background image

Oznaczanie zawarto ci substancji mineralnej i popio

łu oraz 

topliwo ci popio

ł

 
 

1. Zawarto

ć substancji mineralnej. 

 

Bardzo wa nym sk

ładnikiem, stanowi cym mniej lub bardziej szkodliwy balast paliw 

sta

łych jest zawarta w nich  substancja mineralna, wyst puj ca w formie zwi zków 

nieorganicznych oraz w niewielkich ilo ciach w kompleksach metaloorganicznych. Szerszy 

opis genezy i form wyst powania substancji mineralnej w naturalnych paliwach sta

łych 

znajduje si  w monografii [1]. 

ród

łem substancji mineralnej s  składniki  mineralne ro lin, z których powstały paliwa 

(tzw. substancja mineralna wewn trzna) oraz minera

ły gromadz ce si  w zło ach paliw 

sta

łych podczas procesów ich uw glenia (sedymentacja substancji mineralnej w tworz cym 

si   z

ło u, krystalizacja soli z wody kontaktuj cej si  ze zło em itd.) nosz ce nazw  tzw. 

substancji mineralnej zewn trznej. Podstawow  cz

ć substancji mineralnej w gli (około  

95 %) tworz : w glany, siarczki, glinokrzemiany i krzemiany.  

Jak ju  wspomniano substancja mineralna stanowi niekorzystny a cz sto szkodliwy balast 

paliw sta

łych. Przy ich wykorzystaniu do celów energetycznych wzrost zawarto ci substancji 

mineralnej obni a warto

ć opałow  i w efekcie wydajno ć i sprawno ć ciepln  palenisk. 

Niekorzystny sk

ład i zakres temperatur topliwo ci substancji mineralnej pogarsza warunki 

pracy palenisk powoduj c zatykanie rusztów, powstawanie nalepów na  cianach grzewczych 

palenisk i kot

łów, straty niecałkowitego spalenia itd.. Równie  w procesach zgazowania paliw 

sta

łych substancja mineralna jest niekorzystnym balastem, pogarszaj cym sprawno ć ciepln  , 

wywo

łuj cym trudno ci ruchowe zwi zane z tworzeniem narostów w generatorze i armaturze 

gazowej itd. W obu kierunkach u ytkowania paliw sta

łych to jest spalania i zgazowania 

powa nym problemem jest utylizacja pozosta

ło ci pochodz cych z substancji mineralnej - 

popio

łu lub  u la. W procesie koksowania w gli substancja mineralna jako balastowy 

sk

ładnik inertny pogarsza wła ciwo ci koksotwórcze surowca i w efekcie jako ć finalnego 

produktu czyli koksu zmniejszaj c jego warto

ć opałow  i wytrzymało ć oraz powi kszaj c 

ilo

ć  składników szkodliwych takich jak: siarka, fosfor, chlor.  

Zawarto

ć substancji mineralnej w paliwach stałych zmienia si  w bardzo szerokich 

granicach od u

łamku procenta w przypadku drewna do kilkudziesi ciu procent (20 ÷ 30) w 

w glach. To ostatnie najcz ciej stosowane paliwo poddawane jest z regu

ły procesom 

 

1

background image

wzbogacania celem ograniczenia w nim substancji mineralnej. Substancj  mineraln  

zewn trzn  (sk

ładniki epigenetyczne) słabo zwi zan  z substancj  organiczn  w gla usuwa 

si  wykorzystuj c najcz ciej ró nice g sto ci substancji organicznej (1,3 - 1,8 g/cm

3

) i 

substancji mineralnej (2,5 - 5,0 g/cm

3

) - grawitacyjne metody wzbogacania lub 

wykorzystuj ce ró nice w zwil alno ci substancji organicznej (hydrofobowa) i mineralnej 

(hydrofilowa) - flotacyjne metody wzbogacania stosowane dla frakcji ziarnowych poni ej 

1mm. Produktami wzbogacania s : w giel wzbogacony o ma

łej zawarto ci substancji 

mineralnej tzw. koncentrat oraz odpad sk

ładaj cy si   głównie z substancji mineralnej ale 

zawieraj cy niestety równie  pewne ilo ci substancji organicznej.  

