Ископаемые угли
ГРУППА ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕЙ
Под ископаемыми углями понимают твердые каустобиолиты, являющиеся продуктами изменения (метаморфизма) остатков высших растений, в меньшей мере — простейших организмов и используемые в промышленности в качестве энергетического топлива, технологического и химического сырья. По происхождению и составу растительных остатков ископаемые угли делятся на три подгруппы: гумусовые угли, липто- биолиты и сапропелиты (сапропелевые угли). Здесь описываются только наиболее практически важные и распространенные гумусовые угли и сапропелиты'.
ПОДГРУППА ГУМУСОВЫХ УГЛЕЙ, ИЛИ ГУМИТОВ
Название от лат. humus — земля.
Подавляющая масса каменных и бурых углей, используемых в промышленности, представлена гумусовыми углями, которые поэтому называют также обычными углями.
Гумусовые угли состоят в основном из переработанных частей высших растений (стволов, стеблей и ветвей), т. е. из продуктов разложения лигнина, целлюлозы (растительной клетчатки) и отчасти растительного белка — веществ, из которых построены ткани высших растений. Имеются два главных типа изменения растительных остатков:
а) фюзенизация (обугливание) происходит в сравнительно сухой среде в условиях некоторого доступа кислорода и заключается в окислении растительных тканей. Образующиеся при этом матовые фюзеновые угли сохраняют отчетливо видимое под микроскопом клеточное строение, а внешне похожи на обычный древесный уголь;
б) гелификация (остуднение) протекает в обстановке сильной обводненности'без доступа воздуха (под слоем воды в стоячих болотах) и выражается в разбухании растительных тканей и превращении их в блестящую аморфную бесструктурную массу — твердый коллоид (гель).
Среди гумусовых углей выделяется несколько типов, различающихся по степени изменения растительных остатков или, как принято говорить, по степени метаморфизма (углефикации). По мере увеличения последней в углях растет содержание углерода с одновременным уменьшением содержания кислорода, водорода, летучих составных частей (легких углеводородов, воды и т. д.). Ряд метаморфизма гумусовых углей, в котором степень углефикации растет слева направо, выглядит следующим образом: {торф) -+ бурые угли —>¦ каменные угли ->¦ антрациты.
Обычно различают три стадии метаморфизма (углефикации) гумусового органического вещества: торфяную, буроуголь- ную и каменноугольную. Ископаемые угли служат главным видом твердых горючих ископаемых и широко применяются как энергетическое топливо в металлургической, химической и других отраслях промышленности.
Бурый уголь
Назван по цвету самого угля и его черты.
Характерные признаки. Структура аморфная. Отличается хорошей сохранностью фрагментов растений, обычно очень мелких, различимых лишь под микроскопом, но иногда (лигнит) и невооруженным глазом. Текстура однородная либо слоистая, полосчатая. Состоит главным образом из гуминовых кислот с примесью углеводородов и высокомолекулярных углеродистых веществ (карбоидов). Содержание углерода — 67—75%, водорода — около 5%, суммы кислорода и азота — от 17 до 30%. Естественная влажность — 10—25% (иногда до 40% и более). Многие бурые угли сильно битуминозны; иногда они содержат до 40—50% легких углеводородов. Цвет коричневый, от светлого (рыхлые разности) до весьма темного оттенка, также черный (плотные разности). Черта светло-бурая до буровато-черной. Блеск тусклый, полуматовый. Бурый уголь рыхлый землистый, кусковатый (слабо, связанный) либо плотный, прочно связанный. Твердость низкая или средняя; излом землистый, редко полураковистый. Уд. вес 1,1—1,2. Горит. Теплотворная способность 5—6 тыс, ккал/кг на горючую массу.
Разновидность лигнит — бурый уголь с четко выраженным древесным строением. Обычно состоит из остатков хвойных пород деревьев, причем размер этих фрагментов может варьировать от небольших частиц до целых стволов.
Условия образования и нахождения. Залегает слоями, плас- тообразными залежами, линзами. Происхождение биогенное. В ряду ископаемых углей бурый уголь представляет сравнительно низкую ступень метаморфизма растительных остатков, следующую за образованием торфа. Бурый уголь занимает переходное положение между торфом и каменным углем. Черные плотные разности бурого угля близки по составу и свойствам к каменному, но еще сохраняют бурый оттенок черты и окрашивают раствор горячей щелочи и азотной кислоты, т.е. в отличие от каменного угля содержат гуминовые кислоты. Лигнит образуется при подводном разложении древесины. В ходе дальнейшей углефикации бурые угли превращаются в каменные угли.
На долю бурых углей приходится около 35% суммарных запасов ископаемых углей в СССР. Главные буроугольные бассейны: Ленский, Канско-Ачинский, Тунгусский, Кузнецкий, Тургайский, Таймырский, Подмосковный, Донецкий, Май- Кюбенский и др.
