Уголь и углистые породы

В эту группу входят бурые и каменные угли (среди современных осадков торф), горючие сланцы (среди современных осадков — сапропелевые илы).

Угли и углистые породы образованы в основном углеродом. Кроме углерода в них содержится водород, кислород, азот, сера и другие эле-менты, разнообразие которых определяется характером исходного органического вещества, условиями его захоронения и последующего преобразования.
 
Содержание углерода в углях колеблется от 60 до 95%. В них присутствует также водород, содержание которого изменяется от 5 до 2,5%, кислород и азот — в количестве от 35 до 2%. Велико содержание углерода у антрацитов, представляющих собой наиболее преобразованную при окаменении разновидность углей. Антрациты загораются с трудом. Наименее изменены бурые угли, иногда воспламеняющиеся даже от спички. Они содержат много гуминовых кислот, которые представляют собой смесь коллоидных органических веществ непостоянного состава.
 
Угли формировались главным образом из растительного материала, отложение которого происходило обычно в континентальных условиях.
 

Главные типы пород


В зависимости от характера материнского вещества все угли подразделяются на гумиты, липтобиолиты и сапропелиты.
 
Гумиты и липтобиолиты образуются из остатков высших растений. Среди остатков главную роль играют: а) лигнино-целлюлозные ткани, превращающиеся в гуминовые кислоты и затем в гуминовые вещества, образующие затем гумиты; б) стойкие элементы (оболочки спор, кутикула, пыльца, пробковая ткань и другие), скопление которых дает начало липтобиолитам.
 
Сапропелиты образуются преимущественно из низших растений (водорослей) и животного планктона.
 

Гумиты

 
Гумиты сложены главным образом: а) растительными тканями, сохранившими свою клеточную структуру; б) основной массой, утратившей при разложении структуру; в) наиболее стойкими против разложения растительными остатками (спорами, кутикулой, смоляными тельцами и пр.).
 
По типу вещества все эти составные части делятся на гелифицированные, фюзенизированные и липоидные. В соответствии с преобладанием этих типов веществ в настоящее время различается шесть основных типов: фюзено-ксиленовый с содержанием гелиофицированного вещества 0-10%, дюреновый 10-25%, кларено-дюреновый 25-50%, дюрено-клареновый 50-75%, клареновый 75—100%, ксиловитрено-витреновый 90-100%.
 
Химический состав углей изменяется по мере интенсивности углефикации, т. е. преобразования во время окаменения. Эти процессы приводят к постепенному уменьшению выхода летучих веществ, возрастанию содержания углерода, уменьшению водорода и в особенности кислорода.
 
Кроме органических веществ, в углях всегда присутствуют минеральные примеси, которые находят свое выражение в содержании золы. Количество золы в бурых и каменных углях примерно одинаково. Наиболее чистые угли содержат всего до 5% золы, обычно же количество золы равно 8—10%, возрастая иногда до 25—30% и даже 50%. По мере увеличения количества золы угли постепенно переходят в углистые, а затем и глинистые породы.
 

Липтобиолиты

 
Липтобиолиты состоят исключительно из наиболее стойких компонентов высших растений: смол, восков, споронинов и пр. Широко известным представителем окаменелой смолы является янтарь. Липтобиолиты характеризуются повышенным содержанием водорода, увеличением выхода летучих веществ. Липтобиолиты встречаются сравнительно редко и не образуют больших скоплений.
 
Примером липтобиолитов является нижнедевонский барзасский уголь (Кузбасс), состоящий из остатков псилофитов, а также юрские смоляные липтобиолиты месторождений Суйфи (Дальний Восток) и Тквибули (Кавказ).
 

Бурые угли

 
Эти угли получили название от типичного для них бурого цвета. Бурые угли обычно матовые (встречаются иногда смоляно-черные блестящие разновидности), обладают сравнительно небольшой теплопроизводительной способностью и содержат значительно больше влаги, чем каменные угли. Химический состав характеризуется повышенным содержанием кислорода и присутствием гуминовых кислот, наличие которых определяет их специфические особенности (бурая черта, гигроскопичность, окрашивание щелочного раствора и т. д.).
 
