Fyzikální vlastnosti uhlí – hustota, spékavost, oxidace | Uraluglesbyt

Skutečná hustota uhlí (dr) – poměr jeho hmotnosti k hmotnosti stejného objemu vody při teplotě 20 °C závisí na stupni metamorfózy uhlí. Hustota hnědého uhlí kolísá mezi 1,1-1,5 a u černého uhlí se zvyšuje od dlouhoplamenného k chudému a antracitovému.

Zdánlivá hustota (da) ukazuje poměr hmotnosti přírodního paliva k hmotnosti stejného objemu vody. Hustota vrstev uhlí, antracitu, roponosných břidlic a hornin se určuje podle GOST 2160-92 „Pevné minerální palivo. Metody pro stanovení hustoty“.

Hustota suché hmoty paliva je definována jako poměr jeho hmotnosti k hmotnosti vody při teplotě 20 °C, vztažený k objemu husté hmoty paliva. Rozdíly ve výsledcích paralelního stanovení hustoty v jedné laboratoři by neměly překročit 0,01 %.

Sypná hustota (BD) – poměr hmotnosti volně loženého paliva k jeho objemu. Objemová hmotnost uhlí stejné značky nebo třídy se může lišit v závislosti na distribuci velikosti částic, obsahu popela a vlhkosti uhlí. Hodnota objemové hmotnosti se používá při měření paliva v bunkrech, komínech a stanovení hmotnosti uhlí naloženého do železničních vozů. Objemová hmotnost uhlí se vypočte stanovením čisté hmotnosti odměrného boxu naplněného uhlím o objemu 0,5 m3 pro uhlí do velikosti 25 mm a objemu 1,0 m3 pro výtěžné uhlí o velikosti 25 mm a více. Pro získání přesnějšího výsledku se bere aritmetický průměr pěti vážení. Objemová hmotnost uhlí stanovená na nakládacích místech se může lišit od objemové hmotnosti stanovené v místě spotřebitele v důsledku změn obsahu vlhkosti a distribuce velikosti částic uhlí podél trasy.

Schopnost spékání – vlastnost určitých druhů uhlí vytvářet při zahřátí na teplotu nad 700 °C bez přístupu vzduchu silné kusy se zvýšeným obsahem uhlíku. Stupeň slinování se v laboratorních podmínkách určuje podle vzhledu a pevnosti netěkavého uhelného zbytku (kůry) získaného při stanovení výtěžnosti těkavých látek podle GOST 6382-2001. Hnědé, dlouhoplamenné, většina chudých uhlí, stejně jako poloantracit a antracit se nespékají. Některé plynné a chudé slinovací uhlí (LSC) se špatně spékají. Uhlí jakosti Zh a K mají dobré slinovací vlastnosti. Netěkavý uhlíkový zbytek získaný v kelímku při stanovení výtěžnosti těkavých látek v závislosti na jeho vzhledu a síle je charakterizován podle následující klasifikace:

1. práškový;
2. slepené – při lehkém stlačení prstem se rozpadne na prášek;
3. mírně upečený – při lehkém stlačení prstem se rozpadne na samostatné kousky;
4. slinutý, netavený – k jeho rozdělení na samostatné kusy je třeba použít sílu;
5. srostlý, neroztažený – plochý koláč se stříbřitým kovovým leskem na povrchu;
6. srostlé, nabobtnalé – zbytek se stříbřitým kovovým leskem na povrchu o výšce menší než 15 mm;
7. srostlý, silně nabobtnalý – zbytek se stříbřitým kovovým leskem na povrchu vysoký více než 15 mm.

Charakteristiky netěkavého uhelného zbytku poskytují relativní představu o spékavých vlastnostech uhlí a jejich vhodnosti pro technologické účely.

Pro stanovení koksovatelnosti uhlí se používá plastometrická metoda (GOST 1186-87). Podle této metody je koksovatelnost uhlí charakterizována plastometrickými parametry – tloušťkou plastové vrstvy y a plastometrickým smrštěním x, které se zjišťují při koksování vzorku uhlí v plastometrickém přístroji. Metoda stanovení těchto ukazatelů je založena na vlastnosti spékajících se uhlí při zahřívání bez přístupu vzduchu měknout a přecházet do plastického stavu v rozmezí teplot 350-470 °C. S dalším zvyšováním teploty slinutá hmota tvrdne a vzniká koks.

