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

Богхед - уголь класса сапропелитов, образует пласты толщиной 0,5-1,0 м. Цвет буро-черный, иногда оливковый, излом раковистый матовый. Состоит, как правило, из водорослей различной степени сохранности и величины с не­ значительным участием зеленоватой гелефицированной основной массы. Ха­ рактеризуется повышенной плотностью, вязкостью. Загорается от спички и горит длинным коптящим пламенем. Содержание водорода составляет 8-12 %

илетучих веществ 60-70 %.

Каменный уголь - ископаемый уголь средней степени углефикации черного или серовато-черного цвета, блестящий. Состоит из высокомолеку­ лярных соединений, образовавшихся путем реакций конденсации из различ­ ных химических веществ, входивших в состав древних отмерших растений. Основные структурные звенья макромолекулы углей состоят из конденсиро­ ванных ароматических ядер, имеющих боковые цепи. В ядре и в боковых це­ пях могут быть гетероагомы - азот, кислород, сера. Макромолекулы соеди­ няются между собой гидролизуемыми связями, число которых уменьшается с увеличением степени метаморфизма.

Гумусовые каменные угли бывают однородные, но чаще полосчатые. Свободных гуминовых кислот не имеют, поэтому не окрашивают раствор ед­ кой щелочи. Выход летучих веществ, в зависимости от степени углефикации, меняется от 2 до 45 %, содержание углерода составляет 75-92 %, водорода 2,5- 5,5 %, кислорода 1,5-15 %. По мере повышения степени метаморфизма в ка­ менных углях увеличивается количество ароматических структур и степень их коцденсированности, уменьшается влажность (от 12 до 1 %), уменьшается со­ держание кислорода и водорода.

Антрацит - уголь наиболее высокой степени углефикации, плотно­ стью от 1,4 до 1,7 г/см3, серовато-черный или черно-серый с ярким металло­ видным блеском. Структура и текстура почти не различимы.

Использование угля в истории развития человечества сыграло важней­ шую роль. Уголь был одним из первых видов ископаемого топлива, исполь­ зуемого человеком. Он позволил осуществить промышленную революцию, его высокая теплотворная способность позволила усовершенствовать техно­ логии получения металлов, варки стекла, обеспечила прогресс паровых ма­ шин. Уголь применяется в качестве топлива в быту и для выработки электро­ энергии, как сырье для металлургической и химической промышленности.

В 1960 г. около половины мирового производства энергии обеспечива­ лось за счет сжигания угля, к 1970 г. этот показатель снизился до одной тре­ ти из-за увеличения объемов использования нефти и газа. С 1998 по 2008 гг. доля угля в мировом энергетическом балансе увеличилась с 25,4 до 29,2 % с при одновременном уменьшении доли нефти с 38,7 до 34,8 % (таблица 3).

8.1.Состав углей

Наука петрография способствует описанию ископаемых углей, изуче­ нию их свойств, а также оценке углей как сырья для процессов технологиче­ ской переработки.

К петрографическим характеристикам углей относятся: состав, степень восстановленности, степень метаморфизма, показатель отражения и др. Как и прочие свойства углей, они определяются основными геолого-генетическими факторами углеобразования.

Методы петрографического исследования разделяются на две группы:

1.Макроскопическое описание углей, характеризующее их блеск (бле­ стящий, полублестящий, полуматовый и матовый), строение (однородное, полосчатое, штриховатое), сложение (массивное, слоистое, зернистое) и сис­ тему трещин (экзокливаж и эндокливаж);

2.Микроскопическое исследование углей, которое проводится путем изучения тонких шлифов в проходящем свете или аншлифов (полированных

поверхностей угля) в отраженном свете. Существует метод исследования од­ ного и того же образца в проходящем, отраженном и комбинированном свете по прозрачно-полированным шлифам.

Приготовление тонких шлифов из угля, пригодных для микроскопиче­ ских исследований, представляет значительные трудности. Угольные аншли­ фы могут быть получены из средней пробы дробленого угля. Для этого пробу угля брикетируют и одну поверхность цилиндрического брикета шлифуют.

