Petrologia węgla kamiennego na potrzeby geologii górniczej i utylizacji

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: GÓRNICTWO z. 149

_______ 1966 Nr kol. 90Q

Wiesław GABZDYL Politechnika ślęska Oerzy WINNICKI

Główny Instytut Górnictwa

PETROLOGIA WĘGLA KAMIENNEGO NA POTRZEBY GEOLOGII GÓRNICZEO I UTYLIZACOI

Streszczenie. Omówiono metody badawcze stosowane w patrologii węgla, w szczególności przedstawiono metody mikroskopii optycznej i mikrofotometrii refleksyjnej i fluorescencyjnej oraz ich zasto

sowanie do oznaczania składu petrograficznego 1 stopnia uwęglania.

Scharakteryzowano wartość wskaźników genetyczno-petrograficznych dla oceny jakości i przydatności przemysłowej węgla kamiennego.

Na podstawie badań własnych oraz badan przeprowadzonych w ostat

nich latach w kraju i za granicę, przedstawiono możliwości wyko

rzystywania wyników analiz petrologlcznych węgla w:

- klasyfikowaniu genetyczno-przamysłowym węgla kamiennego, - prognozowaniu zmian jakości węgla kamiennego w złożu, - identyfikowaniu i korelowaniu pokładów węgla kamiennego, - rozpoznawaniu naturalnych warunków i zagrożeń eksploatacji, - prognozowaniu i korygowaniu procesów wzbogacanie węgla, - prognozowaniu i korygowaniu procesów przetwórczych węgla.

WSTĘP

Przedmiotem badań patrologii węgla jest kopalna materia węglowa:

- skupiona w pokładach i wkładkach węgla,

- rozproszona w skałach osadowych i metonorficznych.

Wymienione formy występowania materii węglowej sę przedmiotem zainte

resowania geologii i górnictwa.. Geologia górnicza, jako dyscyplina o du

żym aspekcie praktycznym, koncentruje się głównie na pokładach węgla.

Geolog górniczy, odpowiadajęcy za prawidłowość obsługi geologicznej ko

palni węgla kamiennego, winien znać metody i zakres badań patrologii wę

gla, umi e ć’interpretować uzyskane w tej dyscyplinie wyniki badań oraz wy

korzystywać je w górnictwie i przeróbce mechanicznej.

Materia węglowa, przereagowana w różnym stopniu w procesach przetwór

stwa chemicznego, jest przedmiotem badań petrologlcznych dla potrzeb od

biorców i użytkowników węgla kamiennego.

Podstawowymi metodami badań w patrologii węgla Jest mikroskopia op

tyczna i mikrofotometria. Badania mikroskopowe węgla kamiennego prowadzo

na aę prawie wyłęcznla przy użyciu wysokiej Jakości aikroekopów do świa

tła odbitego, zwykło specjalnie wyposażonych przez producenta dla potrzeb

(2)

458 W. Gabzdyl, 3. Winnicki

patrologii węgla. Do badań tych stosuje się doskonale wypolerowane prepa

raty mikroskopowe. Integralnie z mikroskopię optycznę zwięzana Jest mikro- fotometria refleksyjna i fluorescencyjna. Mikroskopia optyczna wraz z mikrofotometrię stały się, na obecnym etapie rozwoju patrologii węgla, netodaml znormalizowanymi w wielu krajach, Jak i w skali międzynarodowej.

Do rozwijających się metod badawczych, mających Jednak znaczenie uzu

pełniające w patrologii węgla, należę:

- mikroskopia elektronowa, - spektrometria,

- dy fr ak to me tr ia, - termograwimetria.

Wyniki badań petrologicznych węgla korelowane są z wynikami rutynowych analiz cheaiczno-technologicznych:

- analizy technicznej,

- analizy składu elementarnego,

- analizy właściwości technologicznych.

W patrologii węgla wykorzystywane są takZe wyniki pomiarów mikrotwar- dości, aikrokruchości, wytrzymałości mechanicznej, szczelinowatości, po

rowatości, gęstości, przewodności elektrycznej i cieplnej oraz innych właściwości fizycznych.

Badania petrologiczne nisko- i średniouwęglonej materii węglowej są w dużym stopniu uzupełniane badaniami natury chemicznej, natomiast materii wyaokouwęglonej, głównie badaniami cech fizycznych.

METODY BADAŃ

Mikroskopie optyczna i mikrofotometria dostarczają podstawowych wyni

ków badań dla patrologii węgla. Głównym zadaniem mikroskopii optycznej i Bikrofotometrii Jest oznaczanie składu petrograficznego węgla i Jego stop

nia uwęglenia. Organicznymi składnikami mikroskopowymi węgla są macerały, tworzące gr u py :

- witrynitu (W),

- egzynitu-liptynitu (E), - inertynitu (I).

Podstawowym założeniem w stosowanej patrologii węgla jest podział petrograficzny, odpowiadający generalnie podziałowi składników (macera- łów) według właściwości chemiczno-technologicznych. Nomenklaturę macera- łów uzupełniają asocjacje oacerełów, występujące w formie mikrolitotypów o określonym] składzie petrograficznym. Nomenklaturę mikroskopową można Z pewnym przybliżeniem korelować z nomenklaturą makroskopową, tj. podzia

łem węgla na lltotypy (tab. 1). Patrologia węgla beda nie tylko eleaen-

(3)

Uproszczona nomenklatura petrograficzna węgla kamiennego

Patrologia węgla kamiennego.. 459

T

ci

2 Vi 0 <"n H

O 0 r- ' c. 0

a U O

%t

^U

o 44 w 4*-» 0 44

J3£

f c ; 0 <rl

a> > . >■ 3 >

o W O

a

H-

u 0

U

^: ^'w

u

>* 3: >

a O O Tl >* U

s a.K 0*N N0 •w 440 0*i

i. O N 2 c N

3 44 0 j O Hf 0

44 •H >* rM 44

O

>

a H rM 0 rM rM

rH -C - a. e 2 -O

C H f-l r-ł r-4 rH

0) 0 0 0 0 0

E f H •H ■H

O O) a> O) CD O)

Z

O'

^av 0» av ®*

2 2 2

> ■ ►

£o Ul r

M

>

-o *M

0 0

>

⁺ ^Ul ^♦ ^H ⁺

rM L.

JÉ 0 > ► UJ M

CL 0 O

> 0 >

44 E 44O

rHO *4

L. 44 >N

>• 44

■H L. -

E D *4 ffl

0 44 44 3 ' > C

CL >* >* 3 44 *4 >■

3 U L i >* • t. i. '

L. 44 . 0 ■H U 0 *4

O) ■H H 3 ' C

0£ 2 44 •o

fi

2

Oa.

o 0o •2

u •o W

4C . rM > ' 4*»

tl 0 V-4 UJ

E L. . *■4 44

O H 44 - -H

0 O O •H 44 C

t- O -O ■ c. •H

3 E E 3* I 44

4-ł >• U i* U

0 0 0 44 N 0

H a •H c

3 *H 2 3 •H

C 1»

0 O) Eo

Z '44

' 44 _ 44

fi

•H vt

.

c

c c 44 44 .. 3*

3- > t< -H L.

U

u.

C C 44

*1 44 44 44 K .3* 4- •44 O

3 44 44 o •Hi 44 U4 44 0 44 N 44 Ti V w rł «H *o C tł H H Tl- •H 3 O C C O 0 c e o >• : C : o c V 1. > > *4 o ’H -H u Ł. >* 3 -H 44 > - H O L u «•-

.1} r-1 »H 44 o 44 n a> a M S 4-4 •* 0 O o ■H a 3 3 H H 3 ) ^ h e C •

* H 3 co ^ z < J U. <0 W Ł Z H

(4)

tarna składniki organiczna, tj. macarały i ich asocjacje, lecz także mine

rały będź asocjacja macerałów z minerałami, tj, karbominaryty (l6j . Badania minerałów łęczę ściśle petrologię węgla z mineralogię i geochemię.

Oznaczania składu petrograficznego węgla należy obecnie do rutynowych analiz, wykonywanych masowo na potrzeby geologii, górnictwa węglowego (w tym przeróbki mechanicznej) i przetwórstwa chemicznego (PN-79/G-04529), Spośród możliwych do praktycznego wykorzystania największe znaczenia w kolejności wykazuję analizy :

Y macerałów,

•^-mikrolitotypów,

-kombinowane (macerałów i mikrolitptypów), - rozmieszczenia minerałów w węglu.

