Основи хімії і фізики горючих копалин. Частина ІІ - Посібник (Саранчук В.І., Ільяшов М.О., Ошовський В.В., Білецький В.С.)

11. елементний склад тгк

При елементному аналізі ТГК визначають С, Н, О, N і Sорг., а також іноді фосфор і деякі інші елементи, які входять до структури складних органічних речовин, а не знаходяться в ТГК у вільному стані.

За вмістом вуглецю судять про енергетичну цінність вугілля. Водень є другим за важливістю після вуглецю елементом органічної маси. Він входить до складу різних органічних сполук. Його можна знайти і в кристалічній воді деяких мінералів неорга- нічної частини вугілля. Азот і кисень є баластними складовими вугілля, яке викори- стовується як для енергетичних цілей, так і для термічної переробки.

У відповідності зі стандартом ISO 625-75, для одночасного визначення вмісту вуглецю і водню використовується метод Лібіха, в якому наважка ТГК спалюється в струмені кисню. Продукти неповного згоряння, котрі утворюються, доокиснюють ро- зжареним оксидом міді до СО2 і Н2О, за масою яких шляхом перерахунку визначають вміст вуглецю і водню.

Прискорений метод визначення масової частки вуглецю і водню здійснюють за ГОСТ 6389-71. Як каталізатор використовують оксид міді або хрому. Порошкоподіб- ний каталізатор розміщують в човнику з наважкою, де спалюють вугілля. За масою

 

вловлених продуктів окислювання (СО2 і Н2О) розраховують вміст вуглецю і водню.

Розходження, які допускаються між двома паралельними визначеннями, не повинні перевищувати 0,3\% при визначенні вуглецю і 0,15\% при визначенні масової частки водню.

Поправку на вміст вуглецю в мінеральних речовинах роблять при аналізі золи вугілля і горючих сланців.

Визначення вмісту азоту проводять методом Кьєльдаля, за яким наважка вугіл- ля, що досліджується, обробляється в колбі з тугоплавкого скла протягом 4-5 годин киплячою концентрованою сірчаною кислотою в присутності каталізатора (оксиду ртуті, йодиду калію, сульфату міді або ін.). Внаслідок цього весь вуглець і водень оки- слюються до СО2 і Н2О, а азот переходить в NH3, який з надлишком кислоти утворює сульфат амонію. Останній розкладається потім в іншій колбі концентрованим лугом, а аміак, який утворюється, вловлюється титруванням сірчаною кислотою.

Визначення вмісту азоту можливе за стандартом ISO-333-75, згідно з яким на- важка вугілля нагрівається з сірчаною кислотою в присутності каталізатора. Сірчано- кислий амоній, який утворюється, розкладається лугом, розчин переганяється з водя- ною парою, а аміак, що виділяється, поглинається борною кислотою, надлишок якої титрується сірчаною кислотою.

Визначення масової частки кисню за ГОСТ 2408.3-75 основане на відновленні продуктів піролізу вуглецю палива в потоці аргону, окисненні отриманого при цьому оксиду вуглецю до СО2, вловлюванні останнього і визначенні його кількості. Вміст ки- сню обчислюють за кількістю СО2.

Частіше застосовують розрахунковий метод визначення кисню у вугіллі (ГОСТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

A

 

C

 

H

 

a

 
2408.3-75). Масова частка кисню визначається за різницею:

 

 

O

 

d

 
a          100      W a

a                      a          a          a t

N         ,\%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2   M

 

S

 

C

 

H

 
При масовій частці СО2 мінеральних речовин понад 2\%:

 

 

O

 

d

 
a          100      W a

Aa        (CO )a

a          a          a t

N a   ,\%.

Органічна сірка у вугіллі визначається за різницею розрахунковим методом:

 

 

 

 

S

 

S

 

S

 

S

 
a           a          a         a o       t           so         p

S a el .