Tloušťka plastové vrstvy y se bere jako maximální vzdálenost (v milimetrech) vertikálně mezi křivkami horní a spodní úrovně plastové vrstvy, zaznamenaná plastometrickým přístrojem. Hodnota plastometrického smrštění x je brána jako konečný pokles (v milimetrech) objemové křivky, která zaznamenává průběh změny objemu uhlí při ohřevu vůči nulové čáře. Nesrovnalosti ve výsledcích stanovení by neměly překročit: pro tloušťku plastové vrstvy pro y méně než 20 mm – 1 mm, pro y více než 20 mm – 2 mm; s plastometrickým smrštěním x – 3 mm. V mezinárodní praxi je spékavost uhlí charakterizována Hornovým indexem nebo indexem bobtnání kelímku.

Princip Rogovy metody je následující: spékavost uhlí se stanoví stanovením mechanické pevnosti kelímkového koksu získaného smícháním 1 g uhlí s určitým množstvím antracitu použitého jako chudá přísada. Výsledná peleta je testována v bubnu a na základě výsledků tohoto testu lze vypočítat slinovací kapacitu uhlí (Rog index). Karbonizace se provádí pod zatížením po dobu 15 minut při teplotě 850 °C ve standardním kelímku. Horn Index se vypočítá pomocí vzorce:

Horn Index = 100 3Q (a+d2 + b+c), kde

• Q – hmotnost veškerého koksu získaného v kelímku, g;
• a – hmotnost částic koksu větších než 1 mm, získaných proséváním před začátkem zkoušky destrukce, g;
• Ь – hmotnost částic koksu větších než 1 mm, získaných proséváním po první periodě abraze v bubnu, g;
• c – hmotnost částic koksu větších než 1 mm, získaných proséváním po druhé periodě abraze v bubnu, g;
• d – hmotnost částic koksu větších než 1 mm, získaných proséváním po třetí periodě otěru, g.

Koksovatelnost uhlí je charakterizována dilatometrickými ukazateli podle Audiberta-Arnouxe nebo typu koksu podle Gray-Kinga.

Stanovení koksovatelnosti uhlí dilatometrickou metodou podle Audiberta-Arnouxe je následující: do úzké kalibrované trubičky se vloží tužka z práškového uhlí a uzavře se ocelovou tyčí (pístem), která se také zasune do trubice, následně se trubice zahřeje na konstantní a měrnou teplotu. Ohřev se provádí ve speciální elektrické peci, jejíž blok je vyroben z kyselinovzdorného a žáruvzdorného kovu. Blok je vybaven elektrickým ohřívačem a má ovládací zařízení, které umožňuje měnit rychlost ohřevu až o 5 °C v teplotním rozsahu od 300 do 500 °C. Periodickým zaznamenáváním pohybu pístu během zahřívání se určuje maximální expanze podle Audiberta-Arnouxe (v procentech). V tomto případě jsou změny délky tužky určeny jako procento její původní délky.

Druh koksu se určuje metodou Gray-King pomocí karbonizace laboratorního vzorku uhlí nebo směsi uhlí za standardních podmínek přivedením jeho konečné teploty na 600 °C. Karbonizace uhlí se provádí v retortě z průhledného křemene nebo žáruvzdorného skla. Retorta je 300 mm dlouhá trubka, na jedné straně utěsněná a mající boční výstup umístěný na svém otevřeném konci. Koksový zbytek po karbonizaci jemně drceného uhlí je klasifikován ve srovnání s řadou různých typů koksu.

Podle mezinárodní klasifikace uhlí se druh uhlí označuje třímístným kódovým číslem, z nichž první označuje třídu, druhé skupinu a třetí podskupinu uhlí. Uhlí se klasifikují podle výtěžnosti těkavých látek (na suchém bezpopelovém základě), nejvyšší výhřevnosti (na podmíněně mokrém bezpopelovém základu), indexu bobtnání v kelímku nebo podle Rog indexu, dále podle maximální expanze podle Audibert-Arnoux nebo podle typu koksu podle Gray-Kinga.

