Статистические характеристики состава и свойств низкометаморфизованных углей Донбасса разных генетических типов

Бутузова Л.Ф., Турчанина О.Н., Збыковский Е.И., Бутузов Г.Н.

Источник: Бутузова Л.Ф., Турчанина О.Н., Збыковский Е.И., Бутузов Г.Н. Статистические характеристики состава и свойств низкометаморфизованных углей Донбасса разных генетических типов // Углехимический журнал.- 2003.- № 3-4.- с. 7-12.

      Долгосрочной стратегией угледобычи и углепереработки в Украине является программа «Украинский уголь», принятая Кабинетом министров Украины 12 сентября 2001 г. Она предусматривает полное удовлетворение потребносгей государства в угле собственного производства в 2010 г. Для достижения этой цели намечается широкое внедрение в отрасли новых отечественных технологий и мероприятий, направленных на повышение качества угольной продукции. Важнейшим показателем качества углей является содержание гетероатомов, прежде всего, кислорода и серы. Содержание кислорода в углях меняется в процессах диагенеза и метаморфизма. Если рассмотреть ряд гумитов разной степени зрелости, то можно видеть, что содержание кислорода в них изменяется от 29-40% в торфе до 2% и менее в антраците, т.е. в 15-20 раз. Наряду с уменьшением кислорода в процессе углефикации происходит увеличение содержания углерода с 53-62% до 89-96%. Соответственно изменяется и величина атомного отношения О/С, которую Ван-Кревелен и Шуер [1] считали важнейшим показателем степени метаморфизма угля.
      Прямой связи между содержанием N, S и степенью углефикации не было замечено. Автором [2] была установлена взаимосвязь между выходом летучих веществ Vdaf толщиной пластического слоя у и суммарным содержанием углерода и азота (С + N) в гелифицированных компонентах каменных углей различных генетических типов по восстановленноети из разных бассейнов.
      Также имеются данные [3, 4], что донецкие угли восстановленного типа ("в") отличаются более высоким содержанием обшей и пиритной серы по сравнению со слабовосстановленными углями ("а") независимо от стадии метаморфизма.
      В работе [5] Л. Я. Кизильштейн показал. что варьирование сернистости угольных пластов по площади определяется палеогеографическими условиями древнего торфонакопления и не зависит от степени метаморфизма (марочного состава) угольных пластов.
      В Донецком бассейне из 1009 шахтопластов 734 (около 73%) сложены углями восстановленного типа с содержанием серы >1,5% [6]. Значительную долю запасов каменных углей Украины составляют угли низких стадий метаморфизма, в том числе длиннопламенные с повышенным содержанием серы [3]. Для определения оптимальных путей их технологического использования важно установить взаимосвязь между содержанием серы и важнейшими свойствами твердых топлив. При решении задач такого типа целесообразно применение математнко-статистичсского метода анализа, позволяющего количественно описать влияние вклада различных элементов в формирование свойств углей.
      Ранее С.Г. Гагариным и Н.Н. Улановым [7,8] была предложена надежная методика регрессионного анализа вклада мацералов в формирование свойств петрографически неоднородных углей.
      На примере изучения низкометаморфизованных проб углей Донбасса, Кузбасса, Печорского бассейна и Забайкалья показана возможность достаточно точно разделить суммарный показатель качества на составляющие его вклады мацералов липтинита, витринита, инертинита. Одной из задач данной работы является определение вклада общей и органической серы в основной показатель технического анализа – выход летучих веществ для молодых углей одной стадии метаморфизма, но разного генетического типа по восстановленности. Математико-статистический анализ проводили с использованием программ Microsoft Excel и Origin 6.1. В качестве базы данных использовали качественные характеристики угольных шахтопластов Донецкого бассейна, приведенные в справочнике ДонУГИ по качеству каменных углей и антрацитов Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов [9]. Сделана выборка имеющихся в справочнике проб длиннопламенных углей среднего карбона и свежеотобранных углей разных генетических типов [10].
      Для статистического анализа использовали 37 проб, которые давали достаточно полную характеристику элементного и технического состава углей, прежде всего, по содержанию общей серы (пластовой пробы), выходу летучих веществ (масс. %), пластометрическому показателю у, элементному составу (содержанию углерода, водорода, серы, суммарно азота и кислорода в пересчете на сухую беззольную массу) и атомным отношениям отдельных элементов к углероду. Исследуемые угли отличаются достаточно широким диапазоном варьирования серы органической и общей, (%) при практически однородном петрографическом и марочном составе, т.е. они являются хорошим объектом для установления методом математической статистики взаимосвязи между составом и важнейшей технологической характеристикой – выходом летучих веществ.

