Hnědé uhlí a norma ČSN ISO 1928

Zásoby hnědého uhlí a jejich kvalita
Ze znázornění světových zásob fosilních paliv na obr. 1 vyplývá, že zásoby hnědého uhlí a lignitů převyšují zásoby ropy i zásoby zemního plynu [1]. S jejich využitím se musí počítat, a to ve všech státech světa na všech kontinentech.

Obr. 1. Světové zásoby fosilních paliv začátkem 90. let 20. století

Důležitým faktorem těchto zásob je jejich kvalita. Ta je na obr. 2 [2] blíže určena základními znaky jakosti - obsahem popela, obsahem vody a výhřevností. Z pohledu na obrázek je zřejmé, že největší jsou zásoby hnědého uhlí, které má nejvyšší obsah vody při nízkém obsahu popela, a menší jsou zásoby hnědého uhlí, které má nízký obsah vody a vysoký obsah popela. Většinu zemí stejně jako ČR tedy bude zajímat stejná problematika - obsah vody a jeho stanovení a vliv vody na určení jakosti. Při spalování hnědého uhlí nezpůsobuje obsah vody takové potíže jako obsah popela, protože vypařováním vody v průběhu spalovacího procesu se výhřevnost paliva zvyšuje (je méně balastu), zatímco vlivem vyššího obsahu popela klesá (balast se koncentruje).

Obr. 2. Znaky jakosti hnědého uhlí z různých hnědouhelných ložisek světa

Následující tabulka obsahuje znaky jakosti jednotlivých typů černého a hnědého uhlí. U hnědého uhlí stejného složení jsou uvedeny rozdílné názvy používané v SRN a v USA. Hnědé uhlí nazývané podle názvosloví SRN měkké a mastné, se v USA nazývá lignit (B a A). Protože hnědé uhlí se v USA a ve Velké Británii netěžilo a nebyly pro něj vypracovány a předepsány metody, je jasné, že platná norma ISO, stejně jako její vzor, americký standard ASTM, podle něhož je zpracována, se vztahuje jen na černé uhlí. Norma ČSN ISO 1928 nemůže proto předepisovat postup stanovení výhřevnosti hnědého uhlí a také ho nestanoví. Pro stanovení výhřevnosti hnědého uhlí dodnes neexistuje metoda, stejně jako pro přípravu jeho analytických vzorků.

Typy uhlí		Znaky jakosti
SRN	USA	C [hmot. %]	výhřevnost Qri [MJ/kg]	Wtr [hmot. %]	O2 [hmot. %]
hnědé uhlí
měkké	lignit B	60	16,7	70	28 až 29
mastné	lignit A (tuhé hnědé)	70	23,0	35	23 až 25
lesklé	subbitumen (tuhé hnědé)			25	20 až 22
černé uhlí
plamenné		80	32,9	8 až 10	16 až 18
pálavé					>10
plynové			33,9		7
mastné		90	35,0	<10	4
hubené			35,4		3,2
antracit		91	35,4		2,8
metaantracit			35,4		2,5

Znaky jakosti jednotlivých typů černého a hnědého uhlí [2]

Přípravu vzorků hnědého uhlí pro analýzy nejvíce ovlivňují změny prostředí. Zde je základní rozdíl mezi černým a hnědým uhlím. Černé uhlí, které má minimální obsah vody, ani nemusí být předsoušeno, zatímco hnědé uhlí by bez předsušení nebylo možné ani spálit v kalorimetru. Podle změn prostředí se pak u předsušeného hnědého uhlí mění obsah analytické vody a v souvislosti s tímto obsahem také výhřevnost. Pokud nebude pro hnědé uhlí existovat řádná norma, mohou být všechny výsledky laboratorních stanovení pokládány pouze za orientační. Norma ČSN ISO 1928 Tuhá paliva. Stanovení spalného tepla kalorimetrickou metodou v tlakové nádobě a výpočet výhřevnosti [3], platná od července 1999, kdy v plném rozsahu nahradila normu z roku 1980: ČSN 44 1352 Tuhá paliva. Stanovení spalného tepla a výpočet výhřevnosti, nebere v úvahu rozdíly mezi jednotlivými typy uhlí, a proto neplatí pro hnědé uhlí.

