Связь теплоты сгорания углей со стадией их метаморфизма Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.6:536.63

СВЯЗЬ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ УГЛЕЙ СО СТАДИЕЙ ИХ МЕТАМОРФИЗМА

LINK OF CALORIFIC VALUE OF COALS WITH THE STAGE OF THEIR METAMORPHISM

Федорова Наталья Ивановна1,

к.х.н., вед. науч. сотр., e-mail: [email protected]

Fedorova Natalia I.1 С.Sc. (Chemical), Leading researcher Михайлова Екатерина Сергеевна1 2 ассистент, e-mail: [email protected] Mikhaylova Ekaterina S.1 2 assistant

Исмагилов Зинфер Ришатович 12,

чл.-корр. РАН, профессор, e-mail: [email protected]

Ismagilov Zinfer R.1 2 Corresponding member of RAS, Proffessor

1 Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН (Институт углехимии и химического материаловедения), 650000, Россия, г. Кемерово, Советский пр., 18 1 Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry SB RAS (Institute of coal chemistry and materials science), 18 av. Soviet, Kemerovo, 650000, Russian Federation

2Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г Кемерово, ул. Весенняя, 28

2T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28 street Vesennyaya, Kemerovo, 650000, Russian Federation

Аннотация. Актуальность работы: для установления рационального направления промышленного использования углей в той или иной отрасли необходимо проводить оценку их энергетического потенци-

Цель работы: установление зависимости вышей теплоты сгорания углей от их стадии метаморфизма.

Методы исследования: технический, элементный, петрографический анализы, определение теплоты сгорания в калориметрической бомбе.

Результаты: в калориметрической установке измерены значения высшей теплоты сгорания каменных углей различных стадий метаморфизма. Анализ полученных данных показал, что величина высшей теплоты сгорания зависит от стадии метаморфизма углей и их элементного состава.

Abstract. Relevance of the work: to establish a rational direction of industrial use of coal in a particular industry it is necessary to assess their energy potential.

Objective: To establish a higher calorific value of coals depending on their stage of metamorphism. Methods: technical, element, petrographic analyzes, determination of heat of combustion in a calorimeter bomb.

Results: In a calorimeter installation were measured the values of the highest calorific value of combustion of coals of different metamorphic stages. The analysis of the data showed that the amount of the highest combustion heat is dependent on stages of metamorphism of coals and their elemental composition.

Ключевые слова: каменные угли, стадии метаморфизма, элементный состав, теплота сгорания углей, калориметрия

Keywords: coals, stages of metamorphism, elemental composition, calorific value of coals, calorimetry

В современном мировом топливно-энергетическом комплексе уголь используется в основном в качестве универсального энергоносителя и сырья для производства металлургического кокса. Применение каменных углей в качестве топлива для производства тепла и электроэнергии

занимает ведущее место по объёмам потребления. Различия в вещественном составе и степени метаморфизма обусловили дифференциацию технологических свойств углей. Для установления направления промышленного использования угли подразделяют на марки и технологические группы

118

H.И. Федорова, Е.С. Михайлова, З.Р. Исмагилов

[1,2]. Поскольку наблюдается существенное различие в технологических свойствах углей, то для установления рационального направления промышленного использования углей в той или иной отрасли необходимо проводить оценку их энергетического потенциала посредством определения их теплоты сгорания. При этом следует отметить, что по величине теплоты реакции полного горения рассчитывается также энтальпия образования органической массы углей [3,4].

Цель проведенного исследования - установить зависимость высшей теплоты сгорания углей от их стадий метаморфизма и элементного состава органического вещества.

В качестве объектов исследования использовались 10 образцов углей различных технологических марок, отобранные на угледобывающих предприятиях Кузбасса. Анализам подвергались аналитические пробы углей (воздушно-сухое состояние, крупность частиц 0.2 мм).

Технический анализ углей проводили стандартными методами. Состав органической массы углей определяли методами элементного анализа.

Глубокие изменения молекулярного состава и свойств ископаемых углей в недрах земной коры принято называть метаморфизмом. Превращения молекулярной структуры ископаемых углей в процессе метаморфизма сказываются не только на

их химических и технологических свойствах, но и на ряде физических параметров, в частности на изменении их оптических свойств [2,5]. Следовательно, достаточно объективные данные о степени метаморфизма углей могут быть получены методом определения показателя отражения витрини-та, определяемого в иммерсионном масле Я0,г по ГОСТ 12113-83.

Петрографический анализ выполняли на автоматизированном комплексе оценки марочного состава углей системы «31АМ8-620» (Россия) в среде масляной иммерсии. Подсчет микрокомпонентов производился автоматически при увеличении в отраженном свете в 300 раз.

Определение теплоты сгорания аналитических проб угля (крупностью менее 0.2 мм) проводили согласно ГОСТ 147-95 (ИСО 1928-76) на Калориметре С2000 1КА. Расчет высшей теплоты сгорания углей на сухое беззольное состояние проводили по формуле: = /(1 *Р)(1 А*), где {2ва - высшая теплота сгорания аналитической пробы, Жа - влага аналитическая, Ас1 - зольность на сухое состояние топлива [6].

