Глава 19. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДА ПРОДУКТОВ ПОЛУКОКСОВАНИЯ

Полукоксование – это термическое разложение топлива без доступа воздуха при температуре 500-550°С. Полукоксование является промыш­ленным методом переработки топлив.

При постепенном нагревании угля без доступа воздуха выделяются, прежде всего, влага и газы, адсорбированные топливом.

В состав смолы полукоксования входят предельные и непредельные парафины, производные ароматических углеводородов, нафтены, полици­клические углеводороды, эфиры, фенолы, основания, кетоны, карбоновые кислоты, сернистые соединения и др. Одновременно выделяются неконденсирующиеся газообразные продукты (СН₄, СО, СО₂ и др.) и заметный объём воды, которая также является продуктом разложения топлива и поэтому называется водой разложения или пирогенетической.

В результате полукоксования образуются летучие и нелетучие первичные продукты разложения:

- смола полукоксования – смесь жидких органических продуктов разложения топлив, конденсирующихся при 20-30°С, обозначается символом Т_sK,

- пирогенетическая вода – вода, образующаяся при разложении то­плива в условиях полукоксования, обозначается символом W_sK;

- полукокс – твёрдый нелетучий остаток, полученный при полукоксовании, обозначается символом sK;

- газ полукоксования – смесь различных газов, образующихся при полукоксовании, обозначается символом G_sK.

Масса смолы, пирогенетической воды, полукокса и газа, образующихся в стандартных условиях полукоксования, называется выходом продуктов полукоксования.

Этот показатель используется, главным образом, для характеристики топлив низкой степени углефикации (торфы, бурые и молодые каменные угли, горючие сланцы), которые дают значительную массу продуктов по­лукоксования.

Выход продуктов полукоксования определяют по ГОСТ 3168-93 (ИСО 647-74) «Топливо твёрдое минеральное. Методы определения выхода продуктов полукоксования». Данный стандарт распространяется на бурые и каменные угли, лигниты, горючие сланцы, торф и устанавливает два метода определения выхода смолы, пирогенетической воды, полукокса и газа при полукоксовании.

Сущность метода заключается в следующем. Пробу топлива нагревают в алюминиевой реторте ёмкостью (170±10) см³ без доступа воздуха до температуры 520°С в течение 80 мин. Продукты разложения поступают в приёмник, охлаждаемый водой; смола и вода конденсируются, а газообразные вещества выделяются в атмосферу. Полукокс, остающийся в реторте, взвешивают. Приёмник взвешивают вместе с продуктами конденсации. Массу воды в приёмнике определяют объёмным методом отгонкой с толуолом, массу смолы вычисляют по разности.

Общая масса воды в приёмнике складывается из влаги, содержащейся в пробе, и пирогенетической воды, образующейся при разложении топлива. Отдельно определяют массовую долю влаги в топливе тем же объёмным методом отгонки с толуолом, что позволяет рассчитать выход пирогенетической воды.

Выход газа в процентах (плюс ошибки) получают вычитанием из 100% суммы выходов полукокса, смолы и пирогенетической воды в процентах.

Результаты анализа представляют в расчёте на аналитическое и сухое состояние топлива.

Основная часть прибора для определения выхода продуктов полукоксования – толстостенная алюминиевая реторта с хорошо пришлифованной крышкой, отводной латунной трубкой и отверстием для термопары. Все размеры реторты стандартизованы. Толстые стенки реторты и высокая теплопроводность алюминия обеспечивают равномерный нагрев навески без местных перегревов. Реторту нагревают с помощью электрической печи или газовой горелки.

В соответствии с методикой лабораторную пробу помещают на противень и высушивают на воздухе до достижения приблизительного равновесия между влажностью пробы и окружающей атмосферы.

Приблизительно 50 г анализируемой пробы взвешивают с погрешностью не более 0,05 г и полностью переносят в реторту. Коническую часть крышки слегка смазывают графитовой пастой и закрывают реторту, вращая крышку. Колбу-приёмник с пробкой взвешивают с погрешностью не более 0,05 г. Приёмник присоединяют к отводной трубке реторты с помощью термостойкой пробки. Реторту помещают в печь, а приёмник – в охлаждающую баню и убеждаются в газонепроницаемости аппарата. Включают подачу воды в бане и нагревают реторту. Скорость подъёма температуры в реторте – один из факторов, влияющих на выход продуктов полукоксования, и поэтому для всех топлив установлен единый режим нагрева реторты и навески (табл. 19.1). Это делает сопо­ставимыми результаты определения выхода продуктов полукоксования.

Таблица 19.1 – Режим нагрева алюминиевой реторты при полукоксовании

Через 80 мин по­лукоксование навески заканчивают. Выключают нагрев и вынимают реторту из печи, а колбу-приёмник – из сосуда для охлаждения и отсоединяют от реторты. Отводную трубку слегка подогревают с помощью газовой горелки и дают возможность остаткам смолы стечь из трубки в колбу-приёмник. Реторту открывают до её остывания. Колбу-приёмник тщательно вытирают и взвешивают.

По увеличению массы колбы-приёмника определяют выход конден­сата, который складывается из выхода смолы и общего выхода влаги при полукоксовании. В колбу-приёмник наливают 200 см³ толуола и определяют объёмным методом (отгонкой с толуолом) общий выход влаги при полукоксовании, который представляет собой сумму влаги исходного топлива и выхода пирогенетической воды. Полукокс высыпают из реторты и взвешивают с погрешностью до 0,05 г.

Выход продуктов полукоксования из аналитической пробы топлива в процентах вычисляют по формулам:

- полукокс, %

(sK)^a = 100·m₄/m₀, (19.1)

- cмола, %

T^a_sK = 100·(m₂ – m₁ – m₃)/m₀, (19.2)

- пирогенетическая вода, %

W^a_sK = 100·m₃/m₀ – W^a, (19.3)

- газ полукоксования, %

G^a_sK = 100·(m₀ – m₁ – m₂ – m₄)/m₀, (19.4)

где m₀ – масса навески, г;

m₁ – масса пустой колбы-приёмника с пробкой, г;

m₂ – масса колбы-приеёмника с пробкой вместе со смолой и общей водой, г;

m₃ – масса общей воды, определенная объёмным методом, г;

m₄ – масса полукокса, г;

W^a – массовая доля влаги в топливе, %.

Выход продуктов полукоксования в расчёте на сухое топливо получают, умножая приведенные выше результаты на множитель 100/(100 – W^a).

При массовой доле диоксида углерода в анализируемом топливе более 2% выход беззольного полукокса корректируют с учетом соответствующих поправок.

Результат (среднее значение двух определений) вычисляют с точностью до 0,1%. Расхождения между результатами двух определений толщины пластического слоя не должны превышать значений, указанных в табл. 19.2.

Если расхождение между результатами двух определений превышает значения, приведенные в табл. 19.2, проводят третье определение.

Таблица 19.2 – Максимально допустимые расхождения между результатами определения выхода продуктов полукоксования

Выход продуктов полукоксования – показатель, который отражает химическую природу, строение и свойства органической массы топлива и поэтому является классификационным параметром бурых углей. В Единой классификации углей по ГОСТ 25543-2013 бурые угли делят на подтипы по выходу смолы полукоксования, рассчитанному на сухое беззольное то­пливо T_sK^daf.

Выход продуктов полукоксования используется также для оценки топлива как сырья для технологической переработки (полукоксование, получение синтетического жидкого топлива, газификация).