Диагностика. Отличается от каменных углей бурым цветом самого угля и особенно его черты, а также бурым окрашиванием кипящего раствора едкой щелочи и интенсивно-желтым до красно-бурого (чайного) окрашиванием нагретого разбавленного раствора HN03.
Практическое значение. Энергетическое топливо местного значения и ценное химическое сырье. При переработке бурых углей методом сухой перегонки получают полукокс, до 20% первичных смол (дегтя), горючий газ. Из буроугольной смолы вырабатывают горный воск.
Каменный уголь
Назван по каменистому облику и сравнительно высокой (для угля) твердости.
Характерные признаки. Структура аморфная. Текстура полосчатая, слоистая, часто тонкослоистая, обусловленная многократным чередованием блестящих и матовых разновидностей. Иногда однородная. Состав — сложное сочетание аморфной гелифицированной массы с так называемыми форменными элементами углей (спорами, пыльцой, смоляными телами, фрагментами лигнинно-целлюлозных растительных тканей, кутикулой *) в любых пропорциях — от доминирующей роли гелифицированной массы до заметного преобладания форменных элементов. В отличие от бурого угля не содержит гуминовых кислот, которые в каменном угле преобразуются в карбоиды — сильно уплотненные высокомолекулярные неуглеводородные соединения углерода. Цвет черный, иногда с серовато-стальным оттенком либо темно-серый. Черта черная. Блеск матовый, шелковистый, смолистый (для углей более низкой степени углефикации) до стеклянного (для средней степени угле- фикации) и металлического (при высокой степени углефикации, у антрацита). Плотный, прочно связанный. Нередко хрупок, легко раскалывается по многочисленным трещинам отдельности на толстые плитки или прямоугольные бруски. Уд. вес 1,2. Теплота сгорания более 5700 ккал/кг на влажную беззольную массу. Промышленно важные свойства углей — горючесть, калорийность (теплота сгорания), спекаемость, способность к коксованию и др.— в основном определяются степенью их углефикации.
Разновидности выделяются по степени углефикации. Такое подразделение часто (особенно для блестящих гелифициро- ванных разностей) совпадает с торговой и технической классификацией углей, согласно которой каменные угли делятся на ряд марок. В основе этой классификации лежит схема, принятая для Донбасса (табл. 10). Как видно из табл. 10, газовыми и жирными называются угли, содержащие значительные количества летучих веществ; тощие обеднены летучими веществами и углеводородными соединениями (битумами), но они более высокоуглеродистые. Максимальная теплота сгорания — у коксовых углей. Коксовые и близкие к ним угли обладают способностью к спеканию и дают ценный продукт — металлургический коке.
Антрацит состоит из органического вещества высшей сте- .пени углефикации, в котором тонко рассеяны графитовые частицы. По внешнему облику отличается от других каменных углей. Цвет черный со стально-серым, желтоватым (золотистым) или красноватым оттенками. Блеск сильный металлический (золотистый), иногда с пестрой побежалостью. Излом раковистый, полураковистый или неровный. Твердость средняя, максимальная — среди ископаемых углей. Уд. вес 1,5—1,7. Загорается с трудом, горит слабым бездымным пламенем вследствие малого выхода летучих веществ. Обладает хорошей электро-проводностью.
Условия образования и нахождения. Залегание — см. бурый уголь. Каменные угли образуются из бурых в результате дальнейшего преобразования (метаморфизма) растительных остатков. Дальнейшее изменение (карбонизация) углей ведет к образованию графита (см. часть первую. Минералы) и представляет уже процесс метаморфизма в обычном (геологическом) понимании этого термина.
Советский Союз располагает более чем 50% общемировых запасов ископаемого угля. Из общесоюзных запасов углей более 70% приходится на РСФСР (причем большая их часть сосредоточена в Сибири). Богаты углем также Украина и Казахстан. Примерно 65—70% запасов угля в СССР составляют каменные угли, остальные — бурые. На долю коксующихся углей приходится 25,8% общесоюзных запасов. Главнейшие каменноугольные бассейны СССР: Тунгусский, Ленский, Кузнецкий, Таймырский, Печорский, Донецкий, Иркутский, Ка-рагандинский, Южно-Якутский, Минусинский, Буреинский. Важное значение для промышленности имеют также Челябинский и Кизеловский бассейны на Урале, Львовско-Волынский в УССР, Сучанский на Дальнем Востоке, Экибастузское месторождение в Казахстане, Ангренское месторождение в Ср. Азии и ряд мелких месторождений в Забайкалье.
