Каменный уголь

Химическая структура угля Каменный уголь (рус. уголь каменный, англ. Black, bitoumi-nous, mineral coal; нем. Stein-kohle) – твердая горючее полезное ископаемое, один из видов угля ископаемого, промежуточный между бурым углем и антрацитом.
Плотная порода черного, иногда серо-черного цвета. Блеск смоляной или металлический. В органическом веществе каменного угля содержится 75-92% углерода, 2,5-5,7% водорода, 1,5-15% кислорода. Содержит 2-48% летучих веществ. Влажность 1-12%. Высшая теплота сгорания в пересчете на сухой беззольный состояние 30,5-36,8 МДж / кг. Каменный уголь относится к гумолитив; сапропелиты и гумитосапропелиты присутствуют в виде линз и небольших слоев.
Образование каменного угля характерно почти для всех геологических систем – от девона до неогена (включительно), оно активно образовалось в карбоне, перми, юре. Залегает уголь в форме пластов и линзовидних залежей различной мощности (от десятков см до нескольких десятков и сотен м) на разных глубинах (от выходов на поверхность до 2500 м и глубже).
Каменный уголь характеризуется нейтральным составом органической массы. Оно не реагирует со слабыми щелочами ни в обычных условиях, ни под давлением. Битумы каменного угля, в отличие от бурых углей, представлены преимущественно соединениями ароматической структуры. В каменном угле не обнаружены жирные кислоты и эфиры, мало соединений со структурой парафинов.
Угольная вещество является неферромагнитных (диамагнитной), минеральные примеси характеризуются парамагнитными свойствами. Магнитная восприимчивость угля возрастает с увеличением их стадии метаморфизма. По своим тепловыми свойствами каменный уголь приближается к теплоизоляторов.
Главные технологические свойства каменного угля, определяющие его ценность: спекаемость и коксовая способность. Стандартный показатель спекаемости – индекс Рога (RI) и толщина пластического слоя в аппарате Л. Н. Сапожникова.
Каменный уголь образовался из продуктов разложения органических остатков растений, подвергшихся изменения (метаморфизм) в условиях высокого давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры.
При погружении угленосной толщи на глубину в условиях повышения давления и температуры происходит последовательное превращение органической массы, изменение ее химического состава, физических свойств и молекулярного строения. Все эти преобразования обозначаются термином «региональный метаморфизм углей». На конечной (высшей) стадии метаморфизма каменный уголь превращается в антрацит с ярко выраженной кристаллической структурой графита. Кроме регионального метаморфизма, иногда (реже) имеют место преобразования от воздействием тепла изверженных пород, находящихся рядом с угленосными толщами (перекрывают или подстилающих их) – термальный метаморфизм, а также непосредственно в угольных пластах – контактов метаморфизм. Рост степени метаморфизма в органическом веществе каменного угля прослеживается последовательным увеличением относительного содержания углерода и уменьшением содержания кислорода и водорода. Последовательно снижается выход летучих веществ (от 50 до 8% в пересчете на сухой беззольный состояние); изменяются также теплота сгорания, способность спекаться и физические свойства угля. В частности линейно меняются блеск, отражательная способность витринита, насыпная масса угля и другие свойства. Другие важные физические свойства (пористость, плотность, плотность, спекаемость, теплота сгорания, упругие свойства и др.) изменяются или выразительнее ярко выраженным параболическим законом или смешанным.
Как оптический критерий стадии метаморфизма угля используется показатель отражательной способности витринита, он применяется также и в нефтяной геологии для установления стадии катагенного преобразования осадочной толщи, вмещающей органическое вещество. Отражательная способность витринита в масляной иммерсии (R0) последовательно возрастает от 0,5-0,65% для угля марки Д до 2-2,5% для угля марки Т.
Плотность и плотность каменного угля зависят от петрографического состава, количества и характера минеральных примесей и степени метаморфизма. Наибольшей плотностью (1300-1500 кг / м 3) характеризуются компоненты группы фюзиниту, наименьшей (1280-1300 кг / м 3) – группы витринита. Изменение плотности с повышением степени метаморфизма происходит параболическим законом с инверсией в зоне перехода к группе жирных; в малозольных проявлениях она снижается от угля марки Д до марки Ж в среднем от 1370 до 1280 кг / м 3 и затем последовательно возрастает для угля марки Т до 1340 кг / м 3.
Общая пористость угля изменяется также по экстремальным законом; для донецкого угля марки Д она составляет 22-14%, угля марки К 4-8% и увеличивается (вероятно, вследствие разрыхления) до 10-15% для угля марки Т. Поры в угле разделяют на макропоры (сер. диаметр 500х10-10 м и микропоры (5-15) х10-10 г. Промежуток занимают мезопор. Макропористисть уменьшается с увеличением стадии метаморфизма, а микропор – наоборот. Эндогенная (развита в процессе образования угля) трищиннисть, оцениваемый количеством трещин на каждые 5 см блестящего угля, контролируется стадией метаморфизма угля: она возрастает до 12 трещин при переходе бурых углей в длиннопламенного, имеет максимум в 35-60 для коксующегося угля и последовательно уменьшается до 12-15 трещин при переходе к антрацитов. Такой же закономерности подчиненные изменения упругих свойств угля – модуля Юнга, коэффициента Пуассона, модуля сдвига (среза), скорости ультразвука. Механическая прочность каменного угля характеризуется их дробимистю, хрупкостью и твердостью, временным сопротивлением сжатию.
