Спекаемость угля — это свойство угля переходить при нагревании без доступа воздуха в пластическое состояние с образованием связанного нелетучего остатка (ГОСТ 17070–2014 «Угли. Термины и определения»).
Способностью спекаться обладает определенная группа каменных углей. Бурые угли и антрациты при нагревании без доступа воздуха не переходят в пластическое состояние и не спекаются.
Спекание углей представляет собой сложный комплекс химических, физико-химических и физических процессов, в котором условно можно выделить две группы явлений [39]:
• переход в пластическое состояние, структурирование и отверждение пластической массы углей; • собственно спекание, т.е. физическое и химическое сращивание остаточного материала угольных зерен.Переход угля в пластическое состояние происходит в результате пиролиза, т.е. превращения под действием высокой температуры без доступа воздуха. При этом протекают первичные реакции термической деструкции, химические связи в молекулах угольных веществ разрываются и образуются активные промежуточные продукты — радикалы. Эти продукты взаимодействуют между собой — протекают вторичные реакции синтеза. Первичные и вторичные реакции составляют единый процесс, который называют необратимой радикальной поликонденсацией. Благодаря этому процессу угли спекаются [35, 39, 40].
Спекающиеся каменные угли переходят в пластическое состояние при температуре выше 300°С. При этом непрерывно образуются парогазовые, жидкие и твердые продукты. Часть парогазовых продуктов постоянно удаляется из зоны реакции. Жидкие продукты вместе с твердыми остаточными продуктами и не удалившейся частью парогазовых продуктов образуют пластическую угольную массу. При образовании пластической массы угольные зерна становятся пластичными или вязкотекучими. В результате их течения увеличивается поверхность контакта между зернами и усиливается плотность контакта. Это приводит к более активному физико-химическому взаимодействию промежуточных продуктов пиролиза по поверхности контакта угольных зерен и обеспечивает их спекание [35, 39, 40].
При повышении температуры в процессе пиролиза угля количество и состав образующихся продуктов изменяются, поэтому меняются свойства пластической массы. При температуре 500–550°С пластическая масса затвердевает и образуется спекшийся твердый остаток — полукокс. Это завершает спекание.
Спекаемость углей зависит от стадии метаморфизма, петрографического состава и степени восстановленности, а также от условий предварительной подготовки и нагревания углей.
Изменение спекаемости витринитовых углей в генетическом ряду (от марки ДГ до марки ТС) происходит по кривой с максимумом в области значений показателя отражения витринита Ro,r = 1,0–1,3 %. Поэтому угли низких и высоких стадий метаморфизма могут иметь близкие значения показателей спекаемости, но существенно различаться по технологическим свойствам. Например, при одинаковых значениях показателя толщины пластического слоя y = 10 мм (ГОСТ 1186–2014) уголь в зависимости от стадии метаморфизма может относиться как к газовому (марка Г) класса 07 (Ro,r = 0,70–0,79 %), так и к отощенному спекающемуся (марка ОС) класса 15 (Ro,r = 1,50–1,59 %). Следовательно, для надежной оценки спекаемости угля необходимо наряду с показателем спекаемости, определенным тем или иным методом, учитывать стадию метаморфизма испытуемого угля [35].
Из групп мацералов каменных углей определяющую роль в процессе спекания играют витринит и липтинит (§ 21.3.2). Инертинит не способен переходить в пластическое состояние и спекаться. Семивитринит занимает промежуточное положение, так как он может хорошо спекаться в пределах всего объема мацерала, но не участвует в спекании других мацералов и не способствует спеканию отдельных зерен угля.
Влияние восстановленности проявляется в различии спекаемости углей одинаковой стадии метаморфизма и близкого петрографического состава. Это обусловлено, главным образом, соотношением водорода и кислорода и их связями в структуре органической массы угля.
Существенное влияние на спекаемость углей оказывают три технологических фактора: скорость нагревания, крупность зерен угля и механическое или газовое давление на уголь.
При повышении скорости нагревания увеличивается текучесть пластической массы, она становится термически более устойчивой, т. е. уголь более продолжительное время находится в пластическом состоянии. Это приводит к улучшению спекаемости.
При медленном нагревании спекаемость углей уменьшается. Очень медленный нагрев, например, со скоростью в тысячные доли градуса в 1 мин, может привести к тому, что даже хорошо спекающиеся угли совсем перестают спекаться.
При увеличении крупности зерен спекающихся углей повышается их способность переходить в пластическое состояние. Это приводит к улучшению спекаемости. Наоборот, при очень тонком измельчении спекаемость сильно снижается в результате быстрого удаления образующихся при пиролизе промежуточных продуктов. Это явление называется «самоотощением» углей.
Действие давления на уголь сходно с действием, которое оказывает изменение его крупности. При увеличении механического или газового давления увеличивается плотность контакта между угольными зернами, что улучшает спекаемость углей.
Коксуемость угля — свойство измельченного угля спекаться с последующим образованием кокса с установленной крупностью и прочностью кусков (ГОСТ 17070–2014).
Спекание заканчивается при температуре 500–550°С с образованием полукокса; при дальнейшем нагревании (до температуры 1000°С и выше) образуется твердый углеродистый продукт — кокс. При оценке коксуемости углей учитывают выход кокса, его механическую прочность, а также размеры кусков и равномерность по размерам кусков.
При этом важно знать, как ведет себя уголь при коксовании в смеси с другими углями.
