Происхождение и петрографическое строение твердых топлив

 

Основной материал для образования угольного вещества – растительные остатки (стеблевые, корневые, лиственные, а также другие составляющие – споры, смола и т.д.). Процесс физико-химических изменений растительного материала проходит в три отдельные стадии:

1) первоначальное превращение растительного вещества в торф в поверхностных водоемах;

2) превращение торфа в уголь после перекрытия его кровлей осадочных пород под воздействием температуры и давления в течение длительного времени, т.е. геологическое становление угля (углефикация);

3) выветривание угля, т.е. период физического и химического разрушения вследствие длительного воздействия внешней атмосферы на участки пластов, вышедших к земной поверхности.

Основными местами накапливания растительного материала для образования углей являются проточные болота, верхние слои вод которых обогащаются кислородом. В таких условиях хорошо окисляется лигнино-целлюлозный материал и выносятся образующиеся гуминовые кислоты. Это способствует сильному уменьшению в объеме торфа и других растительных остатков и постепенному накоплению слабоокисляющихся компонентов угля.

Разложение клетчатки может происходить как в аэробных, так и анаэробных условиях вследствие микробиологических процессов. При этом в анаэробных условиях происходит выделение смеси газов: углекислоты, метана, водорода. В анаэробных условиях лигнин под воздействием особых грибков и бактерий преобразуется в гуминовые кислоты.

Для углей, происходящих из торфа, превращение растительного вещества идет по трем процессам: 1) гелификация, 2) фюзенизация и 3) элювация.

Гелификация – процесс разложения и превращения лигнино-целлюлозной части растений в бесструктурное коллоидное вещество – гель. Этот процесс протекает в торфяниках, погруженных в воду застойных болот. Вначале происходит набухание растительной ткани до превращения в студнеобразное вещество – коллоидный раствор – золь. Затем происходит коагуляция до образования крупных хлопьев. При этом броуновское движение мицел заменяется действием сил притяжения с образованием студнеобразного и твердого вещества – геля. Получается однородная комковатая хлопьевидная масса, которая является основой образования витренизированного вещества.

Фюзенизация – процесс изменения растительного материала в окислительной среде или периодической смены аэробного и анаэробного процесса. Это процесс первичного (в торфяной период) окисления исходного растительного сырья.

Элювация (вымывание) – процесс выщелачивания образующихся гуминовых кислот и углекислоты. В слабоокислительных условиях слабопроточных болот микроорганизмами интенсивно разлагаются растительные остатки, которые в основной массе выносятся проточными водами; остаются же наиболее стойкие (споры, смоляные тельца и др.).

Каждый из этих процессов изменения растительного вещества в торфяной период предопределяет структуру и свойства угля. Из гелифицированного растительного материала образуются витреновые, фюзенизированного – фюзеновые составляющие угля, а после элювации образуется лейптинит.

Вторая стадия углеобразовательного процесса – углефикация – начинается с момента покрытия торфа значительной толщей новых осадков и полного прекращения биохимических процессов.

Углефикация – превращение торфа в уголь под влиянием физико-химических процессов, связанных с повышением давления и температуры, а также каталитическим действием минеральных примесей. Определенное влияние оказывают циркулирующая вода образующиеся газы (углекислота, метан и др.). Под воздействием указанных факторов происходят физико-химические изменение, приводящие к увеличению содержания углерода и снижению содержания водорода и кислорода. Чем выше температура и давление, тем глубже происходят эти превращения и тем сильнее изменяются свойства как физические (плотность, прочность, теплопроводность и др.), так и химические (макромолекулярная структура, реакционная способность и др.).

В действительности ни один из указанных процессов не происходит без наложения других. Кроме того, сам исходный растительный материал неоднороден с точки зрения эффективного воздействия внешних факторов. По этой причине в каждом месторождении уголь состоит из различных петрографических ингредиентов. Основными из них являются: фюзен, витрен, дюрен и кларен.

Фюзен (fusus – вытянутый) имеет волокнистое строение и характерный шелковистый блеск, по внешнему виду напоминает древесный уголь, иногда со значительным содержанием минеральных веществ. Характеризуется малым выходом летучих и не обладает способностью переходить при нагревании в пластическое состояние. Встречается в виде линз и напластований.

