Происхождение ископаемых углей

Содержание

Введение 3

1. Происхождение углей 4

2. Источники образования твёрдых горючих ископаемых 5

3. Стадии превращения органических веществ 7

4. Петрографическая характеристика углей 9

5. Классификация углей 11

6. Основные угольные бассейны страы 14

Литература 15

Введение

Практически невозможно установить точную дату, но десятки тысяч лет

назад человек, впервые познакомился с углём, стал постоянно соприкасаться с

ним. Так, археологами найдены доисторические разработки залежей углей.

Известно, что с каменным углём люди были знакомы в период древней культуры,

но факты об его использовании отсутствуют. Позже, в Риме, предпринимались

пути использования его, но лишь во времена Аристотеля появилось описание

некоторых других свойств угля, а в 315 г. до н. э. его ученик описывает

уголь как горючий материал и называет его «антраксом» (позже появилось

название «антрацит»).

1. Происхождение углей

наука о генезисе твёрдых горючих ископаемых на основании многочисленных

фактов (обнаружение в угольных пластах отпечатков листьев, коры, стволов

деревьев, спор и т. д., использование изотопного метода анализа) неоспоримо

доказала и обосновала теорию об их органическом происхождении. Вместе с тем

сложность природных процессов углеобразования и влияния на эти процессы

таких факторов, как климат, условия среды отложения, температура, давление

и др., привели к выделения химических, микробиологических и геологических

аспектов теории генезиса. До сих пор нет единого мнения о том, какие

компоненты органических веществ являются исходным материалом при

образовании различных углей, нет единой схемы и его генетических

преобразований. Предполагают, что общая схема имеет вид:

[pic]

Высказывались соображения, что генезис твёрдых горючих ископаемых

описывается:

a) последовательно протекающими стадиями 1>2>3>4>5>6

b) превращением исходного органического материала 1>2, 1>3>4>5>6 и

1>4>5>6.

2. Источники образования твёрдых горючих ископаемых

Палеографические условия геологических эпох определяли возникновение

органических веществ, их развитие, накопление и различные преобразования.

Известно, что в состав растений входит целлюлоза, гемицеллюлоза,

лигнин, смолы, воски, жиры, белки, углеводы, пектиновые вещества. Вполне

вероятно, что состав этих компонентов и их соотношение в древних растениях

различного вида и в зависимости от палеографических условий геологических

эпох претерпевал определённые изменения. Тем не менее, многочисленные

исследования позволили установить, что роль различных частей современных

растений и механизма их превращения в условиях углефикации существенно не

отличается от роли растений ранних геологических эпох. В табл. 1 приведен

элементный состав основных компонентов растений, участвующих в

углеобразовании.

Таблица 1

Элементный состав углеобразующих компонентов растений (%)

|Компонент |С |Н |О |Компонент |С |Н |О |

|Воски |81 |13,5 |5,5 |Белки* |53|7 |22|

|Смолы |79 |10 |11 |Целлюлоза |44|6 |50|

|Жиры |76-79|11-13|10-12|Пектины |43|5 |52|

|Лигнин |63 |6 |31 | | | | |

В состав восков помимо сложных эфиров высокомолекулярных жирных кислот

и высших алифатических спиртов входят кислоты С24 – С34, спирты С24 – С34 и

иногда углеводы. Растительные воски являются твёрдыми веществами,

способными сохранять свой состав и свойства не подвергаться изменениям под

действием микроорганизмов. Благодаря их высокой стойкости они встречаются в

неизменном состоянии в составе бурых углей.

Смолы состоят из сложных эфиров кислот с одноатомными спиртами.

Благодаря ненасыщенной полиизопреновой структуре они способны

полимеризоваться и окисляться, что снижает их растворимость, повышает

молекулярную массу, превращает в неплавкие соединения. Жиры – сложные эфиры

высокомолекулярных насыщенных и ненасыщенных кислот и глицерина. Интересно

отметить, что наземные исходные соединения содержат ненасыщенные кислоты

С18 – С22 и насыщенную кислоту С16, тогда как среди морских источников

углеобразования преобладают непредельные кислоты С16 – С22. Жиры легко

гидролизуются, изменяются под воздействием микроорганизмов, нагревания и

др., а непредельные кислоты – окисляются с образованием полимеров.

Белки являются высокомолекулярными веществами, обладающими коллоидными

свойствами. Содержание их в бактериях, водорослях и древесных растениях

достигает соответственно 80, 25, 1 – 10 %. Белки гидролизуются с выделением

аминокислот, которые связываются с содержащимися в растениях

моносахаридами.

