7.2.2. Физические свойства

Свойства углей как объекта обогащения и использования в значительной мере связаны с их физическими свойствами. Физические свойства углей и минеральных примесей существенно влияют на формирование основных параметров, характеризующих гранулометрический и фракционный составы, изменение последних в процессах добычи, транспортировки и обогащения.

С механической прочностью, хрупкостью, дробимостью угля и сопутствующих пород связаны гранулометрический состав, шламообразование и абразивное воздействие на рабочие поверхности. Плотность угольного вещества и минеральных примесей, зависящая от петрографического и литологического составов и стадии метаморфизма, насыщение минеральными включениями, их дисперсность и характер срощенности с угольным веществом обуславливают выход и качество легких фракций и характер их распределения. Эти параметры являются определяющими при выборе схем и методов обогащения и направлений рационального использования продуктов обогащения.

Плотность органической массы, сопутствующих пород, рядовых углей, продуктов их обогащения и рассортировки в зависимости от рассматриваемого состояния объекта может быть оценена различными показателями.

Рядовые угли и продукты их обогащения состоят из мацералов и минеральных включений в различных соотношениях как в насыпной массе, так и в отдельных кусках и зернах. В связи с различной плотностью органического и минерального компонентов, входящих в уголь, плотность исследуемого угля характеризует содержание в нем органической массы и минеральных включений.

Содержание минеральных включений в угле и продуктах его обогащения и рассортировки принято оценивать косвенным показателем –зольностью. Зола, образующаяся при сжигании углей, состоит в основном из оксидов золообразующих элементов (кремния, алюминия, железа, кальция и др.), содержащихся в минералах примесей (кальцит, пирит, марказит, сидерит, анкерит, кварц, халцедон и др.), и ряда других элементов, химически связанных с органической массой углей (гумматы металлов).

Кажущаяся плотность представляет собой отношение массы натурального (с учетом пор и трещин) тела к его объему. Кажущаяся плотность всегда меньше действительной и для каменных углей составляет 1100–1350 кг/м 3, антрацита – 1550–1800 кг/м 3.

Действительная плотность представляет собой количественное выражение массы единицы объема углей без пор и трещин. Действительная плотность, пересчитанная на сухое беззольное вещество, называется плотностью органической массы углей.Плотность органической массы углей и других компонентов зависит от стадии метаморфизма, петрографического и минерального составов.

Насыпная плотность углей – отношение их массы к объему, характеризующему состояние насыпки в вагоне, бункере, штабеле или других емкостях. Насыпная плотность изменяется в зависимости от плотности, гранулометрического состава и влажности углей, а также от способов заполнения емкостей и приемов уплотнения. При свободной засыпке в случае формирования штабеля без уплотнения насыпная плотность зависит главным образом от угла естественного откоса, который обусловлен коэффициентом трения между зернами.

Угол естественного откоса для рядовых углей и антрацитов (среднего гранулометрического состава и влажности) составляет (в градусах): антрацит – 27–30; угли средней стадии метаморфизма – 35–40; мелкие угли – 45–50; шлам – 70–75.

Пористость. В процессе метаморфизма угольное вещество претерпевает изменения под воздействием внешних сил и структурных трансформаций органической массы. В результате этих процессов возникает и преобразуется пористая структура угольного вещества, изменяются размер и общий объем пор.

На ранних стадиях углеобразования в органической массе содержится много полярных групп и угольное вещество имеет разветвленную систему крупных пор, с чем связана его высокая способность к адсорбированию влаги. С ростом метаморфизма содержание полярных групп снижается, при этом уменьшается число крупных пор, образуется новая система микропор, которые играют основную роль при взаимодействии углей с газами и жидкостями.

Поры в углях можно разделить на макропоры со средним диаметром 5·10 - 7 м (500 A °) и микропоры с диаметром (5–15)·10 - 9 м (5–15 A °). Площадь внутренней поверхности макропор составляет примерно 1 м 2 /г, а микропор ~ 200 м 2 /г.

Механическая прочность углей и засоряющих пород оценивается дробимостью, твердостью, хрупкостью, временным сопротивлением сжатию и термической устойчивостью, отражающей сопротивление внешним усилиям при высоких температурах.

Дробимость (измельчаемость) углей показывает их способность сопротивляться разрушению под воздействием внешних усилий, передаваемых углю непосредственно дробящими устройствами (молотками, зубьями, шарами, плоскими поверхностями и т.п.). Количественно дробимость (измельчаемость) выражается удельной работой, затрачиваемой на образование новой поверхности, или отношением размеров кусков углей до и после дробления. В мировой практике этот показатель принято определять методом Хардгрова.

Дробимость углей существенно изменяется в зависимости от стадии метаморфизма. Она увеличивается по мере перехода от высокой и низкой стадий метаморфизма к средней, достигая максимума в области, характеризующейся выходом летучих веществ 14–28%.

Хрупкость углей – свойство разрушаться при механическом воздействии на них без применения специальных устройств для дробления и наложения внешних усилий. Наиболее полно это свойство проявляется во время транспортировки при соударении кусков, перепадах в желобах и перемещении по ним. Разрушение кусков углей в значительной мере определяется не только хрупкостью угольного вещества, но и наличием трещин. В качестве метода обобщенной характеристики сопротивления углей дроблению может служить ситовый анализ.

