2014-02-05
5759
ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕЙ
Угленосность и ресурсы углей Республики Саха (Якутия)
Недра Якутии содержат громадные ресурсы разнообразных по качеству ископаемых углей. На её территории расположены Ленский, Южно-Якутский, Зырянский и восточная часть Тунгусского бассейнов (рис. 1). Кроме бассейнов выделяются Лено-Анабарская и Западно-Верхоянская площади пермского и Нижне-Алданская площадь неогенового угленакопления, а также расположенные на северо-востоке разрозненные месторождения кайнозойского возраста. Площадь распространения угленосных отложений составляет около 800 тысяч км2. В настоящее время на территории Республики Саха (Якутия) известно более 2000 месторождений и углепроявлений, но изученность их крайне слабая.
Рис. 1. Схема расположения угленосных бассейнов Якутии
1 – граница Республики Саха (Якутия); 2 – границы угленосных бассейнов;
3 – угленосные бассейны: I - Ленский, II - Южно-Якутский, III - Зырянский, IV - Тунгусский.
Суммарные ресурсы углей Якутии до глубины 1800 м, по подсчетам различных геологов, варьируют от 1,6 – 2,2 до 10-12 триллионов тонн (Угленосность, 1966). Угленосными являются отложения палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Основная промышленная угленосность связана с отложениями мезозоя, содержащими многочисленные пласты углей, в том числе мощные и сверхмощные, пригодные для добычи открытым способом. Качественные показатели углей приведены в таблице 1.
В Государственном балансе полезных ископаемых учтено 38 наиболее разведанных месторождений, с запасами по категориям А+В+С1 9,3 млрд. т, почти треть (2,89 млрд. т, или 31,1 %) представлена углями коксующихся марок. Большинство подсчитанных запасов углей (6,09 млрд. т) может добываться открытым способом. На 1 января 1995 г. в республике действовало 14 угледобывающих предприятий с общей производственной мощностью 18,8 млн. т. Они разрабатывали 14 месторождений, пять из них - шахтами, девять - разрезами. Добыча составила 11,4 млн. т.
Таблица 1
Показатели качества углей Республики Саха (Якутия)[1]
| Бассейны | Wrt, % | Ad, % | Vdaf, % | Cdaf, % | Hdaf, % | Sd, % | Pd, % | Qsdaf, МДж/кг | Y, мм | RI, усл.ед. |
| Ленский | ||||||||||
| бурые | до 30 | 8-20 | 42-49 | 64-74 | 4,6-5,8 | 0,2-0,6 | – | 14-28 | – | – |
| каменные | 1-8 | 10-15 | 24-45 | 76-90 | 4,6-6,3 | 0,3-0,5 | – | 24-35 | – | – |
| Южно-Якутский | 1-7 | 10-30 | 11-51 | 78-93 | 3,9-5,6 | 0,1-0,5 | 0,001-0,07 | 34-36 | 6-55 | 50-80 |
| Зырянский | 2-10 | 5-18 | 10-44 | 77-89 | 5,0-5,6 | 0,2-0,6 | 0,05 | 28-36 | до 20 | – |
| Тунгусский | 2-6 | 5-26 | 18-44 | 71-85 | 4,3-5,8 | 0,3-8 | – | 26-27 | – | – |
Ископаемые угли представляют собой горючие горные породы, образовавшиеся из накопившихся остатков разнообразных отмиравших растений, претерпевших в течение долгих геологических периодов различные превращения, сопровождаемые разложением и углефикацией их органического вещества. Кроме органических составляющих в угле всегда присутствуют минеральные примеси, содержание которых колеблется в широких пределах (от 1-2 до 50%). Горючие осадочные образования, содержащие более 50% минеральных веществ, относятся к углистым породам или горючим сланцам.
В зависимости от исходного материала, из которого образовались угли, они подразделяются на две основные группы: гумолиты – гумусовые угли, образовавшиеся при накоплении и превращении в уголь остатков высших наземных растений (древесины) в торфяных болотах; сапропелиты – сапропелевые угли (богхеды, балхашиты, кеннели), образовавшиеся из остатков низших растений (главным образом водорослей и планктона – простейших живых организмов) накапливавшегося в иле озер или лагун.
Первой стадией образования гумусовых углей является стадия торфа. Процессы превращения растений в торф происходили в торфяных болотах при ограниченном доступе воздуха в трех направлениях - гелификации, фюзенизации и элювиации.
В результате гелификации (остудневания) ткани растения превращались в гели и в дальнейшем образовывали блестящие (витреновые) разности угля. Фюзенизация - процесс окисления, аналогичный обугливанию древесины и превращению ее в волокнистый уголь - фюзен. В результате элювиации - вымывания проточной водой, несущей кислород, продуктов окисления лигнино-целлюлозных тканей растений органическая масса обогащалась стойкими форменными элементами. Впоследствии она послужила материалом для образования плотных матовых дюреновых углей.