Петрографический состав углей формируется один раз в ходе гумифи­ кации и начальных стадий диагенеза, и затем уже не меняется. При этом свойства микрокомпонентов в ходе метаморфизма изменяются, как правило, сближаясь между собой по мере возрастания степени углефикации.

Исследование петрографической структуры углей совместно с изуче­ нием их химического состава позволяет обосновать их рациональное про­ мышленное использование. Неравноценность отдельных петрографических типов углей приводит к необходимости расширения сырьевой базы коксова­ ния. Состав углей в значительной степени определяет и выход химических продуктов коксования: с возрастанием содержания витренизированного ве­ щества и форменных элементов образуется больше смолы и бензола.

8.1.1.Макроскопическое описание углей

Обычно пласт каменного угля имеет полосчатое строение: полосы и линзы, блестящие или полублестящие, чередуются с матовыми полосами. Иногда такие полосы достигают значительной мощности - до 0,5 м (например, угли балахонской свиты Кузбасса). Принято различать следующие макрокомпоненгы углей: витрен, фюзен, дюрен и кларен.

Витрен - вещество коллоидного характера, в тонком шлифе прозрач­ ное. Присутствие витрена определяет блестящий тип угля и придает ему хрупкость и раковистый излом. В большинстве случаев витрен представляет собой однородное, утратившее структуру вещество. Но в некоторых витренах, особенно молодых углей, обнаружено его структурное строение. Часто линзы и прослойки витрена пронизаны резко выраженными трещинами. Зна­ чительная хрупкость витрена приводит к его раскрашиванию в мелочь, что обуславливает ухудшение коксуемости углей.

Фюзен - компонент углей, по макроскопическому строению напоми­ нающий древесный уголь, встречается в виде отдельных линз и включений. Он легко истирается в пыль, под микроскопом наблюдается клеточное строе­ ние древесины, из которой фюзен образовался. Часто клеточная структура фюзена нарушена, как бы раздроблена внешним давлением. Отдельные

фрагменты клеток при разрушении образуют звездочки, дуги, мелкие части­ цы, отчего такие структуры фюзена носят название звездчатых или дуговых. Фюзен - наиболее зольная часть угля.

Дюрен - матовая разновидность макрокомпонента углей. Под микро­ скопом он неоднороден, основная его масса не имеет структуры и содержит включения скоплений растительных остатков, форменных элементов (споры, кутикула, оболочка листьев, пыльца), фюзениэированных обрывков расти­ тельной ткани (ксилен) и смоляных телец. В дюрене углей малой степени ме­ таморфизма присутствует пыльца высших растений. Кутикула состоит из ос­ татков растений, листьев, молодых побегов и покровного слоя веток. Смоля­ ные тельца представляют собой прозрачные образования овальной формы, не имеющие определенной структуры. В форменных элементах некоторых дюренов преобладает большое количество мелких спор размером от 0,03 до 0,1 мм, называемых микроспорами, в отличие от макроспор размером от 0,2 до 1,6 мм. Дюрен, более прочный, чем витрен, придает углям устойчивость при дроблении. В состав дюрена входят различные форменные элементы, основ­ ная его масса может иметь различный характер. Например, дюрен углей Кизеловского бассейна содержит до 60 % споровых оболочек и называется спо­ ровым дюреном; дюрен Шурабского месторождения (Средняя Азия) прони­ зан значительным количеством фюзениэированных тканей и носит название фюзенового дюрена.

Кларен - неоднородный компонент углей, состоит из полупрозрачной основной массы и некоторого количества форменных элементов. Под микро­ скопом в кларене часто наблюдают линзы дюрена и витрена. Кларен содер­ жится в углях полублестящего типа, наиболее часто используемых для кок­ сования. Из таких углей иногда слагаются целые пласты.

