Авгушевич И.В., Сидорук Е.И., Броновец Т.М.
Стандартные методы испытания углей. Классификации углей

#

Вернуться к оглавлению

Глава 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАГИ В УГЛЯХ

§ 5.1 Основные представления о влаге углей

Влага угля в пласте в его естественном залегании называется пластовой. Обычно пласты угля содержат воду в значительно большем количестве, чем это свойственно природе и возрасту угля, поэтому содержание пластовой влаги зачастую не является характерным для угля показателем.

Кусок угля, добытый из пласта, теряет на воздухе влагу, находящуюся на внешней поверхности куска, так называемую влагу смачивания, или свободную. После удаления этой влаги в куске свежедобытого угля, который полностью насыщен водой, остается влага, свойственная данному углю, его химической природе, петрографическому составу и степени углефикации. Содержание этой влаги в угле (влагосодержание) можно приблизительно оценить с помощью такого показателя, как максимальная влагоемкость [ГОСТ 8858–93 (ИСО 1018–75)].

Понятие «влагосодержание» угля объединяет влагу различных видов. Кусок угля пронизан трещинами, а также закрытыми и открытыми порами (капиллярами) различных размеров. Из-за высокой пористости внутренняя поверхность 1 г угля достигает нескольких десятков квадратных метров. На внешней и внутренней поверхностях угля сорбируются молекулы воды. Различают наиболее прочно удерживаемый мономолекулярный слой и последующие слои молекул воды, связь которых с поверхностью угля постепенно ослабевает. Эта адсорбционно-связанная вода образует пленку на внешней и внутренней поверхностях угля, на стенках трещин и пор. Кроме того, в недрах, где пласты угля обводнены, трещины и поры заполняются водой (капиллярная влага). Уголь в залежи насыщается водой в течение всего процесса углефикации, поэтому в куске свежедобытого угля не только открытые, но и закрытые поры (не сообщающиеся с внешней средой) заполнены водой. Влага закрытых пор удаляется только после измельчения угля.

Гидратная вода входит в состав минеральной части углей в виде
кристаллогидратов, например, глин (алюмосиликаты состава

#

Таким образом, вода в угле находится в различных состояниях: в виде капель, пленок, молекул, адсорбированных на поверхности, в виде капиллярной влаги, а также может входить в состав минеральной части угля. Эти виды влаги не равноценны по прочности связи между водой и углем и, соответственно, обладают разными свойствами.

Механически наименее прочно связана с углем свободная влага, остающаяся на внешней поверхности кусков угля после смачивания их водой. Эта влага угля обладает свойствами обычной воды. Адсорбционная влага связана с внешней и внутренней поверхностями угля силами молекулярного взаимодействия, и поэтому по своим свойствам она отличается от обычной воды: ей свойственны пониженная упругость пара, повышенная плотность, неспособность растворять электролиты и пониженная температура замерзания (для мономолекулярного слоя –70 °C). С ростом числа слоев молекул воды прочность связи с поверхностью угля ослабевает, и свойства адсорбционной влаги постепенно приближаются к обычной воде. Отсюда ясно, что невозможно провести четкое разделение влаги в порах на адсорбционную и капиллярную.

Наиболее прочно удерживается углем химически связанная гидратная влага, которая не удаляется при определении влажности угля высушиванием и может быть выделена только при разложении минеральной части угля. Поэтому ни в один из параметров, характеризующих влажность угля, гидратная влага не входит. Отсутствие четких границ между отдельными видами влаги затрудняет их количественное определение. Для удобства определения влаги в угле и в соответствии с принятыми на практике методами анализа влагу угля подразделяют на влагу внешнюю и влагу воздушно-сухого топлива.

Влага внешняя – часть общей влаги топлива, которая удаляется при его высушивании до воздушно-сухого состояния.
Влага воздушно-сухого топлива – часть общей влаги топлива, которая остается в нем после высушивания до воздушно-сухого состояния. Для характеристики влажности угля в целом (влагосодержание угля) используют термин «влага общая» – общее содержание внешней влаги и влаги воздушно-сухого топлива.

Такое деление, с точки зрения представления о видах влаги, можно оценить следующим образом. При высушивании угля на воздухе удаляется свободная влага с внешней поверхности кусков и капиллярная влага из открытых трещин и пор (внешняя влага). В воздушно-сухом угле остаются капиллярная влага закрытых пор, адсорбционная и гидратная влаги. При высушивании измельченного угля при 105 °C удаляются капилярная влага из пор, вскрытых при измельчении, и адсорбционная влага.

Для того чтобы правильно оценить результаты анализа угля, необходимо знать влажность той пробы, в которой непосредственно проводится определение показателей. С этой целью было введено понятие «влага аналитической пробы», т.е. содержание влаги в пробе крупностью менее 212 мкм (0,2 мм).

Подготовка аналитической пробы угля для проведения анализа включает, помимо измельчения, доведение ее до воздушно-сухого состояния. Подсушивание аналитической пробы на воздухе до постоянной массы происходит в нестандартных условиях лабораторного помещения. Влага аналитической пробы является нестабильной величиной и служит только для пересчетов результатов анализа.

Среди углехимиков нет единого мнения об определении термина «аналитическая проба». Имеют хождение два определения: аналитическая проба – проба, измельченная до крупности менее 0,2 мм, и аналитическая проба – воздушно-сухая проба, измельченная до крупности менее 0,2 мм.
В стандарте ISO 1213-2:2016, п. 3.90, дано такое определение: «Аналитическая проба для общего анализа (general analysis test sample) – проба, измельченная до прохождения через сито с номинальным размером отверстий 212 мкм в соответствии со стандартом ISO 3310-1, используемая для определения большинства физических и химических показателей твердого минерального топлива».
Основной признак понятия «аналитическая проба» – крупность измельчения. Воздушно-сухое состояние пробы не является обязательным требованием, хотя неустойчивое по влажности состояние аналитической пробы затрудняет проведение анализов (§ 4.6).

