Лекция 2 Химическое строение и свойства твердых горючих ископаемых Преподаватель Левашова Альбина Ивановна, к.т.н. Францина Евгения Владимировна, ассистент кафедры ХТТ

Твердые горючие ископаемые ( ТГИ ) Торф, сланцы, уголь % - углерод ( С ) 5-11 % - водород ( Н ) Очень мало – кислород, сера, азот (O, S, N) в ТГИ с высокой степенью метаморфизма Все горные породы земной коры по их происхождению разделяют на три группы : Магматические – образовались из вулканической лавы ( базальт, гранит ) Осадочные – появились в результате осаждения и накопления на дне водоемов и на поверхности земли различных орг. и неорг. веществ ( ТГИ, нефть, каменная соль, песчанники, известняки и др.) Метаморфические – образовались из магматических и осадочных пород под влиянием высоких температур и давлений в результате естественных превращений.

Классификация ГИ По условиям накопления и формирования месторождений, ГИ подразделяют на 2 вида : Автохтонные – образование ГИ происходило в местах первичного нахождения их материнского вещества ; Аллохтонные – это такие полезные ископаемые, которые были обнаружены в другом месте по сравнению с залеганием их первичного материнского вещества. Под влиянием ветра и воды, а также тектонических сдвигов эти ГИ были перемещены на новое место.

Происхождение ТГИ В настоящее время общепринято, что все ТГИ образовались из остатков отмерших живых организмов, в первую очередь растительных. Состав и свойства ТГИ очень сильно зависят от : химического состава материнского вещества ; геологического возраста месторождений ; условий преобразования растений ( исходного материнского вещества ).

Химический состав материнского вещества растений : Белки ( протеины ) Углеводы простые сахара пектиновае вещества геммицеллюлоза целлюлоза Липоиды ( битумообразователи ) жиры и жирные масла воски смолы Лигнин

Белки ( протеины ) Белки – природные высокомолекулярные вещества, образованные путем поликонденсации - аминокислот. Белки хорошо поглощают воду благодаря наличию гидрофильных групп –NH 2, –NH, –CO, –COOH. В составе белков могут находиться O, S и очень много N. В высших растениях содержание белков невелико 1…10%, в низших ( простейших )- 20…30%, в бактериях – до 80%.

Углеводы Простые сахара Простые сахара – растворимы в холодной воде ( гексозы С 6 H 12 O 6, пентозы С 5 H 10 O 5, дисахариды, многоатомные спирты ) Пектиновые вещества Пектиновые вещества – растворимы в горячей воде, дают коллоидные растворы. Состоят из остатков Д - галактуроновой кислоты Гемицеллюлоза Гемицеллюлоза – ВМС, растворимые в кислотах и щелочах с образованием маннозы, фруктозы, галактозы и уроновых кислот типа галактуроновой Целлюлоза Целлюлоза – ВМС, состоит из остатков Д - глюкозы, нерастворима в воде и орг. растворителях

Липоиды Вещества, способные растворяться в органических растворителях ( бензол, хлороформ, серный эфир и др.). К липоидам относят : Жиры и жирные масла Жиры и жирные масла – сложные эфиры глицерина и монокарбоновых кислот жирного ряда. Легко гидролизуются. Содержание в высших растениях 1…10 %, в низших 15…40 % Воски Воски – сложные эфиры ВМ одноатомных первичных спиртов : CH3-(CH2)n-CH2OH и ВМ одноосновных карбоновых кислот : CH3-(CH2)n-COOH, с четным числом атомов С в молекуле С 24 - С 34 Смолы Смолы – имеют такое же строение, что и воски, однако спирты и кислоты, входящие в их имеют состав ароматического характера, преимущественно изопреноидный

Лигнин Аморфное вещество, совершенно не растворимое в воде. Характерен для высших растений. Занимает II место по распространенности в природе после целлюлозы. Точный состав лигнина не установлен. I – пиреновое ядро II – протокатеховая группировка III – тетрагидробензольное ядро IV – ненасыщенная углеводная группа V – кислородный гетероцикл

