Каменный уголь горит: Свойства угля — физические, химические, основные

Содержание

Свойства угля — физические, химические, основные — состав каменного угля и применение

Свойства и характеристики угля

Уголь — это горючая осадочная порода растительного происхождения, состоящая в основном из углерода и ряда других химических элементов.

Состав угля зависит от возраста: самый молодой — бурый уголь (марка 1Б по свойствам ближе к древесине, 3Б — к каменному углю), затем идет каменный уголь, старше всех антрацит. По мере старения происходило концентрирование углерода и уменьшение содержания летучих составляющих, в частности, влаги. Так, бурый уголь имеет влажность 30–40%, более 50% летучих компонентов, у антрацита оба показателя составляют 5–7%.

Кроме основных компонентов, уголь содержит «породу»: различные негорючие золообразующие добавки. Наличие породы уменьшает удельную теплоту сгорания угля, увеличивает износ механизмов котла, затрудняет углеподготовку (дробление угля до нужной фракции). В зависимости от сорта и условий добычи зольность может различается очень сильно. Так, зольность кузбасского каменного угля 15-17%, бурого балахтинского (Красноярский край) менее 10%, но в России встречаются угли с зольностью до 30-35%.

Зола является вредным отходом, загрязняющим окружающую среду, и подлежит утилизации на специальных полигонах. Для удобства вывоза зольник в Термороботе сделан съемным, транспортабельным.

Есть также «зола уноса«, определяющая экологические показатели котла, ее количество учитывается при экологической экспертизе проекта котельной. Выброс пыли зависит от сорта угля, мощности и конструкции котла.

Важным показателем угля является температура плавления золы, зависящая от химического состава породы в конкретном угле, она определяет спекаемость (шлакование) угля в топке котла.

Есть еще один вредный компонент угля — сера. При сжигании серы образуются ее окислы, которые, взаимодействуя с водой, превращаются в серную кислоту. Она загрязняет окружающую среду и дает кислотный конденсат, разрушающий элементы котла. Содержание серы обычно находится в пределах 0,1-1%.

Основной показатель топлива — удельная теплота сгорания. В сертификатах указывают «высшую» и «низшую» теплоту сгорания. При выборе угля и при оценке КПД котла следует обращать внимание на низшую теплоту, обозначаемую в сертификатах Q_i^r . У бурого угля ее значение составляет 3000-5000, у рядового каменного угля 5000-5500 ккал/кг. В справочниках можно встретить значение 7000 ккал/кг, это относятся к угольному концентрату («условное топливо»), на обычных угольных складах таким углем не торгуют.

Плотность угля — от 1 до 1,7 т/м³ в зависимости от содержания минеральных веществ, но в практических расчетах следует пользоваться «насыпной плотностью«. Для рекомендованного нами балахтинского угля 3Б она составляет 0,8 т/м³ (бункер котельной Терморобот-300 объемом 5 м³ вмещает 4 тонны угля). Насыпная плотность сортового каменного угля около 0,85 т/м³.

Как горит уголь

Уголь содержит 2 горючих компонента: летучие вещества и твердый коксовый остаток. Конструкция котла должна обеспечить полное сжигание обоих компонентов угля. Механический или химический недожог очень сильно снижает КПД котла и его экологические показатели.

На первом этапе горения происходит газификация угля: из него выделяются летучие вещества; при достатке кислорода они быстро сгорают, давая длинное пламя. Затем выгорает коксовый остаток; интенсивность и температура его горения зависит от вида угля (бурый, каменный, антрацит): чем выше степень углефикации (самая высокая она у антрацита), тем выше температура воспламенения и теплота сгорания, но ниже интенсивность горения.

Уголь марок Б, Д, Г

Из-за высокого содержания летучих веществ такой уголь быстро разгорается и быстро сгорает. Уголь этих марок доступен и пригоден почти для всех видов котлов, но для полного сгорания этот уголь должен подаваться маленькими порциями, чтобы выделяющиеся летучие вещества успевали полностью соединяться с кислородом воздуха (так, в котлах Терморобот ТР-200, ТР-300 уголь подается почти непрерывно). Полное сгорание угля характеризуется желтым пламенем и прозрачными дымовыми газами; неполное сгорание летучих веществ дает багровое пламя и чёрный дым.

