Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы геологии угля и горючих сланцев. Учебное пособие
.pdf
41
Количество золы в углях изменяется в широких пределах. По зольности угли
делят на три класса: малозольные (А
Многозольные (А
а
= 35 – 50 % и более). Для снижения зольности угля используются
а
до 20 %); средней зольности (Аа = 20 – 35 %);
различные методы обогащения – главным образом, гравитационный.
Выход летучих веществ – это количество газо- и парообразных продуктов,
выделяемых углем при его нагревании до 850 °С без доступа воздуха. В состав ле-
тучих веществ входят пары воды, метан, диоксид и оксид углерода, кислород, сер-
нистый газ, смола (первичный дёготь) и другие соединения. Выход летучих веществ
колеблется в широких пределах и служит основным классификационным показате-
лем для каменных углей в большинстве классификаций мира (таблица 6) и установления их пригодности для получения кокса. Выход летучих веществ обозначается
индексом V г. Выход летучих веществ уменьшается от 67 % у бурых углей до 2 % у
антрацита.
Коксуемость - свойство измельчённого угля спекаться с последующим обра-
зованием кокса с установленной крупностью и прочностью кусков. Кокс – нелету-
чий горючий остаток после термического разложения угля и удаления из него лету-
чих веществ. По внешнему виду и прочности кокс меняется от порошкообразного у
бурых углей до хорошо сплавленного с металлическим блеском у коксовых и жир-
ных углей. Последний вид кокса применяется в металлургической промышленности
при выплавке чугуна и стали.
Результаты элементного анализа служат для общей характеристики и класси-
фикации топлива и позволяют судить: по содержанию водорода - о природном типе
углей (гумусовый, сапропелевый), по соотношению углерода, кислорода и водорода
- о степени метаморфизма (таблица 7).
При элементном анализе определению подлежат содержание углерода, кисло-
рода, водорода, азота, общей серы, а для установления пригодности коксующегося
угля для черной металлургии – содержание фосфора.
Элементный состав определяют по ГОСТ 2408.1-95 и 2408.3-95. Эксперимен-
тально устанавливают содержание углерода, водорода и азота. Кислород рассчиты-
вают по разности:
42
daf
О
= 100 % - (C
daf
+ H
daf
+ N
daf
)
Содержание углерода служит одним из главных параметров в классификации
углей во всех странах. Содержание углерода в углях изменяется от 60 % до 96 %,
возрастая с увеличением степени метаморфизма. Особенно быстро возрастание идёт
у бедных углей марок Б, Д и Г, у которых содержание углерода является чувстви-
тельным показателем метаморфизма. На более высоких стадиях углефикации со-
держание углерода возрастает менее интенсивно, и его классификационное значение
уменьшается.
Содержание водорода (1,3 - 10 %) изменяется в ряду метаморфизма по кривой
со слабо выраженным максимумом на II каменноугольной стадии. На содержание
водорода существенно влияет петрографический состав: отмечается уменьшение
содержания водорода с ростом содержания мацералов группы инертинита и увели-
чение с ростом мацералов группы липтинита. Содержание водорода в углях одного
генетического ряда колеблется в узких пределах и закономерно связано со степенью
метаморфизма и выходом летучих.
Водород в несвязанной с кислородом форме в диапазоне гумусовых углей со-
держится в пределах 0,8 - 6,5 %, в сапропелевых углях – 7 - 11 %.
Наиболее резко и последовательно в ряду гумолитов изменяется содержание
кислорода – от 29 - 40 % в торфе до 1,5 - 0,2 % в антраците. В сапропелитах его содержание обычно выше 9 %. Наибольшая скорость изменения содержания кислоро-
да на низших стадиях метаморфизма. На величину содержания кислорода в изоме-
таморфных углях оказывает существенное влияние их окисленность.
Элементный состав углей в зоне выветривания, где проявляются окислитель-
ные процессы (до 50 - 100 м), повышается содержание кислорода, разрушается значительная часть органического вещества, что приводит к снижению качества углей.
Азот входит в состав органической части угля в виде сложных соединений.
Источником азота в углях являются азотистые соединения растенийуглеобразователей. Содержание азота в гумусовых углях колеблется от 0,4 % до
4,2 %, в некоторых сапропелитах доходит до 5,7 %.
43
Сера в углях по типу соединений разделяется на пиритную, сульфатную и ор-
ганическую. Основную роль в балансе серы играют сульфидная и органическая раз-
новидности, причём выделение последней является несколько условным, так как за
её содержание принимается разность между содержанием серы общей и суммой
сульфидной и сульфатной.
