Анализ твердого топлива

В твердом топливе определяют сухую массу (высушиванием), органическую массу, выход летучих веществ, горючую массу, минеральную часть (золу) и влажность. Органическую массу составляют углерод, водород, кислород, азот и органические соединения серы. Горючая масса состоит из органической массы и горючей серы (в виде пирита) в составе минеральной части. Минеральная часть состоит из силикатных соединений щелочных и щелочноземельных металлов, а также железа, алюминия, сульфатов, сульфидов, карбонатов. Она является негорючей частью (кроме сульфидов) и после сгорания составляет зольный остаток (балласт).

Определение влаги

Различают внешнюю и аналитическую влагу. Внешняя влага представляет собой тонкую пленку воды, покрывающую частицы топлива и удаляемую просушкой до постоянной массы при комнатной температуре или в сушильном шкафу при 50 °С. Аналитическая влага состоит из адсорбированной (гигроскопической) влаги, ее определяют высушиванием навески воздушно-сухой пробы (после удаления внешней влаги) в сушильном шкафу до постоянной массы при 105-110 °С. Общую влагу определяют как сумму внешней и аналитической влаги.

Определение внешней влаги. Навеску топлива (500 г для угля, 200-300 г для торфа или дров в виде щепы) взвешивают с точностью до 0,1 г в железном противне и помещают в сушильный шкаф при 50 °С. Проба предварительно должна быть измельчена до размеров частиц не более 3 мм, толщина слоя на противне должна быть не более 10 мм. Пробы бурого угля и торфа сушат в течение 5 ч, каменного угля - в течение 3 ч. За время сушки пробы перемешивают 3-4 раза шпателем. Пробу торфа после сушки в шкафу выдерживают в лабораторном помещении на воздухе 6 ч. Повторную сушку всех видов топлива продолжают до тех пор, пока разность двух последовательных взвешиваний не будет превышать 1 г. Допустимые расхождения двух определений 0,4%.

Содержание внешней влаги (wвн) вычисляют в % (масс.) по формуле

где m - разность массы до и после высушивания, г; m1 - навеска топлива, г.

Определение аналитической влаги. Навеску топлива (примерно 2 г) воздушно-сухой или после определения внешней влаги пробы, измельченной в высокооборотной дробилке или шаровой мельнице до размеров частиц менее 0,20 мм, помещают в стакане в сушильный шкаф, предварительно нагретый до 105-110°С. Сушат при этой температуре 60 мин, затем пробу охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Повторное высушивание проводят 30 мин до получения постоянной массы с разностью при двух последовательных взвешиваниях не более 0,001 г. Расхождения между двумя определениями аналитической влаги не должны превышать 0,3 масс. %. Содержание аналитической влаги wа в % (масс.) вычисляют по формуле:

где m2 - разность массы до и после высушивания, г; m1 - навеска топлива, г.

Определение суммарного содержания влаги. Суммарную влагу (wp) вычисляют как сумму внешней и аналитической влаги, пересчитанной на рабочее топливо:

Рабочим называется топливо в том состоянии, в котором оно поступает потребителю. Пересчет содержания аналитической влаги на рабочее топливо делают по формуле:

где wa - содержание аналитической влаги, % (масс.); wвн - содержание внешней влаги, % (масс.).

Суммарное содержание влаги вычисляют по формуле:

Содержание влаги определяют также на электронных приборах - влагомерах ЭВ-1 и портативном влагомере ПВ-5.

Определение золы

Навеску топлива сжигают при доступе воздуха и затем прокаливают зольный остаток при 850 °С. При этом органическая часть топлива выгорает, FeII окисляется до FeIII, карбонаты разлагаются с выделением CO2, сульфид железа окисляется до Fe2O3 и SO2. Диоксид серы с оксидом кальция может образовать гипс CaSO4. Соли щелочных металлов частично улетучиваются или разлагаются.

Выполнение определения. В прокаленный до постоянной массы тигель или фарфоровую лодочку помещают навеску 1-2 г пробы топлива. Навеска должна занимать не более половины емкости тигля. Тигель ставят в открытую муфельную печь, нагретую не выше 300 °С. Топливо в тигле должно медленно тлеть, без горения с пламенем, иначе при горении топлива возможны потери золы с током газов (возникшее пламя гасят, прикрывая тигель крышкой). После выгорания топлива печь закрывают и повышают температуру до 850°С в течение 1,5 ч. При этой температуре тигель с золой выдерживают 2 ч, после чего его вынимают, охлаждают на воздухе на асбестовой или каменной пластинке, затем в эксикаторе и взвешивают. Снова прокаливают тигель при 850 °С в течение 30 мин, охлаждают и взвешивают. Если разность результатов взвешивания не превышает ±0,01 г, прокаливание более не повторяют. За истинную массу принимают результат последнего взвешивания и рассчитывают зольность анализируемого образца А (в %) по формуле

где m1 - масса зольного остатка, г; m - навеска топлива, г.

