Реферат: Происхождение ископаемых углей

Содержание

Введение. 3

1. Происхождение углей. 4

2. Источники образования твёрдыхгорючих ископаемых. 5

3. Стадии превращения органическихвеществ. 7

4. Петрографическая характеристикауглей. 9

5.       Классификация углей. 11

6. Основные угольные бассейны страы… 14

Литература. 15

  Введение

Практически невозможно установить точную дату, но десяткитысяч лет назад человек, впервые познакомился с углём, стал постоянносоприкасаться с ним. Так, археологами найдены доисторические разработки залежейуглей. Известно, что с каменным углём люди были знакомы в период древнейкультуры, но факты об его использовании отсутствуют. Позже, в Риме,предпринимались пути использования его, но лишь во времена Аристотеля появилосьописание некоторых других свойств угля, а в 315 г. до н. э. его ученикописывает уголь как горючий материал и называет его «антраксом» (позжепоявилось название «антрацит»).

 

              

/>1. Происхождение углей

наука огенезисе твёрдых горючих ископаемых на основании многочисленных фактов(обнаружение в угольных пластах отпечатков листьев, коры, стволов деревьев,спор и т. д., использование изотопного метода анализа) неоспоримо доказала иобосновала теорию об их органическом происхождении. Вместе с тем сложностьприродных процессов углеобразования и влияния на эти процессы таких факторов,как климат, условия среды отложения, температура, давление и др., привели квыделения химических, микробиологических и геологических аспектов теориигенезиса. До сих пор нет единого мнения о том, какие компоненты органическихвеществ являются исходным материалом при образовании различных углей, нетединой схемы и его генетических преобразований. Предполагают, что общая схемаимеет вид:

  />/>

Высказывались соображения, что генезис твёрдых горючихископаемых описывается:

a)   последовательнопротекающими стадиями 1→2→3→4→5→6

b)   превращениемисходного органического материала 1→2, 1→3→4→5→6и 1→4→5→6.

                                          

                                                                  

/>2. Источники образованиятвёрдых горючих ископаемых

Палеографические условия геологических эпох определяливозникновение органических веществ, их развитие, накопление и различныепреобразования.

Известно, что в состав растений входит целлюлоза,гемицеллюлоза, лигнин, смолы, воски, жиры, белки, углеводы, пектиновыевещества. Вполне вероятно, что состав этих компонентов и их соотношение вдревних растениях различного вида и в зависимости от палеографических условийгеологических эпох претерпевал определённые изменения. Тем не менее,многочисленные исследования 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 в углеобразовании.

Таблица 1

Элементный составуглеобразующих 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 высокомолекулярныхжирных кислот и высших алифатических спиртов входят кислоты С24 – С34,спирты С24 – С34 и иногда углеводы. Растительные воскиявляются твёрдыми веществами, способными сохранять свой состав и свойства неподвергаться изменениям под действием микроорганизмов. Благодаря их высокойстойкости они встречаются в неизменном состоянии в составе бурых углей.

Смолы состоят из сложных эфиров кислот с одноатомнымиспиртами. Благодаря ненасыщенной полиизопреновой структуре они способныполимеризоваться и окисляться, что снижает их растворимость, повышаетмолекулярную массу, превращает в неплавкие соединения. Жиры – сложные эфиры высокомолекулярныхнасыщенных и ненасыщенных кислот и глицерина. Интересно отметить, что наземныеисходные соединения содержат ненасыщенные кислоты С18 – С22и насыщенную кислоту С16, тогда как среди морских источниковуглеобразования преобладают непредельные кислоты С16 – С22.Жиры легко гидролизуются, изменяются под воздействием микроорганизмов,нагревания и др., а непредельные кислоты – окисляются с образованием полимеров.

Белки являются высокомолекулярными веществами, обладающимиколлоидными свойствами. Содержание их в бактериях, водорослях и древесныхрастениях достигает соответственно 80, 25, 1 – 10 %. Белки гидролизуются свыделением аминокислот, которые связываются с содержащимися в растенияхмоносахаридами.