Рисунок 1 – Зависимость выхода летучих веществ от содержания органической серы марки Д

Рисунок 2 – Зависимость выхода летучих веществ от содержания органической серы марки ДГ

Рисунок 3 – Зависимость выхода летучих веществ от содержания органической серы марки Г

      Зависимость между выходом летучих веществ и содержанием органической серы для углей Донецкого бассейна марки Д отображена на рис. 1. Коэффициенты уравнения вычислены с помощью регрессионного анализа. Проверка значимости коэффициентов проведена по критерию Стьюдента, а адекватность уравнения по критерию Фишера. Аналогичным образом найдена статистическая зависимость между выходом летучих веществ и содержанием органической серы для углей марки ДГ и Г Донецкого бассейна, зависимость между вышеперечисленными величинами отображена на рис. 2 и 3, коэффициенты корреляции равны соответственно r = 0,91 и r = 0,95. Уравнение регрессии для углей марки ДГ имеет следующий вид:

Vdaf=(33,24+ 0,69) + (2,31 + 0,27)*S0d

Уравнение регрессии для углей марки Г имеет следующий вид:

Vdaf=(33,21+ 0,59) + (2,24 + 0,19)*S0d

      Следовательно, представленные в работе результаты позволяют прогнозировать технологические свойства низкометаморфизованных донецких углей по содержанию серы в пределах одной марки. Значимость коэффициента корреляции между величинами Vdaf и S0d однозначно указывает на параллелизм в их изменении, т.е. свидетельствует о синхронном преобразовании серосодержащих и других компонентов органической массы твердых томлив в процессах углеобразования.
      Таким образом, проведенный статистический анализ характеристик донецких низкометаморфизованных углей разных генетических типов убедительно показывает возможности усовершенствования классификационной схемы твердых топлив и необходимость использования содержания органической серы в качестве одного из важнейших показателей генетического типа по восстановленности.

Библиотека

  1. Ван-Кревелеп Д.В., Шхер Ж. Наука об угле - М.: Госгортехиздат. I960. - 303 с.
  2. Добронравов В.Ф. К вопросу об определении степени восстановленности каменных углей по содержанию углерода, азота и выходу летучих веществ в гелифицированных компонентах //ХТТ.- 1978- №1- c. 87-95.
  3. Юровский А.3., Сера каменных углей.- М.: Издательство Академии наук, 1960.
  4. Лифшиц М.М. Генетическая классификация углей. Геолого-углехимическая карта Донецкого бассейна М.: Углетехиздат, 1954.- Вып.ХIII.- c. 127.
  5. Кизильштейн Л.Я. Сернистостъ углей и метаморфизм //ХТТ.- 1973. - №6.- с. 3-9.
  6. Маценко Г.П. Микрокристаллические включения пирита как петрографический показатель типов по восстановленности донецких углей // ХТТ.- 1983.— №1. - c. 13-19.
  7. Гагарин С.Г., Уланов Н.Н. Состав и свойства мацералов углей Западного Донбасса по данным регрессионного анализа // Кокс и химия.- 1997.- №4.- c. 7-13.
  8. Гагарин С.Г. Регрессионный анализ состава и свойств мацералов разновосстановленных углей Кузбасса // Кокс и химия.- 1998.- №2.- c. 2-6.
  9. Справочник по качеству каменных углей и антрацитов Донецкого и Львовско-Волынского бассейнов.- М.: Недра. 1972.- 168 с.
  10. Бутузова Л.Ф., Маценко Г.П. Маринов С.П., Турчанина О.Н.. Скирточеико С.В., Крштонь А., Исаева Л.Н. Особенности термодеструкции углей слабовосстановленного и восстановленного типов Донецкого бассейна //ХТТ.- 2002.- Ns2.- с. 11-22.
  11. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа,- 1988.- с. 239.