Твердые горючие ископаемые. Твердые топлива в США и вообще в Северной Америке. Классификация углей в США и других странах Северной Америки.

Твердые топлива в США и вообще в Северной Америке. Классификация углей в США и других странах Северной Америки.

Твердые топлива включают в себя уголь, кокс (спеченные угли или нефтянные коксы или типа того), древесину и горючие отходы промышленного и аграрного секторов экономики. Из перечисленных, только уголь широко используется как коммунальное и промышленное топливо для отопления и пр. Сложный состав углей, конечно затрудняет их классификацию. Химически, уголь состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы и минерального остатка - золы. Химический анализ дает представление о качестве угля, но не определяет в точности свойства угля при сжигании. Потребители в основном заинтересованы в теплотворной способности на единицу массы и выходе золы и пыли при сжигании, но характеристики горения и требования к хранению и перевалке тоже принимаются во внимание. Описание свойств и типов североамериканских углей ниже взято из U.S. Bureau of Mines, U.S. Geological Survey и материалов Energy Information Administration:

Таблица 11 Классификация углей по маркам (марка=rank)^a в США и других странах Северной Америки.

• Источник: данные из стандрата ASTM Standard D388.
  • FC = массовая доля углерода в нелетучем остатке угля (fixed carbon);
  • VM = содержание летучей части (volatile matter);
  • MMF = Условная масса угля без органической массы и общей влаги (mineral-matter-free)
• ^aДанные классификации не включают в себя несколько сортов углей с необычными физическими и химическими свойствами, которые выходят за пределы, определяющие классификацию по составу углерода или теплотворной способности битуминозных и полубитуминозных сортов. Все эти угли либо содержат менее чем 48% сухой MMF FC, или имеют более чем 36.1 МДж/кг, для влажного MMF.
• ^b Если уголь спекающийся, то относится в группу 1 класса II (Битуминозный уголь с низким содержанием летучих веществ (компонентов)).
• ^c Влажный относится к углям, имеющим содержание влаги в угольном пласте, но без видимой воды на поверхности угля.
• ^d В каждой из групп класса II могут быть неспекающиеся разновидности.
• ^e Угли с содержанием углерода в 69% или более в сухом MMF, классифицируются по FC, вне зависимости от теплотворной способности.
• ^f В группе 5 выделяются 3 разновидности угля:
  • первая - спекающийся и атмоферостойкий; вторая - спекающийся и неатмосферостойкий; третья - неспекающийся и неатмосферостойкий.

Типы углей

• Общепринятая классификация углей приведена в Таблице 11 (выше). Эта классификация несколько неоднозначна из-за отсутствия четких границ между типами углей.
• Антрацит - это чистый, плотный, твердый уголь практически не дающий пыли при сгорании. Хотя разжечь этот сорт относительно непросто он хорошо самоподдерживает горение после воспламенения. Он не спекается и горит равномерным коротким пламенем без дыма.
• Полуантрацит содержит больше летучих фракций, чем антрацит. Он не такой твердый и разжечь его легче. Остальные свойства очень сходны с таковыми у антрацита.
• Битуминозный уголь - это класс, который включает в себя многие типы углей с различными составами (композициями), свойствами и характеристиками горения. Угли этого класса ранжируются от высококачественных, добываемых на западе США, до нискосортных добываемых на востоке США. По спекаемости эти угли находятся в диапазоне от плавящихся или полностью размягчающихся, до типов в которых летучие фракции и смолы выгоняются без изменений в форме ( классифицирющихся как неспеающиеся = длиннопламенные угли = угли неспекающиеся при горении = noncaking = free-burning). Большинство битуминозных углей достаточно твердые и не слишком крошащиеся что позволяет поставку калиброванных сортов без угольной пыли. Обычно они легко воспламеняются и обеспечивают самоподдерживающееся горение. Языки пламени при горонеии длинные, разноцветные. При неправильных режимах горения выделяют много дыма и сажи, особенно при низких скоростях горения.
• Полубитоминозный уголь - это угли мягкие и крошащиеся, при использовании образуют много крошек и пыли. Медленно воспламеняются и горят пламенем средней длины. Спекаемость (коксуемость) повышется с ростом содержания летучих фракций, но получающийся кокс - непрочный. Поскольку содержание летучих фракций вдвое ниже, чем у битуминозных углей, то и дыма и смол намного меньше. Иногда этот тип даже называют "бездымными" углями.
• Суббитуминозный уголь = "чёрный лигнит" (subbituminous coal), найденные на западе США , имеют начальную высокую влажность при добыче и рассыпаются при высыхании или при нахождении на воздухе. Этот сорт часто самовоспламеняется при складировании и хранении. Загорается этот тип углей легко и быстро, горит пламенем средней длины, самоподдерживает горение и неспекается. Куски разваливаются и рассыпаются перемешивании. При горении образуется очень мало дыма и копоти.
• Лигниты = бурые угли (lignite) имеют древянистую (волокнистую) структуру, высокую начальную влажность при добыче, низкую удельную теплоту сгорания, и не пачаются при перевалке и работе и ними. Они рассыпаются при сушке даже легче, чем суббитоминозные угли и имеют большую тенденцию к самовоспламенению. Из-за высокой влажности сырого бурого угля он медленно разгорается и это неспекающийся сорт. Если удалить влагу и летучие фракции, то остаток горит также легко, как древесный уголь. Куски угля часто рассыпаются в зоне горения и кусочки продолжают тлеть в слое золы. При горении образется очень мало дыма и копоти.

