Паливні корисні копалини: нафта, газ, вугілля, сланці, торф

Отже, видобування паливних корисних копалин дуже складна робота, але це ніщо в порівнянні з користю, яку вони приносять.

3.ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА  ГОРЮЧИХ КОРИСНИХ КОПАЛИН

3.1УТВОРЕННЯ ГОРЮЧИХ КОРИСНИХ  КОПАЛИН

Усі паливні корисні копалини називаються  каустобіолітами (від гр. kausto – горючий; bios – життя; litos – камінь)[].

А щоб зрозуміти пізніше чому в цих копалинах такий склад, а не інакший, то треба зрозуміти  як вони утворюються.

Що до нафти, то на сьогоднішній час  у вчених немає одностайної думки  про її утворення, тому існує багато гіпотез на рахунок цього. Першою гіпотезою є гіпотеза органічного походження нафти. Одним з перших, хто науково обґрунтував це твердження був М.В. Ломоносов. Він казав, що нафта, як і вугілля утворилась з рослинних решток. Пізніше вчені довели, що вона може утворюватись і з тваринних решток. На думку сучасних прихильників органічної теорії нафта народжується так. Рештки рослин і тварин нагромаджуються на дні морів та озер у вигляді мулу. Потім він покривається новими шарами відкладів, ущільнюється і перетворюється в осадову породу. При цьому органічні рештки розкладаються бактеріями і утворюється велика кількість метану, вуглекислого газу, води і трохи рідких твердих вуглеводнів – розсіяної нафти. В міру поглиблення та ущільнення мулу, з нього, у породи, які залягають вище, витискається розсіяна нафта разом з газом. Там вона отримує властивості „справжньої” нафти. Далі вона помалу переміщується по порах та тріщинах вверх, де при сприятливих умовах формуються її поклади. Цей процес відбувається при температурі 100 – 2000С, яка характерна для глибини 4 – 6 км, яку називають головною зоною нафтоутворення.

Іншою гіпотезою є гіпотеза про  неорганічне походження нафти. Згідно з нею в мантії Землі при  дуже високих температурах вуглець  та водень утворюють ненасичені вуглеводневі радикали СН2 і СН3. Із-за великого перепаду тисків вони переміщуються по глибинних розломах і в процесі руху утворюють насичені нафтові вуглеводневі сполуки. Далі цей рух приводить їх в пастки, які виникають в проникних породах. До цієї гіпотези належить також твердження про космічне походження нафти. Тобто, коли Земля формувалася як планета, вона захопила водень з первинної (космічної) газової матерії. Після того, як в результаті охолодження утворилась земна кора, „космічний” водень по розломах в ній став підніматися з надр на поверхню Землі. При цьому він вступав в реакцію з вуглецем рідкої магми, утворюючи нафтові вуглеводні.

В останній час суперечки про  походження нафти стихли, тому що вченим вдалося отримати докази можливості утворення вуглеводнів як

органічним, так і неорганічним шляхом. Але це питання ще не закрите, бо від відповіді на нього залежить ефективність пошуків нафтових і  газових родовищ.

Природний газ утворюється такими ж способами як і нафта, а саме: органічним та неорганічним способом. При перегниванні органічних решток утворюються легкі газуваті вуглеводні та їх гомологи, які накопичуються в розломах та нішах земної кори. При неорганічному утворенні – вуглець насичується невеликою кількістю водню, створюючи метан і його похідні.

Ще в Середні віки висувалось багато гіпотез про походження викопного вугілля. Але ці теорії в більшості були неправильними. Сучасне наукове дослідження складу вугілля показало: воно утворилось із решток рослин, які накопичувались в торфових болотах. Вищі рослини (дерева, кущі, трави), а також мохи дали початок торфу і гумусовому вугіллю; тварини та нижчі рослини, відмираючи, утворюють сапропелеве вугілля. Найбільш поширене – гумусове. Під мікроскопом в них можна побачити його складові частини – це не розкладені рештки дерев; спори, пилок, кору, смолу древніх рослин; частково розкладені залишки дерев з добре вираженою клітинною структурою.

Далі  болота, то покривалися пишною рослинністю, то заносились мулом та піском. Багаторазова зміна природних умов привела  до формування багатопластових вугільних басейнів.

Там, де довгий час існували сприятливі умови, утворились великі маси торфу, з  яких виникли пласти вугілля різної форми з місцями значної товщини  до 100 м та більше.

Викопне вугілля розділяють на 3 групи: буре, кам’яне та антрацит. Такий поділ фактично відображає стадії їх утворення. Під дією температури і тиску торф ущільнюється, втрачає воду та леткі речовини (кисень, водень), накопичуючи при цьому вуглець. Поступова зміна органічної речовини породжує послідовний ряд горючих копалин: торф – крихке буре вугілля – щільне буре вугілля – кам’яне вугілля – антрацит – графіт.

