Классификация твёрдых горючих ископаемых и методы их исследований
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Самойлик Виталий Григорьевич
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 308
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-9729-1214-8
Артикул: 814799.01.99
Изложены сведения о происхождении твёрдых горючих ископаемых (ТГИ). Приведена характеристика исходного растительного материала, описаны условия его накопления и превращения в процессе углеобразования. Дана общая характеристика торфа, бурого и каменного углей, антрацитов. Большое место уделено технологическим параметрам, составу, физико-химическим свойствам различных видов твёрдых горючих ископаемых и методам их исследований. Даны сведения по классификации торфа, углей, антрацитов и горючих сланцев. Приведены также данные по международным системам кодификации углей. Для научных и инженерно-технических работников горной промышленности, а также студентов горного профиля.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
В. Г. Самойлик КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Монография Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023
Рекомендовано ученым советом ДонНТУ для студентов горных специальностей (протокол № 7 от 28.10.2016 г.) УДК 622.7.01 ББК 33.4 С17 Рецензенты: доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой химической технологии топлива Донецкого национального технического университета Л. Ф. Бутузова; кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Института физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко С. Л. Хилько Самойлик, В. Г. С17 Классификация твёрдых горючих ископаемых и методы их исследований : монография / В. Г. Самойлик. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 308 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1214-8 Изложены сведения о происхождении твёрдых горючих ископаемых (ТГИ). Приведена характеристика исходного растительного материала, описаны условия его накопления и превращения в процессе углеобразования. Дана общая характеристика торфа, бурого и каменного углей, антрацитов. Большое место уделено технологическим параметрам, составу, физико-химическим свойствам различных видов твёрдых горючих ископаемых и методам их исследований. Даны сведения по классификации торфа, углей, антрацитов и горючих сланцев. Приведены также данные по международным системам кодификации углей. Для научных и инженерно-технических работников горной промышленности, а также студентов горного профиля. УДК 622.7.01 ББК 33.4 ISBN 978-5-9729-1214-8 Самойлик В. Г., 2023 Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
Содержание Введение .................................................................................................................... 7 Раздел I. Происхождение твёрдых горючих ископаемых ............ 11 Глава 1. Условия образования твёрдых горючих ископаемых ......................... 11 Глава 2. Характеристика исходного органического материала ....................... 16 Глава 3. Превращения исходного растительного материала в процессе образования ТГИ ..................................................................................................... 22 3.1. Первая фаза углеобразования ......................................................................... 23 3.1.1. Условия накопления растительных остатков в процессе торфообразования ................................................................................................... 25 3.1.2.Условия превращения растительных остатков ........................................... 29 3.2. Углефикация ..................................................................................................... 33 Глава 4. Общая характеристика гумитов ............................................................ 37 4.1.Торф .................................................................................................................... 37 4.2. Бурые угли ........................................................................................................ 40 4.3. Каменные угли ................................................................................................. 41 4.4. Антрациты ........................................................................................................ 43 Глава 5. Образование липтобиолитов, сапропелитов и горючих сланцев ...... 43 5.1. Липтобиолиты .................................................................................................. 43 5.2. Сапропелиты .................................................................................................... 45 5.3. Горючие сланцы ............................................................................................... 47 Раздел II. Методы определения состава и технологических параметров твёрдых горючих ископаемых .................................... 52 Глава 6. Отбор и подготовка проб для анализа ТГИ ......................................... 53 6.1. Опробование топлива .............................................................................................. 53 6.2. Виды проб ............................................................................................................... 