Твердое топливо всех видов содержит примесь минеральных веществ, которые составляют его минеральную массу. По своему происхождению минеральные вещества углей можно разделить на внутренние, которые были накоплены в процессе образования пластов угля, и внешние, попавшие в топливо при его добыче из окружающих пород (кровли, почвы, прослойков пласта). Содержание внутренних минеральных веществ более или менее постоянно для углей данного месторождения и незначительно по сравнению с внешними минеральными примесями, содержание которых зависит от способа добычи угля.
Минеральная масса углей представляет собой смесь разнообразных неорганических веществ.
В большинстве случаев ее основу составляют силикаты алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия, главным образом в виде глинистых минералов, и кремнезем (кварц).
В минеральной массе угля часто встречаются дисульфиды железа (пирит и марказит), карбонаты кальция, магния (кальцит, доломит) и железа (сидерит), сульфаты кальция (гипс), железа и алюминия, оксиды железа, кальция, хлориды, а также соединения редких и рассеянных элементов. В особую группу выделяют органоминеральные соединения углей, например, соли гуминовых кислот, гуматы.
При сжигании топлива его органическая масса удаляется в виде СО2 и Н2О, а минеральные компоненты, подвергаясь ряду превращений, образуют золу.
Зола – неорганический остаток после полного сгорания угля. Масса образующейся золы, или зольность, зависит от содержания и состава минеральной массы углей, а также условий их сжигания.
При озолении угля в лабораторной муфельной печи протекают следующие основные процессы превращения минеральных компонентов углей.
1. Дегидратация, т.е. удаление гидратной влаги из алюмосиликатов (глин), оксидов и гидроксидов железа (гематитов) при температуре выше 500°C с образованием Аl2О3, SiO2, Fe2O3 и Н2О, а также из гипса:
CaSO4·2H2O =500 °C CaSO4 + 2H2O (6.1)2. Разложение карбонатов с выделением диоксида углерода в интервале температур 500–900°C:
Ca(Mg, Fe)CO3 = Ca(Mg, Fe)O + CO2 (6.2)3. Окисление дисульфидов железа (пирит, марказит) начинается при 400–500°C:
4FeS2 + 11О2 = 2Fe2O3 + 8SO2 (6.3)4. Разложение сульфата железа протекает при 850–950°C:
2FeSO4 = 2FeO + 2SO2 + О2 (6.4)Сульфат кальция начинает разлагаться при 1300°C, однако уже при 1100°C он реагирует с кремнеземом и алюмосиликатами с выделением SO2.
5. Улетучивание хлоридов и соединений щелочных металлов происходит при температуре выше 500°C.
6. Образование сульфата кальция происходит в интервале температур 700–1100°C:
2СаО + 2SO2 + О2 = 2CaSO4 (6.5)Эта реакция протекает по мере выделения SO2 при сгорании органической серы и окислении дисульфида железа, а также разложения карбонатов, содержащихся в минеральной массе углей.
7. Окисление соединений Fe2+ до Fe3+:
4FeO + O2 = 2Fe2O3 (6.6)Этот процесс происходит обычно после полного сожжения органической массы углей и является основной причиной увеличения массы золы при контрольных прокаливаниях.
При рассмотрении реакций, происходящих в минеральной массе при озолении углей, можно сделать следующие общие выводы:
1. В процессе сжигания углей и прокаливания остатка химический состав минеральной массы значительно изменяется, поэтому масса и состав золы никогда не бывают равны массе и составу минеральных веществ угля*.
* Нельзя говорить о содержании золы в топливе, так как зола в топливе не содержится, а образуется при его сжигании. Можно говорить только о зольности угля или выходе золы при сжигании.2. Среди реакций, протекающих в минеральной массе при озолении углей, преобладают реакции разложения, поэтому зольность угля всегда получается несколько меньше, чем содержание минеральной массы.
3. Каждая из приведенных реакций протекает на определенных стадиях озоления угля, в определенном интервале температур. В соответствии с этим масса и состав золы, полученной при озолении одного и того же угля, при разных температурах, например, при 500, 800 и 1000 °C, будут отличаться друг от друга.
Отсюда следует, что зольность угля – понятие в известной мере условное, так как масса и состав золы зависят в основном от условий озоления топлива и, прежде всего, от конечной температуры прокаливания и скорости озоления. Для того чтобы иметь возможность сравнивать угли по зольности, необходимо определять этот параметр в одинаковых (стандартных) условиях.
Зольность – важнейший показатель качества углей, от которого во многом зависит выбор путей их использования. В основе процессов обогащения лежит разделение углей по величине зольности.
Зольность является параметром, необходимым для оценки качества углей, и поэтому определение зольности в углехимических лабораториях является обязательным.
