shkolakz.ru 1
Реферат скачан с сайта allreferat.wow.ua


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 летназад человек, впервые познакомился с углём, стал постоянно соприкасаться сним. 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, предпринималисьпути использования его, но лишь во времена Аристотеля появилось описаниенекоторых других свойств угля, а в 315 г. до н. э. его ученик описываетуголь как горючий материал и называет его «антраксом» (позже появилосьназвание «антрацит»). 1. Происхождение углей наука о генезисе твёрдых горючих ископаемых на основании многочисленныхфактов (обнаружение в угольных пластах отпечатков листьев, коры, стволовдеревьев, спор и т. д., использование изотопного метода анализа) неоспоримодоказала и обосновала теорию об их органическом происхождении. Вместе с темсложность природных процессов углеобразования и влияния на эти процессытаких факторов, как климат, условия среды отложения, температура, давлениеи др., привели к выделения химических, микробиологических и геологическихаспектов теории генезиса. До сих пор нет единого мнения о том, какиекомпоненты органических веществ являются исходным материалом приобразовании различных углей, нет единой схемы и его генетическихпреобразований. Предполагают, что общая схема имеет вид: [pic] Высказывались соображения, что генезис твёрдых горючих ископаемыхописывается: 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 возникновениеорганических веществ, их развитие, накопление и различные преобразования. Известно, что в состав растений входит целлюлоза, гемицеллюлоза,лигнин, смолы, воски, жиры, белки, углеводы, пектиновые вещества. Вполневероятно, что состав этих компонентов и их соотношение в древних растенияхразличного вида и в зависимости от палеографических условий геологическихэпох претерпевал определённые изменения. Тем не менее, многочисленныеисследования позволили установить, что роль различных частей современныхрастений и механизма их превращения в условиях углефикации существенно неотличается от роли растений ранних геологических эпох. В табл. 1 приведенэлементный состав основных компонентов растений, участвующих вуглеобразовании. 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 кислоти высших алифатических спиртов входят кислоты С24 – С34, спирты С24 – С34 ииногда углеводы. Растительные воски являются твёрдыми веществами,способными сохранять свой состав и свойства не подвергаться изменениям поддействием микроорганизмов. Благодаря их высокой стойкости они встречаются внеизменном состоянии в составе бурых углей. Смолы состоят из сложных эфиров кислот с одноатомными спиртами.Благодаря ненасыщенной полиизопреновой структуре они способныполимеризоваться и окисляться, что снижает их растворимость, повышаетмолекулярную массу, превращает в неплавкие соединения. Жиры – сложные эфирывысокомолекулярных насыщенных и ненасыщенных кислот и глицерина. Интересноотметить, что наземные исходные соединения содержат ненасыщенные кислотыС18 – С22 и насыщенную кислоту С16, тогда как среди морских источниковуглеобразования преобладают непредельные кислоты С16 – С22. Жиры легкогидролизуются, изменяются под воздействием микроорганизмов, нагревания идр., а непредельные кислоты – окисляются с образованием полимеров. Белки являются высокомолекулярными веществами, обладающими коллоиднымисвойствами. Содержание их в бактериях, водорослях и древесных растенияхдостигает соответственно 80, 25, 1 – 10 %. Белки гидролизуются с выделениемаминокислот, которые связываются с содержащимися в растенияхмоносахаридами. Целлюлоза (С6Н10О5) относится к классу углеводов с регулярной линейнойструктурой, обладает сложным составом и молекулярной массой от десятковтысяч до нескольких миллионов. Будучи весьма стойкой к воздействию давленийи температуры, целлюлоза сравнительно легко подвергается воздействиюферментов. Гемицеллюлозы являются углеводными соединениями, которые легкоподвергаются гидролизу и растворяются в кислотах и щелочах. Этогетерополисахариды, образующие при гидролизе в отличии от целлюлозы неглюкозу, а манозу, фруктозу, галактозу