Состав, структура и анализ твердых горючих ископаемых
реклама
Лекция №3 Состав, структура и анализ твердых горючих ископаемых Преподаватели:Левашова Альбина Ивановна, доц., к.т.н. Францина Евгения Владимировна, ассистент кафедры ХТТ Групповой состав ТГИ Под групповым составом ТГИ понимают группы веществ по их отношению к различным реагентам и растворителям. Выделяют 5 основные группы веществ Битумы A, B, C – их извлекают орг. растворителями в экстракторах при t кипения (# битумы группы А извлекают смесью спирт : бензол = 1 : 1) Водорастворимые (ВРВ) и легкогидролизуем ые (ЛГВ) – извлекают из торфа холодной водой и горячей водой. Целлюлоза – извлекают 80% H2SO4 Гуминовые кислоты – извлекают раствором щелочей (чаще всего 0,1 н NaOH). При этом получают гуматы натрия. Негидролизуемые вещества – лигнин, кутин, суберин, гумин, остаточный уголь Оценочный групповой состав ТГИ (% масс.) Горючее ископаемое Группы веществ Угли Торф Бурые мягкие Бурые твердые Каменн ые Антраци т Битумоиды (битумы) 8 12 6 5 2 Полисахари ды 29 3 - - - Гуминовые кислоты 47 65 22 - - Гумин (остаточны й уголь) 16 20 72 95 98 Гуминовые кислоты (ГК) Это ВМС, предшественниками которых являются целлюлоза и лигнин, так как гуминовые кислоты содержат ароматические циклы, фенольные и спиртовые гидроксилы, метоксильные группы и др. (M=300…10000 у.е.). ГК подразделяют на группы с различной M по их растворимости в экстрагентах: Фульвокислоты Гиматомелановые Гумусовые С ростом степени углефикации доля гумусовых кислот растет. При обработки гуминовых кислот щелочами образуются соли (гуматы), использующиеся в с/х как стимуляторы роста растений: Схема превращения гумитов Белки, углеводный комплекс Целлюлоза, лигнин Липоиды Битумы Гуминовые кислоты Гумин, остаточный уголь Гетероатомы в составе угля (S, N, O) Гетероатомы входят в состав наиболее реакционоспособных групп. Связь С-гетероатом наименее прочная. Содержание гетероатомов в ТГИ зависит от степени метаморфизма. Так, с ростом метаморфизма доля O постепенно снижается, а доля N и S практически не изменяется. Наличие гетероатомов в ТГИ с одной стороны расширяет возможности переработки углей, а с другой – вызывает необходимость дополнительных затрат на утилизацию токсичных летучих веществ (SO2, NH3, HCN, CS2, H2S) и на защиту оборудования от коррозии. Структура углей Структуру углей рассматривают на молекулярном и надмолекулярном уровнях организации. Молекулярная структура – устойчивое образование, объединенное химическими связями. Является носителем химических свойств угля. Надмолекулярная структура – пространственная форма, которую приобретают макромолекулы и их ассоциаты, объединенные физическими силами. Модель угля Модель угля содержит следующие структурные фрагменты: Ari, Arj – ароматика; СAi, СAj – циклоалканы (нафтены); Хi, Хj – функциональные группы (–COOH, –OH, –NH2); Ri, Rj – алкильные заместители (С1 – Cn); Mi, Mj – мостиковые структуры (–(СH2)n–, –O–, –NH–, –S– и т.д.) Расчет свойств угля Рассмотренная выше модель угля позволяет применить аддитивный подход к расчету свойств угля: С C Alk C Ar H H Alk H Ar число атомов С и H, связанные в ароматические и алифатические структуры PHC P1 nCAlkC Alk P2 nCArCAr P3 nCAlkC Ar P4 nHAlkC P5 nHArC PHC свойства угля без учета функциональных групп; n число связей; Pi вклад в свойство PHC связи данного типа. Данный подход позволяет количественно прогнозировать физико-химические и технологические свойства угля разной стадии метаморфизма, если известны их элементный состав и структура Технический анализ угля Все угли состоят из двух частей: органической и минеральной. Минеральную часть можно рассматривать как источник ценного минерального сырья, в частности редких и рассеянных элементов. Технический анализ позволяет определить направление переработки ТГИ: в качестве энергетического топлива или как химического сырья. Под техническим анализом понимают определение показателей, предусмотренных техническими требованиями на качество углей: влажность, зольность, выход летучих веществ, спекаемость и т.д. По результатам технического анализа угли подвергаются классификации и определяется направление их использования. 