Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 25 » Уголь и торф.
12:43
Уголь и торф.

Запасы растительного сырья на планете весьма велики, но, есть альтернатива – запасы угля, нефти, газа, торфа. В отличие от древесного угля, все эти материалы образовались из органического материала животного и растительного происхождения за многие миллионы лет.

Раньше других, человек освоил торф, представляющий собой растительное сырье, подвергшееся бескислородному гниению под слоем воды и смешанного (минерально-органического) ила. Глубина образования торфа невелика, 5-30 метров, поэтому плотность сравнительно мала (сухой торф 0,8-0,9 гр./см3). Это объясняет достаточно высокую зольность 10-20%, что не позволяет получать из торфа качественный кокс. В отличие от углей, торф образуется за небольшой интервал времени в 40-500 лет, поэтому материал торфа отличается от исходной древесины не столько термодеструктивным распадом и низкотемпературным пиролизом под высоким давлением, сколько постепенным микробиологическим разрушением наиболее "вкусной” части (моно- и олигосахариды, белки), сопровождающиеся уплотнением и засолением "огрызков” целлюлозного скелета и лигнина.

Данные процессы аналогичны действию ионообменных смол при их заполнении катионами металлов (отсюда и высокая зольность), болота обычно находятся в низинах и не имеют стока воды, поэтому недостатка в минеральных солях там нет. Если бы не хемосорбция (адсорбция, протекающая с образованием химической связи) и адсорбция, то вода в болотах была бы не намного преснее морской. Что касается моно- и олигосахаридов с белками, то ими питаются многочисленные бактерии и грибы, обитающие в болотах, при этом, процесс питания осуществляется в основном в толще воды, так как "выгрызать” корм из древесины и другого растительного сырья микрофлоре не сподручно из-за лигнина и большой глубины залегания торфяно-илистого слоя.

Продуктами жизнедеятельности этих микроорганизмов является: болотный метан и другие газы, отравляющие болотный воздух и предающие ему характерный гнилостный запах.

Из-за пористости и волокнистости, унаследованных от растительного сырья, торф сгорает быстрее, чем уголь, и имеет теплоту сгорания, порядка 22 МДж/кг, для бурых углей этот показатель составляет около 20,5, для лучших коксующихся углей 36. Видим, что торф имеет более высокую теплотворную способность, чем древесина (17 МДж/кг), несмотря на более высокую зольность (древесина 1,5-2% против 10-20%), это связанно с более высоким содержанием лигнина, представляющего собой полифенольные и другие ароматические соединения, являющиеся наиболее калорийными компонентами древесного сырья.

В отличие от торфа, угли залегают на большой глубине (образование угля происходит на глубине не менее 150-200 метров), что приводит к более высокой плотности и, подчас, более низкой зольности. В состав золы, при этом входит больше малорастворимых в воде соединений: известь, глинозем, песок. В золе растительного сырья и торфа значительно больший процент составляют соли, оставшиеся от времени жизни растения и ионы, которые макромолекулы адсорбировали из грунтовых вод. При этом, из-за большой продолжительности образования (не менее нескольких миллионов лет) и высоких давления (а также, влияние тектонического тепла), все или почти все углеводы переходят в графитоподобную структуру углерода, а компоненты лигнина подвергаются деструкции до мономеров, сопровождающуюся декарбоксилированием (отрыв карбоксильной группы в виде диоксида углерода), дегидратацией и другим деструктивным превращениям.

Образовавшиеся мономеры представляют собой, в основном высококипящие жидкости, легко возгоняющиеся кристаллы и смолисто-полимерные структуры. Они образуют так называемую "каменноугольную смолу”, которая адсорбирована в пустотах графитовой структуры или заключена в микрокапсулы. При нагревании угля без доступа воздуха происходит десорбция и вскипание компонентов смолы, что приводит к разрыхлению структуры (становится как губка), смола при этом улетает, ее можно конденсировать в холодильнике, охлаждаемом водой. Каменноугольная смола содержит много ценных веществ, имеющих большое промышленное значение (бензол, ксилол, кумол, антрацен, фенантрен и др.). К сожалению, эти вещества выделяются в виде многокомпонентной смеси, которую очень трудно разделить с высокой чистой компонентов. Поэтому, каменноугольная смола используется для получения узких фракций богатых тем или иным компонентом, и используется для не особо ответственных производств (производство топливных присадок, некоторых взрывчатых веществ, в качестве растворителя и др.).