и уроновые кислоты. Пектиновые вещества повышают механическую прочность стенок растительныхклеток, они состоят из остатков D-галактуроновой кислоты, способных легкогидролизоваться минеральными кислотами. Карбоксильные группы в этихостатках находятся в виде солей магния и кальция, а также в виде метиловыхэфиров. Прочность клеток высших растений объясняется также присутствием вих составе лигнина, который в отличии от целлюлозы не подвергаетсягидролизу, стоек к воздействию химических реагентов, нерастворим в воде иорганических растворителях. Лигнин является полимером нерегулярногостроения, в состав которого входят ароматические и жирноароматическиефрагменты. Кислород присутствует в виде карбоксильных и гидроксильныхгрупп, ароматические ядра содержат метокси-группы и связаны между собойпропильными группами. Молекулярная масса лигнина колеблется от 700 до 6000,его высокая химическая стойкость обусловлена накоплением гуминовых кислот. Таким образом, можно предполагать, что в результате процессовуглеобразования появляются химически стойкие компоненты, а менее стойкиеучаствуют в этих процессах как полупродукты распада. 3. Стадии превращения органических веществ болота являются наиболее благоприятными местами для накопления ипереработки органических продуктов в торф. Заболачивание водоёмовпроисходит различными путями, и зависит от рельефа дна и берегов,проточности воды и т. д. Как в тропической, так и в умеренных зонах болотаделятся на верховые и низинные. Верховые образуются при условии превышенияколичества годовых атмосферных осадков над объёмом испарения ихарактеризуется недостатком питательных веществ для растений. Низинныеболота имеют пологие берега, заросшие тростником и камышами, покрытыплавающими и подводными растениями. Их происхождение связано с понижениемрельефа и они распространены в основном в северных областях. При умеренномклимате годовой прирост торфа в низинных болотах составляет 0,5 – 1,0 мм, ана верховых 1 – 2 мм. Угольные пласты характеризуются следующими основными характеристиками:тип отложений: автохтонный (autos – сам, chtnon – земля) образуется наместе отмирания первичных организмов, аллохтонный – из перемещённыхорганических остатков и характеризуется повышенным содержанием в угляхминеральных примесей.условия отложения. Состав и свойства угля зависят от условий отложенияторфа в пресноводных, озёрных или солоноватых морских водах. Привоздействии морской воды в битуминозных углях повышается содержание серы,азота, водорода, летучих. Известковые воды способствуют уменьшениюкислотности торфа. В аэробных условиях совместное действие кислорода икальция ускоряет разложение. Большинство обогащённых кальцием углейотличается высоким содержанием серы и пирита, что объясняется высокойактивностью бактерий.В зависимости от содержания питательных веществ болота подразделяются наэвтрофные, мезотрофные и олиготрофные. Низинные болота, питающиесянасыщенными питательными веществами подземными водами, являются эвтрофными,их растительность более пышная и разнообразная. Верховые болотаолиготрофны, в них образуется кислый торф с низким содержанием минеральныхвеществ, и соответственно уголь с малым количеством золы.жизнедеятельность бактерий зависит от кислотности торфа. Торф верховыхболот имеет рН = 3,3 – 4,6, а низинных 4,8 – 6,5. степень кислотностизависит от притока воды, типа основания болота, поступления кислорода иконцентрации гуминовых кислот. Бактерии хорошо развиваются при рН = 7,0 –7,5, поэтому чем кислее торф, тем меньше в нём бактерий и лучше сохраняетсяструктура исходных растений.Температура торфа. Разложение торфа зависит от температуры, так как в теплебактерии проявляют повышенную активность. Так при 35 – 40 0С бактерииразлагают целлюлозу с наибольшей скоростью.