Mechanická síla uhlí závisí na složení organické hmoty a minerálních nečistot. Nejvyšší je u uhlí s dlouhým plamenem a plynového uhlí a prudce klesá u tuku, koksu a některých chudých uhlí. Antracit je převážně mechanicky pevné a velmi pevné uhlí. Poloantracit zaujímá střední pozici mezi chudým uhlím a antracitem. Zemité hnědé uhlí má nízkou mechanickou pevnost. Mechanická pevnost uhlí se určuje podle GOST 7714-75.

Podstata metody stanovení mechanické pevnosti spočívá v rozbití vzorku uhlí o velikosti od 13 do 100 mm v rotujícím uzavřeném bubnu a následném stanovení hmotnosti kusů o velikosti větší, než je spodní hranice zkoušené třídy. Jako ukazatel mechanické pevnosti (indexu mechanické pevnosti) uhlí se bere výtěžnost kusů s velikostí větší než spodní mez pro odpovídající třídy tříděného uhlí a velikostí větší než 13X13 mm pro běžné uhlí, vyjádřená jako procento hmotnosti uhlí naloženého do sudu.

Tepelná odolnost – vlastnost uhlí odolávat mechanickému poškození při zahřátí. Snižuje se s vysokým obsahem hygroskopické vlhkosti v uhlí, která odpařováním při rychlém ohřevu přispívá k destrukci uhlí. Obdobně působí těkavé látky a minerální nečistoty s koeficientem tepelné roztažnosti odlišným od organické hmoty uhlí. Se zvyšující se schopností slinování uhlí se zvyšuje jeho tepelná stabilita. Tepelná stabilita pro chudé uhlí a antracit je stanovena podle GOST 7714-75.

Podstata metody stanovení tepelné stability chudých uhlí a antracitu spočívá v zahřívání vzorku uhlí o velikosti 13-100 mm v mufli při teplotě 850-900 °C po dobu 30 minut a následném stanovení obsahu kusů větších než 13 a 6-13, 3-6 a 0-3 mm v uhlí. Výtěžnost uhlí o velikosti větší než 13 mm (v procentech) je brána jako ukazatel tepelné stability zkoušeného uhlí (index tepelné stability).

Podstata metody stanovení tepelné stability černého uhlí (kromě chudého uhlí) spočívá v ohřevu vzorku uhlí o velikosti 25-50 mm v laboratorní tepelné peci na počáteční teplotu 900 °C po dobu 12 minut a následném stanovení obsahu kousků o velikosti větší než 13, 6-13, 3-6 a 0-3 mm v uhlí.

Oxidace uhlí. Vlivem vzdušného kyslíku a vody dochází k procesu oxidace uhlí, v důsledku čehož se mění jejich fyzikální a chemické složení. Uhelné sloje (kdy do nich trhlinami proniká vzduch a voda) a uhlí skladované ve skladech podléhají oxidaci. Hloubka zvětrávání uhelných slojí v jednotlivých uhelných pánvích je různá. Oxidovaná uhlí mají zpravidla zvýšený obsah vlhkosti, zvýšený obsah síranové síry, snížené spalné teplo Qгб, mírně pozměněné elementární složení uhlí (vzrůstá obsah kyslíku, naopak klesá uhlík a vodík) a jsou nevhodná pro koksování. Oxidace uhlí se stanovuje chemickými a petrografickými metodami stanovenými GOST 8930-94.

Oxidace uhlí chemickou metodou je určena:

• pokles spalného tepla těkavých látek na hodnotu blízkou spalnému teplu zkušebního uhlí nebo nižší než je a u uhlí s dlouhým plamenem – snížením spalného tepla zkušebního uhlí ve srovnání se spalným teplem nezoxidovaného uhlí;
• zvýšení obsahu fenolických a karboxylových hydroxylů ve srovnání s jejich obsahem v neoxidovaném uhlí;
• zvýšení obsahu hygroskopické vlhkosti W™ ve srovnání s nezoxidovaným uhlíkem.

Oxidace uhlí se zjišťuje petrografickou metodou založenou na přítomnosti zvětralé uhelné hmoty, určené vnějšími znaky (přítomnost trhlin, rozpad zrn apod.).

