книги / Природные энергоносители и углеродные материалы Состав и строение. Современная классификация. Технологии производства и добыча

Таблица 31 — Естественная классификация твердых горючих ископаемых Г.Л. Стадникова

Класс гелитолитов подразделен на более мелкие классификационные единицы по структурности гелифицированных компонентов, фюзенолиты - по преобладанию различных фюзенизированных микрокомпонентов, липоидолиты - по преобладанию различных липоидных компонентов, класс микстогумолитов характеризуется нерезким преобладанием какой-либо одной из групп микрокомпонентов.

Сущность этой классификации состоит в перегруппировке по вещест­ венно-петрографическому принципу всех существующих типов гумусовых углей и в разработке конкретной терминологии, отражающей их состав.

Существует генетическая классификация гумусовых углей, в основу которой положена степень разложения и измельчения растительных тканей в период торфонакопления, проявляющаяся в структуре гелифицированного, фюзенизированного и фюзеноподобного вещества. По этому признаку выде­ лено пять основных групп углей, соответствующих телинитовой, посттели-

нитовой, преколлинитовой, коллинитовой и липтобиолитовой стадиям раз­ ложения. Дальнейшее подразделение углей на петрографические типы по данной классификации проводится по соотношению гелифицированных, фю­ зенизированных и липоидных компонентов.

Наиболее распространенной в настоящее время является классифика­ ция Ю.А. Жемчужникова с дополнениями генетических классов.

Структурные классификации учитывают строение вещества, основан­ ное в первую очередь на его элементном составе. Дополнительно использу­ ются спекгральные методы анализа, позволяющие определить наличие раз­ личных атомных групп и их взаимное расположение. К методам структурно­ го анализа относится и метод определения группового состава. С его помо­ щью определяют основные виды веществ, слагающие твердые горючие ис­ копаемые. К ним относятся битумы, гуминовые кислоты, выделяемые щело­ чью, и остаточный продукт.

Структурные преобразования органической массы в процессе углефикации предопределяются деструкцией и циклополиконденсацией. Деструкционные процессы связаны с образованием газообразных и легкоподвижных фаз в угольных пластах. В процессе метаморфизма происходит рост конден­ сированных ароматических ядер макромолекул угля, за исключением углей коксующихся марок, где размер углеводородных ядер меньше, чем в углях низкой стадии метаморфизма и антрацитах.

Структурирование и совершенствование строения органической массы проявляется в том, что углеводородные ядра макромолекул угля ассоциируются в пачки (кристаллиты). Кристаллиты можно рассматривать как долгоживущие гегерофазные флуктуации, которые являются надмолекулярными структурами. Иногда ископаемые угли относят к гибким гуминовым плейномерам, макромо­ лекулы которых (гумины) имеют молекулярную массу от 1000 до 10000. В ис­ копаемых углях могут существовать гуминовые сополимеры двух типов:

а) Сополимеры с функциональными группами (-ОН, -СООН, -H N 2 и др.), образующие по реакциям поликонденсации более высокомолекулярные соединения. Это каменные угли;

б) Сополимеры с я-сопряжением, содержащие и не содержащие функ­ циональные группы. Их макромолекулы состоят из блоков сопряжения, в ко­ торых реализуется делокализация я-электронов. Это антрациты, метаантра­ циты, шунгиты, графиты различного происхождения.

Технологические классификации для нефтей, сланцев и углей приведены в соответствующих разделах настоящего издания.

Контрольные вопросы

1.На чем основана возможность классификации каустобиолитов?

2.Охарактеризуйте генетическую классификацию каустобиолитов.

3.Назовите типы классификаций твердых горючих ископаемых.

4.Чем объясняется большое разнообразие твердых горючих ископаемых?

5.В чем особенность естественной классификации твердых горючих иско­ паемых Г.Л. Стадникова?

_____________________ Глава 6. Классификация каустобиолитов__________________93

Темы рефератов

1.Генетическая классификация каустобиолитов.

2.Типы классификаций твердых горючих ископаемых.

3.Технологические классификации нефтей, сланцев и углей.

Литература

1.Глущенко ИМ . Теоретические основы технологии горючих ископаемых. М.: Металлургия, 1990. - 296 с.

2.Бухракина Т.В., Дигуров Н.Г. Химия природных энергоносителей и угле­ родных материалов: Учебное пособие. М.: РХТУ, 1999. -195 с.

3.Горючие сланцы. / Под ред. Т.Ф. Иена, Дж. В. Чилингаряна. Л.: Недра, 1980.-262 с.

4.Химическая технология твердых горючих ископаемых. / Под ред. Г.Н. Макарова, Г.Д. Харламповича. М.: Химия, 1986.-496 с.