Окислительно-восстановительный потенциал. Жизнедеятельность бактерийзависит от потенциала. Процессы превращения остатков органическихсоединений при свободном доступе кислорода (аэробные условия) и водыаналогичны медленному горению и называются тлением. Гумификация(перегнивание) характеризуется недостаточным доступом воздуха (анаэробныеусловия) и влаги. Этот процесс приводит к накоплению зауглероженногоостатка (гумуса), часть которого может растворяться в воде. Превращениеорганических веществ в условиях избытка влаги и отсутствия кислорода широкораспространено в природе и называется оторфением; оно приводит к появлениютвёрдых гумусовых продуктов. Образование сапропелей из водорослей ипланктона протекает в отсутствие кислорода под слоем воды(восстановительные реакции) и известно как процессы гниения, илигнилостного брожения. Превращение органических веществ в торф происходит в результатепротекающих химических реакций и деятельности бактерий, поэтому называетсябиохимической углефикацией. Превращение торфа через стадию бурых углей вантрациты называется углефикацией. Степень углефикации характеризуетсяуплотнением (повышением плотности), изменением содержания С, О, Н и выходалетучих. Процесс углефикации ускоряется с ростом температуры и глубина егозависит от времени; давление замедляет химические реакции, протекающие приэтом. 4. Петрографическая характеристика углей результаты петрографического исследования углей (от греческого petros –камень, grapho – пишу) позволяют установить природу исходных органическихматериалов, их генезис, классификацию ТГИ и выбор рациональногоиспользования в народном хозяйстве. В настоящее время петрографическиеисследования углей широко применяются при разведочных и поисковых работах,а петрографические характеристики являются обязательными при утверждениизапасов. Так, в результате исследования углей установлено, что они неявляются гомогенным веществом. Мецералы (macerare – размягчать) не обладаюткристаллическим строением, различаются по химическому составу и физическимсвойствам. В углях обнаружены превращённые частицы растительного иживотного происхождения (например, водоросли, пыльца, споры, кутикулы,смоленые тельца), которые получили название форменных элементов. Другиевещества, которые претерпели более глубокие изменения не могут бытьотнесены к каким-либо определённым исходным веществам, называют основноймассой, которая в тонких шлифах разделяется на прозрачную и непрозрачную(опакмассу). Все мацералы делятся на три группы – витринит, экзинит (липтинит) иинертинит, причём в основе объединения оп группам лежит присущий имхимический состав, происхождение и свойства. Чаще всего встречаются ассоциации мацералов, причём такие сочетанияназываются микролитотипами. Последние подразделяются на моно-, би- итримацеральные; при их отнесении к той или иной группе действует «правило5%»: примесь нетипичных мацералов не должна превышать 5 % на полированнойповерхности 50Ч50 мкм. Разновидности литотипов углей можно различитьневооруженным глазом. Витрен – блестящий, кларен – полублестящий, дюрен –матовый и фюзен – волокнистый уголь. Сапропелевые угли в отличии отгумусовых не содержат слоистостей, однородные по составу и более прочные.Они делятся на кеннельские угли и богхеды. Витриниты являются основным компонентом типичных блестящих углей; ониобразуются из лиственных и древесных тканей в основном за счёт углефикациилигнина и целлюлозы. Широкое распространение витринита в твёрдых горючихископаемых, однородность его состава, физических и химических характеристикобусловили широкое применение его для определения степени и возрастауглефикации при сопоставлении различных отложений. По сравнению с группойэкзинита витринит содержит меньше водорода и больше кислорода, в егоструктуру входят алифатические и ароматические фрагменты. Содержаниеароматических структур с возрастом органической массы угля увеличивается от25 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, образуярезенит или диффузный полимеризованный битум. При разложении экзинитавыделяется 60 – 90 % летучих веществ, 40 – 50 % смол полукоксования; онпрактически не растворим, молекулярная масса ? 