Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 4917:2011 Than đá và cốc-Xác định tính nóng chảy của tro

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 4917:2011

ISO 540:2008

THAN ĐÁ VÀ CỐC – XÁC ĐỊNH TÍNH NÓNG CHẢY CỦA TRO

Hard coal and coke – Determination of ash fusibility

Lời nói đầu

TCVN 4917:2011 thay thế TCVN 4917:2007.

TCVN 4914:2011 hoàn toàn tương đương với ISO 540:2008

TCVN 4917:2011 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 27 Nhiên liệu khoáng rắn biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

THAN ĐÁ VÀ CỐC – XÁC ĐỊNH TÍNH TÍNH NÓNG CHẢY CỦA TRO

Hard coal and coke – Determination of ash fusibility

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này xác định phương pháp xác định nhiệt độ nóng chảy đặc trưng của tro từ than và cốc.

CHÚ THÍCH: Các từ khóa: nhiên liệu rắn, tro, tro hóa, phép thử, phép thử nhiệt độ cao, phép xác định và tính nóng chảy.

2. Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau là cần thiết khi áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các bản sửa đổi (nếu có).

TCVN 173 (ISO 1171) Nhiên liệu khoáng rắn – Xác định tro.

3. Thuật ngữ và định nghĩa

Trong tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau:

3.1. Nhiệt độ biến dạng, DT (deformation temperature, DT)

Nhiệt độ, tại đó xuất hiện những dấu hiệu đầu tiên làm tròn các đỉnh và các cạnh mẫu thử do nóng chảy.

Chú thích: Sự co hoặc méo mẫu thử, hoặc làm tròn các cạnh nứt rạn và cạnh bên của mẫu không được coi là biến dạng và nếu các đầu nhọn và các cạnh vẫn sắc thì có thể bỏ qua. Tuy nhiên đối với một số nhiên liệu khoáng rắn, phải quan tâm đến nhiệt độ mà tại nhiệt độ này mẫu thử bắt đầu bị co, ngót và phải báo cáo nhiệt độ này như một đặc tính lưu ý trong quá trình xác định.

3.2. Nhiệt độ hình cầu, ST (sphere temperature, ST)

Trong trường hợp mẫu thử có hình chóp và hình nón cụt, nhiệt độ mà tại đó chiều cao bằng chiều rộng đáy, trong trường hợp mẫu thử hình khối hộp hoặc hình trụ, nhiệt độ mà tại đó các mẫu thử được làm tròn hoàn toàn, chiều cao mẫu vẫn giữ nguyên.

3.3. Nhiệt độ hình bán cầu, HT (hemisphere temperature, HT)

Nhiệt độ, tại đó mẫu thử tạo thành hình gần giống hình bán cầu, tức là khi chiều cao gần bằng nửa đường kính.

3.4. Nhiệt độ chảy, FT (flow temperature, FT)

Nhiệt độ mà tại đó tro chảy lan ra tấm đỡ thành một lớp, chiều cao lớp này bằng một phần ba căn cứ ban đầu của mẫu thử ở nhiệt độ tại hình bán cầu.

4. Nguyên tắc

Nung mẫu thử làm từ tro trong điều kiện tiêu chuẩn và quan sát liên tục. Ghi lại các nhiệt độ mà tại đó xảy ra những thay đổi đặc trưng về hình dạng của mẫu thử. Các nhiệt độ đặc trưng được định nghĩa trong điều 3 (xem Hình 2, Hình 3 và Hình 4).

Mặc dù việc xác định thường được tiến hành trong môi trường khử, nhưng đôi khi có thể thu được các thông tin bổ sung bằng cách tiến hành tiếp các phép xác định trong môi trường oxy hóa. Nói chung, môi trường khử trong 7.1 được dùng cho việc xác định những nhiệt độ đặc trưng thấp nhất.

5. Hóa chất, thuốc thử

5.1. Dextrin, dung dịch 100 g/l

Hòa tan 10 g dextrin trong 100 ml nước.

5.2. Vazơlin

5.3. Dây vàng, có đường kính 0,5 mm hoặc lớn hơn, hoặc tấm vàng, có chiều dày từ 0,5mm đến 1,0 mm, với độ tinh khiết 99,99% và nóng chảy tại 1064°C.