Каменный уголь разделяют на блестяще, напивблискуче, полуматовый, матовый. В зависимости от преобладания тех или иных петрографических компонентов выделяют витренове, кларенове, дюрено-кларенове, кларено-дюренове, дюренове и фюзенове каменный уголь. Пласты угля могут быть сложены одним из указанных литотипив, чаще их чередованием. Как правило, блестящие отмены угля малозольные вследствие незначительного содержания минеральных примесей.
В структуру органического вещества угля выделено 4 типа (телинитова, посттелинитова, преколинитова и колинитова), которые являются последовательными стадиями единого процесса разложения лигнина-целлюлозных тканей. К генетическим групп каменного угля, кроме этих 4 типов, дополнительно включено лейптинитове угля. Каждая из 5 генетических групп по типу вещества микрокомпонентов угля разделена на соответствующие классы.
Существует много видов классификации каменного угля: за вещественному составу, петрографическому составу, генетические, химико-технологические, промышленные и смешанные. Генетические классификации характеризуют условия накопления угля, вещественные и петрографические – его вещественный и петрографический состав, химико-технологические – химический состав угля, процессы формирования и промышленной переработки, промышленные – технологическое группировки видов угля в зависимости от требований промышленности. Классификации углей в пластах используются для характеристики угольных месторождений.
Промышленная классификация угля



За основу промышленной классификации каменного угля в отдельных странах принимаются различные параметры свойств и состава угля: в США каменный уголь классифицируют по теплоте сгорания, содержанию связанного углерода и относительным содержанием летучих веществ, в Японии – по теплоте сгорания, так называемым топливным коэффициентом и прочностью кокса или неспособностью к коксования. В СССР до 1954 г. как основная промышленная классификация действовала разработана в 1930 г. В. С. Крымом так называемая Донецкая классификация. Она называется иногда «марочным», одновременно является и генетической, поскольку положенные в ее основу изменения свойств угля отражают их связь с генетическим развитием органического вещества угля.
В Украине использовалась стандартизированная классификация угля. По среднему выходом летучих веществ (V daf) и характеристикой нелетучего остатка с учетом спекаемости и величины теплоты сгорания уголь разделяли на 10 основных марок: длиннопламенного (Д), газовое (Г), газовожирне (ГЖ), жирные (Ж), коксовый жирное (КЖ), коксующийся (К), коксовые второе (К2), слабоспекающиеся (СС), описнене спекающийся (ОС) и тощие (П). От марки Д к марки П содержание углерода последовательно увеличивается от 76 до 92%, а выход летучих веществ уменьшается с 42 до 7-12%. В каждой из марок, кроме Д и Г, по технологическим свойствам выделяют несколько технологических групп. Для Донбасса выделяют следующие марки углей: Д, Г, ГЖ, Ж, К, ОС, П; для Львовско-Волынского бассейна: Д, Г, ГЖ, Ж
Классификация угля все время совершенствуется. Одним из перспективных считается геолого-промышленная классификация, концепция которой предложена в последние годы ХХ века Украинский учеными (С. Д. Пожидаев и др.). Последний вариант классификации угля нормирован По Стандартом Украине «Уголь бурый, каменный и антрацит» (ДСТУ 3472-96) – см. ископаемый уголь.
Крупнейшие разведанные запасы каменного угля в Украине сосредоточены в Донецком каменноугольном бассейне и во Львовско-Волынском угольном бассейне.
За рубежом – в Карагандинском, Юго-Якутском, Минусинск, Буреинского, Тунгусскому, Ленском, Таймырском, Аппалачскому, Пенсильванском, Нижнерейнского-Вестфальскому (Рурском), Верхнесилезькому, Остравско-Карвинский, Шаньси, Юго-Уэльскому бассейнах.
Каменный уголь используется как технологическая, энерго-технологическая и энергетическое сырье, при производстве кокса и полукокса с получением большого количества химических продуктов (нафталин, фенолы, пек и др.), на основе которых получают удобрения, пластмассы, синтетические волокна, лаки, краски и т.д.
Один из наиболее перспективных направлений использования каменного угля – сжижения (сжижения) – гидрогенизация угля с получением жидкого топлива.
При переработке каменного угля получают также:
Существуют различные схемы неэнергетического использования каменного угля на основе термохимической, химической и другой переработки с целью их полного комплексного использования и обеспечения охраны окружающей среды. Для удовлетворения потребностей экономики Украины ежегодно использует около 100 млн. т угля, из которых почти 80 млн. т добываемого отечественными предприятиями.