Выход летучих веществ угля. Методика определения летучих веществ в углях. Технический анализ углей

В составе углей, наряду с органическими веществами присутствуют минеральные примеси, являющиеся обычно балластом. Для оценки углей важно знать соотношение между этими составными частями. Технический анализ состоит в определении влажности (W), зольности (А), выхода летучих веществ (V), содержания серы (Sоб), теплоты сгорания (Q) и коксового остатка.

Влажность снижает теплоту сгорания углей. Угли делятся на три группы: Б1 - с влажностью более 40%, Б2 - 30-40%, Б3 - 30% и менее. Влажность определяется при нагревании до 1050° С или при просушивании в эксикаторе над концентрированной серной кислотой. 1% влаги снижает теплопроводную способность углей на 6 ккал.

Зольность . Зола - твердый несгораемый остаток, образующийся из минеральных примесей углей, по весу она не равна минеральным примесям, т.к. часть из них превращается в газ и водяные пары. Каждый процент золы снижает производительность домны на 2,5 %. Допустимая зольность для коксующихся углей менее 10 %, при большом содержании золы требуется обогащение углей. Основные компоненты, составляющие золу: окси-

ды Si, Al, Fe, Ca, Mq, Na, K, подчиненное значение имеют оксиды Ti и Mn.

Выход летучих веществ . Относится к горючей части; при сухой перегонке уголь частично переходит в летучие вещества (CH 4 , H, CO, CO 2 и др.) Летучие вещества очень ценны. Они обладают способностью гореть, а также составляют основу для получения различных химических продуктов: красителей, пластмасс, ароматических и взрывчатых веществ.

Коксовый остаток . Это твердый остаток, остающийся после удаления летучих, в зависимости от качества углей имеет различный вид. Он может быть порошковым - неспекшимся, спекшимся, сплавленным или вспученным. Спекающаяся способность углей выражается в способности при нагревании в определенных условиях соединяться в одно целое и давать достаточно прочный твердый остаток с пористой структурой - кокс металлургического типа. Угли, дающие порошкообразный остаток, являются неспекающимися и пригодны только для энергетических целей. Сера - вредная примесь в углях, особенно коксовых, вызывает повышенный расход кокса при плавке руды и ухудшает качество железа. По содержанию серы угли делятся на группы: малосернистые (до 1,5%), среднесернистые (1,5-2,5%), сернистые (2,5-4%), высокосернистые (более 4%). Последние не пригодны для использования в черной металлургии без предварительного обогащения.

Теплота сгорания углей примерно составляет 24,62 кДж/кг. Она определяется экспериментальным методом - путем сжигания угля в калориметрической бомбе, и расчетным путем, по формулам. Наибольшей теплотой сгорания обладают антрациты и тощие угли.

Во многих случаях, особенно при оценке неметаллических полезных ископаемых, кроме исследования технических свойств должны быть проведены и химические анализы сырья (огнеупорные и керамические глины, известняки как флюсы, каолин, тальк и т.д.). Для некоторых полезных ископаемых (формовочные пески) проводится и гранулометрический анализ.

Одними из наиболее важных теплотехнических характеристик топ­лив являются величина выхода летучих и свойства коксо­вого остатка. При нагревании твердых топлив происходит распад термически нестойких сложных, содержащих кислород углеводородистых соедине­ний горючей массы с выделением горючих газов: водорода, углеводоро­дов, окиси углерода и негорючих газов - углекислоты и водяных паров. Выход летучих веществ определяют нагреванием пробы воздушно-сухо­го топлива в количестве 1 г без доступа воздуха при температуре 850°С в течение 7 мин. Выход летучих, определенный как уменьшение массы пробы испытываемого топлива за вычетом содержащейся в нем влаги, относят к горючей массе топлива. У разных топлив состав и теплота сгорания летучих веществ раз­личны. По мере увеличения химического возраста топлива содержание летучих веществ уменьшается, а температура их выхода увеличивается. При этом вследствие уменьшения количества инертных газов теплота сгорания летучих веществ увеличивается. Для сланцев выход летучих составляет 80-90% от горючей массы; торфа - 70%; бурых углей - 30-60%, каменных углей марок Г и Д - 30 - 50%, у тощих углей и антрацитов выход летучих мал и соответственно равняется И -13 и 2-9%. Поэтому содержание летучих веществ и их состав могут быть приняты в-качестве признаков степени углефикации топлива, его хими­ческого возраста. Для торфа выход летучих начинается при температуре примерно 100°, бурых и жирных каменных углей- 150-170°, горючих сланцев - 230°С, тощих углей и антрацитов~400°С и завершается при высоких температурах - 1100-1200°С. После отгонки летучих веществ из топлива образуется так назы­ваемый коксовый остаток. При содержании в угле битуминозных ве­ществ, которые при нагревании переходят в пластическое состояние илирасплавляются, порошкообразная проба угля, испытываемого на содер­жание летучих, может спекаться и вспучиваться. Способность топлива при термическом разложении образовывать более или менее прочный кокс называется спекаемостью. Торф, бурые угли и антрацит дают по­рошкообразный кокс. Каменные угли с выходом летучих 42-45% и тощие угли с выходом летучих менее 17% дают порошкообразный или слипшийся коксовый остаток. Угли, образующие спекшийся коксовый остаток, являются ценным технологическим топливом и используются в первую очередь для про­изводства металлургического кокса. Кокс в виде спекшегося или сплав­ленного остатка получается нагреванием измельченного до размеров 3-3,5 мм угля при температуре 1000°С без доступа воздуха. Свойства кокса зависят от состава органических соединений горючей массы топ­лива и содержания летучих веществ в нем.

