При химических исследованиях в зависимости от их назначения проводят технический и элементный анализы. Цель технического анализа — выявить горючие части топлива. В его задачи входит определение влаги W, золы А, летучих веществ Vr, коксового остатка Kr, характеризующего спекаемость, и серы Sоб. Влага и зола составляют негорючую часть угля (балласт топлива), остальные части — горючую массу.
Влага ископаемого угля бывает общая или рабочая, состоящая из внешней и внутренней, или гигроскопической. Внешняя влага при хранении добытого угля улетучивается в окружающий воздух, после чего уголь переходит в воздушно-сухое состояние. Внутренняя влага удаляется (не полностью) только при нагревании угля до температуры 105 °С. Абсолютно сухое топливо совершенно не содержит влаги. Его получают путем высушивания при температуре выше 105 °С. При технических анализах определяется влажность воздушно- сухой пробы, после чего производятся пересчеты на абсолютно сухое топливо, рабочее топливо, горючую массу.
Зола — смесь минеральных веществ, остающихся после сгорания всех горючих частей топлива. Масса золы не равна массе заключающихся в топливе минеральных примесей. Считают, что она меньше на 5—10%. Например, в примесях из глинистых сланцев содержатся гидратизированные алюмосиликаты, которые отдают воду при высокой температуре сжигания топлива; примеси серного колчедана при сжигании угля образуют сернистый газ; гипс при сжигании теряет кристаллизационную воду.
Зольность углей — исключительно важный и нередко решающий качественный показатель, от которого зависит пригодность угля к использованию. Она колеблется в широких пределах: от 2 до 40% и более. Граница между углем и углистым сланцем условно принимается по содержанию золы 40%, а иногда ее до 45%. В золе нередко содержится значительное количество элементов-примесей. Так, например, в 1 т золы, получаемой после сжигания некоторых углей, содержится до 10 г серебра, около 1 г золота и 0,5 г платины, иногда в золах углей обнаруживают германий, ванадий, уран, ртуть и др., причем содержание германия достигает в углях 0,002—1%, а ванадия 0,001—0,003%.
Теплота сгорания углей — это количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы массы. Обычно за единицу массы считают 1 кг, а выделяющееся тепло учитывают в джоулях. Чем выше теплота сгорания, тем лучше качество энергетических углей.
Теплота сгорания определяется на рабочее (Op) и абсолютно сухое топливо (Qc), на аналитическую пробу угля (Qa) и его горючую массу (Qг). Теплоту сгорания можно определять, как непосредственно экспериментальным путем с помощью специального прибора, так и по результатам элементного анализа по эмпирическим формулам. Одна из таких формул, предложенная Д. И. Менделеевым для жидких топлив, оказывается пригодной для твердых: (Qвысш = 81С + 300Н—26 (О — S) Дж/кг, где Qвысш, С, Н, O, S принимаются в процентах.
Для бурых углей теплота сгорания обычно не превышает 18 900 Дж/кг, для коксующихся 36120—36 540 Дж/кг, а для антрацитов 34 440—35 700 Дж/кг.
С ростом степени метаморфизма углей теплота сгорания вначале возрастает и достигает максимума у коксовых и отощенных спекающихся углей, а затем снижается к тощим углям и антрацитам.
Летучие вещества играют большую роль в качественной характеристике угля. Под летучими веществами принято понимать смесь газо- и парообразных веществ, выделяющихся из угля в результате разложения органической массы при нагревании без доступа воздуха до 850 °С. Содержание летучих, обычно вычисляется на безводный и беззольный уголь, на так называемую горячую массу.
Коксовый остаток (Кг), в котором содержится часть органического вещества и примеси, образующие золу, представляет собой твердый продукт, остающийся в тигле после удаления летучих веществ. Чтобы получить количество беззольного кокса и так называемого связанного углерода, нужно из массы коксового остатка вычесть массу золы. По характеристике нелетучего остатка можно судить в первом приближении о спекаемости углей.
В зависимости от метаморфизма углей, а также от соотношения между витреновыми, липоидными и фюзеновыми веществами спекаемость может изменяться в широких пределах. Она увеличивается при прочих равных условиях с увеличением в углях содержания витрена и липоидов.
