Особенности распределения органической и минеральной частей по фракциям различных бурых углей при размоле

Глубина термохимических преобразований в минеральной части углей при горении тесно связана с характером распределения вещественного состава по фракциям угольной пыли. Вопросу изучения влияния петрографического состава бурых углей на их поведение при размоле в литературе не уделено достаточного внимания.

Известно, что петрографические составляющие различаются по физико-механическим свойствам [76-78], что приводит к их разобщению при измельчении углей. Фракции угольной пыли могут в различной степени обогащаться теми или иными петрографическими компонентами. Это в значительной степени будет определять поведение органической и минеральной частей топлива при его термической подготовке и в процессе сжигания.

Для исследования нами брались пробы угольной пыли неокисленного и окисленного березовского углей и сравнивались с другими бурыми углями: назаровским, ангренским, гусино-озерскими и харанорским. Угольная пыль березовского и назаровского углей получена на экспериментальной установке кафедры ТЭС ПИ СФУ (рис. 2.17), а других указанных углей отобрана с промышленных котлоагрегатов и разделена на узкие фракции ситовым способом (фракции более 50 мкм) и с помощью труб Ганнеля (фракции менее 50 мкм). Определение петрографического состава фракций угольной пыли производилось по ГОСТ 12112–66. Микроэлементы подсчитывали посредством микроскопов МИН-7 и МИН-9 вручную, а также с использованием фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), сигнал которого записывали на потенциометре.

Сравнение петрографического состава исходных углей и фракций угольной пыли проводилось по содержанию трех основных групп микрокомпонентов – гуминита, инертинита и липтинита, обладающих значительно различающимися физико-химическими и технологическими свойствами [77-80,103]

Накоплению липтинита в угольном пласте способствуют антисептические свойства липоидов [81]. По мере уменьшения размеров угольных частиц происходит накопление в них микрокомпонентов группы инертинита с одновременным уменьшением группы гуминита (рис. 2.18, 2.19).

Для харанорского и гусино-озерского углей заметное накопление инертинита начинается в частицах размером менее 20 – 50 мкм, а после достижения максимума во фракции 5 – 10 мкм происходит их уменьшение. То же самое наблюдается и для ангренского угля с той лишь разницей, что максимальное содержание инертинита наблюдается во фракции 10 – 20 мкм.

Рисунок 2.18 – Распределение петрографических микрокомпонентов группы витринита по фракциям угольной пыли:1 – березовский окисленный уголь; 2 – березовский неокисленный уголь; 3 – назаровский уголь; 4 – гусино-озерский уголь;
5 – харанорский уголь; 6 – ангренский уголь

Рисунок. 2.17.Полупромышленная установка по термической подготовке и сжиганию углей: 1 – камеры сгорания жидкого топлива; 2 – дробилка; 3 – циклон; 4 – бункер дробленого угля; 5 – шаровая барабанная мельница; 6 – циклон-сепаратор; 7 – бункер угольной пыли; 8 – тканевые фильтры; 9 – циклонная топочная камера; 10 – экспериментальный газоход; 11 – экспериментальные зонды; 12 – воздухоподогреватель;13 – камера термической подготовки топлива; 14 – горячий циклон; 15 – бункер термоугля

Характерной особенностью канско-ачинских углей является отсутствие максимума на кривых, выражающих зависимость содержания инертинита от размера угольных частиц. Микрокомпоненты группы липтинита сосредоточены во фракциях угольной пыли с размером частиц более 160 мкм. Этот факт объясняется, вероятно, не высокой твердостью липтинита [82], а его большой вязкостью и пластичностью. Вследствие этих свойств липтинит не только связывает между собой другие петрографические составляющие угля, но и является самым устойчивым из них при размоле [78].

В более крупных фракциях угольной пыли наряду с накоплением гуминита и липтинита растет содержание водорода.

Таблица 2.3

Петрографический состав углей

Наименование угля	Петрографический состав, %
Гуминит-Н	Инертинит	Липтинит
Березовский неокисленный
Березовский окисленный
Ангренский
Гусино-озерский
Харанорский
Назаровский

Изучение петрографического состава минеральной части фракций пыли березовских углей из зоны окисления показало, что характер распределения минеральных примесей в органическом веществе фракций такой же, как и у исходных полифракционных проб.