Уголь марок СС, Т, А

Разжечь такой уголь труднее; он горит долго и выделяет много тепла; его можно загружать большими партиями, так как в нем горит в основном коксовый остаток, нет массового выделения летучих веществ. Очень важен режим поддува: при недостатке воздуха горение происходит медленно, возможно угасание, либо, напротив, чрезмерное повышение температуры, приводящее к прогоранию котла. В Термороботе при использовании углей СС и Т резко (на 30-50%) снижается мощность котла, это следует учитывать при выборе мощности котла. Использование в Термороботе угля А (антрацита) не допускается.

Бурый или каменный: какая разница, чем топить ТЭЦ?

Сжигание угля, ископаемое топливо, загрязнение

Жарким августовским днем на юго-западе Индианы гигантская электростанция Gibson работает на полную мощность. Его пять котлов высотой 180 футов (54,9 метра) поглощают 25 тонн (22,7 метрических тонны) угля каждую минуту, посылая пар с температурой в тысячу градусов через турбины, которые производят более 3000 мегаватт электроэнергии, 50 процентов. больше, чем плотина Гувера. Система охлаждения завода изо всех сил старается не отставать, а в диспетчерской чирикают предупреждения о повышении температуры выхлопных газов.

Но в такой день, как этот, нельзя отступать, когда кондиционеры гудят по всему Среднему Западу, а спрос на электроэнергию приближается к рекордному уровню. Gibson, одна из крупнейших электростанций в стране, является опорой электроснабжения региона, обеспечивая электроэнергией три миллиона человек. Выйдя из душного завода в кондиционированные офисы, Анджелина Протожер из Cinergy, коммунального предприятия в Цинциннати, которому принадлежит Gibson, с благодарностью говорит: «Вот почему мы производим всю эту мощность».

В следующий раз, когда вы включите кондиционер или включите DVD, подумайте о таких местах, как Gibson, и о грязном топливе, которое он потребляет из расчета три поезда по 100 вагонов в день. Электростанции, работающие на угле, подобные этой, обеспечивают Соединенные Штаты половиной электроэнергии. Они также выделяют смесь вредных веществ, в том числе двуокись серы — основную причину кислотных дождей — и ртуть. И они выбрасывают столько же согревающего климат углекислого газа, сколько американские автомобили, грузовики, автобусы и самолеты вместе взятые.

То здесь, то там, в небольших демонстрационных проектах, инженеры изучают технологии, которые могли бы превратить уголь в энергию без этих экологических затрат. Тем не менее, если коммунальные предприятия не начнут строить такие заводы в ближайшее время — а их будет много — в будущем, вероятно, будет гораздо больше традиционных станций, таких как Gibson.

Ненасытное потребление электричества прошлым летом было лишь предварительным просмотром. По данным Министерства энергетики, стремление американцев к большим домам, наряду с ростом населения на Западе и зависящим от кондиционеров Юго-Востоке, поможет увеличить аппетит США к энергии на треть в течение следующих 20 лет. А в развивающемся мире, особенно в Китае, потребности в электроэнергии будут расти еще быстрее, поскольку фабрики расцветают, а сотни миллионов людей покупают свои первые холодильники и телевизоры. Большая часть этого спроса, вероятно, будет удовлетворена за счет угля.

В течение последних 15 лет коммунальные предприятия США, нуждающиеся в увеличении мощности, в основном строили электростанции, работающие на природном газе, относительно чистом топливе. Но почти утроение цен на природный газ за последние семь лет привело к остановке многих газовых электростанций и затормозило новое строительство. Ни ядерная энергия, ни альтернативные источники, такие как ветер и солнечная энергия, вряд ли смогут удовлетворить спрос на электроэнергию.

Между тем, более четверти триллиона тонн угля лежит под ногами, от Аппалачей через бассейн Иллинойса до Скалистых гор — этого достаточно, чтобы продержаться 250 лет при сегодняшнем уровне потребления. Вы слышите это снова и снова: США — это угольная Саудовская Аравия. В настоящее время в США проектируется или строится около 40 угольных электростанций. Китай, также богатый углем, может построить несколько сотен к 2025 году9.0003

Добыча достаточного количества угля, чтобы удовлетворить этот растущий аппетит, нанесет ущерб землям и сообществам. Из всех ископаемых видов топлива уголь выделяет больше всего углекислого газа на единицу энергии, поэтому его сжигание представляет дополнительную угрозу глобальному климату, который уже вызывает тревогу. Благодаря настоянию правительства угольные предприятия сократили выбросы таких загрязняющих веществ, как двуокись серы и оксиды азота, установив такое оборудование, как скрубберы размером со здание и каталитические установки, расположенные за заводом Gibson. Но углекислый газ, вызывающий глобальное потепление, просто идет вверх по трубам — почти два миллиарда тонн его ежегодно выбрасываются на угольных электростанциях США. В течение следующих двух десятилетий эта сумма может вырасти на треть.

