Удельная теплота сгорания

Удельная теплота сгорания (Q) - величина, равная отношению количества теплоты, выделяющейся при полном сгорании угля в калориметрической бомбе в среде сжатого кислорода при определенных условиях, к массе этого угля. Данную величину выражают в мегаджоулях на килограмм (МДж/кг) или в килокалориях на килограмм (ккал/кг), причем 1 МДж = 238,8 ккал.

В калориметрической бомбе источником теплоты помимо органической массы топлива, содержащей углерод и водород, являются также сера, азот и вода. Теплота от серы и азота обусловлена образованием и растворением в воде серной и азотной кислот, от воды - испарением. При сжигании угля в обычных условиях /топка, печь и т.д./ азот и сера улетучиваются в атмосферу и кислот не образуют.

В зависимости от природы тепла при сжигании угля различают высшую и низшую удельную теплоту сгорания. Высшая удельная теплота сгорания Q_S указывает на то, что источником теплоты являются органическая масса топлива и испаряющаяся вода, низшая Q_i - только органическая масса.

Высшая удельная теплота сгорания, ккал/кг,

Q_S=81 C + 310 H – 26 (O – S),

где С, O, H, S - массовая доля соответственно углерода, кислорода, водорода и серы, %.

Для сравнения удельной теплоты сгорания углей разного качества и из различных месторождений введены понятия "условное топливо" и "калорийный эквивалент". Условным называется топливо c низшей удельной теплотой сгорания Q_i =7000 ккал/кг (29,3 МДк/кг). Калорийный эквивалент Э_к равен отношению низшей удельной теплоты сгорания угля к низшей удальной теплоте сгорания условного топлива.

Удельная теплота сгорания гумолитов /рис.7./ с ростом степени метаморфизма увеличивается /торф— 5000-5700 ккал/кг, бурый уголь -6100-7800 ккал/кг, каменный уголь - 7300-8800 ккал/кг, антрацит -8000-8500 ккал/кг/. Тепловой эффект при сгорании сапропелитов за счет избытка водорода более высок, чем у гумолитов.

Элементный состав

Элементный состав характеризуется массовой долей /в процентах/ химических элементов, слагающих уголь. Основные углеобразующие химические элементы - углерод, водород, кислород, азот и сера. В углях, предназначенных для коксования, дополнительно определяется массовая доля фосфора.

Элементный состав позволяет судить о природном типе и степени метаморфизма угля, определить теоретическую температуру горения и состав продуктов сгорания, удельную теплоту сгорания и др.

В табл.3.1 приведены характеристики элементного состава и некоторых технологических свойств разных видов угля.

На рис.8 показано изменение элементного состава, выхода летучих V^daf и отражательной способности витринита R₀- для разных видов топлива.

Углерод - основной элемент, определяющий теплоту сгорания угля. В металлургическом процессе он является восстановителем руды и источником энергии. Его массовая доля зависит от вида угля /среди гумолитов в торфе - 55-60%, буром угле - 63-77%, каменном угле - 74-92%, антраците - 89-97%/, от состава и особенностей биохимического разложения исходного растительного вещества /при той же степени метаморфизма доля элемента в фюзеновых и дюреновых углях выше, чем в клареновых/.

Таблица 3.1 - Элементный состав и технологические свойства разных видов углей

Водород в несвязанной с кислородом форме также является источником теплоты и при сгорании дает ее в 4,2 раза больше, чем углерод. Доля элемента определяется составом исходного вещества /в гумитах -1,0-6,5 %, в липтобиолитах - 6-9%, в сапропелитах - 7-11 %/ и степенью метаморфизма /среди гумолитов в торфе - 4,6-6,5 %, буром угле - 4,0-6,3 %, каменном угле-3,7-5,1 %, антраците-1,0-3,7 %/.

Кислород и азот— балластные компоненты топлива.

Доля кислорода, в гумолитах снижается с увеличением степени метаморфизма.

Азот при коксовании дает целый ряд ценных соединений.

Летучие вещества

Летучие вещества (V) - смесь паро- и газообразных веществ, отделяющихся при нагревании угля до 850°С без доступа воздуха в установленных стандартом условиях. Летучие компоненты представлены первичным дегтем /бурый уголь/ или каменноугольной смолой /каменный уголь/, газами /СO₂, СО, H, NH₃, легкие углеводороды - метан СH₄ , этан C₂H₆ и др./ и водой. Выход отделяющихся летучих веществ зависит от состава и степени углефикации органической массы. В гумолитах выход летучих составляет: в бурых углях 10-60%: в каменных - 8-50 %; в антрацитах - 2-8 %. Особенно четкие различия в значении этого показателя характерны для средних стадий углефикации /марки ГЖ - ОС/, в которых V^daf изменяется от 10 до 36 %. На одинаковых стадиях углефикации наибольший выход летучих дают угли, сложенные липтинитом, наименьший— сложенные инертинитом. Максимальные значения V^daf /до 80%/ отмечены у сапропелитов и липтобиолитов. Для снижения погрешности в оценке выхода летучих, обусловленной неорганической примесью /сульфиды, карбонаты и др./, определение этого показателя выполняется в топливе с зольностью не более 10%.