Kritické hodnocení normy ČSN ISO 1928
Norma ČSN ISO 1928 (identická s ISO 1928:1995 [4], která má status české technické normy) může být vhodná pro určitý typ uhlí, ale - jak ukážeme v dalším textu - nemůže platit pro všechny. Není zárukou přesného a správného stanovení spalného tepla a výhřevnosti hnědého uhlí, takže pro hnědé uhlí a lignity nemůže platit, i když se o to na několika místech snaží.

Kapitola 7. Příprava vzorků.
Norma se o přípravě vzorků zmiňuje jen okrajově: "Uhlí a koks používané pro stanovení spalného tepla se musí upravit na analytický vzorek procházející zkušebním sítem s otvory o velikosti 212 mm. Bylo prokázáno, že za určitých okolností lze pro uhlí nízkého a středního prouhelnění tolerovat maximální rozměr 250 μmm.

Vzorek se musí správně promísit a uvést do odpovídající rovnováhy se vzdušnou vlhkostí v laboratoři. Obsah vody se musí stanovit ve vzorcích zvážených v rozmezí několika málo hodin od doby navážení vzorků pro stanovení spalného tepla nebo se vzorek musí uschovat v malé, těsně uzavřené vzorkovnici do doby stanovení obsahu vody k umožnění oprav na vodu v analytickém vzorku."

Že se popsaná příprava vzorků týká jen černého uhlí, potvrzují jak úvodní slova, tak také závěr první věty. Pro vzorky hnědého uhlí by na prvním místě nebyla uvedena velikost zrn, ale rovnovážný stav vzorku s jeho okolím a také by byla předepsána vzdušná vlhkost. Právě tyto dvě podmínky jsou základem přípravy vzorků hnědého uhlí k analýzám.

Druhá věta říká, že za určitých okolností nemusí být velikosti zrn dosaženo, avšak to je uvedeno jen proto, aby se příprava vzorků vztahovala i na hnědé uhlí, tj. uhlí nízkého prouhelnění. Pokud bylo něco prokázáno, jak sděluje začátek této věty, musely by být ony určité okolnosti (alespoň v poznámce) uvedeny. Jinak jde jen o záměr vztáhnout tuto přípravu také na hnědé uhlí. Nabízí se otázka, co bude v případě, že určité okolnosti vůbec nenastanou.

Celý první odstavec tedy dokazuje, že uvedený popis přípravy je určen jen pro vzorky černého uhlí a koksu a že se nemůže vztahovat na hnědé uhlí, lignity a brikety z nich vyráběné.

Druhý odstavec dokazuje neplatnost uvedené normy pro hnědé uhlí snad každým slovem. Je to již zmínka o rovnováze se vzdušnou vlhkostí laboratoře bez jejího specifikování. Vzdušná vlhkost v žádné normě pro stanovení obsahu vody není předepsána. Pohybuje se v tak širokých mezích, že je nelze přehlížet. Podle nich se mění i obsah analytické vody W^a, který je u hnědého uhlí navíc ovlivňován porozitou. U hnědého uhlí je W^a mezi 5 a 20 %, zatímco u černého uhlí je pouze do 1 %. Platnost předepsané přípravy vzorků pro hnědé uhlí je tedy vyloučena. Norma platí pouze pro černé uhlí, jehož nepatrný obsah analytické vody (do 1 %) se ani nemusí stanovovat a nemusí se s ním počítat. viz čl. 10.5. Vliv obsahu analytické vody na rozdíly ve výhřevnosti černého uhlí je velmi malý, zatímco u hnědého uhlí vedou rozdíly W^a ke zcela odlišným výsledkům.

O rovnováze se norma zmiňuje pouze tak okrajově, jak to stačí pro černé uhlí.

Pro přípravu vzorků hnědého uhlí nemůže platit druhá věta druhého odstavce, zmiňující se o zvážení vzorků v rozmezí několika málo hodin. Vzhledem k rychlým změnám vlhkosti prostředí se vzorky musejí navažovat ihned po dosažení rovnováhy. V rozmezí několika málo hodin se vlhkost prostředí může výrazně změnit a s ní i složení vzorků.

S touto chybou je spojen také další nedostatek - postoj k ostatním znakům jakosti, například k obsahu síry. Podle uvedeného popisu přípravy vzorků má stanovení výhřevnosti přednost před ostatními znaky jakosti. Výhřevnost je podle normy zřejmě důležitější znak jakosti, protože pro ni platí přesnější kritérium. Pro jiná stanovení může mít vzorek jiný obsah analytické vody, což vlastně znamená, že to je jiný analytický vzorek.

