Анрацит как самый эффективный твердый природный энергоноситель

Древесный уголь - это один из основных видов нашей продукции. Уголь древесный из твердых пород лиственных деревьев, в основном береза, а также осина и дуб. Уголь изготовлен в специальной пиролизной печи методом безкислородного сжигания качественной древесины. Древесный уголь - это твёрдый микропористый высокоуглеродистый продукт, образующийся при пиролизе древесины. Технология производства древесного угля - нагревание древесины в печах без доступа кислорода.

Древесный уголь  не образует открытого пламени и  дыма, он дает только жар. Поэтому при  использовании древесного угля время  приготовления блюд сокращается, поскольку  не нужно ждать, пока дрова перегорят, а теплоотдача древесного угля очень  велика - до 3100 кДж/кг

Показатели  древесного угля:

Массовая доля воды –  не более 7%

Массовая доля золы – не более 3,5%

Массовая доля нелетучего углерода – не менее 80%

Фракция  - 20-80мм.

Белый уголь («хакутан», «сиродзуми»  или «бинтётан», «бинтёдзуми») разновидность древесного угля, изготовленного из очень плотного каменного дуба, произрастающего на Дальнем Востоке на сопках. Пользуется особым спросом в Японии и Южной Корее.

Каменный уголь — осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Большинство залежей каменного угля было образовано в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, примерно 300—350 миллионов лет тому назад.

Уголь каменный исторически является первым видом ископаемого топлива. Использование каменного угля позволило совершить промышленную революцию, которая способствовала развитию угольной промышленности. Так к середине двадцатого века около половины производимой энергии в мире получали за счет использования угля.

Добыча каменного угля —  трудоемкий процесс. Способ добычи определяется глубиной залегания угля. Если угольный пласт находится на глубине не больше 100 метров, разработка ведется открытым способом в угольных разрезах. При больших глубинах залегания угольное месторождение разрабатывается подземным способом, и для добычи угля используются шахты.

Уголь разных марок обладает различными свойствами. Совершено, очевидно, что при сжигании эти различия будут обязательно проявляться. И их необходимо знать и учитывать при подборе угля и выборе режимов сжигания.

Органическая (горючая) масса угля это – летучие вещества и твердый (коксовый) остаток. Летучие вещества составляют от 60% и более для бурого угля до нескольких процентов в антрацитах.

По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75 % до 95 %.[6]

 

3.Технический анализ углей

 

Все виды твердых горючих  ископаемых объединяют в себе две  составляющие: органическое вещество и минеральные компоненты, которые прежде рассматривали как балласт, но теперь все чаще считают источником ценного минерального сырья, в частности редких и рассеянных элементов. Для оценки возможностей и режимов переработки горючих ископаемых применяют технический анализ, позволяющий определить направления использования их как энергетического и химического сырья. Под техническим анализом понимается определение показателей, предусмотренных техническими требованиями на качество угля.

В технический анализ обычно объединяются методы, предназначенные для определения в углях и горючих сланцах зольности, содержания влаги, серы и фосфора, выхода летучих веществ, теплоты сгорания, спекаемости и некоторых других характеристик качества и технологических свойств. Полный технический анализ проводится не всегда, часто бывает достаточно провести сокращенный технический анализ, состоящий в определении влажности, зольности и выхода летучих веществ.

Влажность

В связи с тем, что  молекулы воды могут быть связаны  с поверхностью угля силами разной природы (абсорбция на поверхности и в порах, гидратирование полярных групп макромолекул, вхождение в состав кристаллогидратов минеральной части) при разных способах выделения влаги из угля получаются различные величины его обезвоженной массы и, соответственно, разные значения влажности.

Масса угля с содержанием  влаги, с которым он отгружается  потребителю, называется рабочей массой угля, а влага, которая выделяется из нее при высушивании пробы до постоянной массы при 105°C, называется общей влагой рабочей массы угля.

Содержание влаги в  горючем ископаемом характеризуется  его влажностью. Эта величина выражается отношением массы выделившейся при температуре обезвоживания влаги к массе анализируемого образца. Влажность обозначается буквой W (Wasser).