Твердость углей оценивается способностью противодействовать проникновению в них другого, более твердого тела. Твердость угля обычно определяют с помощью устройств Роквелла, Бринелля или Викерса (алмазная пирамидка), которыми измеряют его сопротивление раздавливанию при статических нагрузках. Твердость также может быть найдена методом Шора (склероскопический анализ), при котором потеря кинетической энергии падающего металлического предмета, поглощенной при столкновении с испытуемым образцом, определяется по высоте отскока.

Рис. 7.11. Ископаемый каменный уголь

Твердость каменных углей по шкале Мооса составляет 2–5.

Упругие свойства углей характеризуются временным модулем упругости (модуль Юнга), который можно определить статическим методом (сопротивлением сжатию или изгибу), а также динамическим – наложением механических вибраций.

Коэффициент трения характеризует взаимодействие углей с рабочими поверхностями в случаях транспортировки и обработки. Это одна из важных характеристик при выборе угла наклона и футеровочного материала для желобов и транспортных трактов, по которым перемещают рядовые угли и продукты их обогащения. Для определения крепости (прочности) углей и засоряющих пород применяют метод толчения, разработанный М.М. Протодьяконовым.

Абразивностъ. Прочностные свойства угля и засоряющих пород связаны с абразивностью этих материалов, которая оказывает решающее влияние на срок службы поверхностей, соприкасающихся с транспортируемым и обрабатываемым материалом.

Исследования абразивности различных компонентов рядового угля и продуктов обогащения показали, что главная роль в их абразивном воздействии принадлежит породным примесям, абразивность которых на один и даже на два порядка выше, чем у угольных фракций. При обогащении антрацитов, абразивность которых соизмерима с абразивностью засоряющих пород, износ оборудования более чем в 2 раза интенсивнее.

Оптические свойства (цвет, блеск, прозрачность, преломляемость света, отражательная способность) тесно связаны с молекулярной структурой органического вещества углей и закономерно изменяются в зависимости от изменения этой структуры под влиянием факторов метаморфизма.

Отражательная способность R – одна из наиболее важных оптических характеристик, применяемых для диагностики и оценки компонентов угля. Она измеряется отношением отраженного света L о к падающему L п, выраженным в процентах: R = 100L о /L п .

Отражательная способность витринита принята в качестве параметра определения стадии метаморфизма в классификации углей, установления границ между бурыми и каменными углями, каменными углями и антрацитами.

Электрические свойства углей определяются их электрической проводимостью. Ископаемые угли могут быть отнесены к полупроводникам. Удельное электрическое сопротивление, измеренное для порошка, при комнатной температуре и атмосферном давлении составляет для каменных углей средней стадии метаморфизма 1010– 2·1010Ом·см, для антрацитов – 5·105– 2·106Ом·см. Термическая обработка углей и антрацитов приводит к значительному снижению электрического сопротивления, достигающего минимального значения при их выдержке в интервалах температур 1100–1300°С.

Диэлектрические свойства углей характеризуются диэлектрической проницаемостью, которая различна для сухих и влажных углей и изменяется в зависимости от стадии метаморфизма. Повышение влажности углей приводит к увеличению диэлектрической проницаемости. На зависимости диэлектрической проницаемости от влажности угля основан диэлектрический метод измерения последней.

Магнитные свойства. По магнитным свойствам угли относят к диамагнитным веществам, для которых интенсивность намагничивания пропорциональна напряженности магнитного поля. Минеральные примеси угля характеризуются парамагнитными свойствами.

Удельная магнитная восприимчивость χ (см 3 /г) диамагнитных веществ отрицательна и составляет для углей около 10^-6 см³/г; для парамагнитных веществ, которыми представлены минеральные примеси, она положительна и изменяется в диапазоне 10 ^{- 6} –10 ^{- 3} см ³ /г.

Протодьяконов Михаил Михайлович [22.9(4.10).1874 – 5.4. 1930], русский учёный в области горного дела. После окончания Петербургского горного института (1899) был арестован по обвинению в социал-демократической пропаганде и до 1904 г., находясь под надзором полиции, работал заведующим Садонским свинцовым рудником на Северном Кавказе; с 1904 г. ассистент кафедры горного искусства в Екатеринославском высшем горном училище (с 1908 г. – профессор); с 1914 г. в Ташкенте, где был одним из организаторов Туркестанского народного университета (1918); с 1925 г. преподавал одновременно в Московской горной академии. Основные труды по проблемам горного давления, рудничного крепления, рудничного проветривания, технического нормирования в горной промышленности. М.М. Протодьяконов создал оригинальную теорию горного давления (1907) и вывел формулу для его расчёта, разработал шкалу коэффициента крепости горных пород. Соч.: Давление горных пород и рудничное крепление, ч. 1–2, М., 1930–1933; Проветривание рудников, 5-е изд., М.; Л., 1931; Составление горных норм и пользование ими, 2-е изд., М.; Л.: Новосиб., 1932.

