Вугі́лля, або ву́гіль, — тверда осадова порода, горюча копалина, утворена шляхом вуглефікації рослинних залишків під дією тиску та високих температур без доступу кисню. Одна з найпоширеніших у природі та найбільше використовуваних людиною корисних копалин. Вугілля слугує цінним паливом та сировиною для металургійної та хімічної промисловості.
Характеристики вугілля
Загальні характеристики
Вугілля — один з найпоширеніших видів корисних копалин, його виявлено на всіх континентах земної кулі. Викопне вугілля становить близько 87,5 % викопного палива Землі. Характеризується різними відтінками кольору (від бурого до чорного), блиску (від гладкого до матового), різною текстурою (землистою, шаруватою, монолітною), структурою (смугастою, штриховою, однорідною та ін.), поверхнею зламу (зернистою, гладенькою, напівраковинною та ін.), різною тріщинністю з плитчастою, кутасто-грудкуватою та ін. відмінами; поодинокими включеннями вуглефікованих фрагментів різних частин рослин; прошарками осадових порід, мінеральних включень і залишків рослинного матеріалу.
Густина 0,92-1,7 г/см³, твердість 1-3 за шкалою Мооса. Виділяють гумоліти (кам'яне вугілля, буре вугілля та антрацити), сапропеліти й сапрогумоліти.
Склад
Основні компоненти вугілля: органічна речовина, мінеральні домішки і волога. Виділяють фітерали (залишки рослинного матеріалу) та мацерали (вуглеутворюючі компоненти). Маса органічної речовини становить 50-97 % від загальної маси сухого вугілля. Хімічний склад органічної частини вугілля включає C, H, O, S, N та інші хімічні елементи. Переважає вуглець, на частку якого припадає 60-98 % маси вугільної речовини. Мінеральні домішки розсіяні в органічній масі у вигляді кристалів, конкрецій, тонких прошарків і лінз. Найпоширеніші глинисті мінерали; вміст їх в середньому становить 60-80 % від загальної маси неорганічного матеріалу. Підлегле значення мають карбонати, сульфіди заліза і кварц. У незначних кількостях містяться сульфіди кольорових і рідкісних металів, фосфати, сульфати, солі лужних металів. Відносний вміст мінеральних домішок в сухій речовині вугілля коливається в широких межах (зольність 50-60 %).
Волога вугілля в основному сорбційна, капілярна та порова, частково волога входить до складу органічної маси або міститься в кристалізаційних ґратках мінералів (пірогенетична волога). Масова частка сумарної вологи коливається від 60 % в м'яких пухких до 16 % в щільному бурому вугіллі, знижуючись до 6-10 % в кам'яному вугіллі і антрацитах. Мінімальну вологість (до 4 %) має середньометаморфізоване кам'яне вугілля. Величина цього показника — один з основних параметрів класифікації бурого вугілля.
Текстура Просторове розташування компонентів вугілля незалежно від їхньої величини, форми й речовинного складу. Найбільш характерною для вугілля є шарувата та масивна текстури. Рідше зустрічається однорідна, зерниста та листувата. Текстура вугілля обумовлена умовами накопичення органічної речовини та наступними метаморфічними процесами.
Структура Структура вугілля — комбінація інгредієнтів і мікрокомпонентів вугілля. Розрізняють мікро- і макроструктуру. Макроструктура — комбінація видимих простим оком у вертикальному зламі різних за величиною, формою й речовинним складом інгредієнтів. За макроструктурою виділяють однорідне і смужкувате вугілля. Мікроструктура складається невидимими неозброєним оком деталями в межах від одиниць до сотень нанометрів. Буває ґлобулярна (згорнуті поодинокі макромолекули або їх групи), смугаста (структури всіх полімерів у високоеластичному стані), фібрилярна (лінійні пачки та їх аґреґати довгастої форми), крупноструктурна (сфероліти).
Пористість Пористість вугілля — наявність пор у вугільній речовині; характеристика розмірів і кількості пор у вугіллі.