3000, в основе структуры –ассоциированные нафтеновые и ароматические гетероциклические системы. Группа инертита включает фюзенит (древесный уголь после пожаров илиобугливания), окисленные остатки, грибки, полимеризованные смолы илиуглеводороды. Элементный состав фюзенита разнороден; он содержит многогидроксильных 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 группыинертита обладают низкой химической активностью, которая незначительноменяется при метаморфизме. Отличаясь высоким выходом летучих, витринитопределяет коксуемость углей, а экзенит характеризует пластические свойствауглей. Подбирая состав шихт из отдельных мацералов в определённомсоотношении, можно значительно расширить сырьевую базу для производствакокса. Для изучения физических и химических свойств петрографическихингредиентов их необходимо выделить из угольной массы. Витрен, фюзен, дбрени кларен можно разделить вручную, особенно в молодых углях; в зрелыхкаменных углях трудно отделить кларен от дюрена. Другой метод заключается врастирании угольного вещества. При этом наименее твёрдый дюрен переходит вмелкие классы. Концентраты ингредиентов можно получить разделением их вжидкостях с различной плотностью. Классификация углей Рациональное использование твёрдых горючих ископаемых в народномхозяйстве возможно при наличии классификации, учитывающей весь комплексфизических, химических и технологических свойств. Однако, несмотря намноголетние работы в этой области, до сих пор не существует единойпромышленно-генетической классификации. В соответствии с американской классификацией угли разделяют нанесколько классов, отличающихся содержанием влаги и летучих, а такжетеплотой сгорания. В основе классификации Грюнера лежит элементный состав,отношение О/Н, плотность, выход и состав кокса. Близкой к ней являетсяклассификация Брокмана, основанная на сопоставлении данных о естественнойвлажности, элементном составе, плотности, выходе и свойствах кокса.Немецкий палеоботаник Потонье создал первую генетическую классификациютвёрдых горючих ископаемых всех видов. В основе её было деление минералов,образованных из живых организмов. Минералы, названные биолитами, онразделил на негорючие – акаустобиолиты и горючие – каустобиолиты.Каустобиолиты были разделены на три подгруппы: гуммиты (из многоклеточныхрастений), сапропилиты (из водорослей и планктона) и липтобиолиты (изустойчивых частей растений). К сожалению, современные методы исследованиятвёрдых горючих ископаемых не позволяют чётко установить взаимосвязь междуих происхождением, свойствами и направлением использования в народномхозяйстве. Это объясняется тем, что из одного исходного органическогоматериала в зависимости от глубины и условий превращения могутобразовываться топлива различных видов. Г. Л. Стадников в основуразработанной им естественной классификации положил взаимосвязь междупроисхождением, физико-химическими свойствами исходного материала истадиями их превращения. Он пришёл к выводу, что помимо сапропилитовых игумусовых углей существуют угли смешенных классов – гумусо-сапропилитовые исапропилито-гумусовые, а исходная органическая масса претерпевает тристадии физико-химических превращений: торф, бурый и каменные угли. Следуетотметить, что классификация Г. Л. Стадникова не включает все твердыегорючие ископаемые (например, липтобиолиты) и не может быть использованадля их промышленной оценки. По генетической классификации Ю. А. Жемчужникова угли подразделяются надве 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 однихисходных материалов, но при различных условиях. Позднее А. И. Гинзбургвключил в классификацию условия превращения исходного органическогоматериала. И. И. Аммосов в своей классификации показал связь процессовобразования углей различных типов с исходными материалами. С. М. Григорьевпредложил классификацию горючих ископаемых, основанную на содержании С, Н иО. Н. М. Караваев использовал данные об элементном составе (в атомныхдолях) в атомном отношении Н/С. Это позволило вывести закономерность впроцессах превращения видов топлива. Более общая генетическаяклассификация, учитывающая происхождение и глубину химических превращенийтвёрдых горючих ископаемых, была разработана С. Г. Ароновым и Л. Л.