10742-71 «Угли бурые, каменные, антрацит. Методы отбора проб для лабораторных испытаний»;

3 ГОСТ 25543 - 2013 «Угли бурые, каменные, антрацит. Классификация по генетическим и технологическим параметрам»;

4 ГОСТ 12113-94, ИСО 7404-5-85 «Угли бурые, каменные, антрациты. Метод определения показателей отражения»;

5 ГОСТ 12112-78, СТ СЭВ 5431-85 «Угли бурые. Метод определения петрографического состава»;

6 ГОСТ 4790-93 (ИСО 7936-92) «Межгосударственный стандарт. Твердое топливо»;

7 Федеральный институт повышения квалификации «Пособие для слушателей курса Оценки качества бурого угля»

Размещено на Allbest.ru