Вторая стадия углеобразования (превращение торфа в уголь) протекает после покрытия торфа наносами горных пород под воздействием биохимических, геохимических и геологических (давления, температуры) факторов.
Превращение торфа в уголь и дальнейшие изменения этого угля называется углефикацией или метаморфизмом. В основе этого процесса лежит постепенное обогащение исходного материала углеродом и обеднение кислородом и водородом. По глубине превращения органического вещества исходных растений угли делятся на бурые, каменные и антрациты. Различия между углями бурыми, каменными и антрацитами приведены в таблице 2.
Таблица 2
Основные различия между углями бурыми, каменными и антрацитами
| Показатели | Бурые | Каменные | Антрациты |
| Структура | Слабая | Плотная | Плотная |
| Черта (след на фарфоровой пластинке) | Бурая | черная | почти не оставляет |
| Содержание гуминовых кислот | Содержат вещества, дающие при действии растворителей различное количество гуминовых кислот | Не содержат или содержат в небольших количествах вещества, дающие при действии растворителей гуминовые кислоты | Не содержат веществ, дающих гуминовые кислоты |
| Содержание влаги, % | |||
| воздушно-сухой уголь | Более 8 | Менее 5 | Менее 4 |
| свежедобытый уголь | 30-50 | 4-15 | 2-4 |
| Теплота сгорания на горючую массу, ккал/кг | 6500-7000 | 7500-8500 | 8000-8500 |
| Выход летучих веществ на горючую массу, % | 45-60 | 8-50 | Менее 8 |
| Элементный состав органической массы, % | |||
| углерод | 55-88 | 75-92 | 92-97 |
| водород | 5-6 | 4,5-5,5 | 2-3 |
| кислород+азот | (25,0) | (9,0) | (2,5) |
| сера и прочие примеси | (0,5) | (1,0) | Следы |
| Примечание. В скобках даны средние величины |
Многообразие углей, различный состав их и свойства объясняются непрерывным и стадийным развитием процесса углефикации их органического вещества, которое начинается с отмирания и накапливании остатков растений и заканчивается образованием антрацита, а в некоторых условиях и графита.
Несколько иначе происходит образование сапропелевых углей.
Низшие растения и животные организмы, из которых образовались сапропелевые угли, в отличие от наземных растений, из древесины которых образовались гумусовые угли, состояли в основном из жиров и белков. По мере отмирания растений и организмов они опускались на дно водоемов и здесь разлагались без доступа воздуха, образуя различные газообразные богатые водородом соединения (метан, сероводород и др.) И твердый остаток - сапропель (гнилостный ил). Последний претерпевал дальнейшие превращения в уголь под слоем минеральных веществ, приносимых в водоем водными потоками.
Сапропелевые угли резко отличаются от гумусовых углей по внешнему виду, по химическому составу и по микроскопическому строению. Они имеют однородную структуру без слоистости, матовый цвет, содержат до 8 - 12% водорода на горючую массу, дают высокий выход летучих веществ - до 60 - 80 %.
В составе углей различают органическую и неорганическую часть. В органическую часть (массу) угля входят углерод, водород, кислород, азот и сера, а иногда в небольших количествах (менее десятых долей процента) и фосфор. Горючими из них являются только углерод и водород и отчасти сера и фосфор. Неорганическую часть угля составляют влага и различные минеральные примеси. Некоторые из них при сжигании угля разлагаются, образуя летучие вещества, другие, сгорая, после различных превращений образуют золу.
При нагревании угля без доступа воздуха происходит под действием достаточно высокой температуры испарение влаги и выделение летучих веществ, образующихся вследствие разложения органической массы угля и некоторых минералов из неорганической части угля.
Рис. 2. Составные части угля.
|
Твердый продукт, остающийся после удаления из угля влаги и выделения летучих веществ, называется нелетучим остатком угля. Он состоит из смеси нелетучих продуктов разложения органической массы угля и минеральных примесей в несколько измененном их виде под действием температуры нагрева угля, образующих при сжигании угля золу. Если из нелетучего остатка выделить золу, то получим нелетучий твердый остаток органической массы угля - беззольный кокс.
Сумма выходов летучих веществ, беззольного кокса, влаги и золы составляет 100%.
По техническому анализу в углях различают условную горючую массу, состоящую из летучих веществ и беззольного кокса, и балласт, куда входят влага и зола. Схема распределения составных частей угля при нагревании его без доступа воздуха показана на рис. 2.
Содержание влаги в углях колеблется в широких пределах и зависит в основном от степени метаморфизма угля и условий залегания угольного пласта. Минеральные примеси в углях представляют собой различные неорганические вещества, составляющие иногда значительную часть горной массы добываемого угля - от 5 - 10 % в чистых углях и до 30 - 35 % в углях, сильно загрязненных примесями.
Наиболее важной минеральной примесью в углях является сера. Как правило, она не встречается в свободном состоянии, а находится в угле в виде органических соединений в органической массе угля и в виде сернистых металлов - пирита, марказита, также в виде сернокислых соединений железа и кальция - в неорганической его части. Эти формы серы называют органической, сульфидной (колчеданной) и сульфатной.
