В составе сырьевой базы коксования многих коксохимических заводов Украины в большей или меньшей степени представлен концентрат обогатительных фабрик Минтопэнерго, полученный из углей шахты «Красноармейская Западная № 1» (далее «КЗ-1»).

Ранее было установлено, что специфика классификационных показателей R_o, V^daf и у затрудняет отнесение этого угля к одной из марок хорошоспекающихся углей (Ж или К), предусмотренных действующей в Украине классификацией ДСТУ 3472-96.

В данной работе исследовали представительную пробу угля шахты «КЗ-1» нового отбора, а также угля трех других шахт, характеристики которых приведены в табл. 1.

Угли шахт им. Стаханова, Чайкино и им. Бажанова по всем трем классификационным показателям относятся соответственно к маркам Г , Ж и К, т.е. являются типичными представителями этих марок.

Что касается угля шахты «КЗ-1», то фактические значения показателей V^daf и R_o, выходят за пределы интервалов, предусмотренных ДСТУ 3472-96 для марки К (соответственно 18-28 % и 1.21-1,60 %), к которой его относят в сложившейся практике составления угольных шихт.

В новой пробе угля шахты «КЗ-1» спекаемость несколько выше, чем в предыдущей (15 мм), но и она близка к нижней границе интервала для углей марки К (13 мм).

Таким образом, остается открытым вопрос о марочной принадлежности этого угля, тем более, что на фоне закономерного изменения величин классификационных показателей в ряду метаморфизма каменных углей (табл. 1) характеристика угля шахты «КЗ-1» выглядят аномальной, если его относить к марке К.

Допуская, что теория химического строения Л.М. Бутлерова, согласно которой свойства веществ определяются характером связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием, распространяется и на вещества органической массы углей, исследовали элементный состав углей четырех шахт, представленных в табл. 1.

Следует отметить, что результаты элементного анализа широко использовали ранее для разработки разных вариантов классификации твердых горючих ископаемых, прогноза их технологических свойств расчета характеристик структуры, структурных формул веществ углей и др.[2].

По данным элементного анализа исследованных проб (табл. 2) рассчитывали атомные отношения Н/С и О/С, а также величины показателей степени ароматичности структуры (fa) и степени молекулярной ассоциированности веществ угля (сА)

f_a = 1.007 - 0.3857 * (H/C) - 0.3725 * (O/C)                 (1)

cA = 1-[(H + 0.125 * (O + N + S))/0.333 * C]               (2)

причем при расчете fa используют атомные отношения, а при расчете сА - весовые проценты.

Анализ данных табл. 2 приводит к заключению, что в сравнении с типично коксовым углем № 3 уголь шахты «КЗ-1» (№ 4) характеризуется пониженным содержанием углерода, заметно большим содержанием кислорода при практически равном содержании водорода.

По показателям Н/С, f_a и сА углю шахты «КЗ-1» соответствует место между марками Ж и К, а по показателям O_d и О/С - даже между марками Г и Ж.

По некоторым признакам (пониженная сернистость, спекаемость, содержание углерода) можно было бы рассматривать этот уголь как маловосстановленныи коксовый, однако в изометаморфных парах разно-восстановленных углей это должно бы сочетаться с меньшим выходом летучих веществ и с большей величиной R_о [4, 5] , чего в действительности не наблюдается.

Данные элементного анализа и структурные характеристики позволяют предположить, что специфика свойств угля шахты «КЗ-1» обусловлена наличием в составе веществ его органической массы, наряду с конденсированными ароматическими углеводородами (судя по достаточно большим величинам f_а и сА), также значительных количеств алифатичесхих групп (судя по величине атомного отношения Н/С) и кислородсодержащих соединений, по-видимому, типа многокольчатых фенолов, оксикислот, карбоксильных и гидроксильных групп и др. (судя по величинам O_d и О/С).

В целом результаты элементного анализа, как и значения показателей R_о и V^daf свидетельствуют, о том что глубина метаморфных превращений исходного растительного материала не достигла в угле шахты «КЗ-1» стадии, соответствующей типичным коксовым углям. К такому же выводу приводит анализ результатов измерения оптической плотности Д экстрактов при обработке углей диметилсульфоксидом , а также определение теплоты сгорания (Qs^daf).

В ряду углей шахт им. Стаханова (Г), Чайкино (Ж), им. Бажанова (К) и «КЗ-1» значения показателя Д составили соответственно 0,92; 0,54; 0,14 и 0,40, а величины Qs^daf - 34,00; 35,20; 35,92 и 34,54 МДж/кг.

