Ископаемые угли твердые горючие полезные ископаемые
Стадии образования
В настоящее время различают три стадии (или три возраста) образования твердых горючих:
- торфяная
- буроугольная
- каменноугольная
Торфяная стадия
Торфяная стадия характеризуется наличием химически неизменных мало форменных элементов растений в основной аморфной, иногда в пластической массе. Растительный материал претерпевает разложение трех типов: тление, перегнивание и образование торфа, причем последнее – превращение органического вещества практически без доступа воздуха под действием анаэробных бактерий под слоем волы.
Торф в естественном состоянии это довольно сухая рассыпчатая масса бурого цвета или обводненная пластическая масса до черно-бурого цвета. Она является продуктом разложения опавших листьев, хвои, веток и поваленных деревьев.
В отличие от торфа сапропели (или жировые торфы) представляют собой мягкие резиноподобные образования, легко горят с выделением густого черною дыма. Исходным веществом сапропелей служат водоросли и мельчайшие микроорганизмы. Торф содержит, углерода 70 – 80, водорода 10 – 12, азота 0,6 – 0,7, кислорода 7 – 14 и 0,1 – 10 %.
Буроугольная стадия
Буроугольная стадия характеризуется кислотными свойствами всей или части аморфной массы, потерей пластичности и полным отсутствием неразложившихся элементов растений. Бурый уголь может представлять собой: однородную, землистого вида бурую или черную массу, микроскопически однородную и не содержащую включений. Он содержит много влаги и на ощупь похож на свежевыкопанную землю.
Есть разновидность бурых углей – богхеды, или чисто сапропелитовые угли.
Каменноугольная стадия
Угли имеют черный цвет, бывают матовыми или блестящими, в них полностью отсутствуют вещества, растворимые в горячей водной щелочи. Ряд каменных углей заканчивается антрацитами – совершенно черными блестящими образованиями с высокой твердостью и плотностью. Они содержат самый высокий процент углерода. Встречаются каменные угли, имеющие вид серовато-черной массы (матовые угли), угли с меняющимися слоями (полосчатые) и угли, похожие на древесный уголь (волокнистые угли).
Сланцы
Сланцы занимают обособленное место среди твердых горючих ископаемых из-за высокого содержания в них минеральных веществ. По составу органической массы они относятся к сапропелитовым образованиям (но условия их происхождения отличаются).
Месторождений сланцев много и делятся они на малосернистые (до 2 % серы) и сернистые (2-8 % серы). К первым относятся эстонские сланцы, ко вторым – сланцы Среднего и Нижнего Поволжья. Органическую массу сланцев называют керогеном, причем содержание его в сланцах от светлого до темно-бурого цвета составляет 35 % (до 55 %), в коричневых и черных сланцах – до 35 %, а зольность их в среднем равна 60-65 %. Органическая масса сланцев состоит из углерода (66-77 %), водорода (7,5-9,5 %), серы (1,8-10 %), кислорода (11-15 %) и азота (0,4-1 %).
Битумы
Твердые горючие ископаемые существенно различаются по элементному составу и еще больше по химическому анализу продуктов их экстракции (битумов) различными растворителями. В зависимости от природы твердого топлива выход и свойства битумов сильно меняются.
Как воски, так и смолы торфяных битумов содержат свободные кислоты и омыляемые вещества. Среди неомыляемых обнаружены триаконтан С33Н68 и пентатриаконтан С35Н72, а также предельный спирт С27Н50ОН и другие кислородсодержащие соединения. В торфах кроме перечисленных веществ содержатся органические кислоты, начиная с гомологов уксусной кислоты и кончая сложными.
Битумы богхедов, выделенные спирто-бензольной смесью, представляют собой смесь высокомолекулярных кислот и их ангидридов в неполимеризованном виде. Битумы слоистых богхедов почти целиком состоят из насыщенных углеводородов и ангидридов насыщенных кислот, кетонов и лактонов.
