1.1 Происхождение ископаемых углей

Исходным материалом для образования углей служила высокоорганизованная растительность (гумусовые угли), а также скопления микроорганизмов и планктона водоемов (сапропелитовые угли).

Высокоорганизованная растительность состоит главным образом из целлюлозы, лигнина, смол и восков. Состав целлюлозы может быть выражен формулой (C6H10O5)n, где n=100-1200. Лигнин (60 - 70 % С, 4 - 7 % Н2) - высокомолекулярное соединение, построенное из ядер ароматической структуры. Смолы состоят преимущественно из циклических соединений. В состав смол входят в основном сложные эфиры одноатомных спиртов и кислот. Смолы легко окисляются и полимеризуются. Воски принадлежат к алифатическим соединениям, и они близки к жирам.

В первой стадии образования угля растения превращались в торф, при этом происходило накапливание гуминов. Этот процесс называют гумификацией. Гумины - это высокомолекулярные полимеризованные или конденсированные полициклические соединения. Они являются основной частью органической массы гумусовых каменных углей и представляют собой бурые аморфные образования, образовавшиеся из гуминовых кислот. Бурые угли по внешним признакам разделяются на мягкие (землистые и сланцевые) и твердые (гладкие и блестящие).

Вторая стадия - превращение торфа в ископаемые угли (процесс углефикации) - протекала после покрытия залежей торфа минеральными осадками под воздействием аэробных (в присутствии кислорода) и анаэробных (при отсутствии кислорода) микроорганизмов, что вело к накоплению углерода и снижению кислорода.

Кроме гумусовых углей, наиболее распространенных в природе, существуют сапропелитовые угли, образовавшиеся из сапропеля. Сапропель - продукт разложения отмирающего планктона без доступа воздуха. Органическое вещество сапропелитовых углей состоит из циклических и полициклических карбоновых кислот и кислот жирного ряда. В основе строения этих углей - неароматическая структура. Их особенностью является повышенное количество водорода.

По совокупности свойств ископаемые угли могут быть отнесены к высокомолекулярным соединениям, включающим в состав молекулы сотни и даже тысячи атомов с многократным повторением основной структурной группировки атомов. Структура углей характеризуется конденсированными ароматическими системами, имеющими боковые алифатические цепи и кислородсодержащие группы. Результаты рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о наличии внутри конденсированной системы сочетаний конденсированных колец, связанных между собой мостиковыми углеродными связями.

На рисунке 1.1 изображена модель макромолекулы угольного вещества (модель ванн Кревелена), построенная с учетом наибольшего количества опытных данных. Молекула не является плоской. Заштрихована ароматическая часть структуры молекулы. Макромолекулу угля следует рассматривать как конденсированную ароматическую систему - ядро, окруженное молекулами, связанными с ним химическими связями. При термическом разложении гумусовых углей в первую очередь отщепляются боковые группы. При этом по количеству летучих веществ можно судить о соотношении боковых групп и ядерной части макромолекул углей. Измерения величины парамагнитного резонанса углей свидетельствуют о наличии в углях свободных радикалов.

1.2 Состав углей

Описанием ингредиентов ископаемых углей и изучением их свойств занимается отрасль науки, называемая петрографией углей.

Петрографический состав угля представляет собой информацию о степени метаморфизма, мацеральном составе и распределении минералов в исследуемом угле. Органическое вещество каменных углей, наблюдаемое под микроскопом в отраженном свете с масляной иммерсией, состоит из мацералов, различающихся между собой по цвету, показателю отражения, микрорельефу, морфологии, структуре и степени ее сохранности, а также по размерам, анизотропии и твердости. Мацералы - микроскопически различимые органические составляющие угля, аналогичные минералам неорганических пород, но отличающиеся от них тем, что не имеют характерной кристаллической формы и постоянного химического состава. При количественном петрографическом анализе мацералы углей объединяют в группы с близкими химико-технологическими свойствами.

Макроскопическую структуру угля определяют четыре ингредиента: витрен, фюзен, дюрен и кларен.

Витрен - основной ингредиент угля. Это вещество коллоидного характера. Его присутствие придает углю хрупкость и блесткость. При добыче угля витрен превращается в мелочь.

Фюзен по своему строению подобен древесному углю. Он легко истирается в пыль и не обладает способностью переходить в пластическое состояние при нагревании. Это наименее ценная часть угля, характеризуется пониженным выходом летучих и дает наименьший выход химических продуктов коксования.

Дюрен представляет собой матовую разновидность и в своей массе бесструктурен, включает скопления растительных остатков. Дюрен придает углям устойчивость при дроблении.

Кларен неоднороден и состоит из прозрачной массы. Он наиболее распространен в углях идущих на коксование.