5.4. Dây niken, có đường kính 0,5 mm hoặc lớn hơn, hoặc tấm niken, có chiều dày từ 0,5mm đến 1,0mm, với độ tinh khiết 99,9% và nóng chảy ở độ 1455°C.

5.5. Dây paladi, có đường kính 0,5 mm hoặc lớn hơn, hoặc tấm paladi, có chiều dày 0,5mm đến 1,0mm, với độ tinh khiết 99,9% và nóng chảy tại 1554°C.

5.6. Carbon dioxit

5.7. Hydro hoặc cacbon monoxit.

6. Thiết bị, dụng cụ

6.1. Lò, nung bằng điện, phải thỏa mãn các điều kiện sau

a) có khả năng đạt tới nhiệt độ cao nhất, tại nhiệt độ đó các đặc tính của tro được xác định (nhiệt độ bằng 1500°C hoặc cao hơn).

CHÚ THÍCH: Một số lò có thể có nhiệt độ hoạt động thực tế lớn hơn, ví dụ 1 480°C hoặc 1 540 °C, do các phân tử làm nóng được dùng trong sản xuất.

b) Có khả năng tạo được vùng có nhiệt độ đồng nhất để nung nóng các mẫu thử;

c) Có khả năng nung các mẫu thử với tốc độ ổn định từ 815 °C trở lên;

d) Có khả năng duy trì môi trường thử xung quanh mẫu thử theo yêu cầu (xem 7.1);

e) Có trang bị để quan sát được sự thay đổi hình dạng của mẫu thử trong quá trình nung.

Nên trang bị thêm các phương tiện để có thể đưa kính coban xanh hoặc kính tương tự vào giữa phần cuối cửa lò và dụng cụ kiểm tra quang học để bảo vệ mắt người quan sát khỏi bức xạ phát ra ở nhiệt độ cao.

6.2. Dụng cụ đo nhiệt độ (pyrometer), bao gồm một cặp nhiệt điện platin/platin-rođi.

Cặp nhiệt điện được bố trí sao cho các đầu nối nhiệt trên trục dọc ở trung tâm của vùng nhiệt độ đồng nhất.

6.3. Khuôn, được làm bằng đồng thau, thép không gỉ hoặc vật liệu phù hợp khác, để chuẩn bị mẫu thử (xem ví dụ ở Hình 1).

6.4. Tấm đỡ mẫu thử, được làm bằng vật liệu không bị méo, không tạo phản ứng với tro, và không hấp thụ tro trong quá trình xác định. Các tấm đỡ làm bằng nhôm oxit thiêu kết hoặc mulit mịn nói chung là phù hợp, nhưng có thể gặp khó khăn với từng loại tro cá biệt, trong trường hợp đó phải sử dụng là platin làm bề mặt không hấp thụ, ở giữa giá đỡ và mẫu thử.

6.5. Lưu lượng kế, hai cái, dùng để đo các thành phần của khí khử (xem 7.1), khi dùng khí oxy không cần đo tốc độ dòng.

Nếu lưu lượng kế chứa chất lỏng, thì phải là dầu không bay hơi.

6.6. Cối mã não, chày

6.7. Rây thử nghiệm, có kích thước lỗ 0,075 mm (hoặc nhỏ hơn) và đường kính rây 100 mm hoặc 200 mm, có nắp và đáy.

6.8. Dụng cụ quang học, dụng cụ cho phép quan sát được mặt nghiêng của mẫu thử trong suốt quá trình xác định.

Các kích thước liên quan của mặt nghiêng có thể đánh giá dễ dàng bằng cách sử dụng tọa độ.

Nên sử dụng thêm máy ảnh hoặc video.