Целлюлоза (С6Н10О5) относится к классу углеводов с регулярной линейной

структурой, обладает сложным составом и молекулярной массой от десятков

тысяч до нескольких миллионов. Будучи весьма стойкой к воздействию давлений

и температуры, целлюлоза сравнительно легко подвергается воздействию

ферментов. Гемицеллюлозы являются углеводными соединениями, которые легко

подвергаются гидролизу и растворяются в кислотах и щелочах. Это

гетерополисахариды, образующие при гидролизе в отличии от целлюлозы не

глюкозу, а манозу, фруктозу, галактозу и уроновые кислоты.

Пектиновые вещества повышают механическую прочность стенок растительных

клеток, они состоят из остатков D-галактуроновой кислоты, способных легко

гидролизоваться минеральными кислотами. Карбоксильные группы в этих

остатках находятся в виде солей магния и кальция, а также в виде метиловых

эфиров. Прочность клеток высших растений объясняется также присутствием в

их составе лигнина, который в отличии от целлюлозы не подвергается

гидролизу, стоек к воздействию химических реагентов, нерастворим в воде и

органических растворителях. Лигнин является полимером нерегулярного

строения, в состав которого входят ароматические и жирноароматические

фрагменты. Кислород присутствует в виде карбоксильных и гидроксильных

групп, ароматические ядра содержат метокси-группы и связаны между собой

пропильными группами. Молекулярная масса лигнина колеблется от 700 до 6000,

его высокая химическая стойкость обусловлена накоплением гуминовых кислот.

Таким образом, можно предполагать, что в результате процессов

углеобразования появляются химически стойкие компоненты, а менее стойкие

участвуют в этих процессах как полупродукты распада.

3. Стадии превращения органических веществ

болота являются наиболее благоприятными местами для накопления и

переработки органических продуктов в торф. Заболачивание водоёмов

происходит различными путями, и зависит от рельефа дна и берегов,

проточности воды и т. д. Как в тропической, так и в умеренных зонах болота

делятся на верховые и низинные. Верховые образуются при условии превышения

количества годовых атмосферных осадков над объёмом испарения и

характеризуется недостатком питательных веществ для растений. Низинные

болота имеют пологие берега, заросшие тростником и камышами, покрыты

плавающими и подводными растениями. Их происхождение связано с понижением

рельефа и они распространены в основном в северных областях. При умеренном

климате годовой прирост торфа в низинных болотах составляет 0,5 – 1,0 мм, а

на верховых 1 – 2 мм.

Угольные пласты характеризуются следующими основными характеристиками:

тип отложений: автохтонный (autos – сам, chtnon – земля) образуется на

месте отмирания первичных организмов, аллохтонный – из перемещённых

органических остатков и характеризуется повышенным содержанием в углях

минеральных примесей.

условия отложения. Состав и свойства угля зависят от условий отложения

торфа в пресноводных, озёрных или солоноватых морских водах. При

воздействии морской воды в битуминозных углях повышается содержание серы,

азота, водорода, летучих. Известковые воды способствуют уменьшению

кислотности торфа. В аэробных условиях совместное действие кислорода и

кальция ускоряет разложение. Большинство обогащённых кальцием углей

отличается высоким содержанием серы и пирита, что объясняется высокой

активностью бактерий.

В зависимости от содержания питательных веществ болота подразделяются на

эвтрофные, мезотрофные и олиготрофные. Низинные болота, питающиеся

насыщенными питательными веществами подземными водами, являются эвтрофными,

их растительность более пышная и разнообразная. Верховые болота

олиготрофны, в них образуется кислый торф с низким содержанием минеральных

веществ, и соответственно уголь с малым количеством золы.

жизнедеятельность бактерий зависит от кислотности торфа. Торф верховых

болот имеет рН = 3,3 – 4,6, а низинных 4,8 – 6,5. степень кислотности

зависит от притока воды, типа основания болота, поступления кислорода и

концентрации гуминовых кислот. Бактерии хорошо развиваются при рН = 7,0 –

7,5, поэтому чем кислее торф, тем меньше в нём бактерий и лучше сохраняется

структура исходных растений.

Температура торфа. Разложение торфа зависит от температуры, так как в тепле

бактерии проявляют повышенную активность. Так при 35 – 40 0С бактерии

разлагают целлюлозу с наибольшей скоростью.

