Тверді горючі копалини (ТГК) — частина горючих корисних копалин, які поширені в природі у твердому стані — кам'яне та буре вугілля, торф, горючі сланці, сапропеліти.
Опис Тверді горючі копалини — вуглеводневі осадові породи, переважно рослинного походження, що мають здатність горіти. Серед ТГК розрізняють сапропеліти, які утворилися внаслідок накопичення і перетворення на дні водойм нижчих рослин і планктону, та гумоліти — продукти перетворення відмерлих залишків вищих наземних рослин. Гумоліти поділяють на гуміти, які утворилися переважно з лігніно-целюлозної речовини (всі види вугілля та торфу) і ліптобіоліти, які складаються з найбільш стійких речовин рослин (спори, кутикули, смоли та тканини кори). У органічній масі сапропелітів переважають аліфатичні та гідроароматичні сполуки, у органічній масі гумітів — конденсовані ароматичні сполуки. Вміст Н у цих породах відповідно становить 7—9 і 3,5—5,5 мас.%, вміст С — 60—70 і 75—95 %, співвідношення (Н+С): О — 9 і 20.
За ступенем перетворення вихідних біогенних матеріалів внаслідок вуглефікації розрізняють такі види ТГК: торф, буре вугілля, кам'яне вугілля, антрацити, горючі і вуглисті сланці.
Систематизація і класифікація ТГК
Розрізняють такі класифікації ТГК: загальні класифікації включають основні параметри (істотні властивості), що відображають внутрішню спільність кожного класу і класів серед всіх ТГК, охоплюваних класифікацією. Такі класифікації мають головним чином пізнавальне теоретичне значення; технологічні (промислові) класифікації розподіляють ТГК за показниками властивостей, знання яких необхідне для використання їх в тій або іншій конкретній галузі промисловості; комбіновані класифікації (наприклад, промислово-генетична) ґрунтуються на показниках, що використовуються і в загальних, і в технологічних класифікаціях.
Загальна наукова класифікація ТГК Стадії хімічної зрілостіКласи ТГКТорф'янаБуровугільнаКам'яновугільнаАнтрацитнаI. Гуміти (переважно з вищих рослин)Торфи:а) верхових болітб) низинних болітв) захороненіБуре вугілля:а) землистеб) щільне (блискуче, матове смугасте)в) лігнітиКам'яне вугілля:а) зовні однорідне (блискуче, сажа)б) зовні неоднорідне (смугасте, матове напівблискуче)АнтрацитиII. Ліптобіоліти (із стійких формівних елементів вищих рослин)а) фіхтеліт — з воскуб) копали — із смолв) фіменіт — з пилкуа) піропісит — з воскуб) бурштин — зі смолв) спорове вугілля (підмосковне)г) кутикулове вугілля (підмосковне «паперове» вугілля)д) барзаське вугілляа) рабдопісит — із смолб) ткібульське смоляне вугілляв) концентрації смолг) спорове (кізеловське)д) кутикуліт (Іркутське)е) «листувате» вугілля (барзаське)ж) «кеннелі»з) лопініт — з кори-III. Сапропеліти (з нижчих рослин, водоростей (альг), залишків живих організмів — планктону)1. Власне сапропеліти (стійкі елементи рослин містяться)2. Сапроколіти (стійкі елементи рослин відсутні)а) сапропелі (прісноводні)б) куронгітв) балхашитг) сапроколиа) богхедиб) торбанітв) марагунітг) сапропеліти серед бурого вугілля (кеннелі-богхеди, напівбогхеди)Сапроколіти серед бурого вугілляа) вугілля з Люгау (богхед)б) саропеліти серед кам'яного вугілля (кеннелі-богхеди)Сапроколіти серед Іркутського кам'яного вугілля (хахарейські, матаганські)Сапропеліти серед донецьких антрацитівIV. Група особливих видів ТГКа) змішані сапропеліто-гуміти і гуміто-сапропеліти серед підмосковного бурого вугілляб) змішане гуміто- ліптобіолітове вугілля серед бурого вугілля Дніпровського басейнув) кенеліа) змішані гуміто- сапропеліти серед Іркутського кам'яного вугілляб) змішані гуміто-ліптобіоліти серед кам'яного вугілля Західного Донбасу і Кізеловського басейнув) кеннеліАнтрацити змішаного походження і складу серед донецьких гумусних антрацитів