Для того, щоби рослинні рештки могли зберігатися  довгий час і створювати великі поклади  торфу необхідні особливі умови, а саме: щоб швидкості прогинання дна болота і накопичення залишків рослин співпадали. Такі умови найбільше відповідають помірному клімату, тому торф’яні поклади поширені в середніх та високих широтах – в зонах лісостепу, тайги і тундри, в яких умови для утворення торфовищ найбільш сприятливі, оскільки процеси росту і розкладу рослин загальмовані. Тут рослинна маса накопичується тисячоліттями, по 1мм/рік.

Болота-торфовища  зазвичай розташовані в долинах  рік або на приморських низинах, на вододілах або на схилах пагорбів. Для кожного торфовища характерні свої рослини і склад торфу. Деколи в основі торф’яних покладів зустрічаються шари сапропелю – перегнившого мулу. Торфові поклади можуть складатися з одного або кількох видів, а товщина коливається від кількох десятків сантиметрів до кількох метрів.

Що  ж до горючих сланців, то вони утворились в озерах і морських лагунах. Тут  відмерлі рослини і та залишки  тварин переробляються личинками комах, молюсками і мікроорганізмами, перетворюються в сапропель. В більш глибоких шарах цього мулу перетворення органічної речовини йде без доступу повітря в результаті діяльності анаеробних бактерій. Так народжується органічна речовина сланців – кероген. При зануренні сланців на великі глибини, де температура і тиск ростуть, кероген розкладається. Утворюються різноманітні вуглеводні, які при сприятливих умовах можуть створювати родовища нафти і газу.

3.2СКЛАД  І ВЛАСТИВОСТІ ГОРЮЧИХ КОПАЛИН

Щоб зрозуміти що собою являють горючі корисні копалини, то треба знати  з чого вони складаються і які  їхні властивості.

Отже нафта – це густа, в’язка масляниста рідина, зазвичай темно-коричневого або чорного кольору, але також бувають і світло-коричневі, червонуваті, жовті й навіть білі нафти. Переважно вона є легко текучою, рідше – малорухомою. Має різкий запах гасу, легша за воду, густина коливається від 750 кг/м3 до 950 кг/м3 на поверхні води утворює тонку жирну плівку. При 00С не замерзає, а в’язне. Розрізняють динамічну і кінематичну в¢язкість. Динамічною в’язкістю називається внутрішній опір окремих часток рідини руху загального потоку. У легкій нафті в’язкість менше, ніж у важкій. При видобутку і подальшому транспортуванні важкі нафти підігрівають. Кінематичною в’язкістю називається відношення динамічної в"язкості до щільності середовища. Велике значення має сила поверхневого натягу нафти. При зіткненні її з водою між ними виникає поверхня типу пружної мембрани. Також при її видобутку використовують капілярні явища. Сили взаємодії води з гірською породою більші, ніж у нафти, тому вода здатна витиснути її з дрібних тріщин у більш великі. Для збільшення нафтовіддачі шарів використовуються спеціальні поверхнево активні речовини. Всі нафти мають неоднакові оптичні властивості. Під дією ультрафіолетових променів вони здатні світитися. При цьому легші світяться блакитним світлом, важкі – бурим та жовто-бурим. Це використовується при пошуку нафти. Також вона є діелектриком і має високий питомий опір. На цьому засновані електрометричні методи встановлення в розрізі, розкритому свердловиною, нафтоносних шарів. І саме головне, в чому полягає основна цінність нафти – це її теплотвірна здатність, до 10000 калорій або 41МДж/кг, а в продуктів перегонки ще більша, що робить її основним енергоносієм у світі. 1т нафти = 1,3т антрациту = 3т бурого вугілля = 3,3т торфу = 7т горючих сланців.

Крім того нафта не є індивідуальною речовиною. Її неможна записати однією якоюсь хімічною формулою. Вона складається з близько 1000 різних речовин і хімічних елементів. Основні з них: вуглець – 82 .87% мас.; водень – 11 .15% мас.; сірка – 0,1 .2,0% мас.; азот – до 2,2% мас.; кисень – до 1,5%мас. Також нафта – це складна суміш вуглеводнів(парафінів, нафтенів, аренів). Кисень, сірка та азот містяться у вигляді кисне-, сірко- та азотовмісних сполук, які називають гетеро-атомними. Я розгляну більш детально групи вуглеводнів, які входять до складу нафти і нафтопродуктів.

Парафінові  вуглеводні. Нижчі парафінові вуглеводні (С1 – С4) – це гази. Вони можуть бути розчинені у нафті в невеликих  кількостях. Парафіни С5 – С16 – це рідини, вони присутні у бензинових, гасових, дизельних, а також у оливних фракціях нафти. Парафінові вуглеводні нафти можуть мати нормальну або ізо-будову. Ізо-парафіни є бажаними компонентами бензинів, а нормальні парафіни негативно впливають на роботу карбюраторних двигунів. Водночас останні є бажаними складниками реактивного та дизельного палив, а також змащувальних олив, однак при надто високому їх вмісті у цих нафтопродуктів погіршуються низькотемпературні властивості останніх.

Ненасичені  вуглеводні можуть знаходитись у  деяких нафтах в незначних кількостях. Вони утворюються в результаті вторинних процесів переробки нафти.

Нафтенові вуглеводні, або циклоалкани, можуть бути присутні в нафті в кількості  від 25 до 75% мас. Нафтени – це бажані компоненти автомобільних бензинів, реактивних та дизельних палив, а також нафтових олив.

Ароматичні  вуглеводні входять до складу всіх нафт. Відповідно до цього розрізняють 4 групи ароматичних вуглеводнів. Вміст аренів в бензинах, реактивних паливах обмежуються, хоча вони мають  високе октанове число.

Також у нафтах присутні асфальтено-смолисті речовини та не-вуглеводневі сполуки. Вони є небажаними компонентами усіх нафтових фракцій. І тільки асфальтено-смолисті речовини виділяють з нафтових залишків для одержання бітумів.

Природний газ – це безбарвна речовина, яка немає запаху, легша за повітря, газувата за звичайних умов. Пояснюється це тим, що вуглеводні, які містяться в ньому, мають малі відносні молекулярні маси. Теплота згоряння – така ж сама, як і в нафті. При горінні світиться синім полум’ям, даючи мало світла і кіптяви, тому він вигідний для використання в побуті. Коли природний газ транспортують на кораблях або в балонах, то його зріджують, оскільки так він займає менше місця, та додають сполуку меркаптан, яка дає гострий запах – для розпізнавання його, при витіканні. Що ж до хімічного складу природного газу – то основну частину в ньому становить метан від 85% до 95% маси, решта – гомологи метану – етан, пропан, бутан та інші гази. Крім вуглеводнів до складу природного газу часто входять незначні кількості сірководню, азоту, гелію, аргону тощо.

Іншою горючою корисною копалиною є кам’яне вугілля. Це тверда горюча копалина, зазвичай чорного, сірого або коричнево-бурого кольору, часто з металевим блиском. Коли воно висушене – легко кришиться на дрібні кусочки, а зазвичай їхня вологість складає від 4 – 15 % в кам’яного вугілля, до 15 – 60 % в бурого. Густина коливається від 900 кг/м3 в бурого, до1600 кг/м3 в антрациту. При горінні світиться яскравим полум’ям, але дає менше тепла, ніж нафта і газ, від 17 МДж/кг до 35 МДж/кг і чим більша густина в нього, тим більше тепла воно дає.

В хімічному  складі це також неоднорідна копалина. Та все ж основну частину маси становить вуглець – 70 – 95 %, залежно  від виду вугілля, вміст водню  невеликий – 2 – 5,5 %, а от кисню, сірки та азоту може бути велика частина – від 25 % в найгірших сортах, до 3 % в найкращих. Також як мінеральні домішки, до складу золи входять оксиди алюмінію, силіцію, кальцію, магнію, заліза, деколи ще є метан. На збагачувальних фабриках вугілля очищується від всіх домішок, які пізніше йдуть як сировина для хімічної промисловості.

Торф. Торф – це тверда горюча корисна копалина, зазвичай коричневого або бурувато-чорного кольору. В свіжому вигляді – дуже вологий, в сухому – крихкий, в руках легко розсипається в труху. Складається з переплутаних між собою решток відмерлих рослин – різних мохів, трав, а деколи й з уламків стовбурів і кори дерев. При горінні світиться тьмяним червонуватим полум’ям, якщо є ще в ньому якісь домішки, то дає кіптяву. Питома теплота згоряння торфу – близько 15 МДж/кг.

Горючі сланці – це глинисті, мергельні або вапнякові бітумні породи, коричневого, бурого, шоколадного, темно-сірого, а інколи світло-жовтого кольору, які розколюються на плитки. В свіжому вигляді ріжуться ножем і дають стружку. Легко запалюються від сірника. Під час горіння виділяють кіптяву з характерним запахом бітуму. Хімічний склад горючих сланців такий: вуглець – 60 – 75 %, водень – 6 – 10 %, кисень, азот, сірка – 14 – 20 %, решта – важкі метали та різні сполуки. Теплота згоряння горючих сланців – до 10 МДж/кг.

Отже всі горючі корисні копалини не є індивідуальними речовинами. Всі вони є сумішшю багатьох хімічних елементів, основним яким є вуглець. І головна їхня властивість –  це давати при горінні тепло.

3.3КЛАСИФІКАЦІЯ ПАЛИВНИХ КОРИСНИХ  КОПАЛИН

Через різноманітність типів каустобіолітів виникла потреба в їх класи -

фікації, яка потім буде визначати  напрям переробки цих копалин.

Вони поділяються на 3 головні  групи: гумусові(торф, буре та кам’яне  вугілля); сапропелеві(горючі сланці) та петроліти(нафта, природні горючі гази, озокерит).

Найширшу і найрізноманітнішу  класифікацію серед цих копалин  має нафта. Я розгляну найбільш розповсюджену.

Класифікація нафт за густиною була запроваджена на ранніх етапах розвитку нафтопереробної промисловості. Згідно з нею їх поділяють на: легкі – менше 828 кг/м3; обважнені – 828 .884 кг/м3; важкі – більше 885 кг/м3, але вона не відображає дійсного кількісного хімічного чи групового вуглеводневого складу нафти і може бути використана лише для попередньої оцінки їх властивостей.