Макрокомпоненты каменных углей отличаются рядом химических особенно­ стей. Фюзен наиболее обособлен по своим химическим свойствам. Он харак­ теризуется пониженным выходом летучих веществ по сравнению с другими петрографическими составляющими. Фюзен - наименее ценная составная часть углей. Он не обладает способностью переходить в пластическое со­ стояние при нагревании, дает наименьший выход химических продуктов коксования. В углях Донбасса фюзен обычно обладает повышенной зольно­ стью и сернистостью. Фюзен является также малопригодным сырьем и для гидрогенизации. Наибольшая зольность характерна для фюзена, наименьшая для витрена; дюрен и кларен занимают промежуточное положение. Количе­ ство растворимых в воде веществ, характеризующих связанные с веществом угля минеральные примеси, наибольшее у витрена и кларена, наименьшее у дюрена и фюзена.

Витрен и фюзен макроскопически и микроскопически однородны. Ос­ новную часть полосчатых каменных углей составляют обычно кларен и дюрен - микроскопически неоднородные- и сложенные из различных, более простых компонентов. Поэтому предпочтительными для исследований ока­ зываются более простые микроскопические компоненты угля. В результате исследований были выделены зри группы микрокомпонентов угля: витрен, фюзен и кутиновые форменные элементы.

Существует аналогичная группировка микрокомпонентов, в соответ­ ствии с которой каменные угли рассматриваются как смеси различимых под микроскопом внтренизированных и фюзенизированных веществ, желтых форменных элементов (споры и кутикулы), смоляных телец. При этом про­ зрачная основная масса кларена и дюрена может быть отнесена к витрену, непрозрачная основная масса - к фюзену, а форменные элементы и смоля­ ные тельца выделяются в самостоятельные составные части угля. Такое представление о каменном угле, как о сочетании групп петро1рафических микрокомпонентов, облегчает изучение его химических свойств и техноло­ гических качеств. В зависимости от типа угля и стадии углеобразования различают большое число микрокомпонентов и дают им разные наименова­ ния в соответствии со взглядами на их происхождение. Известны около двухсот различных номенклатур микрокомпонентов углей и сотни различ­ ных наименований.

В таблице 41 приведена номенклатура микрокомпонентов каменных уг­ лей, соответствующая международной. Фюзинит соответствует инертиниту в системе Стопе-Геерлен 1935 г. Номенклатура петрографических микрокомпо­ нентов бурых углей отличается от номенклатуры для каменных углей (таблица 42). Различимые под микроскопом сочетания микрокомпонентов образуют

микролитотипы, которые находятся в углях в виде прослоек и линз с шири­ ной более 50 мк.

Таблица 42 — Номенклатура микрокомпонентов бурых углей

108Часть I. Природные энергоносители_________________________

Втаблице 43 приведены микролитотипы, которые принято различать в составе углей. Микроструктура наиболее полно может быть изучена про­ смотром прозрачных шлифов угля.

Таблица 43 — Микролитотипы углей

Термин «группа микрокомпонентов» является собирательным поняти­ ем. Например, труппа витринита включает в себя собственно витрен и близ­ кий к нему ксиловитрен, а группа фюзинита, резко отличная по микрострук­ туре и свойствам от труппы витринита, включает в себя собственно фюзен и ксилофюзен. Все микрокомпоненты обеих групп находятся в одном генети­ ческом ряду, причем витрен и фюзен являются крайними представителями этого ряда, а остальные витренизированные и фюзенизированные микроком­ поненты в виде переходных образований располагаются между витреном и фюзеном. Научными работами доказано, что в процессе углеобразования витринит обогащается углеродом и состав его значительно усложняется. Фюзинит меньше изменяется в этом процессе. Наибольшая разница в свойствах компонентов ipynn витринита и фюзинита наблюдается в углях малой степе­ ни метаморфизма. Фюзинит не спекается на всех стадиях метаморфизма, витринит углей малой степени метаморфизма не спекается, далее спекаемость его возрастает, а к концу метаморфического ряда вновь уменьшается. Фюзинит в химическом отношении более инертен, чем витринит.

Микроскопический состав различных каменных углей количественно изменяется в весьма широких пределах. Например, содержание группы фор­ менных элементов в углях Кизеловского бассейна доходит до 23-24 % и бо­ лее, а в углях Прокопьевско-Киселевского месторождения оно составляет только 1 %. Содержание группы фюзинита в углях Ленинского месторожде­ ния составляет 7 %, а в некоторых углях Прокопьевско-Киселевского место­ рождения доходит до 50 %.

