В настоящей книге угли рассматриваются как объект испытаний, который обладает рядом особенностей, затрудняющих проведение анализов и делающих оценку качества углей сложной задачей.
Одна из таких особенностей – исключительная неоднородность состава и свойств углей, независимо от того, поступил ли на испытание уголь непосредственно из пласта или это товарная проба. В общем виде уголь можно определить как неоднородную смесь сложного и непостоянного состава. Анализ таких естественных смесей особенно труден, если в состав смесей входят органические и минеральные составляющие. К таким смесям невозможно подобрать модельные вещества (или смеси) для проверки правильности результатов при разработке методов испытаний.
Помимо неоднородности состава угли характеризуются склонностью к окислению, непостоянной влажностью и другими особенностями.
В классической аналитической химии обычно определяют абсолютные величины, например, содержание элементов в веществе, количество функциональных групп и др. Абсолютные величины могут быть получены с разной степенью точности в зависимости от возможностей применяемого метода.
Известные методы аналитической химии можно применять в углехимии для определения состава твердых топлив, например, для определения углерода, водорода, азота, серы, хлора, фосфора, мышьяка.
Однако недостаточно знать теоретические основы методов. Следует учитывать особенности углей и вносить изменения даже в классические методы анализа. Например, необходимо учитывать, что определяемые элементы находятся в углях в различных формах. Так, азот встречается в аминной, амидной формах и в виде гетероциклических соединений основного характера, причем последние с трудом разлагаются в условиях стандартного метода Кьельдаля, затрудняя определение содержания азота в антрацитах и коксах.
В углехимии широко распространены методы, специально разработанные для характеристики свойств углей. Особенность этих методов — относительность получаемых величин. Это выражается в том, что результат определения зависит от условий проведения анализа и изменяется даже при незначительном изменении методики, конструкции аппаратуры и т. д.
Методы определения таких параметров для краткости называют относительными. Относительными являются некоторые методы технического анализа (определение влажности, зольности, выхода летучих веществ), методы оценки размолоспособности углей, спекаемости и коксуемости.
Например, при использовании тиглей разных размеров или с нефиксированной толщиной стенок можно получить величины выхода летучих веществ, при прочих равных условиях, с расхождениями выше допустимых. При определении зольности изменение формы и размера тиглей (при соблюдении требований к толщине слоя пробы) не влияет на результат, но изменение температурного режима сожжения изменяет не только выход, но и состав золы.
До настоящего времени большинство методов испытания углей остаются относительными. Это связано с историей их создания. Как было по казано в Предисловии, методы оценки качества углей были разработаны из потребностей производства и были к нему непосредственно привязаны. Технологам на производстве надо было знать заранее, как будет вести себя уголь того или иного месторождения, участка, пласта при сжигании или переработке. Для эффективного использования угля необходимо было определить ряд его свойств. Например, уголь при пиролизе выделяет летучие вещества, некоторые угли при нагревании переходят в пластическое состояние, спекаются, при хранении окисляются и т. д. Для того чтобы оценить эти свойства, в 20–30х годах прошлого века были придуманы многие методы испытаний, которые моделировали основные процессы, происходящие при переработке углей.
В основе известных методов анализа углей лежат особенности свойств твердых топлив. Некоторые методы были разработаны специально для оценки качества углей. Например, методы определения выхода летучих веществ и выхода продуктов полукоксования применяются только в углехимии.
Для получения сравнимых результатов необходимо было унифицировать условия проведения этих анализов, что и было сделано с помощью стандартизации методов испытания углей.
Однако стандартизация условий определения не позволила преодолеть все трудности проведения испытаний, поскольку «неунифицированным» оставался состав углей.
Различные по маркам угли отличаются по составу органической массы, а угли различных бассейнов — по составу минеральной массы. Соотношение минеральной и органической частей угля (т. е. величина зольности) может влиять на результат анализа. Г. Л. Стадников считал, что результаты определения углерода и водорода в углях с зольностью выше
5% вызывают сомнения [1]. Разные формы серы ведут себя по-разному при определении содержания общей серы методом Эшка, и вероятность потерь серы при спекании навески и их величина зависят от соотношения форм серы в составе углей (§ 10.2).
Таким образом, проведение испытаний с помощью стандартных методов дает возможность получать воспроизводимые результаты, но правильность полученных цифр часто остается неподтвержденной. При проведении серийных анализов углей одного бассейна, разреза, пласта этим недостатком методов испытаний можно пренебречь, так как возможная систематическая ошибка определения не мешает сравнивать результаты анализа. Если анализируют разные угли различных бассейнов, то необходимо оценивать возможные ошибки при определении показателей качества.
Любой стандарт на метод анализа содержит описание условий определения, но для квалифицированного проведения анализа и для оценки возможных ошибок необходимо понимание сущности метода и тех процессов, которые протекают в угле при проведении испытания.
Для того чтобы помочь в решении этих задач, каждая глава настоящей книги начинается с основных представлений о теоретических основах метода, химизме протекающих процессов и возможных ошибках, связанных с составом анализируемых углей.
Следует обратить особое внимание на общие приемы работы с углями при отборе, приготовлении, хранении проб и анализе. Эти приемы были выработаны многолетней практикой работы с твердыми топливами.
Использование этих приемов позволяет преодолеть негативное влияние указанных особенностей углей (неоднородность, склонность к окислению, изменение влажности в процессе хранения угля и приготовления проб).
Общие приемы работы с углями не приводятся в стандартах на конкретные методы анализа, поэтому в настоящей книге им уделено особое внимание. В главах, касающихся отбора проб и определения влаги, подробно описаны специальные приемы, обязательные при работе с углями.
Без соблюдения этих правил работы достичь воспроизводимости результатов испытаний углей невозможно. Приведем в качестве примера простейшую операцию: необходимо отобрать представительную порцию угля от измельченной пробы, помещенной в банку. Существует единственно правильный способ проведения данной операции: высыпать из банки весь уголь на противень, тщательно перемешать и отобрать часть пробы квартованием или методом выборки.
Запрещается отсыпать уголь через край банки или отбирать шпателем даже после тщательного перемешивания.
Примечание: Разрешается отбирать шпателем навеску для анализа после тщательного перемешивания аналитической пробы (желательно механическим способом). Представительность навески сохраняется при следующем соотношении:Существует ряд приемов, с помощью которых преодолевается влияние неоднородности углей. Углехимик должен достичь в выполнении этих приемов сознательного автоматизма. Это означает, что при работе с угля ми необходимо постоянно помнить об их особенностях и автоматически применять специальные приемы (§ 4.6).
