книги из ГПНТБ / Менковский М.А. Химия в угольной промышленности

Так, в процессе гидрогенизации угля соединения железа, ти­

тана и др., присутствующие в минеральной части угля, катали­ зируют этот процесс. Примеси железных соединений повышают горючесть кокса и т. д.

Для применения углей в качестве топлива и в газогенера­ торных процессах важное значение имеет плавкость золы. Соот­

ношение отдельных составных частей золы характеризует ее плавкость.

Определение зольности угля производится путем прокалива­ ния навески угля при температуре около 800° до постоянного веса. Существенное значение в оценке угля имеет качественный состав золы. Состав золы, определяющий возможность исполь­ зования отдельных ее составных частей, может резко изменить

экономику использования и стоимость всей угольной массы. Так,

например, если рассматривать золу подмосковных углей как сырье для получения железа, глинозема и, наконец, рассеянных и редких элементов, то стоимость содержащихся в ней веществ будет значительно выше стоимости самого угля — энергетиче­ ского топлива.

6) Влажность угля

Влажность угля является важной характеристикой его каче­ ства. Для свежедобытых углей она находится в соответствии со степенью их углефикации и колеблется в широких пределах:

для бурых углей 30—50%; каменных 4—15%; антрацита около

2—4%.

29

Влагу углей подразделяют на:

внешнюю, которая обычно представляет тонкую водяную пленку, покрывающую поверхность угля;

гигроскопическую, поглощаемую углем в разной сте­ пени в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха;

химически-связанную (конституционную), входящую в состав соединений, составляющих угольное вещество и мине­ ральные примеси.

Содержание влаги в углях относят к абсолютно сухому топ­ ливу, которым считается уголь, высушенный при температуре 105° до постоянного веса.

Влажность угля оказывает существенное влияние на его ка­ чество и использование. Влага в угле является балластом и сни­ жает относительное содержание в нем горючей части.

С повышением влажности углей увеличиваются транспортные расходы, а при сжигании требуется излишняя затрата тепла на ее испарение. Влага изменяет и свойства углей. Так, например, свежедобытый бурый уголь влажностью 30% тверд и прочен.

При снижении влажности его до 20% он становится хрупким и легко раскрошивается.

Существенное влияние оказывает наличие влаги и ее харак­

тер на смерзаемость углей.

Исследованиями установлено, что имеется связь между погло­ щением углем влаги и кислорода и что повышенная влажность углей при длительном хранении может способствовать их само­ возгоранию.

Способность поверхности угля смачиваться водой или дру­ гими жидкостями имеет большое значение при мокром обогаще­ нии, особенно при флотации и брикетировании углей. При высо­ кой влажности при брикетировании уменьшаются связующие силы. С повышением влажности углей затрудняется их грохоче­ ние.

С повышением влажности в тонкоизмельченных углях до

определенного предела уменьшается их насыпной вес, при даль­ нейшем же повышении влажности насыпной вес увеличивается. Влажность угля оказывает существенное влияние на скорость коксования и на производительность коксовых печей. С увели­

чением влажности угля свыше 6—8% производительность коксо­ вых печей уменьшается. Однако увлажнение угля, содержащего много мелочи, уменьшает сопротивление слоя топлива движе­ нию проходящих через него газов, что позволяет увеличивать скорость дутья и этим форсировать работу топки. При нагреве увлажненного угля до высоких температур возможно образова­ ние высококалорийного водяного газа, что также улучшает ра­ боту топок. Влажные угли смерзаются. Это осложняет нагрузку их из железнодорожных вагонов.

30

7) Сера и фосфор в угле

Сера и фосфор имеют существенное значение в характери­ стике угля, так как входят в состав его органической и мине­ ральной частей.

Сера в угле встречается в различных формах.

Сера, образовавшаяся из растительных остатков и входящая

всостав органических соединений, называется органиче­

ской.

Пиритная (сульфидная) сера отложилась в результате осаждения сернистого железа, образовавшегося при взаимодей­ ствии сероводорода с растворимыми соединениями железа в тор­

фяных болотах, а также вследствие восстановления сернокислого железа, находящегося в воде, просачивающейся через угольный

пласт. Серные бактерии и железобактерии сыграли важную роль

вобразовании сернистых соединений в угольном веществе.

Сульфатная сера, входящая в сернокислые соли различ­ ных металлов, образовалась в период выветривания создавав­ шихся угольных залежей.

Общее содержание серы в углях колеблется от 0,19 до 6,20%. Максимальное содержание серы достигает 10%.

Содержание серы в кузнецких углях определяется десятыми долями процента, в углях Средней Азии оно доходит до 3,75%.

Сернистость закавказских углей достигает 4,48%, подмосков­ ных— 6%, кизеловских — 9,4%. В углях Донецкого бассейна со­ держание серы колеблется в пределах 0,5—4%.