Skład petrograficzny wywiera istotny wpływ na wartość przemysłowę wę

gla, tym większy, im niższy jest stopień uwęglenla [l7] . Najwięcej uwagi przy analizie składu petrograficznego zwraca się na ogólnę zawartość gru

py inertynitu, a ostatnio na zawartość w tej grupie obok składników niereaktywnych także składników półrsaktywnych. Izometamorficzne węgle o różnym składzie petrograficznym mogę wykazywać daleko idęce różnice w właściwościach chemiezno-technologicznych. Skrajnym przypadkiem ilustru- jęcym dobrze wpływ składu petrograficznego sę różnice w właściwościach technologicznych węgla kamiennego ze złóż północnej półkuli (Laurazji) o zawartości średnio 5-20% inertynitu 1 węgla kamiennego ze złóż Gondwany o zawartości średnio 35-80% inertynitu (rys. 1). Wpływ składu petrograficz- nago na właściwości chamiczno-technologiczne węgla zaznacza się bardzo wyraźnie w węglu niskouwęglonyra, mniej wyraźnie w węglu wysokouwęglony®

(rys. 2). W węglu koksowym wzrost zawartości inertynitu powoduje, obok spadku zawartości części lotnych, obniżenie właściwości koksowniczych (rys. 3).

Koniecznym i pilnym zadaniem badawczym w patrologii i chemii węgla jest bliższa rozpoznania właściwości chemiezno-technologicznych i fizycz

nych poszczególnych macerałów, Stan obecny, mimo wykonanych prac w kraju 1 za granicę jest niezadowalajęcy. Trudności występuję w wyodrębnianiu czystych koncentratów macerałów, główni® z mało pod tym względem poznanej grupy inertynitu. Próby w tym kierunku zmiarzaję obecnie do zastosowania metod badań właściwości macerałów bezpośrednio w węglu, bez konieczności ich wysaparowywenia. Na zachowanie się węgla w procesach przetwórczych wpływ®ję także tzw. niemaceralna mikrostruktury węgla, jak morfologia i

forma tkanki roślinnej, szczelinowatość, porowatość, stopień uwęglenla, obecność strukturalnego 1 homogenicznego peeudowltrynitu, nikrobrekcje, specyficzna asocjacje macerałów z minerałami itp. [24]. Obserwacje nie-

«aoaralnych mikrostruktur winny stanowić użupełniania rutynowych analiz macerałów, co może stanowić podstawę do objaśnienia niektórych anomalnych właściwości węgla.

(5)

Patrologia węgla kamiennego...

(6)

Fig. 2. Volatil« >att«r contenta

(vdaf)

in vitrinite, exinite and inter- tlnlte, at varioua degreee of coalification (R°) [3]

Zadaniee aikrofotooetril jest wspomagania mikroskopii optycznej w ozna

czaniu składu petrograficznego na podstawie różnicy w zdolności odbijania światła przez poszczególne macerały (aikrofotometria refleksyjna) i na podstawie właściwości luninescencyjnych, charakterystycznych dla niektó

rych aacerałów (aikrofotometria fluorescencyjna). Głównyn jednak zadaniem aikrofotometrii jest oznaczanie stopnia uwęglenia za pomoce pomiarów śred

niej zdolności odbicia światła witrynitu w imersji (R°) przy długości fa

li 546 na. W całym zakreśla uwęglenia węgla kamiennego stwierdzono zależ

ność pomiędzy zawartośclę części lotnych a zdolnością odbijania światła przez witrynit (telokollnit). Zdolność odbicia światła witrynitu jaet lepezya wśkaZniklem stopnia uwęgiania niZ zawartość części lotnych. gdyZ

(7)

Patrologia węgla kamiennego... 463

Rys. 3. Zależność grubości warstwy plastycznej (Y) i zawartości części lotnych (V^a^) od zawartości fuzynitu w węglu gazowo-koksowym [3]

Fig. 3. Dependence of the thickness of the plastic layer (Y) and the volatile matter contents (Vda*)!of the!fusinite contents in gas - coke

coal (3]

nie zależy od składu petrograficznego. Przykładem ilustrujęcym wyższość wskaźnika R° nad wskaźnikiem (parametrem) jest możliwość rozpozna

wania za jego pomocą mieszanek różnych węgli, przedstawiających np. wę

giel pseudokoksowy, choć wykazujęcy odpowiednią dla węgla koksowego zawar

tość części lotnych (rys. 4). Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że nawet w średniej próbce pokładowej obserwuje się pewien zakres wahań war

tości kjjj witrynitu, widoczny na reflektogramie, charakteryzowany wiel

kością odchylenia standardowego. Przyczyny tych wahań R° maję charakter zwykle genetyczny, a skutkiem mogą być zróżnicowano właściwości chemiczno- technologiczne węgla. Oznaczanie stopnia uwęglenia metodą mlkrofotomstrii refleksyjnej należy obecnie do rutynowych metod w stosowanej'patrologii węgla (PN-79/G-04524), niezbędnych dla właściwej oceny Jakości i przy

datności węgla kamiennego. Obecny rozwój raikrofotometrii refelksyjnej zmierza do pełnej automatyzacji i obiektywizacji wyników pomiarów. Przy

kładem może być wprowadzony w 1S80 r. przez Sergbau Forschung GmbH system TAS (Toxtur-Analyson-System) firmy Leitz, automatyzujący analizy petro

graficzna węgla. Dalszy postęp w tym kierunku stanowi obecny program Coflax firmy Zeiss [59j . W tsn sposób wydaje się kształtować coraz wyraź

niej droga badawcza, zmierzająca do wykorzystywania rsfisktogramów wszyst

kich aacerałów występujących w badanym węglu do charakterystyki jego wła

ściwości.

(8)

464 W. Gabzdyl, :

24.5

25.2

24.2

25.0 w e 8 i e l gazowy ' ttiuty

100’/.

f 1 _chudy

ay. 87%

i .

25 r. 56% 17% 2%

**i *6V tey. U7.** 29%

a J '

#%

1 1”

20%

v j | F

33%

ftr

SI

-..-1 fc— i — X-- Ł_

te u u u u u u 2.0 tx r® t%

40 3 5 “ W ¿ f " 20 « y def „itrynitu , */

i. Winnicki

Rys. 4. Reflsktogresy węgla tłusteg© 1 pseudetłustych [34]

Fig. 4.. Reflectograiss of coking coal and p&eudocoking coals [34j

(9)

W wysokouwęglonym węglu występuje bardzo wyraźna anizotropia optyczna ( A R ) witrynitu, będęca czułym wskaźnikiem zaawansowania zjawi3k katage- netycznych i metamorficznych w złożach. Anizotropia optyczna witrynitu jest odzwierciedlaniem wielkości ciśnienia statycznego, a tym samym pier

wotnej głębokości pogrążenia pokładów węgla [29} .

Duże znaczenie poznawcze i praktyczne w badaniach niskouwęglonego wę

gla kamiennego ma raikrofotometria fluorescencyjna. Podstawowym założe

niem teoretycznym jest stwierdzenia zależności pomiędzy intensywnością fluorescencji egzynitu-liptynitu a zdolnością odbicia światła witrynitu.

Wykazano także współzależność względnej intensywności fluorescencji telo- kolinitu, w znacznie mniejszym stopniu także inertynitu, od maksymalnej zdolności odbicia światła telckolinitu (R^a x » rys. 5). W przeciwieństwie

Rys. 5. Krzywe wzorcowe względnej intensywności fluorescencji (*550) telekolinitu i inertynitu odniesione do średniej maksymalnej refleksyjno-

ści talokolinitu [l^l

Fig. 5. Standard curves of the relative fluorescence intensity of telokollnite and lnertinite versus mean maximum reflectivity of

telokolinite (R*)

(10)

-466 W. Gebzdyl, 3. Winnicki

do monochromatycznej mikrofotometrii refleksyjnej mikrofotometria fluo

rescencyjna pozwala określić większą liczbę parametrów charakteryzują

cych materię węglową, jak:

- intensywność fluorescencji przy określonej długości fali, np. 546 nm

^ 5 46^'

- rozmieszczenie pasm względnego rozdziału intensywności fluorescencji (do opisu spektrum przyjmuje się długość fali max. intensywności ^.m a x ) i iloraz czerwień: zieleń (Q), obliczony z intensywności przy

X*

650 nm i

X*

500 nm,

- alterecję, czyli zmienność intensywności podczas naświetlania przy określonej długości fali, w zależności od czasu.

Pomiary prowadzi się stosujęc długofalowe światło UV (365 nm}, a wzbu

dzona fluairascencja jest mierzona w paśmie o długościach fal od około 400 do około 750 nm. Mikrofotometria fluorescencyjna służy do dokładnego ozna

czenia macerałów grupy egzynitu - liptynitu. Pozwala także oznaczyć sto

pień uwęglenia materii węglowej rozproszonej w skałach, gdy nie występuje w nich witrynit lub gdy występujący witrynit ma charakter pseudowitrynitu lub witrynitu zbituminizowanego.