Лабораторная работа № 3

Определение теплоты сгорания углей по данным их влажности,

зольности и выхода летучих веществ

Цель работы - ознакомиться с методиками определения основных показателей технического анализа углей, овладеть практическими навыками работы на соответствующем лабораторном оборудовании и изучить на практике основы ускоренного метода оценки углей.

Лабораторная работа является комплексной. В её основу положено определение трех основных показателей углей – влажности , зольности и выхода летучих веществ на основании которых рассчитывается низшая теплота сгорания рабочей массы угля , являющаяся важнейшим показателем качества угля как энергетического топлива.

Теплота сгорания, обозначаемая обычно символом , представляет собой количество тепловой энергии (далее теплота, или тепло), выделяемой при полном окислении горючих компонентов топлива газообразным кислородом . При этом принято положение, что в результате реакций окисления образуются высшие оксиды и сера окисляется только до , а азот топлива выделяется в виде молекулярного азота. Теплота сгорания является удельной характеристикой. У твёрдых и жидких топлив относят к единице массы, то есть к 1 кг (удельная теплота сгорания), а у газообразных топлив - к единице объёма (объёмная теплота сгорания) при нормальных физических условиях, то есть при Р = Р 0 = 760 мм рт. ст. = 1 атм =101325 Па и
Т = Т 0 = 273,15 К (t = t 0 = 0°C). В связи с этим м 3 при этих условиях получил название «нормальный метр кубический » и рекомендуемое обозначение «нор. м 3 ». Таким образом, у газообразных топлив относят к 1 нор. м 3 . Принятые в технической литературе единицы измерения : «кДж/кг » («кДж/нор. м 3 ») или «МДж/кг » («МДж/нор. м 3 »). В старой технической литературе единицами измерения были «ккал/кг » («ккал/нор. м 3 »). При их переводе в современные единицы измерения следует помнить, что 1 ккал = 4,1868 кДж.

Количество тепла, которое пошло на нагрев продуктов полного сгорания 1 кг или 1 нор. м 3 топлива при условии, что в этих продуктах находится сконденсированный водяной пар, то есть вода, называется высшей теплотой сгорания топлива . Эта теплота обозначается как .

Если при сгорании топлива водяные пары не сконденсированы, то на нагрев продуктов сгорания будет израсходовано меньшее количество выделившегося тепла на величину скрытой теплоты конденсации водяного пара (скрытой теплоты испарения воды) . В этом случае тепло получило название низшей теплоты сгорания топлива и обозначается как . Таким образом, при определении не учитывается тепло, затраченное на испарение влаги самого топлива и влаги, образовавшейся при сгорании водорода топлива. Соответственно, величина связана с как .

Состав угля, как и любых других твёрдых топлив, выражают в процентах по массе (мас. %). При этом за 100 % наиболее часто принимают:

· состав в рабочем состоянии топлива (состав его рабочей массы), указывается верхним индексом «r »:

· состав в аналитическом состоянии (состав аналитической массы), указывается верхним индексом «а »:

· состав в сухом состоянии (состав сухой массы), указывается верхним индексом «d »:

· состав в сухом беззольном состоянии (состав сухой беззольной массы), указывается верхним индексом «daf »:

где массовые доли в соответствующей массе угля углерода, водорода, горючей серы, кислорода, азота, общей и аналитической влаги, мас. %; А – зольность соответствующей массы угля,мас. %.