Елементний склад ТГК різної природи і зрілості НазваВміст %, на суху і беззольну масуCHOSoNДеревина49,76,144,00,10,1І. Гумітиторфи53-625,7-6,529-400,1-0,40,6-4,0буре вугілля:землисте63-725,5-6,518-301,2-1,50,6-0,8щільне матове67-755,0-6,515-271,0-2,00,5-1,2кам'яне вугілля Донбасу, марка:Д76-865,0-6,010-172,0-2,51,8Г78-894,5-5,57-161,0-1,51,7Ж84-904,0-5,45-101,5-2,01,6К87-924,0-5,23-81,5-2,01,5ПС89-943,8-4,92-51,5-2,01,4П90-953,4-4,41,6-4,51,,5-2,01,2антрацит (Донбас)91-961,3-3,01-21,0-1,50,1-1,3графіт~100Соті частки відсотка---ІІ. Екзинітипіропісит74-779-129-161,5-ліптобіоліти (для підмосковного бурого вугілля) спорові736,0-7,0163-40,54кутикулові726,0-7,0182-30,67рабдопісит807,511,50,40,6ліповецький і ткібульський ліптобіоліти799,910,10,40,6ІІІ. Сапропелітисапропелі49-606-924-410,3-0,312,0-5,7балхашит69-7610-1112-210,6-1,10,6-1,0богхеди72-789-109-162,0-3,00,7-1,0сапропеліт Будаговський (басейн Іркутська)70-778-1010-200,7-0,91,0-1,6сапропеліти (Іркутськ)70-827-107-180,2-1,20,7-2,6IV. Група особливих видів ТГКбарзаські сапроміксити78-867-103-120,1-2,30,1-0,8гагат (кримський)82,436,318,891,341,03кероген горючих сланців волзький (кашпірський)64-707-819-253,0-7,00,6-1,3ленінградські69-787-1012-162,0-3,00,3-0,9естонські(кукерсити)77-799-1011-131,0-2,00,2-0,6
Оцінка горючих властивостей твердого палива
Методика дослідження горючих властивостей вугільних зерен, вуглемасляних агрегатів тощо полягає з одночасній фото та кінорегістрації процесу вигорання частинки палива. По фото- і кіноплівках визначається відсоток «вибухаючих» паливних зерен і характер цього процесу, по кіноплівках — тривалість окремих стадій горіння.
Вихідний матеріал ТГК Рослини як основа для утворення ТГК містять ряд природних вищих молекулярних сполук. У них здійснюється безперервний біохімічний синтез вищих полісахаридів (целюлози) і лігніну. Каталізаторами, які збільшують у сотні тисяч і мільйони разів швидкість реакцій синтезу вищих молекулярних сполук у рослинах, служать ферменти (або ензими) — речовини білкової природи.
Ліпіди (бітумоутворювачі). До ліпідів відносять жири, воски, смоли й бальзами, а також (до деякої міри умовно) — спорополеніни, кутин, суберин і фосфатиди. Більша частина ліпідів перебуває переважно всередині клітин організму.
Жири й жирні масла — це суміші естерів гліцерину та одноосновних жирних кислот (тригліцериди) загальної формули СН2(OCOR)-CH(OCOR')-CH2(OCOR' '), де R, R' , R' ' — залишки аліфатичних кислот. Серед жирних кислот можуть бути як граничні кислоти, напр., пальмітинова С15Н31СООН і стеаринова С17Н35СООН, так і неграничні кислоти з одним подвійним зв'язком, напр., олеїнова С17Н33СООН, а також із потрійним зв'язком, напр., тариринова кислота С17Н31СООН. У рослинному й тваринному світі налічується близько 1300 видів жирів, але елементний склад їх відносно мало коливається й дорівнює в середньому, %: С — 76-79, Н — 11-13, О — 10-12.
Віск, кутин, суберин. Воски — складні ефіри (естери) одноосновних жирних кислот і вищих одноатомних спиртів, напр., монтан-віск — це етер монтанової кислоти С27Н55СООН і церилового спирту С26Н53СООН. Нині відомо близько 300 видів твердих і рідких восків. Вони належать до дуже стійких складових частин рослин, хоча, як і жири, здатні піддаватися гідролізу. Біологічне призначення восків — вкривати найтоншим шаром стебла, листя, оболонки плодів наземних рослин, захищаючи їх від зовнішніх впливів. У нижчих рослин воски зосереджені в оболонках клітин. У порівнянні з жирами воски більш багаті вуглецем (80—82 %) і воднем (13—14 %) і, отже, містять менше кисню (4—7 %). Дуже близько до восків стоїть кутин, який просочує зовнішній шар епідермісу листя і молодих бруньок, утворюючи кутикули, а також суберин — речовина коркової тканини в корі деяких рослин. З хімічної точки зору кутин є різновидом восків, але утворений жирними кислотами з більш низькою молекулярною масою. Міститься він у рослинах у невеликій кількості (до 3,5 %), головним чином у листі, шкірочці плодів і корових частин. Кутин і суберин дуже стійкі до дії гідролізуючих агентів і мікроорганізмів. Ще більшою стійкістю щодо дії кисню, бактерій, мінеральних кислот, розчинів лугів і нагрівання (до температури близько 200 °С) наділені близькі до восків, кутину й суберину високомолекулярні речовини — споронін і поленін, які утворюють оболонки спор та пилку.
