4.2 Технология переработки и потребительские свойства продукции переработки твердого топлива

4.2.1 Состав, свойства и классификация ископаемых углей

Ископаемые угли представляют собой продукт разложения растений, произрастающих на земле 55- 300 млн лет тому назад. Конечным продуктом разложения является углерод, содержание которого в углях колеблется от 55 до 97 % в зависимости от воз­раста и происхождения месторождения.

Кроме углерода, в состав углей входят; водород (1-6 %), кислород (2- 20 %), азот (1-2 %), сера (0,5-6 %). Перечислен­ные элементы соединяясь с углеродом образуют различные орга­нические соединения и группу смолистых веществ. Содержание смолистых веществ в углях оценивается выходом так называемых летучих веществ, выделяющихся при нагревании угля без досту­па воздуха. С повышением содержания углерода выход летучих веществ в углях уменьшается.

Все ископаемые угли растительного происхождения относят­ся к невозобновляемым видам топлива. Различие в видах и свой­ствах углей объясняется теми ископаемыми материалами, из ко­торых они образовались, а также внешними условиями (давле­ние, температура и т.д.), при которых шли процессы.

По особенностям исходных растительных материалов, из ко­торых образовались ископаемые угли, различают гумусовые и сапропелевые угли.

Гумусовые угли образовались из остатков высших растений, в том числе деревьев и гигантских папоротников, произраставших миллионы лет тому назад. Сапропелевые угли образовались из простейших водорослей и мельчайших животных организмов (из гниющего ила).

Содержание водорода и выход летучих веществ у сапропеле­вых углей выше, чем у гумусовых.

В зависимости от степени углефикации (глубины изменения органического вещества) ископаемые угли делят на: бурые - са­мые молодые, содержащие 55-78 % углерода; каменные - со­держащие 78-92 % С; антрациты - содержащие 92-97 % С.

Бурые угли - продукт относительно неглубоких измене­ний исходного органического вещества. По внешнему виду это рыхлая масса бурого или коричневого цвета от крошек до крупных кусков. Бурые угли содержат много внутреннего (≈20 % О) и внешнего балласта, поэтому теплота сгорания мо­жет значительно различаться (Q-8400- 21000 кДж/кг, или 2000- 5000 ккал/кг). Содержание золы на сухую массу угля составляет 20-40 %, а воды- 25- 45 %. По составу органичес­кой массы бурые угли неоднородны: С=65- 78 %; Н= =4,3-6,2 %; О=16-27 %; N=0,7-1,8 %; S=0,4-3,95. Выход летучих веществ составляет 40-505. Высокое содержание лету­чих веществ позволяет при термической переработке получить смолу, идущую на изготовление жидкого моторного топлива. Бурые угли легко загораются и горят длинным коптящим пла­менем, быстро окисляются, поглощая кислород из воздуха, поэтому склонны к самовозгоранию. Хранить их рекомендует­ся в небольших штабелях (до 2,5 м) сроком 1 месяц, чтобы из­бежать возможного самовоспламенения. Используют бурые угли как топливо.

В основу маркировки бурых углей положено содержание в них влаги и размер кусков. По содержанию влаги они делятся на группы: Б₁- содержание влаги более 40 %; Б₂- 30-40 %; Б₃ - до 30 %. По размеру кусков бурые угли делятся на б классов. При поставке бурых углей в сопроводительной до­кументации указываются его группа и класс с размерами кус­ков (в мм). Например, группа Б_к, класс Бк с размером кусков 50-100 мм.

Каменные угли - это основной вид ископаемых углей. Камен­ные угли не только разных, но даже и одного месторождения раз­личаются составом: С - 78-90 %; Н - 4-5,8%; О - 3-15 %; N - 0,5-2,0 %; S - 1-6,0; золы - 6-25 %, чаще около 10 %; во­ды - 4-12 %;Q - 20 730-31400 кДж/кг (5000-7000 ккал/кг). Каменный уголь применяют в основном для получения кокса.

Каменные угли по выходу летучих веществ (продуктов коксо­вания) подразделяются на марки, которым присвоены следую­щие обозначения и названия (табл. 1).