Бурые угли характеризуются значительно меньшим преобразованием растительного материала по сравнению с каменными углями. Мало преобразованные бурые угли близки к торфам и залегают среди почти горизонтально лежащих отложений, не затронутых складчатостью и воздействием повышенной температуры. Экономическая ценность бурых углей значительно меньше, чем каменных.
 

Каменные угли

 
Каменные угли образуются из бурых углей при повышении температуры и давления. В связи со значительным преобразованием каменные угли всегда плотны, не содержат свободных гуминовых кислот, среди них широко распространены блестящие разновидности.
 
Для классификации каменных углей большое значение имеет количество и характер кокса, образующегося при нагревании углей без доступа воздуха. При этом процессе из углей выделяются влага и газы, являющиеся продуктами разложения части органического вещества. Кокс может представлять собой или порошок, или сплошную спекающуюся прочную массу. В последнем случае каменные угли называются коксующимися.
 
Коксуемость углей сперва возрастает, а потом уменьшается по мере увеличения количества углерода. Коксующиеся угли обладают наибольшей теплотворной способностью в связи с тем, что по мере дальнейшего повышения содержания углерода в углях уменьшается содержание водорода, каждая единица веса которого при сгорании дает в четыре раза больше тепла по сравнению с углеродом.
 

Антрациты

 
Антрациты представляют собой наиболее преобразованные разновидности углей. Они характеризуются наибольшим удельным весом и твердостью. Летучих веществ в них очень мало (2—5%) и поэтому пламя бездымно; загораются они с большим трудом. Петрографическое изучение антрацитов показало, что среди них различаются все типы гумусовых углей.
 

Сапропелиты

 
Сапропелиты обычно залегают в виде прослоев среди обычных гумусовых углей, но иногда образуют и обособленные залежи. Представителями сапропелитов являются богхеды, распространенные на большой площади в пределах Подмосковного бассейна, а также в Оленекском месторождении. Богхеды характеризуются матовостью, массивной, весьма однородной структурой, лишенной всякой слоистости, и раковистым изломом. По мере увеличения зольных элементов сапропелиты переходят в горючие сланцы. Обилие летучих компонентов обусловливает длинное, сильно коптящее пламя, которым горят сапропелиты.
 
Сапропелиты представляют собой отложения застойных водоемов озерного типа. Их современными аналогами являются сапропелиты озер умеренного пояса, некоторые осадки Балхаша и другие.
 
В зависимости от условий последующего преобразования гумусо¬вые угли подразделяются на бурые, каменные и антрациты. Начальным членом этого ряда является торф, конечным — графит.
 

Углистые глины и аргиллиты

 
Углистые глины связаны, как правило, постепенными переводами с бурыми углями, а углистые аргиллиты — с каменными. Цвет этих пород темно-серый. Они часто пачкают руки. Углисто-глинистые породы отличаются по характеру органического вещества от горючих сланцев, относящихся к сапропелевым образованиям.

Органическое вещество в углисто-глинистых породах встречается или в форме макроскопически различимых остатков растений, или в виде равномерно расположенных в породе пылевидных углистых частиц. По данным А. С. Корженевской, в некоторых углистых глинах наблюдается замещение растительных остатков глинистыми коллоидными минералами с полным сохранением структуры растительного детрита.
 
Содержание золы в углисто-глинистых породах превосходит 30%.
 

Горючие сланцы

 
Горючими сланцами называют глинистые или мергелистые породы, содержащие горючие органические вещества. Зольность горючих сланцев при практическом использовании допускается до 50 и даже 70—80%. Значительное различие допускаемого максимального предела зольности объясняется тем, что битумные органические вещества, дающие большой выход летучих, могут гореть в породе даже при зольности в 80%. Если же органическое вещество в той или иной мере углефицировано, то сланец с трудом горит уже при 60% зольности.
 
К горючим сланцам относятся зольные разновидности сапропелитов (пиробитумы) и породы, пропитанные битумами (битуминозные сланцы). Наиболее важны для промышленности пиробитумы.
 
К группе горючих сланцев причисляют иногда наименее зольные, способные еще гореть разновидности углистых глин и углистых аргиллитов.
 