Metody elektronowe w zastosowaniu do zagadnień petrologii węgle obejmu

ją mikroskopię elektronową transmisyjną (TEM), mikroskopię scenningowę (SEM) oraz badania przy użyciu mikrosondy elektronowej. W transmisyjnej mikroskopii elektronowej stosuje się różne techniki przygotowywania prepa

ratów proszkowych, replik ekstrakcyjnych, matrycowych [3. 37, 38) . Każda ze stosowanych technik umożliwia rozwiązywanie szczegółowych zagadnień petrograficznych, dotyczących morfologii, struktury i genezy składników petrograficznych węgla.

Spektrometria obejmuje szeroki zakres metod i technik, a wśród nich spektrometrię rezonansu jądrowego (NMR) [32] , spektrometrię masową (IMS), spektrometrię w podczerwieni (IR), spektrometrię ramanowskę (62) i inne.

Spektra NMR, uzyskane dla wybranych macerałów wskazują na różnice w budo

wie chemicznej tych macerałów. Obraz spektrów pozwala na wyraźne oddziele

nie wiązań alifatycznych węgla od wiązań aromatycznych. Wykazano w ten sposób,. Ze egzynit jest zbudowany głównie z wiązań alifatycznych, nato

miast inertynit, głównie z wiązań aromatycznych ¡6i] .

Ola zbadania chemizmu macerałów zastosowano także sondę jonową IKS-3F firmy Cameca, która umożliwia analizę cząstek o średnicy < 1 0 ¿ta, które uprzednio są identyfikowane mikroskopowo. Spektra masowe śą najbardziej złoZone w przypadku sporynitu, mniej złożona dla witrynitu

j.

stosunkowo proate dla fuzynltu [58] . Metoda ta rokuje dużą nadzieję na uzyskanie w najbliższym czasie obiektywnych danych o c hemizmiel budowle macerałów.

Wydaje aię. Ze w przyszłości będzis możliwe Identyfikowanie na tej podsta

wie poszczególnych macerałów, występujących-W formie rozprószonej w ska

łach, w przypadkach gdy zawodzi mikroskopia.

(11)

Petrología węgla kamiennego.. 467

Spektrometria w podczerwieni umożliwia m.in. oszacowanie zawartości niektórych elementów strukturalnych, obliczenie współczynnika aromatycz- ności i stosunku wiązań aromatycznych do wiązań alifatycznych [33] ,

Spośród metod dyfrakcyjnych, na potrzeby patrologii węgla, stosowane sę metody elektronograficzne (technika selektywnej dyfrakcji elektronów), metody rentgenograficzne, głównie dyfraktometria rentgenowska, technika proszkowa DSH i metody neutronograficzne. Metody dyfrakcyjne znajduję zastosowanie głównie do badań wysokozmetamorfizowanych węgli. Jak i pro

duktów przemian termicznych węgla. Pozwalaję one określić odległości mię- dzypłaszczyznowe stopień grafityzacji, rozmiary krystalitów, para

metry komórek elementarnych itp. cechy charakteryzujęce fazę krystalicz

ną .

Termograwimetria (TG), łączona z rejestracją szybkości zmian masy prób

ki (DTG) i zmian temperatury próbki wskutek pochłanianej lub wydzielanej energii podczas procesów chemicznych (OTA), znajduje zastosowanie, zwła

szcza do rozwiązywania zagadnień technologicznych węgla jl8] . Urządzenia derywatograficzne mogę być łączone z dodatkowymi, np. z techniką miarecz

kowania potencjometrycznego (TGT), co umożliwia analizę składu chemiczne

go wydzielanych podczas rozkładu termicznego węgla gazów. Metody termo- grawimetrii w badaniach węgls kamiennego polegają obecnie na programowa

nym ogrzewaniu próbek. Na potrzeby praktyki oznacza się tymi metodami dość szybko i z wystarczającą dokładnością takie parametry, Jak zawartość wilgoci, części lotnych, popiołu i inne wskaźniki jakości węgla kamienne

go [45] .

MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA WYNIKÓW BADAŃ W GEOLOGII GÓRNICZEJ I UTYLIZACJI WĘGLA

Wyniki badań patrologii węgla mogą znaleźć zastosowanie w następują

cych głównych kierunkach praktyki górniczej, przeróbki mechanicznej i przetwórstwa:

1) klasyfikowaniu genetyczno-przemysłowyra węgla, 2) prognozowaniu zmian jakości węgla w złożu, 3) identyfikowaniu i korelowaniu pokładów węgla,

4) rozpoznawaniu naturalnych warunków 1 zagrożeń eksploatacji, 5) prognozowaniu i korygowaniu procesów wzbogacania węgla, 6) prognozowaniu i korygowaniu procesów przetwórczych węgla.

Ad 1) W ostatnich latach niektóre kraje wprowadziły nowa klasyfikacje technologiczne węgla, opierając się na wskaźnikach chemicznych 1 gene

tycznych (petrograficznych). Wskaźniki genetyczne wyrażane są zwykle za pomocą stopnia uwęglenia, określanego średnią zdolnością odbicia światła witrynitu (R°) i za pomocą wskaźnika, odzwierciedlającego ekład petro

graficzny węgla (np. zawartości oacerałów grupy inertynitu, I).

(12)

Jednolita dla wszystkich zagłębi węglowych ZSRR klasyfikacja przemy- słowo-genetyczna (GOST 25543-82) uwzględnia wśród wskaźników genetycznych średnią zdolność odbicia światła witrynitu i zawartość tzw. mikrokomponen- tów sfuzynityzowanych ( 2 OK), Wskaźnik średniej zdolności odbicia światła witrynitu przyjęto ponadto do rozgraniczenia węgla kamiennego od węc,la brunatnego (R° » 0,40-0,60%) i węgla kamiennego od antracytu ( rJJ = 2,40%), Szczególne zastosowanie znalazły wskaźniki petrograficzne w klasyfikacji antracytów. Podział antracytów następuje na podstawie anizotropii zdolno

ści odbicia światła ( A R ) , stopnia metamorfizmu określanego za pomocą mikrotwardości oraz składu petrograficznego ( 2 OK). W Polsce obowiązująca klasyfikacja węgla kamiennego wg typów (PN-B2/G-97002) przewiduje niewiel

ką rolę dla wskaźników genetycznych. Jedynie dla węgla ortokoksowego okre

śla się zawartość inertynitu, Jako parametru alternatywnego dla wskaźnika wolnego wydymania (SI).

Projekt nowej międzynarodowej klasyfikacji węgla o niskim i średnim stopniu uwęglenia [l7] przewiduje, obok chemiczno-technologicznych para

metrów klasyfikacyjnych, także parametry genetyczno-petrograficzne , tj.

średnią zdolność odbicia światła witrynitu, charakterystykę reflektogramu uwzględniającą odchylenie standardowe, Ilość luk i pików, a ponadto za

wartość inertynitu. Wskaźniki chemiczne i genetyczne, odpowiednio zakodo

wane, tworzą symbole (numery) kodowe węgla.

Niezależność wskaźnika R° od składu petrograficznego pozwala na wy

kazanie rzeczywistego zróżnicowania stopnia uwęglenia zarówno w złożu.

Jak i w węglu handlowym czy też w mieszankach węglowych. Naukowa 1 prak

tyczna wartość tego wskaźnika Jako kryterium podziału węgla na klasy wg stopnia uwęglenia, jak i kryterium oceny wartości przemysłowej węgla jest niewątpliwa.

Wiarygodność tego wskaźnika jest tym większa, im doskonalsze są urzą

dzenia i preparaty stosowane do jego pomiarów oraz im kwalifikacje i do

świadczenie analityków w badaniach petrograficznych węgli z różnych za

głębi są większe.

Wykazywanie wpływu składu petrograficznego węgla na Jego zachowanie się w procesach technologicznych, zwłaszcza takich. Jak koksowanie, zga- zowanie, upłynnianie i inne, jedynie na podstawie zawartości inertynitu, jest zwykle niewystarczające. Obowiązująca dotychczas zasada, że macerały reaktywne węgli izometamorficznych oraz macerały inertynitu z węgli poli- metamorficznych winny wykazywać takie same właściwości technologiczne, w wielu przypadkach się nie sprawdza. Rodzaj wyjściowego materiału węglo- twórczego, warunki facjalne i geochemiczne środowiska mogą powodować, że np. macerały grupy witrynitu będą wykazywać przy tym samym stopniu uwę

glenia znaczne różnice technologiczne, m.in. wyraźnie różną spiekalność.