CHÚ DẪN

1 Tấm đế

2 Khuôn

Hình 1 – Ví dụ về một khuôn thích hợp để làm mẫu hình kim tự tháp

7. Điều kiện thử

7.1. Môi trường thử

Môi trường khử để đạt được bằng cách đưa vào lò một trong các hỗn hợp khí với tối đa thổi tối thiểu qua mẫu thử là 400 mm/min, tính ở nhiệt độ xung quanh; tốc độ của dòng khí không đạt tới hạn nhưng đủ để ngăn sự xâm nhập của không khí vào lò.

a) 55% thể tích đến 65% thể tích cacbon monoxit với 35% thể tích đến 45% thể tích cacbon dioxit; hoặc

b) 45% thể tích đến 55% thể tích hydro với 45% thể tích đến 55% thể tích cacbon dioxit;

CHÚ THÍCH 1: Nếu một hỗn hợp CO/CO₂ được sử dụng làm môi trường khử, đảm bảo rằng các hàm lượng là hỗn hợp hoàn toàn theo hướng dẫn của nhà sản xuất và nhiệt độ hình trụ được duy trì trên nhiệt độ tới hạn quan trọng là tại đó CO₂ có thể hóa lỏng và tách rời.

CHÚ THÍCH 2:Tro chứa nhiều sắt oxit có thể phản ứng với oxy trong lò, dẫn đến độ tái lập và độ lặp lại của nhiệt độ đặc trưng kém.

Tạo môi trường oxy hóa bằng không khí hoặc cacbon dioxit; nhưng tốc độ dòng không đạt tới hạn.

CẢNH BÁO: Khi sử dụng môi trường khử như ở trên, các khí thoát ra trong lò sẽ chứa mọt lượng cacbon monoxit, cần đảm bảo cho khí này được thông ra không gian bên ngoài, thích hợp nhất là bằng phương pháp hút hoặc bằng hệ thống thông gió tốt. Nếu dùng hydro trong môi trường khử, phải rất cẩn thận tránh nguy cơ gây nổ, bằng cách làm sạch bằng cacbon dioxit cả trước khi đưa hydro vào và sau khi tắt nguồn cung cấp hydro.

7.2. Hình dạng mẫu thử

Mẫu thử phải có các cạnh sắc nhọn để dễ quan sát.

Khối lượng mẫu thử cần phải vừa đủ để đảm bảo sự cân bằng nhiệt độ bên trong mẫu. Do đó kích thước mẫu thử không được quá lớn.

Các hình dạng dưới đây là có thể chấp nhận được:

a) Hình chóp có đáy là tam giác đều là chiều cao bằng khoảng hai đến ba lần chiều dài cạnh đáy nhưng không quá 12 mm (xem hình 2);

b) Hình lập phương có cạnh từ 3mm đến 7mm (xem hình 3);

c) Hình trụ đứng có chiều cao từ 3mm đến 9mm và đường kính bằng chiều cao (xem hình 3);

d) Hình nón cụt có chiều cao 4 mm và đường kính đáy 3mm, đỉnh 1,5 mm (xem hình 4).

Nếu thử trên mẫu hình chóp, thì độ cong của mẫu gây khó khăn cho việc quan sát, nên dùng dạng mẫu khác.

CHÚ DẪN

Hình 2 – Hình dạng đặc trưng của mẫu thử hình chóp.

CHÚ DẪN

Hình 3 – Hình dạng đặc trưng của mẫu thử hình khối hoặc hình trụ.

CHÚ DẪN

Hình 4 – Hình dạng đặc trưng của mẫu thử hình nón cụt.

8. Kiểm tra hiệu chuẩn

Thường xuyên kiểm tra dụng cụ đo nhiệt độ (pyrometer) dưới điều kiện thử hàng ngày, bằng cách quan sát điểm nóng chảy của vàng (5.3) và nếu có thể, quan sát điểm nóng chảy của paladi (5.5). Kiểm tra môi trường khử bằng cách quan sát điểm nóng chảy của niken (5.4).

Nếu các điểm nóng chảy quan sát được của vàng hoặc paladi hoặc paladi chênh nhau hơn 10°C so với điểm nóng chảy quy định ở 5.3 và 5.5 thì điều chỉnh lại hoặc hiệu chuẩn lại.

CHÚ THÍCH 1: Cách khác để quan sát điểm nóng chảy của vàng và paladi là kiểm tra pyrometer, sử dụng cặp nhiệt điện được phòng thí nghiệm chuẩn công nhận hoặc với sự hiệu chuẩn liên kết được với phòng thí nghiệm chuẩn.