Марки различаются по выходу летучих веществ, по выходу кокса.

Важным свойством каменных углей является спекаемость. Ес­ли при нагревании углей образующийся остаток имеет порошко­образный вид, уголь, из которого он получен, называют неспекающимся. Если же в результате нагрева измельченного угля полу­чен один кусок, то его относят к спекающимся.

Табл. 4.1. Характеристика каменных углей

Марка угля	Обозначение марки	Выход летучих веществ, %	Выход кокса, %
Длиннопламенный	Д	37 и более	50-60
Газовый	Г	35 и более	60-68
Жирный	Ж	25-35	68-74
Коксовый	К	18-27	74-82
Отощенный спекающийся	ОС	14-22	82-85
Тощий	Т	Менее 9	85-90

Каменные угли марок Д и Т не спекаются, образуя в результа­те нагрева порошкообразный или слипшийся остаток. К спекаю­щимся каменным углям относятся марки степени углефикации: Ж, Г, К, ОС.

Показатели выхода летучих веществ и спекаемости топлива необходимы для выбора условий его использования, рациональ­ного способа подготовки к сжиганию, конструкции топочных ус­тройств, режима сжигания и т.д.

Антрациты - это черные с металлическим блеском угли. По составу они больше всего приближаются к чистому углероду, со­держание которого составляет 92-97 %, выход летучих веществ 2-9 %, поэтому антрациты малопригодны для получения газооб­разных и смолистых продуктов; из антрацитов кокс получается в виде порошка. Антрацит обладает высокой плотностью и большой прочностью. Содержание влаги- 2- 6 %, зольность- 10-15 %, S - 1,5-3,5 %. Теплота сгорания 25 000-30 000 кДж/кг: чем крупнее куски, тем выше теплота сгорания.

Все ископаемые угли (бурые, каменные и антрациты) по раз­меру кусков (ГОСТ 19242- 73) делятся на 7 марок (табл. 2).Ан­трацит - ценный вид топлива для энергетических, коммуналь­но-бытовых, транспортных и других нужд. При нагревании до 1200 °С увеличивается его термическая стойкость, пористость и реакционная способность. Такой термически обработанный ан­трацит, называемый термоантрацитом, направляется на тех­нологические нужды в литейные цехи для расплавления метал­ла, а также используется для производства угольных электро­дов. Мировые запасы антрацита невелики - около 3 % общих запасок каменных углей; сосредочены они в основном на Украине.

Табл. 4.2. Классификация углей по размерам кусков (ГОСТ 19242-73)

Марка угля	Обозначение марки	Размер кусков, мм	Обозначение классов
			Бурые	Каменные			Антрационные
				длин- нопламенные	газовые	тощие
Плитный	П	100-200	-	-	-	-	АП
Крупный	К	50-100	БК	ДК	ГК	ТК	АК
Орех	О	25-50	БО	ДО	ГО	ТО	АО
Мелкий	М	13-25	БМ	ДМ	ГМ	ТМ	АМ
Семечко	С	6-13	БС	ДС	ГС	ТС	АС
Штыб	Ш	0-6,0	БШ	ДШ	ГШ	ТШ	АШ

С 1956 г. действует международная классификация каменных углей и антрацитов, принятая Угольным комитетом Европейской экономической комиссии ООН, согласно которой угли делят на классы, группы и подгруппы. Каждый вид угля обозначается трехзначным кодовым числом, в котором первая цифра обознача­ет номер класса, вторая- номер группы, третья- номер под­группы.

Установлено 11 классов, различающихся по выходу летучих веществ. Классы обозначаются символами: 0, 1А, 1В, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

В пределах каждого класса выделены 4 группы, отличающие­ся по спекаемости с номерами 0, 1, 2 и 3.

Подгруппы углей различаются по коксуемости. В пределах каждой группы семь подгрупп с номерами от 0 до 6.

Международная классификация углей пока не нашла широко­го применения, поскольку она направлена главным образом на оценку коксуемости и спекающей способности углей.

Важнейшими характеристиками, определяющими качество твердого топлива, являются плотность, сыпучесть, механическая прочность, влажность, зольность, содержание серы, выход лету­чих веществ.

