Структурная
единица макромолекулы – это
фрагмент структуры, умножением которого
на целое число восстанавливается
ее полная структура. В случаях регулярных
одно-, двух- или трехмерных полимеров
структурной единицей является элементарный
фрагмент, который транслируется
в соответствующих направлениях.
Однако ОМУ состоит из ассоциатов
макромолекул нерегулярного строения.
Вводя в рассмотрение «среднестатистическую
структурную единицу», ОМУ представляется
в виде гипотетической макромолекулы
регулярного строения. В этом смысле среднестатистическая
структурная единица отождествляется
с элементарным фрагментом структуры.
Следовательно,
за среднюю статистическую структурную
единицу ОМУ в целом или
отдельных ее ингридиентов (витринитов,
липтинитов и инертинитов) принимается
единица массы, которая по элементному,
функциональному и фрагментальному составу
отождествляется с макросистемой. В углехимии
для отражения структурно-химических
особенностей ОМУ широко пользуются структурными
моделями. В настоящее время известно
несколько десятков таких моделей, предложенных
разными авторами в разное время. Некоторые
из них приведены на рис. 2. Модели наглядно
отражают эволюцию представлений о структуре
ОМУ. В них, как правило, представляются
основные структурные фрагменты (конденсированные
ароматические шести- и пятичленные кольца
и нафтеновые циклы), соединенные между
собой мостиковыми связями (-(СН2)n -, >СО,
-О-, -NH-, -S-), функциональные группы (-СООН,
-ОН, -ОСНз, -NH2, и т. д.) и боковые заместители,
в основном, состоящие из алкильных групп.
Следует
отметить, что конкретные структурные
модели носят чисто иллюстративный
характер, способствуя при этом познанию
ряда особенностей «молекулы угля».
3.Физические
свойства углей
Следует
отметить, что энергетические угли
должны обладать конкретными свойствами,
определенными соответствующими нормативными
документами. Необходимые качества
угольной продукции зависят от последующего
направления их использования.
При использовании
угля в теплоэнергетике он должен
иметь определенные крупность, зольность,
влажность и т.д. С этой целью добытый уголь
подвергают обогащению.
Общий
объем переработки угля в России в 2005
году с учетом переработки на установках
механизированной породовыборки составил
107,6 млн. т [15]. Динамика обогащения угля
на обогатительных фабриках России показана
на рис. 3. При этом в указывается, что коксующийся
уголь практически весь обогащается (в
2005 году – 92%), доля же обогащаемого энергетического
угля незначительна (в 2005 году она составила
всего 13%).
Рис.5 Динамика
обогащения углей на фабриках России.
[http://www.bestreferat.ru/referat-200995.html]
Масса
твердого горючего ископаемого до обогащения
состоит из кусков практически чистого
топлива, кусков свободной от топлива
породы и кусков, в которых в
различном соотношении содержаться
и органическая, и минеральная
части. Эффективность обогащения топлив
существенно зависит от строения
таких «смешанных» зерен –
сростков. Если порода образует с углем
сростки, которые легко разделяются
дроблением, то топливо будет обогащаться
легко. Если же минеральное вещество
равномерно распределено среди органической
массы топлива в виде мелких включений,
то топливо обогатить будет трудно.
На
примере углей Дальнего Востока необходимо
развивать исследования по рациональному
использованию углей с учетом сопутствующих
полезных компонентов, возможности и экономической
целесообразности их извлечения. При этом
следует учитывать, что значительная часть
элементов максимально концентрируется
в золе углей, а некоторые элементы уносятся
с газами при высоких температурах сжигания.
Важнейшими
техническими характеристиками топлива
являются теплота сгорания, выход
летучих веществ и свойства кокса.
Теплотой сгорания топлива называется
количество теплоты, выделяющееся при
полном сгорании 1 кг массы твердого
или жидкого топлива или 1 м3 газового
топлива при нормальных физических
условиях. Различают высшую и низшую
теплоты сгорания. Высшей теплотой сгорания
называется количество теплоты, выделяющейся
при сгорании топлива с учетом теплоты
конденсации водяных паров, образующихся
при сгорании водорода HP и испарении влаги
топлива WP. Низшей теплотой сгорания называется
теплота сгорания топлива при условии,
что влага, образующаяся при сгорании
водорода топлива 9НР, и влага топлива
WP находятся в парообразном состоянии.
Содержит
96—98 % С, остальное Н, S, N, O. Пористость 49—53
%, истинная плотность 1,80—1,95 г/см³, кажущаяся
плотность ≈1 г/см³, насыпная масса 400—500
кг/м³, зольность 9—12 %, выход летучих веществ
1 %. Влажность при тушении водой и инертным
газом соответственно 2—4 % и не более 0,5
%. Предел прочности при сжатии 15—25 МПа,
при срезе (характеризует устойчивость
к истиранию) 6—12 МПа, теплота сгорания
29—30 МДж/кг.