Zawarto

ć substancji mineralnej wyznacza si  na drodze pomiarowej lub metod  

obliczeniow .. Dla w gla kamiennego oba sposoby oceny zawarto ci substancji mineralnej 

opisuje norma: 

PN / G – 04533. W giel kamienny – Oznaczanie zawarto ci substancji mineralnej. 

Zasada metody pomiarowej polega na ekstrakcyjnym usuni ciu substancji organicznej z 

w gla przy pomocy kwasów: solnego i fluorowodorowego, oznaczeniu zawarto ci popio

łu i 

chloru w w glu po ekstrakcji oraz zawarto ci  elaza w popiele. Wykorzystuj c wyniki tych 

pomiarów oblicza si  zawarto

ć substancji mineralnej za pomoc  wzoru: 

M

d

 

(

)

(

)

( )

[

]

d

e

d

e

re

d

e

d

e

d

d

e

d

d

m

m

A

HCl

FeS

m

m

m

+

+

+

1

,

1

100

)

(

2

  

(1) 

gdzie:  M

d

 

− zawarto

ć substancji mineralnej w w glu kamiennym w stanie suchym, % 

m

d

 

− masa odwa ki badanego w gla przeliczona na stan suchy, g 

m

d

e

 

− masa odwa ki w gla po ekstrakcji, przeliczona na stan suchy, g 

(FeS

)

d

e

 

− zawarto

ć FeS

2

 w w glu po ekstrakcji, przeliczona na stan suchy, g 

(HCl)

d

e

 

− zawarto

ć HCl w w glu po ekstrakcji, przeliczona na stan suchy, g 

A

d

re(e)

 

− skorygowana zawarto

ć popiołu resztkowego w w glu po ekstrakcji, 

przeliczona na stan suchy, g 

 

W/w Polska Norma podaje równie  sposób oszacowania zawarto ci substancji mineralnej 

w w glu kamiennym na drodze obliczeniowej. Zalecany jest wzór Kinga, Mariesa i 

Crossleya, adoptowany dla polskich w gli przez T.Mieleckiego [2].  

 

M

a

 = 1,13·A

a

 + 0,5·S

a

p

 + 0,8·(CO

2

)

a

M

 + 2,8·S

a

SO4

 + 0,5·Cl

a

 –2,8·S

a

(2) 

gdzie:  M

a

 

− zawarto

ć substancji mineralnej w w glu kamiennym w stanie analitycznym, % 

A

a

 

− zawarto

ć popiołu w w glu w stanie analitycznym, % 

 

2

background image

S

a

p 

− zawarto

ć siarki pirytowej w w glu w stanie analitycznym, % 

(CO

2

)

a

M

 

− zawarto

ć CO

2

 w w glanach w stanie analitycznym, % 

S

a

SO4

 

− zawarto

ć siarki siarczanowej w w glu w stanie analitycznym, %  

Cl

a

 

− zawarto

ć chloru w w glu w stanie analitycznym, % 

S

a

A 

− zawarto

ć siarki popiołowej w w glu w stanie analitycznym, % 

 

W literaturze [2] mo na spotka

ć znacznie prostsze wzory szacuj ce zawarto ć substancji 

mineralnej w w glu kamiennym np. wzór Parra: 

M

a

 = 1,08·A

 +0,55·S

a

t

 

 

 

 

 

 

 

(3) 

gdzie:  M

a

 

− zawarto

ć substancji mineralnej w w glu w stanie analitycznym, % 

A

a

 

− zawarto

ć popiołu w w glu w stanie analitycznym, % 

S

a

t

  

− zawarto

ć siarki całkowitej w w glu w stanie analitycznym, % 

 

 

2. Zawarto

ć popiołu. 

 

Ocena zawarto ci substancji mineralnej na drodze pomiarowej jest pracoch

łonna i 

k

łopotliwa, dlatego w praktyce oznacza si  wielko ć pochodn  choć nie to sam , a 

mianowicie zawarto

ć popiołu. Klasyczny konwencjonalny pomiar zawarto ci popiołu polega 

na spaleniu próbki analitycznej paliwa (przy ko cowej temperaturze oznaczenia 

 

815

 

°C w przypadku w gli i karbonizatów w glowych, oraz do 600

 