54 6.3. Отбор проб ........................................................................................................ 56 6.4. Обработка проб ...................................................................................................... 58 6.5. Подготовка пробы к проведению анализа .......................................................... 61 Глава 7. Ботанический состав и степень разложения торфа ............................. 62 7.1. Методы определения ботанического состава и степени разложения ............................................................................................................... 63 7.1.1. Определение степени разложения торфа под микроскопом .................... 64 7.1.2. Определение ботанического состава торфа под микроскопом ................ 65 7.1.3. Определение степени разложения торфа по его ботаническому составу (расчётный метод) ................................................................................................... 67 Глава 8. Групповой состав твёрдых горючих ископаемых ............................... 70 8.1. Определение содержания битумов ................................................................ 71 8.2. Определение выхода гуминовых кислот ....................................................... 74 8.2.1. Определение выхода общих гуминовых кислот ...................................................... 76 8.2.2. Определение выхода свободных гуминовых кислот .............................................. 77 8.3. Изменение группового состава ТГИ в процессе углефикации ................. 77 3
Глава 9. Петрографический состав ТГИ и методы петрографического анализа ......................................................................................................................................... 78 9.1. Петрографический состав углей ................................................................. 80 9.2. Петрографический состав горючих сланцев .............................................. 87 9.3. Определение групп мацералов и минеральных включений ..................... 89 9.4. Определение показателя отражения витринита ........................................ 93 9.5. Петрографический метод определения обогатимости углей.................... 98 Глава 10. Влага ТГИ ......................................................................................................... 101 10.1. Методы определения общей влаги ............................................................... 103 10.1.1. Определение общей влаги торфа ....................................................................... 104 10.1.2. Определение общей влаги каменных и бурых углей, лигнитов, антрацитов и горючих сланцев ........................................................................................ 107 10.2. Определение влаги в аналитической пробе .................................................. 110 10.3. Определение влагоёмкости и водопоглощаемости торфа ............................... 113 10.4. Определение максимальной влагоёмкости бурых и каменных углей, антрацитов ........................................................................................................................... 116 10.5. Определение гигроскопической влаги .................................................... 119 10.6. Влага в ТГИ различной степени зрелости ............................................... 120 Глава 11. Зольность твёрдого топлива ............................................................ 121 11.1. Общие представления о минеральных примесях и зольности ТГИ ...... 121 11.2. Определение зольности торфа и продуктов его переработки ............... 124 11.3. Определение зольности минерального твёрдого топлива ..................... 126 11.4. Влияние зольности на технологические характеристики ТГИ ............... 128 Глава 12. Методы определения диоксида углерода карбонатов .................... 130 Глава 13. Пересчёт результатов анализов на различные состояния топлива ................................................................................................................... 131 Глава 14. Выход летучих веществ ................................................................................... 135 14.1. Определение выхода летучих веществ в группе каменных углей .............. 137 14.2. Определение выхода летучих веществ в группе бурых углей .................... 137 14.3. Выход летучих веществ из ТГИ разной природы и зрелости ................. 140 Глава 15. Общая сера ........................................................................................... 142 15.1. Определение содержания общей серы в ТГИ ...................................................... 142 15.2. Влияние серы на технологические показатели ТГИ ...................................... 145 Глава 16. Элементный состав органической массы ТГИ ................................ 147 16.1. Определение содержания углерода и водорода .............................................. 148 16.2. Определение содержания азота ..................................................................... 151 16.3. Определение содержания кислорода ......................................................... 153 16.4. Определение содержания органической серы ................................................ 155 16.4.1. Определение сульфатной серы ................................................................ 157 16.4.2. Определение пиритной серы ................................................................ 158 16.4.3. Определение органической серы ......................................................... 160 16.5. Элементный состав различных видов ТГИ ................................................... 161 Глава 17. Теплота сгорания ТГИ .................................................................... 163 17.1. Определение высшей теплоты сгорания топлива ..................................... 164 4
