Первые методы испытания углей были разработаны более ста лет назад. Знания о зольности топлив, содержании влаги и выходе летучих веществ стали необходимыми при создании опытных и полупромышленных установок по использованию и переработке ископаемых углей. Методы оценки качества углей были разработаны, исходя из потребностей производства, и максимально приближены к нему.
В 20–30-х годах прошлого столетия шли процессы бурного развития углехимической науки, закладывались основы новых отраслей угольной промышленности (полукоксование, газификация, экстракция, брикетирование) и совершенствовались традиционные отрасли (энергетика и коксование). Огромный вклад в развитие углехимии внесли крупнейшие ученые нашей страны (Г. Л. Стадников, Н. А. Орлов, Ю. А. Жемчужников, В. С. Крым, Е. В. Раковский, Н. М. Караваев и др.). Углубленное изучение природы, состава и свойств ископаемых углей и продуктов их переработки дало мощный толчок развитию многих научных направлений в химии и технологии твердых топлив.
Тогда же появилась новая наука – аналитическая химия ископаемых углей, которая развивалась по двум направлениям:
• разработка методов анализа и испытания углей для оценки качества;
• разработка методов научного исследования твердых топлив
В первую группу вошли методы определения показателей качества углей, которые необходимы для характеристики углей с точки зрения их рационального использования и переработки. Эти методы были унифицированы, и многие из них почти не изменились со времени их создания. Позднее большинство методов испытания углей было стандартизовано, а национальные стандарты приведены в соответствие (гармонизированы) с требованиями международных стандартов.
Ко второй группе относятся методы, применяемые при научных исследованиях в углехимии, причем в разные периоды развития аналитической химии это были совершенно разные методы анализа: от простейших фракционных разгонок, экстракции, определения функциональных групп химическими методами до современных методов рентгеноструктурного анализа, дериватографии, а также рентгеноспектрального флуоресцентного и нейтронно-активационного анализа.
В аналитической химии ископаемых углей эти две группы методов, имея один и тот же объект изучения, сохраняют свое самостоятельное значение. С помощью методов первой группы по-прежнему определяют потребительские свойства и качество твердых топлив, а методы научного исследования углей применяют для изучения состава, строения и структуры углей.
В истории углехимии известны случаи, когда методы научного исследования углей со временем становились стандартными методами испытания углей. Так, в начале XX в. для изучения микроструктуры углей были разработаны описательные методы петрографического анализа. Глубокое изучение этих методов и развитие приборного обеспечения привело к разработке количественных методов петрографического анализа и созданию метода определения показателя отражения витринита, которые затем были стандартизованы во всем мире.
Первые руководства по аналитической химии углей включали методы, применяемые как для научного исследования углей, так и для оценки их качества, например, монография Г. Л. Стадникова «Анализ и исследование углей» [1]. В дальнейшем авторы включали в руководства только методы испытания углей для оценки качества [2–6]. В основном это были стандартные методы, пригодные для оценки потребительских свойств углей.
Стандарты на методы испытаний содержат перечень требований, предъявляемых к проведению испытания, а руководства – теоретическое обоснование выбора методик, критическую оценку методов, возможные ограничения, практические советы и указания по технике проведения анализа, а также возможные ошибки и недостатки методов анализа. Эти руководства дополняют существующие стандарты на методы испытания углей.
Для оценки качества углей как сырья для промышленного использования представляют интерес некоторые нестандартные методы испытаний, например, определение угла естественного откоса, теплоты смачивания, механических свойств тонкоизмельченной массы и др. Эти и многие другие нестандартные методы анализа, первоначально описанные в периодических изданиях, были собраны, подробно и критично рассмотрены в книге Е. М. Тайца [7]. Библиографический аппарат книги насчитывает более 50 ссылок.
В настоящей книге рассмотрены современные стандартные методы испытания углей, которые используются для общей физико-химической характеристики потребительских свойств углей. Собраны методы, необходимые для оценки качества углей при разных способах использования твердого топлива (энергетика, коксование, технологические способы переработки), а также при разведке и добыче.
Для вдумчивого и квалифицированного выполнения стандартных углехимических анализов на столе химика-аналитика должны находиться действующие стандарты и настоящее руководство.
В главе «Классификации углей» рассмотрены существующие системы классификаций и кодификаций углей. Объединение в одной книге методов испытаний и классификаций углей естественно и закономерно, поскольку классификации – это системы, основанные на результатах изучения углей современными методами. Несмотря на разнообразие углей, в классификационной системе каждый уголь должен найти свое совершенно определенное место, отвечающее его химической природе, происхождению и способу эффективного использования.
Создание классификации углей – одна из самых сложных задач в науке об углях. Чем глубже знания о химической природе углей и совершеннее методы анализа, тем теснее взаимосвязь генетических и технологических параметров классификации, а чем теснее эта связь, тем совершеннее классификация и надежнее выводы, сделанные на ее основе.
В книге обобщен опыт работы аналитической лаборатории и Испытательного центра Института горючих ископаемых (г. Москва).
Современные методы анализа углей основаны на принципах, которые были заложены основоположниками аналитической химии твердых топлив – сотрудниками Института горючих ископаемых (ИГИ) – профессорами Г. Л. Стадниковым, Н. Г. Титовым, Л. М. Сапожниковым, И. В. Ереминым, Е. М. Тайцем и др.
Авторы настоящего руководства – сотрудники ИГИ – сохранили традиции института в области анализа твердых топлив, которые заключаются в умении правильно работать с углями, добросовестно и осмысленно относиться к результатам анализа. Опыт и традиции ИГИ нашли свое отражение в настоящей книге.
Глава 22 и 23.1–23.5 настоящей книги написаны к.т.н. Т. М. Броновец.
Авторы приносят благодарность Н. Н. Игнатовой (ИГИ), Д. Д. Журавлевой (ВУХИН), Д. В. Митронову (ИГИ), В. Н. Суховой (ВТИ), В. С. Яковлевой (ВТИ) за ценные замечания и советы, сделанные при чтении рукописи.
Авторы признательны сотрудникам ИГИ Л. Б. Матвеевой, Н. Г. Захаровой и Т. А. Устиновой за помощь в подготовке рукописи.
И. В. Авгушевич, Москва, ИГИ, февраль 2008 г.