Všechny tyto aspekty norma přehlíží, protože obsah analytické vody u černého uhlí nehraje žádnou roli.

Pro hnědé uhlí má obsah analytické vody základní význam, neboť rozhoduje o jakosti. Proto se jeho správnému stanovení musí věnovat maximální pozornost. Kromě rozdílů uvedených v tabulce jsou mezi jednotlivými typy uhlí také rozdíly morfologické a petrografické, které se rovněž mění se ztrátou vody.

Předsoušení vzorků hnědého uhlí nelze časově omezit. Kromě vzdušné vlhkosti ovlivňuje předsoušení teplota okolí, nepatrně tlak, ale více porozita vzorku, jeho struktura, velikost pórů atd. Doba přesoušení u hnědého uhlí záleží na každém jednotlivém vzorku a na vlhkosti okolí a nelze ji předepsat.

V práci [5] se uvádí: "Obsah analytické vody nemůže být za proměnlivých podmínek při úpravě vzorků hnědého uhlí konstantní." Tím je jasně řečeno, že pro přípravu vzorků hnědého uhlí k analýzám musejí být předepsány jasné podmínky, za kterých musí nastat rovnováha.

Pokud takové podmínky stanoveny nebudou a laboratorní prostředí bude vykazovat rozdíly, a to i v průběhu několika málo hodin, nelze získat standardní vzorky, ale vzorky značně odlišné, dokonce i ve stejné lokalitě, nemluvě o lokalitách s vyšší vlhkostí nebo lokalitách vysloveně suchých.

Pro přípravu vzorků hnědého uhlí nemůže platit norma, která

nebere v úvahu výkyvy ve složení laboratorního prostředí ani jeho rychlé změny, nezahrnuje rozdíly mezi typy uhlí, konkrétně mezi černým a hnědým uhlím, nepřihlíží k readsorpčním vlastnostem povrchu hnědého uhlí, kdy se adsorpce a desorpce vody v krátkých intervalech střídají, nestanoví přesné podmínky pro "vzduchosuchý" stav vzorků, které jsou bezpodmínečně nutné, netrvá na bezpodmínečném dosažení rovnovážného stavu, nestanoví intervaly převažování vzorků za účelem bezpečného prokázání rovnováhy.

Stejné námitky platí i pro dosud platné normy [6], [7] a [8], které se týkají analytického stavu nebo analytických vzorků. V nich musí být uvedena rovnováha s okolní atmosférou (tj. palivo na vzduchu proschlé) a ta musí být specifikována.

Článek 10.5 Vyjádření výsledků.
Jestliže obsah vody v analytickém vzorku má význam pouze pro přepočet na ostatní stav, jde o černé uhlí, kde (jak už bylo řečeno) vlastně přepočet ani není nutný.

Kapitola 11. Shodnost.
Kapitola 11 je v rozporu s kapitolou 4. (Odporují si statě jedné normy!) V kapitole 4 se uvádí rozmezí několika málo hodin od doby navážení vzorků, zatímco v kapitole 11 se mluví o krátkém časovém intervalu. To je jen doklad, že norma je určena pro černé uhlí, hydrofóbní a méně reaktivní. V článku 11.1 Mez opakovatelnosti se uvádí: "Výsledky (duplikátních stanovení, provedených ve stejné laboratoři stejným operátorem na stejném přístroji) se během krátkého časového intervalu nesmějí lišit o více než 120 J/g." O tomto intervalu a jeho velikosti se však v celé normě nemluví.

V článku 11.2 Mez reprodukovatelnosti se říká: "Průměry duplikátních výsledků se nemají lišit více než o 300 J/g."

Námitky lze shrnout do těchto bodů:

V celém postupu přípravy vzorků se nezdůrazňuje, že stanovení se má provést co nejdříve po dosažení rovnováhy. Uvádí se to až v souvislosti s určením meze opakovatelnosti, avšak nikoli v návaznosti na přípravu. Jeden článek uvádí, že meze opakovatelnosti se nesmějí lišit, druhý, že meze reprodukovatelnosti se nemají lišit. Celá kapitola 11 může platit jen pro černé uhlí. Nedostatky předcházející úpravy a postupů se projeví právě zde. Čtyřikrát se v této kapitole uvádějí stejné okolnosti (konkrétně laboratoř, operátor, přístroj, vzorek), ale záleží hlavně na přípravě vzorku hnědého uhlí a na jeho rovnovážném stavu, o kterém se v celé normě nemluví. Ten je mnohem důležitější než všechno, co je uvedeno.