°C przy biopaliwach) w 

ci le okre lonych norm  warunkach. Podczas spalania paliwa przy wyznaczaniu zawarto ci 

popio

łu, substancja mineralna ulega istotnym zmianom, do których nale y zaliczyć mi dzy 

innymi: rozk

ład w glanów z wydzieleniem CO

2

, uwolnienie wody zawartej w 

glinokrzemianach i krzemianach, utlenienie siarczków po

ł czone z wydzieleniem SO

2

 czy 

odparowanie chlorków metali alkalicznych. Sk

ład i ilo ć substancji mineralnej istotnie ró ni 

si  wi c od popio

łu powstałego ze spalenia tego  paliwa i dlatego nie nale y uto samiać tych 

dwóch poj

ć. Omawiaj c t  problematyk  nale y wspomnieć o składzie chemicznym 

popio

łów w glowych. W tablicy 1 podano zakresy zmian udziału podstawowych składników 

popio

łu polskich w gli kamiennych i brunatnych. 

Szczegó

łowy opis wykonania pomiaru zawarto ci popiołu, poprzez spalenie  ci le 

zdefiniowanej próbki analitycznej paliwa i ocen  masy pozosta

ło ci zawieraj  normy: 

 

 

3

background image

- PN/G-0451/Az1   

Paliwa sta

łe. Oznaczanie zawarto ci popiołu metod  wagow . 

- PN-ISO 1171 

 

Paliwa sta

łe. Oznaczenie popiołu. 

 

Tablica 1. Sk

ład chemiczny popiołu polskich w gli kamiennych i brunatnych. 

Zawarto

ć [%] 

Sk

ładnik 

W giel kamienny 

W giel brunatny 

SiO

2

 

Al

2

O

3

 

Fe

3

O

4

 

CaO 

MgO 

SO

3

 

4,15 – 63,02 

0,81 – 40,43 

2,08 – 57,85 

1,10 – 51,50 

0,10 – 23,80 

0,37 – 30,62 

18,02 – 51,33 

1,03 – 36,78 

8,14 – 18,42 

2,26 – 53,10 

1,40 – 11,32 

1,37 – 19,50 

 

Potrzeba uzyskania szybkiej informacji o jako ci paliwa doprowadzi

ła do opracowania 

szeregu metod instrumentalnych (eliminuj cych proces spalania próbki) s

łu cych do 

oszacowania zawarto ci popio

łu na podstawie pomiarów wykorzystuj cych pewne 

charakterystyczne cechy substancji mineralnej. Nale y do nich np. ocena zawarto ci popio

łu 

w w glu kamiennym oparta na pomiarze g sto ci w gla [3]. Jak ju  wcze niej wspomniano 

g sto ci substancji organicznej i mineralnej w gla zasadniczo si  ró ni  i w efekcie mierz c 

g sto ci badanego w gla mo na po rednio oszacowa

ć zawarto ć popiołu. Zale no ć ł cz c  

te dwa parametry mo na opisa

ć równaniem: 

A 

d

k

2

1

+

k

   

 

 

 

 

 

 

 

(4) 

gdzie:  

A 

−  zawarto

ć popiołu 

d 

− g sto

ć w gla, g/cm

3

 

k

1

, k

2

 

− wspó

łczynniki kalibracyjne zale ne od rodzaju w gla i składu substancji 

mineralnej 

Obszern  i ci gle doskonalon  grup  metod po redniego oszacowania zawarto ci popio

łu 

w w glu i koksie stanowi  metody radiometryczne. Mog  by

ć one oparte na pomiarze: 

absorpcji promieniowania beta lub gamma 

rozproszenia promieniowania beta lub gamma 

- fluorescencji 

rentgenowskiej 

- aktywacji 

neutronowej 

 

4

background image

Istnieje bardzo bogata literatura dotycz ca tych zagadnie  (kilkadziesi t pozycji). 

Upraszczaj c zagadnienie mo na powiedzie

ć,  e ka da z tych metod wykorzystuje ró nice w 

liczbach atomowych sk

ładników substancji organicznej i mineralnej paliwa i przy pomocy 

techniki izotopowej oszacowuje po rednio zawarto

ć popiołu. Urz dzenia tego typu 

przeznaczone do bada  laboratoryjnych oraz do ci g

łych pomiarów (na przeno nikach 

ta mowych) zawarto ci popio

łu oferuje polska firma WILPO.  ródłem promieniowania 

gamma jest izotop Am-241. Charakterystyk  tych uniwersalnych urz dze  (mierz cych 

równie  inne parametry z zakresu analizy technicznej) zawieraj  prospekty za

ł czone do 

konspektu. 