В битумах бурых углей в больших количествах входят смеси кислот и омыляемых веществ. Были выделены спирты С24Н49ОН (тетракозан), С2бН53ОН (цериловый) и СзоН61ОН (мирициловый), а также кислоты С25 – С30.
Битумы более зрелых бурых углей отличаются от битумов землистых бурых углей: они заметно заполимеризованы, поэтому сохраняют кислотные свойства, типичные для битумов буроугольной стадии.
Битумы каменных углей нейтральны, т.е. не содержат ни свободных кислот, ни ангидридов. Нейтральна и гумусовая составная часть этих углей. Выделенные из битумов каменных углей циклические углеводороды представляют составную часть бальзамов растений, превратившихся в уголь и оставшихся без всяких изменений.
Было показано, что если экстракцию бензолом или спирто-бензольной смесью проводить при 250 – 270оС и давлении 5,0 – 5,5 МПа, выход битумов может быть существенно повышен (до 2,4 – 5,0%).
Из каменных и бурых углей экстракцией растворителями выделяют воски – высокомолекулярные высокоплавкие (температура плавления 80 – 120оС) воски. Они представляют собой твердые кристаллические преимущественно н-алкановые углеводороды.
В настоящее время под каменным углем понимают уголь, имеющий высшую теплоту сгорания более 5700 ккал/кг. Угли классифицируют на классы по выходу летучих (от 0 – 3 до > 33%), теплоте сгорания (от 5700 – 6100 до 7750 ккал/кг) и на группы – по способности углей спекаться.
Ископаемые угли — твердые горючие полезные ископаемые осадочного происхождения. В состав углей входят: органическое вещество (продукт преобразования высших и низших растений с участием микроорганизмов), планктон, минеральные примеси и влага. Угли залегают в земной коре в виде пластов, пластообразных и линзовых залежей, имеют землистую, слоистую или зернистую структуру; цвет углей от коричневого до черного.
Глубина залегания углей различна, от выхода на поверхность до глубины 2000—2500 м от поверхности и ниже. При современном уровне горной техники добыча каменного угля может производиться открытым способом до глубины 350 м.
На первой стадии образования угля растительные останки превращаются в торф, а планктон — в сапропель.
На второй стадии углефикации, т.е. увеличения содержания углерода с одновременным снижением содержания кислорода, образуются ископаемые угли, которые в зависимости от степени углификации делятся на три группы: бурые, каменные и антрациты.
Бурые угли — это ископаемые угли, имеющие высшую удельную теплоту сгорания влажной беззольной массы менее 23,8 МДж/кг. В их состав входит значительное количество минеральных примесей, влаги и серы.
Содержание влаги в рабочей массе бурых углей для различных месторождений неодинаково и колеблется в пределах от 12 до 57,5 %. По содержанию влаги бурые угли делятся на три группы.
Группа Б1 содержит более 40 % влаги в рабочей массе углей; группа Б2 — от 30 до 40 %; группа БЗ — менее 30 %. Зольность сухой массы топлива для бурых углей различных месторождений колеблется от 4 до 45,2 %, а содержание серы в сухой массе топлива достигает от 0,2 до 7,8 %. Теплота сгорания на рабочую массу у бурых углей по сравнению с каменными и антрацитами невелика и составляет от 4,2 до 18,8МДж/кг. Бурые угли легко загораются и горят длинным коптящим пламенем. Плотность бурых углей колеблется от 0,65 до 0,85 т/м3, они имеют небольшую твердость и малую механическую прочность. Бурые угли находят применение в качестве сырья для химического производства, но наиболее широко они используются как энергетическое топливо.
Каменный уголь (уголь средней углефикации) содержит в горючей массе 75—97 % углерода, от 9 до 45 % летучих веществ; теплота сгорания 30,1-36,6 МДж/кг. По выходу летучих веществ и спекаемости каменный уголь и антрацит делятся на марки: длиннопламенные (Д), газовые (Г), газово-жирные (ГЖ), жирные (Ж), коксово-жирные (КЖ), коксовые (К), отощенно-спекающиеся (ОС), тощие (Т), слабоспекающиеся (СС). В зависимости от назначения каменные угли делятся на топочные и газовые. Плотность каменных углей различных марок и месторождений неодинакова и изменяется в пределах от 0,68 до 0,96 т/м3.
