Методы озоления углей

Содержание

 

Содержание………………………………………..……………….2 Введение……………………………………………..……………..3
1. Метод медленного озоления угля………………………………...6 2. Метод ускоренного озоления угля……………………………….6 3. Метод быстрого определения зольности угля…………………...8 4.Ускоренный метод определения зольности угля в открытой электропечи………………………………………………………………….8
5. Метод сухого озоления…………………………………………....9 6. Метод окисления углей в низкотемпературной кислородной плазме ВЧ-разряда……………………………………………………........10 7. Метод «мокрого» озоления………………………………….......11 8. Метод среднетемпературного окисления…………………......12 9. Метод мацерации…………………………………………..........13 10. Метод инверсионной вольтамперометрии……………………14 11. Метод атомно-абсорбционной спектроскопии………………15 Заключение….………………………………………………….…18 Список литературы………………………………………….……19

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Озоление – это сжигание пробы различными способами для изучения элементного состава. Зольность – отношение массы негорючего остатка (золы), полученной после выжигания горючей части топлива, к массе исходного топлива. Обозначается символом А (латинской) и выражается в процентах. Для практических целей значение зольности, определённое по аналитической пробе (A^a), обычно пересчитывается на сухое A^d или рабочее A^r состояние топлива. Для всех типов твёрдых топлив зольность – один из основных нормируемых показателей характеристики и оценки их качества, используемый при разработке технических условий, потребительских стандартов, кондиций и при подсчёте запасов. Повышение зольности снижает тепловой эффект сжигания топлив, удорожает (как балласт) стоимость их транспортировки, отрицательно отражается на эффективности технологии процессов переработки и качестве получаемых продуктов (кокса, полукокса и др.).

Минеральные примеси в  угле весьма нежелательны. При коксовании угля значительная их часть переходит  в кокс, оказывая тем самым вредное  влияние на доменный процесс: повышается расход флюсов для ошлаковывания золы, понижается производительность печей, удорожается сам металл. Поэтому угли, используемые для коксования, как правило, предварительно обогащают. Будучи балластом, минеральная примесь удорожает перевозки энергетического угля, а при сжигании снижает теплоту его сгорания и засоряет топки.

Минеральные примеси представлены весьма разнообразными веществами. Многочисленные анализы показывают, что на 95% они состоят из оксидов алюминия, кремнезёма, оксидов железа, кальция и магния; остальная часть – оксиды натрия, калия и др.

Определяя зольность, навеску  угля сжигают в муфеле с электрообогревом при температуре 800±25°С. Масса остатка после сжигания, отнесённый к первоначальному массе и выраженный в процентах, называется зольностью исследуемой пробы угля.

Следует оговориться, что  зола как таковая не содержится в  топливе, а образуется в процессе его сгорания из минеральных примесей. Последние, в 

свою очередь, переходя в  золу, претерпевают ряд изменений. Приведём основные из них:

1. Глинистые вещества (каолин Al₂O₃∙2SiO2∙2H₂O, мусковит K₂O∙3Al₂O₃∙6SiO2∙2H₂O, гипс CaSO₄∙2H₂O)теряют кристаллизационную и гидратную воду:

2. У некоторых компонентов в процессе горения масса зольного остатка оказывается большей по сравнению с массой исходных минеральных примесей:

4FeO + O₂ = 2Fe₂O₃.

3. Карбонаты разлагаются на оксиды металлов и угольный ангидрид:

CaCO₃ = CaO + CO₂.

4. Колчедан окисляется  в оксид железа и сернистый ангидрид:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂.

5. Сернистый ангидрид, образующийся  при окислении колчедана и  сгорании органической серы, вступает в реакцию с оксидом кальция, освободившейся при разложении карбоната, и с кислородом по уравнению:

2CaO + 2SO₂ + O₂ = 2CaSO₄.

6. Соли калия и натрия (хлориды, карбонаты и др.) улетучиваются.

Указанные превращения более  или менее значительно изменяют химический состав минеральных примесей. Поэтому истинное содержание минеральных примесей в угле трудно определимо. Определение действительной природы минеральных примесей угля даёт возможность произвести соответствующие пересчёты анализов угля, определить теплоту его сгорания и получить более точное представление о составе и природе угля.

