ВИДЫ ТОПЛИВА Структура углей Все горные

ВИДЫ ТОПЛИВА Структура углей

Все горные породы земной коры по их происхождению разделяют на три основные группы. p Магматические - образовавшиеся из магмы вулканических извержений (базальт, гранит и др. ). p Осадочные - появившиеся в результате осаждения и накопления на дне водоемов и на поверхности Земли различных органических и неорганических веществ (ТГИ, нефть, песчаники, известняки и т. д. ). p Метаморфические - образовавшиеся в процессе естественных превращений первых двух групп под влиянием высоких температур и давлений (мрамор из известняков и др. ). В течение всех периодов существования Земли происходили геологические сдвиги и перемещения в земной коре. Осадочные породы накапливались слоями. В этих слоях наряду с другими горными породами накапливались различные горючие ископаемые 2

Превращение исходного растительного материала в процессе углеобразования p p p Уголь - это твердая, горючая горная порода, образовавшаяся из отмерших растений в результате их биохимических, химических и физических изменений. Кроме органических составляющих в угле всегда содержатся минеральные примеси, количество которых может достигать значений от 1 до 50 % (масс. ). Превращение отмерших растений в уголь происходит в результате непрерывного процесса, в котором принято выделять две основные фазы: n гумификация - превращение отмерших растений в торф; n углефикация - превращение торфа последовательно в бурый, каменный угли и антрацит. 3

p Углефикация подразделяется, в свою очередь, на две части. n Диагенез угля, в ходе которого торф превращается в бурый уголь под влиянием преимущественно биохимических превращений за счет жизнедеятельности микроорганизмов. n Метаморфизм, в течение которого бурый уголь под влиянием физических факторов - повышенной температуры и давления горных пород - превращается в каменный уголь и антрацит. Характер и глубина диагенеза и метаморфизма угля определяются степенью углефикации. 4

5

p p p Торфообразование ТГИ - процесс превращения остатков растений в условиях обильной влажности и в конце полного прекращения доступа воздуха. Характерный признак - образование и накопление гуминовых кислот (ГК) в торфогенном слое. Торф - смесь продуктов превращения растительных остатков и минеральных примесей различного происхождения. Современная теория торфообразования представляет данный процесс как синтез гуминовых веществ из материала отмерших растений посредством деятельности аэробных и анаэробных бактерий. Образование залежей торфа связано с тем, что ряд растенийторфообразователей содержит антисептики, которые обеспечивают консервацию отмерших торфяных остатков. Образование ГК начинается в растении путем циклизации углеводов под действием ферментов растений. 6

p Первичные превращения отмерших низших растений и остатков микроорганизмов называются сапропелеобразованием. Сапропели - это продукт полимеризации ненасыщенных жирных кислот с образованием циклических многоосновных кислот, которые декарбоксилируются, давая сложные углеводороды циклического строения. Превращенный исходный материал богат жирами, белками, восками. Дальнейшее преобразование торфов, сапропелей и первичных отложений липтобиолитов в угли происходит при погружении их в более глубокие слои земной коры и покрытия их минеральной кровлей. В этих условиях микробиологическая деятельность замедляется. Биохимические процессы гумификации сменяются геохимическими процессами углефикации остаточного углеродистого материала. 7

Метод петрографии p Более точное представление о компонентном составе и генетических признаках дает метод петрографии. Макроскопически различимые составные части угля называются литотипами. Они различаются по блеску, цвету, излому, структуре, наличию и форме трещин. Различают 4 вида литотипов каменных углей. Рассмотрение литотипов под микроскопом показало, что они состоят из микрокомпонентов – мацералов. 8

p p p Мацералы внешне не изменяются при метаморфизме. Всего выделяют до нескольких десятков микрокомпонентов, а близкие по составу и свойствам объединяют в группы. Для гумитов предложено рассматривать три группы мацералов, имеющих различное происхождение и сформированных в разных условиях гумификации и диагенеза: витринит (Vt), липтинит (L) и инертинит (I). Микрокомпонеты группы витринита образуются из фрагментов растений (стволы, листья, корни) в восстановительной среде под толщей воды без доступа кислорода под действием анаэробных бактерий. При облегченном доступе кислорода усиливаются процессы окисления, которые приводят к разрушению биологических полимеров (целлюлозы, лигнина, белков) до жидких и газообразных продуктов. В этих условиях в растительных остатках накапливаются устойчивые к окислению фрагменты: кутикулы, споры, смолы. Вследствие биохимической деструкции органических макромолекул, в основном по связи углерод-гетероатом, получаются макрокомпоненты групп липтинита. Мацераллы группы инертенита образуются в результате превращения основной массы целлюлозы и лигнина в гумусовые вещества с низким содержанием водорода. Данные превращения происходят в окислительной среде при участии бактерий и низших грибов в условиях низкой обводненности. 9