17.2. Расчёт низшей теплоты сгорания топлива ................................................. 167 17.3. Элементный состав и теплота сгорания ТГИ ........................................... 168 Глава 18. Методы определения спекаемости и коксуемости углей ............. 169 18.1. Определение пластометрических показателей ...................................... 171 18.2. Определение спекающей способности по методу Рога .................................. 177 18.3. Определение спекаемости углей по индексу свободного вспучивания ........................................................................................................... 179 18.4. Определение коксуемости углей ............................................................ 182 Глава 19. Определение выхода продуктов полукоксования ........................ 184 Раздел ȱȱȱ. Методы исследования физических свойств ТГИ ................................................................................................... 189 Глава 20. Плотность и пористость ТГИ ......................................................... 189 20.1. Определение действительной плотности ТГИ....................................... 190 20.2. Определение кажущейся плотности ТГИ .............................................. 192 20.3. Определение насыпной плотности ТГИ ................................................. 194 20.4. Влияние различных факторов на плотность ТГИ .................................. 195 20.5. Определение пористости ТГИ ....................................................................... 199 Глава 21. Фракционный состав и обогатимость ТГИ ................................... 201 21.1. Определение и представление показателей фракционного анализа ...... 202 21.2. Определение обогатимости каменных углей и антрацитов .................. 205 Глава 22. Физико-механические свойства ТГИ ............................................. 206 22.1. Определение микротвёрдости и микрохрупкости ................................. 207 22.2. Определение механической прочности .................................................. 209 22.2.1. Метод испытания в большом барабане ............................................... 210 22.2.2. Метод испытания в малом барабане .................................................... 211 22.2.3. Испытание методом толчения .............................................................. 211 22.2.4. Метод ВИМСа ....................................................................................... 213 22.2.5. Влияние различных факторов на механическую прочность ТГИ .............. 213 22.3. Определение размолоспособности ТГИ ................................................. 215 22.3.1. Определение коэффициента размолоспособности по ВТИ ................. 216 22.3.2. Определение коэффициента размолоспособности по Хардгрову ...... 219 Глава 23. Теплофизические свойства ТГИ .................................................... 221 23.1. Метод определения удельной теплоёмкости и коэффициента температуропроводности.................................................................................. 222 23.2. Метод определения коэффициента теплопроводности ......................... 226 23.3. Влияние различных факторов на теплофизические свойства ТГИ ...... 229 Глава 24. Электрофизические свойства ТГИ .................................................. 233 24.1. Метод определения удельного электрического сопротивления ........... 234 24.2. Метод определения диэлектрической проницаемости ......................... 235 24.3. Влияние различных факторов на электрофизические свойства ТГИ ... 237 Раздел IV. Классификация ТГИ ................................................... 242 Глава 25. Классификация торфов ................................................................... 243 25.1. Генетическая классификация торфов ..................................................... 243 5
