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.

thumb|center|700px|Komponente in steenkool.

## Afkortings
## Definisies kortliks
## Definisies
### Oppervlakvog
Oppervlakvog is die vog wat verwyder word wanneer steenkool soos ontvang (steenkoolso) na lugdroë steenkool (steenkoolld) gedroog word. Oppervlakvog is dus die verskil tussen totale vog (M) en inherente vog (Mi):

:M_s = M - M_i

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

: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 (Mi) is die vog wat in die steenkool agterbly nadat die oppervlakvog (Ms) 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:

# Distillasie met tolueen
# droging teen 105°C met 'n stroom stikstof
# 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 (ms) en inherente vog (mi):

: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)
* Ysteroksiede (Fe2O3 en Fe3O4)
* Kalsiumoksied (CaO)
* Magnesiumoksied (MgO)
* Natriumoksied (Na2O)
* Kaliumoksied (K2O)
* Titaandioksied (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.

thumb|center|800px|'n Voorbeeld van hoe suiwer steenkool lyk (uitgesluit vog en as). Die waterstofatome word nie gewys nie sodat dit beter vertoon.

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

* Inherente vog (mi)
* Vlugstofinhoud
* As
* Vaste koolstof is die balans

Die kortanalise is dus op 'n lugdroog basis.

Dit word gedoen deur die volgende stappe:

# 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.
# Verwyder inherente vog deur monster te bak by 105°C. Inherente vog sal die massaverlies van die monster wees.
# Verwyder vlugstowwe deur die monster te bak by 900°C in die afwesigheid van lug (suurstof).
# 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 (lugdroog basis)
'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:

# Berei 'n monster droë steenkool voor deur dit by 105°C te bak. Alle vog word dus verwyder.
# 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.
# Alles wat nie verbrand het nie, is as.
# Verkry suurstof deur die balans van al die komponente: o = 100% - c - h - n - s - a - mi

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_2SO_4 \rightarrow \left(NH_4\right)_2SO_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:

## Formules
### Opsomming 
m en m_s is op 'n soos ontvang basis.

m_i is op 'n lugdroog basis

: Steenkool^{ld} \ = \ (1 - m_s) Steenkool^{so} \ = \ \frac{1 - m}{1 - m_i} Steenkool^{so}

: m = m_s + m_i (1 - m_s)

: m_i^{so} = m_i^{ld} \left( {1 - m \over 1 - m_i} \right)

Indien x = massafraksie van C, H, O, N, S, As:

: x^{so} = x^{ld} \left( \frac{1 - m}{1 - m_i} \right)

: x^{d} = \frac{x^{ld}}{1 - m_i} \qquad \Rightarrow \qquad x^{ld} = x^{d} \left( 1 - m_i \right)

### Steenkoolso vs Steenkoolld
Luggedroogde steenkool is gelyk aan steenkool soos ontvang minus oppervlakvog. Dusː

### Totale vog (m) in terme van inherente vog (mi) en oppervlakvog (ms)
'''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:

**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:

### Massa persentasie van as op SO (soos ontvang)-basis (aso)
: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 (ms) en inherente vog (mi):

: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)

### Massa persentasie as op droë-basis (ad)
: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}

### Massa persentasie van inherente vog op SO-basis (miso)
: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 (ms) en inherente vog (mi):

: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)

### Netto kalorifiese waarde op lugdroë-basis (NCVld)
Kalorifiese waarde van steenkool word normaalweg gerapporteer as bruto kalorifiese waarde (GCV) op 'n lugdroog basis.

Die verskil tussen die bruto kalorifiese waarde (GCV) en die netto kalorifiese waarde (NCV) is die volgende:

Wanneer steenkool of enige ander stof wat waterstof (H2) bevat verbrand, word waterdamp gevorm as produk. Byvoorbeeld

: CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + Hitte

In die geval van steenkool word die hoeveelheid waterstof gerapporteer. Dus, al die waterstof in die steenkool sal omsit in water:

Die bruto kalorifiese waarde kan dan soos volg omgeskakel word na netto kalorifiese waarde:

: NCV = GCV - \lambda \times waterdamp\ na\ verbranding

Kyk ook Hittewaarde.