Зольность абсолютно сухого топлива Ас (в %) вычисляют по формуле

где wa - содержание аналитической влаги (в %).

Допустимые расхождения результатов параллельных определений: при зольности до 12% - 0,2%; от 12 до 25% - 0,3%; выше 25% - 0,5%.

Определение серы

Сера в топливе находится в составе органических веществ, а также в виде сульфатов и сульфидов. Для промышленных целей определяют общую серу по методу Эшка. Навеску топлива сжигают со смесью оксида магния и карбоната натрия, сера при этом окисляется до ионов SO42-, которые осаждают в растворе Ba2+ ионом.

Выполнение определения. Навеску топлива 1 г (при содержании серы до 5%) или 0,5 г (при содержании выше 5%) помещают в фарфоровый тигель вместимостью 20-30 мл, добавляют 2 г смеси Эшка (2 ч. MgO и 1 ч. Na2CO3) и тщательно перемешивают металлической палочкой. Содержимое тигля покрывают сверху 1 г смеси Эшка и ставят его в холодную муфельную печь, которую постепенно нагревают до 800-850°С. Прокаливание продолжают 2 ч, при этом на поверхности массы не должно появляться черного налета.

После охлаждения тигля на воздухе содержимое его разрыхляют металлической палочкой и переносят в стакан вместимостью 250 мл, обмывая стенки тигля 150 мл воды из промывалки. Смесь кипятят; в ней не должно быть черных частиц несгоревшего топлива. При кипячении растворяются сульфаты и сода, оксид магния и зола остаются в осадке. Дают раствору отстояться и фильтруют его в стакан вместимостью 600 мл. Остаток в стакане промывают декантацией три раза горячей водой и тщательно смывают струей горячей воды из промывалки на фильтр. На фильтре продолжают промывание, взмучивая осадок. В фильтрат объемом примерно 300 мл добавляют 2-3 капли раствора индикатора метилового оранжевого и нейтрализуют раствор концентрированной HCl до слабокислой реакции. Нагревают раствор до кипения и добавляют 10 мл 10%-ного раствора хлорида бария, нагретого до кипения, для осаждения сульфата бария.

Раствор с осадком выдерживают на кипящей водяной бане 30 мин, затем фильтруют его через фильтр синяя лента. Осадок переводят на фильтр и промывают горячей водой до удаления Cl- иона (проба с раствором AgNO3). Промывной жидкости должно быть не более 150 мл. Влажный фильтр с осадком переносят во взвешенный прокаленный тигель. Фильтр подсушивают и озоляют, не допуская воспламенения. Тигель с содержимым прокаливают в муфельной печи при 800±25°С в течение 15-20 мин, затем вынимают из печи, выдерживают на воздухе 5 мин и после охлаждения в эксикаторе до комнатной температуры взвешивают.

При расчете содержания серы в топливе вводят поправку на содержание серы в применяемых реактивах. Для определения этой поправки проводят параллельно два контрольных опыта со всеми реактивами, но без навески топлива. Массу сульфата бария, определенную в контрольном опыте, вычитают из массы, полученной при анализе топлива. Поправка не должна превышать 0,005 г. Расхождение между результатами двух параллельных определений не должно превышать 0,002 г.

Содержание общей серы вычисляют по формуле

где m - навеска топлива, г; m1 - масса сульфата бария, полученная при анализе топлива, г; m2 - масса сульфата бария, определенная в контрольном опыте, г; 0,1373 - коэффициент пересчета массы сульфата бария на массу серы.

Определение выхода летучих веществ

Навеску (примерно 1 г) топлива нагревают в закрытом фарфоровом тигле при температуре 850±25°С в течение 7 мин с последующим определением потери в массе взятой навески. Выход летучих веществ определяют после определения влажности.

Выполнение определения. Закрытую муфельную печь разогревают до 850 °С. Тигли с навесками угля (порошок или брикеты) закрывают крышками, устанавливают на подставку и ставят в зону, нагретую до 850 °С. В закрытой печи тигли выдерживают 7 мин. Крышка должна быть хорошо подогнана к тиглю, на ней должна быть кольцевая выемка, в которую входят края тигля. Крышка пропускает летучие вещества из тигля и препятствует доступу воздуха.

За температурой наблюдают по пирометру. Отклонения температуры должны выравниваться в течение 3 мин, затем последующие 4 мин температура должна быть стабильной. Если в течение 4 мин наблюдаются отклонения более ±20°С, анализ повторяют снова. Расхождения результатов двух параллельных определений не должны превышать 0,5%.

Тигли вынимают из печи, охлаждают на воздухе 5 мин, затем в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивают. Выход летучих веществ А в % (масс.) вычисляют по формуле

где m - навеска топлива, г; m1 - уменьшение массы навески топлива в результате прокаливания, г; w - содержание влаги в пробе, % (масс.).