Пиритная сера находится в виде тонких частиц или в виде крупных желваков,
при значительном их количестве являющихся самостоятельным объектом добычи.
Сульфатная сера содержится в форме тонких пленок в небольшом количестве
– не более 0,3 %. Относится к наиболее вредной примеси из-за высокой корродирующей способности.
Содержание серы общей - один из основных показателей качества как технологических, так и энергетических углей - нормируется техническими условиями для
большинства направлений использования.
По содержанию серы выделены следующие промышленные группы углей:
I группа – малосернистые – от 0,5 % до 1,5 %;
II группа – среднесернистые – 1,6 % - 2,5 %;
III группа – сернистые – от 2,6 % до 4 %;
IV группа – высокосернистые – более 4 %.
Промышленные угли редко содержат более 5 % серы. Так, Кузнецкие и Карагандинские угли содержат в среднем 0,5 % серы, в некоторых углях она присутствует в виде следов. Угли с большим содержанием серы (6 % и более) имеются на Урале в Кизеловском бассейне и в закавказских месторождениях.
В органической и минеральной частях углей могут содержаться соединения
цветных металлов, редких и рассеянных элементов, в том числе и благородные ме-
таллы. Суммарная концентрация этих, так называемых «малых элементов» обычно
не превышает 1 % сухой массы углей. Чаще всего содержание этих элементов не
превышает фоновые значения, но на некоторых месторождениях некоторые из них
приобретают значение и являются компонентами попутного извлечения и промыш-
ленного использования. Одновременно они могут быть и вредными или токсиче-
скими примесями. Минимальные концентрации в углях вредных элементов, при ко-
44
торых они рассматриваются как токсичные и подлежат изучению, следующие (в г/т
сухого угля): бериллий – 50, мышьяк – 300, кобальт – 100, ванадий – 100, марганец –
1000, ртуть – 1, никель – 100, селен – 1000, свинец – 50, хром – 100, фтор – 500.
Для определения в углях «малых элементов» используют полуколичественные
и количественные физико-химические методы: атомно-абсорбционные, атомноэмиссионные, рентгенофлуоресцентные и др. (Панкратьев, Пономарева, 2008).
Групповой анализ предусматривает разделение сложных органических смесей
(гетеромолекулярных веществ) на группы веществ, которые обладают одинаковыми
свойствами по отношению к действию органических растворителей, щелочей, неор-
ганических кислот и ряда других реагентов. Групповой состав твердых горючих ис-
копаемых изучают для оценки качества исходного сырья для экстракционного производства (например, производство Монтан – воска, углещелочных реагентов).
В составе твердых горючих ископаемых при групповом анализе, как правило,
выделяют:
битумы – это вещества, которые выделяются из углей при экстракции (из-
бирательном растворении) органическими растворителями;
гуминовые кислоты – это вещества, выделяемые из углей при щелочной
экстракции и осаждаемые из выделяемых растворов неорганическими кис-
лотами;
фульвиновые кислоты – часть выделяемых при щелочной экстракции про-
дуктов, не осаждаемых из раствора минеральными кислотами;
гематомелановые кислоты – часть гуминовых кислот, которые растворяют-
ся в этиловом спирте;
остаточный уголь – продукт, оставшийся после извлечения из углей биту-
мов и гуминовых кислот. Его используют как энергетическое топливо.
45
6.3 Физические свойства углей
К основным физическим свойствам относятся такие параметры как плотность,
твердость, пористость, трещиноватость, механическая прочность, цвет, блеск (отра-
жательная способность), теплота сгорания.
Плотность углей является важным показателем. Она имеет значение как для
решения практических, так и теоретических задач. Плотность углей меняется в за-
висимости от петрографического состава, степени углефикации, количества и ха-
рактера минеральных примесей, влаги и др. Так, например, у бурых углей она со-
ставляет от 0,8 – 1,35 г/см3, у каменных – 1,35 – 1,45 г/см3, у антрацитов от 1,45 –
1,70 г/см
3
. наименьшая плотность у липтобиолитов.
Твердость - это сопротивление механическому воздействию другого более
прочного тела. Твердость углей зависит от стадии метаморфизма, его природы и
петрографического состава. Твердость определяется по шкале МООСА. В бурых и
каменных углях она изменяется в пределах 2 – 3, у антрацитов – до 4. Наименьшая
твердость у углей марок Ж и К.
Пористость угля – отношение объема пор к объему угля, измеряется в про-
центах, и колеблется в пределах 4 - 12 %.
Трещиноватость углей была рассмотрена выше в разделе 6.1.
