Уголь относится к невозобновляемым органическим источникам энергии и химического сырья. Запасы его в недрах по энергетическому потенциалу во много раз превышают запасы нефти и газа.
Уголь – твердая горючая осадочная порода, образовавшаяся из остатков отмерших растений в результате биохимических, физико-химических, химических и физических изменений. Кроме органических составляющих, в угле всегда присутствуют минеральные примеси, содержание которых колеблется в широких пределах (от 1–2 до 50%). Горючие осадочные образования, содержащие более 50% минеральных веществ, относятся к углистым породам или горючим сланцам.
Процесс образования углей чрезвычайно сложен. Тем не менее, в нем можно выделить две стадии: на первой стадии происходит превращение отмерших растений в торф, на второй – торф превращается в бурый уголь, который затем переходит в каменный, а последний – в антрацит.
Ископаемые угли характеризуются большим разнообразием химического состава, физических и технологических свойств. Разнообразие состава и свойств углей обусловлено неодинаковым проявлением основных генетических факторов в геологической истории.
Генетические факторы подразделяют на первичные, которые играют основную роль на торфяной стадии процесса углеобразования, и вторичные, действующие после превращения торфа в бурый уголь. К первичным факторам относят исходный растительный материал, условия его накопления, обводненность и химическую характеристику среды, в которой происходит преобразование растительных остатков. Особенности исходного материала, гидрохимических и климатических условий определяют также интенсивность и характер деятельности микроорганизмов в торфообразующем слое.
После перекрытия торфяника минеральной породой уменьшается влажность торфа и в нем замирает микробиологическая деятельность.
Биохимические процессы, которые приводят к гумификации растительных остатков, сменяются геохимическими процессами. Стадия оторфенения переходит в стадию углефикации. На смену первичным факторам приходят вторичные факторы – температура земных недр и давление перекрывающих уголь пород. Под действием вторичных факторов происходит дальнейшее изменение органического вещества углей, т. е. протекают процессы метаморфизма. Глубина погружения угольных пластов, температура, давление и время воздействия этих факторов существенно различаются в угленосных бассейнах. Именно с этим связано наличие в природе углей, находящихся на разных стадиях метаморфизма и составляющих непрерывный генетический ряд: бурые угли – каменные угли – антрациты.
Таким образом, состав и свойства углей рассматриваются как функция двух независимых переменных:
• природы материнского вещества углей, т. е. исходного растительного материала и условий протекания первой стадии углеобразования;
• метаморфизма, т. е. изменений, связанных с последующей геологической историей формирования углей.
По составу материнского вещества угли подразделяются на гумусовые и сапропелитовые. Гумусовые угли образовались из торфа – продукта превращения наземных растений. Сапропелитовые угли сформировались из сапропеля – продукта изменения низших растительных и животных организмов (зоопланктон).
Вследствие большого многообразия природных условий углеобразования состав и свойства ископаемых углей изменяются в широких пределах.
Значительное разнообразие углей и направлений их промышленного использования обусловливает необходимость существования большого числа методов испытания, пригодных для оценки потребительских свойств углей. Свойства, определяемые при оценке качества углей, принято характеризовать показателями. Количественные значения многих показателей зависят не только от природы твердых горючих ископаемых, но и от метода, которым проведено исследование.
Большое влияние на значение показателей оказывают условия отбора, подготовки и хранения проб углей. Значение одних и тех же показателей может меняться в зависимости от того, в каком состоянии находился испытуемый уголь – рабочем, аналитическом или сухом.
В связи с этим получение сравнимых показателей возможно лишь при соблюдении следующих условий:
• постоянство условий отбора, подготовки и хранения проб;
• унификация условий проведения испытаний проб;
• определенность исходного состояния испытуемой пробы угля.
Таким образом, результаты определения большинства показателей (влажность, зольность, спекаемость и др.) можно сравнивать только тогда, когда унифицированы способы приготовления проб и методы испытаний углей, а непосредственные результаты анализа пересчитаны на определенное состояние топлива (сухое, сухое беззольное и т. п.). Иными словами, сравнивать результаты определения показателей качества углей можно при использовании стандартных методов отбора, приготовления и анализа проб. Эти методы применяют для характеристики качества углей в условиях естественного залегания, при добыче и отгрузке потребителям, а также при использовании и переработке топлив.
Все показатели качества углей обозначаются буквенными символами. С течением времени в связи с унификацией терминологии и разработкой международных стандартов эти обозначения несколько изменялись.
При определении принципиальной пригодности углей для применения в тех или других отраслях промышленности и оценке их качества с давних пор используют результаты технического анализа. Под техническим анализом понимают определение показателей, предусмотренных требованиями стандартов на качество угля.
В технический анализ углей обычно включают методы определения зольности, содержания влаги, серы и фосфора, выхода летучих веществ, теплоты сгорания, спекаемости и некоторых других характеристик качества. В ряде случаев, когда достаточно хорошо известно направление использования угля в промышленности, проводят сокращенный технический анализ, т. е. определяют только влажность, зольность и выход летучих веществ.
Результаты технического анализа имеют большое значение для нормального функционирования угледобывающих и углеперерабатывающих отраслей промышленности.
Все стандартные методы испытания, приведенные в настоящей книге, по способу воздействия на угли можно разделить на три группы:
• методы испытания угля в его естественном состоянии без применения каких-либо термических и химических воздействий (петрографические и физические методы – определение петрографического состава, оптических свойств, плотности и др.);
• методы, в которых уголь подвергают нагреванию до различных температур с доступом или без доступа воздуха (технический и элементный анализы, определение теплоты сгорания, спекаемости и коксуемости);
• методы, в которых уголь подвергают обработке органическими растворителями, щелочами, кислотами и другими реагентами (групповой анализ, определение некоторых элементов и др.).
Возможна иная классификация методов испытания углей. Например, в соответствии с целями испытания методы подразделяют на:
• методы определения состава углей (определение содержания влаги, углерода, водорода, азота, серы, фосфора, хлора, мышьяка, определение зольности);
• методы определения свойств углей (определение плотности, размолоспособности, теплоты сгорания, выхода летучих веществ, показателей спекаемости и коксуемости).
В настоящей книге рассмотрены современные стандартные методы испытания углей, которые используются для общей физико-химической характеристики и оценки потребительских свойств твердых топлив.