Окислительно-восстановительный потенциал. Жизнедеятельность бактерий

зависит от потенциала. Процессы превращения остатков органических

соединений при свободном доступе кислорода (аэробные условия) и воды

аналогичны медленному горению и называются тлением. Гумификация

(перегнивание) характеризуется недостаточным доступом воздуха (анаэробные

условия) и влаги. Этот процесс приводит к накоплению зауглероженного

остатка (гумуса), часть которого может растворяться в воде. Превращение

органических веществ в условиях избытка влаги и отсутствия кислорода широко

распространено в природе и называется оторфением; оно приводит к появлению

твёрдых гумусовых продуктов. Образование сапропелей из водорослей и

планктона протекает в отсутствие кислорода под слоем воды

(восстановительные реакции) и известно как процессы гниения, или

гнилостного брожения.

Превращение органических веществ в торф происходит в результате

протекающих химических реакций и деятельности бактерий, поэтому называется

биохимической углефикацией. Превращение торфа через стадию бурых углей в

антрациты называется углефикацией. Степень углефикации характеризуется

уплотнением (повышением плотности), изменением содержания С, О, Н и выхода

летучих. Процесс углефикации ускоряется с ростом температуры и глубина его

зависит от времени; давление замедляет химические реакции, протекающие при

этом.

4. Петрографическая характеристика углей

результаты петрографического исследования углей (от греческого petros –

камень, grapho – пишу) позволяют установить природу исходных органических

материалов, их генезис, классификацию ТГИ и выбор рационального

использования в народном хозяйстве. В настоящее время петрографические

исследования углей широко применяются при разведочных и поисковых работах,

а петрографические характеристики являются обязательными при утверждении

запасов. Так, в результате исследования углей установлено, что они не

являются гомогенным веществом. Мецералы (macerare – размягчать) не обладают

кристаллическим строением, различаются по химическому составу и физическим

свойствам. В углях обнаружены превращённые частицы растительного и

животного происхождения (например, водоросли, пыльца, споры, кутикулы,

смоленые тельца), которые получили название форменных элементов. Другие

вещества, которые претерпели более глубокие изменения не могут быть

отнесены к каким-либо определённым исходным веществам, называют основной

массой, которая в тонких шлифах разделяется на прозрачную и непрозрачную

(опакмассу).

Все мацералы делятся на три группы – витринит, экзинит (липтинит) и

инертинит, причём в основе объединения оп группам лежит присущий им

химический состав, происхождение и свойства.

Чаще всего встречаются ассоциации мацералов, причём такие сочетания

называются микролитотипами. Последние подразделяются на моно-, би- и

тримацеральные; при их отнесении к той или иной группе действует «правило

5%»: примесь нетипичных мацералов не должна превышать 5 % на полированной

поверхности 50Ч50 мкм. Разновидности литотипов углей можно различить

невооруженным глазом. Витрен – блестящий, кларен – полублестящий, дюрен –

матовый и фюзен – волокнистый уголь. Сапропелевые угли в отличии от

гумусовых не содержат слоистостей, однородные по составу и более прочные.

Они делятся на кеннельские угли и богхеды.

Витриниты являются основным компонентом типичных блестящих углей; они

образуются из лиственных и древесных тканей в основном за счёт углефикации

лигнина и целлюлозы. Широкое распространение витринита в твёрдых горючих

ископаемых, однородность его состава, физических и химических характеристик

обусловили широкое применение его для определения степени и возраста

углефикации при сопоставлении различных отложений. По сравнению с группой

экзинита витринит содержит меньше водорода и больше кислорода, в его

структуру входят алифатические и ароматические фрагменты. Содержание

ароматических структур с возрастом органической массы угля увеличивается от

25 до 65 %, доля летучих достигает 35 – 40 %, а смол полукоксования – 12 –

14 %.

Экзинитная группа содержит остатки сине-зелёных водорослей (алгинт),

спор и пыльцы (споринит), полимеризованные смолы или углеводороды, жиры,

кутикулы листвы и растений (кутинит), воскообразный эпидермис.

Полимеризованные продукты пропитывают древесные ткани или минералы, образуя

резенит или диффузный полимеризованный битум. При разложении экзинита

выделяется 60 – 90 % летучих веществ, 40 – 50 % смол полукоксования; он

практически не растворим, молекулярная масса ? 3000, в основе структуры –

ассоциированные нафтеновые и ароматические гетероциклические системы.