Пиробитумные сланцы легко загораются от спички и горят коптящим пламенем, распространяя запах горелой резины. При накаливании в пробирке выделяют обычно только воду. Буроугольные горючие сланцы, кроме воды, выделяют также некоторое количество дегтя. Буроугольные сланцы, так же как и бурые угли, сильно реагируют при нагревании с азотной кислотой и окрашивают при кипячении щелочный раствор в бурый цвет, что не свойственно для других углистых и пиробитумных сланцев.
 
Органическая часть сапропелитовых горючих сланцев (кероген) сложена углеродом (56—82%), водородом (5,8—11,5%), азотом (до.5%), серой (до 9%) и кислородом. Физические свойства сланцев очень изменчивы.
 
Примером глинистых пиробитумных горючих сланцев являются верхнеюрские сланцы Средней Волги. Они представляют собой темно-серые, коричневые или черные породы, содержащие от 30 до 40% золы и от 20 до 46% летучих веществ. Примером известковистых горючих сланцев являются нижнесилурийские кукерситы Ленинградской области и Эстонии. Они характеризуются коричневато-зеленым цветом. Залегают в виде пластов, мощность которых измеряется несколькими метрами.
 
Залежи кукерситов содержат обычно значительное количество карбонатных включений в виде неправильных по форме желваков или линзовидных прослойков. Под микроскопом видны хорошо сохранившиеся остатки одноклеточных водорослей и тонкозернистая масса, состоящая из смеси органического вещества, частиц кальцита и примеси глинистого материала.
 

Происхождение

 
Угли возникли из растительного материала, накопившегося в болотах при различных условиях.
 
В верховых болотах с низким уровнем грунтовых вод растительный материал разлагается частично на воздухе. Поэтому обилие фюзена или фюзено-ксиленовых образований в углях говорит о накоплении растительных остатков в болотах, в которых разложение растительного материала происходило не только в водной, но и в воздушной среде.
 
В болотах с высоким уровнем грунтовых вод накопление растительных остатков происходит в воде. При этом их ткани набухают и превращаются под влиянием анаэробных процессов в коллоидное студнеобразное вещество без видимой клеточной структуры (гелификация). Под влиянием этого процесса образуется основная масса клареновых углей.
 
В проточных болотах происходит разложение большей части растительной ткани и накапливаются лишь наиболее стойкие против разложения элементы (споры, кутикула, смоляные тельца и пр.); в результате этого процесса образуются споровые дюрены и даже липтобиолиты. Воз-можно, что дюрены образуются также в переходных условиях между торфяными и проточными болотами.
 
Дальнейшее преобразование растительного вещества, слагающего угли, происходит в две стадии. Характер этих двух стадий Ю. А. Жемчужников описывает следующим образом: первая стадия — это превращение растительного вещества в торф; место действия — болото; время — тысячелетия; обстановка — земная поверхность. Вторая стадия, вернее, ряд последовательных стадий (или фаз) — превращение торфа (а не растений) в бурый уголь, бурого угля в каменный, последнего в антрацит, а иногда и в графит; место действия — пласт горной породы, погребенный под толщей других пород; время — миллионы лет; обстановка — недра Земли, все более и более глубокие, где царит иная термодинамическая обстановка: повышенное давление и температура.
 
Для первой торфяной стадии имеют очень большое значение химические процессы, для второй — физико-химические.
 
Характерные особенности углей, образующихся на той или иной ступени их развития, представляют собой, как это подчеркивает Ю. А. Жемчужников, функцию двух переменных: а) природы угольного вещества, зависящего от исходного растительного материала, процессов его разложения и преобразования в течение первой торфяной стадий; б) дальнейшего видоизменения этого вещества в связи с геологической историей данного района, определяющей в значительной мере ход окаменения углей во второй стадии углеобразования.
 
Наиболее типичные представители каустобиолитов угольного ряда — бурые и каменные угли — образуются обычно путем накопления растительного материала, отложенного на месте его произрастания в болотах (автохтонные угли) или перемещенного до его захоронения (аллохтонтные угли).
 