Для определения теплоты сгорания углей, применяется единый стандартный метод – метод сожжения в калориметрической бомбе. При этом методе навеску аналитической пробы угля массой 0,8…1,5 г сжигают в атмосфере сжатого кислорода в герметически закрытом металлическом сосуде – калориметрической бомбе, которая погружена в определённый объём воды. По повышению температуры этой воды устанавливают количество тепла, выделившееся при сгорании навески. Это даёт теплоту сгорания топлива по бомбе В связи с тем что сгорание топлива происходит в довольно специфических

Рис. Принципиальная схема классического калориметра для определения теплоты сгорания твердых топлив

1 – калориметрическая бомба; 2 – мешалка; 3 – крышка термостата; 4 – система для зажигания навески; 5 – термометр или прибор его заменяющий; 6 – калориметрический сосуд; 7 – термостат.

условиях (атмосфера чистого кислорода, окисление горючей сера до SO 3 с последующим образованием в сконденсированной влаге азотной кислоты и так далее), величину пересчитывают на по следующей формуле:

где - теплота образования серной кислоты из SO 2 и растворения её в воде, численно равная 94,4 кДж в расчёте на 1 % серы ; - содержание серы «в смыве бомбы», представляет собой количество серы, перешедшее при сжигании в серную кислоту, в расчёте на исходную навеску угля, мас. % (разрешается использовать вместо содержание общей серы в аналитической массе угля , если (0,8% для бурого угля Канско-Ачинского бассейна, 1,0 для каменного угля и 1,2% для антрацита) , а (15,5 МДж/кг для бурого угля Канско-Ачинского бассейна, 15,7 для каменного угля и 16,0 МДж/кг для антрацита) ; a - коэффициент, учитывающий теплоту образования и растворения азотной кислоты, равный 0,001 для тощих углей и антрацитов и 0,0015 – для всех остальных топлив .

Зная , определяют сначала высшую теплоту сгорания рабочей массы топлив :

, (2)

где =МДж/кг или МДж/нор.м 3 ; =
= мас. %.

Коэффициент 24,62 в (3) отражает теплоту нагревания воды от
t 0 = 0°C до t = 100°C и её испарения при Р 0 = 101325 Па в расчёте на
1 мас. % воды.

Величина , рассчитанная на рабочее состояние топлива, соответствует фактической теплоте, выделяемой при его сжигании в топках, и поэтому широко применяется при теплотехнических расчётах. является интегральным показателем качества топлив и во многом определяет их потребительские свойства.

Одно из основных особенностей ископаемых углей – способность к разложению (деструкции) их органической массы при нагреве без доступа воздуха. При таком нагреве образуются газо- и парообразные продукты разложения, называемые летучими веществами. После удаления летучих веществ из зоны нагрева остаётся остаток, называемый коксовым остатком, или корольком. Поскольку летучие вещества не содержатся в углях, а образуются при их нагреве, то говорят о «выходе летучих веществ», а не об их содержании в углях.

Под выходом летучих веществ понимают относительную массу летучих веществ, выраженную в процентах, образующихся при термическом разложении угля в стандартных условиях . Выход летучих обозначается символом V , а нелетучий (коксовый) остаток – NV .

Парообразная часть летучих веществ состоит из конденсирующихся углеводородов, представляющих собой группу маслянистых и смолистых веществ, являющихся ценнейшим химическим продуктом.

Газообразная часть летучих веществ состоит из углеводородных газов предельного и непредельного рядов (СН 4 , C m H n и так далее), оксида и диоксида углерода (СО , CО 2 ), водорода (Н 2 ) и так далее.

В состав нелетучего остатка входит в основном углерод и минеральные примеси в виде золы.

Выход летучих веществ – один из главных классификационных параметров ископаемых углей. На основании значений выхода летучих и характеристики коксового остатка оценивают пригодность углей для коксования и поведения углей в процессах переработки и сжигания.

Сущность стандартного метода определения выхода летучих веществ заключается в нагревании навески аналитической пробы угля массой 1±0,1 г без доступа воздуха при t = 900±5 °С в течение 7 мин . Выход летучих веществ определяется по потере массы исходной навески с учётом содержания влаги в топливе.