Целлюлоза (С6Н10О5) относитсяк классу углеводов с регулярной линейной структурой, обладает сложным составоми молекулярной массой от десятков тысяч до нескольких миллионов. Будучи весьмастойкой к воздействию давлений и температуры, целлюлоза сравнительно легкоподвергается воздействию ферментов. Гемицеллюлозы являются углеводнымисоединениями, которые легко подвергаются гидролизу и растворяются в кислотах ищелочах. Это гетерополисахариды, образующие при гидролизе в отличии отцеллюлозы не глюкозу, а манозу, фруктозу, галактозу и уроновые кислоты.

Пектиновые вещества повышают механическую прочность стенокрастительных клеток, они состоят из остатков D-галактуроновой кислоты,способных легко гидролизоваться минеральными кислотами. Карбоксильные группы вэтих остатках находятся в виде солей магния и кальция, а также в виде метиловыхэфиров. Прочность клеток высших растений объясняется также присутствием в ихсоставе лигнина, который в отличии от целлюлозы не подвергается гидролизу,стоек к воздействию химических реагентов, нерастворим в воде и органическихрастворителях. Лигнин является полимером нерегулярного строения, в составкоторого входят ароматические и жирноароматические фрагменты. Кислородприсутствует в виде карбоксильных и гидроксильных групп, ароматические ядрасодержат метокси-группы и связаны между собой пропильными группами. Молекулярнаямасса лигнина колеблется от 700 до 6000, его высокая химическая стойкостьобусловлена накоплением гуминовых кислот.

Таким образом, можно предполагать, что в результатепроцессов углеобразования появляются химически стойкие компоненты, а менеестойкие участвуют в этих процессах как полупродукты распада.

  

               

/>3. Стадии превращенияорганических веществ

болотаявляются наиболее благоприятными местами для накопления и переработкиорганических продуктов в торф. Заболачивание водоёмов происходит различнымипутями, и зависит от рельефа дна и берегов, проточности воды и т. д. Как втропической, так и в умеренных зонах болота делятся на верховые и низинные.Верховые образуются при условии превышения количества годовых атмосферныхосадков над объёмом испарения и характеризуется недостатком питательных веществдля растений. Низинные болота имеют пологие берега, заросшие тростником икамышами, покрыты плавающими и подводными растениями. Их происхождение связанос понижением рельефа и они распространены в основном в северных областях. Приумеренном климате годовой прирост торфа в низинных болотах составляет 0,5 – 1,0мм, а на верховых 1 – 2 мм.

Угольные пласты характеризуются следующими основнымихарактеристиками:

1.    тип отложений: автохтонный(autos – сам, chtnon – земля) образуется на месте отмирания первичныхорганизмов, аллохтонный – из перемещённых органических остатков ихарактеризуется повышенным содержанием в углях минеральных примесей.

2.    условия отложения. Состави свойства угля зависят от условий отложения торфа в пресноводных, озёрных илисолоноватых морских водах. При воздействии морской воды в битуминозных угляхповышается содержание серы, азота, водорода, летучих. Известковые водыспособствуют уменьшению кислотности торфа. В аэробных условиях совместноедействие кислорода и кальция ускоряет разложение. Большинство обогащённыхкальцием углей отличается высоким содержанием серы и пирита, что объясняетсявысокой активностью бактерий.

3.    В зависимости от содержания питательных веществ болота подразделяются наэвтрофные, мезотрофные и олиготрофные. Низинные болота, питающиеся насыщеннымипитательными веществами подземными водами, являются эвтрофными, ихрастительность более пышная и разнообразная. Верховые болота олиготрофны, в нихобразуется кислый торф с низким содержанием минеральных веществ, исоответственно уголь с малым количеством золы.

4.    жизнедеятельность бактерийзависит от кислотности торфа. Торф верховых болот имеет рН = 3,3 – 4,6, анизинных 4,8 – 6,5. степенькислотности зависит от притока воды, типа основания болота, поступлениякислорода и концентрации гуминовых кислот. Бактерии хорошо развиваются при рН =7,0 – 7,5, поэтому чем кислее торф, тем меньше в нём бактерий и лучшесохраняется структура исходных растений.