Геологическим признаком автохтонного происхождения углей являются присутствие у них почвы, пронизанной корешками, остатки вертикально стоящих пней с сохранившейся корневой системой, этажное их расположение, постоянство мощности слоев, чистота угольной массы и некоторые другие признаки. Отсутствие перечисленных особенностей свидетельствует об аллохтонном происхождении углей. Большинство угольных пластов сочетает в себе признаки аллохтонного и автохтонного происхождения.
 

Геологическое распространение

 
Образовацие углей в широком масштабе стало происходить лишь с девонского периода, при этом более 50% всех известных запасов углей связано с молодыми (третичными и верхнемеловыми) отложениями. Таким образом, интенсивность этого процесса отчетливо возрастала по мере развития Земли.
 
Накоплению угленосных, так же как и нефтематеринских, отложений благоприятствовало быстрое погружение земной коры.
 
Периодами наиболее интенсивного углеобразования для территории  бывшего СССР являлись карбон — Донбасс, Подмосковный бассейн, Кизеловский район, Караганда; пермь — Кузбасс, Тунгусский и Печерский бассейны; юра — Средняя Азия, Восточная Сибирь, Кавказ, Казахстан; мел — Ленский бассейн и третичный период — Днепровский бассейн, Урал, Дальний Восток. За пределами Союза распространены угли преимущественно каменноугольного возраста (Европа), пермские в Китае и США, третичные в США и в Германии (бурые угли).
 
Залежи горючих сланцев часто прослеживаются в пределах значительной площади. Так, например, кукерситы прослеживаются в нижне-силурийских отложениях западной части Эстонии, Ленинградской и частично Калининской областей. Другая, еще более обширная область распространения верхнеюрских горючих сланцев охватывает Заволжье от Общего Сырта до Волги в районе Сызрани и Ульяновска. За пределами России горючие сланцы известны в Манчжурии, Шотландии, в западной части США и др.
 

Практическое применение


В дореволюционной России около 60% топливного баланса приходилось на дрова. В настоящее время доля дров в общем топливном балансе составляет всего 6—7%.
 
Параллельно с этим возрасло использование углей, на долю которых в топливном балансе промышленности, транспорта и коммунального хозяйства приходится уже свыше 75%. Промышленность использует три четверти добываемого в стране угля. Около четверти приходится на транспорт, а бытовые нужды населения поглощают всего лишь несколько процентов от общей добычи. В последние годы повысилась роль нефти и газа как экономически наиболее выгодных видов горючего.
 
Способы использования углей в промышленности определяются их теплотворной способностью, выходом летучих составных частей, спекаемостью, зольностью, присутствием серы и фосфора, а также легкостью обогащения. Теплотворная способность углей возрастает по мере перехода от бурых углей к каменным и от менее преобразованных каменных углей — длиннопламенных (Д) и газовых (Г) — к более зрелым их типам: паровично-жирным (ПЖ), коксовым (К), паровично-спекающимся (ПС), слабоспекающимся (СС). Теплотворная способность наиболее высока у углей марок К и ПС.
 
Выход летучих соединений у углей разных марок весьма различен, достигая 60% у бурых углей и снижаясь до 3,5% у антрацитов. Бурые и длиннопламенные каменные угли с большим выходом летучих быстро и легко загораются, и горение их почти сразу достигает наибольшей интенсивности, но процесс горения этой группы углей характеризуется переменным и неустойчивым режимом. Тощие угли, в особенности антрациты, загораются с трудом, но их горение протекает равномерно.
 
Способность углей к спеканию имеет огромное значение как для их технологической переработки (получение кокса), так и для сжигания. Горение спекающихся углей характеризуется неравномерностью.
 
Зольность углей снижает их теплотворную способность и ведет к засорению топок и дымоходов. Наличие серы и фосфора отрицательно сказывается на использовании углей для технологических процессов и в качестве топлива. Поэтому угли, содержащие много золы и серы, подвергаются предварительному обогащению. Наибольшая допустимая зольность у углей не должна превышать 50%.
 
Легкость обогащения углей определяется их физическими особенностями — прочностью, размерами кусков, наличием включений и т. д.
 
После добычи и обогащения угли подвергаются предварительной химической переработке или непосредственно используются как источник тепла в различных печах. Наиболее важным видом химической переработки углей является коксование, для которого используется около 15—20% всех добываемых углей.
 