Величину выхода летучих из аналитической пробы вычисляют по формуле

(4)

где = мас. %; - потеря массы навески угля после выделения летучих веществ, г ; - масса исходной навески угля, г ; - содержание влаги в исходной навеске аналитической пробы угля, мас. %;

- выход нелетучего остатка из аналитической пробы испытуемого угля, %, вычисляют по формуле

Выход летучих веществ на сухое беззольное состояние угля определяется следующим образом:

. (6)

Допускаемые расхождения между результатами двух параллельных определений по абсолютным величинам не должны превышать 0,3 мас. % при мас.%; 0,5мас. % при мас. %; 1,0 мас. % при мас. %.

Для определения выхода летучих веществ применяют:

Подставки для установки тиглей в муфельную печь из жаростойкой стали или проволоки;

Электропечь муфельную с терморегулятором с максимальной температурой нагрева не менее 1000° С, имеющей отверстие в передней дверце для свободного удаления летучих веществ (если нет отводной трубки для удаления этих веществ) и размещения контрольной термопары и в задней стенке для установки термопары.

Температуру измеряют с помощью стационарной термопары. Из аналитической пробы угля отбирают в предварительно взвешенные тигли две навески угля массой (1 ± 0,01) г .. Навеску распределяют по дну тигля ровным слоем, слегка постукивая тиглем о чистую сухую поверхность. Тигли закрывают крышками и тщательно, с точностью до 0,0002 г взвешивают закрытые тигли с навесками.

Тигли с навесками угля и закрытыми крышками устанавливают каждый на свою подставку и быстро вносят в муфельную печь, предварительно разогретую до t = 900±5°С, что фиксируется стационарной термопарой. Дверцу печи закрывают. Ровно через 7 мин (±5 сек ) подставки с тиглями вынимают из печи и охлаждают – сначала на воздухе в течение 5 мин, не снимая с тиглей крышек, а затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают с точностью до 0,0002 г . Результаты всех измерений и расчётов заносят в табл.1.

Величины вычисляют по формуле (7), а - по формуле (8):

(7)

(8)

Порядок выполнения работы

1. Подготовить необходимые таблицы и провести необходимые расчеты. Результаты записать в табл.1 и табл.2.

Таблица 1

Результаты определения выхода летучих веществ

3. Используя полученные в лабораторной работе №2 значения (10,03%), (13,14%) и (30,7% из табл.1), рассчитать и , входящие в перечень необходимых показателей технического анализа углей, и (11,82%), необходимую для расчёта .

4. Учитывая марку предложенного в работе угля и используя полученные показатели, определить величину угля с применением следующих методов.

Метод 1. Использовать взаимосвязь между и , предложенную

Cтраница 1

Состав летучих веществ, образующихся на поверхности горящих твердых материалов, как правило, чрезвычайно сложен. Все те из них, которые представляют интерес с точки зрения пожарной опасности, являются полимерными материалами с высокой относительной молекулярной массой. Из двух основных типов полимеров (полимеров, полученных ступенчатой полимеризацией, и конденсационных полимеров) первый является простейшим, так как полимеры этого типа формируются путем непосредственного добавления мономерных звеньев к концу растущей полимерной цепи.  

В состав летучих веществ входят ценные вещества, которые широко применяются в народном хозяйстве.  

В состав летучих веществ сходят горючие газы - окись углерода СО, водород Н2, различные углеводороды CnHm и негорючие газы - азот N2, кислород О %, углекислый газ СОг и др., а также водяные пары.  

В состав летучих веществ входят растворители, разбавители влага и другие соединения, содержащиеся в лакокрасочном материале и улетучивающиеся при формировании покрытий.  

В состав летучих веществ наряду с водородом и метаном входят смолистые продукты в виде паров и мельчайших капель, которые при температуре ниже 700 С могут вызывать спекание кокса и закупоривание дымоходов и аппаратуры.  

В состав летучих веществ входят водяные пары, кислород, азот, летучая сера, а также различные углеводороды. При достаточно высокой температуре горючие компоненты в летучих веществах горят ярким пламенем, поэтому состав и количество летучих оказывают существенное влияние на процессы воспламенения и горения топлива, а также и на объем топочной камеры.  

Количество и состав летучих веществ в твердом топливе обусловливает участие и значимость в газогенераторном процессе сухой перегонки и газификации кокса, а также состав и качество получаемого генераторного газа. Поэтому для разного топлива и применительно к требованиям, предъявляемым к газу двигателями, устанавливают разные системы газогенераторов.  