Сера входит в состав различных сернистых соединений (органическая, пиритная и сульфатная сера), содержащихся в ископаемых углях, и не зависит от метаморфизма последних. Наличие сернистых соединений всегда следует учитывать при изучении генезиса углей. Оно оказывает настолько большое влияние на их свойства, что во многих случаях этот показатель является решающим при установлении пригодности углей для различных видов практического использования.
Первый важнейший показатель сернистости углей — общее содержание серы, условно пересчитанное на сухое топливо в процентах к анализируемым углям. При сгорании серы образуется сернистый газ 50г, который с водой дает серную кислоту, разъедающую стенки котлов. Наличие серы в коксе повышает расход руды и снижает производительность доменной печи.
Выделены следующие промышленные группы углей по сернистости:
I — малосернистые угли (0,5—1,5% S);
II — среднесернистые угли (1,6—2,5% S);
III — сернистые угли (2,6—4% S);
IV— высокосериистые угли (более 4% S).
Элементный анализ производится для выяснения количественного соотношения (в процентах) элементного состава органического вещества углей. При этом определяют содержание углерода, водорода, кислорода, азота и органической серы. Иногда выясняют содержание фосфора, имеющего важное значение для установления качества коксующихся углей. Содержание его на органическую массу различно и зависит от степени обуглероживания. Количество углерода (в %): в бурых углях в среднем 60—76, в каменных 75—91, в антрацитах до 97.
Водород (Н2) повышает теплоту сгорания углей, так как при сгорании водорода выделяется тепла в 4,2 раза больше, чем при сгорании углерода. Содержание этого элемента снижается от бурых углей (4—6%) к антрацитам. В сапропелитах количество водорода 7—9 и даже 11%.
Кислород (O2) убывает от бурых углей (10—30%) к антрацитам (1—2%). В торфе кислорода содержится около 40%.
Азот (N2) содержится в углях в количестве от 1 до 3% и заметно уменьшается по мере повышения степени углефикации. В гумусовых углях азота больше, чем в сапропелитах.
Сера (S) органическая, связанная с углем химически, входит в состав растений, из которых образовался уголь.
Фосфор (Р) содержится в углях различных бассейнов и угольных пластов очень неравномерно (в донецких 0,01—0,02%, а в углях Кузбасса до 0,1%). Фосфор — очень вредная примесь в коксующихся углях, так как он из кокса полностью переходит в чугун и резке снижает его качество. Содержание фосфора в коксующихся углях не должно превышать 0,03%.
Угольные пласты обычно петрографически неоднородны и состоят из нескольких составных частей (ингредиентов), достаточно хорошо различимых невооруженным глазом. Детально петрографический состав изучается под микроскопом.
Бурые и слабометаморфизованные каменные угли (длиннопламенные и газовые) с явно выраженной полосчатостью состоят из четырех макроингредиентов, различающихся по блеску: блестящий — витрен, полублестящий — кларен, полуматовый — дюрен и матовый—фюзен. Витрен и фюзен относятся к простым ингредиентам, кларен и дюрен — к сложным.
В зависимости от преобладания в строении угольных пластов тех или иных ингредиентов угли обычно называются дюреновыми (матовыми), клареновыми (блестящими), дюро-клареновыми (полублестящими), кларо-дюреновыми (полуматовыми).
Технологические исследования углей проводятся для установления способности к коксованию и полукоксованию, а также на способность их обогащаться, брикетироваться, на получение из них жидкого топлива или с целью их газификации.
С повышением степени метаморфизма углей количество летучих веществ уменьшается. В бурых углях летучих веществ 55—45%, в каменных 10—50%, в антрацитах до 1—2%. Наиболее закономерно изменяется их содержание в ряду витренов: от 47% в витрене длиннопламенных углей до 1—4% в витрене антрацита.
Можно сделать общий вывод, что суммарный выход летучих веществ из петрографически неоднородных гумусовых углей и их микроингредиентов зависит не только от степени их метаморфизма, но и от петрографического состава. Именно поэтому выход летучих веществ не может всегда строго соответствовать степени химической зрелости углей и при сопоставлении углей нередко искажается.
