3. ИЗМЕНЕНИЕ ВЕСА И ПОТЕРЯ КАЧЕСТВА КАМЕННОГО УГЛЯ ПРИ ХРАНЕНИИ
Существующие методы химического анализа угля не позволяют установить по данным лабораторных анализов зависимость количественных изменений сухой или горючей массы угля при низкотемпературном окислении от изменения какого-либо показателя качества угля, например, теплоты сгорания, зольности, выхода летучих и т. д.
При хранении в штабелях каменных углей наблюдается уменьшение теплоты сгорания на горючую массу, а также увеличение зольности на сухую массу (хотя и не всегда). Изменяются в ту или иную сторону и такие показатели, как выход летучих, содержание серы и т. д. Поскольку минеральные примеси поступить в уголь при хранении не могут, естественно, возникает мысль — не происходит ли увеличение содержания золы в угле за счёт органической или горючей части угля. Такой точки зрения придерживается Всесоюзный теплотехнический институт. При этом вводится новый термин — теплоценность топлива, характеризующий топливо в целом и учитывающий изменения не только качества угля, но и изменения веса угля. Для выяснения этого вопроса во Всесоюзном научно- исследовательском институте железнодорожного транспорта были проведены специальные испытания по определению изменения веса каменного угля при низкотемпературном окислении в течение длительного времени. Подсчёт показывает, что если изменение веса угля происходит пропорционально изменению содержания золы, то увеличение зольности угля на 1 % при начальной зольности в 15% может произойти в том случае, если вес его уменьшится на 6,25%.
Такие большие потери веса угля, безусловно, давно заставили бы обратить на себя внимание. Однако в практике работы складов топлива железных дорог этого не происходит; наоборот, довольно часто получаются излишки веса угля, выдаваемого после хранения. Эти излишки образуются главным образом потому, что влажность угля при хранении в подавляющем большинстве случаев увеличивается. Наблюдениями, проведёнными нами при хранении угля на складах за изменением влажности угля, установлено, что из штабелей рядового газового угля ёмкостью от 1 000 до 17 000 т влажность рабочего топлива увеличилась в 13 штабелях в среднем на 2,46% и только в одном штабеле уменьшилась на 0,20%.
Для установления влияния низкотемпературного окисления угля на изменение его веса были проведены простые опыты: в сушильный шкаф закладывали донецкий газовый уголь марки ГР, измельчённый па мельнице и просеянный через сито № 900. Уголь измельчали для более быстрого его окисления. После доведения угля до сухого состояния его взвешивали; высыхание угля считалось полным, когда вес его переставал уменьшаться. Отобрав пробу для производства технического и элементарного анализа состава угля, испытываемый уголь оставляли в сушильном шкафу при температуре 100° на значительный срок с тем, чтобы получить возможно большее изменение его качества. На протяжении всего опыта систематически взвешивали уголь и определяли его качество.
В результате этих наблюдений было установлено, что вес угля стечением времени непрерывно увеличивался, в то время как теплота сгорания его на горючую массу Qгб непрерывно уменьшалась, а зольность на сухую массу Ас оставалась постоянной; увеличение веса происходило за счёт увеличения содержания кислорода в органической части угля. Из табл. 1 видно, что при увеличении веса угля при хранении в сушильном шкафу на 2,40—2,23—2,11% содержание кислорода в угле увеличивалось соответственно на 4,05— 3,32—4,93%; содержание золы изменялось на очень незначительную величину, что можно отнести за счёт неточности опыта и увеличения органической части угля.
Таблица 1
Примечание. Температура воздуха в шкафу 100°С.
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что при хранении угля увеличение его веса происходит не только благодаря увеличению влажности, но и вследствие увеличения содержания кислорода в органической части угля.
Установить нормы увеличения веса угля при храпении в штабелях за счет присоединения кислорода не представилось возможным вследствие недостаточного количества опытов. Однако можно утверждать, что при низкотемпературном окислении угля его вес нс уменьшается; поэтому требования некоторых работников топливных складов об установлении норм естественной убыли каменного угля (по весу) при хранении лишены оснований.
Таким образом, о потерях каменного угля при хранении можно судить, исходя из изменения основных качественных показателей угля. Считая, что изменения качества угля равнозначны потере его веса, можно условно определить, какая часть угля потеряна при хранении, если лабораторными анализами установлена величина, на какую понизилось его качество.