1. Определение влажности Молекулы воды связаны с поверхностью угля силами разной природы (адсорбция на поверхности и в порах, гидратирование полярных групп, вхождение в состав кристаллогидратов минеральной части угля). Поэтому различают разные значения влажности в зависимости от способа удаления влаги Wh(гигроскопическая влага) – определяется при высушивании угля до постоянной массы при 105 0С Wex(внешняя влага) - определяется при высушивании угля до постоянной массы при комнатной температуре Wh(связанная или гигроскопичная влага) – влага, оставшаяся в угле после удаления Wex Wt Wex Wh 2. Определение зольности В ТГИ содержится значительное количество минеральных примесей (2…50%), о содержании которых судят по количеству золы, оставшейся после сжигания навески угля в открытом тигле в муфельной печи при t=815 +(-)100C. Зола на 95% состоит из оксидов Al, Fe, Ca, Mg, Na, Si, K, соединений P, Mn, Ba, Ti, Sb и других элементов При сжигании ТГИ минеральные примеси окисляются или разлагаются по след. реакциям: MnCO3 MnO CO2 4 FeS2 11O2 2 Fe2O3 8SO2 4 FeO O2 2 Fe2O3 3. Выход летучих веществ Летучие вещества – это паро- и газообразные продукты, выделяющиеся при разложении органического вещества ТГИ в бескислородных условиях при t=900±50C. Эта характеристика важна для определения термической устойчивости углей и является показателем способности к коксованию. daf V 27...30% способны коксованию Выход летучих веществ падает вк ряду гумусовых с ростом степени углефикации. Выход летучих веществ является одним из показателей большинства классификаций углей (в том числе и международной). 4. Определение спекаемости Спекаемость является важным показателем коксуемости углей. Основное требование при коксовании – переход угля в пластическое состояние. Наибольшей спекаемостью обладают угли средней стадии метаморфизма (марок Ж, К, ОС). Их доля должна составлять не менее 70% в составе шихты для коксования. Таблица – Марки углей Донбасса Уголь Длиннопламенный Газовый Газовый жирный Жирный Коксовый Отощенно-спекающийся Тощий Антрацит Марка Д Г ГЖ Ж К ОС Т А Vdaf, % масс. Среднее содержание Сdaf, % >37 >35 35-27 35-27 27-18 22-14 17-9 <8 76-88 84-90 84-90 87-92 89-94 90-95 91-96 Методы определения спекаемости 1) Основанные на характеристике нелетучего остатка (королька) по Грей-Кингу. Проводят коксование образца угля в стандартных условиях, затем сравнивают полученный остаток с эталонным образцом. 2) Основанные на способности угля спекать инертные добавки. Образец спекают с инертной добавкой (антрацит) и проверяют на истирание получившегося тв. остатка в барабане Рога. Прочность равна индексу Рога (отношение разрушенных частиц образца к общему количеству частиц). 3) Пластометрический метод Сапожникова-Базилевича. Основан на измерении толщины пластического слоя у и усадки шихты. Чем больше толщина пластического слоя y, тем выше спекающая способность угля. Обычно y=15-25 мм. Классификация углей Выделяют следующие классификации углей: 1. Генетическая – в зависимости от характера исходного растительного материала и условий его превращения Таблица – Генетическая классификация ТГИ Происхожд ение Стадии углеобразования Торфяная Буроугольная Каменноугольна я Антрацитовая Гумиты торфы Бурые угли Каменные угли антрациты Липтобиол иты Продукты превращения смол, восков, пыльцы янтарь кеннели - Сапропе литы сапропели Кеннели, богхеды, кеннельбогхеды Донецкие сапропелиты антрацитовой стадии Классификация углей 2) Промышленная – разделение углей на марки по показателям, характеризующим их основные энергетические и технологические свойства (# систематика каменных углей по величине Vdaf). 3) Промышленно-генетическая – сочетает технологические свойства угля с их генетическими особенностями (# разделение углей на виды по величине среднего показателя отражения витринита R0, теплоты сгорания на влажное беззольное состояние Qsaf и выхода летучих веществ Vdaf). Таблица – Подразделение углей на виды Вид угля R0, % Qsaf , МДж/кг Vdaf, % масс. Бурый уголь Каменный уголь Антрацит ≥0,60 0,40-2,39 <24 ≥24 ≥9 ≥2,40 - <9