25.2. Промышленная классификация торфов ................................................. 250 25.3. Промышленно-генетическая классификация торфов ........................... 257 Глава 26. Классификация углей ...................................................................... 260 26.1. Генетическая классификация углей ........................................................ 260 26.2. Промышленная классификация углей ..................................................... 263 26.3. Промышленно-генетическая классификация углей .............................. 267 26.3.1. Единая классификация по генетическим и технологическим параметрам ........................................................................................................ 267 26.3.2. Классификация углей Украины ........................................................... 283 26.3.3. Международная система кодификации углей ..................................... 284 Глава 27. Классификация горючих сланцев .................................................. 292 27.1. Генетическая классификация горючих сланцев .................................... 292 27.2. Промышленная классификация горючих сланцев ................................. 294 27.3. Промышленно-генетическая классификация горючих сланцев ........... 299 Заключение ........................................................................................................ 303 Литература ......................................................................................................... 305 6
ВВЕДЕНИЕ Полезными ископаемыми называются добываемые из недр земли природные вещества органического и неорганического происхождения, которые при современном состоянии техники и технологии могут быть эффектично использованы в народном хозяйстве в естественном виде или после предварительной переработки. К полезным ископаемым органического происхождения относятся вещества трёх агрегатных состояний: газообразные (природный газ), жидкие (нефть) и твёрдые (торф, бурые и каменные угли, антрациты, горючие сланцы, сапропелиты, а также переходные и смешанные разноидности твёрдых углеродных веществ). Из всех горючих ископаемых наиболее значимыми по геологическим запасам являются угли (табл. 1). Т а б л и ц а 1 Структура мировых запасов горючих ископаемых Геологические запасы Условно доступные для извлечения запасы Вид горючих скопаемых млрд т.у.т. % млрд т.у.т. % Уголь 10126 89,53 2880 82,66 Нефть 743 6,57 372 10,68 Природный газ 229 2,02 178 5,11 Торф 98 0,88 26 0,75 Горючие сланцы 114 1,0 28 0,8 Итого 11310 100,00 3484 100,00 Как следует из данных табл. 1, более 84 % от общего количества пригодных для добычи горючих ископаемых составляют твёрдые горючие ископаемые (ТГИ), среди которых преобладает уголь (82,66 %). Потребление горючих ископаемых вследствие экономических и технических причин не соответствует имеющимся ресурсам: в настоящее время около 62 % энергии вырабатывается из нефти и природного газа, запасы которых составляют около 16 % от общих ресурсов горючих ископаемых [1]. Общие геологические запасы углей земного шара до глубины 1800 м оцениваются в пределах в 14 000–16 000 млрд т [2]. Известно около 3000 угольных месторождений и бассейнов. Из общих геологических запасов 57 % углей сосредоточены в Азии, 30 % – в Северной Америке, на остальные континенты приходится всего 13 %. Основная доля углей в ведущих странах залегает на 7
глубинах до 600 м. Однако в отдельных крупных бассейнах, например, Донецком (Украина) и Рурском (Германия и Бельгия), запасы углей до глубины 600 м практически выработаны, а оставшиеся сосредоточены на больших глубинах. Прогнозными исследованиями предполагается неуклонный рост потребления угля до 2020 г. со средним приростом 1,5 % в год, но со значительными отклонениями по регионам. В частности, мировое потребление угля по сравнению с 2000 г. увеличится на 1,7 млрд т, т. е. с 4,7 млрд т в 2000 г. до 6,4 млрд т в 2020 г. При неблагоприятном варианте развития мировой экономики мировое потребление угля в 2020 г. может составить 5,5 млрд т, а при благоприятном – 7,6 млрд т. Основным потребителем угля останется энергогенерирующая отрасль (более 55 %), в которой будет наблюдаться значительный рост потребления, а также металлургическая промышленность. В других сферах использования угля (промышленное, коммерческое, бытовое) будет наблюдаться рост других источников энергии. Исключение составляет Китай, где потребление угля сохранится во всех возможных сферах его применения. Мировые запасы торфа оцениваются в 285,4 млрд т. На Азию приходится около 50 %, Европу – 31 %, Северную Америку – 11 %. Остальные торфяные месторождения расположены в Африке, Южной Америке и Австралии. По запасам торфа бывший СССР занимает первое место в мире. Здесь выявлено более 63 тысяч крупных торфяных месторождений общей площадью 71,5 млн га с запасами торфа 163,6 млрд т, что составляет более 57 % мировых торфяных ресурсов. Крупные торфяные месторождения площадью свыше 10 000 га сосредоточены в основном на территории Российской Федерации, запасы составляют более 150 млн т. На долю Республики Беларусь приходится 5,4 млн т, Украины – 2,27 млн т, Эстонии – 2,27 млн т, Латвии – 1,6 млн т [1]. B XVI–XVII веках из торфа выжигали кокс, получали смолу, его использовали в cельском xозяйстве, медицине. B конце XIX – начале XX веков началось промышленное производство торфяного полукокса и смолы. B 30–50-e годы торф стали использовать для производства газа и как коммунально-бытовое топливо. Cреди современных направлений применения торфа топливное составляет меньшую долю. Лишь некоторые страны продолжают использовать торф как топливо для электростанций (фрезерный торф) и для коммунальнобытовых целей (торфяные брикеты и куски). Многие страны в больших объёмах применяют торф в cельском xозяйстве – для приготовления компостов, торфоаммиачных, торфоминеральных удобрений; в овощеводстве и цветоводстве – в качестве парникового грунта, микропарников, формованных субстратов, брикетов и торфяных горшочков для выращивания рассады, сеянцев и саженцев древесных пород; в виде торфодерновых ковров – для озеленения, за8