Имеется ряд марок углей, у которых при храпении их в штабелях температура не повышается, несмотря на то, что потеря качества происходит непрерывно. Объясняется это двумя причинами: во-первых, малым количеством теплоты, выделяемой при окислении угля в процессе хранения, которая рассеивается в окружающей среде, и, во-вторых, большим теплообменом между углём и воздухом при наличии циркуляции воздуха в штабеле, например, при храпении сортированного угля. В этом случае потери качества угля, очевидно, будут зависеть главным образом от марки угля, условий и срока хранения.
Совершенно по-другому протекает процесс потери качества угля при низкотемпературном окислении, когда температура угля возрастает: при таком процессе на потерю качества угля, помимо ранее указанных причин, значительное влияние оказывает скорость нарастания температуры штабеля и, как результат, — максимальная температура штабеля. Другим решающим фактором является срок хранения угля.
Качество угля также характеризуется многими величинами: теплотой сгорания, выходом летучих, содержанием золы, спекаемостью, размерным составом, содержанием углерода, водорода, серы и т. д. Поэтому для оценки качества угля выбирается наиболее характерный показатель, по изменению которого можно было бы судить о качественных потерях угля. Таким показателем может быть теплота сгорания на горючую массу Qгб, поскольку её изменения наиболее закономерны при низкотемпературном окислении угля. Потерю качества угля нельзя определить по изменению содержания золы, летучих, спекаемости или других показателей технического или элементарного анализа угля, так как какой-либо закономерности в изменениях этих показателей при хранении углей не обнаружено. Нельзя также принимать за основу при определении потерь качества угля низшую теплоту сгорания рабочего топлива Qрн, потому что её значение в очень большой степени зависит от содержания в угле влаги, количество которой колеблется в широких пределах и зависит от случайных факторов.
Рис. 1. График уменьшения теплоты сгорания Qгб угля марки ГР в зависимости от срока хранения и максимальной температуры
Многочисленными наблюдениями за большим количеством штабелей газового донецкого угля марки ГР установлено, что потеря теплоты сгорания угля зависит главным образом от срока храпения угля и развивающейся внутри штабеля температуры. Данные об изменении качества этого угля при храпении его в опытных штабелях заложенных по действующей инструкции, приведены в табл. 2. На основании этих данных построена зависимость изменения теплоты сгорания на горючую массу Qгб от срока хранения и внутриштабельной температуры (рис. 1). На этом графике потеря теплоты сгорания угля выражена в процентах по отношению к начальной (полученной в период закладки штабеля). Более наглядно уменьшение теплоты сгорания угля при хранении в зависимости от срока хранения и месячного прироста температуры видно из рис. 2.
Определённую по приведённым графикам потерю (в процентах) теплоты сгорания Qe6 при хранении угля ГР можно было бы принять за потерю угля (в процентах), если бы влажность угля при этом оставалась постоянной. В действительности же влажность угля при хранении колеблется в довольно широких пределах и, как правило, к концу хранения содержание влаги в угле увеличивается. Из табл. 2 видно, что в отдельных штабелях содержание рабочей влаги увеличилось за время хранения на 5,5%; в более неблагоприятных случаях влажность угля может повыситься ещё значительнее. Следовательно, для установления потерь угля при хранении, помимо определения изменения теплоты сгорания на горючую массу, необходимо знать и изменение влажности, отнесённой к горючей массе. Значение этой влажности можно определить по формуле
Ac—содержание золы на сухую массу в %;
Wp — содержание влаги на рабочую массу в %.
Таблица 2
Зная содержание золы Ас, а также рабочей влаги перед закладкой угля в штабель и при разборке штабеля, можно подсчитать, какая часть топлива пойдёт на испарение влаги, поступившей в уголь за время хранения. Сложением величины потерь топлива от низкотемпературного окисления с потерями от увеличения влажности определяются фактические потери угля при хранении.
Рис. 2. Уменьшение теплоты сгоранияQгб угля марки ГР в зависимости от срока хранения и месячного прироста температуры
Приведённые на рис. 1 величины потерь угля от низкотемпературного окисления при хранении его в штабелях, заложенных по действующей инструкции Главного управления государственных материальных резервов при Совете Министров СССР, определены для донецкого газового рядового угля. Для других марок углей количественно потери теплоты сгорания будут несколько отличаться, однако закономерность изменения останется такой же.
Многочисленными наблюдениями установлено, что при нормальных условиях хранения потеря теплоты сгорания угля за счёт низкотемпературного окисления достигает сравнительно небольшой величины — 2—4%. Поэтому часто бывает целесообразно продлить хранение угля, не освежая его, несмотря на превышение установленной инструкцией температуры. Вопрос об определении экономически целесообразного срока хранения штабелей самонагревающихся углей рассматривается ниже.