Химия и физика горючих ископаемых

Вітриніт має середню в порівнянні з іншими групами мікрокомпонентів відбивну здатність, і вона зростає по мірі збільшення вуглефікації. Частіше відбивна здатність телініту вище, ніж у колініту, але зусрічається і навпаки, якщо оболонки первинних клітин містили велику кількість целюлози. Для вітрініту характерне подвійне відбиття (анізотропія відбивної здатності), яку можна спостерігати навіть у вітриніта молодого кам'яного вугілля, а із збільшенням ступеня вуглефікації вона виявляється особливо виразно.

Твердість вітриніту змінюється в ряді вуглефікації за екстремальною кривою, з мінімумом для вугілля з виходом летких речовин біля 15 %. Вітриніт крихкий і при натисненні легко тріскається і розколюється на прямокутні призми або кубики великих розмірів, а також на дуже дрібні уламки, що скупчуються у вигляді тонкого пилу. Опір вітриніту стисненню меншає від довгополум'яного вугілля до коксівного, потім при підвищенні ступеня углефікації знов зростає.

Пористість вітриніту, визначена  за ізотермами адсорбції, змінюється в залежності від ступеня вуглефікації від 0,05 см³/г для вітриніту із вмістом вуглецю 71 % до 0,03 см³/г для вітриніту C_daf= 94 % з мінімумом, що дорівнює 0,025 см³/г, у вітриніта із вмістом вуглецю 89 %. Вміст вітриніта у вугіллі Донбасу становить 85-95 %.

Група семівітриніту за фізичними, фізико-хімічними і хіміко-технологічними властивостями займає проміжне положення  між групами вітриніту і фюзиніту, знаходячись ближче до вітриніту. Мікрокомпоненти  цієї групи (семіколініт і семітелініт) не мають рельєфу, колір у них сірий або білувато-сірий, але завжди більш світлий, ніж у ізометаморфних мікрокомпонентів групи вітриніту. У процесі коксування семівітриніти здатні розм'якшуватися, не переходячи в пластичний стан, і володіють здатністю спікатися з іншими мікрокомпонентами. Семіколініт є безструктурним мікрокомпонентом, а семітелініт характеризується наявністю клітинної структури різного ступеня збереження. Оскільки їх важко розрізнити при клітинній структурі, що погано збереглася, то при масових підрахунках обидва мікрокомпоненти визначаються спільно.

Мікрокомпоненти групи фюзиніту характеризуються високою відбивною здатністю  і різко вираженим мікрорельєфом. Їх колір змінюється від білого до жовтого у відбитому світлі, а  в прохідному світлі він чорний.

Структура рослинної тканини в фюзиніті найбільш збереглася. Іноді навіть можна виразно бачити внутрішньоклітинний простір. Порожнини клітин звичайно пусті, але іноді заповнені мінералами. У фюзиніті третинного і мезозойського вугілля можна розрізнювати річні кільця за чергуванням клітин з широкими і вузькими порожнинами.

У торфі, бурому і кам'яному вугіллі  зустрічаються різні кількості  фюзиніту. Частіше його частка незначна і не перевищує декількох процентів. Як правило, в торфі і бурому вугіллі  фюзиніту міститься набагато менше, ніж в кам'яному вугіллі. Багаті фюзинітом деякі пермські і юрські пласти родовищ Росії.

Фюзиніт володіє високою абразивною твердістю і мікротвердістю за рахунок  чого в аншліфах виявляється високий  рельєф. Дійсна густина фюзиніту біля 1,5 г/см³, тобто вища, ніж у вітриніту. Для фюзиніту характерний високий вміст вуглецю і низький - водню. Зі зростанням ступеня вуглефікації вихід летких речовин меншає, під час коксування він не плавиться. Істотною особливістю фюзиніту є незначна зміна фізичних властивостей в ряді вуглефікації.