Innym przykładem Jest wysokoinertynitowy węgiel koksowy z niektórych złóż ROW, wykazujący mimo to wysoką spiekslność, co może świadczyć o nieinert- nym charakterze niektórych macsrałów, uważanych dotąd za niespiekające

(13)

względnie za niereaktyWne. Wpływ domieszek mineralnych obecnych w węglu nie Jest uwzględniany w klasyfikacjach genetyczno-przemysłowych. Szcze

gólnego znaczenia nabiera analiza rodzaju i sposobu występowania domie- szak mineralnych w węglu przeznaczonym do upłynniania, zwłaszcza analiza w aspekcie katalitycznego wpływu. Jaki mogę wywierać niektóre minerały na konwersję. Prawidłowa interpretacja analiz składu petrograficznego pod kętem utylizacji wymaga kontynuacji metodami bezpośrednimi i pośrednimi analiz właściwości cheniczno-technologicznych macerałów, ich asocjacji (mikrolitotypów) i zrostów macerałów z minerałami (karbominerytów),

Ad 2) Prognozowanie zmian jakości węgla w złożu ma na celu właściwę gospodarkę zasobami węgla wg Jago zróżnicowanej przydatności oraz kiero

wanie eksploatację w zakresie zapewnienia równomierności jakości wydoby

wanego węgla. Podstawę do prognozowania zmian jakości węgla w złożu sta

nowię mapy uwęglenia (metamorfizmu) oraz mapy składu petrograficznego, opracowywane dła poszczególnych pokładów węgla lub poziomów wydobywczych kopalni. Mapy takie umożliwiaję ponadto rozwięzywanie zagadnień złożowych, dotyczęcych genezy, tektoniki, geotermiki itp.

Przy opracowywaniu map metamorflzmu coraz większę uwagę przywięzuje się, w miejsce dotychczas stosowanych izowoli (Vd a f ), do izoplet (R°).

Intsgralnę częścię obrazu metamorfizmu winny być mapy występowania typ technologicznych węgla, które - jak wiadomo - nia sę dobrym odzwiercie

dleniem stopnia metamorfizmu, ale określaję znormalizowanę jakość i przy

datność węgla. Typy 35 i 37, występujęce np. w niektórych złożach ROW, wykazuję ten sam stopień metamorfizmu, jeśli wyrazić go średnię zdolno- śclę odbicia światła ¡46] . Wybór sposobu przedstawiania na mapach składu petrograficznego zależy w dużym stopniu od kierunków użytkowania węgla.

Ola koksownictwa interesujęca jest % zawartość inertynitu. W warunkach kopalnianych łatwe do sporzędzania i aktualizacji sę mapy zawartości li- totypów, np. zawartości węgla błyszczęcego (vitrain wg nomsnklatury ICCP).

W złożach węgla koksowego konieczne Jest wyznaczenie granicy strefy zwietrzenia, a w przypadku złóż ze zjawiskami termicznymi - okonturowania zasobów, w których zanikła spiekalność węgla. Metody petrograficzne umoż

liwiają szybsze i pewniejsze wyznaczenie takich konturów niż tradycyjne metody chemiczne.

Wyniki badań patrologii węgla pozwaleję odtworzyć pierwotne warunki genetyczne węgla. Badania nad genezę pokładów węgla wymagaję kompleksu badań specjalistycznych, które umożliwiaję rozpoznanie facji paleótorfo- wisk, warunków geochemicznych, hydrogeologicznych, paleógeograficżnych, klimatycznych itp. Punktem wyjściowym jest właściwy opis makroskopowy profilu pokładów i skał otaczajęcych. w możliwie jak największej ilości punktów złoża. Badania laboratoryjne obejmuję oznaczenia rodzaju i na

stępstwa typów genetycznych węgla w złożu oraz ich właściwości chemicz

nych i fizycznych.

(14)

Przy interpretacji zagadnień tektonicznych w oparciu o mapy metamor- flzuu zakłada się. że na takiej samej głębokości pokłady występujęce w synklinach wykazuję niższy, a w antyklinach wyższy stopień uwęglenla.

W otworach wiertniczych można przy tym założeniu wykazeć występowanie uskoków o zrzutach

>

100 m. Zmniejszenie się w sposób nagły stopnia uwę- glenia w otworze wiertniczym może wskazywać na występowanie nasunięcia, a nagły wzrost na występowanie uskoku normalnego. Nagły wzroet anizotro

pii optycznej węgla w profilu otworu wiertniczego może wskazywać na wy

stępowania silnia zaangażowanej tektonicznie strefy złożowej. Badania Zdolności odbicia światła witrynitu pozwalaję ustalić współzalażność wie- kowę metamorfizmu i struktur tektonicznych. Odrębne zagadnienie stanowi analiza mikrospękań dla rozpoznawania tektoniki złóż.

AnaliZy regionalnych zmian stopnia i gradientu uwęglenla mogę stano

wić, obok danych geofizycznych, podstawę interpretacji zagadnień geoter

micznych, występowania ciał intruzywnych, ich wieku 1 czasu stygnięcia oraz wielkości paleotemperatur.

Ad 3) Identyfikowanie i korelowania pokładów węgla, w oparciu o bada

nia patrologiczne, Jest zależna od typu genetycznego, wieku i tektoniki złóż. Metody patrologii węgla stanowię Jednak jedynie uzupełnienie innych metod. Znaczenie korelacyjne mogę mieć cechy litologiczne pokładów. Jak grubość, budowa, strop i spęg, przerosty tonsztajnów, ławice sspropali- tów, konkrecje itp. Cechy te zachowuję jednak zwykle swoję stałość na nieznacznych odległościach. Największę wartość maję przerosty tonsztaj

nów. Znaczenie praktyczne mogę mieć odpowiednio sporzędzona i interpreto

wane profile pokładów węgla w formie krzywych facjalnych. Poszczególna litotypy odzwiarciedlaję bowiem kolejna fazy tworzenia się pokładu. Krzy

wa facjalne pokładów przedstawiaję wahenia dna basenu sedymentacyjnego i szybkość następujęcych zmian akumulacji fytogenicznej. Zasadę Jast przy- porzędkowanle litotypów do określonych warunków wodnych paleotorfowiska.

Kolejność litotypów wg wzrastajęcego zawodnienia przy ich formowaniu jest następujęcai węgiel włóknisty, węgiel błyszczęcy, węgiel półbłyszczęcy, węgiel matowy (53) .

Metody mikroskopowa mogę sieć zastosowanie nie tylko odnośnie do po

kładów węgla, lecz także do serii węglonośnych 1 to w skali regionalnej.

Dotyczę ona określania zawartości macerałów w pokładach lub więzkach pokładów, a niekiedy w poszczególnych ławicach pokładów. Wykorzystuje się- także sposób rozmieszczania 1 budowę eikrolitotypów w pokładzie (tzw.

Stratyfikacja pokładu), charakterystykę wyjściowego materiału roślinnego oraz poziomy nagromadzania niektórych macerałów, jak np. aklerotynitu, korpokollnitu, kutynitu itp. j&d| . Trwałę przydatność korelacyjnę uzyska

ły od dawna badania eporynitu (palinologia).

W

pracach korelacyjnych próbuje się, choć z różnym skutkiem, wykorzystywać jako elementy przewod

nia niektóra parametry właściwości chemiezno-technologicznych, koncentra

cje pierwiastków śladowych 1 rozproszonych, minerały ciężkie itp.

(15)

Petrología węgla kamiennego.. 471

Cechy petrograficzne pokładów węgla winny być systematycznie i szczegóło

wo rozpoznawane w poszczególnych złożach, pod kętem ich ewentualnej przy

datności do identyfikacji pokładów węgla i korelacji serii złożowych.

Możliwość i wiarygodność korelacyjnych cech petrograficznych jeet bowiem zależna od szczegółowych warunków geologicznych złóż węgla.

Ad 4) Rozpoznawanie naturalnych warunków i zagrożeń występujących w trakcie eksploatacji wymaga dobrej znajomości istoty procesów górniczych.

Przy urabianiu patrologia je6t przydatna do rozpoznawania nadzwyczajnej twardości węgla, gdy przyczynę jest obecność węgla włóknistego lub zmine- ralizowanego. Duże znaczenie dla górnictwa maję - jak wiadomo - wyniki pomiarów systemów spękań w pokładach, jak i badania mikroskopowe szczeli

nowatości. Na wytrzymałość mechanicznę węgla może silnie wpływać skład petrograficzny. Przy niskim stopniu uwęglenla (węgiel typów 31 i 32) witrynit, semifuzynit i mikrynit wpływaję na wzrost wytrzymałości mecha

nicznej węgla nadajęc mu właściwości sprężystoplastyczne, utrudniajęce urabianie. Przy średnim stopniu uwęglenia (węgiel koksowy) witrynit 1 semifuzynit osłabiaję zwięzłość i wytrzymałość mechanicznę węgla, wskutek czego staje się on łatwo urabialny. Ważnym problemem górnictwa jest uzys

kiwanie odpowiedniego składu granulometrycznago urobku. Wielkość ziarn zależy nie tylko od rodzaju maszyn i urzędzeń do urabiania, ładowania i transportu, lecz także od struktury pokładów i systemu kliważu. Badnia petrograficzne dotyczę w tym zakresie określenia budowy petrograficznej pokładów, stopnia uwęglenla, mikrotwardości i mikrokruchości węgla. Podob

ny zakres badań wykonuje się dla określenia reprezentatywności rdzeni wiertniczych.

