Качество коксующихся углей Западной Канады

Дэвид Е. Пирсон

Перевод с английского: Гулуева Э. Г.

Источник: COAL MINING AND TECHNOLOGY.
http://coalpetrography.com/research/quality.htm

АННОТАЦИЯ

Западно-Канадские месторождения коксовых углей расположены в Скалистых Горах и предгорьях Британской Колумбии и Альберта. Это типичные континентальные угли, характеризуемые общим содержанием серы менее 1% и с зольностью 10-30 весовых процентов. Минеральный состав золы главным образом колинит-кварцевый.
Запасы наиболее качественных коксующихся углей, составляют 2.065 миллиардов тонн в Британской Колумбии и провинции Альберта. Угли используются в металлургической промышленности. Для петрографического состава характерно большое количество инетртенита, фюзенита и семифюзенита. Если средний максимальный коэффициент отражения витринита угля (Romax) используется в качестве параметра степени метаморфизма, то высокое содержание инертенита искажает результат в сторону уменьшения. Поэтому остальные показатели качества коксовых углей также понижаются: толщина пластометрического слоя, показатели текучести, степень спекаемости. Эти характеристики ниже, чем у углей той же марки, но обогащенных витринитом, семивитринитом и липтинитом. Несмотря на уменьшенные значения показателей коксуемости в так называемых испытаниях спекания, из обогащенных инертенитом углей получен качественный кокс.
Классификация коксующихся углей основана на значении показателя отражательной способности витринита (Romax), Может быть выделено шесть основных групп коксовых углей. Обогащенные инертенитом угли относят к группе Кеустоун (G1), обогащенные витринитом и семивитринитом к группам Питтстон (G2), Келлермен (G5) и Биг Бен (G6). Группы Балмер (G3) и Муре (G4) являются промежуточнеми. Каждая группа названа по местности распространения типичных углей.
Коксовые угли Британской Колумбии представлены четырьмя из этих групп; группа Балмер (73%), группа Муре(16%), группа Питтстон (3.4%) и группа Келлермен (7.6%).

ВВЕДЕНИЕ

Западный канадский бассейн коксующихся углей находятся в Скалистых горах и предгорьях Британской Колумбии и Альберты в двух крупных стратиграфических зонах нижнемелового возраста. В 1971 году запасы угля, по оценкам, составил 86,1 млрд. тонн, из которых 57,4 млрд. тонн в Британской Колумбии (Latour, 1972). Данные по Британской Колумбии были пересмотрены в 1976 году, когда запасы коксующегося угля оценили в 30,7 млрд. тонн (Gilchrist, 1976). Цель этой работы заключается в том, чтобы установить качество коксующихся углей в Британской Колумбии и Альберте по отношению к другим, на международном рынке коксующегося угля.

Состав углей

Естественный составляющих угля могут быть разделены на две группы: органические микрокомпоненты, которые могут быть далее разделены на микроскопически идентифицируемые мацералы и неорганическая компоненты, которые обычно определяются в золе после сжигания.

Мацералы угля

Уголь состоит из микроскопическикомпонентов, имеющих название мацералы, которые отличаются друг от друга по форме и отражательной способности. Мацералы аналогичны неорганическим минералам в породах. Три основные группы мацералов разделены в порядке возрастания содержания углерода на липтинит (Е), витринита(V) и инертенит (I). Витринит, который, как правило, является наиболее распространенным мацералом, имеет более высокий коэффициент отражения, чем липтинит, но более низкий коэффициент отражения, чем инертенит. Существует, таким образом, корреляция между содержанием углерода и отражательной способностью, и это используется для точного определения марки угля. На рисунках представлены микрофотографии мацералов.
Витринит, как полагают, образуется в основном из древесных тканей в торфяных болотах. В карбоновых углях Западной Европе и восточной части Соединенных Штатов, он часто составляет 60-80% мацералов, в то время как в пермских углях в южном полушарии он редко превышает 80%, а в некоторых случаев составляет менее 50% от общего объема.
Липтинит, который образуется из пыльцы, спор и листьев эпидермиса, является технологически важной составляющей, поскольку он повышает текучесть угля. Липтинит составляет 1% в пермских углях в южном полушарии, но в целом он ниже, чем в карбоновых углях, которые содержат 5-20% липтинита.
Инертенит получил свое название от его более или менее, не меняющихся характеристик в ходе процесса карбонизации. Инертенит образуется из частично обгоревшей древесины. Формирование углей Британской Колумбии и Альберты, является характерным примером обогащения инертенитом. Например, в Австралии, обнаружено до 85% инертенита в отдельных образцах; более молодые угли, как правило, состоят на 20-30% из инертенита.Коксующиеся угли карбонового возраста содержат, как правило 5-20% инертенита.
На содержание различных типов мацералов и выход летучих вещества из угля могли значительно повлиять условия химической обстановки постосадконакопления, в которой, как правило,торф подвергается окислению. В случае морского покрова на торфе, содержание мацералов не изменяяется, но происходит развитие анаэробных бактерий, способствующих гниению вещества, а также привнесение сульфидов из морской воды. Это приводит образованию угля, с высоким содержанием серы, и более высоким выходом летучих, чем обычно. Напротив, в тех случаях, когда торфяник перекрывается пресными водами, периодически проявляются окислительные условия, выход летучих веществ уменьшаются и содержание инертенита может быть увеличено за счет окисления других мацералов.
В Восточной Колумбии, все пласты имеют породы кровли и содержание серы, которые указывают, на континентальные условия образования углей. Таким образом, влияние химической обстановки на процессы постосадконакопления способствует увеличению содержания инертенита, что, объясняет, почему изученные запасы Западных канадских коксующихся углей, за редким исключением, богаты инертенитом.