Мацерали групи лейптиніту (спориніт, кутиніт і резиніт) складаються  зі спор кутину, суберину, воску, жирів  і масел рослинного походження і  розрізнюються між собою за морфологічними ознаками, зумовленими їх походженням. Їх форма і розмір також залежать від початкового матеріалу. Вони мають найнижчу відбивну здатність, і починаючи зі стадії вугілля, що коксується їх колір стає подібний вітриніту і ця група буває практично невиразна при підрахунку. Мікротвердість менше, ніж у вітриніту і фюзиніту. При коксуванні мікрокомпоненти цієї групи утворюють більш рухливу пластичну масу, чим вітриніти. Мікрокомпонент спориніт утворений оболонками екзин макро- і мікроспор, що складаються з воскоподібної речовини. У палеозойському вугіллі спориніт зустрічається у великих кількостях і складає основний компонент лейптиніту, будучи найбільш важливим мікрокомпонентом цієї групи.

У вугіллі низької стадії вуглефікації відбивна здатність спориніту набагато менше, ніж у вітриніту. Спориніт є найлегшим компонентом вугілля, в ряді вуглефікації його дійсна густина коливається в межах 1,18-1,28 г/см³.

У противагу вітриніту спориніт має  високу абразивну твердість, яка  із зростанням стадії вуглефікації стає такою ж як у вітриніту. При  піролізі в реторті Фішера спориніт завдяки підвищеному вмісту водню виділяє підвищену кількість смоли і газу.

Мікрокомпонент  кутиніт представляє речовину схожу  на спориніт, але не ідентичну йому. Він утворився із залишків кутикул, що представляють кутинізований  шар листя і молодих паростків. У вугіллі зустрічається у вигляді смуг різної ширини, одна з яких більш або менш рівна, а друга зубчата або волосиста.

Фізичні властивості кутиніту майже аналогічні таким у спориніту. Кутиніт звичайно трохи блідніший, ніж пов'язаний з ним спориніт, в ряді вуглефікації кутикули зникають раніше, ніж спори. У антрацитах кутикули ясніші, ніж вітриніт. Міцність кутиніта майже така ж, як у спориніту.

Основною  речовиною в кутиніті є кутин, тісно пов'язаний з суберином. Обидві речовини являють собою складний гліцериновий ефір жирних кислот. Характерною його особливістю є високий вміст водню, який перевищує 5 % атомних процентів. Вихід летких речовин складає біля 80 % на горючу масу, вміст вуглецю 70,6-76,4 %, водню 7,6-11,8 %, кисню 11,8-21,7 %. Розчинність у суміші бензолу і спирту дуже мала або нульова, сумішшю хлороформу і спирту з нього можна витягнути невелику кількість воску.

Резиніт складається з різноманітних  смоляних включень у вигляді окремих  тілець, відмінних як за формою, так  і за розмірами. Вони зустрічаються у вигляді зерен, овальних тіл неправильної форми, паличок, іноді резиніт заповнює порожнини клітин в телініті. Поширення у вугіллі карбону нерівномірне, місцями він зустрічається в третинному бурому вугіллі.

Відбивна  здатність резиніту у вугіллі низького спупеня вуглефікації завжди нижче, ніж у відповідного вітриніту. У прохідному світлі він білувато-жовтого, лимонно-жовтого і жовтувато-червоного кольору. У аншліфах він має темно-сірий колір. Дійсна густина його змінюється від 1,0 до 1,2 г/см³. Резиніт не виявляє рельєф на полірованих поверхнях, що свідчить про його однакову абразивну твердість з вітринітом.

Резиніт у бурому вугіллі містить  від 77 до 85 % вуглецю, від 8,8 до 11,0 % водню  і від 2,7 до 13 % кисню на горючу масу. Велика частина резиніту бурого вугілля  може розчинятися в суміші бензолу  зі спиртом, тоді як екстракція зі спориніту  і кутиніту дуже незначна або дорівнює нулю. Кількість і характер витягу залежить від ступеня вуглефікації, характеру розчинника і умов витягання. Кількість смоли, що екстрагується зростає з підвищенням температури. Резиніт здатний поглинати кисень, а по мірі окиснення гірше розчиняється і стає менш плавким при нагріванні.

Теплота згоряння резиніту бурого вугілля  становить 39 мДж/кг. Відбивна здатність  резиніту росте із збільшенням стадії вуглефікації.

