Химический состав и физические свойства углей

Министерство  образования и науки Украины

Одесский  национальный университет имени  И.И Мечникова

Геолого-географический факультет 

Кафедра морской геологии 
 
 
 

Реферат

Химический  состав и физические свойства углей 
 
 
 

Студенки 4-го курса 

Геология

Рыбаченко Анастасии

Научный руководитель:

Ларченков Е.П. 
 

Одесса-2011

Содержание

Введение

1.Состав и  классификация углей.

    1.1.Золошлаковые продукты и их состав

 2. Структура и строение углей

     2.1. Задачи углехимии

 3.Физические свойства углей

4.Основные закономерности  угленакопления

    4.1.Условия залегания

Заключение

Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Твердые горючие ископаемые – каменные и  бурые угли, горючие сланцы, торф – составляют более 90% всех горючих  ископаемых мира. По запасам угля Россия уступает только США, а в Украине уголь является единственным реальным энергоносителем на дальнюю перспективу.

Уголь был основным источником энергии  и химического сырья в XIX и начале XX века. Начиная с 30-х годов и особенно в 40–70-е годы на первое место в топливно-энергетическом балансе СССР и развитых зарубежных стран вышли нефть и природный газ. Их преимущества перед углем заключаются в отсутствии балласта (золы и воды), они характеризуются большей теплотой сгорания, лучшей транспортабельностью, возможностью быстрого наращивания объема производства и получения жидких топлив и химического сырья с меньшими, чем при использовании угля, затратами. В результате к концу 70-х годов доля угля в топливно-энергетическом балансе уменьшилась до 25–27% (против 65 – 70% в первые послевоенные годы).

Увеличение  стоимости нефти и постепенное  истощение наиболее богатых ее источников привело к возрастанию доли угля в топливном балансе и развитию работ по производству из угля новых  продуктов, включая и синтетические  жидкие, и газообразные топлива.

В связи  с этим 90-е годы следует считать периодом подготовки к новому значительному увеличению доли угля в топливно-энергетическом балансе, к осуществлению новых много - тоннажных технологических процессов переработки угля и других твердых горючих ископаемых. В последние годы, благодаря высоким ценам на нефть и газ интерес к углю в мире как альтернативному энергоносителю постоянно растет.  
 
 
 
 
 
 

1.Состав и классификация углей

 

Рис.1(Бурый  уголь) [http://ru.wikipedia.org/wiki/Ископаемый_уголь]

Угли – это твердые горючие вещества органического происхождения. Ископаемые угли имеют различные физические и химические свойства, что обусловлено различием в исходном растительном материале, глубине химических превращений и внутримолекулярных перестроек растительных остатков.(Рис.1)

В зависимости  от стадии метаморфизма различают:

-бурый  уголь;

- каменный уголь;

- антрацит.

Они отличаются между собой химическим составом, физическими свойствами и показателями качества.

Бурые угли делят на две группы: лигниты  и собственно бурые угли. 

- Лигниты состоят из остатков древесины и имеют волокнистое строение. Собственно бурые угли не имеют ясно выраженных растительных остатков. Цвет этих углей различный – от темно-бурого до черного. Содержание углерода – 68 – 80 %, гигроскопической влаги – 25 – 30 %, выход летучих веществ – более 45 %, плотность – 800 – 1250 кг/м3. Бурый уголь, находясь на воздухе, рассыпается в мелочь.

Каменный  уголь имеет черный цвет, теплоту  сгорания 31 – 37 кДж/кг, плотность 1250 – 1500 кг/м3; содержит 3–4 % гигроскопической влаги, 80–92 % углерода, 11–45 % летучих веществ.

Антрацит (рис.2) имеет черную со стекловидным блеском поверхность, острые края при изломе, теплоту сгорания 35–38 кДж/кг, содержит летучих веществ до 6 %.