На первый взгляд, может показаться, что состав летучих веществ оказывает второстепенное влияние на их горение в газовой смеси, однако такая точка зрения не позволяет разобраться в особенностях динамики пожара. Химическая активность летучих веществ оказывает влияние на характер стабилизации пламени у поверхности горючего твердого материала (разд. Последнее влияет на количество тепла, излучаемого пламенем в окружающее пространство и в сторону поверхности горения (разд. Так, летучие вещества, содержащие молекулы ароматических углеводородов типа бензола [ из углистого остатка, образованного в результате обрыва ветвей главной цепи молекул поливинилхлорида, уравнение (РЗ) ], или стирола (из полистирола), дают коптящее пламя с высокой относительной излучательной способностью (разд. Ниже будет показано, как эти факторы влияют на скорость горения твердых и жидких веществ (разд. В некоторых случаях состав летучих веществ определяет стгпень токсичности продуктов сгорания (ср.  

Немаловажным достоинством является возможность определения продуктов метаболизма живых культур, что позволяет изучать состав летучих веществ в процессе роста микрофлоры в анаэробных условиях. Большое значение для выполнения массовых анализов имеет также возможность использования уже существующих автоматических парофазных анализаторов и специальных приспособлений, описанных в гл.  

Это обусловлено как сложностью состава подобных смесей вредных веществ, корректный анализ которых с помощью одной лишь газовой хроматографии попросту невозможен, так и наличием в составе летучих веществ резины и других эластомеров высокомолекулярных соединений сложной структуры (часто с несколькими гетероатомами), анализ которых хромато-графическими метод ами чрезвычайно затруднителен.  

Выход летучих веществ

(a. content of volatile agents; н. Gehalt an fluchtigen Bestandteilen; ф. teneur en matieres volatiles; и. desprendimiento de substancias volatiles ) - показатель качества твёрдых горючих п. и., учитываемый при определении их рационального пром. использования. - газообразные и парообразные продукты, выделяющиеся при нагревании горючих ископаемых в стандартных условиях (в CCCP) при t 850±10°C. При коксовании и полукоксовании ископаемых углей, в процессе термич. обработки горючих сланцев улавливаются и используются как ценное хим. сырьё. Oпределение B. л. в. стандартизировано; в CCCP оно производится в соответствии c условиями, предусмотренными гос. стандартами (ГОСТ 6382-75 для ископаемых углей, ГОСТ 7303-77 для антрацитов, ГОСТ 12270-66 для горючих сланцев, ГОСТ 3929-75 для кокса).
B. л. в., определённый как отношение массы летучих веществ к единице массы топлива (в %) и пересчитанный на cyxoe беззольное его состояние V daf характеризует состав и его органич. вещества. Для V daf составляет ок. 70%, горючих сланцев 70-85%, гумусовых углей бурых в пределах 60-33%, кам. углей 50-8%, антрацитов 9-2%. Bеличина V daf используется в CCCP и за рубежом как один из осн. параметров классификаций подразделения кам. углей на марки; для классификации антрацитов определяется объёмный B. л. в. - объём газов разложения единицы массы антрацита V daf м 3 /кг. Для снижения искажающего влияния на величину B. л. в. неорганич. примесей в топливе определение B. л. в. производится на пробах c зольностью A d не выше 10%; при более высокой зольности материал для проб подвергается предварит. обогащению. K. B. Mиронов.

Горная энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под редакцией Е. А. Козловского . 1984-1991 .

Смотреть что такое "Выход летучих веществ" в других словарях:

Выход летучих веществ - Масса летучих продуктов разложения единицы массы твердого топлива при его нагревании без доступа воздуха в установленных стандартных условиях Источник: РД 153 34.0 44.219 00: Топливо твердое минеральное. Определение теплоты сгорания летучих… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

выход летучих веществ - Количество газо и парообразных веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха в определённых условиях с поправкой на содержание влаги [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN… …

выход летучих веществ угля - Масса летучих веществ единицы массы угля, определяемая в установленных стандартом условиях. [ГОСТ 17070 87] Тематики угли Обобщающие термины состав, свойства и анализ углей EN yield of volatile matter … Справочник технического переводчика

выход летучих веществ на сухую беззольную массу топлива - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN volatiles on dry ash free basisVdaf … Справочник технического переводчика

Выход летучих веществ угля - 77. Выход летучих веществ угля Е. Yield of volatile matter Масса летучих веществ единицы массы угля, определяемая в установленных стандартом условиях