Минеральные вещества в составе углей

Зола в угле является негорючим оксидным остатком, который остается после сжигания. Главным вопросом является происхождение минеральных примесей, которые делят на сингенетические, диагенетические и эпигенетических виды. Это выясняют в ходе петрографического анализа углей, но и определить более точно можно по рентгеновской дифракции низкотемпературной золы (LTA), полученной с помощью радиочастотного плазменного озоление угля.
Химическая обстановка постосадконакопления в торфяных болотах, а также влияние на мацеральный состав угля, как было отмечено выше, является основным фактором, определяющим количество и виды минеральных компонентов, присутствующих в угле. Хотя нет никаких сомнений в том, что некоторые минералы в углях имеют детритное происхождение, большая часть является привнесенными. Поэтому оценка минеральных ассоциаций может помочь восстановить физико-химические условия в торфяных болотах. Например, когда торфяные болота имели морские покровы, изменение рН от кислых до щелочных сопровождается активным ростом бактерий, продуцирующих сульфиды и, как следствие, образования пирита. Кальцит может быть сформирован таким же образом. В случае с пресной водой перекрытое, болото сохраняет кислотный характер, и в отсутствии морской воды общая сера не не возрастает выше той, которая содержится в растительных и животных белках. В кислая среда, однако, идеально подходит для образования каолинита. Таким образом, контакт пресной воды и углей характеризуется каолинит-кварцевыми минеральными примесями и низким содержанием серы, а влияние морских условий характеризуются высоким содержанием серы и минеральных ассоциаций пирита-кальцита-кварца.
ЛИТЕРАТУРА