Механическая прочность – способность угля реагировать на удар, раздавлива-
ние, разрезание и изгиб. Наиболее хрупкие фюзеновые, далее следуют витреновые и
клареновые, наиболее стойкие – дюреновые угли.
Цвет углей обычно изменяется от бурого и темно-серого до черного. Бурый
оттенок связан с низкой степенью углефикации и характерен для бурых углей и са-
пропелитов. Каменные угли имеют черный или темно-серый цвет. Антрациты, как
правило, черные с желтоватым или сероватым оттенком, бывают и темно-серыми
или серыми.
Блеск – одно из самых характерных свойств углей. Блеск усиливается по мере
увеличения степени углефикации. Различают оттенки блеска: смолянистый и алмаз-
46
ный – у кларена, стеклянный у витрена, шелковистый у фюзена, матовый – у дюрена.
Электрические свойства углей определяются способностью проводить электрический ток. Ископаемые угли относятся к полупроводникам. Удельная сопротивляемость находится в пределах от 1 до 3000 Ом
.
м. Электропроводность углей
повышается с выходом летучих веществ и возрастанием содержания углерода.
По магнитным свойствам ископаемые угли относятся к диамагнитным веществам, для них характерно небольшое отрицательное значение магнитной воспри-
имчивости, которая для чистого угля закономерно возрастает с увеличением стадии
метаморфизма. Диамагнитные вещества слабо отталкиваются внешним магнитным
полем. При отсутствии внешнего поля диамагнитные вещества не сохраняют ника-
кого магнитного момента.
Теплота сгорания топлива – это основной энергетический показатель угля.
Теплота сгорания топлива может выражаться в ккал/кг (техническая система),
МДж/кг (система СИ), обозначается индексом Q.
Пересчет значений теплоты сгорания для различных состояний угля выпол-
няют по формулам. Высшая теплота сгорания, пересчитанная на сухое беззольное
состояние угля Q
af
, характеризует природный тип угля, степень его углефикации,
s
вещественный состав; низшая теплота сгорания рассчитывается на рабочее состоя-
ние массы угля Q
r
и выражает количество тепла, которое с учетом балласта (влаги и
i
золы) может быть практически реализовано при сжигании.
Удельная теплота сгорания – это количество тепла, выделяемое при полном
сгорании единицы массы твердого топлива. Теплота сгорания определяется экспе-
риментально в калориметрической бомбе, Теплота сгорания обезвоженного торфа
достигает 20 – 24 МДж/кг, бурого угля – 29 - 31 МДж/кг, каменных углей – 32 –
37 МДж/кг, антрацита – 33 – 36 МДж/кг (таблица 9).
Для сравнения теплового эффекта от сжигания разных видов топлива и углей
различного качества используют понятие условного топлива. За условное принима-
ется топливо с низшей теплотой сгорания 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг). Теплота сго-
рания горючей части топлива зависит от его состава и степени метаморфизма (таб-
47
лица 10) и в первую очередь, от содержания углерода и водорода, причём особо су-
Топливо
Q
s
af
. МДж/кг
Q
s
af
, ккал/кг
Торф
23-24
5500-5700
Бурый уголь
26-32
6100-7700
Каменный уголь
32-37
7700-8800
Антрацит
34-36
8000-8500
щественное влияние оказывает водород, один процент которого дает тепла в 3,5 раза
больше, чем такое же количество углерода.
Таблица 10 - Высшая теплота сгорания основных видов твердого топлива
Кроме того характеристикой физических свойств углей являются оптические
признаки: показатель отражения, показатель преломления, люминесценция, а также
упругие свойства, акустические свойства. Изучение этих параметров требует при-
менение высокоточного лабораторного оборудования.
6.4 Петрографические свойства углей
Петрографические исследования проводятся для оценки свойств углей, усло-
вий их образования, систематики по генетическим и технологическим параметрам, а
также при определении направления использования углей в народном хозяйстве.
Сущность исследований заключается в изучении под микроскопом органических и неорганических остатков (спор, водорослей, смоляных телец, растительных
тканей, то есть все то, что сохранило признаки принадлежности к растительности) и
диагностики микрокомпонентов углей – мацералов и минеральных примесей в отраженном свете.
В петрографии углей основой является понятие микрокомпонент или мацерал.
