Уголь — это сложное природное соединение, состоящее из двух основных частей: органической и неорганической.
Неорганическая часть включает в себя влагу и минералы. Минералы, такие как железо, кремний, алюминий, магний, марганец, кальций, натрий, калий и титан, это неорганические вещества. Когда уголь сжигается, минералы образуют золу, которая остается после сгоревшего угля.
Органическая часть угля разнообразнее. Она состоит из углерода, водорода, азота, кислорода и серы. При нагревании угля без доступа воздуха происходит разложение этой части на летучие вещества — газы, смолы и битумы, а также на нелетучий остаток, который представляет собой углерод в чистом виде.
Таким образом, можно сказать, что уголь делится на две категории: одна — горючая, которая обеспечивает его энергоемкость, а другая — не горючая, которая, по сути, является балластом и снижает качество угля.
Качественные показатели угля
Уголь – это сложный органоминеральный материал, который обладает множеством различных свойств. Качество угля можно определить как совокупность характеристик, которые помогают удовлетворить потребности различных отраслей экономики. Поскольку уголь используется в самых разных сферах, перечень его качественных показателей не мал. Для примера, чтобы понять, подходит ли уголь для коксования, нужно учитывать более 30 основных показателей. В данной статье мы рассмотрим лишь те характеристики, которые особенно важны для оценки использования угля в «малой» теплоэнергетике.
Среди показателей качества угля есть один, который неравномерно распределяется по массе топлива и может служить характеристикой неоднородности топлива. Поэтому для отбора проб нужно ориентироваться именно на этот наиболее изменяющийся показатель. Исследования показали, что при анализе угля зольность – это тот параметр, который изменяется больше всего. Именно поэтому все расчеты норм для отбора проб обычно основаны на зольности, рассчитанной на сухой уголь.
Зольность угля
Зольность угля, или содержание минеральных (не горючих) примесей в угле — это важный показатель его качества, который определяет содержание минеральных примесей. Эти примеси, в основном, не приносят пользы и рассматриваются как нейтральный балласт, но в некоторых случаях могут быть источником вредных веществ.
Существует два типа зольности: внутренняя и внешняя. Внутренний состав золы связан с органической частью угля и образуется в процессе формирования угольных пластов. Этот тип зольности возникает благодаря частицам, которые могли попасть в уголь из растительности, болотной воды или пыли. Обычно его уровень составляет до 12–14%.
Внешняя зола формируется из породных прослоев, окружающих уголь, и зависит от различных факторов:
- сложность геологической структуры месторождения
- условия добычи
- способ отгрузки угля
Таким образом, понимание этих двух видов зольности позволяет лучше оценить свойства угля и его пригодность для различных нужд.
Влага
Угли, как известно, всегда содержат определенное количество влаги, которая делится на два типа:
- поверхностная (на поверхности угля)
- оставшаяся (внутри угля)
Вместе они формируют так называемую рабочую влагу угля (Wr). Содержание этой влаги зависит, прежде всего, от степени метаморфизма (марочного состава) угля, а также от его зольности, окисленности и кусковатости.
Влага не просто добавляет массу углю, она также негативно влияет на его свойства. Высокая влажность снижает теплоту сгорания, так как часть энергии тратится на испарение влаги. Кроме того, излишняя влага ухудшает качество угля, делает его менее сыпучим, усложняет транспортировку и может привести к смерзанию угля в холодное время года. Угли с высоким содержанием влаги нельзя хранить долго — влага может вызвать самонагревание и даже самовозгорание. Поэтому для различных сортов угля существуют строгие нормы содержания влаги, чтобы обеспечить их безопасность и эффективность при использовании.
Летучие вещества
Летучие вещества — это компоненты угля, которые появляются в результате его разложения при нагревании в бескислородной среде. Этот показатель определяет особенности поведения угля в процессе его использования.