Необходимо учитывать, что  каждая из приведённых выше реакций  протекает на определённых стадиях  озоления угля и прокаливания полученного остатка и в определённых интервалах температур. Так, силикаты начинают терять кристаллизационную воду уже при температуре порядка 100°С, и лишь при температуре 700-800°С теряют её полностью. Хлориды начинают улетучиваться при температуре около 500°С. Окисление закисного железа в окисное, очевидно, происходит после окончания горения органической массы. Именно этим можно объяснить часто наблюдаемое увеличение веса золы при контрольных прокаливаниях. Карбонаты начинают разлагаться при температуре 500 °С, но быть уверенным в полном выделении двуокиси углерода можно лишь, выдержав золу определённое время при 800°С.

Количество образовавшихся сульфатов также зависит от режима озоления и прокаливания. Можно предполагать, что чем быстрее поднимается температура муфеля, чем меньше навесок в нём озоляется и чем свободнее из него выход продуктов сгорания, тем меньше образуется сульфатов.

Считается, что при температуре 800°С все реакции в минеральной части угля заканчиваются. Поэтому эта температура и принята в определении зольности угля. Недопустимо повышение температуры, так как при более высокой температуре могут иметь место и другие реакции. Например, при 900-1000°С начинает разлагаться сульфат кальция:

 

CaSO₄ = CaO + SO₃.

При ещё более высоких  температурах разлагаются сульфат  железа Fe₂(SO₄)₃ и сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃.

Понятно, что разница между массами золы, полученной при 800°С, и золы, полученной при иной температуре, зависит от состава минеральной массы топлива и от общего её содержания. Установлено, что в углях с низкой зольностью при температуре, отличающейся от стандартной на 100-200°С, эта разница составляет доли процента, а в высокозольных достигает 1-1,5%.

Зольность углей зависит  не только от состава исходного растительного  материала, условий их накопления и первичного превращения, но и от горно-геологических условий формирования угольных пластов. Зольность углей может формироваться под формированием разных факторов, действующих на разных стадиях его образования. В связи с этим различают зольность:

• Внутреннюю, связанную с содержанием в первичном материале золообразующих элементов (в основном щелочных металлов);
• Внешнюю первичную, обусловленную накоплением в торфянике растворимых солей из подстилающей почвы, внесением минеральных удобрений грунтовыми водами и ветром;
• Внешнюю вторичную, обусловленную проникновением минеральных веществ в пласты органических накоплений при погружении торфяника в недра земли и на дальнейших стадиях генезиса;
• Случайную, связанную с добычей твердых горючих ископаемых, особенно в условиях применения механизации, за счет вовлечения в товарный продукт боковой породы из кровли, почвы, природных добавок [1].

Зольность ТГИ играет большую  роль как показатель их качества, т.к. является балластом и приводит к  значительным транспортным расходам при  перевозке, а высокая зольность  при коксовании ухудшает качество кокса  и показатели работы доменных печей [1].

 

1. Метод медленного озоления угля

 

Ход определения. Аналитическую пробу угля тщательно перемешивают в открытой банке шпателем или ложечкой и отбирают на разной глубине из 2-3 мест навески угля по 1±0,0002 г в предварительно взвешенные тигли или лодочки.

Тигли или лодочки с  навесками угля ставят в холодный или нагретый до температуры не более 300°С муфель, располагая их так, чтобы они находились в зоне устойчивой температуры муфеля 800-825°С; эту зону предварительно определяют при полном накале муфеля.

Установив тигли, закрывают  дверцу муфеля и постепенно, в течение 1-1,5 ч, нагревают его до 800-825°С. При этой температуре навески прокаливают в закрытом муфеле в течение 1-2 ч. После этого тигли или лодочки с зольным остатком вынимают щипцами из муфеля, охлаждают сперва на воздухе в течение 5 мин, а затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают. После этого производят контрольные получасовые прокаливания тиглей или лодочек с зольным остатком, повторяя их до тех пор, пока убыль массы при повторном прокаливании не станет менее 0,001 г. Когда изменение массы в сторону уменьшения станет менее 0,001 г, испытание заканчивают и для расчета принимают последнее значение; в случае увеличения массы принимают предыдущее значение.