Теплотехнические свойства углей.

Удельная теплота сгорания характеризует одно из важнейших свойств угля, определяющих его ценность как источника получения тепловой энергии. Она изменяется в широких пределах и зависит как от свойств и состава органической массы, так и от зольности и влажности углей.

При оценке теплоты сгорания пользуются показателями для топлива в рабочем состоянии Q i r ч  или для горючей массы Q i da f топлива . Показатель  Q i da f не только теплотехнический параметр, но и одна из характеристик стадии метаморфизма и состава органической массы углей. Теплоту сгорания твердого топлива определяют стандартным методом, заключающимся в полном сжигании навески топлива в кислороде под давлением в калориметрической бомбе (при постоянном объеме) в изотермическом режиме.

Теплота сгорания с достаточной степенью приближенности может быть найдена по элементному составу угля.

Для определения высшей теплоты сгорания применяют формулу Д.И. Менделеева:

,

где – содержание соответственно углерода, водорода, кислорода и серы в исходном угле.

Более высокая точность расчетной теплоты сгорания топлива может быть получена по формуле

где W _t – содержимое влаги в исходном угле, %.

Техническим анализом называют комплекс методов определения влажности, зольности угля, выхода летучих и содержания общей серы.

Содержание общей влаги на рабочую массу угля W tr  определяют по потере массы за заданное время в сушильном шкафу при температуре 105–110°С или ускоренным методом – при 160°С. Существуют также методы определения внешней, внутренней (капиллярной) и гигроскопической (равновесной) влаги, а также максимальной влагоемкости. Выход летучих веществ на сухую массу угляV d определяют по потере массы в стандартных условиях прокаливания (в фарфоровом тигле с закрытой крышкой в течение 7 минут при 860°С). Выход летучих в стандартных условиях, пересчитанный на сухую беззольную массу угляV daf, для углей гумусо-сапропелитового типа монотонно снижается с повышением степени углефикации (метаморфизма), отражает способность угля к переработке путем экстракции, термического растворения, гидрогенизации, полукоксования, к воспламенению, а также реакционную способность твердого остатка в процессах горения и газификации. Вместе с тем надо учитывать, что выход летучих в зависимости от условий процесса может существенно отличаться от стандартно определяемого.

Зольность на сухую массу угля определяют по массе остатка от сжигания навески угля в стандартных условиях муфельной печи при температуре 800–830°С. Зольность косвенно отражает содержание минеральной составляющей угля без учета разложения карбонатов, испарения щелочных металлов и хлора (в засоленных углях) и ряда других факторов. В последнее время получили распространение бесконтактные методы определения зольности, основанные на различном взаимодействии органической и минеральной части угля с источниками ионизирующих излучений.

Знание зольности угля чрезвычайно важно, поскольку она ограничивает его использование для сжигания и газификации.

Содержание общей серы на сухую массу угля определяют методом Эшка, основанным на поглощении серы смесью магнезии и безводной соды при сжигании навески угля в муфельной печи. Содержание серы обуславливает выбросы ее соединений в процессах переработки угля. Для оценки степени обессеривания угля при его обогащении необходимо знание содержания пиритной, сульфатной и органической серы, которое определяют соответствующими анализами.

При нагревании в инертной среде органическая часть угля теряет слабо связанные присоединенные, алифатические и наименьшие ароматические фрагменты, а твердый остаток по степени ароматичности и физическим свойствам приближается к графиту, который имеет температуру плавления более 3000°С. Минеральная же часть угля теряет значительно меньшую долю массы (главным образом за счет разложения карбонатов до газообразного СО 2 и оксидов металлов) и начинает плавиться при существенно более низких температурах. Из-за сложного состава минеральной части она характеризуется не температурой плавления, а плавкостью – совокупностью температур начала деформации (t A), плавления полусферы (t B) и жидко-плавкого состояния (t C), которые расположены в ряду t A < t B < t C. Температуры плавкости золы лежат в пределах 950–1450°С. С ростом доли кремния они увеличиваются, щелочных и щелочноземельных металлов – уменьшаются.

Термические коэффициенты угля. К основным термическим показателям, характеризующим тепловые свойства углей, относятся теплопроводность λ [Вт/(м·°С)], температуропроводность a (м 2 /с) и теплоемкость C [Дж/(кг·°С)]. Эти коэффициенты связаны между собой уравнением

λ=α C ρ_H,
где ρ_{H -} насыпная плотность материала, кг/м ³ .

Теплопроводность углей зависит от теплопроводности органической массы, пористости, зольности и влажности угля. С ростом зольности (содержания минеральных примесей и включений) и влажности теплопроводность и температуропроводность углей увеличиваются.

Теплоемкость углей линейно уменьшается с ростом степени метаморфизма и увеличивается с повышением влажности угля. С увеличением зольности теплоемкость углей снижается.

Средняя удельная теплоемкость при 20°С для минеральных примесей не превышает 0,8 кДж/(кг · °С), а для углей – 1,04–5,43 кДж/(кг · °С).

По тепловым свойствам угли приближаются к теплоизоляторам.