Кокс загорается с трудом, но при горении развивает очень высокую температуру (свыше 2400°) и поэтому широко применяется в металлургии.
 
При коксовании угли нагреваются в специальных печах до 1200— 1450° без доступа воздуха. При этом, помимо кокса, получаются аммиачная вода и светильный газ, а также каменноугольная смола (деготь), имеющая очень широкое применение в химической промышленности. Из нее изготовляется свыше 1000 различных веществ.
 
Запасы самостоятельно коксующихся углей сравнительно невелики. Поэтому часто для изготовления кокса применяют различные угли, в смеси образующие шихту, по своим свойствам обеспечивающую производство кокса надлежащего качества.
 
Для максимальной отгонки каменноугольной смолы и других жидких продуктов разложения угля применяют полукоксование, т. е. нагревание углей без доступа воздуха при температуре 500—550°. Наиболее пригодны для этой цели сапропелиты, а также бурые и длиннопламенные каменные угли, дающие выход смолы до 20—30%.
 
Для получения газа возможно применение подземной газификации углей. Ценность этого метода заключается в резком сокращении горных и подземных работ и в возможности использования высокозольных углей без их добычи.
Для получения из углей моторного топлива применяют гидрогенизацию. Сущность этого процесса состоит в обогащении исходного органического сырья водородом. Гидрогенизация происходит при высоких температурах и большом давлении в присутствии специальных катализаторов. Предварительно угли растворяются в органических жидкостях. Применяются для гидрогенизации угли с большим количеством летучих соединений.
 
Большое значение для промышленности имеет способность углей к выветриванию и самовозгоранию. Особенно легко выветриваются и распадаются в мелочь бурые угли. Угольная мелочь с успехом используется в виде пыли в специальных топках при вдувании через особые форсунки. Другим способом использования угольной мелочи и нестойких распадающихся в порошок углей является брикетирование. Для получения брикетов к углям добавляется связующее вещество.
 
Самовозгорание углей связано с их окислением при выветривании. В результате происходящего при этом выделения тепла угли в больших кучах, особенно летом, нагреваются и могут воспламеняться.
 
Мощность пластовых углей, оправдывающая их промышленную раз-работку, в современных условиях равна 0,4—1,0 м. Предприятия местной промышленности разрабатывают иногда пласты угля до 0,25 м мощности.
 
Горючие сланцы применяются как один из видов минерального топлива. Они используются также для получения горючего газа, жидкого топлива, сернистых битумов и асфальтовой мастики. Зола, получаемая в большом количестве при переработке сланцев, употребляется для изготовления вяжущих материалов, кирпичей, бетона, а также в качестве удобрения.
 
При использовании сланцев как топлива необходимо учитывать их значительно большие, чем у других видов топлива, влажность, зольность и выход летучих веществ. Большой выход летучих веществ обусловливает горение сланцев длинным пламенем. Поэтому типичные горючие сланцы принадлежат к длиннопламенному топливу, подобно дровам, бурому углю и длиннопламенным каменным углям, в противоположность антрациту и коксу, горящим коротким пламенем.
 
Большая зольность горючих сланцев вынуждает производить их предварительное измельчение и сжигать при большом притоке воздуха. Значительная влажность свежедобытых сланцев обусловливает необходимость их предварительного высушивания и хранения в открытых складах.
 
Для получения газа горючие сланцы подвергают нагреванию в газогенераторах. Получаемый при этом горючий газ широко используется в качестве топлива в промышленности и для бытовых нужд. В частности, подобным газом, получаемом при переработке кукерситов, снабжается Санкт-Петербург.
 
Горючие сланцы используются также для получения жидкого топлива. Для этого они подвергаются перегонке при температуре 500—600°. При атом выход жидких продуктов достигает 15—20%, а иногда и более. Из дегтя, получаемого при перегонке сланцев, изготовляются сернистые битумы типа ихтиола. Другие разновидности сланцев используются для приготовления (путем размалывания) асфальтовой мастики, применяемой для дорожных покрытий и для гидроизоляции построек.
реклама

Mineralmarket