Рисунок 2.19 – Распределение петрографических микрокомпонентов группы витринита по фракциям угольной пыли:1 – березовский окисленный уголь; 2 – березовский неокисленный уголь; 3 – назаровский уголь; – гусино-озерский уголь; 5 – харанорский уголь; 6 – ангренский уголь

Таблица 2.4

Петрографический состав исходных проб березовских углей

Наименование угля	A^d, %	Петрографический состав, %
Гуминит	Инертинит	Липтинит	Микстинит
Сажистый	20,70
Сажистый	18,17
Окисленный (верхняя зона)	11,29
Окисленный (средняя зона)	9,29
Рядовой (нижняя зона)	7,65
Рядовой (нижняя зона)	6,00
Рядовой (нижняя зона)	5,20
Рядовой (нижняя зона)	4,90
Рядовой (нижняя зона)	4,27

Глинистые минералы относятся к группе липтинита и считаются примесями терригенного происхождения. Пирит относится к группе гуминита и находится в угле в основном в виде включений тончайшей вкрапленности. Кварц находится в виде очень мелких включений терригенного происхождения. Результаты определения петрографического состава березовского угля различной степени окисленности приведены в табл. 2.4.

Известно, что при размоле углей минеральная часть топлива неравномерно распределяется по отдельным фракциям угольной пыли, в результате чего происходит обогащение мелких фракций минеральными примесями [84].

Характер распределения зольности по угольным фракциям одинаков для всех твердых топлив и описывается уравнением в общем виде [84]:

A^d = b + a lg d,

где b, а – коэффициенты; d – средний диаметр угольных частиц, мкм.

Для выявления особенностей поведения минеральной части березовских углей при размоле взяты партии угольной пыли этих углей (неокисленных и разной степени окисленности), полученных при размоле в вентилируемой шаровой барабанной мельнице экспериментальной установки КГТУ (рис. 2.17), а также использованы результаты ранее проведенных нами исследований по размолу других углей [85].

Для всех углей, кроме окисленных, характерным является обогащение минеральными примесями мелких фракций угольной пыли (рис. 2.20). Угольные частицы размером менее 5 мкм имеют зольность, которая в 1,25 – 2,1 раза превышает зольность исходной средней пробы. Эту величину назовем степенью обогащения золой.

Обычно чем выше зольность у исходного угля, тем сильнее степень обогащения минеральными примесями мелких фракций угольной пыли. Это относится к углям, минеральная часть которых обогащена кварцем.

К такому классу углей (первой группе) относится гусино-озерский, у которого степень обогащения золой фракций менее 5 мкм составляет 2,1.

Рисунок 2.20 – Распределение зольности по фракциям угольной пыли:

1 – березовский неокисленный уголь (А = 4,9 %); 2 – ангренский уголь (А = 22,6 %); 3 – харанорский уголь; А = 15,2 %); 4 – березовский окисленный уголь (А = 11,29 %); 5 – гусино-озерский уголь (А = 25 %); 6 – березовский окисленный уголь (А = 20,7 %); 7 – березовский окисленный уголь (А = 18,17 %); 8 – назаровский уголь (А = 9,6 %)

Ко второй группе относятся высокозольные угли, минеральная часть которых представлена тонкодисперсными глинистыми соединениями. При размоле этих углей происходит более плавное увеличение зольности мелких фракций. Например, при одинаковой зольности гусино-озерского и ангренского углей у последнего степень обогащения минеральными примесями фракций менее 5 мкм составляет всего лишь 1,25.

К третьей группе углей принадлежат малозольные угли Канско-Ачинского бассейна. Минеральная часть этих углей представлена в основном первичной золой, входящей в органо-минеральные соединения.

В связи с этим происходит практически равномерное распределение минеральных примесей по фракциям угольной пыли, и только повышение зольности канско-ачинских углей приводит к более глубокому обогащению мелких фракций минералами внешней золы (рис. 2.20).

