РАЗДЕЛ 2
ХАРАКТЕРИСТИКА УГЛЕЙ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Общая методика проведения исследования
Исследование сернистых углей проводили путем математико-статистического анализа справочных данных, характеризующих состав и свойства малометаморфизованных углей Донецкого бассейна, а также путем экспериментального изучения свежеотобранных пар изометаморфных углей разных генетических типов по восстановленности, их экстрактов и продуктов термической деструкции. Для получения достоверной картины, характеризующей особенности структуры, реакционной способности углей разных генетических типов по восстановленности использовали различные химические и физико-химические методы анализа. В качестве основного метода термодеструкции в настоящей работе использовали процесс полукоксования. Продукты полукоксования нарабатывали в количестве, необходимом для их последующего исследования методами оптической микроскопии, технического, элементного, функционального химического анализа, ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, определения адсорбционной способности твердых продуктов, абсорбционного анализа газов и др.
Полукоксование или термическое разложение твердых горючих ископаемых без доступа воздуха при температуре 5200С осуществляли по ГОСТ 3168 - 66. В условиях этого процесса в значительной мере сохраняется структура ароматических фрагментов угля. При полукоксовании образуются:
1) твердый продукт (полукокс);
2) газообразные продукты (первичный газ);
3) жидкие продукты:
- первичная смола (иногда называется первичным дегтем), в состав которой входят парафины, производные ароматических углеводородов, нафтены, полициклические углеводороды, эфиры, фенолы, основания, кетоны, карбоновые кислоты, сернистые соединения и др.;
- вода разложения, или пирогенетическая вода, которая вместе с влагой, содержащейся в углях, образует так называемую подсмольную воду;
- газовый бензин (смесь жидких низкокипящих углеводородов, остающихся в парообразном состоянии в первичном газе после его охлаждения и удаления конденсирующихся паров воды и первичной смолы).
Выход продуктов полукоксования является показателем, который используется, главным образом, для характеристики топлив низкой степени углефикации, таких как: торф, бурые и молодые каменные угли, горючие сланцы. Количество и состав отдельных продуктов полукоксования отражает химическую природу, строение и свойства органической массы углей и используется для оценки их как сырья для технологической переработки (полукоксование, получение синтетического жидкого топлива, газификация).
В работе также использовали и другие методы термообработки:
- дериватографический анализ;
- пиролиз в потоке водяного пара, разработанный ИОХ БАН [97], которые будут описаны ниже.
2.2. Характеристика исследуемых углей
В качестве основных объектов исследования использовали бурые угли Канско-Ачинского и Днепровского бассейнов и длиннопламенные угли Донецкого бассейна близкого петрографического состава, но различных генетических типов по восстановленности и с различной склонностью к самовозгоранию. Образцы восстановленного и слабовосстановленного углей отбирали от сближенных угольных пластов l4 - k8; l21- l4, которые в стратиграфическом разрезе располагаются в следующей последовательности от вышележащего пласта: l4 > l21> k8 . Отбор проводили из зоны распространения длиннопламенных углей в юго-западной части Донецкого бассейна. Эту зону характеризуют незначительные изменения степени углефикации, как в стратиграфическом разрезе, так и на площади распространения пластов, поэтому свойства углей определяются типом по восстановленности [12]. При выборе указанных шахтопластов использовали данные анализов шахт о наличии известняка в кровле пластов, о содержании в углях общей серы, значении показателя отражения витринита и выхода летучих веществ. Эти данные отчетливо показали нарушение известной закономерности об уменьшении Vdaf и увеличении Rо,r с глубиной погружения (правило Хильта).
Угли Канско-Ачинского бассейна, одного из крупных в мире по ресурсам, по возрасту относятся к нижнеюрским (Бородинское месторождение). Они представляют собой плотные бурые угли, отличающиеся чрезвычайно малой сернистостью. Вся сера представлена органической формой. Пирит и сульфаты практически не встречаются. Петрографический состав этих углей характеризуется сравнительным однообразием с преобладанием компонентов группы витринита (95-97%), в которых высоко содержание аттритово-фрагментарных (55-56%) и аттритовых (31-33%) разновидностей микроструктуры. Низкое содержание водорода и серы, большое количество гуминовых кислот и соответственно кислородсодержащих функциональных групп, высокая действительная плотность и невысокие значения выхода летучих веществ - все эти признаки указывают на слабовосстановленный характер гелифицированного вещества Канско-Ачинских углей [98].
Уголь Днепровского бассейна относится к угленосному отложению бучакского яруса (палеоген, эоцен). В его сложении главную роль играют матовые землистые гумусовые угли аттритовой структуры. В превращении исходного материала эоценовых днепровских углей исключительное значение имели процессы гумификации, чаще всего, протекавшие в обводненных лесных торфяниках, где масса отмершего растительного материала длительное время находилась в условиях биологически активного торфогенного слоя. Днепровский уголь - высокосернистый, содержит около 50% рабочей влаги. Различные методы обогащения этого угля не дают положительных результатов. Судя по содержанию водорода и серы, выходу летучих веществ, этот уголь следует отнести к восстановленному типу [98].
В качестве основного показателя типа по восстановленности использовали результаты подсчета процентного содержания микролитотипов с тонкодисперсным пиритом (карбопирита). При значении показателя менее 20% уголь относили к слабовосстановленному типу, а при значении более 40% - к восстановленному [14].
Характеристика исследуемых углей приведена в таблицах 3