Уголь – сложнейшее органоминеральное образование (рис. 1), и поэтому обладает разнообразными свойствами. Это предопределяет возможность его использования практически во всех отраслях народного хозяйства от элементарной печки до космических аппаратов.
Качество, по определению – это совокупность свойств продукта, используемых для удовлетворения потребностей тех или иных отраслей народного хозяйства. А так как спектр использования углей огромен, то и перечень показателей качества также не мал. Например, чтобы определить, годится ли уголь для коксования, рассматривается более 30 показателей. То же для производства электродной продукции и т. д. Здесь рассмотрены показатели качества, учeт которых необходим при оценке использования угля в «малой» теплоэнергетике, т. е. на котельных и в быту.
Рисунок 1. Ископаемый уголь
Влажность угля (W)
Все угли содержат то или иное количество влаги. При этом в зависимости от ее состояния (приуроченности) различают влагу поверхностную (влагу смачивания). Это вода, находящаяся на поверхности кусков и зерен угля. Она легко удаляется путем просушивания на воздухе. Оставшаяся (после удаления поверхностной) влага характеризует влагосодержание угля, свойственное его вещественному, петрографическому и марочному составу и обозначается как максимальная влагоемкость (Wmax).
Свободная влага на поверхности кусков и зерен угля, и влага, приуроченная к трещинам, пустотам и капиллярам (Wmax) в сумме определяют такое понятие, как влага внешняя (Wex). B лаборатории она определяется путем просушивания в сушильных шкафах: при температуре 40 °С – для каменных углей и при 50 °С – для бурых. Влага воздушно-сухого угля, или аналитическая (Wa), в основном представлена адсорбционно-связанной водой. Определяется она посредством просушки при температуре 105–110 °С (при ускоренном методе при 160 °С).
В сумме эти два вида влаги определяют понятие влага общая (Wt), или рабочая (Wrt). Содержание влаги (рабочей и аналитической) зависит, прежде всего, от степени метаморфизма (марочного состава) угля. Влага в угле является не только балластом, она уменьшает его теплоту сгорания, т. к. требует дополнительных затрат тепла на своe испарение. Поэтому бытующая практика смачивания углей перед сжиганием, по сути, неверна. С другой стороны, смачивание угольной пыли приводит к еe окомкованию и повышению проницаемости для газов, выделяющихся при термической деструкции угля. Но этот прием применяется главным образом от безысходности – при использовании угля, не предназначенного для слоевого сжигания. Повышенное содержание внешней влаги приводит также к повышенной слипаемости угольной мелочи, слеживаемости и смерзаемости угля.
Содержание золы (зольность А)
Зольность, или содержание минеральных (не горючих) примесей в угле, является основным показателем, определяющим качество. Минеральные примеси – это в основном нейтральный балласт, в меньшей степени – источник вредных химических элементов, влияющих на технологические характеристики угля, а в теплоэнергетике и на степень экологического загрязнения.Содержание минеральных примесей зависит только от условий торфонакопления, а значит, может быть различным для углей разных марок. Различают внутреннюю, связанную с органической частью угля, и внешнюю, слагающую породные прослои, золу. Содержание первой, как правило, незначительное (не более 10%), но она практически не удаляется при обогащении. Внешняя зола, особенно связанная с малоуглистыми породными прослоями, легко удаляется при всех видах обогащения.
Выход летучих веществ (Vd)
Органическая масса углей при термическом воздействии разлагается на две производные: летучие вещества и нелетучий остаток. В состав летучих входят первичный дeготь (в бурых углях), каменноугольная смола (в каменных) и газы: окись углерода, водород, метан, лeгкие углеводороды и их гомологи. Содержание летучих зависит от петрографического состава углей – витринитовые (блестящие) разности содержат их большее количество, чем фюзенитовые (матовые). Данный показатель весьма важен, т. к. определяет особенности поведения угля в процессе его использования. Так, высоко содержание газообразной (летучей) составляющей в составе горючей массы угля определяет его высокую реакционную способность (т. е. воспламенение происходит при более низких температурах), превалирование конвективного типа передачи тепла над лучистым. Но вместе с тем угли с высоким выходом летучих веществ обладают более низкими показателями теплоты сгорания, термической стойкости. Они, как правило, характеризуются более высоким процентом химического недожога.
Содержание серы (S)
При использовании угля в металлургии сера переходит в металл, ухудшая его качество. При сжигании топлива сера образует сернистые соединения, которые, реагируя в атмосфере с водяными парами, образуют серную кислоту, выпадающую т.н. кислотными дождями. Содержание серы в углях Кузнецкого, Канско-Ачинского, Минусинского бассейнов колеблются в пределах 0,2–0,6%. Низким еe содержанием характеризуются и угли Восточного Казахстана. Поэтому данный показатель в нашем регионе, как правило, редко учитывается при оценке качества и потребительской ценности топлива. Но, вместе с тем угли некоторых месторождений Иркутского бассейна характеризуются очень высоким, более 10%, содержанием серы, что делает их малопригодными для использования в теплоэнергетике.
Этот показатель наиболее важен для оценки потребительской ценности углей, особенно используемых в теплоэнергетике.
Теплота сгорания (Q)
Различают теплоту сгорания высшую, пересчитанную на сухое беззольное состояние топлива (Qdaf). Этот показатель используется для сопоставления и классификации углей. Низшая теплота сгорания (Qr) характеризует топливо в его естественном состоянии, т. е. при конкретных значениях влажности и зольности.