В отличие от торфа, в процессе образования углей, микроорганизмы и грунтовые воды играют намного меньшую роль. При этом, следует учесть, что граница между торфами и углями весьма условна и очень расплывчата. Считают, что если в структуре сохранились сколько-то молекул целлюлозы, значит это торф, если вся или почти вся целлюлоза перешла в углистую графитоподобную массу, значит это уголь. Многие залежи углей (особенно бурых) образовались из залежей торфа, путем их ухода на большую глубину в результате тектонических изменений. Как правило, чем древнее залежи угля, тем глубже они залегают и большую плотность имеют, характерный графитовый блеск таких углей значительно чище и ярче. Наиболее древний сорт углей – антрацит, на первый взгляд мало отличим от графита (теплота сгорания антрацита 35 МДж/кг). При этом, антрацит содержит соли практически только в виде соединений включения (размещение на атомном уровне между слоями атомов углерода в графитовой структуре), такие соединения носят название – клатратные комплексы, и характерны для графита.

Залежи графита, представляющие интерес для промышленности, образовались из залежей антрацита на глубине не менее 5-6 км, под влиянием тектонического тепла (500-800оС). При этом все органические соединения разложились до углерода, а высокое давление сформировало из углерода графитовую структуру. Существую залежи графита чисто вулканического происхождения.

Спорным является вопрос образования залежей алмазов, ибо они возможно, образовались из залежей графита, но на большой глубине и при высочайшем давлении, глубина образования алмазов, ни как не меньше 40-50 км и более. При этом не совсем понятно, как на такую глубину могли попасть залежи углей растительного происхождения. Поэтому, ученые склонны считать, что алмазы образовались при температуре расплавленной мантии (2000-4000оС) и давлении мантии (3000-5000 атм.) в пузырьках всплывающего шлака на стадии формирования земной коры (см. статью). При этом, обогащение шлака углеродом происходило за счет восстановления углерода из диоксида, расплавленными металлами мантии. Непонятно, только, почему углерод не растворился в металлах, вероятно, при столь высокой температуре, растворимость углерода в металлах не очень высока, или мантия уже насыщенна растворенным углеродом. Все-таки, мы еще очень мало знаем о своей планете. Ведь, самая глубокая шахта на сегодняшний день, это, как раз шахта по добыванию алмазов (южная Африка около 8000 метров под землей). Российскими учеными была достигнута глубина бурения около 13 километров, но, это было произведено в исследовательских целях и, насколько мне известно, сейчас данный проект закрыт из-за проблем с финансированием.

В целом, угли, большей частью, уже пережили свой золотой век (18-19-й и начало 20-го веков), нефть практически вытеснила их из химической промышленности, а атомная энергетика серьезно потеснила в выработке тепла и электроэнергии. Но, новые технологии использования углей и сейчас придают им вторую жизнь, хотя, разведанных запасов (вряд ли неразведанных много) угля на планете осталось на 200-300 лет (оптимистичная оценка) при нынешней добыче. При этом, следует учесть, что качество и рентабельность добычи углей постепенно падает. В частности, при сегодняшней технологии черной металлургии и ее потребностях, запасов коксующихся углей осталось лет на сто, что весьма озадачивает ученых поиском новых технологий их более экономичного и продуктивного использования. Но, об этом в другой раз.

Категория: Топливо и энергетика | Просмотров: 3655 | Добавил: Chemadm | Теги: формирование угля, угли, ископаемое топливо | Рейтинг: 4.7/37
Всего комментариев: 2
1
1  
Уголь и торф образуются на разной глубине, а могут они оказаться на поверхности?

0
2  
Месторождения торфа могут оказаться на поверхности в связи с пересыханием болот (в том числе, очень древних). При последующем выветривании и эрозии грунта происходит размыв почвы и ила до слоя торфа. Торф, в виду волокнистости структуры, нерастворимости в воде и достаточной механической прочности, неплохо противостоит эрозии.
Уголь может оказаться на поверхности только в связи с тектонической активностью, то есть, подъемом отдельных участков почвы в течении многих тысяч и миллионов лет. Поэтому, поверхностные россыпи угля (глубина менее 5 метров) большая редкость и встречаются в основном на границах горных плато.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]