  1. BEESTON, J.W., 1977. Petrographic assessment of the German Creek seam, central Queensland. Queensland Govt. Mining Journal 78, 181-190.
  2. BENEDICT, L.G., THOMPSON, R.R., and WENGER, R.O., 1968. Relationship between coal petrographic composition and coke stability. Blast Furnace and Steel Plant 56, 217-224.
  3. CAMERON, A.R., 1972. Petrography of Kootenay coals in the upper Elk River and Crowsnest areas, British Columbia and Alberta. Research Council of Alberta Info Series No. 60, 31-45.
  4. CHANDRA, D., and TAYLOR, G.H., 1975. Gondwana coals In: Stach's Textbook of Coal Petrology, Gebrtider Borntraeger, Berlin Stuttgart, 428 p.
  5. FRANCIS, W., 1961. Coal.,EdwardArnold, London, 806p.
  6. GILCHRIST, R.D., 1976. Reserves and resources by region: In: Coal in British Columbia-a Technical AppraisaL B.C. Min. Energy, Mines and Pet. Res.
  7. HACQUEBARD, P.A., and DONALDSON, J.R., 1970. Coal meta- morphism and hydrocarbon potential in the Upper Palcozoic of the Atlantic Provinces, Canada. Can. J. Earth Sci., Vol 7, pp. 1139-1157.
  8. IGNASIAK, B.S., 1976. Prediction of coke properties. Research Council of Alberta Info Series No. 60, 70-80.
  9. International Committee for Coal Petrology, 1963. International Handbook of Coal Petrology (Second Edition). Centre National de la Recherche Scientifique, 15 Quai Anatole-France, Paris, France. Also Supplement to the Second Edition, 1971.
  10. KOJIMA, K., 1973. Prediction of coking strength of coals by petrographic method. J. Fuel Soc. J. Fuel Soc. Japan 50 (in Japanese).
  11. KOTTER, K., 1960. Die mikroskopische Reflexionsmessung mit dem Photomultiplier und ihre Anwendung auf die Kohlenunter- suchung. Brenn. Chemie 41, 263-272.
  12. KREVELEN, D.W., VAN, 1961. Coal. Elsevier.- Amsterdam, Lon- don, New York, Princeton, 514 p.
  13. LATOUR, B.A., 1972. Coal deposits of western and northern Canada. Research Council of Alberta Info Series No. 60, 1-9.
  14. MARSHALL, R.J., 1976. Classification of coking coals. Fuel Lond. 55, 346-348.
  15. MATSUOKA, H., 1975. Requirements for coals in Japanese Coking blends. In: Cook, A.C. (ed), Australian Black Coal-Its oc- curence, mining, preparation and use, A ust. Inst. Min. Met., II- lawana Branch.
  16. McCARTNEY, J.T., and TEICHM&UumlLLER, M., 1972. Classification of coals according to degree of coalification by reflectance of the vitrinite component. Fuel Lond. 51, 64-68.
  17. MITCHELL, R.S., and GLUSKOTER, H.J., 1976. Mineralogy of ash of some American coals: variations with temperature and source. Fuel Lond. 55, 90-96.
  18. MIYAZU, T., OKUYAMA, Y., FUKUYAMA, T., and SUZUKI, N., 1974. The evaluations and design of blends using many kinds of coal for coke making. International Iron and Steel Congress (Dusseldorf).
  19. PEARSON, D.E., and GRIEVE, D.A., 1978. (and in prep). Petrogra- phic evaluation of Crowsnest Coalfield. CIM Ann. Gen. Meeting, Vancouver.

  20. PEARSON, D.E., and KWONG, J., 1979. Mineral matter as a measure of oxidation of a coking coal Fuel, Lond., 58, 63-66.
  21. PEARSON, D.E., and GRIEVE, D.A., 1979. Crowsnest Coalfield. In: Fieldwork, B.C. Min. of Energy, Mines and Pet. Res.
  22. PEARSON, D.E., 1979 (in press). Prediction of coke strength using volatile-matter yield and free swelling index of Western Canadian coals. Fuel Lond.
  23. RAO, C.P., and GLUSKOTER, H.J., 1973. Occurence and distribu- tion of minerals in Illinois coals. 111. St. Geol. Surv., Circ. 476.
  24. SCHAPIRO, N., GP-AY, R.J., and EUSNER, G.R., 1961. Recent developments in coal petrography. Blast Furnace Coke Oven and Raw Materials Comm., Proc. 20, 89-112.
  25. SHARP, I.P., and ASSOCIATES, 1976. Sharp APL: Functions for statistical analysis. Toronto, Canada.
  26. SHIBAOKA, M., and BENNETT, A.J.R., 1976. Use of Swelling In- dex Profiles of the Buili Searn in New South Wales, and their general application in coalfield geology. Fuel, Lond., 55, 99-103.
  27. SIMONIS, W., GNUSCHKE, G., and BECK, K.G., 1966. Der Ein- fluss des Koksbildungsverm6gens auf die Koksfestigkeit. Gitikauf,Forsch-H.27, 10.5-113.
  28. STRAUSS, P.G., RUSSELL, N.J., BENNETT, A.J.R., and ATKIN-SON, C.M., 1976. Coal petrography as an exploration aid in the west Circum-Pacific. In: Coal Exploration, 401-443.
  29. TAYLOR, O.H., and COOK, A.C., 1962. Scierotinite in Coal-its petrology and classification. Geol. Mag. 99, 41-32.
  30. TEICHM&UumlLLER, M., and TEICHM&UumlLLER, R., 1975. Fundamen- tals of coal petrology. In: Stach's Textbook of Coal Petrology. Gebriider Domtraeger, Berlin, Stuttgart, 428 p.
  31. WILLIAMS, D.G., 1971. Assessment, prediction and illustration of the properties of coking blends, with special reference to coking pressure. Coke Oven Managers Yearbook, 278-321.