Влага угля снижает полезную массу при перевозках, на ее испарение  тратится большое количество тепла  при сжигании топлива, кроме того, зимой влажный уголь смерзается.

Общее содержание влаги  меняется в зависимости от степени  углефикации ископаемого в следующем  ряду.

Торф > Бурые угли > Антрациты > Каменные угли.

Зольность

В ископаемых углях содержится значительное количество (2-50 %) минеральных  веществ, образующих после сжигания золу. Зольный остаток образуется после прокаливания угля в открытом тигле в муфельной печи при температуре 850±25°С. Зола на 95-97% состоит из оксидов Al, Fe, Ca, Mg, Na, Si, K. Остальное - соединения P, Mn, Ba, Ti, Sb и редких и рассеянных элементов.

Зольность обозначатся  буквой Аd (Asche) и выражается в мас.%. Суммарное содержание влаги и  золы называют балластом. Содержание собственно минеральных веществ обозначается буквой М. Оно определяется с помощью  физических и физико-химических методов (например, микроскопический, рентгеноскопический, радиоизотопный).

Летучие вещества

Летучие вещества - паро- и газообразные продукты, выделяющиеся при разложении органического вещества твердого горючего ископаемого при  нагревании в стандартных условиях. Выход летучих веществ обозначается символом V (volativ), выход на аналитическую пробу Va, на сухое вещество Vd, сухое и беззольное Vdaf. Эта характеристика важна для оценки термической устойчивости структур, составляющих органическую массу угля. Выход летучих веществ при прокаливании послужил основой для одной из классификаций углей по маркам.[7]

 

Таблица 1. Марки углей

Марка	Обозначение  Марки    Группы		Выход летучих  веществ Vdaf,%	Толщина пластического  слоя Y,%
Длиннопламенный	Д		более 37
Газовый	Г	Г6 Г7	более 37	17 - 25
Газовый жирный	ГЖ	-	более 31 -37	17 - 25
Жирный	Ж	1Ж26 2Ж26	более 33	26 и более
Коксовый жирный	КЖ	КЖ14 КЖ6	25 - 31	6 - 25
Коксовый	К	К13 К10	17 - 25	13 - 25
Коксовый второй	К2	-	17 - 25	6 - 9
Отощённый спекающийся	ОС	-	менее 17	6 - 9
Слабоспекающийся	СС	1CC 2CC	25 - 35
Тощий	Т	-	менее 17
Антрацит	А	-	менее 10

Теплота сгорания

Теплота сгорания - это  основной энергетический показатель угля. Она определяется экспериментально путем сжигания навески угля в  калориметрической бомбе или расчетным путем по данным элементного анализа.

Различают высшую теплоту  сгорания угля Qs как количество теплоты, выделившееся при полном сгорании единицы  массы угля в калориметрической  бомбе в среде кислорода и  низшую удельную теплоту сгорания Qi как высшую теплоту сгорания за вычетом теплоты испарения воды,выделившейся и образованной из угля во время сгорания. Высшая теплота сгорания часто определяется на беззольное состояние угля Qsaf, а низшая на рабочее состояние Qir. Д.И. Менделеевым была предложена формула для расчета высшей теплоты сгорания по данным элементного анализа (кКал/кг):

Qsaf=81°С+300Н-26(О-S), где С,  Н, О, S - массовая доля элементов  в веществе ТГИ, %.

 

Таблица 2.Высшая теплота сгорания основных твердых топлив

Топливо	Теплота сгорания, Ккал/кг	Теплота сгорания, МДж/кг
Торф	5500-5700 ККал/кг	23-24 МДж/кг
Бурый уголь	6100-7700 ККал/кг	26-32 МДж/кг
Каменный уголь	7700-8800 ККал/кг	32-37 МДж/кг
Антрацит	8000-8500 ККал/кг	34-36 МДж/кг

 

 

 

Спекаемость

Одним из наиболее важных, если не важнейшим, направлением использования каменного угля является его переработка в металлургический кокс - твердый продукт высокотемпературного (>900C) разложения каменного угля без доступа воздуха, обладающий определенными свойствами. Далеко не все угли способны спекаться, т.е. переходить при нагревании без доступа воздуха в пластическое состояние с последующим образованием связанного нелетучего остатка. Если этот спекшийся остаток отвечает требованиям, предъявляемым к металлургическому коксу, то говорят о коксуемости угля. Таким образом, коксуемость есть спекаемость, но первое понятие более узкое. Спекаются угли марок Г, Ж, К, ОС, но металлургический кокс можно получить только из углей марки К или из смеси углей, которая по свойствам приближается к ним.

