Химическое строение и свойства твердых горючих ископаемых

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
 89-95
% - 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 –NH2, –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%.
Простые сахара –
растворимы в
холодной воде
(гексозы С6H12O6 ,
пентозы С5H10O5 ,
дисахариды,
многоатомные
спирты)
Пектиновые вещества –
растворимы в горячей
воде, дают коллоидные
растворы. Состоят из
остатков Дгалактуроновой
кислоты
Углеводы
Целлюлоза – ВМС,
состоит из остатков Дглюкозы, нерастворима в
воде и орг. растворителях
Гемицеллюлоза –
ВМС, растворимые в
кислотах и щелочах с
образованием
маннозы, фруктозы,
галактозы и уроновых
кислот типа
галактуроновой
Липоиды
Вещества, способные растворяться в
органических растворителях (бензол,
хлороформ, серный эфир и др.).
К липоидам относят:
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 – 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
С24- С34
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
Гумификация
превращение
отмерших
растений в
торф
Торф
Бурый
уголь
Диагенез
превращение
торфа в бурый
уголь под
действием
микроорганизмов
Каменный
уголь
Антрацит
Метаморфизм
превращение бурого
угля в каменный и
антрацит под влиянием
T и P – физических
факторов
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
О2 под действием анаэробных бактерий
2.Липтинит (L) – образуются при частичном доступе О2
из наиболее стойкой части растений (смола, споры,
покровные ткани листьев)
3.Инертенит (I) – образуются при полном доступе О2 окислительная среда, под действием аэробных
бактерий. Низкая обводненность. Мало водорода.
Литотипы каменного угля
Литотип
Внешний вид
Состав
Витрен
Литотип в виде узких
линзообразных прослоек с хорошо
выраженной трещеноватостью
Нацело состоит из
витринита (Vt)
Фюзен
Литотип в виде линз с волокнистой Нацело состоит из
структурой, матовый или с
инертенита (I)
шелковатым блеском
Кларен
Литотип, образующий пачки или
Преимущественно
пласты угля с выраженной
состоит из витринита
полосчатой структурой, блестящий (Vt)
Дюрен
Литотип, 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
Y  Yугля;
Vt  aVt  YI  aI  YL  aL
Yvt, I, L – свойства микрокомпонента,
avt, 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.)
Горючее ископаемое
Элемент
древесина
торф бурый
уголь
каменный антрацит
уголь
С
50
55
70
85
96
Н
6
6
5
6
2
O+S+N
44
39
25
9
2
Данные об элементном составе углей необходимы при составлении
материальных балансов их переработки, определении теплоты
сгорания при использовании их в качестве топлива, для
классификации
Элементный анализ ТГИ
(определение C, H, O, N, S)
1) С и Н определяют по количеству CO2 и H2O, образующихся
при сжигании навески ТГИ. Получившиеся CO2 и H2O улавливают
щелочью и конц. H2SO4 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
Na2CO3. Затем проводят осаждение сульфатов BaCl2. Осадок
промывают, сушат.
St  S SO  S P  SO
2
4
где
где S SO  сульфатная сера;
2
4
S P  пиритная сера;
SO  органическая сера;
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.
H2SO4. при этом получается (NH4)2SO4, который разлагают
щелочью до NH3, улавливая последний титрованным
раствором H2SO4.
4) Определение O в ТГИ проводят по разности:
O daf  100  (C daf  H daf  Sо daf  N daf )
O
daf
 на сухую беззольную массу
(не содержащую общей влаги и воды)
Определение теплоты сгорания
ТГИ
5) Определяют в калориметрической бомбе. Суть метода
заключается в полном сжигании навески топлива в среде O2. При
этом происходит превращение СCO2, HH2O, SSO2, NNO2.
В калориметрическую бомбу заливают воду и образующиеся газы
растворяются в ней, давая кислоты H2SO4 , HNO3. При этом
выделяется тепло QБ , которое принято называть теплотой
сгорания по бомбе.
Различают высшую QS и низшую Qi теплоты сгорания
топлива:
daf
QS
 QБ  QОБР .  QРАСТВ .
Qi  QS daf  QИСП . H 2O
QОБР .  теплота образования кислот;
QРАСТВ .  теплота растворения кислот в воде;
QИСП .H 2O  теплота испарения воды.