Група альгініту включає мікрокомпоненти, що складають сапропеліти (кальгініт і тальгініт). У відбитому світлі колір і відбивна здатність альгініту аналогічні таким у мікрокомпонентів групи лейптиніта. Кальгініт представлений безструктурною сапропелевою основною масою, що цементує у вугіллі формені елементи і мінеральні речовини. Тальгініт представлений колоніями водоростей, що мають певну форму і розмір.

Мікстиніт являє собою тонку  суміш компонентів групи вітриніту  з мінеральними, в основному глинистими домішками або з мікринітом з  розміром частинок до 2 мкм. Хоч він  є літотипом, при підрахунку його враховують як мікрокомпонент.

Мінеральні домішки у вугіллі  представлені глинистим матеріалом, сульфідами, кальцитом, кварцом і  іншими мінералами, і їх визначають у відбитому світлі без імерсії  при загальному збільшенні мікроскопа в 200-300 раз. У цих умовах вони у більшості випадків добре відрізняються від органічної речовини вугілля. 

 

10. Технічний аналіз  вугілля 

 

Для характеристики технологічних  властивостей викопного твердого палива розроблений комплекс методів дослідження, об'єднаний терміном технічний аналіз.

Оскільки викопне вугілля застосовувалося  спочатку тільки як паливо, технічний  аналіз обмежувався визначенням  горючої і негорючої складової. До негорючої частини вугілля  відносять вологу (позначається W, від  німецького Wasser і англійського Water) і неорганічні або мінеральні речовини (М).

Для характеристики вугілля по кількості  мінеральних речовин у вугілліт частіше за все користуються показником зольності (А, від німецького Ashe і  англійського Ash), що визначається по залишку, що утворюється після повного згоряння наважки вугілля.

Пізніше, в основному для потреб коксохімічної промисловості введені  ще три показники:

а) вихід летких речовин (V), що утворюються  при нагріванні вугілля до 850-1000 0С без доступу повітря;

б) вихід і кількісна характеристика твердого нелеткого залишку (К або NV), що утворюється при визначенні виходу летких речовин;

в) загальний вміст сірчистих  сполук (умовно перерахованих на елементну  сірку), що входять до складу органічних і мінеральних речовин вугілля, (S_t).

Оскільки ці показники тією чи іншою  мірою пов'язані з природою, ступенем вуглефікації і складом різних видів  ТГК, то вони мають не тільки практичне, але і теоретичне значення.  

 

10.1 Волога 

 

Вміст вологи в ТГК пов'язаний як з генетичними чинниками торфо - і вуглеутворення і умовами залягання викопного вугілля в надрах, так і зі способами їх видобутку, зберігання і переробки.

Вся волога, яка міститься в ТГК, що знаходяться в природних умовах залягання, називається природною (W_пр). Вологу, що міститься у видобутому вугіллі, названо загальною вологою (W_t) або загальною робочою вологою (W^r_t).

При зберіганні вугілля на відкритому повітрі частина вологи втрачається  за рахунок випаровування. Волога, що виділилася при цьому називається  зовнішньою (W_ex), а що залишилася у вугіллі гігроскопічною (W_h).

Внутрішня або гігроскопічна волога називається також вологою адсорбційною, лабораторною або вологою аналітичної  проби (W^a). Аналітичною називається проба вугілля, відібрана і підготовлена для аналізу відповідно до вимог стандартів з розміром зерен менше 0,2 мм.

Викопне вугілля, з якого видалена зовнішня волога називають повітряно  сухими, а якщо видалена і внутрішня  волога, то вугілля називають абсолютно  сухим.

Вміст зовнішньої вологи визначається за втратою маси наважки при сушінні вугілля при кімнатній температурі і нагріві в сушильній шафі до температури не більше 40 ⁰С для бурих і не більше 50 ⁰С для кам'яного вугілля. Крупність зерен не повинна перевищувати 20 мм, а маса проби повинна бути не менше 500 г. Дека для сушки ставиться у витяжну шафу, в приміщення з вентиляцією, або сушильну шафу. Час від часу пробу перемішують і зважують доти, поки розходження між двома зважуваннями протягом двох годин буде не більше за 0,3 % первинної наважки для бурого вугілля і 0,1 % для кам'яного. Тривалість сушки не повинна перевищувати 8 годин і тільки для бурого вугілля із загальною вогкістю понад 30 % вона може бути продовжена.