Витрен (vitreus– стеклянный) представляет собой хрупкую однородную блестящую черную массу без признаков элементов растительной структуры. Угли с высоким содержанием витрена обладают малой механической прочностью. Встречается в виде линз и прослоек.

Дюрен (durus – твердый) является твердой прочной неоднородной матовой массой буро-черного или бархатисто-черного цвета цвета содержащий скопления спор и смоляных телец. Часто содержит включения фюзена и витрена.

Кларен (clarus –блестящий) – блестящая или полублестящая неоднородная черная масса, часто содержащая вкрапления витрена и фюзена. Отличается от дюрена меньшим содержанием форменных элементов и фюзенизированного вещества с преобладанием бесструктурной прозрачной массы. Дюрен и кларен встречаются в виде мощных прослоек, а иногда и пластов.

Все свойства ископаемых углей зарождаются и развиваются в процессе исходного растительного материала в торфяной и буроугольной стадиях. Особенно сильные изменения происходят под влиянием метаморфизма. Наследственные признаки исходного растительного материала проявляются и в каменных углях, но они могут быть выражены совершенно по-разному в зависимости от особенностей прохождения промежуточных стадий (степени первичного окисления, условий захоронения под кровлю и т.д.). Процесс образования каменных углей и антрацитов происходил в основном 200-250 млн лет назад.

Ископаемые угли подразделяются на сапропелевые и гумусовые.

Сапропелевые угли образовались, по-видимому, в основном из планктона, т.е. простейших водорослей и мельчайших животных организмов. В застойных водоемах происходит биохимическое разложение отмерших органических остатков и образование гниющего ила – сапропеля (по-гречески sapros – гниющий, pelos – ил). В результате длительного процесса углефикации сапропеля, изолированного от доступа воздуха слоями почвы, образуются сапропелевые угли. Сапропелевые угли характеризуются большим содержанием водорода (6,5-9%) и высоким выходом летучих веществ. Они легко зажигаются и горят ярким коптящим пламенем. С повышением степени углефикации сапропелевых углей содержание водорода в них и выход летучих веществ уменьшаются, оставаясь, однако, значительно большими, чем у сопровождающих их гумусовых углей.

Сапропелевые угли относятся к бурым углям, точнее, к углям буроугольной стадии. Они характеризуются прежде всего отсутствием или незначительным содержанием в них гуминовых кислот. К числу сапропелитов принадлежат богхеды, полубогхеды, кеннели, кеннель-богхеды. Наиболее распространены кеннель-богхеды. Горючая масса кеннель-богхедов, залегающих в нижней части пластов Подмосковного бассейна, содержит около 6,8% водорода, выход летучих составляет 70%. К числу горючих ископаемых сапропелевого происхождения принадлежат также сланцы.

Гумусовые угли образовались из остатков высших растений, в том числе деревьев и гигантских папоротников, произраставших миллионы лет тому назад. Известны разновидности бурых углей с отчетливо сохранившейся древесной структурой – лигниты. Однако бóльшая часть углей не имеет столь резко выраженного характера и принадлежит к числу промежуточных классов – сапропелево-гумусовых или гумусо-сапропелевых.

В отличие от образования торфа из остатков растений, которое рассматривается в настоящее время как биохимический процесс, основанный на разложении материнской массы и синтезе гуминовых кислот и других сложных органических соединений, последующий процесс метаморфизма и характер образования ископаемых углей обусловлен в значительной степени глубиной залегания пластов, температурой и давлением в зоне углеобразования. В зависимости от этих факторов изменяется степень метаморфизма материнской массы.

Органическая масса более молодых по химическому возрасту ископаемых углей отличается от органической массы растений бóльшим содержанием углерода и меньшим содержанием кислорода при сравнительно малом изменении процентного содержания водорода. Содержание водорода в органической массе гумусовых углей обычно ниже, чем в органической массе сапропелевых.

При более глубоком процессе углефикации процентное содержание углерода увеличивается не только за счет дальнейшего снижения содержания кислорода, но и вследствие значительного уменьшения содержания водорода.