Nếu quan sát điểm nóng chảy của niken thấy chênh lệch hơn 10°C so với điểm nóng chảy quy định ở 5.4, có thể do sự oxy hóa niken trong môi trường khử chưa đủ. Kiểm tra sự rò khí của thiết bị, điều chỉnh tốc độ và chất lượng khí, và kiểm tra lại điểm nóng chảy của niken.

CHÚ THÍCH 2: Điểm nóng chảy chính xác của niken, không phải là sự đảm bảo thành phần của môi trường khử là đúng, phải xem xét các sai lệch trước khi tính nóng chảy bị ảnh hưởng.

9. Chuẩn bị mẫu thử

Chuẩn bị tro như quy định trong TCVN 173 (ISO 1171). Phải đảm bảo việc tro hóa xảy ra hoàn toàn.

Nghiền tro trong cối mã não (6.6) đến kích thước hạt lớn nhất nhỏ nhất 0,075 mm. Để tối đa hóa số hạt ở đỉnh của hình chóp, nên nghiền đến kích thước hạt nhỏ hơn 0,063 mm.

Làm ẩm một lượng vừa đủ tro đã được chuẩn bị bằng nước đã khử khoáng hoặc nếu cần, bằng dung dịch dextrin (5.1), trộn đều để tạo thành bột nhão. Để tạo điều kiện cho việc tháo mẫu, đầu tiên tráng khuôn (6.3) bằng một lớp vazơlin mỏng (5.2).

Cho đều và đầy tro nhão đã chuẩn bị vào khuôn sao cho các cạnh và đỉnh của mẫu sắc nét. Để các mẫu thử có bề ngoài khô trước khi lấy ra khỏi khuôn. Nếu tro nhão khô quá nhanh, có thể làm ẩm nhẹ bằng cách thêm nước hoặc dung dịch.

Sau khi tháo khuôn mẫu khỏi giá đỡ mẫu (6.4) sử dụng một lớp mỏng tro nhão đã chuẩn bị để tạo độ bám dính, tiến hành cẩn thận để không làm hư hại đỉnh hoặc cạnh. Các mẫu phải được kiểm tra bằng các dụng cụ quang học (6.8) và những mẫu không có cạnh và đỉnh sắc nét thì loại bỏ.

Để khô mẫu thử và loại bỏ các tạp chất vô cơ bằng cách nung từ từ trong không khí đến nhiệt độ khoảng 815°C. Tốt nhất thực hiện nung sơ bộ trong lò nung (6.1) dùng để thử nghiệm..

10. Cách tiến hành

Chuyển mẫu thử đặt trên tấm đỡ (6.4) cho vào lò (6.1), điều chỉnh thành phần và tốc độ dòng khí của môi trường, xem cảnh báo nêu ở điều 7.1. Để giảm thiểu nguy cơ nổ khi sử dụng môi trường khử, làm sạch lò bằng cacbon dioxit trước khi cho hydro vào.

Mẫu sẽ được đặt vào vị trí sao cho, khi đưa vào lò, mặt đứng của mẫu song song với trục dọc của khe hở kiểm tra. Hơn nữa, mẫu được đặt hàng càng gần điểm cuối của vỏ cặp nhiệt điện càng tốt. Đảm bảo rằng các cặp nhiệt điện ở vị trí chính xác.

Nâng nhiệt độ lò đến dưới điểm nhiệt độ biến dạng dự kiến, sao cho khoảng nhiệt độ giữa điểm này và nhiệt độ biến dạng dự kiến vượt trên 150°C.

Nếu sử dụng một máy ảnh hoặc máy ảnh video, tập trung vào các mẫu để tất cả các phần của mẫu vật đang tập trung mạnh trong thời gian thử nghiệm. Nếu yêu cầu cần điều chỉnh tập trung trong quá trình thử nghiệm.