                

Рис.2 [http://www.energoprom.ru/production/antracit/]

Уголь не является однородным веществом, а  состоит из нескольких петрографических разновидностей:

- дюрен – матовый, твердый, не имеющий слоистости уголь, встречается в виде мощных пачек;

- кларен – блестящий уголь с выраженной полосчатой текстурой, встречается в виде мощных пачек или даже целых пластов;

- витрен – блестящий уголь, напоминающий кларен, но отличающийся небольшими размерами включений, отсутствием включений других разновидностей и большей плотностью;

- фюзен – матовый уголь волокнистого строения, по внешнему виду напоминает измельченный древесный уголь, встречается в виде небольших линз на плоскостях напластования. 

Разновидности угля имеют следующую зольность: витрен и кларен – до 2 %; дюрен – 6–12 % и фюзен – 15–25 %. Кларен и витрен хорошо коксуются, дюрен слабо, а фюзен не коксуется. Наиболее прочной разновидностью является дюрен, а наиболее хрупкой – фюзен.

Знание  петрографического состава углей  необходимо для определения оптимальных  пределов дробления, рационального  предела их обогащения и способов технологической переработки. Угли состоят из органической (горючей) массы и негорючих компонентов (минеральных примесей и влаги).

В состав органической массы входят следующие  химические элементы: углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), сера (S), фосфор (Р). Самый ценный элемент в углях  – углерод, содержание которого возрастает с увеличением стадии метаморфизма. К минеральным примесям относятся: глинистый сланец (Al2O3··SiO2·2H2O), песчанистый сланец (SiO2), пирит (FeS2), сульфаты (CaSО4), карбонаты (MgCО3, FeCО3 и др).

Минеральные примеси, перешедшие в уголь из растительных организмов, называются связанными, а  примеси, попавшие в период накопления растительных остатков, – наносными. Минеральные примеси, которые попали в уголь при его добыче, называются свободными. При обогащении могут  быть удалены только свободные минеральные  примеси.

Промышленная  классификация углей предусматривает  деление углей на различные марки  и группы в зависимости от их физико-химических свойств и возможности использования  для технологических или энергетических целей. Угли каждого бассейна разделяют на марки и группы, причем угли одноименных марок и групп различных бассейнов имеют неодинаковые пределы классификационных параметров. Поэтому угли разных бассейнов, характеризуемые одинаковыми классификационными параметрами, при технологическом использовании могут давать различный по физико-механическим свойствам продукт. Все угли условно делят на две технологические группы: коксующиеся и энергетические. 
 
 
 

     1.1.Золошлаковые продукты и их состав

Рис.3 [http://www.google.com.ua/imgres]

Анализ  состава углей показывает, что  они содержат цветные, черные, редкие, благородные, радиоактивные, рудные и  нерудные элементы, на долю которых  приходится около 1% минеральной части. В золошлаковых (Рис.3) массах эти элементы еще более сконцентрированы.

Золошлаковые материалы могут неограниченно использоваться как добавки и наполнители при производстве широкого спектра строительных материалов и полностью обеспечивают требования санитарии, включая радиологический аспект.

Ежегодно  в Европе до 6 млн. тонн только зольной  пыли - утилизированного продукта сгорания угля - как альтернатива природным  материалам используется в качестве добавки к цементу, при изготовлении цементного клинкера, растворов, бетонов, бетонных блоков. Использование техногенных  отходов в стройиндустрии - обычная  практика: они широко применяются  в производстве кирпича, строительных конструкций, устройстве дорожного  полотна. 
 
 
 
 
 
 

2. Структура и строение  углей

Ископаемый  уголь представляет собой сложную  дисперсную систему, включающую в себя три взаимосвязанные макросоставляющие: органическую массу, влагу и минеральные компоненты. Они характеризуют марочный состав и определяют пути рационального использования углей. Для характеристики свойств конкретного угля следует учитывать роль каждой из трех составляющих его частей.