5.Справочник сланцепереработчика. / Под ред. М.Г. Рудина, Н.Д. Сереб­ рянникова. - Л.: Химия, 1988. - 256 с.

Глава 7. Горючие сланцы

Горючие сланцы являются разновидностью твердых каустобиолитов и

представляют собой глинистую известковистую или кремнистую, плотную тонкослоистую осадочную породу с содержанием сапропелевого органиче­ ского вещества от 10 до 70 %, обладают способностью загораться от спички и гореть коптящим пламенем. Цвет от желтоватого до зеленовато-корич­ невого, а также от оливково-серого до черного. При значительном нагрева­ нии горючие сланцы разлагаются с выделением нефтеподобной смолы (слан­

цевого масла), горючих газов и воды.

Горючие сланцы состоят из преобладающей минеральной (кальциты, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц,

пирит и др.) и органической частей (кероген).

Первое упоминание об использовании горючих сланцев относится к 1694 г. Слово petroleum («каменное масло») первоначально означало сланце­

вую смолу, и лишь впоследствии так стали называть нефть.

Кероген - сложное высокомолекулярное вещество, состоящее из эле­

ментов алифатической, алициклической и ароматической природы. Оно не­ растворимо в обычных органических растворителях из-за высокой молеку­ лярной массы. Каждая молекула керогена является уникальной, т.к. пред­ ставляет собой случайное сочетание различных мономеров. Керогены со­ ставляют 10-30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого ка­ чества их доля достигает 50-70 %.

Микроскопические скопления органического вещества располагаются внутри структурного каркаса породы, образованного минеральными вещест­

вами.

Таблица 32 — Характеристика минеральной части горючих сланцев

Тип сланца по классификации устанавливается по его генезису, под­ класс - по выходу смолы полукоксования. Направление промышленного использования сланца определяется по его подклассу. Отношение выхода смолы полукоксования к теплоте сгорания T/Q£ позволяет установить груп­ пу сланца. Подгруппа определяется по петрографическому составу органи­ ческого вещества горючих сланцев, она зависит от природы исходного ве­ щества и определяет степень превращения его микрокомпонентного состава и химических свойств керогена. Вид сланца устанавливается по составу зо­ лы, в т.ч. по содержанию карбонатов щелочноземельных металлов (СаО + MgO), образующихся при сжигании и термической обработке сланцев. Этот показатель определяет направление использования золы. В таблице 36 при­ ведены виды горючих сланцев. Разновидность сланцев устанавливается по массовой доле серы.

Таблица 36 — Виды горючих сланцев ..

Сапропелевые сланцы имеют наибольшее распространение и отлича­ ются повышенным содержанием органического вещества однородного со­ става. Сапропелево-гумусовые и гумусово-сапропелевые сланцы содержат меньшее количество органического вещества, состав которого неоднороден. Они, как правило, отличаются от сапропелевых более высоким содержанием серы (8-11 %) и других гетероатомов, а также сниженным содержанием угле­ рода и водорода (таблица 37).

Таблица 37 — Характеристика керогена различных видов горючих сланцев

Кероген гумусово-

Кероген сапропе­ Наименование показателя сапропелитовых

левых сланцев

сланцев

Часть I. Природные энергоносители

При перегонке горючих сланцев происходит термическое разложение керогена с образованием смолы, газа, углеродистого остатка. При этом выход летучих веществ определяется содержанием и элементным составом органи­ ческой массы сланцев. Выход смолы на органическое вещество для разных

сланцев может меняться от 18 до 65 %.

В процессе добычи получают сланец с различным размером кусков от мелочи (пыли) до 125 мм. По гранулометрическому составу его делят на три класса: I класс -100-125 мм, П класс - 30-100 мм и III класс - 0-30 мм. Сланец II класса пригоден для технологического использования, сланец I класса дро­ бят до крупности II класса, а сланец Ш класса идет на энергетические цели. Качество сланца определяют по трем показателям: влажности, гранулометри­

ческому составу и содержанию органической массы.

Влага является балластом, при её содержании 9-12 % на испарение во­ ды тратится до 35 % тепла, необходимого для переработки сланца. В настоя­ щее время удовлетворительных установок для её удаления нет, и этот пока­ затель не регулируется. Гранулометрический состав в пределах класса широк и неравномерен, регулировать его в процессе производства практически не­

возможно.

Поскольку указанные два показателя практически не регулируются, единственным нормируемым показателем является содержание органической массы. Оптимальная степень обогащения определяется из экономической це­ лесообразности. В таблице 38 приведена техническая характеристика при­ балтийских сланцев.