В зависимости от степени метаморфизма ископаемые угли подразделяют на бурые угли, каменные угли и антрациты.

Наименее обуглероженные виды ископаемого топлива залегают обычно вблизи от поверхности, а сильно обуглероженные – на значительной глубине. В соответствии с этим месторождения ряда бурых углей, а также некоторых сравнительно мало обуглероженных каменных углей можно разрабатывать открытым способом в угольных разрезах. Более обуглероженные каменные угли, предназначенные для выработки кокса, залегают глубоко, и их приходится добывать шахтным методом. Еще глубже залегает антрацит, наиболее обуглероженный, т.е. сильно метаморфизированный, ископаемый уголь.

Бурые угли. Бурые угли содержат значительное количество гумусовых и других органических кислот. Однако гумусовые кислоты, содержащиеся в бурых углях, отличаются от гумусовых кислот торфа меньшим количеством боковых цепей и более высоким содержанием углерода. Они характеризуются содержанием углерода в горючей массе 64-78%, водорода 3,8-6,5% и кислорода 15-26%, высоким выходом летучих (40-60% на горючую массу) и сравнительно низкой теплотой сгорания горючей массы (теплота сгорания горючей массы в калориметрической бомбе 25,7–29,9, низшая теплота сгорания горючей массы 25,1–29,3 МДж/кг).

Бурые угли характеризуются высоким содержанием влаги – от 15 до 60%. После отгонки из бурых углей летучих веществ образуется порошкообразный остаток.

Высшая теплота сгорания горючей массы ~25,1-29,3 МДж/кг. Высшая теплота сгорания рабочей массы беззольного воздушно-сухого бурого угля  менее 22,9 МДж/кг.

Жаропроизводительность  ниже 2000ºС (1400-2000ºС). сухих продуктов сгорания бурых углей более 19% (19,0-19,9%).

Каменные угли. Каменные угли более метаморфизированы по сравнению с бурыми углями. Они характеризуются содержанием (на горючую массу): углерода ~75-90%, водорода ~4-6% и кислорода ~2-15%. Выход летучих веществ (на горючую массу) каменных углей различных марок колеблется в широких пределах – от 9 до 50%. Весьма различен также нелетучий остаток (кокс), образующийся после отгонки из каменных углей летучих веществ. Он может быть порошкообразным, слипшимся или спекшимся. Теплота сгорания горючей массы каменных углей выше, чем бурых. Большей частью для них характерны значения  = 31,8-36,0 и  = 30,5-34,8 МДж/кг. Содержание влаги в каменных углях 5-15%, т.е. значительно ниже, чем в бурых. Высшая теплота сгорания рабочей массы воздушно-сухого беззольного каменного угля 23,9 МДж/кг. Жаропроизводительность каменных углей обычно выше 2000ºС (2020-2120ºС),  сухих продуктов их сгорания колеблется от 18,8 до 19,3%.

Антрациты и полуантрациты. Полуантрациты характеризуются содержанием углерода в горючей массе 90-94%, водорода 3-4% и кислорода 1,5-5%. Теплота сгорания горючей массы полуантрацитов в калориметрической бомбе =34,3-35,6, низшая теплота сгорания горючей массы =33,5-34,3 кДж/кг. Выход летучих веществ составляет 6-9% от веса горючей массы. Нелетучий остаток порошкообразный. Содержание влаги в полуантрацитах ~5-6%. Жаропроизводительность составляет 2120 ºС,  сухих продуктов их сгорания -19,3-19,4%.

Антрациты являются наиболее метаморфизированным видом ископаемых углей. Содержание углерода в горючей массе антрацита превышает 93%, содержание водорода – около 2%, кислорода – менее 2%. Выход летучих менее 4% от веса горючей массы. Нелетучий остаток порошкообразный. Теплота сгорания горючей массы антрацита в калориметрической бомбе равна ~34,1 МДж/кг, низшая теплота сгорания горючей массы ~33,5 МДж/кг. Жаропроизводительность антрацита = 2140-2160 ºС,  продуктов сгорания антрацита - 20,2%.

В табл. 2.1 приведен средний состав горючей массы ископаемых углей и других видов ископаемого твердого топлива.

        

Таблица 2.1