Ископаемые угли [70—87] подразделяются на сапропелевые и гу­мусовые.

Сапропелевые угли образовались, по-видимому, в основном из планктона, т. е. простейших водорослей и мельчайших животных орга­низмов. В застойных водоемах происходит биохимическое разложение отмерших органических остатков и образование гниющего ила — сапро­пеля (по гречески sapros — гниющий, pelos — ил). В результате дли­тельного процесса углефикации сапропеля, изолированного от доступа воздуха слоями почвы, образуются сапропелевые угли.

Сапропелевые угли характеризуются большим содержанием водоро­да (6,5—9%) и высоким выходом летучих веществ. Они легко зажи­гаются и горят ярким коптящим пламенем.

С повышением степени углефикации сапропелевых углей содержа­ние водорода в них и выход летучих веществ уменьшаются, оставаясь, однако, значительно большими, чем у сопровождающих их гумусовых углей.

К числу сапропелевых углей принадлежат богхеды, полубогхеды, кеннели, кеннель-богхеды. Наиболее распространены кеннель-богхеды. Горючая масса кеннель-богхедов, залегающих в нижней части пластов Подмосковного бассейна, содержит около 6,8% водорода, выход лету­чих веществ составляет около 70%.

К горючим ископаемым сапропелевого происхождения принадлежат также сланцы.

Гумусовые угли образовались из остатков высших растений, в том числе деревьев и гигантских папоротников, произраставших миллионы лет тому назад (рис. 12, 13). Известны разновидности бурых углей с отчетливо сохранившейся древесной структурой — лигниты. Однако большая часть углей не имеет столь резко выраженного характера и принадлежит к числу промежуточных классов: сапропелево-гумусовых или гумусово-сапропелевых.

В отличие от образования торфа из остатков растений, которое рас­сматривается в настоящее время как биохимический процесс, основан­ный на разложении материнской массы и синтезе гуминовых кислот и других сложных органйческйх соединений, последующий процесс ме­таморфизма и характер образования ископаемых углей обусловлен в значительной степени глубиной залегания пластов, температурой и давлением в зоне углеобразования.

В зависимости от этих факторов изменяется степень метаморфизма материнской массы.

Органическая масса наиболее молодых по химическому возрасту ископаемых углей отличается от органической массы растений боль­шим содержанием углерода и меньшим содержанием кислорода при сравнительно малом изменении процентного содержания водорода. Со-

Держание водорода в органи іескои массе гумусовых у пей обычно ни же чем в органической массе сапропелевых

При более гібоном процессе углефикации процентное содержание углерода увели швается уже не только за счет дальнейшего снижения содержания кислорода но и вследствие значительного меныиеиия со держания водорода

В зависимости от степени метаморфизма ископаемые угли подраз деляют на бурые угли каменные пи и антрациты

Наименее обуглероженные виды ископаемого топлива залегают обычно вблизи от поверхности а сильно обуглероженные — на зиа ш тельной глубине В соответствии с этим месторождения ряда бурых уг леи а также некоторых сравнитетіно мало обуглероженных каменных углей можі о разрабатьвать открьпым способом в угольных разрезах

Более обуглероженные каменные угли, предназначенные для выработ­ки кокса, залегают глубоко, и их дриходится добывать шахтным мето­дом. Еще глубже залегает антрацит, наиболее обуглероженный, т. е. сильнее метаморфизированный, ископаемый уголь.

Бурые угли содержат значительное количество гумусовых и других органических кислот. Однако гумусовые кислоты, содержащиеся в бу­рых углях, отличаются от гумусовых кислот торфа меньшим количест­вом боковых цепей и более высоким содержанием углерода.

Т. А. Кухаренко [72] приводит следующее содержание углерода в гумусовых кислотах различных видов ископаемого топлива, %: торф 52—60, бурые угли землистые 60—66, бурые угли блестящие 61—72.

При нагревании бурых углей с раствором КОН или NaOH щелоч­ной раствор окрашивается в бурый цвет, при обработке раствора ми­неральной кислотой из него выделяются гуминовые кислоты. При дейст­вии на бурые угли разбавленной азотной кислоты образуется окрашен­ный в бурый цвет раствор. Большинство бурых углей склонно к само­возгоранию и непригодно для длительного хранения и дальнего транс­портирования.

Каменные угли. Каменные угли более метаморфизированы по срав­нению с бурыми. Они в большинстве случаев не содержат гуминовых кислот и в соответствии с этим не дают окрашенных в бурый цвет вы­тяжек при обработке раствором щелочи или азотной. кислотой. В табл. 57 сопоставлены диагностические признаки каменных и бурых углей {73].

Таблица 57

Выход летучих веществ по отношению к горючей массе каменных углей различных марок колеблется в широких пределах — от 9 до 50%. Весьма различен также нелетучий остаток (кокс), образующийся после отгонки из каменных углей летучих веществ. Он может быть порошко­образным, слипшимся или спекшимся. Теплота сгорания горючей мас­сы каменных углей выше, чем бурых, большей частью Qe = 7600^-8000. Содержание влаги в каменных углях 5—15%, т. е. значительно ниже, чем в бурых. Приведенная влажность каменных углей ~0,7—3%. Выс­шая теплота сгорания рабочей массы воздушносухого беззольного ка­менного угля (Qb-100/(100—лр)) превышает 5700 ккал/кг. Низшая теп­лота сгорания каменных углей, отнесенная к 1 м3 сухих продуктов пол­ного сгорания, без избытка воздуха, т. е. величина Р, находится в уз­ких пределаХ ~&г 920 до 940 ккал/м3. Жаропроизводительность /шах равна 2020—2120 °С; РОгшх сухи* продуктов сгорания каменных углей колеблется от 18,8 до 19,3% [37].