Характеристика образцов углей приведены в табл/ 1 и 2. Видно, что угли различаются по зольности, выходу летучих веществ. Сернистость углей минимальна.

Исследовались угли различных стадий мета-

Таблица 1. Характеристика исследованных образцов углей Table 1. Characteristics of the studied coal samples

№ образца Марка угля Технический анализ, %

W Ad ydaf S?

1 Д 4,5 3,8 42,2 0,3

2 ДГ 3,9 6,2 41,2 0,4

3 Г 3,0 10,1 38,7 0,6

4 гж 1,6 8,3 32,1 0,4

5 ж 0,9 7,4 32,4 0,4

6 кж 1,1 7,8 28,2 0,5

7 к 1,2 8,7 25,6 0,3

8 КС 1,2 9,7 22,1 0,S

9 ОС 0,9 6,8 19,4 0,3

10 А 0,8 10,5 5,9 0,2

Таблица 2. Элементный состав и показатели теплотворной способности исследованных углей Table 2. The elemental composition and indicators of calorific value of the studied coals_

Стадия метаморфизма Элементный состав, Атомное

Марка % на daf отношение Qdaf,

угля Обозначение Ro.r, % С H (О +N + S) Н/С О/С МДж/кг

Д I 0,59 77,6 5,6 16,8 0,86 0,16 31,516

ДГ I 0,63 79,2 5,7 15,1 0,86 0,14 32,370

г I-II 0,70 81,4 5,6 13,1 0,83 0,12 33,208

гж II 0,82 84,3 5,6 10,1 0,80 0,10 34,518

ж II-III 0,96 86,1 5,5 8,4 0,75 0,07 35,205

КЖ III 1,10 87,5 5,4 7,1 0,74 0,07 35,677

к III-IV 1,20 89,8 5,0 5,2 0,64 0,04 36,071

КС IV 1,39 89,7 4,7 5,6 0,63 0,05 35,707

ОС IV 1,42 89,9 4,6 5,5 0,61 0.05 35,661

А VII-VIII 2,72 95,3 2,0 2,7 0,25 0.02 34,530

к

S I

го О. О

го й

О) ^

н

к го 3 о

J

ш

37,000 36,000 35,000 34,000 33,000 32,000 31,000

9' Q'

о /

/ / / /

I /

О

О/ *

I

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Показатель отражения витринита, Ror, %

Рис.1. Характер взаимосвязи высшей теплоты сгорания с показателем отражения витринита каменных углей

Fig.l. The nature of the correlation between the highest heat of combustion with the index of reflection of vit-

rinite of coals

морфизма, показатель отражения витринита (Я0.г) изменяется от 0,59% для угля технологической марки Д до Я0,г = 2,72% в образце угля антрацитовой стадии зрелости. Элементный состав органической массы углей изменяется согласно их марочной принадлежности и генетической зрелости. С ростом стадии зрелости увеличивается содержание углерода на фоне уменьшения содержания водорода и различных гетероатомов (кислорода, азота и серы) (табл. 2).

Анализ полученных данных теплотворной способности углей показывает, что их теплота сгорания в ряду метаморфизма изменяется экстремально (рис. 1).

Установлено, что на начальных стадиях метаморфизма с изменением показателя отражения витринита К0,г от 0,52 до 1,10% наблюдается увеличение теплоты сгорания углей от 31,516 до 36,071 МДж/кг. В диапазоне Я0.г = 1,10 - 1,42% теплота сгорания каменных углей сохраняется примерно на уровне 35-36 МДж/кг. В сторону антрацита с показателем отражения витринита Я0,г = 2,72% происходит некоторое снижение данного показателя до величины 34,530 МДж/кг (табл.2). Снижение теплоты сгорания, вероятно, можно объяснить определенным соотношением водорода и углерода в органической массе угольного образца. Известно, что из элементов, входящих в состав

37,000 36,000

g * 35,000

si

-г 34,000 го *

I I 33,000 3 о

m о 32,000

31,000

О

.О

Л

.ъ

6

75,0

95,0

Cdaf, %

* 37,000 s

го 36,000

Q.

Е

о 35,000 го £

g §54,000

si

н 33,000 к

| 32,000 ш 31,000

(РЧ О

\о

\о

О

о

0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 атомное отношение Н/С, отн. ед

Рис.2. Графическая зависимость высшей теплоты сгорания углей от Cdaf (а) и атомного отношения Н/С (б) их органической массы Fig. 2. Graphic dependence of the highest combustion heat of the coals Cdaf (a) and atomic ratio H / С (b) of the organic mass

120

Н.И. Федорова, Е.С. Михайлова, З.Р. Исмагилов

органической массы угля, горючими являются углерод, водород и часть серы [7,8]. В образце антрацита определено максимальное значение содержания углерода при минимальном содержании водорода, образец характеризуется минимальным значением атомного отношения Н/С (табл. 2).

