Steenkoolanalise

Steenkoolanaliseringstegnieke is spesifieke analitiese metodes wat ontwerp is om die spesifieke fisiese en chemiese eienskappe van steenkool te meet. Hierdie metodes word hoofsaaklik gebruik om die geskiktheid van steenkool vir kooksing, kragopwekking of vir ysterertssmelting in die vervaardiging van staal te bepaal.

Komponente in steenkool.

Afkortings

Afkorting	Basis	Analise	Beskrywing
so / SO	-		Soos ontvang (Engels = as received)
ld / LD	-		Luggedroog (Engels = air dry)
d / D	-		Droog / vogvry
dav / DAV	-		Droë asvry (Engels = dry ash-free)
Ms / ms	SO	Kort	Massa / massa % van oppervlakvog
Mi / mi	LD	Kort	Massa / massa % van inherente vog
VS	LD	Kort	Vlugstofinhoud
VK	LD	Kort	Vaste koolstof
A / a	LD	Kort	Massa / massa % as
C / c	LD	Vol	Massa / massa % koolstof
H / h	LD	Vol	Massa / massa % waterstof
O / o	LD	Vol	Massa / massa % suurstof
N / n	LD	Vol	Massa / massa % stikstof
S / s	LD	Vol	Massa / massa % swael
CV	LD	Vol	Hittewaarde (Engels = "calorific value")

Definisies kortliks

Term	Engels	Afkorting	Beskrywing
Steenkool soos ontvang	as received coal	Steenkoolso	Steenkool soos dit van die myn vervoer word. Dit bevat steeds oppervlakvog.
Luggedroogde steenkool	air-dried coal	Steenkoolld	Steenkool waarvan die oppervlakvog verwyder is deur dit te droog by maksimum 40°C. Dit bevat steeds inherente vog.
Droë steenkool	dry coal	Steenkoold	Steenkool waarvan alle vog verwyder is deur dit te droog by ongeveer 105°C.
Droë asvrye steenkool	dry ash-free coal	Steenkooldav	Steenkool sonder enige vog en as. Dit is nie moontlik om die as van die suiwer steenkool te skei nie, maar hierdie is bloot 'n term wat gebruik word.
Oppervlakvog	superficial moisture	ms / Ms	Alle vog wat aan die steenkool vassit. Dit word verwyder deur die steenkool in die son te droog of in 'n oond te bak by 40°C. Die persentasie oppervlakvog (ms) is op 'n SO-basis.
Inherente vog	inherent moisture	mi / Mi	Alle vog wat nog in die steenkool se krake, porieë en kapillêre oorbly nadat die steenkool gedroog is by 40°C. Inherente vog word verwyder deur steenkool te bak by 105°C. Die persentasie inherente vog (mi) is op 'n LD-basis.
Totale vog	total moisture	m / M	Totale vog = oppervlakvog (Ms) + inherente vog (Mi)
Vlugstofinhoud	volatile matter	vs / VS	Word verwyder deur die steenkool te bak vir 7 minute teen 900°C sonder enige lug, dus vind daar geen verbranding plaas nie.
As	ash	a / A	Alle materiaal wat oorbly wanneer steenkool volledig verbrand word. Die persentasie as (a) is op 'n LD-basis.
Vaste koolstof	fixed carbon	vk / VK	%VK = 100 - vs - a - mi
Kortanalise	proximate analysis	-	Vaste koolstof, vlugstofinhoud, as, inherente vog
Element-, uitgebreide- of volanalise	ultimate analysis	-	Bestaan uit koolstof, waterstof, suurstof, stikstof en swael. Suurstof word verkry van die balans: o = 1 - c - h - o - n - s - a - mi
Hittewaarde	calorific value	CV	Die hitte wat vrygestel word wanneer steenkool verbrand word. Dit word gewoonlik gerapporteer as MJ/kg luggedroogde steenkool.

