Вычисление показателей качества углей

В процессе анализа угольного образца команды химиков и специалистов компании SGS по всему миру используют широкий спектр аналитических расчетов и показателей. Это позволяет получить такие значения, как теплота сгорания угля, содержание общего водорода, а также индекс реакционной способности кокса (CRI) и прочность кокса после реакции (CSR). Благодаря испытаниям, проведенным в наших независимых лабораториях, и произведенным вычислениям показателей качества вы получите достоверные данные, которые соответствуют международным стандартам.

Ниже приведены некоторые методы и формулы пересчета, представляющие особый интерес. Они регулярно используются специалистами компании SGS по углю и коксу. Эти формулы предлагаются вам для ознакомления, однако SGS не может гарантировать их соответствие требованиям стандартов, вступивших в силу в относительно недавний срок. Клиентам, осуществляющим торговлю углем, следует ознакомиться с требованиями стандартов, прописанных в контрактах.

*** Расчет низшей теплоты сгорания угля - смотрите ASTM D5865-12 / ISO 1928-2009
*** Пересчет показателей на различные состояния угля - смотрите ASTM D3180 / ISO 1170

1. Коэффициенты пересчета на различные состояния:
   (См. ASTM D3180 / ISO 1170 – Пересчет на различные состояния влажности
   
   
   1. Коэффициент AD (пересчитывает AD в Nominated Moisture (NM)):  (100 – NM) / (100 – ADM)
      NM = AD / ((100 – NM) / (100 – ADM))
      
      
   2. Коэффициент Dry (пересчитывает AD в Dry) (100 – ADM) / 100
      Dry = AD / ((100 – ADM) / 100)
      
      
   3. Коэффициент AR (пересчитывает Dry в AR): (100 - TM) / 100
      AR = Dry x ((100 - TM)) / 100)
      
      
   4. Коэффициент DAF (пересчитывает Dry в DAF): (100 – Dry Ash) / 100
      DAF = Dry / ((100 – Dry Ash) / 100)
      
      
Где:
TM – общая влага;
ADM – воздушно-сухая влага (влага в аналитической пробе угля);
NM – "номинированная" влага, заданный уровень влажности;
AR – рабочее состояние угля;
AD – аналитическое (воздушно-сухое) состояние угля;
Dry – сухое состояние угля;
DAF – сухое беззольное состояние угля.


2. Двухступенчатый способ определения общей влаги (См. Раздел 10 стандарта ASTM D3302)
   Двухступенчатый способ определения общей влаги используют тогда, когда масса образца угля слишком мала или образец слишком влажный для сокращения массы или дробления без потери значительного количества влаги.
   TMar, % = [Rm,ad, % x (100 – Fm,ad, %) / 100] + Fm,ad %
   TM = общая влага; Fm = свободная влага; Rm = остаточная влага.
   
   
3. Коэффициенты пересчета теплотворной способности угля (См. ASTM 5865-12 X1.4. & ISO 1928-9 10.5) Дж/г = ккал/кг разделить на 0,238846 ИЛИ умножить на 4,1868
   
   Дж/г = БТЕ/фунт умножить на 2,326 ИЛИ разделить на 0,429923
   ккал/кг = Дж/г умножить на 0,238846 ИЛИ разделить на 4,1868
   ккал/кг = БТЕ/фунт разделить на 1,8 или умножить на 0,555556
   БТЕ/фунт = Дж/г разделить на 2,326 ИЛИ умножить на 0,429923
   БТЕ/фунт = ккал/кг умножить на 1,8 или разделить на 0,555556
   
   
4. Коэффициент пересчета выбросов СО₂ (Директива 2003/87/EC)  Директива 2007/589/EC
   Коэффициент выбросов углекислого газа СО₂  tCO₂/TJ =
   = углерод, пересчитанный на рабочее состояние x 3,667 x [10,000 / низшая теплота сгорания (p)] в кДж/кг
   = углерод, пересчитанный на рабочее состояние x 3,667 x [2388,46 / низшая теплота сгорания (p)] в ккал/кг
   
   Стандартная неопределенность коэффициента выбросов углекислого газа CO₂ (tCO2/TJ)
   Согласно новым требованиям Комиссии Европейского союза (ЕС) к составлению отчетности по выбросам CO₂ выполняющую исследования лабораторию просят указывать "Стандартную неопределенность коэффициента выбросов СО₂" по проведении лабораторных анализов в виде среднеквадратического отклонения.
   Для вычисления неопределенности используют значения предела воспроизводимости согласно ISO для углерода (сухое состояние) 1,00% и высшей теплоты сгорания (сухое состояние) 300 Дж/г в переcчете на рабочее состояние.
   