Таким образом, состав и свойства углей рассматриваются как функция двух независимых переменных: n исходного растительного материала неодинакового состава, образовавшегося в разные эпохи и накопившегося в разных условиях первой стадии углеобразования; n метаморфизма - изменения углей, связанные с геологической обстановкой их формирования. Свойства угля в целом определяются свойствами соствляющих его микрокомпонентов, причем часто они подчиняются закону аддитивности p где Y - свойство угля определенной стадии углефикации; YVt, YI, YL - соответствующее свойство микрокомпонента (витринита, инертинита, липтинита) той же стадии углефикации; a. Vt, a. I, a. L - массовая доля микрокомпонента в веществе угля. n 10

Физико-химические и технологические свойства угля связаны с его происхождением и природными условиями его преобразования. 11

Элементный состав ТГИ При гумификации и углефикации растительный материал и продукты его превращения теряют неуглеродные атомы, и, соответственно, в элементном составе ТГИ возрастает доля углерода. Средний элементный состав каустобиолитов p 12

Термины и определения p p p Рабочее состояние топлива (верхний индекс r) - состояние топлива с таким содержанием влаги и зольности, с которыми оно добывается или используется. Аналитическое состояние топлива (верхний индекс а) - состояние топлива, характеризуемое подготовкой пробы, в которую включается размол до крупности зерен менее 0, 2 мм и доведением влажности топлива до равновесного состояния с влажностью лабораторного помещения. Сухое состояние топлива (верхний индекс d) - состояние топлива, не содержащего общей влаги (кроме гидратной). Сухое беззольное состояние топлива (верхний индекс daf) - условное состояние топлива, не содержащего общей влаги и золы. Органическая масса топлива (верхний индекс о) - условное состояние топлива, не содержащего влаги и минеральной части. Влажное беззольное состояние топлива (верхний индекс af) - условное состояние топлива, не содержащего золы и влаги. 13

Определение содержания углерода и водорода p p Углерод и водород определяют по выходу СО 2 и Н 2 О при сжигании навески угля при 800 °С в токе кислорода. Их улавливают в поглотительных аппаратах, заполненных растворами КОН и Н 2 SO 4 соответственно, которые взвешивают до и после сжигания навески и по разности масс рассчитывают содержание С и Н в пробе. Определение содержания серы. Различают сульфатную (SSO 4), пиритную (Sp) и органическую (So), суммарное содержание их называют общей серой (St), которая выражается в % (масс. ) от взятой на анализ навески угля. Общее содержание серы определяют методом Эшке, при котором вся сера переводится в сульфатную при прокаливании навески угля с оксидом магния и карбонатом натрия. Осадок Ba. SO 4 фильтруют, промывают, сушат и взвешивают. Содержание серы является важным технологическим параметром, который определяет особые требования к переработке и использованию сырья. Определение содержания азота. Содержание азота в углях мало, обычно до 1 % (масс. ). Азот определяют по методу Кьельдаля. Содержания кислорода в углях % (масс. ) вычисляется по разности 14

Определение теплоты сгорания p p p Теплота сгорания - это основной энергетический показатель ТГИ. Она определяется экспериментально путем сжигания навески угля в калориметрической бомбе в среде кислорода. Углерод окисляется до СО 2, водород - до Н 2 О, азот и сера - до газообразных оксидов, которые растворяются в воде и дают соответствующие кислоты. Высшая теплота сгорания Qs определяется на беззольное состояние угля , а низшая на рабочее состояние. Низшая теплота сгорания (Qi) определяется как разница между Qs и теплотой образования воды, выделившаяся при сгорании угля. Поскольку теплота сгорания взаимосвязана с элементным составом (С, Н, О, S), то ее можно рассчитать по эмпирическим формулам. Д. И. Менделеевым была предложена формула для расчета высшей теплоты сгорания по данным элементного анализа (МДж/кг), которая дает удовлетворительные результаты для нефти и углей где C, H, O, S - массовая доля элементов в веществе ТГИ, %. 15

Условное топливо p p p Для сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива (теплота сгорания одного килограмма или 1 м 3 газообразного «условного топлива» (у. т. ) составляет 29, 3 МДж или 7000 ккал. Данное значение приблизительно эквивалентно теплоте сгорания 1 кг каменного угля. Соотношение между Т. у. и натуральным топливом выражается формулой: где By — масса эквивалентного количества условного топлива, кг; Вн — масса натурального топлива, кг (твёрдое и жидкое топливо) или м 3 (газообразное); — низшая теплота сгорания данного натурального топлива, ккал/кг или ккал/м 3; Э— калорийный эквивалент. 16

p Пересчет количества топлива данного вида в условное производится с помощью коэффициента, равного отношению теплосодержания 1 кг топлива данного вида к теплосодержанию 1 кг условного топлива. 17