5.    Температура торфа. Разложение торфа зависит от температуры, так как втепле бактерии проявляют повышенную активность. Так при 35 – 40 0Сбактерии разлагают целлюлозу с наибольшей скоростью.

6.    Окислительно-восстановительный потенциал. Жизнедеятельность бактерийзависит от потенциала. Процессы превращения остатков органических соединенийпри свободном доступе кислорода (аэробные условия) и воды аналогичны медленномугорению и называются тлением. Гумификация (перегнивание) характеризуетсянедостаточным доступом воздуха (анаэробные условия) и влаги. Этот процесс приводитк накоплению зауглероженного остатка (гумуса), часть которого можетрастворяться в воде. Превращение органических веществ в условиях избытка влагии отсутствия кислорода широко распространено в природе и называется оторфением;оно приводит к появлению твёрдых гумусовых продуктов. Образование сапропелей изводорослей и планктона протекает в отсутствие кислорода под слоем воды(восстановительные реакции) и известно как процессы гниения, или гнилостногоброжения.

Превращение органических веществв торф происходит в результате протекающих химических реакций и деятельностибактерий, поэтому называется биохимической углефикацией. Превращение торфачерез стадию бурых углей в антрациты называется углефикацией. Степеньуглефикации характеризуется уплотнением (повышением плотности), изменениемсодержания С, О, Н и выхода летучих. Процесс углефикации ускоряется с ростомтемпературы и глубина его зависит от времени; давление замедляет химическиереакции, протекающие при этом.

           

                                         

/>4. Петрографическаяхарактеристика углей

результатыпетрографического исследования углей (от греческого petros – камень, grapho –пишу) позволяют установить природу исходных органических материалов, ихгенезис, классификацию ТГИ и выбор рационального использования в народномхозяйстве. В настоящее время петрографические исследования углей широкоприменяются при разведочных и поисковых работах, а петрографическиехарактеристики являются обязательными при утверждении запасов. Так, врезультате исследования углей установлено, что они не являются гомогеннымвеществом. Мецералы (macerare – размягчать) не обладают кристаллическимстроением, различаются по химическому составу и физическим свойствам. В угляхобнаружены превращённые частицы растительного и животного происхождения(например, водоросли, пыльца, споры, кутикулы, смоленые тельца), которыеполучили название форменных элементов. Другие вещества, которые претерпелиболее глубокие изменения не могут быть отнесены к каким-либо определённымисходным веществам, называют основной массой, которая в тонких шлифахразделяется на прозрачную и непрозрачную (опакмассу).

Все мацералы делятся на три группы – витринит, экзинит(липтинит) и инертинит, причём в основе объединения оп группам лежит присущийим химический состав, происхождение и свойства.

Чаще всего встречаются ассоциации мацералов, причём такиесочетания называются микролитотипами. Последние подразделяются на моно-, би- итримацеральные; при их отнесении к той или иной группе действует «правило 5%»:примесь нетипичных мацералов не должна превышать 5 % на полированнойповерхности 50×50 мкм. Разновидности литотипов углей можно различитьневооруженным глазом. Витрен – блестящий, кларен – полублестящий, дюрен –матовый и фюзен – волокнистый уголь. Сапропелевые угли в отличии от гумусовыхне содержат слоистостей, однородные по составу и более прочные. Они делятся накеннельские угли и богхеды.

Витриниты являются основным компонентом типичных блестящихуглей; они образуются из лиственных и древесных тканей в основном за счётуглефикации лигнина и целлюлозы. Широкое распространение витринита в твёрдыхгорючих ископаемых, однородность его состава, физических и химическиххарактеристик обусловили широкое применение его для определения степени ивозраста углефикации при сопоставлении различных отложений. По сравнению сгруппой экзинита витринит содержит меньше водорода и больше кислорода, в его структурувходят алифатические и ароматические фрагменты. Содержание ароматическихструктур с возрастом органической массы угля увеличивается от 25 до 65 %, долялетучих 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 послепожаров или обугливания), окисленные остатки, грибки, полимеризованные смолыили углеводороды. 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 затемобразует вспученный кокс. Экзинит также обладает некоторыми коксующимисясвойствами. Мацералы группы инертита обладают низкой химической активностью,которая незначительно меняется при метаморфизме. Отличаясь высоким выходомлетучих, витринит определяет коксуемость углей, а экзенит характеризуетпластические свойства углей. Подбирая состав шихт из отдельных мацералов вопределённом соотношении, можно значительно расширить сырьевую базу дляпроизводства кокса.