Группа инертита включает фюзенит (древесный уголь после пожаров или

обугливания), окисленные остатки, грибки, полимеризованные смолы или

углеводороды. Элементный состав фюзенита разнороден; он содержит много

гидроксильных групп и ароматических ядер, выделяет 8 – 20 % летучих, до 4 %

смолы полукоксования.

Витринит при 380 – 450 0С «плавится» и затем образует вспученный кокс.

Экзинит также обладает некоторыми коксующимися свойствами. Мацералы группы

инертита обладают низкой химической активностью, которая незначительно

меняется при метаморфизме. Отличаясь высоким выходом летучих, витринит

определяет коксуемость углей, а экзенит характеризует пластические свойства

углей. Подбирая состав шихт из отдельных мацералов в определённом

соотношении, можно значительно расширить сырьевую базу для производства

кокса.

Для изучения физических и химических свойств петрографических

ингредиентов их необходимо выделить из угольной массы. Витрен, фюзен, дбрен

и кларен можно разделить вручную, особенно в молодых углях; в зрелых

каменных углях трудно отделить кларен от дюрена. Другой метод заключается в

растирании угольного вещества. При этом наименее твёрдый дюрен переходит в

мелкие классы. Концентраты ингредиентов можно получить разделением их в

жидкостях с различной плотностью.

Классификация углей

Рациональное использование твёрдых горючих ископаемых в народном

хозяйстве возможно при наличии классификации, учитывающей весь комплекс

физических, химических и технологических свойств. Однако, несмотря на

многолетние работы в этой области, до сих пор не существует единой

промышленно-генетической классификации.

В соответствии с американской классификацией угли разделяют на

несколько классов, отличающихся содержанием влаги и летучих, а также

теплотой сгорания. В основе классификации Грюнера лежит элементный состав,

отношение О/Н, плотность, выход и состав кокса. Близкой к ней является

классификация Брокмана, основанная на сопоставлении данных о естественной

влажности, элементном составе, плотности, выходе и свойствах кокса.

Немецкий палеоботаник Потонье создал первую генетическую классификацию

твёрдых горючих ископаемых всех видов. В основе её было деление минералов,

образованных из живых организмов. Минералы, названные биолитами, он

разделил на негорючие – акаустобиолиты и горючие – каустобиолиты.

Каустобиолиты были разделены на три подгруппы: гуммиты (из многоклеточных

растений), сапропилиты (из водорослей и планктона) и липтобиолиты (из

устойчивых частей растений). К сожалению, современные методы исследования

твёрдых горючих ископаемых не позволяют чётко установить взаимосвязь между

их происхождением, свойствами и направлением использования в народном

хозяйстве. Это объясняется тем, что из одного исходного органического

материала в зависимости от глубины и условий превращения могут

образовываться топлива различных видов. Г. Л. Стадников в основу

разработанной им естественной классификации положил взаимосвязь между

происхождением, физико-химическими свойствами исходного материала и

стадиями их превращения. Он пришёл к выводу, что помимо сапропилитовых и

гумусовых углей существуют угли смешенных классов – гумусо-сапропилитовые и

сапропилито-гумусовые, а исходная органическая масса претерпевает три

стадии физико-химических превращений: торф, бурый и каменные угли. Следует

отметить, что классификация Г. Л. Стадникова не включает все твердые

горючие ископаемые (например, липтобиолиты) и не может быть использована

для их промышленной оценки.

По генетической классификации Ю. А. Жемчужникова угли подразделяются на

две группы, каждая из которых состоит из двух классов:

Таблица 2

Генетическая классификация твёрдых горючих ископаемых по Ю. А.

Жемчужникову

|Первая группа. Гумолиты – высшие |Вторая группа. Сапропелиты – низшие |

|растения |растения и животный планктон |

|I класс – гумиты |III класс – сапропилиты (сохранены |

|(лигнино-целлюллозные, смолы, |водоросли и планктонные остатки) |

|кутиковые элементы) | |

|II класс – липтобиолитовые (смолы, |IV класс – сапроколлиты (водоросли |

|кутиковые элементы) |превратились в бесструктурную массу) |

В классификации Жемчужникова, в отличии от классификации Потонье,

рассматривается вероятность образования гумитов и липтобиолитов из одних

исходных материалов, но при различных условиях. Позднее А. И. Гинзбург

включил в классификацию условия превращения исходного органического

материала. И. И. Аммосов в своей классификации показал связь процессов

образования углей различных типов с исходными материалами. С. М. Григорьев

предложил классификацию горючих ископаемых, основанную на содержании С, Н и

О. Н. М. Караваев использовал данные об элементном составе (в атомных

долях) в атомном отношении Н/С. Это позволило вывести закономерность в

процессах превращения видов топлива. Более общая генетическая

классификация, учитывающая происхождение и глубину химических превращений

твёрдых горючих ископаемых, была разработана С. Г. Ароновым и Л. Л.