Нет простого способа уловить весь углекислый газ на традиционной угольной станции. «Прямо сейчас, если вы возьмете растение и наденете на него устройство для улавливания углерода, вы потеряете 25 процентов энергии», — говорит Хулио Фридманн, изучающий управление углекислым газом в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. Но новый тип электростанции может изменить это.

В ста милях (161 км) вверх по реке Вабаш от завода Гибсона находится небольшая электростанция, которая совсем не похожа на гигантские котлы и паровые турбины Гибсона. Этот похож на нефтеперерабатывающий завод, сплошь баки и серебристые трубы. Вместо сжигания угля электростанция Wabash River химически преобразует его в процессе, называемом газификацией угля.

Завод Вабаш смешивает уголь или нефтяной кокс, похожий на уголь остаток нефтеперерабатывающих заводов, с водой и чистым кислородом и перекачивает его в высокий резервуар, где огненная реакция превращает смесь в горючий газ. Другое оборудование удаляет серу и другие загрязняющие вещества из так называемого синтез-газа, прежде чем он будет сожжен в газовой турбине для производства электроэнергии.

Очистка несгоревшего синтез-газа дешевле и эффективнее, чем попытки просеять загрязняющие вещества из выхлопных газов электростанции, как это делают скрубберы на заводах типа Gibson. «Эту электростанцию называют самой чистой угольной электростанцией в мире», — говорит Стивен Вик, генеральный менеджер объекта Wabash. «Мы очень гордимся этим отличием».

Синтез-газ можно даже перерабатывать, удаляя углекислый газ. Завод в Вабаше не пошел на этот шаг, но будущие заводы могли бы это сделать. Газификация угля, по словам Вика, «это технология, предназначенная для полного удаления CO2». Углекислый газ можно закачивать глубоко под землю, в истощенные нефтяные месторождения, старые угольные пласты или заполненные жидкостью породы, изолируя их от атмосферы. И в качестве бонуса удаление углекислого газа из синтетического газа может оставить чистый водород, который может питать новое поколение экологически чистых автомобилей, а также генерировать электроэнергию.

Завод Вабаш и аналогичный ему недалеко от Тампы, Флорида, были построены или отремонтированы на государственные деньги в середине 1990-х годов, чтобы продемонстрировать, что газификация является жизнеспособным источником электроэнергии. Проекты в Северной Дакоте, Канаде, Северном море и других местах проверяли другие части уравнения: улавливание углекислого газа и его улавливание под землей. Исследователи говорят, что им нужно больше знать о том, как ведет себя погребенный углекислый газ, чтобы быть уверенным, что он не просочится наружу, что представляет собой потенциальную угрозу для климата или даже людей. Но Фридманн говорит: «Для первого монтажа у нас достаточно информации, чтобы сказать: «Это не проблема. Мы знаем, как это сделать»»9.0003

Однако это не гарантирует, что коммунальные предприятия примут технологию газификации. «Тот факт, что это доказано в Индиане и Флориде, не означает, что руководители собираются делать на это миллиардные ставки», — говорит Уильям Розенберг из Гарвардской школы государственного управления им. Кеннеди. Две газификационные электростанции в США вдвое меньше большинства коммерческих электростанций и оказались менее надежными, чем традиционные электростанции. Технология также стоит на целых 20 процентов больше. Самое главное, у компании мало стимулов брать на себя дополнительный риск и расходы на более чистые технологии: на данный момент коммунальные предприятия США могут свободно выбрасывать столько углекислого газа, сколько захотят.

Генеральный директор Cinergy Джеймс Роджерс, человек, отвечающий за Gibson и восемь других заводов по выбросу углерода, говорит, что ожидает, что это изменится. «Я верю, что в этой стране у нас будет регулирование выбросов углерода», — говорит он и хочет, чтобы его компания была готова. «Чем раньше мы приступим к работе, тем лучше. Я считаю очень важным, чтобы мы развили способность улавливать углерод». Роджерс говорит, что намерен построить промышленную газификационную электростанцию, способную улавливать углекислый газ, и несколько других компаний объявили о подобных планах.