Спекаемость

При нагревании измельченного угля без доступа воздуха после ухода летучих веществ остается твердый остаток или королек, внешний вид которого зависит от степени углефикации топлива. Порошкообразный твердый остаток дают бурые угли и антрациты, слабоспекшийся - длиннопламенные и тощие каменные угли, спекшийся /несплавленный и сплавленный/ - газовые спекшиеся угли. Сплавленный остаток называется коксом и характеризует особенно ценную группу коксующихся углей, пригодных для использования в металлургическом производстве. В процессе коксования уголь переходит в пластическое состояние, при котором отдельные сохранившиеся зерна связываются или спекаются в однородную массу.

Количественная оценка спекаемости устанавливается пластометрическим методом, определанием показателей /индексов/ РОГА и свободного вспучивания.

Пластомегрический метод позволяет установить числовое значение усадки Х и толщины пластического слоя Y в миллиметрах. Усадка образца происходит в результате уменьшения объема угля, связанного с выделением газообразных продуктов и измеряется от первоначальной высоты угольной загрузки. Толщина пластического слоя - мощность части пробы угля, находящейся в пластическом состоянии, - определяется путем прокалывания иглой.

Показатель РОГА RI отражает механическую прочность нелегучего остатка. Жирные, коксовые жирные и коксовые угли характеризуются показателем РОГА более 45, газовые, газовые жирные отощенные, газовые жирные и коксовые отощенные, коксовые слабоспекающиеоя и отощеннные спекающиеся - 20-45, остальные - 5-20; показатель РОГА антрацита близок к нулю.

Показатель /индекс/ свободного вспучивания SI определяется сравнением контура нелетучего остатка, полученного при быстром нагревании угля в тигле при установленных стандартом условиях, с контуром стандартных образцов /рис.9/. Номер стандартного образца, соответстующий среднему из пяти определений профилю нелетучего остатка, полученного из испытуемого угля, обозначает показатель /индекс/ вспучивания. Показатель SI используется в международной классификации углей

З.10. Коксуемость

Кокс /К/ - остаточный продукт высокотемпературного разложения каменного угля определенного состава или смесей /шихты/ углей. Коксуемостью углей называется свойство измельченного угля спекаться с последующим образованием кокса с установленной крупностью и прочностью кусков. Коксуемость углей определяется при опытном коксовании в лабораторных или полузаводских условиях. В лаборатории устанавливают дилатометрические показатели и тип кокса по системе Грей-Кинга.

Дилатометрические исследования выполняются в процессе нагревания порошкообразного угля в узкой калиброванной трубке, снабженной поршнем /дилатометр/. В процессе изменения температуры нагрева отмечаются сжатие «a» и расширение «b» угля. Коксующая способность - показатель максимального расширения /вспучивания/ угля.

Тип кокса по системе Грей-Кинга(GK) устанавливается сравнением кокса, полученного из угля с инертным материалом при медленном нагревании в установленных стандартом условиях, с эталонной шкалой типов кокса, обозначаемых буквами латинского алфавита. Упрощенная эталонная шкала типов кокса: /A - порошкообразный, B - слегка спекшийся; Д -умеренно твердый /при трении окрашивает пальцы/, матовый и черный; E - сильно растрескавшийся твердый /при трении не окрашивает рук/, серый или черный, с легким блеском; F - твердый, прочный/при трении не окрашивает рук/, излом серый с сильно оплавленной поверхностью; G - твердый, прочный, издает отчетливый металлический звук; G₁ -слегка вспученный; G₂ - умеренно вспученный; G₃ - сильно вспученный.

Показатель максимального расширения /вспучивания/ и тип кокса по системе Грей-Кинга используются в международной системе классификации каменных углей.

Выход смолы

Выход смолы полукоксования угля T_SK представляет собой отношение массы жидких продуктов разложения угля, нагреваемого без доступа воздуха при температуре 50С-600 °0 в установленных стандартом условиях, к массе этого угля. Указанный показатель используется при оценке качества и в промышленных классификациях бурых углей.