Таблица 12 Типичный предельный состав и теплотворная способность различных углей. Химический анализ (иногда называется "технический анализ" в русской традиции) углей.

Свойства и харакетристики углей.

• Параметры углей, определяющие классификацию углей в один или другой класс или тип это соотношения и/или величины следующих показателей:
  1. содержание летучих фракций = содержание летучей части (volatile matter)
  2. массовая доля углерода в нелетучем остатке угля (fixed carbon)
  3. влажность
  4. содержание серы
• Каждый из этих показателей определяется в одном из следующих состояний угля:
  • 1. в состоянии поставки (as-received) - годится для расчетов тепловыделения при сжигании;
    2. для условной массы угля без органической массы и общей влаги (moisture-free (or dry), and MMF = mineral-matter-free (or ash-free)) - годится для классификации
• Летучие фракции удаляются в форме газов и паров при нагревании. Они состоят из различных органических газов, возникающих в процессе перегонки и разложения. Летучие фракции различных типов углей разделяются на масла и смолы. При нагревании антрацитов тяжелые фракции углеводородов практически не выделяются, и совсем немного тяжелых фракций выделяется из полу-антрацитов. При возрастании содержания летучих фракций до 40% (для сухих углей без золы = несгорамого остатка) выделятся больше смол. Однако с дальнейшим ростом содержания летучих фракций наблюдается уменьшение выделения смол и становится относительно незначительным при нагревании суббитуминозных углей (черных лигнитов) и лигнитов (бурых углей).
• Массовая доля углерода в нелетучем остатке угля (fixed carbon) это горючий остаток углей после удаления летучих фракций. И это не только углерод, хотя в основном это он, но и другие горючие вещества. Его форма и твердость указывают на спекаемость углей и таким образом, определяет оборудование и способ сжигания. В общем, массовая доля углерода в нелетучем остатке угля (fixed carbon) показывает, какая доля топлива должна сгореть в твердом состоянии.
• Влажность образца тяжело определить точно, поскольку образец может отдавать и набирать влагу в контакте с атмосферой, в частности в процессе измельчения для анализа. С учетом этого факта полное содержание влаги в образце обыкновенно определяют как потерю массы при сушке в сухом воздухе. При этом анализе не учитывается некоторое содержание воды в угле - вода от разложения (декомпозиционная), связанная вода и гидратированная вода не учитываются, таким образом, в стандартном тесте.
• Пепел (зола, шлак) это негорючий остаток после полного прогорания угля. Обычно масса остатка чуть меньше, чем его содержание в условной массе угля без органической массы и общей влаги (mineral-matter-free) до сжигания.
• Содержание серы . Сера это нежелательный компонент в угле, потому что оксиды серы, возникающие в процессе сгорания вызывают загрязнение окружающей среды и вызывают коррозию системы. Таблица 12 дает представление о содержании серы в типичных углях. Законодательство накладывает ограничение в некоторых районах США и Канады на содержание серы в сжигаемых углях.
• Теплотворная способность (heating value) может указываться для различных состояний угля. Высшие теплотворные способности углей обычно указываются вместе с уточняющей информацией о состоянии поставки, влажности и соствае. В отсутствие более точных данных, высшая теплотворная способность может быть вполне приемлемо оценена по формуле Дюлонга (Dulong formula) - современный вариант:
  • Высшая теплотворная способность, (МДж/кг) = 33.829*C + 144.28*[H – (O/8)] + 9.42*S
  • где C, H, O, и S это массовые процентные доли углерода, водорода, кислорода и серы согласно компонентному химанализу.

Другие важные параметры для оценки применимости угля

• Химический анализ (=ultimate analysis) определяет различие между сортами через состав. Определяется процентный состав C, H, O, N, S и шлака (несгораемого остатка). Химический анализ (иногда называется "технический анализ" в русской традиции) используется в точных расчетах тепловыделения и тепловых баллансов, например, при определении КПД котлов и топок. Типичный состав различных углей указан в Таблице 12 (выше).
• Температура плавления золы (пепла) = несгораемого остатка. (ash-fusion temperature), показывает плавкость несгораемого остатка при достигаемых температурах. Помогает определить не сплавится ли зола в шлак и, таким образом, подобрать логистику, вид и тип топки и способы механизации сжигания.
• Коэффициент размолоспособности; показатель измельчаемости; размольная характеристика (grindability index), показывает, насколько легко измельчить данный уголь в порошок (позволяет определить производительность шаровой мельницы). В США используется два метода определения индекса по Хардгрову Hardgrove (см. Hardgrove Grindability Index) и индекс шаровой мельницы по Бонду (см. Bond Ball Mill Work Index).
• Показатель (индекс) свободного вспучивания в тигле (free-swelling index) который показывает степень набухания угля при сгорании в топливном слое и указывает на способность данного сорта спекаться.

Данные - в основном, но не только: 2017 ANSI/ASHRAE Handbook-Fundamentals (SI=СИ)