На рисунке 2 приведена графическая зависимость высшей теплоты сгорания углей от содержания углерода в их органической массе. Видно, что для углей низких и средних стадий метаморфизма в диапазоне Я0,г = 0,52 - 1,10% величина их теплотворной способности прямо пропорциональна содержанию углерода. С повышением стадии зрелости углей уменьшается в органической массе содержание водорода и как следствие атомное

отношение Н/С, что и приводит к снижение теплотворной способности углей с показателем Я0,г > 2,5%.

Таким образом, проведено исследование теплотворной способности ископаемых углей Кузбасса. Показано, что величина высшей теплоты сгорания зависит от стадии метаморфизма углей и их элементного состава. Установлено, что для углей с показателем отражения витринита от 0,52 до 1,10% наблюдается весьма интенсивный рост теплоты сгорания от 31 до 36 МДж/кг. В сторону антрацитов при Я0,г > 2,5% происходит некоторое снижение данного показателя до величины 34-35 МДж/кг за счет пониженного содержания водорода в их органической массе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Еремин, И.В. Марочный состав углей и их рациональное использование / И.В. Еремин, Т.М. Бро-новец. - М.: Недра, 1994. - 255 с.

2. Артемьев, В.Б. Петрография углей и их эффективное использование / В.Б. Артемьев, И.В. Еремин, С.Г. Гагарин. - М.: Недра коммюникейшенс ЛТД, 2000. - 334 с.

3. Гюльмалиев, A.M. Расчет энтальпии образования органической массы углей / A.M. Гюльмалиев, М.Я. Шпирт // Химия твердого топлива, 2008. - №5. - С. 3-7.

4. Бычев, М.И. Термодинамические вопросы процесса углеобразования / М.И. Бычев, Г.И. Петров // Химия твердого топлива, 2011. - №4. - С. 42-48.

5. Современное состояние проблемы взаимосвязи структуры и свойств органической массы углей / A.M. Гюльмалиев [и др.] // Химия твердого топлива, 2000. - №6. - С. 3-50.

6. Стандартные методы испытания углей. Классификация углей. / И.В. Авгушевич, Т.М. Броновец, Г.С. Головин, Е.И. Сидорук, Л.В. Шуляковская. - М.: НТК «Трек», 2008. - 368 с.

7. Федорова, Н.И. Зависимость теплоты сгорания углей от их химического состава / Н.И. Федорова, Е.С. Михайлова. З.Р. Исмагилов // Химия в интересах устойчивого развития, 2015. - Т.23. - №2. - С. 135-138.

8. Зависимость теплот сгорания горючих сланцев от их химического состава / Ю.А. Стрижакова [и др.]//Химия твердого топлива, 2011. -№5.-с. 11-15.

REFERENCES

1. Eremin, I.V. Marochnyj sostav uglej i ikh ratsional'noe ispol'zovanie / I.V. Eremin, T.M. Bronovets. -M.: Nedra, 1994.-255 s.

2. 2. Artem'ev, V.B. Petrografiya uglej i ikh ehffektivnoe ispol'zovanie / V.B. Ar-tem'ev, I.V. Eremin, S.G. Gagarin. - M.: Nedra kommyunikejshens LTD, 2000. - 334 s.

3. 3. Gyul'maliev, A.M. Raschet ehntal'pii obrazovaniya organicheskoj massy uglej / A.M. Gyul'maliev, M.YA. SHpirt // KHimiya tverdogo topliva, 2008. - №5. - S. 3-7.

4. 4. Bychev, M.I. Termodinamicheskie voprosy protsessa ugleobrazovaniya / M.I. By-chev, G.I. Petrov // KHimiya tverdogo topliva, 2011. - №4. - S. 42-48.

5. 5. Sovremennoe sostoyanie problemy vzaimosvyazi struktury i svojstv organiche-skoj massy uglej / A.M. Gyul'maliev [i dr.] // KHimiya tverdogo topliva, 2000. - №6. - S. 3-50.

6. 6. Standartnye metody ispytaniya uglej. Klassifikatsiya uglej. / I.V. Avgushe-vich, T.M. Bronovets, G.S. Golovin, E.I. Sidoruk, L.V. SHulyakovskaya. - M.: NTK «Trek», 2008. - 368 s.

7. 7. Fedorova, N.I. Zavisimost' teploty sgoraniya uglej ot ikh khimicheskogo sostava / N.I. Fedorova, E.S. Mikhajlova. Z.R. Ismagilov // KHimiya v interesakh ustoj-chivogo razvitiya, 2015. - T.23. - №2. - S. 135-138.

8. 8. Zavisimost' teplot sgoraniya goryuchikh slantsev ot ikh khimicheskogo sostava / YU.A. Strizhakova [i dr.] // KHimiya tverdogo topliva, 2011. - №5. - s. 11-15.

Поступило в редакцию 16.03.2016 Received 16 March 2016