Происхождение, химический состав и физические свойства разных типов угля

Угли ископаемые — твёрдые горючие полезные ископаемые осадочного происхождения. В состав У. и. входят: органическое вещество — продукт преобразования высших и низших растений с участием микроорганизмов планктона, минеральные примеси (условно не более 50%) и влага.

Угли залегают в земной коре в виде пластов, пластообразных и линзовидных залежей, имеют землистую, массивную, слоистую или зернистую текстуру; цвет от коричневого до чёрного.

Согласно современной биогенной теории, твердые топлива образуются в результате синтеза из продуктов разложения растительных остатков за счет жизнедеятельности микроорганизмов. Их образование начинается с накопления отмершей растительности. При недостатке влажности вся она постепенно перегнивает, образуя богатую перегноем лесную почву. Но при высоком уровне грунтовых вод затрудняется, а то и вовсе прекращается доступ кислорода, что замедляет процесс гниения. Отмершие растения постепенно накапливаются толстым сплошным слоем. Такие скопления называются торфяниками[1].

Растительные остатки, попавшие в торфяник, с течением времени подвергаются постепенным изменениям под влиянием анаэробных бактерий – микроорганизмов, способных существовать без доступа воздуха. Процесс разложения сопровождается выделением воды и газообразных продуктов, прежде всего – метана, который богат водородом. В результате торф обогащается углеродом – основным составным элементом ископаемых углей[2].

Немаловажную роль в образовании углей имеют геологические факторы. Слои земной коры под влиянием внутренних сил находятся в непрерывном движении: одни участки опускаются, другие поднимаются. Меняется направление движения, его скорость. Зачастую колебания сопровождаются изгибом слоев, их разломами, смещениями, землетрясениями. Если участок, на котором происходит торфонакопление, станет погружаться со скоростью меньшей, нежели скорость нарастания торфяника, то его накопление будет продолжаться до тех пор, пока сохраняются условия для развития растительности. При этом конечная мощность торфяного слоя может достигать нескольких десятков и даже сотен метров. Рано или поздно скорость погружения местности превысит скорость естественного прироста торфяника. Опустившийся участок земной коры будет залит водой. С гибелью наземной растительности прекратится процесс торфонакопления, а уже образовавшийся торфяник начнет перекрываться песчано-глинистыми осадками вновь возникшего водоема и в результате окажется погребенным под толщей осадков на многие десятки и сотни метров[3].

В случае если рассматриваемый участок вновь поднимется, на нем опять разовьется наземная растительность и опять начнется процесс торфонакопления. При возобновлении опускания местности второй слой также окажется под осадочной толщей наступающего моря или временно образующегося озера. Таким образом возникнет целая свита торфяных пластов, залегающих друг над другом[4].

Степень превращения исходных биогенных материалов в результате углеобразования в твердые топлива характеризуется т.н. степенью углефикации (метаморфизма), которая определяется средним содержанием углерода в топливе. По возрастанию степени углефикации выстраивается следующий генетический ряд: торф (58-62%) – бурые угли (67-75%) – каменные угли 76-92%) – антрацит (93-96%).

На платформах садки долгое время сохраняют свое горизонтальное положение и мало меняют свои свойства. В геосинклинальных областях (на окраинах платформ или между двумя платформами) где нет мощного основания, сложенного гнейсами, гранитами и другими прочными породами, происходят интенсивные тектонические движения и магматические процессы, деформация горных пород. Осадки, погрузившись на огромные глубины, на длительное время оказываются под действием большого давления. Так, на глубине 5-6 км давление верхних слоев достигает 1400 атмосфер, а на глубине 10 км – не менее 2500-3000 атмосфер. Торф уплотняется в 3-4 раза, теряет значительную часть влаги и превращается в темно-бурое вещество, утратившее свою первоначальную структуру – бурый уголь, который является уже гораздо более ценным топливом, но содержит еще много соединений кислорода, в частности, гуминовые кислоты, которые сильно снижают его теплотворную способность, которая в лучших сортах составляет всего 6000-6500 кал. Выход летучих веществ при горении (их будет тем больше, чем больше содержалось в угле кислорода и водорода) очень высок 40-48 %, что очень близко к древесному топливу.