Определение серы в углях вызывает трудность, так как она входит в состав золы (пиритная и сульфатная сера) и в состав органической массы. Органическая и пиритная сера участвует в процессе горения, сульфатная — не участвует. Поэтому при ха­ рактеристике углей по сере следует учитывать не только общее

еесодержание, но и содержание в виде тех или иных примесей. Сера является вредной примесью в углях. При сжигании

сернистых углей образуется сернистый газ, дающий в присут­ ствии влаги серную кислоту, коррозирующую оборудование. Нагревание угля без доступа воздуха или с недостатком воздуха

(коксование, газификация) приводит к образованию сероводо­ рода, который также обладает коррозионными свойствами и крайне ядовит.

Сера, содержащаяся в. углях, имеет значение не только при переработке или сжигании углей, но и при их хранении. Так, счи­

тают, что при повышении содержания пирита в углях последние легче самовозгораются, так как во влажном воздухе пирит окис­ ляется в сернокислое железо. При этом происходит увеличение объема, влекущее растрескивание угля, увеличение его поверх­ ности, а следовательно, и способности к самовозгоранию.

Однако следует иметь в виду, что сера является весьма цен­

ным продуктом и может быть извлечена из угля в виде пирита,

31

применяемого для производства серной кислоты и серы, а также

в виде различных соединений, выделяемых из газов.

Фосфор в углях содержится в небольших количествах — по­ рядка 0,001—0,02%, но является очень вредной примесью.

При коксовании углей фосфор почти полностью переходит в кокс.

Самые незначительные примеси фосфора в чугуне значитель­ но ухудшают его качество, поэтому вопрос об удалении фосфора из углей — «обесфосфоривание» угля — является важной зада­

чей углеобогащения.

8) Рассеянные и редкие элементы в угле

Рассеянные и редкие элементы с каждым годом приобретают

все большее практическое значение. К этому классу относится

почти 2/з всех известных химических элементов.

Ничтожные добавки некоторых редких металлов совершенно изменяют свойства сплавов, применяемых в различных отраслях промышленности, вплоть до производства ядерной энергии. Та­ кой элемент, как германий, обладает ценными свойствами по­

лупроводника и необходим для радиолокационных установок, телевизоров, счетных машин, различных контрольно-измеритель­

ных аппаратов и аппаратов для автоматизации производствен­ ных процессов, а также для удовлетворения других нужд народ­

ного хозяйства.

В семилетием плане развития народного хозяйства СССР пре­ дусматривается большое увеличение производства германия, циркония, ниобия, тантала и других редких и рассеянных эле­ ментов.

Поскольку редкие и рассеянные элементы часто встречаются не в форме руд, а в виде небольших примесей, то уголь является для них основной сырьевой базой.

Рассеянные и редкие элементы содержатся в минеральной

и в органической частях угля, причем, чем уголь беднее золой, тем он богаче рассеянными элементами. Так, в золе некоторых углей германий встречается в сотых и десятых долях процента, а в отдельных пробах содержание его достигает 1,1 %, серебро —

в количестве 10 г/т, золото — 0,5 г/т, титан и палладий — до 0,5 г/т. В некоторых углях содержится бор, ванадий, гал­ лий, скандий, иттрий и радиоактивные элементы — уран и др.

Некоторая часть редких и других элементов (мышьяк, кад­ мий, молибден и др.) улетучивается из золы при сжигании угля.

Изменяя температурный и газовый режимы при озолении углей, можно сохранить некоторые элементы в золе или переве­

сти их в газовую фазу, откуда в последующем они могут быть извлечены.

32

При добыче угля в размере 600 млн. т в ;од и средней золь­ ности его 10% общее количество минеральных отходов (без учета отвалов вмещающих пород) составит 60 млн. т в год. При со­ держании рассеянных элементов от 0,001 до 1% количество воз­ можного их получения при добыче угля может быть исчислено десятками и даже сотнями тысяч тонн. При этом, стоимость не­

которых рассеянных элементов определяется в настоящее время

тысячами рублей за килограмм, т. е. в некоторых случаях добы­

тый из угля рассеянный элемент будет стоить значительно до­ роже самого угля.

Наибольшее развитие получило извлечение из углей герма­ ния.

Распределение рассеянных элементов в угольном пласте

неравномерно. Наибольшие скопления германия, галлия и неко­ торых других элементов наблюдаются у кровли и особенно у почвы угольного пласта в слоях мощностью 50—70 см.

До настоящего времени нет еще вполне ясных представлений о формах и соединениях, в которых, находится германий в иско­ паемых углях. Наиболее распространено мнение, что германий замещает водород карбоксильных групп гуминовых кислот и

присутствует в угле преимущественно в виде гумата германия

и в меньшей степени в форме силикатов, германатов или силико-

германатов.

При обработке угля щелочью с гуминовыми кислотами извле­ кается германий; при гравитационном разделении углей в тяже­ лых жидкостях основная масса германия концентрируется в золе более легких фракций.