4.Основные
закономерности угленакопления
Анализ
стратиграфического и палеогеографического
распределения масс Угли ископаемые
на Земле лег в основу разработанной
в 1937 П. И. Степановым теории
поясов и узлов углеобразования.
Им установлена определённая
закономерность в размещении
одновозрастных угольных районов
и бассейнов в виде поясов
широтного или субмеридионального
направления, которые были приурочены
к зонам земной поверхности с палеоклиматическими
и геотектоническими условиями, благоприятными
для накопления угольной массы. На основании
стратиграфического распределения учтенных
запасов Угли ископаемые П. И. Степанов
выделил два максимума углеобразования
- в верхнем карбоне - перми и в палеогене
- неогене, а также высказал предположение
о наличии третьего - в юрско-нижнемеловое
время. Последующие исследования подтвердили
эти закономерности.
Углеобразование
является одним из региональных
геологических процессов, проявившихся
на территории всех континентов. Площади
непрерывного распространения угленосных
формаций колеблются от нескольких до
сотен тыс. км; мощности - от десятков м
до 20 км, число заключённых в них пластов
угля - от единиц до нескольких сотен. Согласно
современным представлениям, все основные
черты угленосных формаций - их мощность,
пространственная изменчивость состава
и строения, взаимоотношение с вмещающими
породами, количественная и качественная
характеристика угленосности, метаморфизм
углей, тектоника и др.- определяются характером
и интенсивностью колебательных движений
земной коры, в тесной взаимосвязи с историей
структурного развития и палеогеографией.
Так, для угленосных формаций, приуроченных
к краевым прогибам, унаследованным и
наложенным крупным впадинам на складчатом
основании, характерны большая мощность
формаций; зональность их тектонического
строения (от сильно дислоцированных структур
по границе с орогенными областями к спокойным
в центральной и приплатформенной частях
бассейна), многопластовость, горизонтальная
и вертикальная зональность в проявлении
регионального метаморфизма углей, широкий
диапазон их марочного состава (от бурых
до антрацитов).
Крупные
по масштабам процессы углеобразования
приурочены к платформенным областям.
В угленосных формациях, связанных
с посторогенными (Челябинский и Тургайский
бассейны), унаследованными и наложенными
впадинами (Канско-Ачинский, Майкюбенский
и Южно-Уральский бассейны) часто накапливались
мощные угольные пласты. К платформенным
синеклизам приурочены маломощные угленосные
формации с невысокой угленосностью (Подмосковный
и Иркутский бассейны). Степень углефикации
углей платформенных формаций невысокая,
преобладают угли бурые и каменные марок
Д и Г. В орогенных областях углеобразование
проявилось слабо, на локальных площадях,
где создались благоприятные для континентального
осадконакопления условия. Из-за сложной
тектоники такие месторождения имеют
очень ограниченное промышленное значение.
4.1.Условия
залегания
Подавляющему
большинству угленосных формаций свойствен
пластовый характер залегания Угли
ископаемые между почти параллельными
напластованиями вмещающих пород
на обширных площадях, при небольшой
по сравнению с площадью распространения
мощности. В прибрежно-морских и
прибрежно-бассейновых (лагунной, дельтовой)
обстановках осадконакопления, характерных
для угленосных формаций, приуроченных
к переходным (от орогенных к платформенным)
областям, угольные пласты формировались
на огромных площадях, измеряемых сотнями
км2. Мощность отдельных пластов - от см
до нескольких м, при относительно высокой
выдержанности морфологических черт.
Свойственная платформенным областям
внутриконтинентальная (озёрная, озёрно-болотная,
речная) обстановка осадконакопления
обусловила более ограниченное по площади
распространение пластов, во многих случаях
их линзовидную форму. Мощность многих
угольных залежей достигает здесь на значительных
площадях десятков, в единичных случаях
- сотен м. В практике промышленной оценки
принято разделять угольные пласты: по
мощности - на весьма тонкие (до 0,5 м), тонкие
(0,5-1,3 м), средней мощности (1,3-3,5 м), мощные
(3,5-15 м) и весьма мощные (более 15 м); по выдержанности
морфологии и качества угля - на выдержанные,
относительно выдержанные и невыдержанные.