Антрациты имеют черную окраску, часто с сероватым оттенком и металлическим блеском. Куски антрацита отличаются значительной твердостью и хрупкостью. Плотность антрацитов составляет от 0,85 до 1,15т/м3. Антрациты содержат сравнительно мало летучих веществ, влаги и золы. По своим качественным показателям антрациты не пригодны для химической переработки и коксования и используются как высококалорийное топливо.
Добыча ископаемых углей производится закрытым (в шахтах) и открытым (в разрезах) способами. Разработка углей в шахтах осуществляется механическими и гидравлическими методами. При использовании последнего метода происходит обводнение добытого топлива.
Добытые ископаемые угли засорены минеральными примесями — пустой породой. Использование их в таком виде малоэффективно, поэтому после добычи угля его обогащают путем удаления минеральных примесей и серы. Для обогащения ископаемых углей используются углемоечные машины, процессы флотации, сепарации и другие способы.
Гранулометрический состав. Чем крупнее отдельные куски ископаемых углей, тем меньше содержание минеральных примесей и выше качество углей, поэтому после добычи производят сортировку ископаемых углей по размерам отдельных кусков. Классификация ископаемых углей по размеру кусков приведена в табл. 7.2.
Таблица 7.2
Классификация ископаемых углей по размеру кусков
Наименование класса крупности | Обозначение | Размеры кусков, мм |
Плитный | П | 100-200(300)* |
Крупный | К | 50-100 |
Орех | О | 25-50 |
Мелкий | М | 13-25 |
Семечко | С | 6-13 |
Штыб | Ш | 0-6 |
Рядовой | Р | 0-200(300)* |
* Верхний предел 300 мм в классах плитный и рядовой распространяется на предприятия с открытым способом добычи ископаемых углей.
Увеличение содержания в составе топлива мелких фракций ухудшает качество угля, приводит к увеличению интенсивности окисления, росту механических потерь при выполнении погрузочно-разгрузочных операций, увеличивает размеры потерь через вытяжное отверстие и колосниковую решетку, а также от выдувания и просыпания через неплотности кузова вагона при перевозке по железным дорогам.
Наибольшие изменения в гранулометрическом составе ископаемых углей происходят в процессе выполнения погрузочно-разгрузочных операций. Так, при выгрузке углей на эстакадах высотой 3,5 м образуется до 15,5 % мелочи, соответственно на эстакадах высотой 2,3 м — до 3 %. При разовом использовании грейфера образуется до 2,2 % угля мелких фракций. Таким образом, уменьшение числа погрузочно-разгрузочных операций в процессе доставки топлива потребителям позволяет сократить потери от измельчения ископаемых углей.
Смерзаемость. В зимний период ископаемые угли подвержены смерзанию, в особенности после гидродобычи и прохождения мокрого обогащения. Глубина промерзания ископаемых углей зависит от влажности, длительности перевозки, температуры наружного воздуха и величины коэффициента теплопроводности. Установлено, что угли с большей плотностью обладают и большим коэффициентом теплопроводности. Для предотвращения смерзания грузоотправители обязаны снизить влажность углей до безопасных пределов: каменные угли — 7 %, бурые угли — 30 %. Если это невозможно, то грузоотправитель должен применить профилактические мероприятия, направленные на предотвращение или уменьшение степени смерзания.
Сыпучесть ископаемых углей характеризуется углом естественного откоса равным 40—45°. При расформировании штабелей сильно уплотненных влажных углей угол естественного откоса может достигать 90°, что создает опасность обвалов.