Фосфатиди. До групи ліпідів входять також жироподібні розчинні в спирті речовини — фосфатиди. Вони, крім вуглецю, водню, кисню, містять також фосфор, азот, іноді сірку. Розглядаються як похідні фосфорної кислоти, пов'язаної з гідроксильними групами багатоатомних спиртів. Зосереджуються фосфатиди переважно в насінні й пилку.
Смоли й бальзами. Смоли — це секреторні виділення вищих (головним чином хвойних) рослин. Їх призначення полягає в тому, щоб служити пластиром у випадку поранення рослин, причому смоли виділяються у вигляді бальзамів, тобто в суміші з ефірними оліями. При витіканні бальзаму з пораненого дерева легколеткі ефірні олії випаровуються, а на рослинах накопичуються напливи смол — майбутні конкреції смол у викопному вугіллі. Смоли мають подібність із восками, оскільки до їхнього складу входять естери. Але воски належать до числа аліфатичних сполук, а смоли в основному складаються зі сполук циклічних, частина яких має ароматичний характер. У складі смол розрізняють такі групи сполук: смоляні кислоти, одно- або багатоатомні спирти (резиноли), ефіри смоляних кислот і резинолів або одноатомних фенолів (таннолів), інертні вуглеводні (резени). Нерідко в рослинних смолах наявні також речовини вуглеводного характеру — камеді. Подібні смоли називаються смолокамедями. Елементний склад смол (%): С — 79, Н– 10,О — 11. Рослинні смоли хімічно більш стійкі, ніж жири й воски, але деякі з них здатні гідролізуватися, утворюючи ароматичні кислоти (бензойну, коричну) і спирти, наприклад, бензиловий. Частина смол може окиснюватися, полімеризуватися й здобувати при цьому ще більшу стійкість.
Вуглеводи (карбогідрати). Поширена в природі група багатоатомних спиртів (цукрів, целюлози, крохмалю тощо). У вищих рослинах вуглеводів міститься більше, ніж інших речовин. Деревина, наприклад, містить понад 50 % найбільш складних вуглеводів, до яких належить целюлоза. Водночас у деревині містяться прості вуглеводи, пектинові речовини й геміцелюлози.
Прості вуглеводи. До цієї групи вуглеводів належать розчинні в холодній воді найпростіші моносахариди — гексози С6Н12О6 і пентози С5Н10О6. Пентози поширені в рослинах, входять до складу речовини клітин.
Пектинові речовини здатні розчинятися в гарячій воді до 100°С. Вони містяться як у багатоклітинних, так і в нижчих рослинах, а також в альгах (водоростях Phaeophyta). У хімічному відношенні пектинові речовини — високомолекулярні ангідриди пентоз і гексоз. Вони досить стійкі до дії бактерій, але піддаються гідролітичному розщепленню в природних умовах під впливом ферментів, у результаті чого утворюються пентозани (С5Н8О4)n і гексозани (С6Н10О)n.
Целюлоза або клітковина [С6Н7О2(ОН)3]n належить до полісахаридів, гетероланцюгових вищих молекулярних сполук з макромолекулярною будовою. Вона — головна складова частина деревини. Геміцелюлози є супутниками целюлози в стінках рослинних клітин, в деяких рослинах становлять переважну частину вуглеводів. Геміцелюлози зараховують до вищих молекулярних сполук, вони займають проміжне місце між целюлозою й крохмалем. Геміцелюлози здатні гідролізуватися 2—4%-м розчином HCl з утворенням пентозанів, гексозанів і поліуронідів, причому, у свою чергу, пентозани й гексозани при подальшому гідролізі утворюють відповідно пентози й гексози.
Лігнін. Поряд із целюлозою в стінках клітин більшості вищих рослин перебуває лігнін, будова якого ще не повністю з'ясована. Вважають, що лігнін — нерегулярно побудована вища молекулярна сполука із тривимірною структурою розгалужених макромолекул. Спроби представити будову лігніну у вигляді хімічних формул відбивають лише загальні принципи його будови. Не з'ясовано ще, чи складається лігнін із цілком ідентичних макромолекул, а також не встановлена його молекулярна маса, яку приймають від 682 до 1 000 000. Для лігніну з молекулярною масою 784 (виділеного із сосни) запропонована формула: