Химико-техническая характеристика углей Кузнецкого угольного бассейна

26.03.2020

В настоящее время свойства углей как топлива или технологического сырья в существующих классификациях оцениваются по результатам технического и элементарного анализов, пластометрических испытаний, теплоте сгорания, содержанию серы и фосфора. Многие из этих показателей обнаруживают тесную связь с генетическими факторами — петрографическим составом, а также со степенью метаморфизма углей.

Химико-технологическая характеристика углей Кузбасса в увязке с данными петрографических исследований приводится в табл. 26. Представлены по возможности все типы углей трех основных угленосных серий; для каждой серии материал расположен сверху вниз по признаку возрастания метаморфизма углей. Угли соседних серий в значительной мере перекрываются по степени метаморфизма, поэтому можно проследить закономерности изменения показателей всего ряда метаморфизма углей Кузбасса, а также дать сравнительную оценку углей каждой серии.

Содержание углерода изменяется от 70% в юрских углях до 92% в балахонских полуантрацитах. От буроугольной (O3) и жирной стадий метаморфизма содержание углерода возрастает весьма значительно (рис. 36, а), на более высоких стадиях темп нарастания замедляется, а в области тощих (VI стадия) и полуантрацитов (VII стадия) различные по генезису угли по содержанию углерода почти не дифференцируются.

При одинаковой степени метаморфизма угли нижне- и верхнебалахонской свит имеют более высокое содержание углерода, чем угли кольчугинской серии, что связано с относительно высоким содержанием в первых компонентов группы фюзинита. Сравнивая одинаковые по метаморфизму, но различные по петрографическому составу угли в пределах каждой из этих угленосных серий (см. табл. 26), можно видеть, что в большинстве случаев некоторое увеличение углерода также связано с повышенным содержанием фюзинита. Для углей кольчугинской и тарбаганской серий существенных различий по содержанию углерода не установлено.

Содержание водорода в углях бассейна колеблется от 6,0 до 3—3,5%. Изменение этого показателя от углей бурых к тощим происходит по кривой с максимумом в области II—III стадий метаморфизма (рис. 36, б). Наряду с этим содержание водорода тесно связано с особенностями петрографического состава углей и, по-видимому, степени их первичной окисленности.

При одинаковой степени метаморфизма меньшим содержанием водорода характеризуются угли с большим содержанием витринита. Повышенное содержание водорода в юрских углях объясняется большим содержанием микрокомпонентов группы лейптинита (в основном кутинита).

Выход летучих веществ на горючую массу изменяется от 52 до 46% в углях тарбаганской серии, от 43 до 26% в углях кольчугинской серии и от 35 до 5% в углях балахонской серии.

Показатель выхода летучих веществ зависит в основном от степени метаморфизма и вещественного состава углей. Влияние степени метаморфизма сказывается таким образом, что при прочих равных условиях выход летучих веществ вначале медленно уменьшается от бурых углей к длиннопламенным и газовым, затем в области жирной и коксовой стадий метаморфизма уменьшается наиболее быстро, а в тощих углях — опять медленно (рис. 36, г).

Для углей одной и той же стадии метаморфизма повышенному содержанию витринита соответствует более высокий выход летучих. Это хорошо видно при сравнении углей верхнебалахонской свиты, для которых наиболее резко выражены изменения в петрографическом составе. В юрских углях высокий выход летучих веществ связан с повышенным содержанием микрокомпонентов группы лейптинита и общей паренхитовой природой угольного вещества. На тощей стадии угли различного петрографического состава выходом летучих веществ почти не дифференцируются.

Толщина пластического слоя, принимаемая за показатель спекаемости угля, также изменяется в зависимости от степени метаморфизма и петрографического состава углей.

Характеристика петрографического состава углей Кузбасса была приведена в начале главы. Микроскопическими исследованиями установлено, что при коксовании полностью переходят в пластическое состояние только витринит и лейптинит. Микрокомпоненты группы семивитринита при нагреве почти не размягчаются и практически спекаемости не проявляют. Фюзинит в процессе спекания инертен и ведет себя подобно минеральным примесям; крупные фрагменты фюзинита нарушают однородность структуры кокса.

Поскольку лейптинит обычно присутствует в небольших количествах, то спекаемость углей Кузбасса определяется главным образом количеством витринита. В связи с этим кольчугинские угли характеризуются более высокой спекаемостью по сравнению с соответствующими по метаморфизму балахонскими.

Из табл. 26 и рис. 36, е видно, что спекаемость проявляется в основном начиная от газовой (II) до отощенной (V) стадий метаморфизма с максимумом в области жирной (III) стадии, где толщина пластического слоя достигает 36—38 мм для углей кольчугинской серии и 23—25 мм для лучших по петрографическому составу углей балахонской серии. Длиннопламенные и тощие угли не спекаются.

Наряду с этими четко проявляющимися зависимостями спекаемости (и выхода летучих веществ) от метаморфизма угля и его петрографического состава выявляются и некоторые особенности углей отдельных пластов, стратиграфических горизонтов или даже целых месторождений, которые указывают на то, что эти основные классификационные показатели угля зависят также от каких-то других генетических факторов, природа которых в достаточной мере еще не выяснена. Так, например, угли Беловского района (пласт 4 шахты Чертинской 2—3, пласт 22 шахты Бабанаковской) дают толщину пластического слоя 35—36 мм и выход летучих 39—40%, в то время как примерно одинаковый по степени метаморфизма и близкий по петрографическому составу V голь пласта 26а шахты Абашевской 2 Байдаевского района имеет соответственно у 27—30 мм и Vг 37—38%.

Среди балахонской серии необычно высокой спекаемостью для IV3 и V1 стадий метаморфизма обладают угли большинства пластов алыкаевской подсвиты Анжерского, северо-западной части Кемеровского и некоторых других районов. При этом содержание витринита по этим углям может быть даже меньше, чем в таких же по метаморфизму углях других стратиграфических горизонтов (см. табл. 26, анализы углей участка Низовского 4 и шахты 9—15).

По предварительным данным А.Б. Травина, такие отклонения связаны с различной степенью первичной окисленности витринита и разной исходной природой составляющих его микрокомпонентов. В частности, повышенные показатели спекаемости, выхода летучих веществ и содержания водорода в углях Чертинского месторождения обусловливаются, по его мнению, своеобразной (паренхитовой?) природой гелифицированного вещества, а повышенная спекаемость анжерских углей объясняется низким содержанием первично окисленного витренизированного вещества.

И.И. Аммосов, установивший различную спекаемость витринита одинаковых по метаморфизму углей из различных по стратиграфическому положению пластов Прокопьевско-Киселевского района, объясняет это разным химическим характером торфяных вод и влиянием количества и состава минеральных примесей. Угли, которые при прочих равных условиях обладают повышенной спекаемостью, относятся им к более восстановленным.

Теплота сгорания горючей массы, зависящая главным образом от элементарного состава углей, изменяется от 7000— 7200 ккал/кг у бурых углей до 8500—8750 ккал/кг у каменных углей на жирной, коксовой и отощенной стадиях метаморфизма. У тощих углей и полуантрацитов VI—VII стадий метаморфизма теплотворная способность несколько снижается (8200—8500 ккал/кг) вследствие резкого уменьшения содержания водорода и очень медленного прироста содержания углерода (см. рис. 36, а, б).

Угли кольчугинской серии в целом обнаруживают несколько повышенную теплоту сгорания по сравнению с одинаково метаморфизованными балахонскими углями, а угли тарбаганской серии более калорийны по сравнению с соответствующими кольчугинскими.

Высшая теплота сгорания влажного беззольного угля (Qвл.безз.), принятая для разграничения бурых и длиннопламенных углей (5700 ккал/кг), изменяется от 5350 до 7100 в юрских углях, от 5350 до 8300 у углей кольчугинской серии к от 6000 до 8270 ккал/кг у балахонских углей.