Если уголь содержит много летучих веществ, то он легко воспламеняется. Это делает его удобным для быстрого розжига. Однако важно помнить, что такие угли, несмотря на свою горючесть, имеют низкую теплоту сгорания и меньшую термическую стойкость. Эти характеристики зависят от марки угля, которая определяет его степень метаморфизма. Проще говоря, угли с разным содержанием летучих веществ подходят для разных целей, и знание этих особенностей помогает выбрать самый подходящий вариант для конкретных условий.
Сера
Сера, содержащаяся в углях, представляет собой опасную примесь. Когда уголь используется в металлургии, сера проникает в металл и ухудшает его свойства. Это может привести к снижению качества продукции, что недопустимо в современных условиях.
Кроме того, при сжигании угля сера образует вредные сернистые соединения. Эти вещества, взаимодействуя с водяными парами в атмосфере, превращаются в серную кислоту, которая выпадает в виде кислотного дождя. Такой дождь может нанести серьезный вред экосистемам, разрушая растительность и загрязняя водоемы.
В малой энергетике сера также играет негативную роль. Она ограничивает минимальные тепловые нагрузки котлов. При недостаточно высоких температурах уходящих газов в котлах образуется конденсат. Когда сернистый ангидрид из продуктов сгорания встречается с этим конденсатом, он образует серную кислоту, способную разрушать металл котлов. Это не только сокращает срок службы оборудования, но и приводит к необходимости дополнительных затрат на ремонт и замену.
Таким образом, снижение содержания серы в углях является важной задачей для улучшения качества металлов и защиты окружающей среды.
Уголь можно разделить на 4 основные группы в зависимости от содержания серы.
- Малосернистый уголь, который содержит до 1,5% серы.
- Средне-сернистый уголь с содержанием серы от 1,6% до 2,5%.
- Сернистый уголь, где уровень серы составляет от 2,6% до 3,5%.
- Многосернистый уголь, в котором содержание серы превышает 3,6%.
Сера в угле может быть представлена в разных формах. Она может быть частью органических соединений — это так называемая органическая сера. Также сера может находиться в виде пирита и марказита — минералов, содержащих сернистые металлы. И существует сера в виде сернокислых соединений, которые образуют такие элементы, как железо и кальций. Эти разнообразные формы серы играют важную роль в свойствах и качестве угля.
Теплота сгорания
Теплота сгорания – это одна из самых важных характеристик топлива. Она показывает, сколько тепла выделяется при сгорании 1 кг топлива. Этот показатель особенно важен для углей, используемых в энергетике, так как помогает оценить, насколько эффективно топливо будет использоваться для получения энергии.
Для понимания, что такое теплота сгорания, можно воспользоваться простым примером. 1 калория – это то количество тепла, которое нужно для нагрева 1 грамма воды на 1 С°. Если уголь имеет теплоту сгорания 6000 ккал/кг, это значит, что при его полном сгорании мы можем нагреть 1 тонну воды на 6 С°.
Чтобы узнать, сколько тепла выделяет уголь, сжигают небольшую порцию угля в калориметрической бомбе, которая находится в термостатированной емкости с водой. Измеряя разницу в температуре воды до и после сгорания, можно точно определить, сколько тепла выделилось.
Качество угля напрямую зависит от его состава, включая количество углерода, водорода и кислорода. Таким образом, теплота сгорания может изменяться и достигать максимума для углей определенных марок. Знание этих характеристик помогает лучше понимать, какую ценность имеет тот или иной вид топлива и насколько эффективно его можно использовать в энергетике.
В заключение, можно сказать, что качественные показатели угля играют ключевую роль в его эффективном использовании. Анализ угля на качество помогает определить его физико-химические свойства, которые напрямую влияют на эффективность сжигания, экологические параметры и экономическую выгоду. Поэтому изучение угля не только способствует более эффективному использованию энергетических ресурсов, но и помогает снизить негативное воздействие на окружающую среду.