Процесс углеобразования Исходный растительный материал Торф Бурый уголь Каменный уголь Антрацит Гумификация Гумификация превращение отмерших растений в торф Диагенез Диагенез превращение торфа в бурый уголь под действием микроорганизмов Метаморфизм Метаморфизм превращение бурого угля в каменный и антрацит под влиянием T и P – физических факторов Углефикация - Углефикация - превращение торфа последовательно в бурый, каменный уголь и антрацит

Макро - и микрокомпоненты ТГИ ТГИ состоят из макрокомпонентов ( литотипов ) – видны невооруженным глазом, которые образованы микрокомпонентами ( мацералами ) – видны лишь под микроскопом. Мацералы угля условно делят на 3 группы : 1.Витринит (Vt) – образуются из фрагментов растений в востановительной среде под толщей воды без доступа О 2 под действием анаэробных бактерий 2.Липтинит (L) – образуются при частичном доступе О 2 из наиболее стойкой части растений ( смола, споры, покровные ткани листьев ) 3.Инертенит (I) – образуются при полном доступе О 2 - окислительная среда, под действием аэробных бактерий. Низкая обводненность. Мало водорода.

Литотипы каменного угля ЛитотипВнешний видСостав ВитренЛитотип в виде узких линзообразных прослоек с хорошо выраженной трещеноватостью Нацело состоит из витринита ( Vt ) ФюзенЛитотип в виде линз с волокнистой структурой, матовый или с шелковатым блеском Нацело состоит из инертенита ( I ) КларенЛитотип, образующий пачки или пласты угля с выраженной полосчатой структурой, блестящий Преимущественно состоит из витринита ( Vt ) ДюренЛитотип, образующий пачки или пласты угля, однородный, плотный, матовый или с масляным блеском Преимущественно состоит из липтинита ( L ) и инертенита ( I )

Свойства угля Таким образом, свойства угля рассматривают как функцию двух независимых переменных : исходный растительный материал неодинакового состава ; метаморфизм – условия образования угля. Общие свойства угля зависят от массовой доли микрокомпонентов Vt, I, L, причем часто подчиняются закону аддитивности : где Y – свойство угля ; Y vt, I, L – свойства микрокомпонента, a vt, I, L – массовая доля микрокомпонента

Элементный состав угля В процессе углеобразования растительный материал теряет неуглеродные атомы и, соответственно, в элементном составе ТГИ возрастает доля углерода. По содержанию углерода в угле можно приблизительно оценить степень его углефикации. Таблица – средний элементный состав гумитов (% мас.) Данные об элементном составе углей необходимы при составлении материальных балансов их переработки, определении теплоты сгорания при использовании их в качестве топлива, для классификации Элемент Горючее ископаемое древесинаторфбурый уголь каменный уголь антрацит С Н O+S+N

Элементный анализ ТГИ ( определение C, H, O, N, S) 1) С и Н определяют по количеству CO 2 и H 2 O, образующихся при сжигании навески ТГИ. Получившиеся CO 2 и H 2 O улавливают щелочью и конц. H 2 SO 4 соответственно. По разности масс рассчитывают содержание С и Н. 2)Общее содержание S определяют методом Эшке : вся S переводиться в сульфатную при прокаливании угля с MgO и Na 2 CO 3. Затем проводят осаждение сульфатов BaCl 2. Осадок промывают, сушат. где

Элементный анализ ТГИ ( определение C, H, O, N, S) 3) Определение N методом Кьельдаля. Содержание азота в углях мало до 1%. Проводят сжигание навески с конц. H 2 SO 4. при этом получается (NH 4 ) 2 SO 4, который разлагают щелочью до NH 3, улавливая последний титрованным раствором H 2 SO 4. 4)Определение O в ТГИ проводят по разности :

Определение теплоты сгорания ТГИ 5) Определяют в калориметрической бомбе. Суть метода заключается в полном сжигании навески топлива в среде O 2. При этом происходит превращение С CO 2, H H 2 O, S SO 2, N NO 2. В калориметрическую бомбу заливают воду и образующиеся газы растворяются в ней, давая кислоты H 2 SO 4, HNO 3. При этом выделяется тепло Q Б, которое принято называть теплотой сгорания по бомбе. Различают высшую Q S и низшую Q i теплоты сгорания топлива :