Особенности распределения органической и минеральной частей по фракциям различных бурых углей при размоле

Глубина термохимических преобразований в минеральной части углей при горении тесно связана с характером распределения вещественного состава по фракциям угольной пыли. Вопросу изучения влияния петрографического состава бурых углей на их поведение при размоле в литературе не уделено достаточного внимания.

Известно, что петрографические составляющие различаются по физико-механическим свойствам [76-78], что приводит к их разобщению при измельчении углей. Фракции угольной пыли могут в различной степени обогащаться теми или иными петрографическими компонентами. Это в значительной степени будет определять поведение органической и минеральной частей топлива при его термической подготовке и в процессе сжигания.

Для исследования нами брались пробы угольной пыли неокисленного и окисленного березовского углей и сравнивались с другими бурыми углями: назаровским, ангренским, гусино-озерскими и харанорским. Угольная пыль березовского и назаровского углей получена на экспериментальной установке кафедры ТЭС ПИ СФУ (рис. 2.17), а других указанных углей отобрана с промышленных котлоагрегатов и разделена на узкие фракции ситовым способом (фракции более 50 мкм) и с помощью труб Ганнеля (фракции менее 50 мкм). Определение петрографического состава фракций угольной пыли производилось по ГОСТ 12112–66. Микроэлементы подсчитывали посредством микроскопов МИН-7 и МИН-9 вручную, а также с использованием фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), сигнал которого записывали на потенциометре.

Сравнение петрографического состава исходных углей и фракций угольной пыли проводилось по содержанию трех основных групп микрокомпонентов – гуминита, инертинита и липтинита, обладающих значительно различающимися физико-химическими и технологическими свойствами [77-80,103]

Накоплению липтинита в угольном пласте способствуют антисептические свойства липоидов [81]. По мере уменьшения размеров угольных частиц происходит накопление в них микрокомпонентов группы инертинита с одновременным уменьшением группы гуминита (рис. 2.18, 2.19).

Для харанорского и гусино-озерского углей заметное накопление инертинита начинается в частицах размером менее 20 – 50 мкм, а после достижения максимума во фракции 5 – 10 мкм происходит их уменьшение. То же самое наблюдается и для ангренского угля с той лишь разницей, что максимальное содержание инертинита наблюдается во фракции 10 – 20 мкм.

Рисунок 2.18 – Распределение петрографических микрокомпонентов группы витринита по фракциям угольной пыли:1 – березовский окисленный уголь; 2 – березовский неокисленный уголь; 3 – назаровский уголь; 4 – гусино-озерский уголь;
5 – харанорский уголь; 6 – ангренский уголь

Характерной особенностью канско-ачинских углей является отсутствие максимума на кривых, выражающих зависимость содержания инертинита от размера угольных частиц. Микрокомпоненты группы липтинита сосредоточены во фракциях угольной пыли с размером частиц более 160 мкм. Этот факт объясняется, вероятно, не высокой твердостью липтинита [82], а его большой вязкостью и пластичностью. Вследствие этих свойств липтинит не только связывает между собой другие петрографические составляющие угля, но и является самым устойчивым из них при размоле [78].

В более крупных фракциях угольной пыли наряду с накоплением гуминита и липтинита растет содержание водорода.

Таблица 2.3

Петрографический состав углей

Изучение петрографического состава минеральной части фракций пыли березовских углей из зоны окисления показало, что характер распределения минеральных примесей в органическом веществе фракций такой же, как и у исходных полифракционных проб.

Рисунок 2.19 – Распределение петрографических микрокомпонентов группы витринита по фракциям угольной пыли:1 – березовский окисленный уголь; 2 – березовский неокисленный уголь; 3 – назаровский уголь; – гусино-озерский уголь; 5 – харанорский уголь; 6 – ангренский уголь

Таблица 2.4

Петрографический состав исходных проб березовских углей

Глинистые минералы относятся к группе липтинита и считаются примесями терригенного происхождения. Пирит относится к группе гуминита и находится в угле в основном в виде включений тончайшей вкрапленности. Кварц находится в виде очень мелких включений терригенного происхождения. Результаты определения петрографического состава березовского угля различной степени окисленности приведены в табл. 2.4.

Известно, что при размоле углей минеральная часть топлива неравномерно распределяется по отдельным фракциям угольной пыли, в результате чего происходит обогащение мелких фракций минеральными примесями [84].

Характер распределения зольности по угольным фракциям одинаков для всех твердых топлив и описывается уравнением в общем виде [84]:

A^d = b + a lgd,

где b, а – коэффициенты; d – средний диаметр угольных частиц, мкм.

Для выявления особенностей поведения минеральной части березовских углей при размоле взяты партии угольной пыли этих углей (неокисленных и разной степени окисленности), полученных при размоле в вентилируемой шаровой барабанной мельнице экспериментальной установки КГТУ (рис. 2.17), а также использованы результаты ранее проведенных нами исследований по размолу других углей [85].

Для всех углей, кроме окисленных, характерным является обогащение минеральными примесями мелких фракций угольной пыли (рис. 2.20). Угольные частицы размером менее 5 мкм имеют зольность, которая в 1,25 – 2,1 раза превышает зольность исходной средней пробы. Эту величину назовем степенью обогащения золой.

Обычно чем выше зольность у исходного угля, тем сильнее степень обогащения минеральными примесями мелких фракций угольной пыли. Это относится к углям, минеральная часть которых обогащена кварцем.