Законопроект об энергетике, принятый в июле прошлого года Конгрессом США, предлагает помощь в виде кредитных гарантий и налоговых льгот для проектов газификации. «Это должно дать толчок делу», — говорит Розенберг, выступавший за эти меры в своих показаниях перед Конгрессом. Опыт строительства и эксплуатации первых нескольких электростанций должен снизить затраты и повысить надежность. И рано или поздно, говорит Роджерс, новые экологические законы, устанавливающие цену на выбросы двуокиси углерода, сделают чистые технологии гораздо более привлекательными. «Если стоимость углерода составляет 30 долларов за тонну, просто поразительно, какие технологии будут развиваться, чтобы вы могли производить больше электроэнергии с меньшими выбросами».

Если он прав, однажды мы сможем охлаждать наши дома, не включая термостат на всей планете.

Читать дальше

Что происходит с вашим мозгом, когда вы видите птицу в природе?

Окружающая среда

Что происходит с вашим мозгом, когда вы видите птицу в природе?

Новое исследование дает удивительное представление о том, как времяпрепровождение на свежем воздухе влияет на наше самочувствие и какие части природы могут быть более терапевтическими, чем другие.

Крис Хемсворт рисковал своим телом — ради науки

Журнал

Крис Хемсворт рисковал своим телом — ради науки

В своем новом сериале Nat Geo «Безграничный» актер болтается на веревке высоко над каньоном и бороздить холодные воды — и все это для того, чтобы проверить экстремальные стратегии продления жизни.

Эксклюзивный контент для подписчиков

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эра собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету

Почему люди так чертовски одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу

Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории

Посмотрите, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету

Почему люди так одержимы Марсом?

Как вирусы формируют наш мир

Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету

Подробнее

Утилизация угля | Летучие вещества и химия

использование угля , сжигание угля или его превращение в полезные твердые, газообразные и жидкие продукты. На сегодняшний день наиболее важным использованием угля является его сжигание, в основном для обеспечения теплом котлов электростанций. Металлургический кокс является основным продуктом переработки угля. Кроме того, методы газификации и сжижения угля в топливо или сырье для химической промышленности хорошо разработаны, но их коммерческая жизнеспособность зависит от наличия и цены конкурирующих ископаемых видов топлива, нефти и природного газа.

Свойства, влияющие на использование угля

Марка угля

Образование угля из различных растительных материалов посредством биохимических и геохимических процессов называется углефикацией. Характер компонентов угля связан со степенью углефикации, измерение которой называется рангом. Ранг обычно оценивается серией тестов, в совокупности называемых приблизительным анализом, которые определяют содержание влаги, содержание летучих веществ, содержание золы, содержание связанного углерода и теплотворную способность угля.

Содержание влаги определяют путем нагревания воздушно-сухого образца угля при температуре 105–110 °C (221–230 °F) в определенных условиях до получения постоянной массы. В целом влажность увеличивается с понижением марки и колеблется от 1 до 40% для различных марок угля. Присутствие влаги является важным фактором как при хранении, так и при использовании углей, поскольку она увеличивает ненужный вес при транспортировке, снижает теплотворную способность и создает некоторые проблемы при транспортировке.

Летучие вещества – это вещества, которые удаляются при нагревании угля до 950 °C (1742 °F) в отсутствие воздуха при определенных условиях. Его измеряют практически, определяя потерю веса. Состоящая из смеси газов, низкокипящих органических соединений, которые при охлаждении конденсируются в масла, и смолы, летучие вещества увеличиваются с понижением ранга. Как правило, угли с высоким содержанием летучих веществ легко воспламеняются и обладают высокой реакционной способностью при горении.

Содержание минералов (золы)

Уголь содержит различные минералы в различных пропорциях, которые при сжигании угля превращаются в золу. Количество и природа золы и ее поведение при высоких температурах влияют на конструкцию и тип системы удаления золы, используемой на угольных электростанциях. При высоких температурах угольная зола становится липкой (т. е. спекается) и в конечном итоге образует расплавленный шлак. Затем шлак становится твердым кристаллическим материалом после охлаждения и повторного затвердевания. Удельные температуры плавления золы определяют в лаборатории путем наблюдения за температурами, при которых происходят последовательные характерные стадии плавления навески золы при нагревании в печи в заданных условиях. Эти температуры часто используются в качестве индикаторов спекаемости углей при высокотемпературной обработке.

Содержание связанного углерода

Связанный углерод представляет собой твердый горючий остаток, который остается после нагревания частицы угля и удаления летучих веществ. Содержание связанного углерода в угле определяется путем вычитания процентного содержания влаги, летучих веществ и золы из образца. Поскольку реакции горения газ-твердое тело протекают медленнее, чем реакции газ-газ, высокое содержание связанного углерода указывает на то, что углю потребуется длительное время горения.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Теплотворная способность

Теплотворная способность, измеряемая в британских тепловых единицах или мегаджоулях на килограмм, представляет собой количество химической энергии, содержащейся в угле, которая выделяется в виде тепловой энергии при сгорании. Это напрямую связано с рангом; на самом деле, метод ASTM использует теплотворную способность для классификации углей на уровне высоколетучих битуминозных или ниже (угли выше этого класса классифицируются по содержанию связанного углерода). Теплотворная способность частично определяет ценность угля как топлива для сжигания.

Тип угля

Уголь представляет собой сложный материал, состоящий из микроскопически различимых, различимых физически и химически различных органических веществ, называемых мацералами. На основании их оптического отражения, способа возникновения и внешнего вида под микроскопом мацералы сгруппированы в три основных класса: (1) липтинитовые или эксинитовые мацералы с низким коэффициентом отражения и высоким отношением водорода к углероду образуются из спор растений. , кутикулы, смолы и тела водорослей. (2) Витринитовые мацералы с промежуточной отражательной способностью и высоким отношением кислорода к углероду образуются из древесных тканей. (3) Инертинитовые мацералы с высоким коэффициентом отражения и содержанием углерода образуются из ископаемого древесного угля или разложившегося материала.

Хотя ожидается, что различные мацералы в данной группе будут иметь схожие свойства, они часто проявляют различное поведение при конкретном конечном использовании. Например, сообщается, что эффективность сгорания находится в обратной зависимости от содержания инертинита, однако обнаружено, что микринит, который классифицируется как инертинитовый мацерал, обладает высокой реакционной способностью при сжигании. Корреляция между петрографическим составом и реакционной способностью угля еще не установлена.

Физические свойства

Измельчаемость

Измельчаемость угля является мерой его сопротивления дроблению. Двумя факторами, влияющими на способность к измельчению, являются влажность и содержание золы в угле. В целом лигниты и антрациты более устойчивы к измельчению, чем битуминозные угли. Одним из широко используемых методов оценки измельчаемости является испытание Хардгроува, заключающееся в измельчении специально подготовленного образца угля в лабораторной мельнице стандартной конструкции. Массовый процент угля, который проходит через сито 200 меш (сито с отверстиями 74 микрометра или 0,003 дюйма), используется для расчета индекса измельчаемости Хардгроува (HGI). Этот показатель используется в качестве ориентира для определения размеров измельчительного оборудования на углеобогатительной фабрике.

Пористость — это доля объема кажущегося твердого тела, которое на самом деле представляет собой пустое пространство. Из-за пористости площадь поверхности внутри угольной частицы намного больше, чем площадь внешней поверхности. В любой реакции газ-твердое тело или жидкость-твердое вещество скорость реакции зависит от доступной площади поверхности, на которой может происходить реакция; следовательно, пористость угля влияет на скорость его реакции в процессе конверсии. Доступность реагента к внутренней поверхности угольной частицы также зависит от размера и формы пор и степени пористости.

Несколько типов измерения плотности угля выполняются в зависимости от предполагаемого конечного использования. Наиболее часто измеряемой плотностью является объемная плотность; это определяется как вес угля, занимающего единицу объема, и выражается в граммах на кубический сантиметр или фунтах на кубический фут. Насыпная плотность зависит от гранулометрического состава угля и имеет важное значение при проектировании бункеров и силосов.

При нагревании многие битуминозные угли размягчаются и образуют пластичную массу, которая набухает и снова затвердевает в пористое твердое тело. Угли, которые проявляют такое поведение, называются спекающимися углями. Сильно спекающиеся угли, дающие твердый продукт (кокс) со свойствами, пригодными для использования в доменной печи, называются коксующимися. Все коксующиеся угли спекаются, но не все спекающиеся угли пригодны для производства кокса.