На выдержанности морфологии угольных
пластов, оцениваемой обычно на площадях
в несколько км2, отражается прежде всего
региональное и локальное расщепление
- результат прерывистых дифференцированных
погружений дна бассейна, неравномерного
сноса песчано-глинистого материала, колебаний
уровня вод и др. Изменение мощностей пластов
обусловливается также неровностями ложа
торфяника и размывами как в процессе
накопления, так и после захоронения торфяников
и углей овражно-речной сетью или морской
трансгрессией. Сохранность угольных
пластов нарушается в ряде случаев процессами
карстообразования в подстилающих угленосную
толщу отложениях, выгоранием пластов,
возникшим в результате окисления угля
атмосферным воздухом, воздействием тектонических
подвижек, приводящим к пережимам и раздувам,
а также ассимиляцией угля изверженными
породами, внедрившимися в угленосную
толщу. Залегание угольных пластов также
характеризуется большим разнообразием.
Лишь в некоторых бассейнах и месторождениях
платформенной группы угольные пласты
характеризуются слабоволнистым, почти
горизонтальным ненарушенным залеганием.
В большей же части угленосные образования
подверглись складкообразованию, сопровождавшемуся
разрывными нарушениями. В практике разведки
и эксплуатации условия залегания угольных
пластов оцениваются для локальных участков
крупных бассейнов и месторождений с запасами
угля, обеспечивающими работу шахты (углеразреза).
В масштабе шахтных (карьерных) полей ведущими
структурными формами являются: моноклинали
- крылья пологих синеклиз и антеклиз платформ,
а также крылья и замковые части крупных
синклиналей и антиклиналей; ограниченные
по размерам брахискладки и участки с
сопряжением различных складчатых форм
более мелких порядков. Сопровождающие
складчатость и наложенные разрывные
нарушения создают блоковый характер
залегания угольных пластов с размерами
обособленных блоков от несколько км2
до мелкоблочных и чешуйчатых форм. Применительно
к действующим принципам геологопромышленной
оценки угольные месторождения и угленосные
площади по степени сложности геологического
строения подразделяются с учётом выдержанности
морфологии угольных пластов и качества
угля, а также характера проявления тектоники
на три группы. К первой группе относятся
месторождения (участки) простого строения
с выдержанными мощностями основных рабочих
пластов и качеством углей, ненарушенным
или слабонарушенным залеганием; ко второй
- месторождения (участки) сложного строения
с изменчивой мощностью и строением большей
части угольных пластов либо с невыдержанным
качеством углей, а также угленосные площади,
на которых при выдержанной морфологии
основных пластов залегание последних
- сложно складчатое или интенсивно нарушено
разрывами; третью группу составляют месторождения
(участки) очень сложного строения, интенсивно
нарушенные складчатостью и разрывами,
мелкоблочным залеганием или сложной
изменчивой морфологией угольных пластов.
Приведённая группировка используется
при проектировании геологоразведочных
работ, подсчёте запасов углей и планировании
строительства угледобывающих предприятий.
Заключение
1. Показано,
что уголь представляет собой
сложную дисперсную систему, включающую
в себя три взаимосвязанные
макросоставляющие: органическую массу,
влагу и минеральные компоненты.
2. Органическая
масса представлена основными
структурными фрагментами (конденсированные
ароматические шести- и пятичленные
кольца и нафтеновые циклы), соединенными
между собой мостиковыми связями
(-(СН2)n -, >СО, -О-, -NH-, -S-), функциональными
группами (-СООН, -ОН, -ОСНз, -NH2, и т. д.) и
боковыми заместителями, в основном, состоящими
из алкильных групп.
3. 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.
4. К минеральным
компонентам относятся: глинистый сланец
(Al2O3··SiO2·2H2O), песчанистый сланец (SiO2), пирит
(FeS2), сульфаты (CaSО4), карбонаты (MgCО3, FeCО3
и др).
5. 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
массах (ЗШМ) эти элементы еще более сконцентрированы.
В ЗШМ кузнецких энергетических углей
марки Д содержится 1090,4 г/т РЗЭ; 109174 г/т
алюминия; 59405 г/т железа; 16920 г/т натрия;
30234 г/т магния и т.д. Общее содержание элементов
составляет 560613,8 г/т ЗШМ.
6. Установлено,
что одной из главных задач,
которую необходимо решать при
переработке угля, является комплексное
использование его энергетического
и химического потенциала на
основе экологически чистых технологий
и процессов.
Список
литературы
1. Сибирская
угольная энергетическая компания
– 5 лет в строю. // Горный журнал.
– 2006. – № 4, с.25-28.
2. Нифантов
Б.Ф. Кузнецкий бассейн // Ценные и токсичные
элементы в товарных углях России: Справочник.
– М.: Недра, 1996. – С. 96-140.
3. Нифантов
Б.Ф., Потапов В.П., Митина Н.В. Геохимия
и оценка ресурсов редкоземельных и радиоактивных
элементов в кузнецких углях. Перспективы
переработки. – Кемерово: Институт угля
и углехимии СО РАН, 2003. – 100 с.
4. Еремин
И.В., Броновец Т.М. Марочный состав углей
и их рациональное использование. – М.:
Недра, 1994. - 254 с.