При дальнейшем погружении слоев осадочных пород с пластами уже сформировавшегося бурого угля давление будет продолжать увеличиваться, прибавится температурное воздействие. Геотермический градиент составляет в среднем около 3 градусов (от 0,7 до 15 градусов в разных участках земли) на каждые 100 метров. По расчетным данным на глубине 10 км температура должна составлять около 300 градусов[5]. В результате сложных химических превращений, сопряженных с отщеплением метана, углекислоты и влаги, бурый уголь постепенно обогатится углеродом, уплотнится, приобретет черный цвет и станет каменным углем. Каменные угли представляют собой неоднородные твердые вещества черного или черно-серого цвета, включающие четыре типа макроинградиентов, различающихся по блеску, внешнему виду и составу: блестящий (витрен), полублестящий (кларен), матовый (дюрен), волнистый (фюзен). Их соотношение характеризует структуру, химический и минералогический состав и обусловливает их многообразие и различие свойств.

Важнейшими характеристиками каменных углей, от которых зависят возможность и эффективность их использования, являются зольность, влажность, сернистость, выход летучих веществ, а для углей, применяемых в качестве сырья для термохимической переработки, также спекаемость и коксуемость[6].

При дальнейшем метаморфизме вещество угля продолжает терять кислород и в меньшей степени водород и проходит следующие последовательные стадии, сопровождающиеся сокращением выхода летучих веществ и увеличением теплотворной способности:

Длиннопламенные угли. Высокое содержание водорода и кислорода обуславливает большой выход летучих веществ (более 42 %), дающих при горении длинное пламя. Теплотворная способность составляет уже 7650-8100 кал.

Газовые угли. При перегонке дают много газообразных продуктов. При нагревании без доступа воздуха или горении начинают слегка плавиться или спекаться. Получается пористая масса – кокс, важнейшее металлургическое топливо. Выход летучих веществ падает до 35 %. Теплотворная способность 7900-8300 кал.

Паровично-жирные угли. Особенно сильно проявляется способность спекаться. Но значительный выход летучих веществ (26-35 %) не позволяет получать прочный кокс. Содержание кислорода еще более снижено, поэтому теплотворная способность достигает 8300-8700 кал.

Коксовые угли. Характеризуются меньшейспекаемостью, но более низкий выход летучих веществ (18-26 %) позволяет получить качественный кокс. Теплотворная способность при низком содержании кислорода, но при достаточно большом содержании водорода, достигает наибольшей величины (8400-8750 кал.)

Паровично-спекающиеся угли. Падение содержания водорода приводит к быстрому снижению выхода летучих веществ (12-18 %), незначительному падению теплотворной способности (8450-8720 кал.) и потере спекаемости.

Тощие угли утрачивают способность спекаться, дают выход летучих веществ менее 17 % и 8300-8720 кал.тепла.

Антрациты – последняя стадия метаморфизма углей. Прекрасное бездымное топливо. Выход летучих веществ от 2 до 8 % и теплотворная способность от 8100 до 8400 кал.[7]

На качество и состав ископаемых углей влияет также исходный для углеобразования материал. В зависимости от него можно выделить три группы.

Гумусовые (гумолиты) формируются из торфа, образованного остатками высших наземных растений.

Сапропелевые (сапропелиты) - из сапропеля (от греч. saprόspelόs – гниющий ил), образовавшегося в процессе анаэробного разложения низших растений и отмерших водных животных и микроорганизмов. Сами по себе определенные типы сапропелей используются в бальнеологической практике, являясь лечебными грязями. Сапропелевые угли обладают очень высокой теплотворной способностью (до 9500 кал.при содержании водорода до 9 % и выходе летучих веществ до 80 %)[8]. Образуют маломощные прослойки (линзы) в пластах слабометаморфизированныхгумолитов. Самостоятельные пласты встречаются редко. В нашей стране известны в Подмосковном и Иркутском бассейнах, а также в некоторых буроугольных месторождениях. Самыми чистыми сапропелевыми углями с наименьшим количеством минеральных и гумусовых примесей являются богхеды – матовые, без всякой слоистости, с характерным матовым изломом.

Сапрогумолиты образуются в результате привноса ветром и водой остатков высших растений, представляют собой переходную форму между гумолитом и сапропелитом

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 260; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!