Розділ 7. Вугілля

Органічну масу вугілля характеризує елементний склад (вміст вуглецю, водню, кисню, азоту), за яким з достатнім ступенем наближеності можна визначити склад продуктів горіння, вихід продуктів термічного розкладання, теоретичну температуру горіння, теплоту згоряння.

Основні елементи, які входять до складу органічної маси (вуглець, водень, кисень), входять також і до складу мінеральних домішок, які при хімічному аналізі частково потрапляють в газову фазу спільно з елементами аналізованої органічної маси. У зв'язку з цим елементний склад, який визначається за стандартними методиками, наближено відображає справжній склад органічної маси.

Результати елементного аналізу звичайно перераховують на беззольну масу (Xdaf) за формулою

,

де X^a – вміст елементу, %;
W^a – вологість вугілля, %;
M^a – вміст мінеральних речовин, %.

Спікливість і коксівність вугілля. При нагріванні вугілля без доступу повітря відбуваються складні перетворення, характер яких залежить як від хімічної будови органічної маси вугілля, так і від умов їх термічної обробки (нагрівання). При нагріванні спікливого вугілля утворюються проміжні рідкі (високотекучі) продукти, нелеткі у момент їх утворення, які грають важливу роль в процесах спікання і одержання кускового коксу.

Ця здатність обумовлена наявністю у вугіллі структурних одиниць з числом ароматичних кілець 3,5–4,5, які в процесі термодеструкції мають достатню рухомість для формування рідкопластичної фази – метапласту. Метапласт зв'язує частинки твердого залишку в однорідну масу, а потім твердіє (спікається) внаслідок участі в полімеризації.

Довгий час вважалось, що спікливість вугілля забезпечується наявністю у вихідній вугільній речовині бітумів чи речовин сапропелітової природи, що не пояснювало зміни властивостей спікливості при зміні умов термічної обробки. Теорія метапласту була вперше запропонована Д. Ван Кревеленом (Нідерланди) і після ряду модифікацій вважається загальноприйнятою основою теорії коксування вугілля.

Для оцінки спікливості існують багато різних методів, переважна більшість яких грунтується на встановленні параметрів пластичної маси (вільне спучування, пластометричний метод, ділатометрія за методом Адибера Арну, метод Рога, метод Грей-Кінга тощо). Більшість цих методів дозволяє оцінити і коксівність, яка розглядається як здатність вугілля за умов, що застосовуються для коксування в камерних печах, утворювати кусковий кокс з певними фізико-механічними властивостями.

Мінеральні компоненти вугілля.

До основних елементів, які складають мінеральну частину вугілля, відносять кремній (Si), алюміній (Аl), кальцій (Са), магній (Mg), титан (Ti), калій (К) і натрій (Na), які входять в різному співвідношенні в мінерали, присутні у вугіллі та супутніх йому породах. У вугіллі більшості родовищ містяться в основному такі класи мінералів: силікати, оксиди, карбонати, сульфіди. Рідше зустрічаються сульфати, галогеніди тощо.

У всьому вугіллі знаходиться певна кількість мінеральних речовин, які тісно пов'язані з органічною масою і не можуть бути відділені механічним способом від органічної речовини. Частка таких компонентів складає 1,5–7%. При цьому на відміну від мінеральних компонентів, присутніх в засмічуючих вугілля бокових породах та прошарках пластів і представлених в основному мінералами, які містять кремній і алюміній, в мінералах, тісно пов'язаних з органічною речовиною, спостерігається підвищена кількість заліза і особливо мікроелементів.

Мінеральні компоненти, які містяться у вугіллі, мають різне походження і можуть бути розділені на чотири основні групи:

I – мінерали, привнесені в торфовище із сусідньої суші у вигляді уламків, листочків, мулу. До них відносять кварц, слюду, польові шпати, піроксени, амфіболи, глинисті мінерали, каолініт, гідрослюди, хлорити і змішаношаруваті силікати. Для більшості вугілля найбільш характерні глинисті мінерали і кварц;

II – мінерали, що виділилися із розчинів, які насищають торфовище, на ранніх та пізніх етапах перетворення осаду в тверду породу. Найбільш характерними мінералами цієї групи є сірчисті сполуки заліза (пірит, марказит), карбонати кальцію, магнію і заліза (кальцит, доломіт, анкерит, сидерит);

III – мінерали, які потрапили у вже сформовані вугільні пласти із розчинів вміщуючих порід. До них відносять гіпс, мелантерит (водний сульфат заліза), епсоліт (водний сульфат магнію), галіт (кухонна сіль), вторинні сульфіди заліза, міді, цинку, кварцу;

IV – мінерали у вигляді уламків вміщуючих порід, які потрапили до вугілля при видобутку. Це різні глинисті мінерали (каолініт, гідрослюди, змішано-шаруваті силікати, монтморилоніт, хлорити), кварц, слюди, польові шпати. При карбонатній покрівлі можливе потрапляння у вугілля кальциту і доломіту.

Походження мінералів визначає морфологічні особливості їх залягання у вугільному пласті. Так, мінерали групи I зустрічаються звичайно у вигляді прошарків, лінзочок чи рівномірно розподіляються в органічній речовині, утворюючи високозольне вугілля. Важкість збагачення вугілля, яке містить мінеральні речовини в такому вигляді, різна. У кожному конкретному випадку вона залежить від частоти і потужності породних прошарків і дисперсності вкраплень мінеральної речовини у вугіллі.