Антрацит. Антрацит—плотный, блестящий ископаемый уголь с ма­лым выходом "летучих веществ. ‘

Антрациты — наиболее углефицированный вид ископаемых углей. Содержание углерода в горючей массе антрацита превышает 93%, со­держание водорода — около 2%, кислорода — менее 2%. Выход летучих менее 9% от веса горючей массы. Нелетучий остаток порошкообразный. Теплота сгорания горючей массы антрацита в калориметрической .бом­бе 8150 ккал/кг. Низшая теплота сгорания горючей массы 8000 ккал/кг. Низшая теплота сгорания, отнесенная к 1 м3 сухих продуктов сгорания, у антрацита 910—915 ккал. Содержание влаги 4—6%, приведенная влажность 0,5—1,2%. Жаропроизводительность антрацита 2140—2160°С, ЯОгта* антрацита 20,2% [37].

Малый выход летучих веществ обусловливает трудность зажигания антрацита, малую склонность к окислению, стойкость при хранении и бездымный процесс горения. Д. И. Менделеев указал, что антрацит яв­ляется превосходным видом топлива и отметил высокое качество донец­ких антрацитов.

Отличием антрацита от каменных углей помимо меньшего выхода летучих является также более высокое значение ИОгтах: у антрацита — более 20%. а у каменных углей менее 20%.

По классификации, действовавшей до 1977 г., в качестве самостоя­тельного вида топлива рассматривался полу антрацит, занимавший ме­сто между антрацитом и тощими каменными углями. В табл. 58 приве­ден средний состав горючей массы ископаемых углей и других видов твердого топлива.

Образование ископаемых углей в природе проходит, по-видимому, ряд стадий: отмершие растения—иорф—И5урый уголь—пламенный уголь—>-антр а цит.

В. Френсис приводит следующую схематическую иллюстрацию про­цесса образования ископаемых углей из древесины [77]:

1. В процессе образования бурых углей из древесины выделяются влага, метан и углекислый газ в соотношении примерно 64НгО+ — f-8СН4+СО2. При этом на 1 т сухой древесины выделяется около 38 м3 СН4 и 4,2 м3 СОг и из 1 т древесины образуется примерно 730 кг — бурого угля.

Бурые угли образовались в основном 10—60 млн. лет назад.

2. Вторая стадия углефикации — образование молодых каменных углей из бурых углей — сопровождается в основном выделением СО2 в количестве около 145 м3 на 1 т исходной древесины. При этом коли­чество образующихся молодых каменных углей составляет 530 кг на 1 т исходной древесины.

Молодые каменные угли образовались в основном 100—180 млн. лет назад.

3. Третья стадия углефикации — образование полуантрацитов из молодых каменных углей — сопровождается выделением Н20, СШ и С02 в различных соотношениях и может быть подразделена на три этапа с образованием промежуточных углей:

А) примерное соотношение выделяемых летучих веществ: 1,4НгО+ — Ь0,4СН4+СО2. В пересчете на 1 т исходной древесины выделяется 13 м3 СН4 и 35 м3 СОг. Количество угля снижается до 470 кг;

Б) соотношение летучих продуктов: 5H20-f3CH4+C02. Объем газов 15 м3 СН4 и 5 м3 СОг. Количество угля 450 кг;

В) соотношение летучих продуктов: 1,5Нг0+6СН4+С02. Объем га­зов 73 м3 СН4 и 14 м3 СОг. Количество угля снижается примерно до 410 кг.

4. Четвертая стадия процесса — образование антрацита из полуан­трацита — характеризуется образованием большого количества (до 150 м3) метана, не сопровождаемого выделением СОг и НгО. В резуль­тате этого несколько снижается теплота сгорания антрацита по сравне­нию с полуантрацитом. Количество образовавшегося антрацита состав­ляет около 370 кг на 1 т исходной древесины.

Процесс образования каменных углей и антрацитов происходил в основном 200—250 млн. лет назад.

Ископаемые угли не однородны.

В 1919 г. М. Стоке отметила присутствие в углях следующих ингре­диентов: витрена, кларена, дюрена и фюзена.

Витрен (vitreus — стеклянный) представляет собой хрупкую одно­родную блестящую черную массу с раковистым изломом, не содержа­щую различимых под микроскопом растительных остатков. Угли с вы­соким содержанием витрена обладают малой механической прочностью.

Кларен (clarus — блестящий) — блестящая или полублестящая не­однородная черная масса, часто содержащая вкрапления витрена и фюзена.

Дюрен (durus — твердый) является твердой прочной неоднородной матовой массой буро-черного или бархатисто-черного цвета, содержа­щей скопления спор и смоляных телец, часто содержит включения фи — зена и витрена.

Фюзен (fusus — вытянутый) представляет собой однородные пори­стые матовые прослойки, по структуре напоминающие древесный уголь, иногда со значительным содержанием минеральных веществ. Харак­теризуется малым выходом летучих веществ и не обладает способно­стью переходить при нагревании в пластическое состояние.

В процессе исследования углей их обрабатывают смесью бензола и спирта или другими растворителями. При этом в раствор переходят би­тумы, т. е. смесь углеводородов, жирных кислот, сложных эфиров и не­которых других органических соединений.

Обработкой раствором едкой щелочи из углей можно извлечь высо­комолекулярные гуминевые кислоты, содержащие несколько карбо­ксильных групп СООН, характерных для органических кислот, а так­же гидроксильные группы ОН, карбонильные СО и метаксильные О СНз.

После указанных операций получают остаточный уголь, нераствори­мый в обычных условиях в органических растворителях и щелочах.