Пори вугілля класифікують наЛазаров Л., Ангелова Г. Структура и реакции углей . - София: Болгарская Академия наук, 1990. - 232 с. :
мікропори (доступні СО2 при звичайній температурі) з переважаючим діаметром близько 1,5 нм і з отворами та звуженнями, які обмежують доступ до них, розміром близько 0,5 нм. Ці пори обумовлюють питому поверхню; перехідні пори (мезопори) — доступні азоту при низьких температурах з розміром 2–7 нм; макропори.
Властивості
Фізичні властивості
До термічних властивостей вугілля відносять ті, що виявляються у вугіллі під впливом теплових полів, а до електромагнітних — властивості, які виявляються при впливі на вугілля електричних, магнітних полів і електромагнітних коливань. До електромагнітних властивостей умовно можна віднести радіаційні, котрі проявляються при впливі на вугілля потоків мікрочастинок або електромагнітних хвиль значної жорсткості (рентгенівські, гамма-промені).
Вища теплота згоряння сухого беззольного вугілля коливається в межах (МДж/кг): для бурих 25,5-32,6, для кам'яних 30,5-36,2 і для антрацитів 35,6-33,9. Нижча теплота згоряння в перерахунку на робоче паливо (МДж/кг): 6,1-18,8 для бурого вугілля, 22,0-22,5 для кам'яного вугілля і 20-26 для антрацитів.
Питомий електроопір вугілля підвищується з переходом від бурого до кам'яного і досягає максимуму на середній стадії вуглефікації (Сdaf =87%), а потім меншає із зростанням ступеня метаморфізму, складаючи у антрацитів 102−103 Ом·см.
Окиснення вугілля приводить до значного зниження його опору при температурах до 100 °С, коефіцієнт анізотропії кам'яного вугілля становить 1,73-2,55, антрациту 2,00-2,55. Нечисленні досліди показали, що опір цілика і порошку вугілля практично збігаються. Питомий електричний опір зростає із збільшенням зольності.
Фізико-механічні властивості
Основні фізико-механічні властивості вугілля: а) пружність — здатність відновлювати свої первинні розміри після зняття навантаження; б) пластичність — здатність зберігати деформацію аж до межі текучості після зняття навантаження; в) твердість — здатність чинити опір пружним і пластичним деформаціям при місцевій силовій дії на поверхню тіла; г) міцність — здатність чинити опір руйнуванню під дією напружень; д) крихкість — здатність руйнуватися без помітного поглинання енергії; е) дробимість — властивість, що визначається сукупністю твердості, в'язкості і тріщинуватості; ж) тривкість — умовне поняття, яке символізує сукупність механічних властивостей і виявляється в різних технологічних процесах при видобутку і переробці вугілля.
Хімічні властивості
Елементний склад (вміст вуглецю, водню, кисню і азоту) є загальноприйнятою характеристикою органічної маси вугілля. За даними елементного складу можна з достатнім ступенем точності визначити теплоту згоряння, теоретичну температуру горіння і склад продуктів горіння, вихід продуктів термічного розкладу і ступінь вуглефікації. Однак вуглець, водень і кисень входять не тільки до складу органічної маси вугілля, але й мінеральних домішок, які при хімічному аналізі частково розкладаються. У зв'язку з цим елементний склад визначається не зовсім точно і він повністю не відображує істинний склад органічної маси, тому результати елементного складу звичайно перераховують на беззольну масу.
Вугілля, нагріте до високих температур без доступу повітря, розкладається з утворенням рідких і газоподібних продуктів (в основному вуглеводнів), які називаються леткими речовинами. Твердий продукт, що виникає в результаті термічного розкладу вугілля, називається коксовим залишком або корольком. Вміст і склад летких речовин залежать від термічної дії (температури і тривалості нагріву). Вихід летких речовин залежить від стадії метаморфізму. В багатьох класифікаціях вихід летких речовин використовується як параметр, що характеризує стадію метаморфізму і промислову марку вугілля.
Утворення вугілля
Для утворення вугілля необхідне рясне накопичення рослинної маси. У стародавніх торф'яних болотах накопичувалася органічна речовина, з якої без доступу кисню формувалися поклади вугілля. Більшість промислових родовищ викопного вугілля належать до цього кам'яновугільного періоду, хоча існують і молодші родовища. Вік найдавнішого вугілля оцінюється приблизно в 350 мільйонів років.
