Справочная информация

1. Общие сведения

Ископаемый уголь — твердая горючая органическая порода, образовавшаяся преимущественно из отмерших растений в результате их биохимических, физико-химических и физических изменении. Основные компоненты: органическое вещество-носитель горючих и других технологических свойств угля, минеральные включения и влага.

Изменение органического вещества (ОВ) угля в недрах приводит к созданию соединений, обеспечивающих жизнедеятельность растительных организмов, превращает ОВ в вещества стойкие в ископаемом состоянии.

Вce многообразие состава и свойств угля обусловлено составом исходного материала и неодинаковым влиянием комплекса геолого-генетических факторов на особенности накопления и последующего преобразования исходной биомассы.

В зависимости от состава исходного вещества угли подразделяются на гумусовые, гумусово-сапропелевые и сапропелевые.

Гумусовые угли (гумолиты) образовались преимущественно из продукта превращения отмерших высших растений: целлюлозы, лигнита, хемицеллюлозы, протеинов, жиров, смол. Продукты превращения отмерших низших растений и простейших животных в анаэробных условиях являлись основой для образования сапропелевых углей ((сапропелитов). Если содержание целлюлозно-лигнинового комплекса в высших растениях достигает более 80%, то в низших растениях, например водорослях, лигнин практически отсутствует, а содержание целлюлозы не превышает 20%. Преобладающие вещества в них — протеины, жиры, воски, смолы. Наибольшее распространение имеют гумусовые yгли.

В зависимости от характера и степени преобразованности OB угли в соответствии с принятой в Российской Федерации традацией подразделяются на три группы: бурый, каменныйй и антрацит.

Бурый уголь — уголь низкой стадии метаморфизма с показателями отражения bитринита (гуминита) менее 0,6% при условии, что высшая теплота сгорания на влажное беззольное состояние угля составляет менее 24 МДж/кг. Различают мягкие и плотные разновидности бурых углей.

Мягкий бурый уголь — землистый, листоватый, реже массивный и плотный, матовый и полуматовый, палевого, бурого, коричневого цвета. Его влажность изменяется в пределах 40-60%. содержание углерода в органическом веществе 63-73%.

Плотный бурый уголь — однородный или полосчатый, штриховатый полуматовый и матовый, полублестящий и блестящий коричневого или черного с коричневым оттенком цвета. В куске уголь часто имеет характерный раковистый, занозистый иногда ровный излом. По сравнению с каменным бурый уголь обладает менее плотным сложением, содержит в органическом веществе меньшее количество углерода, но большее количество кислорода и характеризуется высоким выходом летучих веществ. Содержание влаги колеблется от 19 до 44,5%.

На воздухе бурый уголь быстро теряет свободную влагу и растрескивается. В его ОВ преобладают гуминовые вещества с кислотными свойствами и высокой гидрофильностью. При обработке щелочами выход гуминовых кислот достигает 88% в мягких и снижается до 2% — в наиболее плотных разновидностях. При сухой перегонке без доступа воздуха выделяется много летучих веществ (33-60%). Выход первичного дегтя изменяется от нескольких до 25% и более. Низшая теплота сгорания Q_i^rколеблется от 7 до 17 МДж/кг, высшая (Q_s^daf) — сухого беззольного топлива достигает 29 МДж/кг. Цвет черты на неглазурованной фарфоровой пластинке колеблется от бурого до черного (плотные разновидности).

Каменный уголь образуется на средней стадии метаморфизма с показателем отражения витринита от 0,4 до 2,59% при условии, что высшая теплота сгорания (на влажное беззольное состояние угля) равна или выше 24 МДж/кг, а выход летучих веществ (на сухое беззольное состояние угля) равен 8% и более. По сравнению с бурым каменный уголь характеризуется большей степенью карбонизации (содержание углерода достигает 92%), как правило, отсутствием гуминовых кислот. Выход летучих веществ колеблется в пределах 8-50%. Органическое вещество угля при нагреве без доступа воздуха в большей или меньшей степени спекается. Свойство спекания — важнейшее при оценке пригодности угля для производства кокса.

Антрацит относится к углям высокой стадии метаморфизма с показателем отражения витринита более 2,59% при условии, чго выход летучих веществ (на сухое беззольное состояние угля) не менее 9%. При выходе летучих веществ менее 8% к антрацитам относят также уголь с показателем отражения витринита от 2,20 до 2,59% (классы 22-25). Антрацит — плотный уголь серовато-черного или черно-серого цвета с металловидным блеском, раковистым изломом. Характеризуется высокой плотностью (1,42-1,8 г/см ), низким удельным электросопротивлением (10-3-10 Ом-м), высокой микротвердостью (300-1470 у.е.). Антрацит имеет низкий выход летучих веществ: от 1,5 до 9,0%, вследствие чего его пламя сравнительно бездымное. Он содержит мало влаги, в элементном составе наблюдается пониженное содержание кислорода и водорода.

Общие геологические запасы углей, содержащиеся в угленосных формациях всех геологических систем, составляют около 14000 млрд. т. Они сосредоточены в следующих странах (в млрд. т): Российской Федерации — 4731,9 (бывший СССР — 6800), США — 3600, КНР — 1500, Австралии — 697, Канаде — 547, ФРГ — 287, ЮАР — 206, Великобритании — 189, Польше — 174, Индии — 125.

2. Области применения

Используется в основном в энергетике и для получения кокса, в меньшей степени — для газификации и полукоксования, получения облагороженного топлива (газа и жидких продуктов) для бытовых нужд, на транспорте, в кирпичном производстве, обжиге извести и других областях.

В сравнительно небольших объемах уголь применяется для специальных технологических целей: производства термоантрацита и термографита, углеграфитовых изделий, yгледородных адсорбентов, карбидов кремния и кальция, углещелочных реагентов, горного воска.

Направление использования различных технологических марок, групп и подгрупп приведено в табл. 1.

На уголь приходится около 35% мирового потребления энергоресурсов. В 2007 г. в России около 28% добытых углей использовалось в энергетических целях, 22,8 — для производства кокса, 25,6 — в других отраслях промышленности, 23,8% — для бытовых нужд.

Бурый уголь — не только энергетическое топливо, но и ценное сырье для технологической переработки. Буроугольный кокс используется для замены мсталлургического кокса при получении ферросплавов, фосфора, карбида кальция. Большое значение имеют полученные на базе бурых углей гранулированные адсорбенты, полукокс. Разработаны процессы гидрогенизации бурых углей, новые методы их газификации и производства химических продуктов. Бурые угли технологической группы 1Б — сырье для получения горного воска, используемого в бумажной, текстильной, кожевенной, деревообрабатывающей промышленности, дорожном строительстве.

Таблица 1.

Направление использования упей различных технологических марок, групп и подгрупп

Полукоксы бурых углей применяются как наполнители пластмасс, различных композиционных материалов, в качестве сорбентов, ионнообменников, катализаторов. Из углей технологических групп 2Б и ЗБ получают термоуголь.

Более 80% каменноугольного кокса идет для выплавки чугуна. Другие продукты коксования, газ, смола используются в химической промышленности (35%), цветной металлургии (30%), сельском хозяйстве (23%), строительной индустрии, железнодорожном транспорте, дорожном строительстве (12%). Из продуктов коксования получают около 190 наименований химических веществ. Около 90% изготавливаемого волокна, 60 — пластмасс, 30 — синтетического каучука производится на основе соединений, получаемых при переработке каменного угля. Коксохимическая промышленность — основной поставщик бензола, толуола, ксилола, высококипящих ароматических, циклических, азот- и серосодержащих соединений, фенолов, непредельных соединений, нафталина, антрацена.

Каменноугольный пек применяется для получения пекового кокса, который используется как составная часть электродов в алюминиевой промышленности, а также в производстве углеродных волокон, технического углерода.

Высокая электропроводность, сравнительная устойчивость к процессам окисления, повышенная устойчивость к воздействию агрессивных сред и истиранию определяют широкий диапазон использования антрацита в различных отраслях. Он является высокосортным топливом, а также исходным сырьем для получения термоантрацита, термографита, карбонизаторов, карбюризаторов, карбидов кальция и кремния, электродов для металлургической промышленности, углеродных адсорбентов, коллоидно-графитовых препаратов.

3. Состав угля

Основные слагающие угля — это органические компоненты и минеральные включения. Органические компоненты, различаемые под микроскопом, с характерными морфологическими признаками, цветом и показателем отражения именуются микрокомпонентами (мацералами). В отличие от минералов они не имеют характерной кристаллической формы и постоянного химического состава. Химические и физические свойства микрокомпонентов изменяются в процессе углефикации.

Выделяют четыре группы микрокомпонентов: витринига, семивитринита, инертинита и липтинита.

Микрокомпоненты группы витринита характеризуются преимущественно ровной поверхностью, серым цветом различных оттенков в отраженном свете, слабо выраженным микрорельефом и способностью при определенной степени углефикации переходить в пластическое состояние. Показатель отражения колеблется от 0,4 до 4,5%. Микротвердость в зависимости от углефикации и генетических факторов находится в пределах от 200 до 350 МПа.

Микрокомпоненты группы семивитринита по физическим и химическим свойствам занимают промежуточное положение между микрокомпонентами групп витрипита и инертинита. Они характеризуются беловато-серым цветом различных оттенков в отраженном свете, отсутствием микрорельефа. Их показатель отражения всегда превышает значения показателя отражения витринита. Микротвердость колеблется в пределах от 250 до 420 МПа. В процессах коксования микрокомпоненты этой группы нс переходят в пластическое состояние, но способны размягчаться.

Микрокомпоненты группы инертинита характеризуются высоким показателем отражения, резко выраженным микрорельефом. Цвет изменяется от белого до желтого. Микротвердость колеблется от 500 до 2300 МПа. Микрокомпоненты этой группы не переходят в пластическое состояние и не спекаются.

Микрокомпоненты группы липтинита различаются между собой по морфологическим признакам. Цвет липтинита изменяется от темно-коричневого, черного до темно-серого и серого. Показатель отражения у этой группы самый низкий: от 0,21 до 1,59%. Мнкротвердость колеблется oт 80 до 250 МПа. При коксовании микрокомноненты этой группы образуют более подвижную пластическую массу по сравнению с витринитом.

Минеральные включения в углях — глинистые минералы, сульфиды железа, карбонаты, оксиды кремния и другие.

Глинистые минералы в среднем составляют примерно 60-80% общего количества минеральных веществ, ассоциирующих с углем. Чаще всего они представлены иллитом, серицитом, монт-мориллонитом, каолинитом. Реже отмечается галлуазит.

Глинистые минералы сложены из частиц размерами до 100 мкм. Встречаются в виде линз, прослоек или тонко рассеянных частиц в витрините. Нередко выполняют полости в компонентах с ботанической структурой или замещают их отдельные участки. В угольных пластах иногда содержатся прослои тонштейнов, в которых главным породообразующим минералом является каолинит.

Из сульфидов железа наиболее характерны пирит, марказит и мельниковит. Форма их нахождения в пластах различна и определяется условиями образования. Сингенетичные образования встречаются в виде отдельных зерен, псевдоморфоз по растительным остаткам, конкреций, прослойков. Эпигенетические сульфиды, как правило, выполняют трещины.

Карбонаты представлены кальцитом, сидеритом, доломитом, анкеритом. Кальцит часто образует тонкие прослойки либо заполняет трещины в угле. Сидерит встречается в виде округлых или овальных образований (оолитов) или заполняет полости растительных фрагментов.

Оксиды кремния представлены в углях кварцем, халцедоном, опалом и другими минералами.

Кварц встречается в виде небольших прослоек, округлых и yi ловатых зерен, иногда образует довольно крупные линзы. Халцедон встречается сравнительно реже, обычно совместно с кварцем. В зонах выветривания угля некоторых бассейнов отмечается гипс, заполняющий трещины, реже — в виде конкреций.

Прочие минеральные включения представляют в основном гидрооксиды железа, фосфаты, полевые шпаты, соли.

4. Использование углей в энергетике.

Для сжигания могут применяться угли всех марок и сортов. Основные показатели качества энергетических углей — рабочая и гигроскопическая влага, зольность, выход летучих веществ, содержание серы, ситовой состав, низшая теплота сгорания рабочего топлива, состав и плавкость золы. Для слоевого сжигания регламентируются также показатели механической прочности и термической стойкости углей, для пылеугольного — размолоспособности.

Требования промышленности к энергетическим углям регламентированы государственными стандартами, ограничивающими предельную влажность, зольность, размер кусков, содержание породы.

Слоевое сжигание предъявляет наиболее жесткие требования к топливу. Важнейшие характеристики — ситовой состав, спекаемость, зольность, выход летучих веществ, реакционная способность и термическая способность топлива. Содержание в углях как мелочи, так и крупных кусков — нежелательно. Для стандартных слоевых топок наиболее применимы куски топлива следующих размеров: 6-12 мм (бурые угли), 12-25 и 25-50 мм ( каменные угли).

Факельно-слоевое сжигание предъявляет менее жесткие требования к ситовому составу топлива. Для топок этого типа поставляются отсевы, рядовые угли и угли размером 0-25, 0-50 мм.

Пылеугольный способ сжигания — основной в крупной энергетике и позволяет сжигать топливо с зольностью до 45% и в влажностью до 55%. Топливо при пылеугольном сжигании предварительно размалывается и подсушивается (для высоковлажных углей). Повышенные требования к стабильности cocтавa угля, составу и свойствам золы, размолоспособности топлива.