В Московском горном институте исследовались необогащенный и обогащенный бурый уголь, а также газовые и коксовые угли (табл. 6).

первой экстракции, из остальных же после пяти-шести экстрак-

иий. При этом количество извлекаемого германия увели­ чивается с повышением количества извлеченных гуминовых

кислот.

Полученные результаты по содержанию германия в золе угля и его петрографических разновидностей позволяют делать вы­ воды не только о его концентрации, но и об условиях генезиса.

Включение германия в уголь произошло от образовавших его растений, а в последующем благодаря большой адсорбционной способности угольного вещества.

Извлечение из золы углей германия и других рассеянных,

элементов следует производить в комплексе с использованием основных элементов, составляющих зольную часть углей. Оста­ точные после извлечения всех ценных продуктов вещества мо­ гут быть использованы для производства строительных материа­ лов.

Распределение в углях галлия весьма сходно с распределе­ нием германия. Галлий, так же как и германий, концентрируется в золе витреновых компонентов, вследствие чего при операциях грохочения переходит в крупные классы угля, а при гравита­ ции — в легкие его фракции.

В ряде углей, содержащих германий, найден также скан­ дий, а в отношении иттрия в некоторых случаях перспективы его получения еще более интересны, чем германия. Так, в неко­ торых углях, в которых содержание германия не превышает 12—

15 г/т, содержание иттрия достигает 150 г/т.

3. НЕКОТОРЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ОСНОВНЫХ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОДАХ

Некоторые явления, происходящие во вмещающих породах, могут оказать влияние на общие условия выемки угольного пласта.

Подземные воды оказывают влияние на многие хорошо рас­

творимые минералы, входящие в состав горных пород, непосред­ ственно растворяя их. В 1000 л воды растворяется до 25 г гипса, а в воде, содержащей двуокись углерода, до 10 г извести, чем

объясняется наличие бикарбоната кальция и магния в есте­ ственных водах. Несколько хуже, но все же растворимы в воденекоторые силикаты; свободная углекислота, содержащаяся в воде, взаимодействует с углекислыми соединениями кальция, магния и железа и действует на некоторые силикаты натрия и магния. Насыщенные указанными веществами воды, проникая по трещинам в глубь пластов, вызывают явления, в результате которых изменяется состав вод и соприкасающихся с ними по­ род. Так, под влиянием гидрохимических воздействий красный:

34

Глава 111

РУДНИЧНЫЙ ВОЗДУХ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ

Почти при всех производственных процессах, связанных с го­

рением или окислением, применяют воздух в качестве основ­ ного реагента. Воздух имеет существенное значение при флота­ ции руд и углей. Из воздуха получают кислород, азот и инерт­ ные газы; в условиях шахт состав и качество воздуха имеют исключительное значение. Общее количество воздуха, состав­ ляющего атмосферу, определяется в 5-1015 т (0,000001 от весамассы Земли). 1 см3 воздуха у земной поверхности содержит 27 триллионов молекул азота и кислорода. Самые совершенныеприборы могут создать «безвоздушное» пространство (вакуум) г

в котором все же в 1 см3 остается около 100 млн. молекул газов.

По определению А. А. Скочинского и В. Б. Комарова *, руд­ ничным воздухом называют смесь газов и паров, заполняющих рудничные выработки. Это атмосферный воздух, поступающий в них с земной поверхности и испытывающий вследствие нахо­

ждения в рудничных выработках разного рода изменения,

в своем составе.

Основные изменения, которые претерпевает свежий воздух,, поступая в рудничные выработки, состоят в уменьшении в нем количества кислорода, увеличении двуокиси углерода, а также' метана, сероводорода, окиси углерода, сернистого газа и иногда* водорода, что способствует его взрывоопасности. Резкое сни­ жение содержания кислорода в рудничном воздухе проис­ ходит при подземных пожарах и взрывах метана и угольной, пыли.

В составе рудничного воздуха встречаются также пары и

Угдетехнздат, 1S5!

ЛТ

температуры рудничный воздух отличается от атмосферного и по удельному весу.

Влажность рудничного воздуха в исходящих струях достигает 90—95%. Допустимые нормы и сравнительная сила токсического

■с активными газами (ядовитыми и взрывоопасными) плюс мерт­ вый воздух (в котором, по сравнению с атмосферным воздухом, имеется избыточное содержание азота и двуокиси углерода).

В составе мертвого воздуха различных шахт содержание

углекислоты и азота колеблется в пределах:

СО2 = 5 — 15%; N2 = 95 —85%.

В изолированных выработках содержание мертвого воздуха

может превысить 90%, в проветриваемых — его содержание ко­ леблется от долей до 20%.

Наличие мертвого воздуха определяется из общего химиче­ ского анализа воздуха в шахте. Для нормальных условий работы

■38