Самовозгорание. Ископаемые угли обладают способностью поглощать кислород воздуха. Повышенной окислительной способностью характеризуются свежедобытые угли, размельченные при погрузочно-разгрузочных работах и угли, имеющие более молодой геологический возраст. Склонность ископаемых углей к самонагреванию и самовозгоранию объясняется способностью поглощать кислород воздуха. По мере окисления происходит накопление и выделение тепла. Повышение температуры в штабеле угля ускоряет процесс окисления, т.е. усиливает процесс выделения тепла. В конечном счете может произойти самовозгорание углей. Особенно интенсивно процессы самонагревания и самовозгорания протекают в ископаемых углях, имеющих значительное содержание серного колчедана, металлических и органических примесей (древесные отходы, пакля, тряпье, масла и т.д.) и чрезмерную влажность.
Склонность к поглощению кислорода воздуха, выветриванию, пылению и другие особенности определяют предельные сроки и условия хранения ископаемых углей.
Места очагов самонагревания могут быть определены по внешним признакам состояния поверхностей штабелей угля. К ним относятся: появление влажных пятен на поверхности штабеля или быстрое высыхание после дождя отдельных мест с образованием сухих пятен; появление белых пятен, исчезающих в дневное время или после дождя, появление над штабелем легкого тумана из теплого воздуха в утренние и вечерние часы, наличие невысыхающих влажных пятен; появление проталин на снежном покрове штабеля, появление запаха углеводорода и сернистых соединений, появление легкого белого или голубоватого дыма, искрение в ночное время.
Однако контроль состояния штабелей угля только по внешним признакам недостаточен. При сроках хранения ископаемых углей более 10 суток необходимо систематически измерять температуру угля внутри штабеля. Для этого применяются ртутные термометры. Термометр заключен в металлическую оправу, а ртутный шарик погружен в машинное масло. Это позволяет в течение некоторого времени сохранить показания термометра после его извлечения из контрольной трубы. Для измерения температуры термометр опускают на шнуре в контрольную трубу на требуемую глубину и выдерживают в течении 30 мин. При достижении температуры угля в штабеле 45 °С необходимо принять меры к ликвидации очагов самонагревания.
Применение каменного угля многообразно. Уголь используется как бытовое, энергетическое топливо, сырье для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Угольная, коксохимическая промышленность, отрасли тяжелой промышленности осуществляют переработку каменного угля методом коксования.
ВВЕДЕНИЕ
Твердые горючие ископаемые (уголь, торф, сланцы) являются ценным источником энергии. Человечество давно узнало и оценило их важность для себя. Кроме этого, область применения твердых горючих ископаемых непрерывно расширяется благодаря достижениям современной науки и техники.
[sms]
Ископаемое твердое топливо универсально в отношении применения его в химической промышленности. Оно содержит в себе многие из веществ, которые человек может получить только путем синтеза. Переработка углей, например, позволяет получить смесь реакционноспособных соединений, которая потом используется в качестве сырья для многих синтезов в различных отраслях химической промышленности, сельского хозяйства и т. д. Так, широко используемые в сельском хозяйстве гуминовые кислоты (удобрения) выделяют из бурых углей.
Полноценно использовать то или иное ископаемое можно только в том случае, когда нам известны его химический состав и физические свойства. Данный реферат рассматривает основные характеристики ископаемых и способы их применения.
ОБРАЗОВАНИЕ УГЛЕЙ
Угли, как и другие твердые горючие ископаемые, были образованы различными растениями в процессе их отмирания.
Образование гумусовых углей
В далеком прошлом на огромных незаболоченных пространствах произрастали пышные леса. Для бурного роста деревьев были все условия – теплый влажный воздух, насыщенный углекислым газом. Но вместе с бурным ростом такие условия способствовали и бурному отмиранию растений. Падая на землю, растения или их части подвергались разложению при свободном доступе воздуха. Эти условия приводили к тому, что разложение целлюлозы проходило очень быстро.В результате огромная масса растительного материала быстро превращалась в смесь гуминовых кислот с незначительными примесями восков, углеводородов и смол. Однако образованная таким способом масса почти полностью разлагается микроорганизмами, поэтому больших количеств растительного материала в тех условиях образоваться не могло.