Летучими веществами называются жидкие парообразные и газообразные продукты термического разложения органической массы угля и некоторых минералов неорганической его части, выделяемые из угля под действием высокой температуры и без доступа воздуха. Вместе с летучими веществами из угля испаряется влага, содержащаяся в угле, и кристаллизационная вода некоторых минералов.
Органическая масса является важнейшей составной частью угля. Она состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и серы. В незначительных количествах в органической массе угля содержится фосфор и другие элементы.
Углерод представляет самую существенную часть ископаемых углей как по содержанию, так и в отношении его значения при определении ценности и пригодности угля для тех или иных целей. Он входит в состав органической массы угля, но также содержится и в некоторых минералах (карбонатах), представляющих неорганическую часть угля. Содержание углерода в угле определяет его энергетическую ценность.
Водород является вторым по значимости после углерода элементом органической массы угля. Как и углерод, он находится в угле в виде различных соединений, а также входит в состав кристаллизационной воды некоторых минералов неорганической части угля.
Азот в углях содержится в сравнительно небольших количествах - порядка 1 - 3%. С точки зрения энергетического его использования азот является балластной составной частью угля.
Кислород является балластной составной частью углей, используемых как для энергетических целей, так и для термической переработки. Он связывает некоторую часть водорода органической массы угля и при горении угля не выделяет тепла.
Фосфор в углях содержится в незначительных количествах, порядка 0,01 - 0,1 %, в различных соединениях. В углях для коксования присутствие фосфора весьма нежелательно.Фосфор целиком остается в коксе и в доменной печи переходит из кокса в выплавляемый металл, сообщая ему хрупкость.
В составе ископаемых углей обычно выделяют следующие группы веществ: битумы, гуминовые кислоты, и продукт, остающийся после извлечения из углей битумов и гуминовых кислот – остаточный уголь. Битумы выделяют из угля органическими растворителями. Они являются продуктами превращения смол и восков растений-углеобразователей. Наибольшую ценность в битумах имеет восковая часть. Каменные угли содержат не более 1 % битумов. Содержание битумов в бурых углях колеблется от 2 (Подмосковный бассейн) до 8 % и более (Днепровский и Южно-Уральский бассейны). Гуминовые кислоты выделяются из углей растворами щелочей и осаждаются из раствора минеральными кислотами.
Рассеянные и редкие элементы встречаются в углях различной стадии метаморфизма в виде солей, входящих в органическую и минеральную часть угля. К числу наиболее важных рассеянных элементов, накапливающихся в угле, в первую очередь следует отнести германий. В небольшом количестве в углях находятся галлий, скандий и редкие элементы - молибден, бериллий, ванадий, уран и др.
Общих химических формул состава углей пока еще нет. Рассматривая уголь в целом, можно предположить, что он является своеобразным полимером, структурными единицами которого являются ядра углеродных атомов, жестко связанные между собой и образующие пористый каркас. Состав молекул угольного вещества не может быть однородным ввиду большого разнообразия различных типов и видов углей. Наряду с соединениями ароматического ряда в составе углей могут быть соединения жирного ряда, металлоорганические соединения и другие. В соответствии с кристаллохимическими представлениями о строении вещества углей последние имеют слоистую структуру, которая упорядочивается от малометаморфизованных углей к высокометаморфизованным, а у антрацита приближается к упорядоченной решетке графита.
Ископаемые угли (гумусовые) в большинстве своем слагаются из отдельных петрографических компонентов (ингредиентов или мацералов), представляющих собой блестящие, полублестящие, матовые и волокнистые разновидности угольного вещества, образующие в угольном пласте чередующиеся слои, линзы или агрегатные включения. Петрографический состав углей оказывает большое влияние на их технологические свойства и имеет важное значение при решении вопроса об использовании углей.
При оценке свойств и качества углей используют результаты технического и петрографического анализов. Основными показателями качества углей являются: влажность (W), зольность (A), выход летучих веществ (V), теплота сгорания (Q), элементный состав (C, Н, О, N), содержание серы (S) и фосфора (P), петрографический состав углей и отражательная способность витринита (R). Кроме этих показателей определяют:
для каменных углей – показатель (индекс) РОГА (RI), показатель ГРЕЙ-КИНГА (GK), толщина пластического слоя (Y);
для бурых углей– выход смолы полукоксования (TSK), содержание битума (В) и гуминовых кислот (НА);
для антрацитов – анизотропия отражения витринита (AR);
для энергетических углей всех марок – размолоспособность (Gr) и плавкость золы (0С).
Определение показателей проводят по аналитическим пробам и по специальным формулам пересчитывают для различных состояний топлива. Обозначение показателей твердого топлива состоит из:
— символа, характеризующего основной показатель топлива;
— нижнего индекса символа, дополняющего характеристику основного показателя;
— верхнего индекса символа, уточняющего состояние топлива, к которому относится соответствующее свойство.