Жесткие требования по изученности состава и свойств золы предъявляются к углям с легкоплавкими золами, сжигаемым в топках с жидким шлакоудалением. Для пылевидного сжигания поставляются рядовые угли, промпродукты и отсевы всех марок, не пригодные для коксования и других специальных целей. Ограничивается величина сернистости углей. Возможности использования высокосернистых углей в основном лимитируются содержанием вредных газов и зольности, расходом топлива, высотой дымовых труб, возможностью выделения санитарно-защитных зон.

Угли для цементных печей. Требования к углям, предназначенным для цементных печей, нормируют содержание золы, влаги, выход летучих веществ, толщину пластического слоя, теплоту сгорания, кусковатость, содержание мелочи и минеральных примесей.

Угли для известковых печей. Требования к этим углям предусматривают ограничения по зольности, влаге, кусковатости, содержанию мелочи, марочному составу.

Угли для обжига кирпича. В углях для кирпичного производства нормируются зольность, влага, толщина пластического слоя, теплота сгорания, выход летучих, кусковатость, содержание мелочи и минеральных примесей.

Угли для коммунальных нужд. Требования к этим углям определяют марочный состав и группы углей, выход летучих веществ, толщину пластического слоя, теплоту сгорания, влажность, кусковатость, содержание мелочи и минеральных примесей.

5. Испытание качества углей

Все показаюли состава и свойств угля и их качественные характеристики имеют условные обозначения в виде буквенных символов и индексов.

Анализируемые состояния угля: рабочее (г), аналитическое (а), сухое (d).

Условные состояния угля: сухое бсззольное (daf), влажное беззольное (af), органической массы (о).

Все свойства и параметры, характеризующие качество углей, определяются в соответствии с нормативно-методическими документами, перечень которых приведен в приложении.

В каждом рабочем пласте макроскопически выделяются литотипы угля и определяется усредненный микрокомнонентный cocтав выделяемых литотипов и пласта в целом.

Гранулометрический состав — количественная характеристика угля по размеру кусков — нормируется для всех видов использования. Разделение угля на классы крупности производится путем его сортировки (грохочения) на ситах с отверстиями соответствующих размеров.

Механическая прочность углей изучается по двум параметрам: способность угля сохранять размеры кусков при ударе и при истирании. Она необходима при использовании углей для газификации, получении термоантрацитов, в электродном и литейном произволствах.

Термическая прочность угля характеризуется механической прочностью в кусках после термической обработки. Она исследуется в углях, предназначенных для сжигания в топках транспортных средств, полукоксования, гидрирования и получения литейных электродных тсрмоантрацигов.

Электрические свойства служат для оценки стадий метаморфизма: угли на низких стадиях являются диэлектриками, на средних — полупроводниками, на высоких (антрациты) — проводниками.

Плотность углей характеризует его пористость. В естественном состоянии извлеченный из недр уголь обычно имеет многочисленные трещины и включает поры (пустоты) различной формы и размеров. Различают действительную (d_r) и кажущуюся (d_a), закрытую и открытую пористость.

Элементный анализ включает в себя определение содержания в органической массе следующих основных элементов: углерода, водорода, азота, кислорода и органической серы. Поскольку углерод, водород и кислород содержатся в минеральной части углей, входят в cocтав карбонатов, оксидов, а также содержатся в гидратной воде силикатов, различают соответственно содержание этих элементов: общее (c_t, H_t, o_t), в органической массе (c_o, H_o, o_o) и в минеральной части углей (c_m, H_m, o_m).

Технический анализ объединяет определение основных показателей качества угля, предусмотренных требованиями нормативных документов для всех видов их использования. К показaтелям качества угля относятся: влажность, зольность, содержание серы, фосфора, выход летучих веществ, теплота сгорания. В случаях, когда направление использования углей конкретного месторождения определено в достаточной степени, производится сокращенный технический анализ, включающий определения только зольности углей, влажности и выхода летучих веществ.

Зольность предсчавляет собой отношение (в %) массы неорганического остатка (золы), получаемою после полною сгорания угля, к массе исследуемой пробы угля. Основные компоненты — оксиды Si, Al, Fe, Са, Mg, Na, К, подчиненное значение имеют оксиды Ti, Р, Мn. Выход и состав золы зависят от природы угля, условий его сжигания (прежде всего от скорости озоления и конечной температуры прокаливания). По составу золы угли подразделяются на кремнистые (SiO₂ 40-70%), глиноземные (А₂O₃ 30-45%), железистые (Fе₂О₃ > 20%), известковистые (СаО — 20-40%).

