Węgiel jest jednym z najważniejszych paliw kopalnych. Duża ilość węgla kamiennego będącego przedmiotem światowego handlu wydobywana jest w Chinach, Rosji, USA i Indiach. W porównaniu z ogromną ilością wydobytego węgla, wymagana objętość próbki do charakteryzacji węgla, wahająca się od kilku mg do 1 g, wydaje się niewiarygodnie mała. Charakterystyka węgla ma kluczowe znaczenie dla jego oceny jakości i dodatkowego wykorzystania. Ze względu na jakość produktu węgiel nadaje się do:
• produkcji stali,
• koksowania,
• wytwarzania energii elektrycznej.
Poniższy artykuł zawiera analizę tła chemicznego analizy zbliżeniowej i końcowej węgla oraz sposobu pomiaru tych parametrów. Konsultacji merytorycznej artykułu udzielił nam skład węgla Rypin.
Rodzaje węgla
Najpowszechniejsze rodzaje węgla (bitumiczny, brunatny i antracytowy) można rozróżnić ze względu na ich zróżnicowane właściwości fizyczne i chemiczne. Pierwiastki takie jak węgiel (C), azot (N), siarka (S), wodór (H) i tlen (O) są najczęściej mierzonymi pierwiastkami. Określa się również zawartość minerałów w popiele (zwłaszcza krzemionki, tlenku żelaza, tlenku glinu itp.). Węgiel charakteryzuje się mniej lub bardziej ustalonymi fizycznie parametrami, takimi jak składniki lotne, wilgotność, zawartość popiołu, a także kaloryczność i temperatura topnienia popiołu.
Bezpośrednia analiza węgla
Biorąc pod uwagę różnorodność parametrów wpływających na jakość węgla, dość ambitne wydaje się określenie jednego parametru, który idealnie opisuje jakość węgla. Ze względu na fakt, że węgiel jest zwykle używany jako paliwo, wartość opałowa jest idealna, aby dać pierwsze wrażenie jakości produktu. W przypadku pierwszej („zbliżonej”) analizy węgla mierzona jest wartość opałowa, popiół, wilgotność i zawartość substancji lotnych. Na podstawie tych danych obliczana jest tzw. zawartość węgla związanego.
Wartość opałową można ustalić za pomocą standardowych kalorymetrów bombowych dostępnych na rynku. Kalorymetry do analizy węgla można podzielić na adiabatyczne i izoperiboliczne. W obu typach kalorymetrów w bombie kalorymetrycznej dodaje się uprzednio wysuszoną próbkę węgla, wprowadza się tlen i spala się węgiel. Ciepło spalania jest mierzone i podaje wartość opałowa brutto. Bardzo istotna dla dokumentacji jest „baza”, na której mierzone są wszystkie dalsze wartości. Norma ISO 17247:2013 opisuje wymienioną podstawę raportowania.
W celu przeprowadzenia prawidłowej analizy zbliżeniowej istotne jest poznanie zawartości wilgoci w węglu, ponieważ ta wartość ma wpływ na wszystkie inne parametry. Wilgotność można podzielić na wilgotność powierzchniową, rozkładową, higroskopijną, mineralną i można ją oznaczać za pomocą analizatora termograwimetrycznego lub pieca i wagi zewnętrznej. Norma ASTM D7582-10 definiuje analizę zbliżeniową węgla za pomocą analizatorów makrotermograwimetrycznych. Analizatory te integrują proces ogrzewania i ważenia w celu wygodnej analizy zawartości substancji lotnych, wilgoci i popiołu w jednym cyklu analizy. Analizatory mikrotermograwimetryczne nie są idealne do analizy węgla ze względu na ograniczoną wagę próbki poniżej 10 mg