Превращение органических веществ в торф происходит в результате протекающих химических реакций и деятельности бактерий, поэтому называется биохимической углефикацией. Превращение торфа через стадию бурых углей в антрациты называется углефикацией. Степень углефикации характеризуется уплотнением (повышением плотности), изменением содержания С, О, Н и выхода летучих. Процесс углефикации ускоряется с ростом температуры и глубина его зависит от времени; давление замедляет химические реакции, протекающие при этом.
4. Петрографическая характеристика углей
результаты петрографического исследования углей (от греческого petros – камень, grapho – пишу) позволяют установить природу исходных органических материалов, их генезис, классификацию ТГИ и выбор рационального использования в народном хозяйстве. В настоящее время петрографические исследования углей широко применяются при разведочных и поисковых работах, а петрографические характеристики являются обязательными при утверждении запасов. Так, в результате исследования углей установлено, что они не являются гомогенным веществом. Мецералы (macerare – размягчать) не обладают кристаллическим строением, различаются по химическому составу и физическим свойствам. В углях обнаружены превращённые частицы растительного и животного происхождения (например, водоросли, пыльца, споры, кутикулы, смоленые тельца), которые получили название форменных элементов. Другие вещества, которые претерпели более глубокие изменения не могут быть отнесены к каким-либо определённым исходным веществам, называют основной массой, которая в тонких шлифах разделяется на прозрачную и непрозрачную (опакмассу).
Все мацералы делятся на три группы – витринит, экзинит (липтинит) и инертинит, причём в основе объединения оп группам лежит присущий им химический состав, происхождение и свойства.
Чаще всего встречаются ассоциации мацералов, причём такие сочетания называются микролитотипами. Последние подразделяются на моно-, би- и тримацеральные; при их отнесении к той или иной группе действует «правило 5%»: примесь нетипичных мацералов не должна превышать 5 % на полированной поверхности 50×50 мкм. Разновидности литотипов углей можно различить невооруженным глазом. Витрен – блестящий, кларен – полублестящий, дюрен – матовый и фюзен – волокнистый уголь. Сапропелевые угли в отличии от гумусовых не содержат слоистостей, однородные по составу и более прочные. Они делятся на кеннельские угли и богхеды.
Витриниты являются основным компонентом типичных блестящих углей; они образуются из лиственных и древесных тканей в основном за счёт углефикации лигнина и целлюлозы. Широкое распространение витринита в твёрдых горючих ископаемых, однородность его состава, физических и химических характеристик обусловили широкое применение его для определения степени и возраста углефикации при сопоставлении различных отложений. По сравнению с группой экзинита витринит содержит меньше водорода и больше кислорода, в его структуру входят алифатические и ароматические фрагменты. Содержание ароматических структур с возрастом органической массы угля увеличивается от 25 до 65 %, доля летучих достигает 35 – 40 %, а смол полукоксования – 12 – 14 %.
Экзинитная группа содержит остатки сине-зелёных водорослей (алгинт), спор и пыльцы (споринит), полимеризованные смолы или углеводороды, жиры, кутикулы листвы и растений (кутинит), воскообразный эпидермис. Полимеризованные продукты пропитывают древесные ткани или минералы, образуя резенит или диффузный полимеризованный битум. При разложении экзинита выделяется 60 – 90 % летучих веществ, 40 – 50 % смол полукоксования; он практически не растворим, молекулярная масса ≈ 3000, в основе структуры – ассоциированные нафтеновые и ароматические гетероциклические системы.
Группа инертита включает фюзенит (древесный уголь после пожаров или обугливания), окисленные остатки, грибки, полимеризованные смолы или углеводороды. Элементный состав фюзенита разнороден; он содержит много гидроксильных групп и ароматических ядер, выделяет 8 – 20 % летучих, до 4 % смолы полукоксования.
Витринит при 380 – 450 0С «плавится» и затем образует вспученный кокс. Экзинит также обладает некоторыми коксующимися свойствами. Мацералы группы инертита обладают низкой химической активностью, которая незначительно меняется при метаморфизме. Отличаясь высоким выходом летучих, витринит определяет коксуемость углей, а экзенит характеризует пластические свойства углей. Подбирая состав шихт из отдельных мацералов в определённом соотношении, можно значительно расширить сырьевую базу для производства кокса.
Для изучения физических и химических свойств петрографических ингредиентов их необходимо выделить из угольной массы. Витрен, фюзен, дбрен и кларен можно разделить вручную, особенно в молодых углях; в зрелых каменных углях трудно отделить кларен от дюрена. Другой метод заключается в растирании угольного вещества. При этом наименее твёрдый дюрен переходит в мелкие классы. Концентраты ингредиентов можно получить разделением их в жидкостях с различной плотностью.
Рациональное использование твёрдых горючих ископаемых в народном хозяйстве возможно при наличии классификации, учитывающей весь комплекс физических, химических и технологических свойств. Однако, несмотря на многолетние работы в этой области, до сих пор не существует единой промышленно-генетической классификации.