Влажность подразделяется на поверхностную (влага смачивания), максимальную (W_max влагоемкость угля, свойственная его химической природе, петрографическому составу, степени yглефикации), воздушно-сухого угля (представлена адсорбционно связанной водой и характеризует пористость и гидрофильные свойства поверхности частиц угля) и общая (суммарная величина внешней влаги и влаги воздушно-сухого угля).

Сернистость угля. Массовая доля обшей серы (S_t^d) в углях колеблется в широких пределах. По этой величине угли разделяются на низкосернистые (до 1,5%), среднесернистые (1,5-2,5%). сернистые (2,5-4%) и высокосернистые (более 4%). Сера входит в состав органического вещества, минеральной части угля, иногда присутствует в виде элементарной. Выделяют следующие разновидности серы: органическую (S_o), сульфидную (S_s), сульфатную (S_SO4).

Содержание фосфора (Р ) в углях обычно не превышает 0,05%. Массовая доля его ограничивается лишь в углях, направляемых на получение специальных сортов доменного кокса (<0,012%), а также в антрацитах, используемых при производстве карбида кальция (<0,05%).

Выход летучих веществ (V) оцениваеюя при надевании угля без доступа воздуха по разносги разложения на газо- и парообразные продукты и твердый нелетучий складок. Cocтав летучих продуктов представляет собой первичный деготь (для бурых углей) или каменноугольную смолу (для каменных углей). Они состоят из газов (СО, СО₂, H₂, CH₂) и летучих yглеводородов и их производных, а тaкжe воды.

Теплота сгорания угля (Q) используется для сопоставления теплотехнических свойств углей различных месторождений, марок между собой и с другими видами топлива. Определение теплоты сгорания производится замером количества тепла, выделяемого единицей массы угля при полном сгорании eгo в калориметрической бомбе в cpeде сжатого кислорода в стандартных условиях. Соответвуюшими пересчетами величины теплот сгорания получают значения выешей теплоты сгорания (Q_s) с исключением тепла, полученного за счет кислотообразования, и низшей (Q_i) теплоты сгорания с дополнительным исключением тепла, полученною за счет испарения воды.

Термические свойства углей характеризуются спекаемостью и коксуемостью.

Спекаемость — свойство угля при нагревании без доступа воздуха переходить в пластическое состояние с образованием связанного нелетучсго остатка. Свойство углей спекать инертный материал с образованием такого остатка называется спекающей способностью. При нагреве углей определенного петрографического состава и степени углефикации выше 300°С без доcтупа воздуха из них выделяются napoгазовые и жидкие продукты. При температуре 500-550°С масса затвердевает, образуется спекшийся твердый остаток — полукокс. При дальнейшем увеличении температуры (до 1000 С и более) в полукоксе снижается содержание кислорода, водорода, серы, возрастает содержание углерода. Полукокс переходит в кокс. Спекаемостью обладают каменные угли II-V стадий метаморфизма, определенного петрографического состава.

Коксуемость — свойство измельченного угля спекаться с последующим образованием кокса с установленной крупностью и прочностью кусков. Изучается прямыми (лабораторное, ящичное и полузаводское коксование) и косвенными методами.

Групповой анализ чаще всею используется для оценки качества бурых углей, в которых при обработке растворителями или химическими реагентами часть органической массы угля переходит в растворы и некоторые получаемые из экстрактов вещества (битумы, гуминовые кислоты) применяются в различных отраслях народного хозяства. Битумы, извлекаемые из легких бурых углей opганическими растворителями (бензолом, бензином и др.) представлены в основном восками и смолами. Минимальное содержание восксодержащего битума в бурых углях, используемых в промышленности, составляет 7%. Гуминовые кислоты угля — смесь кислых высокомолекулярных аморфных темноокрашенных органических веществ с высокой степенью окисленности и гидрофильностью, извлекаемых из угля водными щелочными растворами. Выход гуминовых кислот из бурых и окисленных каменных углей колеблется от нуля до 100% органической массы.

Микроэлементы в углях находятся как в органической, так и в минеральной массе. Они представлены соединениями цветных металлов, редких и рассеянных элементов, суммарная концентрация которых обычно не превышает 1% сухой массы угля.
Наибольшее практическое значение для извлечения имеют уран и германий. Кроме того, попутно могут извлекаться галлий, ванадий и другие.
Для определения содержания в углях «малых» элементов используются спектральный, спектрофотометрический, активационный и атомно-абсорбционный методы.

Приложения

Классификация углей по размеру кусков (ГОСТ 19242-73)

Термобарические условия Земных недр приведшие к образованию углей тех или иных марок