В отличие от влагомеров (§ 5.7) и золомеров (§ 6.5), которые предназначены для инструментального оперативного контроля на угольных предприятиях, в настоящей главе рассмотрены приборы для одновременного определения показателей технического анализа в лаборатории из аналитической пробы угля.
При необходимости проводить большой объем технических анализов углей, определение влажности, зольности и выхода летучих веществ стандартными методами занимает много времени, ручного труда, площадей и оборудования.
Для ускорения испытания углей традиционные стандартные аналитические методы были заменены анализаторами для одновременного определения влажности, зольности и выхода летучих веществ.
При создании приборов такого типа надо было решить множество очень сложных задач. Методы определения влажности, зольности и выхода летучих веществ, как известно, являются относительными, результаты технического анализа зависят от множества факторов, и даже незначительное изменение стандартных условий определения приводит к другим значениям этих показателей. Поэтому для разработки программ, при выполнении которых с высокой степенью надежности, точности и воспроизводимости получаются такие же результаты, как при использовании стандартных методов, потребовалось много лет.
За отправные точки при создании и градуировке приборов были взяты результаты, полученные методами, регламентированными в стандартах ИСО и, соответственно, в российских национальных стандартах, гармонизованных с требованиями действующих международных стандартов.
Для того чтобы определять опорные значения (§ 4.6, п. 7) влажности, зольности и выхода летучих веществ и иметь возможность сравнивать качества углей по этим показателям, необходимо было выбрать по одному стандартному методу для каждого параметра и документально зафиксировать этот выбор.
С этой целью был разработан и введен в действие специальный* стандарт ISO 17246:2010 «Coal. Proximate analysis» («Уголь. Технический анализ»).
* Стандарт ISO 17246:2010 представляет собой новую форму нормативного документа: стандарт на стандарты.В настоящее время в России действует национальный стандарт ГОСТ Р 53357–2013 (ИСО 17246:2010) «Топливо твердое минеральное. Технический анализ», гармонизированный с модифицированной степенью соответствия. Стандарт распространяется на все виды твердого минерального топлива и устанавливает стандартные методы проведения технического анализа, предназначенные для сравнительных испытаний и оценки качества топлива на предприятиях угольной промышленности.
В этом стандарте установлено, что в понятие «технический анализ» входят показатели влажности, зольности, выхода летучих веществ и расчет нелетучего углерода; там же регламентировано по одному известному стандартному методу определения показателей технического анализа.
Пробу для проведения технического анализа приготавливают в соответствии с требованиями стандартов на методы определения показателей технического анализа (табл. 9.1). Показатели технического анализа определяют из аналитической пробы топлива, доведенной до воздушно-сухого состояния.
В табл. 9.1 приведены показатели технического анализа и номера национальных и межгосударственных стандартов на методы их определения, гармонизированные с требованиями международных стандартов с модифицированной степенью соответствия.
Пятым параметром технического анализа является нелетучий углерод, Cf (§ 8.2) – расчетная величина, численно равная:
Cf a = 100 — (W a + A a + V a ) (9.1)В табл. 9.2 в качестве примера представлены результаты технического анализа угля (по ГОСТ Р 53357).
В основе современных анализаторов для определения влажности, зольности и выхода летучих веществ углей лежат закономерности термогравиметрического анализа.
Сущность термогравиметрического анализа заключается в определении потери массы при нагревании пробы в разных условиях. Приборы для термогравиметрического анализа допускают высокую степень автоматизации при сохранении необходимой точности измерения.
Применение термогравиметрических анализаторов, например, таких, как анализаторы ТGА фирмы LECO (США), значительно увеличивают производительность работы лаборатории за счет полной автоматизации анализов. Термогравиметрический анализатор способен определять одновременно влажность, зольность и выход летучих веществ в 19 аналитических пробах углей при использовании одной печи и в 38 пробах – при работе с двумя печами.
Полная автоматизация анализа достигается за счет использования печи оригинальной конструкции и высокопроизводительной системы взвешивания. Внутри печи расположены чашечки для взвешивания тиглей и карусель с пневматическим механизмом для образцов, позволяющая загрузить до 19 проб. Карусель с загруженными керамическими или кварцевыми тиглями автоматически фиксирует каждый тигель в положении перед весами и опускает тигель на чашечку весов.