Definisies

Oppervlakvog

Oppervlakvog is die vog wat verwyder word wanneer steenkool soos ontvang (steenkool^so) na lugdroë steenkool (steenkool^ld) gedroog word. Oppervlakvog is dus die verskil tussen totale vog (M) en inherente vog (M_i):

$M_{s}=M-M_{i}$

Die massa persentasie oppervlakvog is gebaseer op steenkool soos ontvang (steenkool^so):

$m_{s}={\frac {M_{s}}{Steenkool^{so}}}$

Oppervlakvog word bepaal deur die steenkool soos ontvang in lug te droog teen 'n temperatuur van nie meer as 40°C tot die sogenaamde lugdroë toestand (geen sigbare water op die steenkool nie). Hierdie metode word slegs vir grootmaat steenkool inkremente gebruik, byvoorbeeld voor siftingsanalise.

Nadat die oppervlakvog verwyder is, is daar nog 'n mate van vog oor in die krake en porieë van die oppervlak van die deeltjies. Om te verseker dat alle ontledings gedoen word wat met dieselfde oppervlakvoginhoud begin, word steenkool tot minus 200 mikron fyngemaal en vir 'n paar uur in 'n kondisioneringskamer gekondisioneer voordat die ontleding uitgevoer word. Die toestande in hierdie kamer word beheer teen 21 ± 1 °C en 45 ± 5 % relatiewe humiditeit.

Die verskil in vog tussen die eerste, grootmaat luggedroogde toestand en die gekondisioneerde toestand van die monster moet by die oppervlakvogsyfer gevoeg word. In die praktyk word dit egter gewoonlik nagelaat.

Inherente vog

Inherente vog (M_i) is die vog wat in die steenkool agterbly nadat die oppervlakvog (M_s) verwyder is by ongeveer 40°C. Met ander woorde, dit is die vog wat nog teenwoordig is in luggedroogde (LD) steenkool. Inherente vog kom voor in die porieë en kapillêre van die steenkool en kan slegs volledig verwyder word by temperature van ongeveer 105°C.

$M_{i}=M-M_{s}$

Die massa persentasie inherente vog is gebaseer op luggedroogde steenkool (LD):

$m_{i}={\frac {M_{i}}{Steenkool^{ld}}}$

Analise

Inherente vog word kortliks soos volg bepaalː

• Berei 'n monster voorberei deur dit te maal tot minus 200 mikron onder standaard toestande gekondisioneer (tipies 21°C ± 1°C en 45 ± 5% relatiewe humiditeit).
• Verwyder die oppervlakvog deur te bak by 'n temperatuur van ongeveer 40°C. Neem die gewig.
• Bak die monster verder by 105-110°C. Neem die gewig.
• Die inherente vog is die massaverlies.

Hoekom inherente vog gemeet word

• Hittewaarde (CV): Hoe hoër die inherente vog hoe laer is die energie-inhoud per eenheid gewig van die steenkool.
• Verbrandingsdoeltreffendheid: Hoë inherente vog kan verbrandingsdoeltreffendheid verlaag aangesien bykomende energie benodig word om die vog tydens verbranding te verdamp.
• Hantering en berging: Hoë voginhoud kan lei tot spontane ontbranding en agteruitgang van steenkool tydens berging.
• Industriële toepassings: Vir toepassings soos kooksproduksie, kragopwekking en vergassing, is die begrip van die inherente voginhoud noodsaaklik vir die optimalisering van prosesse en om konsekwente werkverrigting te verseker.

Totale vog

Totale vog = oppervlakvog + inherente vog

$M=M_{s}+M_{i}$

Daar is drie metodes om totale vog te bepaal:

1. Distillasie met tolueen
2. droging teen 105°C met 'n stroom stikstof
3. droging teen 105°C met 'n lugstroom (slegs vir nie-oksiderende kole met 'n hoër rangorde).

Die metode wat die meeste gebruik word, is:

• Dryf alle oppervlakvog af deur die steenkoolmonster te bak by 40°C. Meet die gewig.
• Dryf al die inherente vog af deur die steenkoolmonster verder te bak by 105°C. Meet die gewig.
• Die inherente vog is gelyk aan die massaverlies.