Для изучения физических и химических свойствпетрографических ингредиентов их необходимо выделить из угольной массы. Витрен,фюзен, дбрен и кларен можно разделить вручную, особенно в молодых углях; взрелых каменных углях трудно отделить кларен от дюрена. Другой методзаключается в растирании угольного вещества. При этом наименее твёрдый дюренпереходит в мелкие классы. Концентраты ингредиентов можно получить разделениемих в жидкостях с различной плотностью.

        

 

                 

/>5.  Классификация углей

Рациональное использование твёрдых горючих ископаемых внародном хозяйстве возможно при наличии классификации, учитывающей веськомплекс  физических, 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 разделяютна несколько 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. Немецкийпалеоботаник Потонье создал первую генетическую классификацию твёрдых горючихископаемых всех видов. В основе её было деление минералов, образованных изживых организмов. Минералы, названные биолитами, он разделил на негорючие –акаустобиолиты и горючие – каустобиолиты. Каустобиолиты были разделены на три подгруппы:гуммиты (из многоклеточных растений), сапропилиты (из водорослей и планктона) илиптобиолиты (из устойчивых частей растений). К сожалению, современные методыисследования твёрдых горючих ископаемых не позволяют чётко установитьвзаимосвязь между их происхождением, свойствами и направлением использования внародном хозяйстве. Это объясняется тем, что из одного исходного органическогоматериала в зависимости от глубины и условий превращения могут образовыватьсятоплива различных видов. Г. Л. Стадников в основу разработанной им естественнойклассификации положил взаимосвязь между происхождением, физико-химическимисвойствами исходного материала и стадиями их превращения. Он пришёл к выводу,что помимо сапропилитовых и гумусовых углей существуют угли смешенных классов –гумусо-сапропилитовые и сапропилито-гумусовые, а исходная органическая массапретерпевает три стадии физико-химических превращений: торф, бурый и каменныеугли. Следует отметить, что классификация Г. Л. Стадникова не включает все твердыегорючие ископаемые (например, липтобиолиты) и не может быть использована для ихпромышленной оценки.

По генетической классификации Ю. А. Жемчужникова углиподразделяются на две группы, каждая из которых состоит из двух классов:

Таблица 2

Генетическаяклассификация твёрдых горючих ископаемых по Ю. А. Жемчужникову

Первая группа. Гумолиты – высшие растения Вторая группа. Сапропелиты – низшие растения и животный планктон I класс – гумиты (лигнино-целлюллозные, смолы, кутиковые элементы) III класс – сапропилиты (сохранены водоросли и планктонные остатки) II класс – липтобиолитовые (смолы, кутиковые элементы) IV класс – сапроколлиты (водоросли превратились в бесструктурную массу)

В классификации Жемчужникова, в отличии от классификацииПотонье, рассматривается вероятность образования гумитов и липтобиолитов изодних исходных материалов, но при различных условиях. Позднее А. И. Гинзбургвключил в классификацию условия превращения исходного органического материала.И. И. Аммосов в своей классификации показал связь процессов образования углейразличных типов с исходными материалами. С. М. Григорьев предложил классификациюгорючих ископаемых, основанную на содержании С, Н и О. Н. М. Караваевиспользовал данные об элементном составе (в атомных долях) в атомном отношенииН/С. Это позволило вывести закономерность в процессах превращения видовтоплива. Более общая генетическая классификация, учитывающая происхождение и глубинухимических превращений твёрдых горючих ископаемых, была разработана С. Г.Ароновым и Л. Л. Нестеренко.