Niekonwencjonalne metody eksploatacji złóż węgla, do których należy metoda podziemnego zgazowania węgla, wymagaję przeprowadzenia wszechstron

nych i wnikliwych badań petrograficznych. Dotyczę one szczelinowatości (naturalnej i hydraulicznej), porowatości, powierzchni wewnętrznej, utla- hlalności i podatności do samozapalności. Czynniki te w znacznym stopniu sę uzależnione od atopnia uwęglenla. Dalszy zakres badań petrograficznych dla metody gazyfikacji węgla in situ dotyczy przebiegu 1 produktów karbo- nlzacji oraz wpływu katalitycznego minerałów na konwersję. Jak i kształ

towanie się bilansu cieplnego 1 gazowego. Najbardziej aktywnę w procesie zgazowania (także w procesie spalania) Jest granica fazowa macarał-mina- rał, która odgrywa Jakby rplę lontu. Zminerallzowany fuzynit i zailony witrynit palę się szybciej niż macarały czyste [2, 4i] .

Rozpoznawanie naturalnych predyspozycji do występienia zagrożeń przy eksploatacji wymaga wykorzystania wyników badań petrograficznych. Szcze

gólnie niezbędne sę badania petrologiczne zjawisk wyrzutów węgla i gazu, samozapalności węgla i tępań pokładowych. Badania petrologiczne tych zjawisk maję charakter badań uzupełniaJęcych, a interpretacja wyników winna uwzględniać warunki stosowanych technik i technologii górniczych i organizację robót górniczych.

(16)

Zakres badań petrologicznych przy prognozowaniu i rozpoznawaniu natury zjawisk wyrzutów węgla i gazu obejmuje określenie:

- typu genetycznego, kierunków, charakteru powierzchni i gęstości pła

szczyzn endo- i egzokliważu, a takie treści mineralnej, wypełniajęcej szczeliny kliważowe,

- stopnia mylonityzacji, tj. stopnia zniszczenia makro- i mikrostruktury pokładów, na podstawie enalizy przebiegu uławicenla i pasemkowości wę

gla, sposobu ułożenia soczewek węgla włóknistego i minerałów ilastych w stosunku do ułożenia litotypów, zmiany połysku węgla po rozcięgłości itp..

- budowy petrograficznej pokładów w oparciu o analizę kombinowanę i cha

rakterystykę “niemaceralnych mikrostruktur", jak obecności mikroporowa- tego kolinitu, pseudowitrynitu itp.

Dysponujęc wymienionymi danymi petrograficznymi można prognozować wy

stępowanie pokładów lub ich partii o największej naturalnej skłonności do występienia nagłych wyrzutów.

Naturalna skłonność węgla do samozapalności występuje najwyraźniej przy niskim stopniu uwęglenla, odpowiedniej strukturze i budowie petro

graficznej pokładów. Podstawę do prognoz stanowię ilościowe i jakościowe analizy macerałów oraz znajomość predyspozycji macerałów do utleniania.

Zwraca się uwagę na stopień zachowania i zmineralizowania struktur tkan

kowych, głównie w fuzynicie i semifuzynicle oraz na udział w węglu naj

bardziej podatnego na utlenianie witrynitu ¡36] . Sprzyjajęcym czynnikiem jest ponadto silnie rozwinięta szczelinowatość, ułatwiajęca kruszenie się węgla in situ pod wpływem ciśnienia, co ułatwia następnie dopływ powie

trza do masy witrynitowej i Jej utlenianie [li] . Uważa się ponadto, w świetle dotychczasowych badań, że najbardziej skłonne do samozapalności sę pokłady zawierajęce grube i liczne pasemka węgla błyszczęcego. Nie

jasny Jest dotychczas wpływ substancji mineralnej, zwłaszcza siarczków (pirytu, markasytui melnikowitu), na samozapalność węgla. Badania petrologiczne zjawisk samozapalności winny być przeprowadzane odrębnie dla każdego złoża.

W pracach badawczych nad profilaktykę tępań pokładowych uwzględnia się niekiedy charakterystykę budowy petrograficznej, jako podstawy do okreś

lania wskaźnika naturalnej skłonności węgla do tępań [43] . Naturalna skłonność węgla do -tępań zależy tylko w pewnej mierze od Jego budowy petrograficznej, która może sprzyjać gromadzeniu się dużej energii sprę

żystej i nagłemu Jej wyzwoleniu w chwili przekroczenia wytrzymałości me

chanicznej na ściskanie. Małe zróżnicowanie budowy petrograficznej po

kładu, przy wysokiej zawartości substancji mineralnej, może wzmagać skłonność do tępań.

Ad 5) Znaczna możliwości wykorzystania wyników badań petrografii węgla atwarzaję procesy wzbogacania mechanicznego. Stosowania wyników badań

(17)

petrografii węgla w przeróbce mechanicznej ma w Polsce wieloletnię trady

cję, zapoczątkowaną przez T. Laskowskiego.

Skład petrograficzny poszczególnych sortymentów zależy głównie od makrostruktury urabianego pokładu. Węgiel z pokładów o budowie drobno- pasemkowej wykazuje niezależnie od grupy sortymentów podobny skład mace

rałów i mikrolitotypów. Gdy w pokładzie występują jedna lub więcej ławic węgla matowego, będzie się on koncentrował w grubszych sortymentach.

Ławice węgla błyszczącego zwiększają udział drobnych sortymdntów, w tym miałów. Soczewki niezmineralizowanego węgla włóknistego wykazuję tenden

cję do koncentrowania się w pyle kopalnianym. Analiza zmienności litolo

gicznej eksploatowanych pokładów może dać orientacyjną dla zakładu prze

róbczego prognozę składu granulometrycznego.

Wykorzystywanie metod petrografii węgla do rozwiązywania praktycznych zagadnień przeróbczych Jest możliwe i celowe w przypadkach:

- oceny możliwości zwiększenia wychodu koncentratu poprzez zmniejszenie wielkości ziarn.

- oceny możliwości usunięcia do pożądanej zawartości minerałów,

- określenia przyczyn nadzwyczajnego zachowania się węgla w procesie wzbo

gacania lub uzyskiwania niezadowalającego wychodu produktów wzbogaca

nia

- doboru węgla do produkcji wyrobów z węgla i grafitu, wymagających ogra

niczenia zawartości popiołu do < 1%.

Rozwiązywanie wymienionych zagadnień wymaga przeprowadzenia analizy rozmieszczenia minerałów w węglu. Prognozowanie wzbogacalności metodami petrografii węgla opiera się na wynikach badań mikroskopowych składu, formy i charakteru rozmieszczenia domieszek mineralnych w węglu [26] . Metody petrograficzne wykazuję dużą przydatność przy ocenie wzbogacalno

ści węgla na etapie prac geologiczno-poszukiwawczych i rozpoznawczych, gdy dysponuje się jedynie niewielkimi próbkami. Podstawę oceny wzbogacal

ności węgla w oparciu o rdzenie wiertnicze Je3t oznaczenie udziału ilo

ściowego mikrolitotypów o różnej zawartości inertynitu. zrostków mineral- no-węglowych oraz wolnych minerałów i skał. Z uzyskanych danych wylicza się wychód i popielność koncentratu, produktu przejściowego 1 odpacjw.

Znane sę także metody petrograficzne prognozowania i interpretowania wyników f lotowalności węgla [47] , Podstawę je3t analiza pstrograf iczna, uwzględniająca podział składników węgla na grupę wpływającą na hydrofo- bowość węgla i grupę wpływającą na hydrofilność węgla. Domieszki mineral

ne i ziarna węgla utlenionego wykazuję hydrofilność, powodującą ich przej

ście do odpadów. Niezmineralizowane i nieutlenlone ziarna węglowe flotuję się łatwo. Stopień uwęglenla i duża zawartość minerałów ilastych sę czyn

nikami mogącymi wpływać negatywnie na pńoces flotacji, choć wpływ ten może być koi ygowany przez zastosowanie odpowiednich odczynników flotacyj

nych. Maksymalną hydrofobowość wykazuje witrynit o stopniu uwęglenla około 1,5% R° (około 89% c£a f ). Podobnie jak przy ocenie wzbogacalności

(18)

węgla także i w tej metodzie można prognozować wychód i popielność produk

tów flotacji.