К такому классу углей (первой группе) относится гусино-озерский, у которого степень обогащения золой фракций менее 5 мкм составляет 2,1.

Рисунок 2.20 – Распределение зольности по фракциям угольной пыли:

1 – березовский неокисленный уголь (А = 4,9 %); 2 – ангренский уголь (А = 22,6 %); 3 – харанорский уголь; А = 15,2 %); 4 – березовский окисленный уголь (А = 11,29 %); 5 – гусино-озерский уголь (А = 25 %); 6 – березовский окисленный уголь (А = 20,7 %); 7 – березовский окисленный уголь (А = 18,17 %); 8 – назаровский уголь (А = 9,6 %)

Ко второй группе относятся высокозольные угли, минеральная часть которых представлена тонкодисперсными глинистыми соединениями. При размоле этих углей происходит более плавное увеличение зольности мелких фракций. Например, при одинаковой зольности гусино-озерского и ангренского углей у последнего степень обогащения минеральными примесями фракций менее 5 мкм составляет всего лишь 1,25.

К третьей группе углей принадлежат малозольные угли Канско-Ачинского бассейна. Минеральная часть этих углей представлена в основном первичной золой, входящей в органо-минеральные соединения.

В связи с этим происходит практически равномерное распределение минеральных примесей по фракциям угольной пыли, и только повышение зольности канско-ачинских углей приводит к более глубокому обогащению мелких фракций минералами внешней золы (рис. 2.20).

К четвертой группе относятся окисленные угли Канско-Ачинского бассейна с характерной повышенной зольностью. Однако при размоле этих углей наблюдается аномальная картина перераспределения минеральной части по угольным фракциям, не характерная для высокозольных бурых углей.

Так, при размоле окисленного березовского угля с зольностью A^d = 11,29 % не только не происходит обогащения минеральными примесями более мелких фракций, а наоборот распределение минеральной части по фракциям становится более равномерным по сравнению с малозольным неокисленным углем (A^d = 4,9 %).

Петрографические исследования показали, что минеральные включения окисленного березовского угля очень тонкодисперсные (глинистое вещество, кварц, мельчайшие вкрапления пирита, гидроокислы и сульфаты железа). Такие примеси по своей природе относятся к минералам внешней золы.

Однако при размоле окисленных углей эти включения ведут себя, как внутренняя зола, т. е. не отделяются от угольного вещества и не накапливаются в самой мелкой фракции угольной пыли. Увеличение зольности березовского окисленного угля, как уже было отмечено ранее, происходит частично за счет тонкодисперсных глинистых минералов и, главным образом, за счет соединений кальция и магния, приносимых водными потоками в составе гидрокарбонатов. Последние взаимодействуют с гуминовыми кислотами, образуя соответствующие гуматы, которые обеспечивают очень равномерное распределение минеральной части в угольном веществе. При размоле сажистых березовских углей с зольностью 18,17 и 20,7 % мелкие фракции угольной пыли не только не обогащаются минеральными примесями, а, наоборот, в них содержится минимальное количество золы.

Минеральной частью обогащены более крупные фракции угольной пыли (рис. 2.20). Это объясняется высоким содержанием липтинита в данных углях (табл. 2.4). Как уже было отмечено ранее, в окисленном угле глинистые минералы приурочены в основном к группе липтинита, а при размоле микрокомпоненты этой группы концентрируются в крупных фракциях угольной пыли, повышая их зольность.

Особенности вещественного состава окисленных березовских углей сказываются и на химическом составе золы фракций угольной пыли. Так, для неокисленных углей характерным считается обогащение золы мелких фракций оксидами кремния, а крупных – оксидами кальция и магния. Для углей из верхней зоны окисления, особенно сажистых, наблюдается обратная зависимость. Мелкие фракции обогащаются оксидом кальция, а крупные – оксидами кремния (рис. 2.21, 2.22).

Рисунок 2.21 – Содержание оксидов кремния в золе фракции угольной пыли

березовских углей:: 1 – березовский окисленный уголь; 2 – березовский неокисленный уголь; 3 – назаровский уголь; 4 – гусино-озерский уголь; 5 – харанорский уголь; 6 – ангренский уголь

Это объясняется накоплением в крупных фракциях угольной пыли микрокомпонентов группы липтинита, которые являются носителями глинистых минералов. Обогащение оксидами железа мелких фракций окисленных углей происходит менее значительно, чем в неокисленных углях, что обусловлено более равномерным распределением соединений железа в органической массе окисленных углей.

Такие соединения более тонко дисперсны, чем в неокисленном угле. Сходство в поведении кальция и железа при размоле окисленных углей дает основание предположить, что эти элементы могут находиться в виде комплексных солей гуминовых кислот.

Предположения подтверждают результаты разделения пыли окисленного угля на весовые фракции в тяжелых жидкостях. На наличие комплексных органоминеральных соединений железа в бурых углях указывается в работах [86-88].

Рисунок 2.22 – Содержание оксида кальция в золе фракций угольной пыли

березовских углей:: 1 – березовский окисленный уголь; 2 – березовский неокисленный уголь; 3 – назаровский уголь; 4 – гусино-озерский уголь;

5 – харанорский уголь; 6 – ангренский уголь

В результате проведенных исследований установлено, что значительная доля всех составляющих минеральной части окисленных березовских углей находится в виде солей гуминовых кислот или органо-минеральных сростков