Мінерали групи II розподіляються в самій органічній речовині вугілля, часто в тонкодисперсному вигляді, наприклад пірит, який важко видобувається при збагаченні.

Мінерали групи III приурочені до тріщинок у вугіллі або утворюють бруньки і стягнення. При певному подрібнюванні вугілля відбувається розкриття таких мінералів, завдяки чому стає можливим їх ефективне добування.

Мінерали групи IV не пов'язані з вугільною речовиною. Уламки ґрунту і покрівлі, що попадають у вугілля, являють собою агрегати із декількох мінералів. Збагачення вугілля, засміченого мінералами цього типу, звичайно не становить важкості, проте у випадку підвищеного розмокання глинистих порід вміст мулових шламів, які ускладнюють регенерацію оборотної води, достатньо великий.

Мікроелементи поділяють на власне мікроелементи з вмістом 0,1–0,001% (В, F, P, Cl, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Си, Zn, As, Ba, Pb); рідкі – 0,001–0,00001% (Li, Be, Се, Со, Go, Ge, Se, Sr, Br, Pb, Nb, Mo, Cd, Sn, Sb, I, Cs, La, W, Bu, V) і ультрарідкі з вмістом менше 0,00001% (Ag, In, Re, Au, Pt, Ir, Hg).

До мікроелементів відносять деякі рідкі та радіоактивні елементи, кольорові, благородні й чорні метали. Вміст більшості цих компонентів у вугіллі звичайно близький до кларкових значень, тобто відповідає середній розповсюдженості хімічних елементів у земній корі, і лише в окремих випадках вони утворюють високі (рудні) концентрації.

Мікроелементи вивчаються для встановлення можливості їх попутного видобування і використання, а також оцінки їх значення як токсичних, технологічно шкідливих або корисних компонентів.

Промислове значення у вугіллі зараз мають германій і уран. Підраховуються запаси галію, свинцю, цинку, молібдену, селену. Потенціально цінними елементами є срібло, золото, платиноїди, ванадій, хром, нікель, бор, вольфрам, ртуть.

Токсичними (з позицій виникнення при спалюванні твердого палива небезпечних концентрацій цих мікроелементів в атмосфері, водах та ґрунті) вважаються сірка, ртуть, миш'як, берилій, фтор. Свинець, ванадій, нікель, хром і марганець відносяться до потенційно токсичних.

Технологічно шкідливими елементами в енергетичному і коксівному вугіллі є сірка, фосфор, миш'як і хлор.

Мікроелементи в залежності від їх геохімічних особливостей, типів вугілля і стадії їх метаморфізму можуть входити до складу органічної частини вугілля чи його мінеральних компонентів. З органічною частиною вугілля завжди пов'язані високі концентрації германію, берилію, вольфраму, з мінеральною частиною – свинцю, цинку, рубідію, цезію. Переважно з мінеральною частиною пов'язані високі концентрації ртуті, срібла, миш'яку, сурми, скандію, лантану.

Кам'яне вугілля і антрацити України видобуваються в останні десятиліття в основному із тонких (до 1 м) пластів. У такому вугіллі порівняно вища частка вуглемінеральних і мінераловугільних зростків, які утворюються через взаємну дифузію на межі поділу пластів і вміщуючих порід, що погіршує їх здатність до збагачення.

Перетворення вугільної речовини в процесах хімічної і технологічної переробки.

Вугільна речовина не містить газоподібних і рідких компонентів. Їх вихід при піролізі свідчить про глибокі перетворення вугільної речовини в процесі термічної деструкції. Ці перетворення торкаються і твердого залишку піролізу. Характерну ілюстрацію зміни молекулярної структури твердого залишку піролізу в порівнянні з первинною вугільною речовиною дає площинна модель П. Соломона.

Моделі молекулярної структури вугілля дозволяють пояснити, а в ряді випадків і передбачити закономірності поведінки вугільної речовини при її хімічній і термічній переробці. У теперішній час запропоновано цілий ряд таких моделей – Мацумдара (див. мал. 7.8), Шинна, Спіро, Маржец, КовачаЛарсена, Хереді-Вендера, Соломона, Платонова, Девідсона тощо. При розгляді будь-яких моделей молекулярної структури вугілля і її перетворень необхідно враховувати їх спрощеність. Реальна молекулярна структура вугілля значно більш складна в зв'язку з її тривимірністю і нерівномірністю мацерального складу.

Соломон П.Р. – сучасний американський вчений. Він має великий досвід проведення і організації міждисциплінарних експериментальних і теоретичних досліджень в таких галузях, як надпровідність, електронний спіновий резонанс, фізика твердого тіла, а останні два десятиліття працює в галузі енергетики, випромінюючих властивостей, моніторингу процесів за допомогою інфрачервоної Фурьє-спектроскопії і вивчення вуглеводнів. П. Соломон запропонував одну із найбільш продуктивних моделей, яка пояснює, крім структури первинного вугілля, її зміни при термічній переробці. На її основі вдалося узагальнити кінетичні характеристики процесу термічної деструкції вугілля. Д-р Соломон нагороджений премією Henry H. Storch з хімії палива. Основна праця П.Соломона з піролизу вугілля (разом із співавторами) «Піроліз вугілля: експерименти, кінетичні процеси і механізми».