   
   
5. Топливный коэффициент
   = связанный углерод / летучие вещества
   
   Балласт
   = зола (ar) + общая влага
   
   
6. Водород в угле: (См. ASTM 3180 / ISO 1170)
   Ввиду того, что значения водорода можно сообщить на базовые состояния как с учетом его наличия в воде (влаге), содержащейся в образце угля, так и за вычетом водорода воды, альтернативные способы пересчета указаны ниже.  Используйте следующие переводные коэффициенты для расчета содержания H с учетом или без учета водорода воды:
   
   
   Общий водород воздушно-сухой пробы (ad): H содержится в аналитической влаге
   
   
   
   1. Водород (без учета Н во влаге)
      H(сухое состояние) = [общий водород(ad) – (AMx0,1119)] x (100 / (100 – AM))
      
      
   2. Водород (с учетом H во влаге)
      H(ar) = [общий водород(db) x ((100 – TM) / 100)] + (0,1119*TM)
      
      
   3. В ISO 1170 указано воздушно-сухое состояние H без учета H в аналитической влаге.
      H (воздушно-сухое состояние) = общий водород (ad) - (аналитическая влага x 0,1119)
      
      Показатели углерода и кислорода исходя из атомной массы H₂0
      Водород = влага X 0,1119
      Кислород = влага X 0,8881
      
      
7. Пересчет DMMF
   Пересчет на сухое, свободное от минеральной массы состояние (см. ASTM D388)
   
   
8. Брутто-формула для определения высшей теплоты сгорания угля с использованием элементарного анализа
   (см. УГОЛЬ: Типология - Физика - Химия - Состав; автор Д. В. ван Кревелен; третье издание 1993 г., стр. 528). Все результаты на сухое состояние угля (DB) выражаются в виде %.

   ДЮЛОНГ (1820) = (80,8 x C) + (344,6 x H) – (43,1 x O) + (25 x S)		БОЙЕ (1953) = (84 x C) + (277,7 x H) – (26,5 x O) + (15,0 x N) + (25 x S)
   СЕЙЛЕР (1938) = (123,9 x C) + (388,1 x H) + (25 x O2) – 4269		НИВЕЛ (1986) = (81,05 x C) + (316,4 x H) – (29,9 x O) + (23,9 x S) – (3,5x Ash)
   МОТТ и СПУНЕР (1940) КИСЛОРОД < 15% = (80,3 x C) + (339 x H) – (34,7 x O) + (22,5 x S)		ГИВЕН (1986) = (78,3 x C) + (339,1 x H) – (33,0 x O) + (22,1 x S) + 152
   МОТТ и СПУНЕР (1940) КИСЛОРОД > 15% = (80,3 x C) + (339 x H) - (36,6 x O) + (0,17 x O2) + 22,5 x S   ПРИМЕЧАНИЕ. Эти формулы не верны для смеси углей. См. ниже формулу Сейлера.

   Цитата из книги "УГОЛЬ" Д. В. ван Кревелена (стр. 529): "Все эмпирические уравнения – это вариации исходного уравнения Дюлонга с "некоторым теоретическим обоснованием", и после изменения эмпирических данных низшей теплоты сгорания угля они, по сути, являются эмпирическими соотношениями. Самыми надежными являются соотношения, предложенные Гивеном (1986) и Нивелом (1986)".

9. Расчет низшей теплоты сгорания угля (NCV) и коэффициенты пересчета
   (см. Низшая теплота сгорания угля (ASTM D5865-12))
   Тепло, выделяемое во время горения вещества при постоянном давлении в 0,1 МПа (1 атм). Образующаяся при этом вода остается в виде пара.
   
   ASTM D5865-12 / D3180 при постоянном давлении
   Qv-p= 0,01 * RT * (Had / (2*2,016)) – Oad / 31,9988 – Nad / 28,0134)
   Qh = 0,01 * Hvap * (Had / 2,016)
   Qmad = 0,01 * Hvap * (Mad / 18,0154)
   Qmar = 0,01 *Hvap * (Mar / 18,0154)
   Qvar = Qvad *((100 – Mar) / (100 – Mad))
   Qpad(net) = Qvad(gross) + Qv-p – Qh – Qmad
   Qpd(net) = (Qvad(gross) + Qv-p – Qh) * (100/(100 – Mad)
   Qpar(net) = ( Qvad(gross) + Qv-p – Qh) * (100 – Mar) / (100 – Mad) – Qmar
   
   где:
   Qv-p = энергия, связанная с изменением объема газовой фазы реакции горения
   R = универсальная газовая постоянная [8,3143 Дж/(моль *K)]
   T = стандартная эталонная термохимическая температура (298,15 K)
   Had = Had,m – 0,1119 * Mad (общий углерод –  H во влаге)
   Oad = Oad,m – 0,8881 * Mad (общий кислород –  O во влаге)
   Hvap = теплота испарения воды при постоянной температуре (43985 Дж/моль)
   Qh = теплота испарения содержащегося в образце водорода
   Qmad = теплота испарения содержащейся в аналитическом образце воды
   Qmar = теплота испарения общей влаги, содержащейся в образце
   Атомная масса:  О₂ = 31,998 / N₂ = 28,0134 / H₂ 2,016 / H₂O = 18,0154
   