 

Charakterystyka temperatur topliwo ci popio

ł

 

W procesach spalania i zgazowania paliw sta

łych do wa nych kryteriów oceny paliwa 

nale  wska niki charakteryzuj ce zachowanie si  popio

łu w wysokich temperaturach. 

Dotyczy to mi dzy innymi poziomu i zakresu temperatur topliwo ci, które zale  od sk

ładu 

chemicznego popio

łu oraz charakteru atmosfery (utleniaj cej, redukuj cej), w której nast puje 

topnienie. Wi cej informacji na ten temat mo na mi dzy innymi znale

ć w publikacjach  

[4, 5]. Pochodz  z nich wykresy zamieszczone na rys. 1 i 2 obrazuj ce zmiany temperatury 

topliwo ci polskich popio

łów w glowych w zale no ci od ich składu chemicznego dla 

warunków atmosfery utleniaj cej i pó

łredukcyjnej (mieszanina CO i CO

2

 w stosunku 

obj to ciowym CO : CO

2

 = 

2

3

Metody pomiaru topliwo ci popio

łów opieraj  si  na: 

rejestracji zmian wysoko ci uformowanej kszta

łtki popiołowej 

wizualnej obserwacji zmian kszta

łtu uformowanej kształtki popiołowej 

Najbardziej popularn  metod  pierwszej grupy jest metoda Bunte-Bauma-Reerinka 

(opisana w normie bran owej BN/0511-13), która polega na pomiarze zmian wysoko ci 

uformowanej kszta

łtki popiołowej znajduj cej si  pomi dzy dwiema płytkami grafitowymi, 

przy czym na górnej spoczywa sonda pomiarowa. Na podstawie zmian wysoko ci ogrzewanej 

w piecu próbki popio

łu wyznacza si  charakterystyczne temperatury: mi knienia i topnienia. 

 

 

 

5

background image

 

Rys. 1. Zale no

ć temperatury topnienia w atmosferze utleniaj cej t

B (o)

 od sk

ładu chemicznego 

popio

łu  

 

 

Rys. 2. Zale no

ć temperatury topnienia w atmosferze półredukcyjnej t

B (or)

 od sk

ładu chemicznego 

popio

łu 

 

 

6

background image

Obecnie najcz ciej stosowane s  wizualne metody oceny topliwo ci popio

łu. 

Szczegó

łowy opis prowadzenia pomiarów zawarty jest w normach: 

- PN/G-04535 

Paliwa  sta

łe - Oznaczanie charakterystycznych temperatur topliwo ci 

popio

łu. 

- PN-ISO 540 

Paliwa sta

łe - Oznaczanie topliwo ci popiołu w wysokiej temperaturze 

metod  rurow . 

Wykonanie 

ćwiczenia b dzie prowadzone wg PN/G-04535 metod  mikroskopowo-

fotograficzn , w której odpowiedni  uformowan  pastylk  popio

łow  ogrzewa si  w aparacie 

przedstawionym na rys. 3 i na podstawie obserwowanych zmian jej kszta

łtu na siatce 

pomiarowej mikroskopu wyznacza si  tzw. charakterystyczne temperatury topliwo ci 

popio

łu.  

 

Rys. 3. Schemat mikroskopu wysokotemperaturowego. 

1–  badana próbka popio

łu; 2 – podstawka; 3 – piec; 4 -  ródło  wiatła; z kondensatorem;  

5 – obiektyw; 6 – okular; 7 – lupa; 8 – aparat fotograficzny; 9 – pomiar temperatury 

 

 

Bibliografia 

1.  Praca pod redakcj  Jasie ki S., Chemia i fizyka w gla, Politechnika Wroc

ławska, Wrocław, s. 370 

(1995) 

2.  Mielecki T., I.N.B.P.W., Komunikat nr 7 (1947). 

3.  Papež Z., Rozeborova O.,  Uhli nr 3, s.87 (1967). 

4.  Karcz A., Janik J.F., Przegl d Górniczy, nr 6, s. 218 1984) 

5.  Karcz A., Janik J.F., Przegl d Górniczy, nr 7/8, s. 261 (1984). 

 

 

7