Podstaowymi badaniami dla określenia możliwości wydzielenia pirytu z węgla i utylizacji wydzielonych pirytów sę badania petrograficzne nad rozmieszczeniem minerałów siarczkowych. Możliwości obniżenia zawartości siarki w koncentracie poprzez skoncentrowanie pirytu w odpadach sę tym większe, im większa Jest wielkość ziarn pirytu w zrostkach ziarn węglo

wych, Mikroskopowo oznacza się zawartość ziarn pirytu, ziarn wzbogaconych w piryt, ziarn ubogich w piryt i ziarn bezplrytowych. Oeśli w węglu prze

waża udział ziarn pirytu i ziarn wzbogaconych w piryt, możn8 stosunkowo łatwo obniZyć zawartość siarki w węglu. Bardzo trudna jest natomiast ob

niżenie zawartości siarki w węglu, w którym występuję skupienie kon- krecyjne, z dyspersyjnie rozmieszczonym w ,nich pirytem.

Ad 6) W przygotowywaniu wsadu węglowego do procesu koksowania istotnę rolę odgrywa dobór w mieszankach węgli, uzupełniających się wzajemnie własnościami koksotwórczymi ich składników petrograficznych. Obok pow

szechnie znanych tendencji uwzględniania w kompozycjach węgli bogatych w aktywne macerały grupy witrynitu i egzynitu ważnym i dyskusyjnym staje się problem zawartości 1 składu macerałowego inertynitu. Problem dużych koncentracji inertynitu w niektórych polskich węglach stał się aktualny wraz z rozpowszechnianiem formy zasypowej przy nawęglaniu baterii kokso

wniczych, która wymaga stosowania mieszanek o wyższych parametrach kokso

wniczych [35} .

Specyfikę krajowej bazy surowcowej jest deficyt węgli R° « 1,2-1,6%, co wynika ze struktury zasobów węgla kamiennego. Węgiel z wysoką zawar

tością inertynitu, charakterystyczny dotychczas głównie dla kopalń eks

ploatujących pokłady grupy 500, występuje także w szeregu kopalń wydo

bywających węgiel z pokładów grup 300, 400, 600 i 700. Stwierdzono czę

ste przypadki występowania inertynitu w ilości 30 do 50% oraz to, że skala udziału inertynitu w krajowych węglach typowanych do produkcji kok

su jest tak duża, żs staja się istotnę cechę bazy zasobowej [12] .

Chemiczna i fizyczna struktura macerałów decyduje o ich zróżnicowanym zachowaniu podczas ogrzewania, a następnie karbonizacji, a ich odporność termiczna układa się według szeregu; egzynit— » witrynit— »semifuzynit mikrynit— *■ fuzynit. W tej kolejności i kierunku wzrasta również zdol

ność odbicia światła macerałów konkretnego węgla.

O ile role macerałów grupy witrynitu i egzynitu w procesie koksotwór- czym jest znana, to rola inertynitu jest bardziej dyskusyjna i złożona.

Część macerałów tej grupy, jak mikrynit, jest Jedynie obojętna, natomiast fuzynit oddziałuje zwykle szkodliwie. Część macerałów uważanych za inart- ne, jak semifuzynit i makrynit, charakteryzuje się stosunkowo niską refleksyjnościę i pewną reaktywnością w tworzeniu się fazy plastycznej.

Semifuzynit i pseudowitrynit, posiadające reflekeyjność o około 0,3%

niższą od zdolności odbicia światła witrynitu danego węgla, eą składnika

(19)

mi reaktywnymi w procesie koksowania i za takie powinny być uważane w me

todach prognozowania jakości koksu {4, 54] .

Wysoka Zawartość inertynitu wpływa w 3pcsób różnorodny na jakość kok

su, zależnie od stopnia uwęglania oraz sposobu współwystępowania macera- łów tej grupy z resztę składników węgla, także z substancję mineralną.

Ważna Jest nie tyle sumaryczna zawartość inertynitu, lecz także udział w nim poszczególnych mikrokomponentów. Szczegółowo wpływ ten nie został dotychczas przebadany.

Zależność pomiędzy składem petrograficznym węgla wsadowego i własno

ściami mechanicznymi otrzymanych koksów były badane wielokrotnie dla wę

gli pokładowych, urobków kopalń i zagłębi charakteryzujących się niemal wyłącznie stosunkowo niską zawartością inertynitu. Katody prognozowania jakości koksu dla nich opracowane [39] nia mają znaczenia uniwersalnego w odniesieniu do niektórych innych węgli, w tym polskich [lO, 42] . Roz

powszechnione poglądy, żs około 70% zawartego w inartynicia semifuzynitu jest inertne podczas koksowania, także nie znajduje potwierdzenia w prak

tyce. Krajowe badania wykazały. Ze węgle zawierające 30-60% inertynitu w postaci bardzo drobnych ziarn wykazują podczas koksowania własności porównywalne z węglami zawierającymi 20-30% gruboziarnistych form iner

tynitu.

Uważa się. Ze dla każdego węgla istnieje optymalna zawartość lnertyni- tu, przy której otrzymuje się koks o najwyższych parametrach wytrzymało

ściowych. Według badań japońskich, dla pojedynczych węgli w odpowiednich przedziałach zmetamorfizowania, otrzymuje się najlepszy koks przy zawar

tościach inertynitu:

- dla węgli o < 0,8% przy 15% inertynitu, - dla węgli o R° ~ 0,9 przy 15-20% inertynitu, - dla węgli o 1,0 przy 20-30% inertynitu,

- dla węgli o > 1 , 2 stwierdza się nieznaczny wpływ wahań zawartości.

inertynitu,

W Polsce stosuje się mieszanki wsadowe charakteryzujące się stosunko

wo niskimi wartościami < 1 , 1 % i wyżej wzmiankowany wpływ^inertynitu trudno stwierdzić, także dlatego. Ze jak wykazała praktyka, wszystkie węgle z zawartością inertynitu > 25-30% w stosowanej technologii koksowa

nia pogarszają jakość koksu.

Zależność koksOtwórczych własności węgla od zawartości inertynitu nie Jest zależnością liniową. Wynika ona ze zmiennej reaktywności pozostałych raacerałów, a głównie za zmiennej zawartości częściowo tylko inertnego semifuzynitu. W badaniach GIG nad węglami górnośląskimi stwierdzono, żs występują w nich często węgls o wysokich własnościach kokaotwórczych przy równocześnie wysokiej zawartości inertynitu. Wysoka zawartość reak

tywnego semifuzynitu tłumaczy osiągane stosunkowo wysokie wartości para

metrów koksowniczych [42] .

(20)

Wybór węgli do zgazowania i zakres badań petrograficznych nadawy węglo

wej zależę od stosowanego rodzaju procesu zgazowania i oczekiwanych pro

duktów.

Rozwinięto dotychczas trzy zasadnicze, konwencjonalne procesy zgazowa- nie, tzn. takie, w których ciepło zgazowania pochodzi z częściowego spale

nia węgla. Sę to procesy Winklera i Koppersa-Totzka, które przebiegają w ciśnieniu atmosferycznym oraz Lurgi, który jest procesem wysokociśnienio

wym. Wszystkie trzy mogę być stosowane do wytwarzania gazu syntezowego, przy czym w procesie Lurgi można otrzymać gsz o najwyższej zawartości metanu. Inne metody, mniej rozpowszechnione, wymagają dostarczenia cie

pła z zewnętrz, z innego źródła jak spalanie węgla i są bardziej energo

chłonne i mało ekonomiczne Konwersja do gazu syntezowego w obecności katalizatorów wykorzystuje głównie reakcję CO + H^O » C02 + H2 i powoduje, zależnie od technologii, zmieny w stosunku H2 :CG, w produkowanym gazie dis różnych potrzeb. Przy Hg i COg, jak 3:1, uzyskuje się gaz do procesu aatanowania i produkcji naturalnego gazu syntezowego, 2:1 do produkcji metanolu oraz 2:1 do 1:1 do procesu Fishara-Tropscha syntezy paliw ciekłych.

W procesie Kopperea-Totzka zgazowuje się węgle różnych typów, lecz nie Jest on ekonomicznym przy zbyt dużym zapopieleniu węgla (A** > 25%),

Według tego systemu ma przebiegać zgazowania węgla z KWK 'Danina'' w pilotowym zakładzie w Libiężu.

Proces Winklera służy teoretycznie do zgazowania węgli brunatnych i słabiej uwęglonych kamiennych, przy założeniu że nie sę one spiekajęce (SI < 5), a zawartość popiołu wynosi < 35%. Najlepsze wyniki osięga się jednak przy zgazowaniu tę metodę węgli brunatnych ¡V].