Описанным выше образом получался сухой торф. Если его скопление покрывалось какой-либо породой (например, песком), то даже под внешним давлением никаких значительных изменений с ним не происходило. Не обладая пластичностью ,масса не могла расслаиваться и перемещаться.Масса не содержала в себе остатков неразложившегося вещества ,поэтому и дальнейших процессов разложения в ней не было. Следовательно, повышения температуры в слоях сухого торфа не происходило. Можно сказать, что с течением времени в пластах сухого торфа протекали только незначительные изменения, например уплотнение пластов.
Уплотняясь,гуминовые кислоты лишались карбоксильной группы(протекал процесс декарбоксилирования) и превращались в гуммиты;сиолы также подвергались декарбоксилированию, а воски не меняли своего строения. Результатом этого процесса было образование бурых гумусовых углей.
Под воздействием определенных факторов окружающей среды бурые гумсовые угли превращались в гумусовый каменный уголь. Это происходило под действием высокого давления на буроугольные гумусовые пласты и сопровождалось повышением температуры, в результате чего активировалось разложение и декарбоксилирование гумусовых кислот; также происходила полимеризация смол и восков, что приводило к образованию неплавких и нерастворимых в воде высокомолекулярных соединений.
Смешанные угли
Очень редко в природе встречались условия для образования чистых гумусовых углей. Чаще всего образовывались угли смешанного характера .Предполагают, что их образование протекало по нескольким возможным механизмам.
Гумусовые вещества могли заноситься в водоем и медленно оседать на дно. Разрастающийся планктон со временем оседал на дно и смешивался с гумусовыми веществами. Частично разложившийся растительный материал и значительное количество гуминовых кислот приносили воды , размывающии торфянники.
Могло быть и иначе. ПОсле мощных осадков в водоёмы врывался бурный поток воды ,содержащий минеральные вещества и гумусовый материал.Первыми на дно оседали минеральные вещества , а гумусовый материал действовал как окислитель на ненасыщенные кислоты планктона. Опускаясь на дно , эти соединения подвергались полимеризации.
Постепенное отмирание планктона приводило к накоплению в природной части водоемов жирового материала. Отсутствие кислорода (т. н. анаэробные условия) способствовало его дегидратации и дальнейшей полимеризации .Современем на этих участках получалась однородная масса, впоследствии образовавшая витрит-уголь смешанного происхождения.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ УГЛЕЙ
Основные различия твердых горючих ископаемых зависят в первую очередь от того, насколько отличается их химический состав. Химический состав – совокупность веществ, составляющих ископаемое. Рассмотрим наиболее важные составляющие углей и углеобразователи.
Органическая масса всех горючих ископаемых содержит одни и те же основые элементы: углерод, водород, кислород, азот и серу, однако их количество различно в зависимости от вида ископаемого. Для примера рассмотрим средний элементный состав некоторых ископаемых.
Одинаковый качественный и разный количественный состав горючих ископаемых говорит о том, что произошли они из одного и того же природного материала – остатков растений и животных, но под действием разных условий окружающей среды.
Из веществ, входящих в состав растений , в особую группу выделяют вещества, способные участвовать в процессе углеобразования – углеобразователи :
• белки – природные соединения макромолекулярного строения; общей характеристикой белков является образование аминокислот при гидролизе;
• целлюлоза (С6Н10О5) – полимер линейной структуры, основной строительный материал растений;
• воски – сложные эфиры высших карбоновых кислот и алифатических спиртов нормального строения;
*’ смолы – сложные смеси карбоновых кислот, омыляемых и неомыляемых соединений. Смолы могут подвергаться полимеризации и декарбоксилированию.
МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ
Переработка углей позволяет улучшить их свойства, а кроме того, получать из углей многие ценные вещества. Так, например, широко распространено получение из твердых горючих ископаемых газообразного топлива и использование их для получения синтетического топлива. Для этого разработаны несколько методов высокотемпературной обработки угля: пиролиз, газификация и др.
Термическая переработка угля по степени конверсии делится на подсушку, полукоксование, коксование, безостаточную газификацию. Рассмотрим эти процессы подробнее.