Взвешивание производят с  точностью до ±0,0002 г

Зольность угля каждой пробы определяют параллельно в двух навесках. При получении результатов с расхождениями более допустимых производят третье определение и за результат принимают среднее арифметическое двух наиболее близких результатов (в пределах допустимых расхождений). Если результат третьего определения находится в пределах допустимых расхождений по отношению к каждому из двух предыдущих, то за результат принимают среднее из трех определений.

 

2. Метод ускоренного озоления угля

 

2.1. С естественной вентиляцией муфельной печи

 

Ход определения: Для проведения озоления с естественной вентиляцией муфельная печь должна иметь вытяжную трубу с наружным диаметром 20-22 мм и толщиной 1,5-2 мм, расположенную в задней стенке ниже отверстия для термопары и выступающую над корпусом муфельной печи на 30 мм. Нагревают муфельную печь до температуры озоления, которая равна, °С:

• 815 ± 10 – для каменных и бурых углей, лигнитов, антрацитов;
• 865 ± 10 – для горючих сланцев.

Открывают дверцу муфельной печи и устанавливают пластину с тиглями или лодочками у дверцы печи в зоне пониженной температуры и в таком положении выдерживают 3 мин при озолении углей и 5 мин при озолении сланцев. Затем пластину с тиглями или лодочками продвигают в муфельную печь в зону постоянной температуры со скоростью 2 см/мин и закрывают дверцу печи.

Продолжительность озоления (после  достижения в муфельной печи температуры  озоления) должна быть:

• 25 - 35 мин – для каменных углей и антрацита;
• 20 - 25 мин – для бурых углей и горючих сланцев.

Лодочки с золой, вынутые  из муфеля, охлаждают сначала на воздухе в течение 5 мин, а затем в эксикаторе и взвешивают. Затем выполняют контрольные 15-мин прокаливания лодочки с золой при температуре 800±25°С, повторяя их до тех пор, пока масса станет убывать меньше чем на 0,0002 г.

 

2.2. С подачей в муфельную печь кислорода

 

Ход определения: Для проведения ускоренного озоления с подачей в муфельную печь кислорода муфельная печь должна иметь в задней стенке ниже отверстия для термопары отверстие для металлической трубки из жароупорной стали (для подачи кислорода) длиной 350 мм, наружным диаметром 10-12 мм и толщиной стенок 1,5-2,0 мм. Поверхность трубки должна быть перфорирована, диаметр отверстий 1,5 мм. Для проведения испытания собирают установку по схеме, изображенной на рис. 1.

Рис.1. Схема установки для ускоренного озоления с подачей в муфельную печь кислорода. 1 – баллон с кислородом; 2 – манометр; 3 – реометр; 4 – муфельная печь; 5 – отверстия для термопары; 6 – отверстие для трубки

 

Нагревают муфельную печь до (865 ± 10)ºС. Открывают дверцу муфельной печи и устанавливают пластину с тиглями или лодочками у дверцы печи в зоне пониженной температуры и выдерживают в течение 3 мин при озолении бурых, каменных углей и антрацита и в течение 5 мин при озолении сланцев. Затем пластину с тиглями или лодочками продвигают в зону постоянной температуры со скоростью 2 см/мин, закрывают дверцу и подают кислород со скоростью 3 дм³/мин.

Продолжительность озоления (после  достижения в муфельной печи температуры  озоления) должна быть:

10-15 мин – для бурых углей;

20-25 мин – для каменных углей и антрацита;

15-20 мин – для горючих сланцев.

 

3. Метод быстрого определения зольности угля

 

  Сущность метода: озоление навески испытуемого продукта прокаливанием в муфельной печи с открытой дверцей для свободного доступа воздуха в кварцевых или фарфоровых прямоугольных лодочках.

Ход определения. Из хорошо перемешанной пробы угля ложечкой или шпателем набирают в лодочку навеску около 0,5 г (из расчета 0,03 г на 1 см² площади дна лодочки).

Навеску взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г.