   ISO 1928-2009 при постоянном объеме
   Qv, net, m, Дж/г =( Q gr,v,d – 206,0 [ wHd ] ) x (1 – 0,01 x M_T) – (23,05 x M_Т)
   Qv, net, m, ккал/кг = ( Q gr,v,d – 49,20 [ wHd ] ) x (1 – 0,01xM_Т) – (5,51 x M_Т)

   ISO 1928-2009 при постоянном давлении
   Qp, net, m, Дж/г =
   { Q gr,v,d – 212,2 [ wHd ] – 0,8 x [wOd + wNd] } x (1 – 0,01М_Т) – 24,43 x M_Т
   Qp, net, m, ккал/кг =
   { Q gr,v,d – 50,68 [ wHd ] – 0,191 x [wOd + wNd] } x (1 – 0,01M_Т) – 5,84 x M_Т

   [ wHd ] = содержание H в образце за вычетом водорода во влаге
   w(H)d = w(H) x 100 / 100 – M_Т
   М_Т = Общая влага

10. Формула Сейлера
    Различные характеристики угля можно определить путем проведения полного элементарного анализа и вычисления теплоты сгорания, используя для этого формулу Сейлера и другие похожие расчеты (например, формулу Дюлонга).
    
    ISO 1928 2009 Определение высшей теплоты сгорания угля
    Стандарт ISO – это единственный международный стандарт, который позволяет определить содержание водорода в образце угля при помощи формулы Сейлера.
    Вычисление по Сейлеру верно только для большинства каменных углей.
    
    Примечание 1. НЕВЕРНО, если значение Hdb составляет менее 3%
    Примечание 2. НЕВЕРНО, если содержание Odaf составляет более 15%.
    Примечание 3. НЕВЕРНО для определения H, если партия угля представляет собой смесь, содержащую низкометаморфизованные угли, антрацит, нефтекокс или каменные угли.
    Примечание 4. НЕВЕРНО в случае выполнения расчетов для низкометаморфизованных углей, антрацита, нефтекокса или кокса.
    
    ISO 1928 2009 Часть E.3.3
    wH = 0,07 x w(V) + 0,000165 x qv,gr,m – 0,0285 x [ 100 – М_Т – w(A) ]
    w(H)  – содержание H в образце за вычетом водорода, содержащегося во влаге, как % от массы
    w(V) – содержание летучих веществ в образце с содержанием влаги M_Т как % от массы
    w(A) – содержание золы в образце с содержанием влаги M_Т как % от массы
    qv,gr,m – высшая теплота сгорания образца угля с содержанием влаги M_Т в Дж/г

11. СРЕДНИЙ РАЗМЕР КУСКОВ КОКСА (см. Приложение А к стандарту ISO 728)
    = (B(a–c)+C(b–d)+…+J(h–k) + 100j) / 200

    Где: a, b, c, d… h, j, k – диаметр в мм отверстий каждого последующего сита; A, B, C, D… H, J, K – кумулятивный надрешетный продукт каждого из сит в процентах.
    Примечание.
    Диаметр отверстия сита "a" – это самый маленький размер отверстия, через которое проходит весь кокс (т.е. A = 0%). Сито с диаметром отверстий "k" – это такое сито, через которое предположительно кокс вообще не сможет пройти (k = 0 мм, K = 100%).

Индекс реакционной способности кокса (CRI) и прочность кокса после газификации (CSR)

Когда кокс поступает в доменную печь, он вступает в реакцию с восходящими противотоками CO₂ и происходит его истирание. Эти параллельные процессы разупрочняют кокс. Происходят химические реакции, в ходе которых образуются мелкие частицы, что может снизить газопроницаемость шихты в доменной печи. Компания SGS проводит испытания CRI и CSR и предоставляет высокоточные результаты своим клиентам в оптимальные сроки. Испытания CRI и CSR помогают рассчитать объем энергии, которая будет вырабатываться от сжигания вашего угля.

Эти испытания определяют реакционную способность кокса по отношению к двуокиси углерода при повышенных температурах, а также прочность кокса после реакции с двуокисью углерода методом вращения в цилиндрическом барабане. В процессе испытания 200-граммовые лабораторные пробы кокса крупностью ⅞” x ¾” (19 x 22 мм), выделенные из не менее чем килограммовой навески исходного образца, вступают в реакцию с СО₂ в стальной реторте в течение двух часов при температуре 1100°C. Потеря в весе после реакции равна CRI. После газификации кокс помещается в цилиндрический барабан, который со скоростью 20 об/мин делает 600 оборотов, а затем взвешивается. Вес кокса крупностью более ⅜” в процентах и есть показатель CSR (прочность после газификации). Для большинства доменных печей требуется кокс с CSR больше 60 и CRI меньше 25. Компания SGS готова провести исследование доменного кокса для вашего производства и предоставить точные результаты при оптимальных затратах.

Компания SGS является мировым лидером по проведению исследований и испытаний угля и кокса. Данные аналитической обработки позволяют получить оптимальный коэффициент извлечения и обеспечить эффективное использование угля и кокса.