ТГК різної природи і ступеня вуглефікації значно відрізняються між собою за елементним складом (табл. 2.14). В ряду гумітів з підвищенням ступеня вуглефікації найбільш різко змінюється вміст кисню: від 30-40\% в торфах до 1\% в антрацитах, тобто в 30-40 разів; в 2-5 рази меншає вміст водню (6,5-1,3\%), а вміст вуглецю збільшується майже в 2 рази – від 53-62 до 98\%. Отже, процес вуглефікації (метаморфізму) гумітів виявляється в таких перетвореннях їх органічної маси, внаслідок яких відбувається пе- реважно видалення кисень– і воденьвмісних фрагментів і відносне підвищення за ра- хунок цього вуглецьвмісних структурних фрагментів.

В ряду сапропелітів від торфової стадії до більш зрілих спостерігається збіль- шення вмісту вуглецю (50-82\%) і зменшення – кисню (25-7\%). Закономірної зміни вмі- сту водню для сапропелітів різного ступеня вуглефікації не спостерігається (6-10\%). Вміст водню в сапропелітах завжди в 1,5-2 рази більший, ніж у гумітах, що є характер- ною ознакою сапропелітового походження вугілля.

 

Таблиця 2.14 – Елементний склад ТГК різної природи і зрілості

 

 

Назва

Вміст \%, на суху і беззольну масу

C

H

O

So

N

Деревина

49,7

6,1

44,0

0,1

0,1

І. Гуміти

торфи

53-62

5,7-6,5

29-40

0,1-0,4

0,6-4,0

буре вугілля:

землисте

63-72

5,5-6,5

18-30

1,2-1,5

0,6-0,8

щільне матове

67-75

5,0-6,5

15-27

1,0-2,0

0,5-1,2

кам’яне вугілля Донбасу, марка:

Д

76-86

5,0-6,0

10-17

2,0-2,5

1,8

Г

78-89

4,5-5,5

7-16

1,0-1,5

1,7

Ж

84-90

4,0-5,4

5-10

1,5-2,0

1,6

К

87-92

4,0-5,2

3-8

1,5-2,0

1,5

ПС

89-94

3,8-4,9

2-5

1,5-2,0

1,4

П

90-95

3,4-4,4

1,6-4,5

1,,5-2,0

1,2

антрацит (Донбас)

91-96

1,3-3,0

1-2

1,0-1,5

0,1-1,3

 

графіт

 

~100

Соті частки

відсотка

 

-

 

-

 

-

ІІ. Екзиніти

піропісит

74-77

9-12

9-16

1,5

-

ліптобіоліти (для підмосковного

бурого вугілля) спорові

73

6,0-7,0

16

3-4

0,54

кутикулові

72

6,0-7,0

18

2-3

0,67

рабдопісит

80

7,5

11,5

0,4

0,6

ліповецький  і  ткібульський  ліп-

тобіоліти

79

9,9

10,1

0,4

0,6

ІІІ. Сапропеліти

сапропелі

49-60

6-9

24-41

0,3-0,31

2,0-5,7

балхашит

69-76

10-11

12-21

0,6-1,1

0,6-1,0

богхеди

72-78

9-10

9-16

2,0-3,0

0,7-1,0

сапропеліт Будаговський (басейн

Іркутська)

70-77

8-10

10-20

0,7-0,9

1,0-1,6

сапропеліти (Іркутськ)

70-82

7-10

7-18

0,2-1,2

0,7-2,6

IV. Група особливих видів ТГК

барзаські сапроміксити

78-86

7-10

3-12

0,1-2,3

0,1-0,8

гагат (кримський)

82,43

6,31

8,89

1,34

1,03

кероген  горючих сланців  волзь-

кий (кашпірський)

64-70

7-8

19-25

3,0-7,0

0,6-1,3

ленінградські

69-78

7-10

12-16

2,0-3,0

0,3-0,9

естонські(кукерсити)

77-79

9-10

11-13

1,0-2,0

0,2-0,6

 

Екзиніти містять більше водню, ніж гуміти, і за цим показником мало відрізня-

ються від сапропелітів.