Подсушка – процесс, предшествующий полукоксованию. Подсушке направлена на удаление из угля связанной воды. Процесс проводят при температурах не выше 160 °С. Во время подсушки разложения угля не происходит. Если подсушку проводить с доступом воздуха, то может происходить окисление топлива.
Повышение температуры до 200-250 °С приводит к газовыделению из угля – в основном выделяется оксид углерода(IV) и пары воды.Также возможно выделение сероводорода. Если температуру поднимать до 300- 350 оС ,то количество выделяющихся газов резко возрастает. Одновремен начинается выделение паров дегтя – конденсирующихся жидких продуктов .Максимальное количество дегтя выделяется при 500-550 оС. Описанные процессы называются полукоксованием, а продукт полукоксования – первичным дегтем.
Остаток после полукоксования называется полукоксом. Он содержит большое количество летучих соединений и направляется на дальнейшую переработку. Газ полукосования содержит в основном оксид углерода(IV),большое количество предельных и непредельных углеводородов.
Коксование – термический процесс переработки каменных углей.Он заключается в нагревании каменных углей без доступа воздуха до 1000-1100о С. В этих условиях происходит разложение углей на летучие продукты (сырой , или прямой, газ) и твердый остаток – кокс. Кокс направляется для дальнейшего использования (преимущественно в металлургической промышленности ), а сырой газ отправляют на переработку.
В состав сырого газа входят амиак , бензол, пары смолы, цианистый водород, сероводород и угольная пыль. Количественный состав сырого газа зависит от химического состава углей, подвергшихся коксованию.
Поскольку из сырого газа можно получить многие полезные вещества ,то его направляют на освобождение от них .В основном улавливают такие ценные ‘ продукты, как аммиак, бензол. Аммиак связывают серной кислотой , а бензол извлекают поглотительным маслом. Затем сырой газ очищают от сероводорода и цианистого водорода и используют как топливо или сырье для дальнейшей химической переработки.
Газификация – процесс термического взаимодействия углерода топлива с окислителями с целью получения горючих газов . продуктами газификации обычно являются водород Н2 , оксид углерода (II) СО, метан СН4. Соотношение продуктов в полученной смеси газов может быть различным в зависимости от того, какими были температура, давленивление, продолжительность реакции, соотношение исходных реагентов и другие факторы реакции.
Окислителями в реакциях газификации обычно выступают кислород,водяной пар, оксид углерода(IV), воздух, обогащенный кислородом, и их смеси самого разного состава.
‘Основной целью газификации твердого топлива в промышлек целях является получение синтез-газа – смеси оксида углерода(II) и водорода.
Основные реакции, протекающие при газификации топлива, можно описать следующими уравнениями реакций:
С + С02->2СО
С + 2Н2->СН4
С + Н2О->СО2 + Н2
Газификацию проводят в специальных аппаратах – газогенераторах, поэтому образующийся газ называют генераторным. В зависимости от условий проведения газификации генераторные газы могут иметь различный состав. Для характеристики состава вводят понятие идеального генераторного газа – газ, образовавшийся путём воздействия газифицирующихся агентов(О2 или Н2) и чистого углерода , в результате чего образуются только горючие компоненты.
Реальные генераторные газы по составу отличаются от идеальных. Это иллюстрирует следующая таблица:
Генераторные газы могут использоваться в дальнейшей химической переработке или в качестве газового топлива. Так, часть генераторных газов идет на отопительный газ и бытовой газ, оба из которых обладают высокой теплотой сгорания. Если генераторный газ планируется использовать в качестве химического сырья, то его предварительно очищают от окислителей (С02) и балласта(N2).
Используемый в синтезах генераторный газ должен содержать СО и Н2. В зависимости от того в каком именно синтезе будет задействован газ, содержание компонентов в нем будет различно. Соотношение СО:Н2 можно изменить с помоощью следующих процессов:
– увеличить содержание Н2 каталетической конверсией оксида углерода( II):
СО +Н2О ->CO2 + H2
– Увеличить выход синтез-газа каталитической конверсией метана:
CH 4 + H2O -> CO + 3H2 [/sms]