Диагностика. По сравнению с бурым углем более крепкий, твердый и тяжелый. Характерны черный цвет угля и особенно черты, для антрацита — сильный блеск. Раствор едкой щелочи
Таблица 10
Марка угля и ее индекс ВЫХОД
летучих
веществ,
" % Элементарный состав, (примерный), % Теплота сгорания, (средняя) ккал/кг Характер коксового королька* Обтем- ный вес
С Н 0+N
1. Длиннопла- менный (Д) 37 и более 80 5 15 7 950 Порошко-образный, слипшийся, слабо спекшийся 1,22— 1,24 '
2. Газовый (Г) 35 и более 82 5 13 8 200 1,23— 1,25
3. Жирный (Ж)
4. Коксовый жирный (КЖ) 27—35 18—27 84 85 5
5 И 9 8 450 Спекший-ся, без порошка 1,24— 1,26 1,26— 1,27
5. Коксовый(К)
6. Отощенный спекающийся (ОС) 18—27 14—22 88 90 5
4-5 9 7 8 600 (до 8 750 у. коксовых) 1,27— 1,30
7. Тощий (Т) 9—17 92 4-5 4-5 8 500 Порошко-образный, слипшийся, слабо спекшийся 1,28— 1,33
8. Полуантрацит (ПА) Менее 9 94 3-4 3-4 8 350 и более Не спе-кается 1,32- 1,62
9. Антрацит (А) Менее 9 96 2—3 2—3 (в том числе азот менее 1%) Менее 8 350 (обычно 8 000— 8 200)
* Остаточный продукт, получаемый при обжиге угля в условиях ограниченного доступа воздуха.
Схема торговой и технологической классификации ископаемых углей Донецкого бассейна
12 JM5 362
или HN03 каменными углями не окрашивается из-за отсутствия гуминовых кислот.
Практическое значение. По технологическому применению каменные угли делятся на химические, энергетические и ме-таллургические. К химическим относятся преимущественно блестящие угли низкой степени углефикации с высоким выходом летучих веществ — марка Д. Эти угли идут на полукоксование. Энергетическими является большинство углей различной, преимущественно высокой, степени углефикации. Они используются для топок стационарных паровых котлов, паровозов, судов морского или речного флота. Наиболее ценные металлургические угли включают коксовые и близкие к ним марки. Угли почти всех марок применяются для газификации. Из некоторых видов антрацитов путем обжига без доступа воздуха получают термоантрацит, применяемый в доменной плавке. Кроме того, антрацит используется в электродной промышленности.
ПОДГРУППА САПРОПЕЛИТОВ
Органическое вещество пород, входящих в эту подгруппу, представлено разложенными остатками простейших (одноклеточных) организмов, т. е. переработанным «гнилостным илом» .— сапропелем (от греч. аслгрос;— гнилой, л;т]Я.6е — ил). Сапропелевые угли пользуются сравнительно ограниченным распространением и в справочнике не описываются. Ниже приводится описание лишь наиболее важных в практическом отношении представителей подгруппы сапропелитов — горючих сланцев.
Горючий сланец
Назван по текстуре и горючим свойствам.
Характерные признаки. Структура тонкозернистая (размер частиц менее 0,01 мм). Текстура сланцеватая, тонкослоистая. По структуре и составу представляет собой породу типа мергеля или аргиллита, пропитанную органическим битуминозным веществом — продуктами разложения ослизненных зеленых и сине-зеленых одноклеточных водорослей, спор и др.
Горючий сланец
Характеризуется высоким содержанием водорода (до 7—8%) и летучих веществ (30—70%), представленных углеводородами, углекислым газом, влагой, сероводородом. Цвет светло-каштановый, темно-серый, черный. Твердость средняя и низкая. Характерна плитчатая отдельность, соответствующая тонкой слоистости. Легко загорается от спички и горит коптящим пламенем, испуская своеобразный запах, напоминающий запах битума (жженой резины). Теплотворная способность 2700— 3500 ккал/кг.
Условия образования и нахождения. Залегает слоями, пачками среди осадочных пород. Происхождение сапропелевое: первоначально морские, лагунные либо озерные осадки, пропитанные органическим веществом. При метаморфизме превращаются в углистые и графитовые сланцы. Месторождения горючих сланцев известны в Эстонской ССР (местное название сланцев — кукерситы), Псковской, Ленинградской и Костромской обл. (Мантуровское месторождение), Иркутском угленосном бассейне (хахарейские сланцы и др.). На Эстонию приходится более половины общих запасов горючих сланцев в СССР.
Диагностика. Плитчатая отдельность, каштановый ИЛИ более темный цвет, а главное — горючие свойства.
Практическое значение. Твердое топливо низкого качества из-за значительного (порядка 50%) содержания золы. В качестве топлива используется примерно половина добываемых горючих сланцев. Зола обладает вяжущими свойствами и применяется в промышленности строительных материалов. Вторая половина общей добычи сланцев перерабатывается на бытовой газ, газобензин, технические масла и различные химические продукты (смолы, краски, серу, гипосульфит, фенол и др.).