Uhlí z Kuzněcké pánve, těžené povrchovými metodami, se dělí do 3 skupin podle stupně oxidace:

1. uhlí, spalné teplo QGB které jsou pod průměrem pro nezoxidované uhlí nejvýše o 10 %;
2. uhlí, jehož výhřevnost je o více než 10 % nižší než průměr pro nezoxidované uhlí, ale ne méně než 6000 kcal/kg.
3. uhlí s výhřevností nižší než 6000 kcal/kg.

Zároveň průměrné hodnoty spalného tepla QGB pro nezoxidované uhlí určitých jakostí jsou povoleny:

• D. 7800 kcal/kg;
• SS. 8300 kcal/kg;
• G. 8000 kcal/kg;
• T. 8400 kcal/kg;
• F. 8400 kcal/kg.

Vlhkost uhlí – vlastnost uhlí absorbovat vlhkost. Maximální vlhkostní kapacita Wmax hnědého, černého uhlí a antracitu je stanovena podle GOST 8858-93.

Podstatou metody pro stanovení maximální vlhkosti je zachycení vzorku uhlí o velikosti 13-50 mm. ve vodě po dobu 2 hodin a poté stanovení celkového obsahu vlhkosti v uhlí po vypuštění vody po dobu 20 minut.

Bod tání popela (t3) uhlí má velký význam. Při spalování uhlí ve vrstvách nebo s práškovým uhlím způsobuje nízkotavitelný popel struskování topenišť a topných ploch kotlů. To snižuje spolehlivost, účinnost a produktivitu páry kotlových jednotek. Pouze u pecí a plynových generátorů s odstraňováním kapalné strusky je pozitivním faktorem nízká teplota tání popela.

Žáruvzdornost popela má zvláštní význam při spalování uhlí ve vrstvených pecích a při zplyňování uhlí ve vrstvených zplynovačích s odstraňováním pevné strusky. Popel s bodem tání (t3) pod 1200 °C je považován za nízkotavný, s bodem tání 1200-1350 °C – střednětající a nad 1350 °C – žáruvzdorný. Teplota tání uhelného a břidlicového popela se určuje podle GOST 2057-94.

Podstata metody spočívá v postupném zahřívání v poloredukčním plynovém prostředí kuželů namontovaných na žáruvzdorných deskách, vyrobených z popela zkoušeného uhlí, a ve stanovení teploty v okamžiku charakteristické změny tvaru kuželů, a to:

• t1 – teplota počátku deformace kužele, při které dochází k zaoblení nebo naklonění vrcholu kužele;
• t2 – teplota měknutí, při které se kužel roztaví do koule nebo se při postupném ohýbání dotýká vrchem desky;
• t3 – teplota nástupu kapalného tavného stavu, při které se kužel rozprostírá po desce.

Koeficient brousitelnosti (Klo) charakterizuje odolnost paliva vůči broušení a je stanovena podle GOST 15489-70. Metoda je založena na zákonu drcení křehkých materiálů, podle kterého je práce vynaložená na drcení úměrná nově exponovanému povrchu. Hodnota Clo ukazuje, kolikrát je při stejných energetických výdajích na mletí vzduchem vysušeného paliva nově exponovaný měrný povrch testovaného paliva větší nebo menší než exponovaný měrný povrch referenčního paliva za stejných podmínek mletí.

Podstata metody spočívá v mletí vzorku vzduchem vysušeného paliva v laboratorním porcelánovém kulovém mlýnu. Nově exponovaný povrch je hodnocen celkovým zbytkem na 90 mikronovém sítu R90, vyjádřeno v procentech. Jako referenční palivo se používá palivo, které při mletí při 624 otáčkách mlýna poskytuje zbytek na sítu s otvory 90 mikronů rovný 69,2 %, což odpovídá hodnotě Clo = 1.

Koeficient brousitelnosti Klo je určen vzorcem:

Clo = 1,96 (1n 100 R₉₀ ) 2/3

kde R₉₀ – průměrná hodnota celkových zbytků na sítu 90 mikronů, %. Koeficient brousitelnosti lze určit graficky.