Wszystkie czynne zakłady Lurgi zgazowuję węgiel sortymentowy, w sto

sunkowo węskich klasach ziarnowych - węgiel kamienny, odpowiadajęcy typom 31-33, choć teoretycznie możliwy Jest szerszy zakres zmetamorfizowania.

Wszystkie trzy procesy sę przystosowane do ueuwsnia z gazu związków siarki, co podraża koszty produkcji, zwłaszcza gdy przewidziane jest uzyskiwanie niekostarkowego gazu syntezowego, np. do produkcji metanolu

Badania petrograficzne i mineralogiczne węgli przeznaczonych do zgazo

wania uzależnione sę od powyższych uwarunkowań, zawsze sę jednak ukie

runkowane na badanie składników aktywnych grupy witrynitu i egzynitu decydujących o reaktywności,której ilościowę miarę Jest zdolność węgla do wchodzenia w reakcję z medium zgazowujęcym, najczęściej w postaci popiro- łitycznego koksiku wobec COg {49].

miaru częstek oraz warunków pirolizy, prowadzącej przy danym składzie petrograficznym do wytworzenia koksiku, W określonej atmosferze gazowej przy niższych temperaturach pirolizy 1 krótszych czasach przebywania częstek w temperaturze pirolizy, recktywność jest wyższa dla koksików

(21)

petrología węgla kamiennego... 477

otrzymanych z węgli o nizszyra stopniu uwęglenia. Czynnikami, które deter

minuję wysokę reaktywność węgli, tzn. powstałych z nich koksików, są [so] : - porowata struktura, ułatwiająca dostęp mediów zgazowujących do aktyw

nych centrów,

- wysokie stężenie aktywnych centrów,

- aktywność katalityczna obecnych w koksiku związków nieorganicznych, a więc substancji mineralnej węgla oraz towarzyszących jej pierwiastków śladowych.

W związku z tym w badaniach reaktywności, stosowanych przy sprawdzaniu przydatności węgla do procesu zgazowania, trzeba sprecyzować takie para

metry fizykalne, jak: granulacja koksiku, szybkość pirolizy, maksymalna temperatura pirolizy itp. Pomimo znajomości ich wpływu na oznaczenia, wy

magane sę Jeszcze systematyczne badania dotyczące Zależności reaktywno

ści od budowy petrograflczno-chemicznej węgli.

Z dotychczasowych doświadczeń z kompleksowych badań wykonanych dla węgli KWK -Danina" i KWK "Siersza” wynika, że odznaczają się ona wysoką reaktywnością, a ponadto ¡25| :

- różnice wartości reaktywności są niewielkie, lecz węg.al z K<VK "Siersza"

Je3t nieco bardziej reaktywny,

- częściowa demineralizacja powoduje znaczny spadek reaktywności w sto

sunku do próbek naturalnych, co oznacza, że zawarta w węglach substan

cja mineralna ma bardzo duży wpływ na reaktywność. Różnice w reaktywno

ści wynikają raczej z odmiennego składu substancji mineralnej, mniej z różnic w budowie substancji organicznej,

- spośród składników substancji mineralnej węgla KWK "Danina" wysoką reaktywność determinują głównie związki sodu i wapnia; wszystkie próbki wysokoreaktywne odznaczały się wysoką zawartością Ca i Na . Przypu

szcza się, że wapń oddziałuje katalitycznie występując w związkach metaloorganicznych. Sód występując w skaleniach przeobraża się w wyż

szych temperaturach w węglan sodowy, znany z dużej aktywności katali

tycznej (52) ,

- w przypadku bardziej reaktywnych węgli KWK "Siersza“ trudniej jest wyodrębnić mineralne składniki stymulujące proces. Są to najprawdopo

dobniej związki potasu i magnezu, węgiel ten zawdzięcza swą wysoką reaktywność wielu składnikom substancji mineralnej, świadczy o tym dobra korelacja między reaktywnością a sumaryczną ilością związków K, Ca i Mg.

W procesie-upłynniania węgla stosuje się węgle brunatne i kamienne o R° » 0,30-0,95%, o możliwie niskiej zawartości macerałów grupy inartyni- tu (< 10%) i niskiej zawartości domieszek mineralnych (A < 10%).

W składzie elementarnym upłynnianych węgli notuje eię C *" » 68-85%, Hd*ł 5% oraz stosunek atomowy H/C > 0,80 (28 , 3o] .

(22)

Ni* każdy węgiel spełniający powyższe ogólne warunki daje się aktywnie upłynnić, co świadczy o złożoności procesu i konieczności uwzględniania wyników szeregu szczegółowych badań, w tyra własności petrograficznych składników organicznych i mineralnych ¡20 , 21, 23 , 56] .

Badania nad wpływem składu petrograficznego na wyehód ciekłych produk

tów uwodornienia wykazuję, że konwersja substancji organicznej jest wprost proporcjonalna do zawartości sumy raacerałów reaktywnych, tzn. grup witrynitu i egzynitu lub odwrotnie proporcjonalna do zawartości sfuzynityzowanych składników ¡21, 31, 40} . Przypadki nie potwierdzające -reguły , że konwersja zależna jest od udziału w nadawie macerałćw reaktywnych, tłumaczy się wpływem ilości, składu i sposobu rozmieszczenia domieszek mineralnych, a także udziałem niektórych pierwiastków śladowych.

W zwięzku z tym reaktywność składników petrograficznych na uwodornienie zaleca się badać w próbkach węgli zdemineralizowanych.

Nie wszystkie macerały zaliczane do reaktywnych oddziałuję jednakowo w procesie uwodornienia, a zróżnicowanie jest tyra większe, im niższy jest stopień uwęglenia. Mlkrynit, choć składnik inertynitu, uważa się obecnie za reaktywny. Pseudowltrynit wykazuje często wyższę podatność na uwodor

nienie od witrynitu. Rezynit jest najbardziej reaktywny, podczas gdy spory.nit Jest nawet mniej reaktywny od macerałów grupy witrynitu tego samego węgle.

Macerały grupy egzynitu wyróżniają się podwyższoną zawartością wodoru i wyższym udziałem wodoru w strukturach alifatycznych, a także niskim stopniem skondensowania związków aromatycznych. Fuzynit odwrotnie, wyka

zuje znacznie wyższe zawartości węgla aroraetycznego i wyższy stopień skondensowania jąder aromatycznych niż witrynit tego samego węgla.

W analizie chemicznej macerałów, którą zaleca eię wykonywać dla węgli przeznaczonych do upłynniania, uwidacznia eię wyraźnie zróżnicowanie ilo

ściowych stosunków C, H i O, wiązań chemicznych, grup funkcyjnych i rodni

ków, nie tylko pomiędzy grupami macerałów, ale także pomiędzy macerełami tej samej grupy. Wydzielanie koncentratów macerałów w czystej formie do badań stanowi trudny problem techniczny [j.4] .

W badaniach autoklawowych uwodornienia i w instalacjach przepływowych stwierdzono, że rozpuszczalność witrynitu w modelowych rozpuszczalnikach zależy od Jego stopnia uwęglenia. Koncentracja wolnych rodników, których rola w procesie upłynniania węgla Jest również bardzo istotna, zależy od stopnia zmetamorfizowania węgla i Jego składu petrograficznego. Okazuje

•ię, że fuzynit odznacza 6ię największą zawartością peryferyjnych, wol

nych rodników, rezynit posiada ich znacznie mniej, a witrynit zajmuje pozycję pośrednią. Im większa zawartość wolnych rodników w węglu, tym nilszy stopień konwersji substancji organicznej do fazy ciekłej.

Oprócz zawartości w węglu macerałów reaktywnych i niereaktywnych zna

czenie praktyczne dla badań procesu upłynniania mają również badania petrograficzne charakteru ich występowania, wielkości i budowy ich zro-

(23)

Patrologia węgla kamiennego,. 479

stów. Szczególna znaczenie ma zbadanie w zawiesinie węglowo-olajowej udziału ziarn węglowych, których oacsrały reaktywne są całkowicie lub częściowo osłonięte macarałami niereaktywnyni utrudniającymi penetrację czynnika wodorowego podczas procesu uwodorniania {20, 5l] .

Badania spektrometryczne z Zastosowaniem NMR i podczerwieni oraz mikroskopii elektronowej pozwoliły na ustalenie cech strukturalnych sub

stancji organicznej macerałów, formy i rozmieszczania atomów C, H i 0 oraz S w wiązaniach różnego typu. Stwierdzono, te stopień uwodornienia pozostaje w prostym związku korelacyjnym z występującymi w strukturze zhydrolizowanymi, złożonymi związkami eterowymi i wiązaniami typu C - C, polaryzowanymi podstawieniami zawierającymi tlen [3l] .

