Состав и свойства твердых горючих ископаемых

Качество твердых горючих ископаемых характеризуется химическим и петрографическим составом, их физическими и технологическими свойствами.

Химический состав устанавливается техническим и элементным анализами. При техническом анализе определяют: содержание влаги (W'_r %), золы (A^d, %), составляющих негорючую (балластную) часть топлива; летучих веществ (V*fa/ %)_? долю общей серы (S^fj) и спекаемость, определяемую толщиной пластического слоя (F, мм) и характером коксового королька, выход смол (Г*).

Влага может быть внешней, улетучивающейся при технологических процессах, и гигроскопической, удаляемой при нагревании угля до 150 °C. Зола — остаток минеральных веществ от сгорания топлива, обусловленный составом исходной растительной массы (конституционная зола), песчано-глинистого материала, механически привнесенного на этапе торфообразования (внешняя зола), а также составом прослоев пород в угольных пластах и разубоживающих вмещающих пород.

Зольность угля изменяется от первых процентов до 40—50%. Более высокие ее значения отвечают составу углистых сланцев. Повышение зольности приводит к экономическим потерям. Снижение зольности в добытом угле достигается обогащением. Однако в самой золе иногда содержатся германий, уран и ванадий в промышленных значениях, а также в повышенных концентрациях другие ценные металлы.

Летучие вещества — это те, которые выделяются из горючей массы угля в газои парообразном состоянии при нагревании угля без доступа воздуха до температуры 850 °C.

Кусковатый твердый продукт (остаток), получаемый после удаления летучих веществ, называется коксовым корольком. Он характеризует степень спекаемости угля. На средних стадиях углефикации угли спекаются, переходя при нагревании в пластическое состояние с образованием полукокса или кокса.

Сера входит в состав органических, сульфидных и сульфатных соединений. Содержание серы в малосернистых углях Кузбасса — 0,5—1,0%, в высокосернистых кизеловских углях — более 4%.

Элементным анализом определяется содержание (в %) углерода, водорода, кислорода, азота и органической серы. Содержание углерода и водорода обусловливает теплотворную способность — удельную теплоту сгорания по бомбе в пересчете на сухое беззольное состояние (Q'" ^J) и низшую удельную теплоту сгорания в пересчете на рабочее топливо (<2|), в МДж/кг. Эти величины изменяются в больших пределах: Q^!af — 25—37 МДж/кг, Q' — 8—29 МДж/кг.

С повышением степени углефикации нарастает содержание углерода.

В бурых углях содержание углерода составляет 60—75%, в каменных — 76—91%, в антраците — до 97% в расчете на органическую массу. Количество водорода и кислорода, напротив, убывает от бурых углей к антрацитам. Органическая сера присутствует в углях в ничтожных количествах. Концентрация вредной примеси фосфора в углях различных генетических типов изменяется от 0,01—0,02% (Донбасс) до 0,1% (Кузбасс).

Петрографический состав углей неоднороден и изучается макроскопически и под микроскопом. По текстурным признакам угли подразделяются на массивные и слоистые. По блеску и структуре слоистых или полосчатых углей в них различают четыре составные части (ингредиенты): витрен (блестящий), кларен (полублестящий), дюрен (полуматовый) и фюзен (матовый). По преобладанию в строении угольных пластов тех или иных ингредиентов угли получают соответствующие им названия.

Микрокомпонентный состав углей, изучаемый в основном под микроскопом, характеризуется содержанием органических микрокомионентов и минеральных включений неорганического происхождения. Органические микрокомпоненты подразделяются на гелифицированные, фюзенизированные и липоидныс.

Физические свойства углей. К ним относятся цвет, блеск, твердость, хрупкость, излом, плотность, пористость, отдельности и кливаж, электропроводность. Цвет углей изменяется от бурого до черного. Блеск может быть смолистый (жирный), шелковистый, стеклянный, матовый. Твердость углей по шкале Мооса — от 1 до 4.

Самыми хрупкими являются фюзеновые, наиболее стойкими — дюреновые угли. Излом у бурых углей землистый, у сапропелевых — раковистый, у каменных и антрацитов — зернистый. Плотность (рыхлость) углей возрастает от фюзеновых разностей к антрациту. Пористость сапропелевых углей изменяется от 13 до 16%, а гумусовых — от 25 до 48%.

При раскалывании кусочки угля образуют отдельности различной геометрической формы: пластинчатой, кубической, призматической, пирамидальной, конусовидной, шаровой, брекчиевидной. Трещины кливажа угля, возникшие в результате эндогенных и экзогенных тектонических процессов, параллельны и не совпадают с первичной слоистостью. Они влияют на технологию разработки.

Действительная плотность (d_r) зависит от петрографического состава, минеральных примесей, влажности и степени углефикации. Она составляет у бурых углей от 0,8 до 1,35 т/м³, у каменных — 1,30—1,45 т/м³, у антрацитов — 1,4—1,9 т/м³.

Технологические свойства углей определяют возможности их обогащения, брикетирования, коксования или полукоксования, получения из них жидкого топлива или их газификации. С этой целью отбирают болынеобъемные технологические пробы для обработки их на промышленных установках.