К четвертой группе относятся окисленные угли Канско-Ачинского бассейна с характерной повышенной зольностью. Однако при размоле этих углей наблюдается аномальная картина перераспределения минеральной части по угольным фракциям, не характерная для высокозольных бурых углей.

Так, при размоле окисленного березовского угля с зольностью A^d = 11,29 % не только не происходит обогащения минеральными примесями более мелких фракций, а наоборот распределение минеральной части по фракциям становится более равномерным по сравнению с малозольным неокисленным углем (A^d = 4,9 %).

Петрографические исследования показали, что минеральные включения окисленного березовского угля очень тонкодисперсные (глинистое вещество, кварц, мельчайшие вкрапления пирита, гидроокислы и сульфаты железа). Такие примеси по своей природе относятся к минералам внешней золы.

Однако при размоле окисленных углей эти включения ведут себя, как внутренняя зола, т. е. не отделяются от угольного вещества и не накапливаются в самой мелкой фракции угольной пыли. Увеличение зольности березовского окисленного угля, как уже было отмечено ранее, происходит частично за счет тонкодисперсных глинистых минералов и, главным образом, за счет соединений кальция и магния, приносимых водными потоками в составе гидрокарбонатов. Последние взаимодействуют с гуминовыми кислотами, образуя соответствующие гуматы, которые обеспечивают очень равномерное распределение минеральной части в угольном веществе. При размоле сажистых березовских углей с зольностью 18,17 и 20,7 % мелкие фракции угольной пыли не только не обогащаются минеральными примесями, а, наоборот, в них содержится минимальное количество золы.

Минеральной частью обогащены более крупные фракции угольной пыли (рис. 2.20). Это объясняется высоким содержанием липтинита в данных углях (табл. 2.4). Как уже было отмечено ранее, в окисленном угле глинистые минералы приурочены в основном к группе липтинита, а при размоле микрокомпоненты этой группы концентрируются в крупных фракциях угольной пыли, повышая их зольность.

Особенности вещественного состава окисленных березовских углей сказываются и на химическом составе золы фракций угольной пыли. Так, для неокисленных углей характерным считается обогащение золы мелких фракций оксидами кремния, а крупных – оксидами кальция и магния. Для углей из верхней зоны окисления, особенно сажистых, наблюдается обратная зависимость. Мелкие фракции обогащаются оксидом кальция, а крупные – оксидами кремния (рис. 2.21, 2.22).

Рисунок 2.21 – Содержание оксидов кремния в золе фракции угольной пыли

березовских углей:: 1 – березовский окисленный уголь; 2 – березовский неокисленный уголь; 3 – назаровский уголь; 4 – гусино-озерский уголь; 5 – харанорский уголь; 6 – ангренский уголь

Это объясняется накоплением в крупных фракциях угольной пыли микрокомпонентов группы липтинита, которые являются носителями глинистых минералов. Обогащение оксидами железа мелких фракций окисленных углей происходит менее значительно, чем в неокисленных углях, что обусловлено более равномерным распределением соединений железа в органической массе окисленных углей.

Такие соединения более тонко дисперсны, чем в неокисленном угле. Сходство в поведении кальция и железа при размоле окисленных углей дает основание предположить, что эти элементы могут находиться в виде комплексных солей гуминовых кислот.

Предположения подтверждают результаты разделения пыли окисленного угля на весовые фракции в тяжелых жидкостях. На наличие комплексных органоминеральных соединений железа в бурых углях указывается в работах [86-88].

Рисунок 2.22 – Содержание оксида кальция в золе фракций угольной пыли

березовских углей:: 1 – березовский окисленный уголь; 2 – березовский неокисленный уголь; 3 – назаровский уголь; 4 – гусино-озерский уголь;

5 – харанорский уголь; 6 – ангренский уголь

В результате проведенных исследований установлено, что значительная доля всех составляющих минеральной части окисленных березовских углей находится в виде солей гуминовых кислот или органо-минеральных сростков

Дата добавления: 2015-06-25