Podstawowe składniki węgla (wilgotność, substancja mineralna, substancja organiczna). Przeliczanie oznaczeń na różne stany węgla.

Podstawowe składniki węgla

• Wilgotność (zawartość wody)

• Substancje mineralne

• Substancje organiczne

Rodzaje wilgotności węgla i metody jej oznaczania

Rodzaj wilgotności	Metoda oznaczania
przemijająca	suszenie w powietrzu
higroskopijna (wilgoć węgla powietrzno- suchego)	suszenie w powietrzu suszenie w azocie
	metoda destylacyjna
całkowita	suszenie dwustopniowe	w powietrzu w azocie
	suszenie jednostopniowe	w powietrzu w azocie
	metoda destylacyjna

• Suszenie w azocie stosuje się, gdy węgiel w temperaturze 110^oC mógłby ulec utlenieniu.

• Podczas oznaczania higroskopijnego o ile nie jest możliwe posługiwanie się suszarką z przepływem azotu, powinno stosować się metodę destylacyjną aby uniknąć utleniania się węgla.

• Suszenie dwustopniowe stosuje się dla węgla mokrego w sposób widoczny

Wilgotność przemijająca (W_p)

Cześć wody zawartej w węglu, którą węgiel traci podczas suszenia na powietrzu osiągając stan równowagi z wilgotnością atmosferyczną.

Suszenie węgla tą metoda polega na wysuszeniu odważki w temperaturze pokojowej lub nieco podwyższonej i na pomiarze masy odważki przed i po wysuszeniu. Suszenie przeprowadza się na tacach nierdzewnych o takich wymiarach, aby na 1dm² dna tacy przypadało nie więcej niż 100g węgla. Podczas suszenia w podwyższonej temperaturze można stosować suszarkę z ogrzewaniem gazowym lub elektrycznym, w której możliwe jest utrzymanie przedziału temperatur 40-50^oC. próbkę w suszarce pozostawia się przez 8 godzin, a następnie suszy się dalej w temperaturze pokojowej, mieszając od czasu do czasu.

Suszenie kończy się, gdy w czasie, gdy w ciągu 2 godzin ubytek masy jest mniejszy niż 0,1% w stosunku do początkowej masy odważki węgla.

Zawartość wilgotności przemijającej można oznaczać w próbce, w której największy wymiar ziarn nie przekracza 20mm. Można obliczyć zawartość wilgoci przemijającej węgla według wzoru:

m₁- masa tacy z odważką przed suszeniem

m₂- masa tacy z odważka po suszeniu

m₃- masa tacy

Wilgoć węgla powietrzno- suchego (W_h)

Jest to woda pozostała w węglu po wysuszeniu go na powietrzu i osiągnięciu przez niego równowagi z wilgocią atmosferyczną. Wodę tę wilgoć traci przy suszeniu w temperaturze 105-110^oC lub przez destylację. Wilgoć węgla powietrzno- suchego oznacza się metodą suszenia albo destylacji.

Metoda suszenia polega na całkowitym wysuszeniu odważki i pomiarze różnicy ciężarów próbki przed i po suszeniu. Suszenie przeprowadza się w suszarce elektrycznej z regulacją temperatury w przedziale 105-110^oC. Do suszenia używa się naczynka wagowe szklane lub aluminiowe o powierzchni dna około 35 cm² z doszlifowaną pokrywą.

Wielkość ziarna próbki węgla nie może przekraczać 3 mm. Czas suszenia dla węgla kamiennego wynosi 60 minut, a dla antracytów 120 minut. Po wysuszeniu próbkę chłodzi się w ekstraktorze do temperatury pokojowej i dokładnie waży. Po zważeniu przeprowadza się kontrolne suszenie przez 30 minut. Suszenie kończy się z chwilą gdy różnica między dwoma kolejnymi ważeniami będzie mniejsza niż 0,01g. Zawartość wilgoci oblicza się ze wzoru:

m₁- odważka węgla przed suszeniem

m₂-odważka węgla po suszeniu

Należy wykonać co najmniej dwa oznaczenia, za wynik przyjmuje się średnia arytmetyczną dwóch zgodnych oznaczeń. Różnica między oznaczeniami wykonanymi w tym samym laboratorium nie powinna przekraczać:

• 0,3% absolutnych, przy zawartości wilgoci do 10%

• 0,3% względnych, przy zawartości wilgoci przy 10%

Metoda destylacji polega na oddestylowaniu z ksylenem lub toluenem wody zawartej w węglu i na pomiarze objętości oddestylowanej wody. Temperatura wrzenia ksylenu wynosi 135-140^oC, a toluenu 110^oC. W takiej temperaturze woda ilościowo oddestylowuje zaś węgiel nie zostaje naruszony. Oznaczenie przeprowadza się na węglu powierzchniowo-suchym.

Stosowana aparatura składa się z:

• kolby destylacyjnej o pojemności 500ml z krótką szyjką,

• chłodnicy zwrotnej Liebiega o długości płaszcza 400mm,

• odbieralnika mierniczego,

• biurety z podziałką co 0,05 ml,

• rurki szklanej o średnicy 5mm

Zawartość wilgoci węgla oblicza się ze wzoru:

V- objętość oddestylowanej wody

ΔV- poprawka objętości aparatu odczytana z wykresu

m- odważka węgla

W celu wyznaczenia ΔV należy wykonać ślepe oznaczenie.