Závěr
Z celého pojetí normy ČSN ISO 1928 [1] vyplývá, že nezná rozdíly mezi hnědým uhlím a černým uhlím a mezi uhlím hydrofóbním a hydrofilním.

Závazná norma musí být zárukou správného a přesného hodnocení jakosti hnědého uhlí, a to nejen spalného tepla a výhřevnosti, ale všech znaků jakosti. Musí vycházet z bohatých zkušeností, z výsledků prací špičkových odborníků. Nemůže být kopií cizí normy nebo cizích norem převzatých bez vlastního posouzení, bez vlastní kritiky.

Naší povinností je snažit se, aby vznikaly normy, jejichž zavedení nebude zpochybňovat zjištěné výsledky už v resortu paliv a energetiky a tím méně v jiných odvětvích, jako je tomu dnes. Jsme povinni přispět svými poznatky a zkušenostmi v oblasti, která byla u nás tak přehlížena. Zásoby hnědého uhlí nám to přímo ukládají. Jestliže se toho neujmeme, nebude nadále známa výhřevnost hnědého uhlí ani jeho ostatní znaky jakosti.

Prvním úkolem je vypracovat normu pro přípravu analytických vzorků hnědého uhlí, která musí vycházet z vlastností hnědého uhlí a ze všech vlivů působících na tuto přípravu. Musí to být předpis pro jednotnou přípravu analytických vzorků, který bude především obsahovat závazné podmínky prostředí pro předsoušení vzorků, aby bylo dosaženo standardního stavu. Jen takové vzorky mohou dávat správné a přesné výsledky kalorických hodnot stejně jako všech znaků jakosti ve všech laboratořích (nebudou vznikat pochybnosti u každého výsledku).

Nebude-li vytvořena norma pro přípravu analytických vzorků hnědého uhlí, mohou se opakovat spory o jeho jakost, které trvaly po celou dobu totality a dosud nebyly odstraněny. (Rozdíly mezi výsledky představovaly podle výpočtů ministerstva milion tun hnědého uhlí za jediný rok.)

Pouze vlastní norma pro přípravu vzorků hnědého uhlí k analýzám a pro stanovení spalného tepla a výpočet výhřevnosti bude základním přínosem pro oblast, která je velmi zanedbaná, jak se přesvědčili pracovníci provozních laboratoří nejrůznějších sektorů. Různé glosy v normě pro stanovení obsahu vody v uhlí, týkající se přípravy analytických vzorků, tento účel nesplňují. Protože norma ČSN ISO 1928 nepřihlíží k charakteru hnědého uhlí a k vlastnostem povrchu jeho analytických vzorků a nepřikládá nejmenší význam obsahu analytické vody, je třeba ji kategoricky odmítnout. Stanovené výsledky výhřevnosti se mohou lišit od skutečnosti až o 1,5 MJ/kg.

Literatura
[1] TEYSSLER, J.: Má uhlí budoucnost?, Teplo, 1996, č. 4.
[2] Braunkohle, 1987, č. 3.
[3] ČSN ISO 1928 Tuhá paliva. Stanovení spalného tepla kalorimetrickou metodou v tlakové nádobě a výpočet výhřevnosti. Český normalizační institut, červen 1999.
[4] ISO 1928:1995 Solid mineral fuels. Determination of gross calorific value by the bomb calorimetric method and calculation of net calorific value.
[5] HUBÁČEK, J.: Pasportizace a klasifikace hnědých uhlí ČSSR a jejich popelů, ÚVP, svazek 9, Praha 1966.
[6] ČSN 44 1310 Symbolika analytických ukazatelů tuhých paliv (účinnost od 1. 1. 1973).
[7] ČSN 44 1377 Stanovení obsahu vody v uhlí (účinnost od 1. 7. 1967).
[8] ČSN 1350 Stanovení vody, popelu a síry (platnost od 1. 3. 1960).

---

Ing. Václav Dušák, CSc., (1924) vystudoval VŠCHT v Praze, pracoval jako chemik v Papírnách Větřní, v Českých lignitových závodech v Mydlovarech, v a. s. Hnědouhelné doly, Sokolov, v Ústavu pro výzkum paliv v Běchovicích a potom až do odchodu do důchodu v a. s. ORGREZ, Praha.

---