Sau khoảng 10 min, nâng nhiệt độ với tốc độ đều trong khoảng từ 3°C/min đến 7°C/min; đối với mẫu thử nhỏ, mức tăng nhiệt độ bằng 10°C sẽ là thích hợp. Bắt đầu quan sát hoặc chụp ảnh mẫu và ghi lại hình dạng trong thời gian thay đổi nhiệt độ trung bình của hai khung liên tiếp. đối với một vài loại tro, có thể gặp những khó khăn do có những hiện tượng rộp, méo, co, phình, tấm đỡ không thấm nước (gây ra bằng sức căng bề mặt) và hở bọt khí bên trong, trong những trường hợp đó ghi lại các hiện tượng khác thường, có thể thực hiện lại phép thử với loại tấm đỡ khác.

Trường hợp sử dụng thiết bị chụp ảnh, một hệ thống các tiêu chuẩn sẽ được đặt trên các màn hình để giúp giải thích các hình dạng đặc trưng.

Nếu sử dụng môi trường hydro/cacbon dioxit, tắt dòng hydro và tiếp tục cho dòng cacbon dioxit chảy thêm ít nhất là 30s, sau đó tắt dòng khí cacbon dioxit.

Lấy mẫu và tấm đỡ ra khỏi lò, làm nguội, và kiểm tra các dấu hiệu của phản ứng hóa học giữa tro và tile, các dấu hiệu này có thể gây khó khăn trong việc thu được các hình dạng đặc trưng.

Xử lý phim và kiểm tra tính âm bản hoặc tính trong suốt với độ phóng đại tối thiểu bằng 10 lần chiều cao mẫu ban đầu. Khi sử dụng phim, kết quả được dựa trên việc kiểm tra tính âm bản hoặc tính trong suốt, không phải bản in.

11. Độ chụm

11.1. Giới hạn độ lặp lại

Kết quả của phép xác định song song độc lập, tiến hành trong cùng một ngày, trong cùng một phòng thí nghiệm, do cùng một người thao tác, trên cùng một thiết bị với mẫu thử lấy từ cùng một mẫu phân tích tro, không được chênh nhau quá các giá trị quy định trong Bảng 1.

11.2. Giới hạn độ tái lặp

Giá trị trung bình các kết quả của phép xác định song song, thực hiện ở một hai phòng thí nghiệm khác nhau, trên các phần mẫu thử đại diện lấy từ cùng một mẫu tro được chuẩn bị như quy định trong TCVN 173 (ISO 1171), sẽ không chênh nhau quá các giá trị quy định trong Bảng 1.

Bảng 1 – Chênh lệch lớn nhất cho phép giữa các kết quả

Tiêu chuẩn này cho phép sử dụng các cấu hình khác nhau, các dữ liệu về độ chụm được báo cáo trong Bảng 1 đã được tính từ kết quả thu được bằng cách chỉ sử dụng cấu hình kim tự tháp và không có dữ liệu về độ chụm được báo cáo cấu hình khác.

12. Báo cáo thử nghiệm

Báo cáo thử nghiệm gồm các nội dung sau:

a) Nhận dạng mẫu thử;

b) Viện dẫn phương pháp thử đã sử dụng;

c) Nhiệt độ biến dạng, được làm tròn đến 10°C;

d) Nhiệt độ hình cầu, làm tròn đến 10°C;

e) Nhiệt độ hình bán cầu, làm tròn đến 10°C;

f) Nhiệt độ chảy, làm tròn đến 10°C;

g) Môi trường thử (khử hoặc oxy hóa).

13. Báo cáo độ chụm

Dữ liệu sử dụng trong tiêu chuẩn được xác định bằng nghiên cứu liên phòng thí nghiệm được thực hiện trong tháng 10 năm 2004. Với sự tham gia của mười chín phòng thí nghiệm, phân tích ba mẫu tro và tám mẫu than.

THƯ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] FIELDNER, A.C., HALL, A.E. AND FIELD, A.L., The fusibilty of coal ash and the determination of softening temperature, US Bureau of Mines, Bulletin 129, 146 phương pháp, 1918

[2] NICHOLLS, P. And SELVIG, W.A., Clinker formation and fusibility of ash, US Bureau of Mines Bulletin 364, 72 phương pháp, 1932