Состав компонентов изученных пластов Донецкого бассейна соответ­ ствует составу блестящего типа углей с небольшим количеством полубле­

стящих петрографических разновидностей. Содержание полуматового угля незначительно. Микрокомпоненты группы витринита преобладают во всех генетических типах углей Донбасса, составляя основную часть угольного вещества (70-90 %). Петрографический состав донецких углей достаточно постоянен.

8.2.Органическое вещество углей

Ископаемые угли, независимо от их особенностей и степени метамор­ физма, представляют собой сложные вещества, органическая масса которых состоит в основном из углерода, водорода, кислорода. Другие элементы ор­ ганической массы, в т.ч. сера и азот, оказывают меньшее влияние на её свойства. Непосредственное определение соединений органической массы, как правило, невозможно в связи с тем, что большинство из них разлагается при проведении анализа. Поэтому обычно проводят определение элементно­ го состава, т.е. устанавливают содержание в процентах углерода, водорода, кислорода, азота и серы в органической массе углей. Эти элементы, за ис­ ключением азота, входят и в состав органической массы, и в состав мине­ ральных примесей углей.

Элементный состав органической массы угля без указания химических соединений, входящих в него, не определяет в достаточной мере свойства угля. Существуют угли с одинаковым содержанием углерода, водорода и ки­ слорода в органической массе, но имеющие различные свойства. Но в соче­ тании с другими признаками элементный состав способствует определению химической природы угля. С увеличением степени углефикации возрастает содержание углерода, уменьшается доля кислорода и водорода. Элементный состав углей позволяет приближенно рассчитать выход химических продук­ тов коксования. По элементному составу топлива можно подсчитать теплоту сгорания, теоретическую температуру горения и состав продуктов горения. В связи с тем, что углерод, водород и кислород входят также в состав мине­ ральных примесей, которые при прокаливании частично разлагаются, то по­ лучаемые при анализе данные не вполне соответствуют истинному составу органической части угля.

Полученные в ходе элементного анализа результаты могут быть отне­ сены к различным условным величинам (таблица 44). Как правило, произво­ дят пересчет общего содержания элементов на горючую, т.е. безводную и беззольную, массу. Наиболее близкие к истинному составу органической массы результаты получаются, если всю серу относить к минеральным при­ месям. В этом случае итоговые показатели относятся к условной органиче­

110 Часть I. Природные энергоносители

ской массе, которая принимается состоящей из углерода, водорода, азота и кислорода.

Таблица 44 — Пример элементного состава угля в разных величинах

Количественное соотношение атомов отдельных элементов может яв­ ляться способом выражения элементного состава углей. При расчете на 1000 атомов углерода количество водорода составляет в среднем 730 атомов, из­ меняясь в пределах 560-800 в зависимости от выхода летучих. Число атомов кислорода изменяется от 110 до 17, азота от 12 до 20, причем для первого из них характерно постепенное уменьшение количества атомов с понижением выхода летучих, для азота же не наблюдается закономерности в изменении числа его атомов.

Нагревание угля при высокой температуре без доступа воздуха сопро­ вождается его разложением на составляющие вещества. Жидкие продукты, удаляемые в парообразном виде, и газообразные продукты разложения назы­ ваются летучими веществами. Твердый остаток после выделения летучих из спекающихся углей называется коксовым корольком. Вместе с летучими ве­ ществами из угля удаляется и влага, а в нелетучем остатке сохраняются в не­ сколько измененном виде все минеральные вещества, образующие золу.

Уголь не содержит органических веществ, способных улетучиваться при высокой температуре. Эти вещества образуются только в результате разложения органической массы угля. Поэтому, говоря об условной зольно­ сти угля, неправильно употреблять термин «содержание летучих веществ». Следует говорить о «выходе летучих веществ».

Определение выхода летучих веществ для углей производится путем нагревания пробы угля, доведенной до воздушно-сухого состояния и из­ мельченной до крупности 0,2 мм, в закрытом фарфоровом тигле при темпе­ ратуре 850 °С в течение 7 мин. Потеря в весе, за вычетом имевшейся в угле влаги, соответствует выходу летучих веществ.