Видно, что по величине Д место угля шахты «КЗ-1» - между углями марок Ж и К, а по величине Qs^daf - между углями марок Г и Ж.

В дополнение к показателям V^daf и у, традиционно используемым при составлении шихт для коксования из петрографически однородных (витринизированных) углей Донбасса, в период завоза в Украину больших количеств углей из других бассейнов были разработаны показатели качества, основанные на использовании результатов термогравиметрии и вискозиметрии [8] или только термогравиметрии [9].

По [8] комплексный показатель свойств Δt рассчитывают по формуле:

Δt = t_m-t_з                 (3)

где t_m - температура максимальной скорости убыли массы при нагревании угля в инертной среде в дериватографе, °С;
t_з - температура затвердевания пластической массы в вискозиметре Гизелера.

По [9] относительную потерю массы (ОПМ) в ходе термического разложения угля рассчитывают по формуле:

ОПМ = Δm_400-500 * 100/Δm_400-700                 (4)

где Δm_400-500 и Δm_400-700 - соответственно потеря массы образца в температурных интервалах 400-500 и 400-700 °С, %.

В табл. 3 приведены данные, необходимые для расчетов по ур. (3) и (4), а также значения показателей Δt и ОПМ исследованных углей.

По величине дополнительного показателя Δt = - 23 °С уголь шахты «КЗ-1» близок к углю марки К шахты им. Бажанова, а по показателю ОПМ = 44,6 % - к углю марки Ж шахты Чайкино.

Следует при этом подчеркнуть, что значения обоих дополнительных показателей качества угля шахты «КЗ-1» укладываются в установленные в [8, 9] интервалы рациональных величин: - 20 ≤ Δt ≤ + 5 °С и 44 ≤ ОПМ ≤ 51 %, что подтверждает высокую технологическую ценность этого угля как компонента шихты для коксования и согласуется с высокой оценкой его коксуемости, приведенной в работе[10].

В бывшем СССР был разработан ГОСТ 25543-88 «Классификация по генетическим и технологическим параметрам», в котором каменные угли подразделялись на 15 марок и 21 группу.

В табл. 4 представлены некоторые значения классификационных показателей для углей марки Ж (группа 1Ж) и К (группа 1К, витринитовый) в сопоставлении с фактическими показателями состава и качества угля шахты «КЗ-1», полученными как в данной, так и в выполненной ранее работах [I].

С точки зрения практики составления шихт для коксования следует отметить, что результаты выполненных исследований на примере угля шахты «КЗ-1» показывают, что известные классификации каменных углей по ДСТУ 3472-96 и ГОСТ 25543-88 нуждаются в совершенствовании.

Результаты, представленные в табл.4, позволяют установить семизначный код угля шахты «КЗ-1» по ГОСТ 25543-88, а именно: 1012814, характеризующий его как уголь марки Ж (группа 1Ж) или марки К (группа 1К), т.е. однозначного ответа на вопрос о марочной принадлежности исследованного угля по-прежнему нет.

В научном плане полученные данные отражают неисчерпаемое разнообразие палеоусловий преобразования исходного растительного материала, приводящее к столь же неисчерпаемому разнообразию массовых соотношений элементов и структурных фрагментов в органической массе каменных углей и, следовательно. в их технологических свойствах.

Для более глубокого изучения причинно-следственных связей между составом, строением и технологическими свойствами углей вообще и шахты «КЗ-1» в частности (учитывая большие объемы их добычи, переработки и участия в сырьевой базе коксования Украины) целесообразно использовать специальные методы исследования, более информативные, чем традиционные для углехимии.

Библиографический список

1. Кафтан Ю.С., Дроздник И.Д., Торяник С.С. и др. Технологическая ценность угля шахты «Красноармейская Западная № 1» // Углехимический журнал. - 2002ю - № 3-4. - С. 3-7.

2. Аронов С.Г., Нестеренко Л.Л. Химия твердых горючих ископаемых. - Харьков: Издательство ХГУ. 1960. - 371 с.

3. Гагарин С.Г. Регрессионный анализ состава и свойств мацералов разновосстановленных углей Кузбасса // Кокс и химия. - 1998. - № 2. - С. 2-6.

4. Веселовский В.С. Химическая природа гоючих ископаемых. - М.: Изд. АН СССР, 1955. - С. 423 с.