Нестеренко.

Таблица 3

Классификация углей по Аронову и Нестеренко

| |Класс угля |Стадии химической зрелости |

| | | | |я |я |

|II|Липтобиолиты:| | | |– |

|II|Сапропилиты | | | |– |

|I |(из низших | | | | |

| |ые) | | | | |

|IV|Особые |– |Барзасские |– |– |

Указанные выше научные классификации дают возможность выявить

зависимость между природой исходного органического материала, условиями его

превращения и видом образовавшегося топлива. Между тем возникает

необходимость в разработке единой промышленно-генетической классификации,

позволяющей квалифицированно определять возможность промышленного

использования твердого топлива всех типов. Первые технические классификации

были основаны на учёте выхода летучих веществ и внешнего вида остатка

коксового королька.

В настоящее время приняты бассейновые классификации, основанные на 17

действующих стандартах, причём основными являются следующие: Vdaf – выход

летучих веществ в расчете на сухую беззольную массу, %; Y – толщина

пластического слоя для каменных углей, мм; Wr – содержание рабочей влаги в

бурых углях, % (масс.). В некоторых классификациях каменных углей

учитывается индекс Pora – RI, а для бурых углей – выход смолы

полукоксования в расчёте на сухую беззольную массу Tskdaf (%) и высшая

теплота сгорания сухого беззольного топлива (кДж/кг).

6. Основные угольные бассейны страы

Петрографический состав углей формируется в зависимости от условий

углеобразования и состава растительности. Девонские угли представлены

кутикуловыми липтобиолитами (Барзасское месторождение), нижнекарбоновые

угли в значительной степени состоят из оболочек микро- и макроспор

(Кизеловский и Подмосковный бассейны), угли Вестфальской провинции

образованы из лигнино-целлюлозных остатков и содержат более 75 -80 %

витринита и до 10 – 12 % фюзенита (Донецкий бассейн). Угли Тунгуской

провинции содержат до 30 – 40 % фюзенита (Кузнецкий и Тунгусский бассейны).

Нижнепермские угли этих же бассейнов образовались главным образом из

древесины в условиях фюзинизации тканей (содержание фюзенита 50 – 60 %). В

отличие от Нижнепермских, в углях Верхнепермского месторождения,

образованных из лиственных тканей, преобладают витриниты. Среднеазиатские

угли содержат до 60 – 70 % фюзенита, тогда как в углях Канско-Ачинского и

Иркутского бассейнов их содержание не превышает 10 %.

Витринитовые угли в СССр составляли 65 % от суммарных запасов,

фюзенитовые и микринитовые – 32 %, лейптинитовые и сапропелитовые – 3 %.

Таблица 4

Каменные угли СССР

|Бассейн |Месторождение |

|Львовско-Волынский |Волынское |

| |Межреченское |

|Карангадинский |Карангадинское |

|Экибастузский |То же |

|Донецкий | |

|Кузнецкий |Кузнецкий |

| |Горловинский |

|Печорский | |

|Кизеловский | |

Таблица 5

Бурые угли СССР

|Бассейн |Месторождение |

|Канско-Ачинский |Ирша-Бородинский |

| |Итатский |

| |Назаровсий |

| |Березовсий |

|Подмосковный | |

Многочисленные месторождения углей расположены в районах Дальнего

Востока.

Литература

Химия и переработка угля/ Под ред. д-ра х. н. проф. В. Г. Липовича. – М.:

Химия, 1988. – 336с.: ил.

Химическая технология твёрдых горючих ископаемых: Уч-к для вузов/ Под ред.

Г. Н. Макарова и Г. Д. Харламповича. – М.: Химия, 1986. – 496 с.: ил.

Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического

синтеза: Учебник для вузов 4-е изд., перераб. доп. – М. Химия, 1988. – 592

с.: ил.

-----------------------

Исходный органический материал

Торф

Бурый уголь

Каменный уголь

Антрацит

Графит