Praktycznych wniosków o przydatności węgli do procesu upłyniania do

starcza także analiza derywatograficzna węgla i jego macerałów. Węgle wysokoreaktywne charakteryzują się bardziej wąskim i symetrycznym maksi

mum głównego rozkładu, większą jego szybkością i mniejszą aromatycznością niż węgle wykazujące słabą konwersję do produktów ciekłych [48] ,

W ostatnich latach stwierdzono, że substancja mineralna może wpływać autokatalitycznie w szeragu reakcjach uwodornienia, zwiększając afektyw- ność procesu ¡44, 55]. Duż w pierwszych badaniach do aktywnych katalitycz

nie zaliczono formy mineralne zawierające związki Fe i Ti oraz niektóre minerały ilasta. Stwierdzono, że substancja mineralna często zwiększa konwersję całkowitą, Jak i wychód frakcji destylowalnych,W badaniach autoklawowych i w instalacjach przepływowych ustalono, że katalitycznie oddziałują najsilniej siarczki żelaza [6, 9, 22] .

Katalityczny efekt pirytu, zawartego w nadawie lub dodanego Jako kata

lizator jednokrotnego użycia w drobno zmielonej formie, ujawnia się we wzmożony sposób w metodach upłynniania, w których atosuje się recykl pro

duktu ciężkiego do strefy reakcji (SRC X i SRC II, H-Coal, także doskona

lona technologia GIG) i powoduje przyspieszenie reakcji tworzenia się oleju (części rozpuszczalnych w pentanie). Szybsze tworzenie się asfalte- nów i preasfaltenów wskazuje też, że frakcja te są pierwotnymi produktami upłynniania utworzonymi wprost z węgla w wyniku równolegle przebiegających reakcji.

Katalityczny wpływ pirytu i powstałego przez redukcję w warunkach uwodornienia plrotynu F e ^ S Wyjaśnia się przyspieszaniem kilku ważnych reakcji rozpuszczalnika, decydujących o wynikach uwodornienia, Jak:

- bezpośrednie uwodornienia poliaromatycznych związków pierścieniowych, - transfer wodoru do związków aromatycznych,

- dehydroksylecja fenoli [?] .

Pozytywny wpływ .pirytu, zawartego w węglu 1 zastosowanego Jako dodatek do nadawy węglowej, stwierdzono w. krajowych badaniach upłynniania węgla z KWK "Danina” [56, 57] ; W badaniach tych stwierdzono przejścia do pro

duktów ciekłych około 4 0 % pierwotnej zawartości ińertynitu, potwierdzając wyniki niektórych badań zagranicznych [27j .

(24)

Rola substancji mineralnej w upłynnianiu węgla zmusza do bardziej wnikliwego badania takie ze względu na szereg Jej ujemnych funkcji.

Wystarczy wspomnieć, że w typowych warunkach bezpośredniego uwodornienia (t * 420-450°C, p » 15-20 MPa) większość minerałów nie ulega większym przeobrażeniom strukturalnym i może w różnym stopniu erodować rurociągi, zawory i pompy kosztownych instalacji. Ponadto, w określonych etapach procesu, konieczne i technicznie trudne jest wydzielanie popiołu i nie- przereagowanych składników organicznych. Osąd co do optymalnej ilości i składu substancji mineralnej w węglu przeznaczonym do upłynniania nie jest łatwy, gdyż niektóre minerały wykazują zarówno cechy dodatnie, jak i niepożądane (np. piryt i minerały ilaste).

Kapitalne znaczenie w rozpoznaniu, optymalizacji i kontroli procesu mają badania petrograficzne 1 mineralogiczne pozostałości po uwodornie

niu, np. pozostałości po destylacji próżniowej produktu ciężkiego lub po jago wytlewaniu. W pozostałościach gromadzi się 80-90% mas. substancji mineralnej zawartej pierwotnie w węglu (reszta lotna i przechodzi czę

ściowo do produktów ciekłych ropy węglowej) oraz resztki nieprzereago- wanej substancji organicznej. W wyniku badań procesu upłynnianiu w IPW-G1G, we współpracy z Instytutem Geologii Stosowanej Politechniki Sląskiaj, zaproponowano metodę mikroskopową interpretacji i analizy składników pozostałości po uwodornieniu. (V badaniach tych wyróżniono

[19. 20] s

- składniki pochodzenia organicznego, powstałe w procesie (sfsrolity, ziarna pakopodobne, witroplaaty, półkoksy),

- resztki nieprzereagowane, rozróżnialnych mikroskopowo macerałów, - minerały pierwotne,

- minerały powstałe w procesie (kalcyt, fsteryt, ankeryt, siarczany) 1 przeobrażone (plrotyn).

Ola pełnej oceny roli katalitycznej substancji mineralnej i umożli

wiania wykonania prawidłowego bilansu masowego procesu konieczna jest konfrontacja ilościowego składu substancji mineralnej węgla wsadowego ze składem mineralnym pozostałości po uwodornieniu. Niezależnie od ana

lizy chemicznej i mineralogicznej pożądane jest zastosowanie w tym calu metody niskotemperaturowego spopielania próbek w plazmie tlenu (Iow tem

peratura aehing - LTA) [l5] , tzn. < 170~180°C, by umożliwić ilościową analizę rentgenoatrukturalną i apektrometryczną w podczerwieni minerałów węglowych i pozostałości po uwodornieniu w niezmienionej postaci.

(25)

UWAGI KOŃCOWE

Współczesne metody badań petrologicznych węgla stwarzeję szerokie moż

liwości wykorzystania wyników w krajowym przemyśle wydobywczym i prze

twórczym.

Metodycznie dobrane i właściwie zinterpretowane wyniki kompleksowych badań petrologicznych stanowię jeden z głównych elementów rozpoznania budowy złóż węgla kamiennego, ze szczególnym uwzględnieniem jakości i przydatności węgla.

Wkład petrologii węgla, jak starano się to wykazać w pracy, może mieć współdecydujęce zmaczanie na wszystkich kolejnych etapach działalności geologicznej, górniczej, przeróbczej i przetwórczej.

Niedocenianie możliwości wykorzystywania wyników badań petrologicz

nych węgla wynika będż to z oderwania ich do innych rodzajów badań, któ

rych stanowię naturalne i niezbędne uzupełnienie, będż też z nieumiejęt

nego interpretowania wyników badań petrologicznych w oderwaniu od pogłę

bionej znajomot i procesów technoligicznych.

LITERATURA

fil Alparn B. î Pour une classification synthétique niverselle des combu

stibles solides. La Geologie des charbons des schistes bitumineux et des kérogénes. Soc* Nat. Elf Aquitaine, Pau, 1981, ss. 271-290.

[2] Alpern B. : Pétrographie des Charbons et Gazéification in situ. Bull.

Soc. géol. France, t. XXVI, nr 5, 1984, ss. 739-756.

[3] Alpern B. , Prégermein S. s Application du mlcroskopia électronigue à 1 'etude de la constitution des houilles. Bull, de Microscopic Appliqués, 3. 2, t. VI, nr 1, 1956.

[4] Ammosow I . I . l i n . : Obliczenia wsadu koksowniczego na bazie petro

graficznej charakterystyki węgli. Koks i Chimia, 12, 1957, ss. 9-12.

¡5] Ammosow I.I. i in.: Petrograficzeskije bsobiennostl i swojstwa uglej.

Izd. AN ZSRR, Moskwa 1963.

fcl Baldwin R.M. Vanciquerra : Coal liquefaction catalysis. Iron pyrite and hydrogsn sulfide. Fuel 62, 1983, ss. 498-501,

[7I Sieger F. 1 in.: Kohle, Gaserzeugung aus Kohle und Kohlenwasserstof

fen. Rohstoff Kohle 3, 19,78. ss. 73-188, Verlag Chemie Weinheim, New York.

föj Black P.M. : A reconnaisance survay of the petrology of New Zealand coals. N.Z. Energy Research and Development Commitee. Univ.

Auckland Report No. 51, II, 1980, ss. 1-49.

M Brooks O.G. i in.: Pyrite catalysis of coal liquefaction, hydrogena

tion and intermolecular transfer reactions. Ind. Eng, Chem. Process.

De. Dev. 22. 1983, 8S. 343-349.

fldj Brown H.R. Taylor G.H. : Prediction of coke strenght from the rank end pétrographie composition of Australian coals. Fuel, 43, .1-64, . ss. 43-54.

fill Bykow _.N. 1 in.: Zawieimoat endogennych potarow ot petrografi- czeskogo sostewj piasta. Izw. NUZ, Gornyj Zurnał, nr 1, 1967, as.

59-60.