Die totale vogmassafraksie is gebaseer op 'n SO-basis en kan ook gegee word in terme van die oppervlakvog (m_s) en inherente vog (m_i):

$m=m_{s}+m_{i}\left(1-m_{s}\right)$

Kyk Formules vir die afleiding van hierdie formule.

Vlugstofinhoud

Die vlugstofinhoud word bepaal deur die verlies in massa wanneer droë steenkool (geen vog) verhit word sonder kontak met lug onder gestandaardiseerde toestande. Dit word gedoen as deel van die kortanalise.

Minerale materiaal wat met die monster geassosieer word, kan ook massa verloor. Die omvang van die verlies is afhanklik van die aard en hoeveelheid van die minerale teenwoordig. Wanneer die karbonaatinhoud van 'n steenkool hoog is, kan 'n regstelling na die inhoud van vlugtige stowwe gemaak word vir die verlies aan koolstofdioksied wat tydens die bepaling plaasvind.

Ontleding

• Verwyder alle oppervlakvog teen 40°C
• Verwyder alle inherente vog by 105°C verwyder is, word 'n steenkoolmonster vir 7 minute by 900°C verhit sonder kontak met lug. Die persentasie vlugtige materiaal word bereken uit die verlies in massa van die monster na aftrekking van die verlies in massa as gevolg van vog.

Toepassing

Die vlugstofinhoud dui die gemak van ontsteking en verbranding van die steenkool aan. Hoër vlugtige stowwe beteken tipies dat die steenkool makliker ontbrand en vinniger brand.

Vaste koolstof

Vaste koolstof word bepaal deur die kortanalise, gebaseer op luggedroogde steenkool (LD-basis).

Die massa persentasie vaste koolstof word soos volg bepaal:

%Vaste koolstof = 100 - %as - %vlugstowwe - %inherente vog

As

As bestaan uit alles wat nie kan brand nie:

• Silika (SiO₂)
• Alumina (Al₂O₃)
• Yster oksides (Fe₂O₃ en Fe₃O₄)
• Kalsiumoksied (CaO)
• Magnesiumoksied (MgO)
• Natriumoksied (Na₂O)
• Kaliumoksied (K₂O)
• Titaan dioksied (TiO₂)
• Koolstof (as karbonate: –CO₃)
• Swael (as sulfate –SO₄)
• Fosfor (as fosfate –PO₄)
• Spoorhoeveelhede van swaar metale en ander:
  • Arseen (As)
  • Lood (Pb)
  • Kwik (Mg)
  • Chroom (Cr)
  • Kadmium (Cd)

Toepassing

'n Hoë asinhoud kan die hittewaarde van die steenkool verlaag en meer erosie aan toerusting veroorsaak. Die asinhoud word ook gebruik om te bepaal hoeveel voorsiening gemaak moet word vir ashope.

Droë steenkool

Droë steenkool (D) is die steenkool sonder vog. Dit is dus steenkool wat teen 105°C gebak het om alle vog te verwyder. Dit bevat dus nog as, vlugstofinhoud en vaste koolstof.

Droë asvrye steenkool

Droë asvrye steenkool (DAV) is die steenkool sonder as en vog. Omdat dit onmoontlik is om die as van die werklike steenkool te skei is droë asvrye steenkool nie iets wat fisies kan bestaan nie, maar dit is bloot 'n term wat gebruik word.

Dit bestaan uit komplekse koolstofverbindings van verskillende groottes/lengtes en bevat die elemente C, H, O, N, S. Die groter/langer koolstofverbindings sal in die kortanalise rapporteer as vaste koolstof en die korter verbindings sal rapporteer as vlugstofinhoud.

'n Voorbeeld van hoe suiwer steenkool lyk (uitgesluit vog en as). Die waterstofatome word nie gewys nie sodat dit beter vertoon.