крепления откосов. Из торфа получают кокс для металлургических заводов, активированный уголь. Tорф используется для получения ряда химических продуктов (этилового спирта, щавелевой кислоты, фурфурола и др.), кормовых дрожжей, физиологически активных веществ, торфяного вocкa; в медицине – при торфогрязелечении, a также для получения лечебных препаратов. Запасы горючих сланцев, содержащих от 10 до 65 % органического вещества, превышают 1500 млрд т. [1]. Мировые ресурсы горючих сланцев распределены крайне неравномерно, большая часть – около 70 % находится в Северной Америке, в Европе – около 12 %. В мире известно более 550 месторождений горючих сланцев, которые встречаются во всех основных геолого-структурных типах – складчатых областях, древних и молодых платформах. Крупнейшее в мире месторождение горючих сланцев Green River с запасами около 60 % мировых расположено в США. Крупные месторождения горючих сланцев находятся на территории Бразилии, России, Эстонии, Беларуси, Узбекистана, Украины. Месторождения горючих сланцев различаются по условиям залегания, количеству продуктивных пластов, их мощности и строению, качеству сланцев, а также по степени изученности. Качественные характеристики горючих сланцев, в частности, содержание органического вещества, являются важнейшими показателями при оценке целесообразности разработки того или иного месторождения. Горючие сланцы отдельных месторождений имеют высокое содержание Cu, Mo, U, Pb, Zn, V и оцениваются как рудное сырьё. Мировая сланцеперерабатывающая промышленность является старейшей отраслью топливной промышленности; осветительные масла, парафин, и некоторые другие продукты, прежде чем их стали вырабатывать из нефти, производились из сланцев. Горючие сланцы являются комплексным полезным ископаемым – и топливом, и химическим сырьем. В качестве топлива они могут использоваться при непосредственном сжигании, а также после переработки – в виде сланцевого масла. При термической переработке горючих сланцев помимо сланцевого масла можно получить различные химические вещества [3]. Промышленную ценность представляет как органическая, так и минеральная часть горючих сланцев, включая редкие и рассеянные элементы. Из горючих сланцев можно получать различные виды продукции: топливно-энергетическую (газ, масло топочное, дизельное, мазут топочный, бензин, керосин); химическую (бензол, толуол, тиофен, сера, фенолы, ихтиол, пр.); концентраты редких и рассеянных элементов. 9
Зола, образующаяся при сжигании горючих сланцев, является дешёвым сырьём для производства строительных материалов (цементы, стеновые блоки, наполнители бетонов). По степени использования горючие сланцы занимают одно из последних мест среди горючих ископаемых. Причина этого – высокая зольность горючих сланцев и сложность комплексной переработки этого вида сырья с высокой экологической и экономической эффективностью. Вместе с тем в разных регионах мира отмечается растущий интерес к возможности получения сланцевой смолы как альтернативного источника энергии. Это обусловлено наличием значительных ресурсов горючих сланцев при увеличивающихся энергетических потребностях и ограниченности либо истощении запасов традиционных источников углеводородов в ряде стран. Получили широкое распространение технологии получения сланцевого газа. Внедряются технологии добычи сланцевой нефти. Наиболее удачным примером успешного применения технологий добычи сланцевой нефти считается месторождение Баккен (Bakken) в Северной и Южной Дакоте. Добыча сланцевой нефти на этом месторождении составляет 500 тыс. баррелей в сутки. По мере проведения разведочных работ запасы нефти этого месторождения увеличились со 150 млн баррелей до 11 млрд баррелей нефти. Наряду с месторождением Баккен добыча сланцевой нефти ведется также на месторождениях Eagle Ford в Техасе, Bone Springs в Нью-Мексико и Three Forks в Северной Дакоте. С помощью технологий горизонтального бурения и гидроразрыва пласта США планируют к 2035 году увеличить добычу нефти из плотных сланцевых пород вдвое. По cценарию новых стратегий [4] мировой спрос на первичную энергию увеличивается на 36 % в 2008–2035 годах, с примерно 12 300 миллионов тонн нефтяного эквивалента (млн т н.э.) до 16 700 млн т н.э., или в среднем на 1,2 % в год. При этом на ископаемое топливо приходится более половины роста общего спроса на первичную энергию. Нефть по-прежнему лидирует в балансе первичных энергоносителей в течение прогнозируемого периода, хотя ее доля в структуре первичных энергоносителей, которая в 2008 году составляла 33 %, снижается до 28 %, так как высокие цены и правительственные меры по стимулированию эффективности использования топлива приводят к отказу от применения нефтепродуктов в промышленности и электроэнергетике, а также появляются новые возможности замены нефтепродуктов другими видами топлива. Спрос на твёрдые горючие ископаемые будет увеличиваться. 10