Waterstof in die steenkool verbrand soos volg:

: H_2 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow H_2O + Hitte

Dus, vir elke mol H2 sal daar een mol H2O wees.
En vir elke 2 kilogram H2 is daar 18 kg H2O:

Indien:
* M_{verbrand} = water wat vorm deur die verbranding van waterstof
* M_i = inherente vog in die steenkool

Dan isː
: Totale\ waterdamp\ na\ verbranding = M_{verbrand} + M_i

**1. Water uit verbranding**

Indien h = massafraksie van waterstof in steenkool om 'n lugdroë basis, dan is:

: Massa\ H_2\ in\ steenkool \quad = \quad h \times Steenkool^{ld}

: Massa\ H_2O\ na\ verbranding = 9 \times h \times Steenkool^{ld}

**2. Inherente vog**

Die inherente vog kan soos volg bereken word:

: M_i = m_i \times Steenkool^{ld}

**Totale waterdamp na verbranding**

: Massa\ H_2O\ na\ verbranding = 9 \times h \times Steenkool^{ld} \quad + \quad m_i \times Steenkool^{ld} \quad = \quad Steenkool^{ld} \times \left ( 9h + m_i \right )

Dus:

By kamer temperatuurː

: \lambda \approx 2.45 \ MJ/kg

Die standaardformule wat in die algemeen gebruik word isː

Waarː

* H = massa persentasie waterstof in die steenkool op 'n lugdroog basis. H is getal tussen 0 en 100
* M = massa persentasie inherente vog in die steenkool op 'n lugdroog basis. M is getal tussen 0 en 100

Die "0.212" neem aan dat die latente hitte van water 0.212 / 9 * 100 = 2.356 MJ/kg is. Dit is heelwat laer as 2.45 * 9 / 100 = 0.2205, maar empiries is 0.212 geneig om NCV-ramings in lyn te bring met gemete doeltreffendheid van keteltoetse, terwyl 0.2205 'n effens te lae NCV vir werklike toestande gee.

### Netto kalorifiese waarde op soos ontvang-basis (NCVso)
In die algemeen is:

: Steenkool^{ld} = \left(1 - m_s \right) \times Steenkool^{so}

**Bruto hitte**

Die bruto hitte vrygestel is die hitte vrygestel met die aanname dat alle waterdamp weer kondenseer. Dus herwin 'n mens die hitte van die waterdamp. Vir lugdroë steenkool is die bruto hitte vrygestel:

: Bruto hitte = Steenkool^{ld} \times GCV^{ld} = \left(1 - m_s \right) \times Steenkool^{so} \times GCV^{ld}

**Netto hitte / effektiewe hitte**

In praktyk kondenseer die waterdamp nie en word daardie hitte verloor.

Dus is die netto hitte of effektiewe hitte gelyk aan die bruto hitte minus die latente warmte van al die waterdamp in die uitlaatgas. Dus:

: Netto\ hitte = Bruto\ hitte - \lambda \times waterdamp\ na\ verbranding

Vir steenkool soos ontvang is die totale waterdamp na verbranding:

: M_{totaal} = M_{verbrand} + M_i + M_s

Individuele formules vir elke term in die formule vir totale water:

: M_{verbrand} = Steenkool^{ld} \times h \times 9 \quad = \quad \left(1 - m_s \right) \times Steenkool^{so} \times h \times 9

: M_i = m_i \times Steenkool^{ld} \quad = \quad m_i \times \left(1 - m_s \right) \times Steenkool^{so}

: M_s = m_s \times Steenkool^{so}

Indien die laaste drie vergelykings in vervang word in die formule vir totale water:

: M_{totaal} = M_{verbrand} + M_i + M_s

: M_{totaal} = \left(1 - m_s \right) \times Steenkool^{so} \times h \times 9 \quad + \quad m_i \times \left(1 - m_s \right) \times Steenkool^{so} \quad + \quad m_s \times Steenkool^{so}

: M_{totaal} = Steenkool^{so} \left [ \left(1 - m_s \right) \times h \times 9 \qquad + \qquad m_i \times \left(1 - m_s \right) \qquad + \qquad m_s \right ]

Dus is die netto hitte:

: Netto\ hitte = Bruto\ hitte - \lambda \times waterdamp\ na\ verbranding

: Netto\ hitte = \left(1 - m_s \right) \times Steenkool^{so} \times GCV^{ld} \ - \ \lambda \times Steenkool^{so} \left [ \left(1 - m_s \right) \times h \times 9 \ + \ m_i \times \left(1 - m_s \right) \ + \ m_s \right ]

Dus is die netto hitte waarde per massa steenkool soos ontvang, die volgende:

: NCV^{so} = Netto\ hitte / Steenkool^{so}

: NCV^{so} = \left(1 - m_s \right) \times GCV^{ld} \quad - \quad \lambda \left [ \left(1 - m_s \right) \times h \times 9 \quad + \quad m_i \times \left(1 - m_s \right) \quad + \quad m_s \right ]

## Bronnelys
* *Coal Preparation* (joernaal)
* Proximate Analysis of Coal
* Coal Composition (ScienceDirect)
* Coal chemical composition

## Verwysings
## Kyk ook
* Steenkool