Вугілля утворюється в умовах, коли гниючий рослинний матеріал накопичується швидше, ніж відбувається його бактерійне розкладання. Ідеальні умови для цього є в болотах, де стояча вода збіднена киснем, перешкоджає життєдіяльності бактерій і тим самим оберігає рослинну масу від повного руйнування. На певній стадії процесу, кислоти, які виділяються в його ході, запобігають подальшій діяльності бактерій. Так виникає торф — початковий продукт для утворення вугілля. Якщо потім відбувається його поховання під іншими наносами, то торф під дією стиснення, втрачаючи воду і гази, перетвориться у вугілля.
Під тиском товщі осадів потужністю 1 кілометр з 20-метрового шару торфу виходить пласт бурого вугілля завтовшки 4 метри. Якщо глибина поховання рослинного матеріалу досягає 3 кілометри, то такий же шар торфу перетвориться на пласт кам'яного вугілля завтовшки 2 метри. На більшій глибині, близько 6 кілометрів, і при вищій температурі 20-метровий шар торфу стає пластом антрациту завтовшки в 1,5 метра.
В результаті руху земної кори, вугільні пласти зазнавали підняття і складкоутворення. З часом підняті частини руйнувалися за рахунок ерозії, а опущені зберігалися в широких неглибоких басейнах, де вугілля знаходиться на рівні не менше 900 метрів від земної поверхні.
Класифікація вугілля Буре вугілля — тверде викопне вугілля, що утворилося з торфу, містить 65-70 % вуглецю, бурого кольору, наймолодше з викопного вугілля. Використовується як місцеве паливо, а також як хімічна сировина. Містить багато води (43 %), і тому має низьку теплоту згоряння. Крім того, містить більшу кількість летких речовин (до 50 %).
Утворюється з відмерлих органічних решток під тиском навантаження і дією підвищеної температури на глибинах близько 1 км. У Європі поклади бурого вугілля здебільшого належать до палеоген-неогенової доби, в Азії — переважно юрської, меншою мірою крейдової і палеоген-неогенової, на інших континентах — крейдової і палеоген-неогенової доби. В Україні основні запаси бурого вугілля належать до палеогенових відкладів. Поклади залягають на невеликих глибинах та сягають завтовшки зазвичай 10-60 м, зрідка 100-200 м. Тому буре вугілля переважно добувається кар'єрним способом. Буре вугілля, що містить впізнавані залишки рослин, називається лігнітом.
Кам'яне вугілля — щільна порода чорного, іноді сіро-чорного кольору. Блиск смоляний або металічний. Містить 75-92% вуглецю. Вологість 1-12 %. Вміст летких речовин 2-48%. Характеризується високою теплотворністю 30,5-36,8 МДж/кг.
Залягає в формі пластів і лінзовидних покладів завтовшки від кількох см до сотень м, на глибині до 2,5 км і більше. Пласти зазвичай складаються з чергованих літотипів. Утворювалося від девону до неогену включно; найактивніше вуглеутворення відбувалося в карбоні, пермі та юрі.
Використовується як технологічна, енерго-технологічна і енергетична сировина при виробництві коксу і напівкоксу з отриманням великої кількості хімічних продуктів (нафталін, феноли, пек тощо), на основі яких одержують добрива, пластмаси, синтетичні волокна, лаки, фарби і т.і.Антрацит — це викопне вугілля, що виникло при температурі 350-550 °C, найбільш метаморфізований різновид вугілля. Містить 95 % вуглецю. Характеризується великою густиною і блиском, колір чорний або сіруватий. Практично не містить впізнаваних рослинних решток. На відміну від інших видів вугілля, не спікається. Застосовується як тверде висококалорійне паливо завдяки його високій теплотворності 33-35 МДж/кг. Крім того, слугує сировиною в чорній та кольоровій металургії, хімічній та електротехнічній промисловості тощо, для виготовлення абразивів, відновлювачів, електродів.