Низшая теплота сгорания рабочего топлива (Qнр) концентратов угля отдельных пластов составляет для юрских углей 3200—6400 ккал/кг, для углей кольчугинской серии 4400—7400 ккал/кг и для балахонских углей 5150—7700 ккал/кг. Для товарных неокисленных углей, по данным Т.А. Зикеева, она не превышает 7120 ккал/кг (угли марок Ж и К), уменьшаясь у длиннопламенных углей Ленинского района и тощих Араличевского района до 6200 ккал/кг.

Влажность углей быстро снижается от буроугольной к газовой стадии метаморфизма, а далее остается почти постоянной (см. рис. 36, д). Угли, сложенные матовыми и полуматовыми петрографическими типами, имеют несколько более высокую влажность.

Содержание серы в углях бассейна, как, правило, низкое. Для углей балахонской серии содержание общей серы на сухое топливо колеблется обычно в пределах 0,3—0,6%, в среднем 0,45%. Несколько повышенная сернистость (до 0,7%) установлена в тощих углях Араличевского и некоторых пластах Анжерского районов.

Сернистость углей кольчугинской серии в целом несколько выше — от 0,4 до 1,2%, в среднем 0,6%. Повышенное содержание серы (0,8—1,3%) установлено в отложениях ильинской свиты. Необычно высокая сернистость углей (2,8—3,8%) отмечена в самых нижних угленосных горизонтах кольчугинской серии северо-восточной части Плотниковского района на границе его с Салтымаковским районом.

В углях тарбаганской серии сернистость углей колеблется от 0,3 до 1,0%.

Содержание фосфора в углях Кузнецкого бассейна колеблется от следов до 0,2%. Определенной закономерной связи фосфористости с генетическими или химическими параметрами углей не установлено, однако известно, что угли отдельных пластов, групп пластов и даже районов неравноценны по содержанию фосфора.

В отложениях балахонской серии малофосфористыми (менее 0,01%) являются все угли Кемеровского и Анжерского районов. В Томь-Усинском районе низкое содержание фосфора установлено и пластах от VI до XVII (за исключением пласта VIII—IX), а в Mpacском районе — только в отдельных пластах (VI, XIII, XVI) этого отрезка стратиграфического разреза. В Кондомском районе на отдельных участках такими являются пласты 9—9а и группа пластов от 23 до 29. В Прокопьевско-Киселевском районе наиболее устойчивое низкое содержание фосфора приурочено к пластам II Внутреннему и Характерному.

В целом же балахонские угли юго-западной части бассейна и особенно верхние пласты Кондомского района имеют, пожалуй, самую высокую фосфористость.

Среди углей кольчугинской серии низким содержанием фосфора отличается только группа пластов 22—23 ильинской свиты, а также отдельные вышележащие пласты ерунаковской свиты Ленинского и Беловского районов. К малофосфористым относятся также пласты в Осиновском районе, 1, 5 и 21 в Байдаевском районе, 1, 3, 7, 9 и некоторые другие Красулинского месторождения Ерунаковского района.

Угли юрского возраста большей частью имеют повышенное содержание фосфора (0,02—0,08%).

Зольность углей Кузнецкого бассейна весьма разнообразна: и пределах каждой угленосной серии встречаются как малозольные пласты, так и высокозольные.

В табл. 27 сведены данные о зольности рабочих пластов по пластово-промышленным пробам шахт и резервных участков кольчугинской и балахонской серий. Пласты кольчугинской серии в целом менее зольны по сравнению с балахонскими. Это объясняется в основном неодинаковым характером распределения минеральных примесей в угле. Балахонские угли являются более дисперсно минерализованными.

В отложениях верхне- и нижнебалахонской свит относительно малозольные угли (от 8 до 12%) размещены главным образом в четырех районах — Прокопьевеко-Киселевском, Анжерском, Бачатском и еще неосвоенном Мрасском; в остальных районах зольность пластов в большинстве случаев выше 12%. Самыми высокозольными (около 20%) являются тощие угли Араличевского района.