В соответствии с американской классификацией угли разделяют на несколько классов, отличающихся содержанием влаги и летучих, а также теплотой сгорания. В основе классификации Грюнера лежит элементный состав, отношение О/Н, плотность, выход и состав кокса. Близкой к ней является классификация Брокмана, основанная на сопоставлении данных о естественной влажности, элементном составе, плотности, выходе и свойствах кокса. Немецкий палеоботаник Потонье создал первую генетическую классификацию твёрдых горючих ископаемых всех видов. В основе её было деление минералов, образованных из живых организмов. Минералы, названные биолитами, он разделил на негорючие – акаустобиолиты и горючие – каустобиолиты. Каустобиолиты были разделены на три подгруппы: гуммиты (из многоклеточных растений), сапропилиты (из водорослей и планктона) и липтобиолиты (из устойчивых частей растений). К сожалению, современные методы исследования твёрдых горючих ископаемых не позволяют чётко установить взаимосвязь между их происхождением, свойствами и направлением использования в народном хозяйстве. Это объясняется тем, что из одного исходного органического материала в зависимости от глубины и условий превращения могут образовываться топлива различных видов. Г. Л. Стадников в основу разработанной им естественной классификации положил взаимосвязь между происхождением, физико-химическими свойствами исходного материала и стадиями их превращения. Он пришёл к выводу, что помимо сапропилитовых и гумусовых углей существуют угли смешенных классов – гумусо-сапропилитовые и сапропилито-гумусовые, а исходная органическая масса претерпевает три стадии физико-химических превращений: торф, бурый и каменные угли. Следует отметить, что классификация Г. Л. Стадникова не включает все твердые горючие ископаемые (например, липтобиолиты) и не может быть использована для их промышленной оценки.
По генетической классификации Ю. А. Жемчужникова угли подразделяются на две группы, каждая из которых состоит из двух классов:
Таблица 2
Генетическая классификация твёрдых горючих ископаемых по Ю. А. Жемчужникову
| Первая группа. Гумолиты – высшие растения | Вторая группа. Сапропелиты – низшие растения и животный планктон |
| Iкласс – гумиты (лигнино-целлюллозные, смолы, кутиковые элементы) | III класс – сапропилиты (сохранены водоросли и планктонные остатки) |
| II класс – липтобиолитовые (смолы, кутиковые элементы) | IV класс – сапроколлиты (водоросли превратились в бесструктурную массу) |
В классификации Жемчужникова, в отличии от классификации Потонье, рассматривается вероятность образования гумитов и липтобиолитов из одних исходных материалов, но при различных условиях. Позднее А. И. Гинзбург включил в классификацию условия превращения исходного органического материала. И. И. Аммосов в своей классификации показал связь процессов образования углей различных типов с исходными материалами. С. М. Григорьев предложил классификацию горючих ископаемых, основанную на содержании С, Н и О. Н. М. Караваев использовал данные об элементном составе (в атомных долях) в атомном отношении Н/С. Это позволило вывести закономерность в процессах превращения видов топлива. Более общая генетическая классификация, учитывающая происхождение и глубину химических превращений твёрдых горючих ископаемых, была разработана С. Г. Ароновым и Л. Л. Нестеренко.
Таблица 3
Классификация углей по Аронову и Нестеренко
| Класс угля | Стадии химической зрелости | ||||
| торфяная | буроугольная | каменноугольная | антрацитовая | ||
| I | Гуммиты (преимущественно из высших растений) | Торф | Бурые угли землистыеПлотные (блестящие, матовые, полосчатые)Лигниты | Каменные угли однородные (блестящие, осажистые)Неоднородные (полублестящие, матовые)Полосчатые | Антрациты |
| II | Липтобиолиты:из восков и смол высших растенийиз других форменных элементов высших растений | Фахтелит (восковой)Копалы (смоляные)Фимменит (пыльцевой) | Пирописсит (восковой)Янтарь (смоляной)Подмосковные (споровые)Тасманит (споровый)«Бумажный» подмосковный уголь (кутикуловый)Барзасский листовой | Рабдописсит (смоляной). Ткибульский смоляной уголь. Конкреции смол в каменных углях.Кутикулит иркутский. Липтобиолиты среди кизеловских (лысвенских) каменных углей (споровые) КеннелиЛопинит (споровый) | – |
| III | Сапропилиты (из низших растений и животного планктона):собственно сопропилиты (отруктурные)сапропелиты (бесструктурные) | СапропельБалхашитКуронгитСапроколлы | БогхедыТорбанитМарагунитКасьянитЧеремхитХахарейскийМатаганский | Уголь из ЛюгауКеннелиБогхеды среди донецких углей | – |
| IV | Особые твёрдые горючие ископаемые | – | Барзасские углиГагатыГорючие сланцы | – | – |
Указанные выше научные классификации дают возможность выявить зависимость между природой исходного органического материала, условиями его превращения и видом образовавшегося топлива. Между тем возникает необходимость в разработке единой промышленно-генетической классификации, позволяющей квалифицированно определять возможность промышленного использования твердого топлива всех типов. Первые технические классификации были основаны на учёте выхода летучих веществ и внешнего вида остатка коксового королька.