Таблица 3

Классификация углейпо Аронову и Нестеренко

Класс угля Стадии химической зрелости торфяная буроугольная каменноугольная антрацитовая I Гуммиты (пре­имущественно из высших растений) Торф

Бурые угли зем­ли­стые

Плотные (блес­тя­щие, матовые, полосчатые)

Лигниты

Каменные угли однородные (блес­тящие, осажистые)

Неоднородные (полублестящие, матовые)

Полосчатые

Антрациты II

Липтобиолиты:

из восков и смол высших растений

из других фор­менных элемен­тов выс­ших рас­­­тений

Фахтелит (восковой)

Копалы (смоляные)

Фимменит (пыль­цевой)

Пирописсит (вос­ковой)

Янтарь (смоля­ной)

Подмосковные (спо­ровые)

Тасманит (споро­вый)

«Бумажный» под­мос­ковный уголь (кутикуловый)

Барзасский листовой

Рабдописсит (смо­ля­ной). Ткибуль­ский смоляной уголь. Конкреции смол в каменных углях.

Кутикулит иркут­ский. Липтобиоли­ты среди кизеловск­их (лысвенских) каменных углей (споровые)

Кеннели

Лопинит (споро­вый)

– III

Сапропилиты (из низших растений и животного планк­то­на):

собственно сопропилиты (отруктурные)

сапропелиты (бесструктурные)

Сапропель

Балхашит

Куронгит

Сапроколлы

Богхеды

Торбанит

Марагунит

Касьянит

Черемхит

Хахарейский

Матаганский

Уголь из Люгау

Кеннели

Богхеды среди донецких углей

– IV Особые твёрдые горючие иско­паемые –

Барзасские угли

Гагаты

Горючие сланцы

– –

Указанные выше научные классификации дают возможностьвыявить зависимость между природой исходного органического материала, условиямиего превращения и видом образовавшегося топлива. Между тем возникаетнеобходимость в разработке единой промышленно-генетической классификации,позволяющей квалифицированно определять возможность промышленного использованиятвердого топлива всех типов. Первые технические классификации были основаны научёте выхода летучих веществ и внешнего вида остатка коксового королька.

В настоящее время приняты бассейновые классификации,основанные на 17 действующих стандартах, причём основными являются следующие: Vdaf– выход летучих веществ в расчете на сухую беззольную массу, %; Y – толщинапластического слоя для каменных углей, мм; Wr – содержание рабочейвлаги в бурых углях, % (масс.). В некоторых классификациях каменных углей учитываетсяиндекс  Pora – RI, а для бурых углей – выход смолы полукоксования в расчёте насухую беззольную массу Tskdaf (%) и высшая теплотасгорания сухого беззольного топлива (кДж/кг).  

                                              

/>6. Основные угольныебассейны страы

Петрографический состав углей формируется в зависимости отусловий углеобразования и состава растительности. Девонские угли представленыкутикуловыми липтобиолитами (Барзасское месторождение), нижнекарбоновые угли взначительной степени состоят из оболочек микро- и макроспор (Кизеловский иПодмосковный бассейны), угли Вестфальской провинции образованы излигнино-целлюлозных остатков и содержат более 75 -80 % витринита и до 10 – 12 %фюзенита (Донецкий бассейн). Угли Тунгуской провинции содержат до 30 – 40 % фюзенита(Кузнецкий и Тунгусский бассейны). Нижнепермские угли этих же бассейновобразовались главным образом из древесины в условиях фюзинизации тканей(содержание фюзенита 50 – 60 %). В отличие от Нижнепермских, в угляхВерхнепермского месторождения, образованных из лиственных тканей, преобладаютвитриниты. Среднеазиатские угли содержат до 60 – 70 % фюзенита, тогда как вуглях Канско-Ачинского и Иркутского 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 районахДальнего Востока.

/>Литература

1.    Химия и переработка угля/ Под ред. д-ра х. н. проф. В. Г. Липовича. –М.: Химия, 1988. – 336с.: ил.

2.    Химическая технология твёрдых горючих ископаемых: Уч-к для вузов/ Подред. Г. Н. Макарова и Г. Д. Харламповича. – М.: Химия, 1986. – 496 с.: ил.

3.    Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического инефтехимического синтеза: Учебник для вузов 4-е изд., перераб. доп. – М. Химия,1988. – 592 с.: ил.