Вміст азоту зі зростанням ступеня вуглефікації гумітів знижується з 1,8 до 0,1\% у ву- гіллі Донбасу, однак це правило не поширюється на кам'яне вугілля Кузбасу, вміст азоту в якому коливається від 1,34 до 3,02\%. У сапропелітах вміст азоту знаходиться в межах від

0,5 до 6\%.

Петрографічні інгредієнти також відрізняються за елементним складом. У од- ному і тому ж вугіллі найбільша кількість вуглецю міститься в інертиніті, а у вітриніті і екзиніті його вміст практично однаковий. З підвищенням ступеня вуглефікації вміст

 

вуглецю більш різко підвищується у вітриніті, а менше – в інертиніті. Зі збільшенням

ступеня вуглефикації вміст вуглецю у вітриніті і інертиніті зближується, але навіть в антрацитах не співпадає.

Найбільша кількість водню в одному і тому ж вугіллі міститься в екзиніті, а найменша – інертиніті, найбільшу кількість кисню містить вітриніт, а найменшу – іне- ртиніт.

Загальний вміст фосфору у вугіллі невеликий: в Донбасі від 0,007 до 0,062\%, в Кузбасі – до 0,12-0,17\%. Фосфор додає металу холодноламкість – підвищену крихкість при кімнатній і більш низьких температурах.

Фосфор присутній в невеликій кількості в кам’яному вугіллі. Він майже повніс-

 

 
тю переходить в кокс під час процесу коксування, що є дуже небажаним явищем. Вра- ховуючи те, що головним джерелом фосфору є кокс, з якого фосфор майже повністю переходить у метал під час процесу доменної плавки, а також ту обставину, що фосфор є шкідливою домішкою в металі, його вміст у коксі нормується (  0,015\%). Саме тому велике значення має підбір шихти з врахуванням вмісту фосфору у вугіллі.

Це примушує шукати можливості зниження вмісту фосфору у вугіллі за раху- нок його збагачення, вибирання породи та вуглистого сланцю, видалення пилу. При цьому в кожному окремому випадку необхідне детальне дослідження для вирішення питання про можливість зниження вмісту фосфору у вугіллі, оскільки до теперішнього часу не встановлені закономірності його розподілу.

Германій є одним із найважливіших матеріалів, які забезпечують розвиток су- часної техніки напівпровідникових приладів.

Спочатку германій, який є розсіяним елементом, отримували в основному з ві- дходів інших виробництв (наприклад, із побічних продуктів при виплавці цинку) та із власне рудних (дуже рідкісних і мало потужних) родовищ мінералів, які містять цей елемент. В зв'язку з бурхливим розвитком напівпровідникової техніки попит на герма- ній різко підвищився, почалися інтенсивні пошуки джерел його отримання. Вияви- лось, що головним сировинним джерелом германію може бути викопне вугілля.

Германій у вугіллі поширений дуже нерівномірно. Значно відрізняються за се- реднім вмістом германію окремі пласти і ділянки родовищ, родовища в цілому, басей- ни і крупніші регіони. Серед вугілля різних стадій метаморфізму найбільш багатим на германій, як правило, є вугілля найменш метаморфізоване. Дуже нерівномірно поши- рений германій в речовині вугілля. Більшість дослідників вважає, що він пов'язаний із органічною частиною вугілля. Головними носіями германію є первинні неокиснені компоненти органічної частини вугілля – вітрен, основна геліфікована маса. Найчас- тіше германій пов'язаний з компонентами групи вітрену. В пробах бурого й кам’яного вугілля всіх досліджених родовищ максимальний вміст германію спостерігається у фракціях, найбільш багатих на вітрен. Вміст германію в них є максимальним як в пере- рахунку на золу, так і на вугільну речовину.