Wilgoć całkowita (W_c)

Jest to suma wilgoci przemijającej i wilgoci węgla powietrzno- suchego. Można ją oznaczyć kilkoma sposobami zależnie do sposobu przeprowadzenia oznaczenia.

Wilgoć całkowitą można obliczyć jako sumę wilgoci przemijającej i w stanie powietrzno-suchym lub też oznaczyć wprost w badanej próbce stosując jedna z trzech metod oznaczenia:

• metoda suszenia dwustopniowego

Polega na oznaczeniu zawartości przemijającej, następnie zawartości próbki powietrzno-suchej i obliczeniu wilgoci całkowitej ze wzoru:

Różnica miedzy wynikami oznaczeń wykonanych w różnych laboratoriach z jednej próbki nie powinna przekraczać:

• 0,5% absolutnych, przy zawartości wilgoci do 10%

• 5% względnych, przy zawartości wilgoci powyżej 10%

• metoda suszenia jednostopniowego

Oznaczenie przeprowadza się na próbce węgla w stanie dostarczonym sposobem podanym dla oznaczenia wilgoci węgla powietrzno- suchego.

• metoda destylacyjna

Oznaczenie przeprowadza się na próbce węgla w stanie dostarczonym metodą destylacyjną

Zawartość wilgoci w próbce może się dość szybko zmieniać, zwłaszcza przy typach węgla niżej uwęglonych lub przy węglach brunatnych.

Substancje mineralne:

Rozpoznanie pochodzenia, składu mineralnego i chemicznego oraz właściwości substancji mineralnych występujących w węglu ma duże znaczenie poznawcze i technologiczne. Składniki substancji mineralnych miały wpływ na formowanie się złóż węgla, przebieg procesu uwęglenia i tworzenia się określonych typów struktury węgli.

Substancje mineralne znajdujące się w węglu stanowią niejednorodną mieszaninę związków chemicznych, z których tylko niewielka ilość jest chemicznie związana z substancją węglową albo tworzy z nią jednorodną mieszaninę. W złożu węglowym występuje substancja mineralna głównie w postacipoziomych warstw różnej grubości, rzadko jest rozmieszczona nieregularnie.

Substancja mineralna zawarta w węglach pochodzi ze składników mineralnych roślin węglotwórczych oraz z substancji mineralnej gromadzącej się w węglach na wszystkich etapach jego uwęglania.

Główne grupy substancji mineralnych występujących w węglu to:krzem, glin, żelazo, wapń, siarka nieorganiczna, fosfor.

Substancja mineralna	Forma występowania
krzem	krzemiany piasek
glin (razem z siarką)	glikokrzemiany
żelazo	piryt markazyt- FeS2, FeO, FeCO3, FeSO4, krzemiany żelaza żelazo w związkach organicznych
wapń	wapień kalcyt siarczany krzemiany
siarka nieorganiczna	FeS2, FeSO4, CaSO4
fosfor	fosforany

Substancja organiczna:

Substancja organiczna to materia powstała w czasie wzrostu organizmów żywych, a następnie obumarła uległa przemianą (uwęgleniu). Składa się z pierwiastków takich jak: C, H, O, S, N, P i innych występujących w śladowych ilościach.

Chemiczna struktura substancji organicznej węgla:

Rozkład termiczny substancji organicznej następuje po podgrzaniu powyżej 600^oC. Wówczas substancja organiczna rozkłada się na: części lotne oraz pozostałość koksową (karbonizat).

Typ paliwa	C	H	O	N+S	Części lotne [%]
Drewno	50	6	43	1	75
Torf	39	43	16	2	65
Węgiel brunatny	46	42	11	0,8	50
Węgiel kamienny	82	5	12	0,8	35
Węgiel płomienny	54	38	6	brak danych	brak danych
Węgiel ortokoksowy	59	37	2	brak danych	brak danych
Antracyt	69	28	1	ślady	5

Tabela 1. Skład pierwiastkowy paliw [% atom.]

Zawartość pierwiastka C rośnie w miarę wzrostu stopnia uwęglenia paliwa od torfu (ok. 39% atom.) do antracytu (ok. 69% atom.). Regularność tych zmian świadczy o ciągłości szeregu paliw naturalnych torf – antracyt. Charakterystycznie również zmienia się w węglach zawartość tlenu malejąc od około 16% atom w torfie do około 1%atom. w antracycie. Ustalenie składu elementarnego węgla ma duże znaczenie dla poznania jego stopnia uwęglenia.

Przeliczanie oznaczeń na różne stany węgla:

Drobiazgowo opracowany tok postępowania przy pobieraniu, pomniejszaniu i rozdrabnianiu próbek węgla i koksu oraz przy wykonywaniu oznaczeń analitycznych jest koniecznością spowodowaną specyficznymi własnościami węgla, a dokładnością wyrażenia wyników analizy.

Węgiel stanowi skomplikowaną mieszaninę właściwej organicznej substancji węglowej oraz substancji mineralnych i wilgoci, przy czym wszystkie te składniki są w pewnym stopniu zmienne.

Specyficzny charakter paliw naturalnych jest powodem, że analiza chemiczna musi być prowadzona w szczegółowo opracowanych warunkach, które umożliwiają odtwarzalność wyników i ich porównywalność.

Obliczenie prawdziwych wyników analizy nie jest możliwe o ile ilość wody zawartej wody w węglu oraz ilość popiołu nie są znane.