Таблица 38 — Техническая характеристика прибалтийских сланцев

В1838 г. начата промышленная добыча сланцев во Франции, позднее

вШотландии, США, Австралии, Бразилии, Новой Зеландии, Швейцарии, Испании, Южной Африке, Чехословакии. В основном в этих странах пере­ работка сланца осуществлялась лишь в отдельные периоды и в ограничен­

ных масштабах. Целью добычи сланцев было их использование в качестве топлива, строительного материала (облицовочные плиты, сланцевая кров­ ля), источника получения жидкого топлива и некоторых химических про­ дуктов. К средине XX в. сланцевая промышленность как самостоятельная отрасль сохранилась только в СССР и КНР. В 90-е годы добыча сланцев на российских месторождениях оказалась нерентабельной, в т.ч. из-за отказа от них в качестве топлива.

Перспективы получения ценных химических продуктов из сланцев свя­ заны со стадией их термической переработки с получением смолы и синтезгаза. В связи с этим актуальной является переработка горючих сланцев в жидкое топливо и другие химические продукты.

Контрольные вопросы

1.Какие ископаемые называются горючими сланцами?

2.Какое вещество называется керогеном?

3.На какие основные типы делятся горючие сланцы?

4.По каким показателям определяют качество сланцев?

5.Назовите основные месторождения сланцев в России и мире.

Темы рефератов

1.История добычи сланцев в мире.

2.Использование сланцев в качестве топлива и источника получения жид­ ких продуктов.

3.Способы добычи сланцев.

4.Месторождения сланцев в России и мире.

5.Перспективы применения горючих сланцев.

Литература

1.Блохин А.И. Зарецкий М.И., Стельмах Г.П., Эйвазов Т.С. Новые техноло­ гии переработки высокосернистых сланцев. М.: Наука, 2001. -192 с.

2.Глущенко И М . Теоретические основы технологии горючих ископаемых. М.: Металлургия, 1990. - 296 с.

3.Справочник сланцепереработчика. / Под ред. М.Г. Рудина, Н.Д. Сереб­ рянникова. - Л.: Химия, 1988. - 256 с.

4.Файнберг В.С. Проблемы и перспективы сланцевой технологии за рубе­ жом. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1981.- 52 с.

5.Химическая технология твердых горючих ископаемых. / Под ред. Г.Н. Макарова, Г.Д. Харламповича. М.: Химия, 1986.-496 с.

Глава 8. Ископаемые угли

Угли - твердые горючие полезные ископаемые осадочного происхож­ дения, состоящие из органического вещества, минеральных примесей и вла­ ги. В соответствии со стадиями углеобразования различают следующие ви­ ды ископаемых углей: бурый, сапропелит, бопсед, каменный, антрацит, смешанные.

Бурый уголь - переходная форма от торфов к каменным углям; цвет палевый, коричневый, черный с коричневатым оттенком или черный, ино­ гда обладает блеском. Окрашивает горячий водный раствор едкой щелочи в темно-бурый цвет, а разбавленную азотную кислоту - от ярко-желтого до красно-бурого цвета. На воздухе быстро буреет, растрескивается. По внеш­ ним признакам различают землистый или рыхлый и плотный бурый уголь. Плотность органической массы находится в пределах от 1,34 до 1,60 г/см3. Химический состав изменяется в широких пределах, в зависимости от сте­ пени углефикации. Характеризуется повышенным содержанием фенольных, карбоксильных и гидроксильных групп, наличием свободных гуминовых кислот и первичных смол, содержание которых снижается с повышением степени метаморфизма соответственно от 64 до 3 % и от 25 до 5 %. Выход спиртово-бензольного экстракта изменяется в пределах от 3 до 20 % и вы­ ше. Элементный состав бурого угля: углерод 65,0-76,0 %; водород 4,5-6,0 %, сумма кислорода и азота 18,0-30,0 %.

Сапропелит - группа ископаемых углей, образовавшаяся преимущест­ венно из продуктов преобразования остатков зоо- и фитопланктона. Сапро­ пелита сложены в основном микрокомпонентами группы альгинита, харак­ теризуются высоким выходом летучих веществ и первичного дегтя. Вещест­ во сапропелитовых углей состоит из циклических и полициклических карбо­ новых кислот и связанных с ними кислот жирного ряда, их ангидридов и ке­ тонов. Следовательно, основу строения этих углей составляют не ароматиче­ ские структуры. В связи с особенностями исходного материала и условий образования органическая масса сапропелитовых углей содержит повышен­ ное количество водорода.

Сапропелитовые угли имеют сероватый оттенок, матовый блеск, рако­ вистый излом и однородную структуру с отсутствием в ней полосчатости, они слагают маломощные прослои и лишь в отдельных месторождениях об­ разуют целые пласты или пачки. Наиболее распространены собственно са­ пропелита - богхеды и полубогхеды. Сапропелита в рассеянных формах яв­ ляются основным органическим веществом нефтематеринских пород.