Масса навески сохраняется в памяти прибора. Встроенные нагревательные элементы обеспечивают установление запрограммированной температуры в печи. В печь подается один из возможных газов: кислород или азот.
Анализ начинается, как только во все тигли будут загружены образцы (навески). Потери массы каждого образца в процессе анализа постоянно измеряются, а температура в печи устанавливается в соответствии с заданной программой.
Анализатор определяет процент потери массы каждого образца в конце каждого этапа анализа и на основании этих данных рассчитывает массовую долю летучих компонентов, зольность и влажность.
Для каждого образца данные о потере массы в процессе анализа могут быть представлены на экране компьютера в виде графика зависимости от времени или от температуры.
Программы анализа хранятся в памяти прибора. Оператор выбирает необходимую программу, устанавливает тигли в печь и после того, как система протарирует тигли, загружает пробы. Анализ начинается автоматически и продолжается, пока все циклы метода не будут закончены.
Перед проведением испытаний прибор градуируют. Стандартные образцы для градуировки представляют собой угли с показателями технического анализа, находящимися в пределах определяемых величин.
Анализ начинается с определения влаги. Условия определения: температура 105–110 °С, атмосфера – азот, продолжительность – до достижения постоянной массы образца. На второй ступени анализа определяют выход летучих веществ. Условия определения: температура (900±5) °С, атмосфера – азот, продолжительность – 7 мин. Третья ступень анализа – определение зольности. Условия определения: температура (815±10) °С, атмосфера – кислород, продолжительность – до достижения постоянной массы остатка.
Работой анализатора управляет встроенный микропроцессор или внешний компьютер. Во время анализа встроенные весы постоянно взвешивают каждую пробу, а микропроцессор фиксирует изменение массы каждой пробы. Температура задается с точностью до целого градуса и поддерживается с точностью ±4 °С. Предусмотрена система управления температурой в печи, система прогнозирования температуры внутри тигля и защита от перегрева.
Результаты анализа распечатываются с высокой скоростью и хранятся в памяти анализатора. Общий объем памяти – 5 тыс. результатов анализов.
Фирма LECO сделала очередной шаг в разработке инструментальных методов анализа твердых топлив. Новое поколение термогравиметрических анализаторов (ТGА-701) лишено недостатков, характерных для первых приборов: сбои при взвешивании нагретых тиглей в атмосфере печи, отклонения в соблюдении 7-минутного интервала для всех 19 тиглей, недостаточная скорость нагрева печи и др.
Новое поколение приборов объединило автоматизацию, скорость и точность анализа. Эти анализаторы характеризуются высокопроизводительной системой взвешивания, эффективным управлением температуры в системе, что улучшает общую надежность прибора, его функциональность и производительность при минимальном участии оператора.
ТGА-701 особенно полезен для производственных лабораторий, выполняющих ежедневно анализ большого количества проб.
Программа прибора может быть настроена для выполнения конкретных аналитических задач. Это важно в тех случаях, когда по требованиям нормативных документов приходится изменять параметры анализа, например, температуру (по стандартам США определение зольности проводят при 700 °С, выход летучих веществ – при 950 °С).
Программное обеспечение анализаторов разработано так, чтобы результаты определения соответствовали значениям, получаемым стандартными методами, без потери точности, и чтобы повторяемость и воспроизводимость методов была удовлетворительной. Это делает термогравиметрические анализаторы действительно незаменимыми в производственных углехимических лабораториях.
Термогравиметрические анализаторы фирмы LECO (США) – модель ТGА-701 – имеют сертификат соответствия стандарту ISO 9001, подтвержденный Британским институтом стандартов, и сертификат соответствия в Системе сертификации ГОСТ Р, выданный Росстандартом.
Метод определения влаги, зольности и выхода летучих веществ в углях с использованием термогравиметрических анализаторов соответствует требованиям стандарта ASTM D5142-04 «Proximate Analysis of fhe Analysis Samрle of Coal and Соkе by Instrumental Procedures» («Инструментальные методы технического анализа аналитической пробы угля и кокса»).