Наименее зольными (табл. 28) являются мощные и средней мощности пласты усятской и кемеровской подсвит, в то время как пласты ашановской и особенно промежуточной подсвит ввиду значительной минерализации угольного вещества и сложного строения во всех районах характеризуются относительно повышенной зольностью. Угли алычаевской и мазуровской подсвит относительно малозольны в Анжерском и Кемеровском районах (за исключением единичных пластов) и высокозольны в Томь-Усинском; в других районах они не имеют заметного промышленного значения и поэтому изучены слабо.

В отложениях кольчугинской серии зольностью менее 12% характеризуются в основном пласты ерунаковской свиты (тайлуганская, грамотеинская и ленинская подсвиты), за исключением Терсинского района и Распадского месторождения, где в ленинской подсвите вследствие более сложного строения пластов зольность в целом возрастает до 14—16% (табл. 29). Зольность одних угольных пачек в этих горизонтах обычно не превышает 4—7%. В пределах ильинской свиты угольные пласты на большинстве месторождений имеют повышенную зольность, что объясняется главным образом сложным строением их, имеющих к тому же малую мощность. Вместе с тем угли казанково-маркинской подсвиты Чертинского, Убинского, Карагайлинского и Егултасского, а также отдельных пластов других месторождений отличаются еще и повышенным содержанием дисперсно рассеянных минеральных примесей, что в отличие от вышележащих пластов обусловливает их более трудную обогатимость.

Химический состав и плавкость золы углей Кузнецкого бассейна, систематизированные более чем по 2200 анализам, сведены в табл. 30. В целом угли балахонской серии отличаются от кольчугинских более высоким содержанием окислов кремния и алюминия и пониженным — окислов железа, кальция и серы.

В балахонских углях относительно низкое содержание глинозема и повышенное кремнезема характерно для Кемеровского и Анжерского районов. Среди углей кольчугинской серии самое низкое содержание окислов кремния и алюминия, а высокое окислов железа, кальция, магния и серы наблюдается в северо-западной части бассейна — в Ленинском и Ведовском районах.

Наряду с этими особенностями в изменении химического состава золы углей по площади бассейна довольно отчетливо прослеживаются его изменения в стратиграфическом разрезе. В табл. 31 сведены данные по пяти наиболее изученным районам. В обеих угленосных сериях (более резко в балахонской) общей закономерностью является уменьшение SiO2 и увеличение Al2O3 снизу вверх, что хорошо увязывается с имеющимися представлениями о более континентальных условиях углеобразования ближе к верхним частям угленосных серий.

В соответствии с различными соотношениями тугоплавких и легкоплавких окислов изменяется и температура плавления золы углей (см. табл. 30). Наиболее тугоплавкой (1400—1500°) является зола балахонских углей южной и юго-западной частей бассейна. Угли кольчугинской серии, особенно в Ленинском и Беловском районах, дают относительно низкоплавкую золу (но не ниже 1240°). Плавкость золы углей Байдаевского и Осиновского районов и Распадского месторождения составляет в среднем 1300—1350°, хотя для отдельных пластов она колеблется от 1270 до 1450°.

По данным Т.А. Зикеева, самую низкоплавкую золу (1160°) имеют угли шахт б. Мазуровской и Бутовской. Для первой шахты это объясняется очень низким содержанием Al2O3 в углях мазуровской подсвиты, что установлено опробованием пластов как на поле этой шахты, так и на участке Конюхтинском. На шахте Бутовской разрабатывались угли с более высоким содержанием глинозема (около 18—20%), но в зоне окисления и выветривания, где плавкость золы (см. ниже) значительно уменьшается вследствие возрастания окиси кальция и некоторого уменьшения окислов кремния и алюминия.

Некоторые данные по изменению золы продуктов обогащения товарных углей из шахт Прокопьевско-Киселевского района приводится в табл. 32.

Довольно существенно уменьшение Al2O3 и некоторое увеличение Fe2O3 в промпродукте (за счет породных прослоев и боковых пород) приводит, по данным Т.А. Зикеева, к снижению плавкости золы последнего в Прокопьевско-Киселевском районе от 1450° в обогащенном угле до 1300° в промпродукте.

Единичные данные о составе золы юрских и девонских углей, сведенные в табл. 33, не позволяют пока делать каких-либо выводов о закономерностях его вертикального или площадного изменения.