 

Элементный анализ твердых горючих ископаемых

Как уже говорилось, органическая масса всех видов ТГИ состоит  из С, Н, О, S и N. Суммарное их количество превышает 99мас.% в расчете на органическое вещество любого угля и торфа.

Содержания углерода и водорода

Углерод и водород определяют по выходу СО₂ и Н₂О при сжигании навески угля в токе кислорода. Эти оксиды улавливают в поглотительных аппаратах, заполненных растворами КОН и Н₂SO₄ соответственно. Последние взвешивают до и после сжигания навески и по разности масс рассчитывают содержание С и Н в пробе, обычно в мас.%. Надо отметить, что при этом результаты могут быть искажены за счет поглощения воды и углекислого газа, имеющих неорганическое происхождение, и образовавшихся за счет термического разложения минеральных компонентов угля.

Содержание азота

Содержание азота в  углях невелико, обычно не превышает 1 %, изредка достигая 3-4 %.

 Содержание серы

В целом более распространена в углях сера. Ее содержание составляет от долей процента до 10-12%. Различают сульфатную (S_SO4), пиритную (S_p) и органическую серу (S_o), суммарное содержание их называется общей серой (S_t). Содержание серы, устанавливаемое по данным элементного анализа, является важной характеристикой, которая определяет особые требования к переработке и использованию сырья, отличающегося ее высокой концентрацией. Выделяющиеся летучие серосодержащие продукты, такие как Н₂S и SO₂, крайне опасны при попадании в окружающую среду, а при проектировании производств, следует учитывать их высокую коррозионную активность[1].

 

4. Переработка углей

Пиролиз угля

Пиролиз(от др.-греч. πῦρ — огонь, жар и λύσις — разложение, распад) — термическое разложение органических и многих неорганических соединений. В узком смысле, разложение органических природных соединений при недостатке воздуха (древесины, нефтепродуктов и прочего). Более в широком смысле - разложение любых соединений на составляющие менее тяжёлые молекулы, или элементы под действием повышения температуры. Процесс термического пиролиза углеводородного сырья остаётся основным способом получения низкомолекулярных олефинов — этилена и пропилена. Существующие мощности установок пиролиза составляют 113,0 млн.т/год по этилену или почти 100% мирового производства и 38,6 млн.т/год по пропилену или более 67% мирового производства (остальное — 30% производства пропилена приходится на каталитический крекинг, около 3% мирового производства пропилена вырабатывается из нефтезаводских газов НПЗ, а именно из газов процессов замедленного коксования и висбрекинга). При этом, среднегодовой прирост потребления этилена и пропилена в мире составляет более 4%.

Пиролиз угля, так же как и органических полимеров, связан с реакциями гидрирования-дегидрирования. Пиролиз угля с кратковременной выдержкой показал, что после периода подготовки начинается стадия термического разложения угля с более интенсивным выделением газа.

Результатом процесса пиролиза каменных углей является образование при температуре около 1000 С высокообуглероженного твердого остатка - кокса, состав, строение и свойства которого существенно отличаются от состава, строения и свойств исходного угля. Наиболее важными, с точки зрения теплофизических свойств, особенностями этого процесса являются разрушение, отщепление или перестройка вначале массивных, а по мере повышения температуры - все более мелких фрагментов нерегулярной структуры, постепенная замена их жесткими перекрестными связями, образование, укрупнение и агрегирование достаточно протяженных углеродных слоев и вызванное этим уменьшение общего числа внутренних степеней свободы.