Элементный  состав органической массы углей (ОМУ), структура макромолекул и характер надмолекулярного структурирования определяют основные физико-химические и химико-технологические свойства углей. Физико-химические свойства органического вещества углей существенно зависят от степени их метаморфизма. Определение пригодности углей для конкретных технологических процессов невозможна без учета физико-химических особенностей строения угля. В связи с этим возникает необходимость в установлении связи между структурой и свойствами углей. Это - одна из основных проблем угле-химии. Все физико-химические свойства ОМУ определяются внутри- и межмолекулярным взаимодействием. Внутримолекулярные взаимодействия обусловливают совокупность энергетических характеристик изолированной молекулы, а межмолекулярные взаимодействия - надмолекулярное строение твердого тела (форма упаковки, тип кристаллической решетки и т.д.). Оба типа взаимодействий - следствие особенностей элементного состава и химической структуры ОМУ. Это демонстрирует рис. 1, где показано, что многие физико-химические свойства ОМУ меняются в зависимости от стадии углефикации; ряд свойств характеризуется максимальными или минимальными значениями при содержании углерода 80-90 %.

Структура (рис.4) органической массы углей весьма разнообразна, но условно структура углеводородной части находится в промежутке между двумя крайними состояниями, а именно: между насыщенными и ароматическими структурами, которые существенно различаются по физико-химическим свойствам. В насыщенных соединениях углеродные атомы находятся в sp3-гибридном состоянии. Они образованы с помощью относительно менее прочных простых С–С связей и более склонны к термической деструкции. Множественные пространственные конформации этих соединений составляют непрерывный ряд по энергиям, что обусловливает метастабильность структуры. В ароматических структурах углеродный атом находится в sp2-гибридном состоянии; С–С связи примерно в 1,5 раза прочнее, чем простые связи С–С, поэтому ароматические соединения имеют относительно жесткую структуру. Конденсированные ароматические соединения склонны к образованию кристаллической структуры и при числе колец n ≥ 4 из-за сильного межмолекулярного взаимодействия при нагревании, не успев сублимировать, разлагаются.

Взаимосвязь структуры и свойств ОМУ базируется на фундаментальных исследованиях. В целом, фундаментальные исследования ОМУ условно можно разделить  на два направления: исследование молекулярной структуры и исследование надмолекулярного строения.

Рис.4 – Физико-химический состав углей в зависимости от степени углефикации. [http://www.bestreferat.ru/referat-200995.html]

W –  показатель механической прочности; 

– действительная плотность, г/см3;

– выход  летучих веществ из аналитической  пробы, % (масс);

 Рmax – максимальное давление распирания, кгс/см2; х – пластометрическая усадка, мм; Y-толщина пластического слоя, мм; RI – индекс Рога; SI – индекс свободного вспучивания; – индекс максимальной пластичности (по методу Гизелера); С – содержание углерода, %. 
 
 
 

2.1. Задачи углехимии

Одна  из главных задач углехимии – исследование реакционной способности углей в различных процессах с целью разработки эффективных путей переработки ОМУ в продукты с заданными свойствами. Естественно, что решение этой задачи должно базироваться на данных структурно-химических показателей ОМУ.

В настоящее  время накоплен большой экспериментальный  материал по исследованию структуры  и реакционной способности ОМУ  физико-химическими методами. Однако интерпретация данных по связи структуры и свойств ОМУ часто противоречива из-за отсутствия единой точки зрения на ее структуру носит описательный, качественный характер и не может быть использована для количественной оценки свойств углей в термохимических процессах их переработки. Молекулярная структура ОМУ устанавливается как по данным прямых спектроскопических и рентгеноструктурного методов анализа, так и косвенно, по составу продуктов превращения. Согласно этим данным, структура ОМУ неоднородна и состоит, в основном, из макромолекул нерегулярного строения различной величины. Поэтому, когда речь идет о молекулярной структуре органической массы, подразумевается средняя структура единицы массы угля, которая конструируется по экспериментальным данным.