Для прискореного визначення зовнішньої вологи можна сушити пробу в сушильній  шафі в атмосфері азоту при температурі 80 ⁰С.

Вміст зовнішньої вологи (%): 

 

, 

 

де G₁ - втрата маси при сушці проби, г;

G - маса початкової проби, г. 

 

Вміст гігроскопічної вологи (волога повітряно-сухого вугілля) визначається в лабораторній пробі масою не менше 500 г, крупністю до 3 мм шляхом її сушки при 105-110 ⁰С. Кам'яне вугілля сушать 60, буре 60 і антрацит 120 хв. Контрольна сушка має тивалість 30 хв. до розходження не більше за 0,1 %.

Аналітичну пробу перемішують  і з різної глибини з двох трьох  місць відбирають в заздалегідь  зважені склянки наважки вугілля 10,1 г з точністю до 0,002 г. Наважки вміщують в заздалегідь нагріту до 105-110 ⁰С сушильну шафу і сушать буре вугілля протягом 60 хв., кам'яне вугілля і антрацит 30 хв. Контрольні просушення, тривалістю по 10 хв., проводять доти, поки різниця в двох подальших зважуваннях буде менше за 0,001 г або до збільшення маси.

Прискорений метод визначення масової  частки вологи заснований на висушуванні  вугілля при температурі 1405 ⁰С. Для визначення вологи аналітичної проби тривалість сушки для кам'яного вугілля, антрацитів і продуктів мокрого збагачення становить 5 хв., бурого вугілля 20 хв.

Взаємозв'язок між природою, стпдією  метаморфізму і складом вугілля і вмістом вологи спостерігається тільки в аналітичній пробі.

Вміст вологи в ТГК (W^а): в залежності від виду походження і стадії вуглефікації складає в торфах до 30 - 45 %;

бурому вугіллі: гуміти - від 5 до 25 %,

ліптобіоліти - 5-8 %,

сапропеліти - 4-8 %;

кам'яному вугіллі: Донецьке вугілля  марок Д - до 9 %,

Г - до 5 %,

Ж - до 3,5 %,

К - до 2,5 %,

ПС - до 1,5 %,

П - до 1,0 %,

А - до 4,0 %;

ліптобіолітах - 1,5 - 3 %,

сапропелітах - до 2,5 %,

горючих сланцях - 4 - 5 %.  

 

У одному і тому ж вугіллі найбільшою вогкістю володіє вітриніт, найменшою - фюзиніт, лейптиніт займає проміжне, близьке до фюзиніту, положення.

Кількість вологи у вугіллі (загальної, робочої, зовнішньої і аналітичної) має велике практичне значення, сприяючи або перешкоджаючи окисленню  і самонагріванню, погіршуючи сипкість і викликаючи змерзання вугілля, знижуючи енергетичний ККД використання вугілля.

Вміст гігроскопічної вологи у вугіллі  дозволяє судити про кількість полярних фрагментів. При перетворенні торфу  в буре і кам'яне вугілля вміст карбоксильних і гідроксильних груп в них меншає, що веде до зменшення спорідненості вугілля до води.  

 

10.2 Мінеральні компоненти  і зольність вугілля 

 

Складність складу мінеральної  частини ТГК, а так само різноманітність  форм їх зв'язку з органічною масою викликає великі труднощі аналітичного визначення мінеральних компонентів в незмінному стані, в зв'язку з чим про вміст мінеральних речовин у вугіллі (М) доводиться судити не прямо, а за кількостю золи, що залишається після спалення наважки вугілля при вільному доступі кисню повітря. Золою, отже, називають твердий продукт повного окиснення і термохімічних перетворень мінеральної і органо- мінеральної частини ТГК.