Нестеренко. Таблица 3 Классификация углей по Аронову и Нестеренко| |Класс угля |Стадии химической зрелости || | |торфяная |буроугольная |каменноугольна|антрацитова|| | | | |я |я ||I |Гуммиты |Торф |Бурые угли |Каменные угли |Антрациты || |(преимуществе| |землистые |однородные | || |нно из высших| |Плотные |(блестящие, | || |растений) | |(блестящие, |осажистые) | || | | |матовые, |Неоднородные | || | | |полосчатые) |(полублестящие| || | | | |, матовые) | || | | | |Полосчатые | || | | |Лигниты | | ||II|Липтобиолиты:| | | |– || | |Фахтелит |Пирописсит |Рабдописсит | || |из восков и |(восковой) |(восковой) |(смоляной). | || |смол высших | |Янтарь |Ткибульский | || |растений |Копалы |(смоляной) |смоляной | || | |(смоляные) | |уголь. | || | | | |Конкреции смол| || | | | |в каменных | || | |Фимменит |Подмосковные |углях. | || |из других |(пыльцевой) |(споровые) |Кутикулит | || |форменных | |Тасманит |иркутский. | || |элементов | |(споровый) |Липтобиолиты | || |высших | | |среди | || |растений | | |кизеловских | || | | |«Бумажный» |(лысвенских) | || | | |подмосковный |каменных углей| || | | |уголь |(споровые) | || | | |(кутикуловый) |Кеннели | || | | |Барзасский | | || | | |листовой | | || | | | |Лопинит | || | | | |(споровый) | ||II|Сапропилиты | | | |– ||I |(из низших | | | | || |растений и | | | | || |животного | | | | || |планктона): |Сапропель |Богхеды |Уголь из Люгау| || |собственно |Балхашит |Торбанит | | || |сопропилиты |Куронгит |Марагунит |Кеннели | || |(отруктурные)| | |Богхеды среди | || | | |Касьянит |донецких углей| || | | |Черемхит | | || | |Сапроколлы |Хахарейский | | || | | |Матаганский | | || |сапропелиты | | | | || |(бесструктурн| | | | || |ые) | | | | ||IV|Особые |– |Барзасские |– |– || |твёрдые | |угли | | || |горючие | |Гагаты | | || |ископаемые | |Горючие сланцы| | | Указанные выше научные классификации дают возможность выявитьзависимость между природой исходного органического материала, условиями егопревращения и видом образовавшегося топлива. Между тем возникаетнеобходимость в разработке единой промышленно-генетической классификации,позволяющей квалифицированно определять возможность промышленногоиспользования твердого топлива всех типов. Первые технические классификациибыли основаны на учёте выхода летучих веществ и внешнего вида остаткакоксового королька. В настоящее время приняты бассейновые классификации, основанные на 17действующих стандартах, причём основными являются следующие: Vdaf – выходлетучих веществ в расчете на сухую беззольную массу, %; Y – толщинапластического слоя для каменных углей, мм; Wr – содержание рабочей влаги вбурых углях, % (масс.). В некоторых классификациях каменных углейучитывается индекс Pora – RI, а для бурых углей – выход смолыполукоксования в расчёте на сухую беззольную массу Tskdaf (%) и высшаятеплота сгорания сухого беззольного топлива (кДж/кг). 6. Основные угольные бассейны страы Петрографический состав углей формируется в зависимости от условийуглеобразования и состава растительности. Девонские угли представленыкутикуловыми липтобиолитами (Барзасское месторождение), нижнекарбоновыеугли в значительной степени состоят из оболочек микро- и макроспор(Кизеловский и Подмосковный бассейны), угли Вестфальской провинцииобразованы из лигнино-целлюлозных остатков и содержат более 75 -80 %витринита и до 10 – 12 % фюзенита (Донецкий бассейн). Угли Тунгускойпровинции содержат до 30 – 40 % фюзенита (Кузнецкий и Тунгусский бассейны).Нижнепермские угли этих же бассейнов образовались главным образом издревесины в условиях фюзинизации тканей (содержание фюзенита 50 – 60 %). Вотличие от Нижнепермских, в углях Верхнепермского месторождения,образованных из лиственных тканей, преобладают витриниты. Среднеазиатскиеугли содержат до 60 – 70 % фюзенита, тогда как в углях Канско-Ачинского иИркутского 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 ДальнегоВостока. ЛитератураХимия 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 нефтехимическогосинтеза: Учебник для вузов 4-е изд., перераб. доп. – М. Химия, 1988. – 592с.: ил.----------------------- Исходный органический материал Торф Бурый уголь Каменный уголь Антрацит Графит123456