48
Мацералы – микрокомпоненты углей, различимые под микроскопом, элемен-
Группа мацералов
Мацералы
Наименование
Обозначение
Наименование
Обозначение
Витринит
Vt
Телинит
Коллинит
Витродетринит
Vtt
Vt
k
Vtvd
Семивитринит
Sv
Семителинит
Семиколленит
Stt
St
k
Инертинит
I
Семифюзенит
Макринит
Фюзинит
Склеротинит
Инертодетринит
Микринит
Isf
Ima
Ig
Isk
Iid
Imi
Липтинит
L
Споринит
Кутинит
Резинит
Суберинит
Альгинит
Липтодетринит
Lsp
Lkt
Lr
Ls
Lal
Lid
Минеральные
включения
M
Глинистые
Сульфиды
Карбонаты
Окислы кремния
Прочие мине-
ральные включе-
ния
Mge
Ms
Mk
Mkr
Mpr
тарные органические составляющие угля, хемогенные по веществу, имеющие харак-
терные оптические признаки (цвет, рельеф, отражательная способность, показатель
преломления и т.д.). Мацералы аналогичны минералам, слагающим неорганическую
часть породы, отличаются менее постоянным химическим составом и изменяющи-
мися физическими свойствами. Основные группы мацералов – витринит, инертинит,
липтинит (таблица 11, ГОСТ 9414 – 74).
Таблица 11 – Мацералы, группы мацералов и минеральные включения
49
Методы определения петрографического состава углей регламентируются
стандартами (ГОСТ 9414 – 74). Стандарт распространяется на плотные, блестящие
бурые, каменные и антрациты и устанавливает метод определения петрографиче-
ского состава по мацералам, группам мацералов и минеральным включениям для
характеристики технологических свойств углей, при разведке, разработке место-
рождений, промышленном использовании и классификации.
Семивитринит выделяют в самостоятельную группу при содержании его в уг-
ле выше 3 %.
Мацералы объединяют в группы по их показателю отражения, цвету, структу-
ре, микрорельефу, которые выделяются в результате сравнения отдельных мацера-
лов между собой в микроскопах отраженного света.
За эталон показателя отражения и рельефа приняты мацералы группы витри-
нита.
Внутри групп мацералы различаются по сохранности их растительной струк-
туры или морфологическим признакам.
Минеральные включения различают по отражательной способности (R), высо-
те микрорельефа, цвету и форме залегания.
Содержание мацералов определяют в аншлифах под микроскопом в отражен-
ном свете с применением масляной иммерсии и увеличением в 300 – 600 раз.
Минеральные включения подсчитывают в воздушной среде в отраженном све-
те при увеличении в 200 – 300 раз.
Ниже приведена краткая характеристика мацералов и их групп.
Группа витринита
Компоненты этой группы имеют ровную поверхность и серый цвет различных
оттенков, изменяющийся при увеличении стадии метаморфизма до светлых тонов.
Рельеф менее выражен, чем у других мацералов. По цвету и рельефу эту группу
принимают за эталон.
Показатель отражения в иммерсионном масле от 0,4 % до 4,5 % и более.
Микротвердость зависит от степени углефикации и условий превращения и
колеблется от 200 – 350 МПа.
50
Мацералы с отражательной способности от 0,64 % до 1,85 % переходят в пла-
стическое состояние. Это их свойство, так же как и поведение в процессе коксова-
ния зависит от степени углефикации и восстановленности.
Группа семивитринита
Занимает промежуточное положение по химическим и химико-
технологическим свойствам, но ближе к группе витринита. Мацералы этой группы
по цвету и отражательной способности являются первым переходом от витринита к
инертиниту. Группа не имеет рельефа, цвет серый или серовато-белый, но всегда
более светлый, чем у группы витринита R – от 0,6 % до 2,7 %. Микротвердость 250
– 420 МПа.
Группа инертинита
Характеризуется высоким R – 0,7 % – 5,5 % и резковыраженным микрорелье-
фом. Цвет изменяется от белого до желтого. Микротвердость от 500 – 2300 МПа.
Мацералы этой группы не переходят в пластическое состояние и не спекаются на
всех стадиях метаморфизма.
Группа липтинита
Мацералы этой группы отличаются между собой по морфологическим при-
знакам. Форма и размер зависит от исходного раствора вещества. Цвет от темнокоричневого до черного и серого, в зависимости от стадии углефикации. R – самый
низкий – от 0,21 % до 1,2 % в зависимости от стадии углефикации. Микротвердость
от 80 до 250 МПа.
При коксовании образуют более подвижную пластическую массу, чем маце-
ралы группы витринита.
Мацералы этой группы лучше всего определять флуоресцентной спектроско-
пией, так как каждый мацерал флуоресцирует определенным цветом: ярко-зеленым,
зеленым, сине-зеленым, желтым, оранжевым, оранжево-коричневым и красным.
Минеральные включения в отраженном свете без иммерсии резко отличаются
от мацералов и могут быть подсчитаны отдельно от них.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]