Методы анализа угля — это специальные аналитические методы, предназначенные для измерения определенных физических и химических свойств угля . Эти методы используются в первую очередь для определения пригодности угля для коксования , выработки электроэнергии или для плавки железной руды при производстве стали .
Уголь бывает четырех основных типов или сортов: лигнит или бурый уголь , битуминозный уголь или черный уголь, антрацит и графит . Каждый тип угля имеет определенный набор физических параметров, которые в основном контролируются влажностью, содержанием летучих веществ (в терминах алифатических или ароматических углеводородов ) и содержанием углерода.
Влажность является важным свойством угля, поскольку все угли добываются влажными. Грунтовые воды и другая посторонняя влага известны как примесная влага и легко испаряются. Влага, содержащаяся в самом угле, известна как внутренняя влага и анализируется количественно. Влага может встречаться в четырех возможных формах внутри угля:
Общая влажность анализируется по потере массы между необработанным образцом и образцом после анализа. Это достигается любым из следующих методов;
Методы 1 и 2 подходят для углей низкого ранга, но метод 3 подходит только для углей высокого ранга, поскольку сушка углей низкого ранга на открытом воздухе может способствовать окислению. Собственная влажность анализируется аналогичным образом, хотя это можно сделать и в вакууме.
Летучие вещества в угле относятся к компонентам угля, за исключением влаги, которые высвобождаются при высокой температуре в отсутствие воздуха. Обычно это смесь коротко- и длинноцепочечных углеводородов, ароматических углеводородов и некоторого количества серы. Летучие вещества также оценивают адсорбционное применение активированного угля. Летучие вещества угля определяются в соответствии со строго контролируемыми стандартами. В австралийских и британских лабораториях это включает нагревание образца угля до 900 ± 5 °C (1650 ± 10 °F) в течение 7 минут. Также с увеличением ранга угля летучие вещества уменьшаются (AMK).
Зольность угля — это негорючий остаток, остающийся после сгорания угля. Он представляет собой основную массу минерального вещества после того, как углерод, кислород, сера и вода (в том числе из глины) были удалены во время сгорания. Анализ довольно прост, уголь полностью сгорает, а зольный материал выражается в процентах от первоначального веса. Он также может дать представление о качестве угля. Зольность может быть определена как на основе воздушной сушки, так и на основе высушенной в печи. Основное различие между ними заключается в том, что последний определяется после удаления влаги из образца угля.
Фиксированное содержание углерода в угле — это углерод, обнаруженный в материале, который остается после удаления летучих материалов. Это отличается от окончательного содержания углерода в угле, поскольку часть углерода теряется в углеводородах с летучими веществами. Фиксированный углерод используется в качестве оценки количества кокса, которое будет получено из образца угля. Фиксированный углерод определяется путем удаления массы летучих веществ, определенной с помощью теста на летучесть, описанного выше, из исходной массы образца угля.
Относительная плотность или удельный вес угля зависит от сорта угля и степени минеральной примеси. Знание плотности каждого угольного пласта необходимо для определения свойств композитов и смесей. Плотность угольного пласта необходима для перевода ресурсов в запасы.
Относительная плотность обычно определяется путем потери веса образца в воде. Лучше всего это достигается с помощью тонкоизмельченного угля, поскольку объемные образцы довольно пористые. Однако для определения тоннажа угля на месте важно сохранить пустотное пространство при измерении удельного веса.
Распределение размера частиц измельченного угля частично зависит от сорта угля, который определяет его хрупкость, а также от обработки, дробления и измельчения, которым он подвергся. Обычно уголь используется в печах и коксовых печах определенного размера, поэтому необходимо определить дробимость угля и количественно оценить его поведение. Необходимо знать эти данные до начала добычи угля, чтобы можно было спроектировать подходящее дробильное оборудование для оптимизации размера частиц для транспортировки и использования.
Угольные слои и частицы имеют различную относительную плотность, определяемую содержанием витринита , сортом, зольностью/минерализацией и пористостью. Уголь обычно промывают , пропуская его через ванну с жидкостью известной плотности. Это удаляет частицы с высокой зольностью и повышает товарность угля, а также его энергетическую ценность на единицу объема. Таким образом, угли должны быть подвергнуты испытанию на всплытие-погружение в лаборатории, которое определит оптимальный размер частиц для промывки, плотность промывочной жидкости, необходимую для удаления максимальной зольности с минимальной работой.
Испытание методом флотации-погружения проводится на измельченном и измельченном угле в процессе, аналогичном металлургическому испытанию металлической руды .
Абразивность — это свойство угля, которое описывает его склонность и способность изнашивать оборудование и подвергаться автономному измельчению. В то время как углеродистое вещество в угле относительно мягкое, кварц и другие минеральные компоненты в угле довольно абразивны. Это проверяется в калиброванной мельнице, содержащей четыре лезвия известной массы. Уголь перемешивается в мельнице в течение 12 000 оборотов со скоростью 1500 оборотов в минуту (т.е. 1500 оборотов в течение 8 мин.) Индекс абразивности определяется путем измерения потери массы четырех металлических лезвий.
Помимо физических или химических анализов для определения профиля обработки и загрязняющих веществ угля, выход энергии угля определяется с помощью бомбового калориметра , который измеряет удельный выход энергии угля при полном сгорании. Это необходимо, в частности, для углей, используемых в парогенерации.
Поведение зольного остатка угля при высокой температуре является критическим фактором при выборе угля для выработки пара. Большинство печей спроектированы так, чтобы удалять золу в виде порошкообразного остатка. Уголь, зола которого сплавляется в твердый стекловидный шлак, известный как клинкер, обычно непригоден для печей, поскольку требует очистки. Однако печи могут быть спроектированы так, чтобы обрабатывать клинкер, как правило, удаляя его в виде расплавленной жидкости.
Температуры плавления золы определяются путем наблюдения за отформованным образцом угольной золы через смотровое окно в высокотемпературной печи. Зола в форме конуса, пирамиды или куба постоянно нагревается выше 1000 °C до максимально возможной температуры, предпочтительно 1600 °C (2910 °F). Регистрируются следующие температуры:
Самый простой тест для оценки пригодности угля для производства кокса — это тест на индекс свободного разбухания. Он включает нагревание небольшого образца угля в стандартизированном тигле до температуры около 800 градусов по Цельсию (1500 °F).
После нагревания в течение определенного времени или до тех пор, пока не будут удалены все летучие вещества, в тигле остается небольшая коксовая головка. Профиль поперечного сечения этой коксовой головки по сравнению с набором стандартизированных профилей определяет индекс свободного разбухания.
Несколько международных стандартов классифицируют угли по их рангу, где повышение ранга соответствует углю с более высоким содержанием углерода. Ранг угля коррелирует с его геологической историей, как описано в законе Хилта .
В системе ASTM любой уголь с содержанием связанного углерода более 69% классифицируется по содержанию углерода и летучих веществ. Уголь с содержанием связанного углерода менее 69% классифицируется по теплотворной способности . Летучие вещества и углерод указаны на сухой минеральной основе; теплотворная способность основана на содержании влаги при добыче, но без учета свободной воды.
В ISO также имеется система классификации угля, хотя ее подразделы не соответствуют стандарту ASTM.
Методы анализа угля. Blackwell Scientific Press, 1984.