Kortanalise

'n Kortanalise (Engels = "proximate analysis") is 'n ontleding wat op luggedroogde en gekondisioneerde steenkoolmonster gedoen word om die volgende te bepaal:

• Inherente vog (m_i)
• Vlugstofinhoud
• As
• Vaste koolstof is die balans

Dit word gedoen deur die volgende stappe:

1. Verwyder oppervlakvog deur te bak by 40°C. Die oppervlakvog sal die massaverlies van die monster wees, maar dit word nie gerapporteer as deel van die kortanalise nie.
2. Verwyder inherente vog deur monster te bak by 105°C. Inherente vog sal die massaverlies van die monster wees.
3. Verwyder vlugstowwe deur die monster te bak by 900°C in die afwesigheid van lug (suurstof).
4. Verbrand die monster volledig. Vaste koolstof sal die massaverlies van die monster wees. Dit was oorbly (wat nie verbrand het nie) sal as wees.

%VK = 100 - As% - vlugtige materiaal% - inherente vog%

Element-, uitgebreide- of volanalise

'n Volanalise is 'n ontleding van 'n luggedroogde en gekondisioneerde steenkoolmonster vir die volgende elemente: koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N) en swael (S). Suurstof (O) word bepaal deur die balans van %C, %H, %N, %S, %as en %inherente.

Suurstof = 100% - %C - %H - %N - %S - %as - %inherente vog (%as en %inherente vog word deur die kortanalise bepaal)

Die %as en %inherente vog word as deel van die kortanalise bepaal.

Hierdie analise word kortliks soos volg uitgevoer:

1. Berei 'n monster droë steenkool voor deur dit by 105°C te bak. Alle vog word dus verwyder.
2. Verbrand die monster in 'n instrument wat die hoeveelheid CO₂, H₂O, SO₂ en NO₂ meet. Alle koolstof behoort as CO₂ te rapporteer, alle waterstof as H₂O, alle swael as SO₂ en alle stikstof as NO₂.
3. Alles wat nie verbrand het nie, is as.
4. Verkry suurstof deur die balans van al die komponente: o = 100% - c - h - n - s - a - m_i

Soms word ander metodes, soos die Kjeldahl se metode, gebruik om die hoeveelheid stikstof te bepaal. 'n Verpoeierde steenkoolmonster word verhit met H₂SO₄ wat na ammoniumsulfaat (helder oplossing) omgeskakel word.

$N_{2}+3H_{2}+H_{2}SO_{4}\rightarrow \left(NH_{4}\right)_{2}SO_{4}$

Neem kennis dat daar koolstof in die as sal voorkom in die vorm van karbonate (-CO₃). Dit sal nie rapporteer as deel van die %C in die steenkool nie en omdat dit nie kan brand nie; dus dit nie bydra tot die kaloriewaarde (CV) van die steenkool nie.

Tipiese samestelling

Hier volg tipiese samestelling van verskillende tipe steenkool:

Steenkool	Koolstof (C)	Waterstof (H)	Suurstof (O)	Stikstof (N)	Swael (S)
Antrasiet	86-97%	2-5%	2-4%	0.5-1.5%	0.5-1%
Bitumineuse steenkool	60-80%	3-6%	5-20%	1-2%	0.5-5%
Sub-bitumineuse steenkool	45-60%	4-5%	15-30%	0.5-1.5%	0.5-2%
Bruinkool/ligniet	25-35%	4-6%	25-40%	0.5-1.5%	0.5-2%

Formules

Totale vog (m) in terme van inherente vog (m_i) en oppervlakvog (m_s)

Totale vog massa % op 'n SO-basis (soos ontvang)

$m={\frac {M}{Steenkool^{so}}}={M_{s}+M_{i} \over Steenkool^{so}}={Steenkool^{so}m_{s}+Steenkool^{ld}m_{i} \over Steenkool^{so}}$

As:

$Steenkool^{ld}=(1-m_{s})Steenkool^{so}$

Dan is:

$m=m_{s}+m_{i}(1-m_{s})$

Totale vog massa % op 'n LD-basis (lugdroog)