Содержание влаги в измельченном угле зависит от природы топлива и степени его измельчения, а также от температуры и относительной влажности атмосферы помещения. Для получения сравнимых величин влажности было предложено унифицировать условия доведения угля до равновесного состояния и ввести понятия «гигроскопическая влага угля» и «максимальная влагоемкость».

Гигроскопическая влага угля – это влага аналитической пробы, находящейся в равновесном состоянии с атмосферой, относительная влажность которой составляет (60±2)% при температуре (20±5) °C (ГОСТ 8719–90).
Гигроскопическая влага – один из немногих стабильных показателей влажности – зависит от свойств конкретного угля (пористости, свойств поверхности, количества и качества минеральной массы и др.), но не зависит от параметров атмосферы помещения, в котором проводят определение. Поэтому величину гигроскопической влаги помещают в справочники по качеству топлив взамен аналитической влаги. Эта величина, наряду с максимальной влагоемкостью, является характеристикой топлива, определяющей его положение в ряду углефикации.

При определении гигроскопической влаги по ГОСТ 8719–90 навеску аналитической пробы угля кондиционируют, т.е. доводят до постоянной массы при относительной влажности (60±2)% и температуре (20 ±5) °C.
Для этого бюксы с навесками (по 2 г) выдерживают в эксикаторе с водным раствором серной кислоты плотностью 1,285–1,302 г/ см3 при (20±5) °C в течение 24 часов. Эти условия обеспечивают относительную влажность воздуха в эксикаторе (60±2)%. Контрольные выдерживания в эксикаторе по 24 ч проводят до тех пор, пока изменение массы навески при двух последовательных взвешиваниях будет менее 0,005 г.

Содержание влаги в кондиционированном угле определяют стандартным методом высушивания навески на воздухе при 105–110 °С. Полученная величина представляет собой гигроскопическую влагу угля.
Максимальная влагоемкость угля – содержание общей влаги в угле в состоянии полного насыщения его водой в установленных стандартом условиях [ГОСТ 8858–93 (ИСО 1018–75)].

Состояние угля с влажностью, равной максимальной влагоемкости, имитирует состояние свежедобытого угля, насыщенного водой, с поверхности которого удалена свободная влага. Когда отбор проб из пласта или от свежедобытого угля без потери влаги затруднен или вообще невозможен, для характеристики влажности топлива и для некоторых расчетов используют величину максимальной влагоемкости, которая дает представление о величине пластовой влаги или общей влаге свежедобытого угля.

Максимальная влагоемкость углей – показатель, который зависит от положения угля в ряду углефикации, но не зависит от условий, в которых проводится его определение. Вследствие этого максимальная влагоемкость может служить классификационным параметром. Так, в классификации по ГОСТ 25543–2013 бурые угли подразделяют на типы по величине максимальной влагоемкости, рассчитанной на беззольное состояние топлива.

#

Максимальную влагоемкость углей определяют по ГОСТ 8858– 93 (ИСО 1018–75), причем максимальную влагоемкость бурых углей определяют из лабораторной пробы, а каменных – из аналитической.

Сущность метода определения максимальной влагоемкости бурых углей заключается в определении массовой доли общей влаги после насыщения угля водой и удаления свободной поверхностной влаги фильтрованием и двукратным отжатием под прессом.
Навеску (50 г) бурого угля (0–3 мм) помещают в дистиллированную воду, перемешивают и встряхивают в течение 30 мин. Уголь отфильтровывают под вакуумом, переносят в матрицу пресса на фильтровальную бумагу и отжимают воду с помощью груза массой 10 кг. Через 15 мин уголь извлекают из матрицы, перемешивают и повторяют отжатие в прессе в течение 5 мин. В угле, насыщенном водой, но без свободной влаги, определяют массовую долю общей влаги одноступенчатым методом – высушиванием навески 10 г при 105–110 °С до постоянной массы. Полученную величину общей влаги (%) принимают за максимальную влагоемкость бурого угля.

Сущность метода определения максимальной влагоемкости каменных углей заключается в определении массовой доли общей влаги после насыщения угля водой, удаления свободной поверхностной влаги фильтрованием и кондиционирования угля при относительной влажности 96% и температуре 30 °С. Кондиционирование можно проводить при атмосферном или пониженном давлении.

Кондиционирование осуществляют в термостатированном при 30 °С аппарате, в который помещают насыщенный раствор (пульпу) сульфата калия.

Навеску аналитической пробы каменного угля (20 г) помещают в дистиллированную воду, перемешивают несколько минут и отфильтровывают. Уголь помещают между листами фильтровальной бумаги и отжимают воду с помощью груза массой 10 кг. Через 10 мин навески угля (1–2 г) помещают в предварительно взвешенные бюксы, взвешивают и ставят в аппарат для кондиционирования. Кондиционирование проводят несколько часов, после чего бюксы взвешивают и помещают в сушильный шкаф для определения массовой доли влаги высушиванием при 105–110 °С на воздухе или в токе азота по методу определения аналитической влаги (§ 5.4).

Максимальную влагоемкость каменного угля рассчитывают, как массовую долю влаги в кондиционированном угле.

#

Вернуться к оглавлению

testcoals.ru 2019