Плотность. Поскольку твердое топливо является гетеро­генной системой, состоящей из нескольких фаз с различной плот­ностью, следует различать его действительную, кажущуюся и на­сыпную плотность.

Действительная плотность (р_g)- усредненное значение плот­ности всех твердых составных частей топлива

Р_g = ^m/ V_{T ,}

где т — масса образца; V_T — объем беспористой части.

Кажущая плотность (Р_к) - характеризует плотность отдель­ных кусков и частиц топлива с учетом объема их пор.

Насыпная плотность (Р_н)- характеризует засыпки и опреде­ляется отношением массы слоя к объему, образованному боль­шим количеством кусков (частиц) и включающему промежутки между ними.

Значение действительной плотности топлива необходимо при определении его пористости, при расчете пневмотранспортных установок и т.д.

Насыпную плотность учитывают при проектировании топлив­ных бункеров, складов, тары для перевозок и т.д.

Сыпучесть. Под сыпучестью топлива понимают способ­ность его кусков перемещаться относительно друг друга и приле­гающих поверхностей. Это свойство во многом определяет трудо­затраты при работе различного рода топливно-транспортных ус­тройств. Сыпучесть зависит также от размеров частиц: измельче­ние топливу, как правило, связано с ухудшением сыпучести.

Механическая прочность. От прочности зависит сте­пень самопроизвольного измельчения топлива при его перемеще­нии различными способами, расход энергии на подготовку топли­ва к, сжиганию - дробление, размол, а также износ оборудова­ния, соприкасающегося с топливом (дробилок, мельниц, тран­спортеров и т.д.).

Влажность. Свидетельствует о содержании влаги в воз­душно-сухих, т.е. приведенных в равновесие с окружающим воз­духом ископаемых углей; может варьироваться в широких пределах от 1-2 до 20 %. Общую влагу определяют по потере массы пробы при полном ее высушивании на воздухе при темпе­ратуре 105-140 °С, и выражают в процентах от первоначальной массы (ГОСТ 17070-87).

Присутствие влаги приводит к снижению теплоты сгорания топлива как за счет уменьшения горючей массы, так и за счет не­обходимости расхода тепла на испарение влаги. Присутствие вла­ги в топливе повышает его окисляемость при хранении на скла­дах, затрудняет технологическую переработку, снижает качество продуктов переработки топ лив.

Зольность. Она обусловлена содержанием минеральных примесей в твердом топливе. О содержании минеральных приме­сей в топливе часто судят по зольности топлива, т.е. по количеству негорючего остатка, образующегося после полного окисления всех горючих компонентов топлива в стандартных условиях.

Минеральные примеси как и влага ухудшают качество иско­паемых углей, идущих на сжигание или использующихся для дальнейшей переработки. С ростом зольности топлива снижается его теплота сгорания, затрудняется полное сжигание, увеличива­ется потеря тепла со шлаком и летучей золой, повышаются расхо­ды на транспортные операции. Присутствие золы в углях, иду­щих на переработку, удорожает стадию подготовки сырья, в кото­ром содержание минеральных примесей, как правило, строго рег­ламентировано.

Выход летучих веществ. Важная характеристика, во многом предопределяющая дальнейшую переработку топлив. По мере увеличения возраста твердого топлива выход летучих веществ в нем уменьшается: у торфа может достигнуть 70 %, у бурых уг­лей- 45- 65 %, у каменных – 10- 45 %, у антрацитов- 2 8 %.

Содержание серы. Сера является самой вредной состав­ной частью твердого топлива. Особенно вредно большое содержа­ние серы в углях, идущих на производство кокса. При доменной плавке сера из кокса переходит в чугун, делая его хрупким. Наря­ду с этим увеличивается расход флюсов, отсюда расход кокса на их переплавку, снижается производительность доменной печи. В ископаемых топливах сера может содержаться в виде органичес­кой, сульфидной или сульфатной серы. Органическая и сульфид­ная сера при горении топлива образует, как правило, оксид серы (IV), вызывающий коррозию металлов и загрязняющий окружа­ющую среду.