$m^{ld}={\frac {M}{Steenkool^{ld}}}={M_{s}+M_{i} \over Steenkool^{ld}}={(Steenkool^{so}m_{s}+Steenkool^{ld}m_{i}) \over Steenkool^{ld}}$

As:

$Steenkool^{ld}=(1-m_{s})Steenkool^{so}\qquad \Rightarrow \qquad Steenkool^{so}={Steenkool^{ld} \over 1-m_{s}}$

Dan is:

$m^{ld}={m_{s} \over 1-m_{s}}+m_{i}$

Massa persentasie van as op SO (soos ontvang)-basis (a^so)

$a^{so}={\frac {A}{Steenkool^{so}}}$

Maar:

$A=a\cdot Steenkool^{ld}$            en            $Steenkool^{ld}=\left(1-m_{s}\right)Steenkool^{so}$

Dan is:

$a^{so}={a\left(1-m_{s}\right)Steenkool^{so} \over Steenkool^{so}}=a\left(1-m_{s}\right)$

Soos hierbo gewys kan die totale vog uitgedruk word in terme van oppervlakvog (m_s) en inherente vog (m_i):

$m=m_{s}+m_{i}\left(1-m_{s}\right)$

$m=m_{s}+m_{i}-m_{i}m_{s}$

$m-m_{i}=m_{s}-m_{i}m_{s}$

$m_{s}={m-m_{i} \over 1-m_{i}}$

Indien hier vervang word is die formule hierbo:

$a^{so}=a\left(1-{\frac {m-m_{i}}{1-m_{i}}}\right)=a\left({1-m_{i}-m+m_{i} \over 1-m_{i}}\right)$

$a^{so}=a{\frac {1-m}{1-m_{i}}}$

Massa persentasie as op droë-basis (a^d)

$a^{d}={\frac {A}{Steenkool^{d}}}$

As:

$A=a^{ld}\cdot Steenkool^{ld}$            en            $Steenkool^{d}=\left(1-m_{i}\right)Steenkool^{ld}$

Dan is:

$A=a^{ld}\cdot {\frac {Steenkool^{d}}{1-m_{i}}}$

Indien hierdie vervang word in die boonste vergelyking:

$a^{d}={a^{ld}\cdot {\frac {Steenkool^{d}}{1-m_{i}}} \over Steenkool^{d}}={\frac {a^{ld}}{1-m_{i}}}$

$a^{d}={\frac {a^{ld}}{1-m_{i}}}\qquad \Rightarrow \qquad a^{ld}=a^{d}\left(1-m_{i}\right)$

Massa persentasie van inherente vog op SO-basis (m_i^so)

$m_{i}^{so}={\frac {M_{i}}{Steenkool^{so}}}$

Indien:

$M_{i}=m_{i}Steenkool^{ld}$            en            $Steenkool^{ld}=\left(1-m_{s}\right)Steenkool^{so}$

Dan is:

$m_{i}^{so}={m_{i}(1-m_{s})Steenkool^{so} \over Steenkool^{so}}=m_{i}\left(1-m_{s}\right)$

Soos hierbo gewys kan die totale vog uitgedruk word in terme van oppervlakvog (m_s) en inherente vog (m_i):

$m=m_{s}+m_{i}\left(1-m_{s}\right)$

$m=m_{s}+m_{i}-m_{i}m_{s}$

$m-m_{i}=m_{s}-m_{i}m_{s}$

$m_{s}={m-m_{i} \over 1-m_{i}}$

Indien hier vervang word is die formule hierbo:

$m_{i}^{so}=m_{i}\left(1-{m-m_{i} \over 1-m_{i}}\right)=m_{i}\left({1-m_{i}-m+m_{i} \over 1-m_{i}}\right)$

$m_{i}^{so}=m_{i}\left({1-m \over 1-m_{i}}\right)={1-m \over {\frac {1}{m_{i}}}-1}$

Bronne

• Coal Preparation (joernaal)
• Proximate Analysis of Coal
• Coal Composition (ScienceDirect)
• Coal chemical composition

Kyk ook

• Steenkool