Результаты полукоксования углей Кузнецкого бассейна для перегонных целей были обобщены И.Н. Звонаревым, К.С. Курындиным и И.П. Максимовым.

По лабораторным данным, угли с повышенным выходом смолы имеются во всех угленосных сериях (табл. 34). Полнее всего по выходу смолы изучены угли Ленинского района и барзасские липтобиолиты.

Барзасский уголь пласта Основного при зольности 30—48% дает 18—25% смолы, а в пересчете на органическую массу 28—34%. Максимальный выход смолы на органическую массу (30—36%) получен из плотных и плитчатых (листоватых) разностей, в то время как из высокозольного клареновидного угля всего 20—25%.

Первичная смола барзасского угля представляет собой темную легкоподвижную жидкость удельного веса 0,86—0,95 г/см3. Элементарный состав ее следующий: Cг 85—86%; Hг 11,6%; (Nг+Oг) 2,1—3,6%; Sг 0,3—0,5%. Калорийность достигает 10 350 ккал/кг. В смоле плотной и плитчатой разностей углей содержание оснований 0,35—0,7%, кислот 0,3—3,0% и фенолов 3,5—5,7%; а в клареновидной разности соответственно 1,75; 0,35 и 17,1%.

Разгонка смолы по фракциям на московской опытной установке показала значительное содержание легких погонов. Выход бензиновых фракций, выкипающих до 200°С, составил 24,8% (удельный вес 0,795), керосиновых (от 250 до 300° С) 29,1% (удельный вес 0,877), остаток (свыше 300° С) 43,25%, потери 1,2%. Ho получающийся полукокс имеет высокую зольность и вследствие этого низкую теплоту сгорания. В процессе полукоксования он прилипает к стенкам реторты, в связи с чем затрудняется переработка этих углей в печах обычных конструкций.

Повышенным выходом смолы характеризуются угли некоторых пластов Крапивинского района. Помещенные в табл. 34 данные полукоксования из естественных обнажений с выходом смолы около 30% относятся к самым нижним пластам, обнажающимся в правых притоках рч. Каменушки (примерно пласты 8 и 9). В 1953 г. Химикометаллургическим институтом ЗСФАН СССР были проведены исследования по полукоксованию углей пластов 18, 19, 22, 27 и 33 из опробовательских скважин и уклона на Змеинском месторождении, показавшие выход смолы менее 10%. Групповой состав смолы этих пластов следующий: оснований 3,3—4,2%; карбоновой кислоты 0,36—0,51%; фенолов 17,91—23,0%. Удельный вес смолы 1,0—1,007 г/см3.


Балахонские угли основных промышленных районов — Анжерского, Кемеровского, Прокопьевско-Киселевского, Томь-Усинского и других — дают низкий выход смол (от 2 до 8—9%).

Угли кольчугинской серии на полукоксование хорошо изучены в Ленинском районе. Высокий выход смол (12—16%) дают угли нижних и средних горизонтов серии. Верхние горизонты, в частности тайлуганская подсвита Уропского месторождения, содержат угли с повышенным количеством фюзинита и низким выходом смол. Аналогичны уропским верхние пласты Восточно-Борисовской площади Салтымаковского района. Поскольку угли ускатской и ленинской подсвит в основном спекающиеся и используются или потенциально могут быть использованы для коксования, интерес для полукоксования представляют только неспекающиеся угли грамотеинской подсвиты. При этом в связи с изменением степени метаморфизма и петрографического состава как по вертикальному разрезу, так и по площади наиболее оптимальными для полукоксования оказались пласты Журинский и Поджуринские I и II в пределах Егозово-Красноярской синклинали. На базе этих углей работает Ленинск-Кузнецкий завод полукоксования.

Единичные данные по углям кольчугинской серии из других районов, например Беловского, Ерунаковского, показывают содержание смолы, аналогичное углям Ленинского района, т. е. 12—14%.

Достаточно высоким выходом смол при полукоксовании характеризуются также некоторые юрские угли, однако вследствие слабой изученности сейчас пока трудно судить о возможности и направлении использования их в целях полукоксования.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна