Как получается уголь. Сообщение «Как образовался каменный уголь. Что такое древесный уголь и для чего он используется
С древности каменный уголь является источником энергии для человечества, не единственным, но широко применяемым. Иногда его сравнивают с солнечной энергией, законсервированной в камне. Его сжигают, получая тепло для отопления, нагревая воду, на тепловых станциях преобразуют в электричество, используют для выплавки металлов.
С развитием новых технологий научились использовать каменный уголь не только для получения энергии путем сжигания. Химическая промышленность успешно освоила технологии производства , редких металлов — галлия и германия. Извлекаются из него композиционные углеграфитовые материалы с высоким содержанием углерода, газообразное топливо высокой калорийности, отработаны методики производства пластмассы. Самый низкосортный уголь, его очень мелкую фракцию и угольную пыль перерабатывают и , которые отлично подходят для отопления как производственных помещений так и частных домов. Всего с помощью химической переработки каменного угля производят более 400 наименований продукции, стоить которые могут в десятки раз больше, чем исходный продукт.
Люди уже несколько веков активно используют уголь как топливо для получения и преобразования энергии, с развитием химической промышленности и потребностей редких и ценных материалов в других отраслях потребность в каменном угле возрастает. Поэтому интенсивно ведется разведка новых месторождений, строятся карьеры и шахты, предприятия по переработки сырья.
Кратко о происхождении каменного угля
На нашей планете много миллионов лет тому назад во влажном климате бурно развивалась растительность. С тех пор минуло 210…280 миллионов лет. Тысячелетиями, миллионами лет миллиарды тонн растительности отмирали, скапливались на дне болот, покрывались слоями наносов. Медленное разложение в бескислородной атмосфере под мощным прессом воды, песка, других пород, иногда в условиях высоких температур из-за близкого расположения магмы, привело к окаменению слоев этой растительности, с постепенным перерождением в уголь разной степени углефикации.
Основные российские месторождения и добыча каменного угля
На планете насчитывают запасы каменного угля выше 15 триллионов тонн. Самые большие добычи полезных ископаемых приходятся на каменный уголь, примерно по 0,7 тонны на человека, это более 2,6 миллиарда тонн в год. В России каменный уголь имеется в разных регионах. Он имеет разные характеристики, особенности и глубину залегания. Вот наиболее крупные и успешно разрабатываемые бассейны каменного угля:
Активное использование сибирских и дальневосточных месторождений ограничивает их удаленность от промышленных европейских регионов. В западной части России также добывается уголь с отличными показателями: в Печерском, Донецком угольных бассейнах. В Ростовской области активно разрабатывают локальные месторождения, наиболее перспективное из них — Гуковское. Переработка каменного угля с этих месторождений дает марки каменного угля высокого качества — антрациты (АС и АО).
Основные качественные характеристики каменного угля
Для разных отраслей промышленности требуется различные марки угля. Качественные показатели его изменяются в широких пределах даже у тех, которые имеют одинаковую маркировку и во многом зависят о месторождения. Поэтому предприятия, прежде чем закупать уголь, знакомятся с такими его физическими характеристиками:
По степени обогащения каменный уголь разделяют:
- — Концентраты (сжигают для отопления в паровых котлах и получения электроэнергии);
- — Промышленные продукты, используются в металлургической отрасли;
- — Шлам, фактически это мелкая фракция (до 6мм) и пыль после дробления породы. Сжигать такое топливо проблематично, потому из него формуют брикеты, имеющиех хорошие эксплуатационные характеристики и используют в бытовых твердотопливных котлах.
По степени углефикации:
- — Бурый уголь, это частично сформированный каменный уголь. Имеет невысокую теплоту сгорания, при перевозке и хранении крошится, имеет склонность к самовозгоранию;
- — Каменный уголь. Имеет множество разных марок (сортов) с различными характеристиками. Имеет широкую область использования: металлургия, энергетика, ЖКХ, химическая промышленность и т.п.
- — Антрациты — самая качественная форма каменного угля.
Если сравнивать торф и каменный уголь, теплота сгорания угля выше. Самая низкая теплота сгорания у бурого угля, самая высокая — у антрацитов. Однако, исходя из экономической целесообразности, большим спросом пользуется простой каменный уголь. У него оптимальное сочетание цены и удельной теплоты горения.
Различных характеристик угля очень много, но далеко не все из них могут иметь значение при выборе угля для отопления. В этом случае важно знать всего несколько ключевых параметров: зольность, влажность и удельную теплоемкость. Может быть важно содержание серы. Остальные требуются при подборе сырья на переработку. Что важно знать при выборе угля, так это размеры: насколько крупные куски вам предлагают. Эти данные зашифрованы в названии марки.
Классификация по размерам:
Классификация по маркам и их краткая характеристика:
В зависимости от характеристик каменного угля, его марки, типа и фракции хранится он разное время. (В статье есть таблица, где указаны сроки хранения угля в зависимости от месторождения и марки).
Особое внимание нужно уделять защите угля при длительном его хранении (более 6 месяцев). В этом случае требуется специальный угольный сарай или бункер, где топливо будет защищено от осадков и прямого солнечного света.
Большие кучи угля при длительном хранении требуют контроля температуры, так как при наличии мелких фракций в сочетании с влагой и высокой температурой имеют склонность к самовозгоранию. Желательно приобрести электронный термометр и термопару с длинным шнуром, которую закопать в центре угольной кучи. Проверять температуру нужно один-два раза в неделю, потому что некоторые марки угля самовозгораются при совсем невысоких температурах: бурые – при 40-60 о C, остальные – 60-70 о C. Редко случаются случаи самовозгорания антрацитов и полуантрацитов (в России такие случаи не зарегистрированы).
Уже на протяжении практически 200 лет человечество использует запасы, которые формировались сотни миллионов лет. Такое расточительство когда-то приведет нас к краху и энергетическому кризису, пока мы не начнем более бережно относиться к своим ресурсам. Для лучшего понимания стоило бы узнать, как образовался каменный уголь и на сколько лет еще хватит разведанных запасов.
Потребность в энергоносителях
Все отрасли промышленности нуждаются в постоянном источнике энергии :
- Энергия выделяется во время сгорания углеводородов. В этом плане нефть и газ - незаменимые ресурсы.
- Возможно получение должного количества энергии за счет атомных электростанций. Расщепление атома отрасль перспективная, но парочка катастроф надолго отодвинули этот вариант на второй план.
- Ветер, солнце и даже водные течения могут дать электричество. При должном подходе к вопросу и постройке современных сооружений.
Некоторые новые и перспективные отрасли на сегодняшний день практически не развиваются и человечество вынуждено и дальше сжигать уголь, коптить небо и получать крохи энергии. Подобное положение дел выгодно крупным корпорациям, получающим колоссальные доходы за счет продажи горючего топлива.
Возможно, в ближайшие десятилетия ситуация хоть немного изменится и перспективным проектам, по части альтернативных вариантов получения энергии, дадут «зеленый свет». Пока что можно лишь надеяться на благоразумие крупных инвесторов, которые предпочтут сиюминутным выгодам спасение от энергетического кризиса в будущем.
Откуда взялся уголь?
Касательно образования угля есть общепринятая научная теория :
- Где-то 300-400 миллионов лет назад на Земле росло гораздо больше органики. Речь о растениях, гигантских зеленых растениях.
- Как и все живое, растения погибали. Бактерии, на том этапе, не могли справиться с задачей полного разложения этих гигантов.
- В условиях отсутствия доступа кислорода, формировались целые слои спрессованных и гниющих папоротников.
- За проходящие миллионы лет менялись эпохи, сверху наслаивались другие образование, изначальный слой залегал все глубже и глубже.
Бытует мнение, что постепенно вся эта субстанция преобразовалась в торф, который в дальнейшем превратился в каменный уголь. Подобные преобразования происходят или могут происходить до сих пор, с теоретической точки зрения. Но лишь при наличии уже сформировавшегося торфа, достаточного количества растений для формирования новых слоев на Земле уже нет. Не та эпоха, не те климатические условия.
Стоит заметить, что объем изменялся уж очень серьезно . Потери при одном лишь переходе из торфа в уголь составляют 90% и это еще неизвестно, какой был изначальный объем погибших растений.
Свойства каменного угля
Все свойства угля можно разделить на значимые для природы и для человека:
Но все же, основным и наиболее интересным для нас является тот факт, что при сгорании каменного угля выделяется достаточное количество энергии. Примерно 75% от того, что можно получить, сжигая такой же объем нефти.
Защитников природы волнует совсем другое свойство - способность выделять углекислый газ при горении . Сожгите килограмм угля и получите почти 3 кг выбросов углекислого газа в атмосферу. Мировой объем потребления уже исчисляется миллиардами тонн полезного ископаемого, так что цифры совсем не шуточные.
Добыча каменного угля
В некоторых странах угольные шахты уже давно закрыли:
- Низкая рентабельность. Сегодня гораздо выгоднее качать и продавать нефть с газом. Меньше затрат, меньше возможных последствий.
- Высокий риск несчастных случаев. Катастрофы на шахтах не редкость и в современном мире, даже при соблюдении всех предосторожностей.
- Практически полная выработка имеющихся резервов . Если страна приступила к выработке еще в позапрошлом веке и все время «кормилась» с одного угольного бассейна, не стоит от него много ожидать в наше время.
- Наличие альтернативы . Речь идет не только о нефти и газе, свою нишу заняла и атомная энергетика. Внедряются солнечные батареи, ветряки, работают гидроэлектростанции. Процесс медленный, но неотвратимый.
Но кто-то все еще вынужден спускаться в шахту:
- Добыча происходит на глубине до 1 км, как правило.
- Дешевле всего добывать уголь не глубже 100 м, в таком случае это можно делать открытым методом.
- В забой постоянно спускаются смены шахтеров, оснащенные инструментами и респираторами.
- Роль ручного труда значительно снизилась, большую часть работы выполняют механизмы.
- Несмотря на это, шахтеры постоянно рискуют оказаться под завалами и быть погребенными в импровизированной общей могиле.
- Постоянное воздействие пыли вызывает проблемы с дыхательным трактом. Пневмокониоз официально признан профессиональным заболеванием.
В некоторой степени такой труд компенсируется солидными зарплатами и ранним выходом на пенсию.
Как появился уголь?
На образование каменного угля ушли сотни миллионов лет.
Вот как проходил процесс его образования на Земле:
- Массово расплодились растения на поверхности, благодаря благоприятным климатическим условиям.
- Постепенно они гибли, а микроорганизмы не успевали полностью переработать останки.
- Органическая масса сформировала целый слой. В некоторых участках к нему отсутствовал доступ кислорода, особенно в болотной местности.
- В анаэробных условиях особые микроорганизмы продолжали принимать участие в процессах гниения.
- Сверху наслаивались новые слои, увеличивая давление.
- Благодаря органической основе с большим количеством углерода, гниению, постоянному давлению и сотням миллионов лет произошло формирование угля.
Именно таким образом видят весь процесс ученые, основываясь на современных методах изучения.
Возможно, в эту картину еще будут внесены коррективы в дальнейшем, время покажет. А пока что нам остается лишь поверить ей или озвучить какие-то свои предположения. Но чтобы быть воспринятым всерьез, их придется доказывать.
Не обязательно знать, как образовался каменный уголь, чтобы наслаждаться всеми прелестями научно-технического прогресса. Но для общего развития стоит ознакомиться.
Видео о появлении каменного угля на Земле
В этом видео геолог Леонид Ярошин расскажет, как и где образовался каменный уголь, как его добывают и где применяют в данный момент:
Антрацит - самый древний из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации.
Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800-8350 ккал/кг).
Каменный уголь
Каменный уголь - осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников , хвощей и плаунов , а также первых голосеменных растений). Большинство залежей каменного угля было образовано в палеозое , преимущественно в каменноугольном периоде , примерно 300-350 миллионов лет тому назад.
По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода , а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу . Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящие в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75% до 95%.
Бурый уголь
Бурый уголь - твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа , содержит 65-70 % углерода , имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье.
Образование угля
Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах , начиная с девонского периода , накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей оценивается примерно в 350 миллионов лет.
Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах , где стоячая вода, обеднённая кислородом , препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой стадии процесса выделяемые в ходе его кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий . Так возникает торф - исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в уголь.
Под давлением наслоений осадков толщиной в 1 километр из 20-метрового слоя торфа получается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра. На большей глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.
Доказанные запасы угля
| Страна | Каменный уголь | Бурый уголь | Всего | % |
|---|---|---|---|---|
| США | 111338 | 135305 | 246643 | 27,1 |
| Россия | 49088 | 107922 | 157010 | 17,3 |
| Китай | 62200 | 52300 | 114500 | 12,6 |
| Индия | 90085 | 2360 | 92445 | 10,2 |
| Австралийский Союз | 38600 | 39900 | 78500 | 8,6 |
| Южная Африка | 48750 | 0 | 48750 | 5,4 |
| Казахстан | 28151 | 3128 | 31279 | 3,4 |
| Украина | 16274 | 17879 | 34153 | 3,8 |
| Польша | 14000 | 0 | 14000 | 1,5 |
| Бразилия | 0 | 10113 | 10113 | 1,1 |
| Германия | 183 | 6556 | 6739 | 0,7 |
| Колумбия | 6230 | 381 | 6611 | 0,7 |
| Канада | 3471 | 3107 | 6578 | 0,7 |
| Чехия | 2094 | 3458 | 5552 | 0,6 |
| Индонезия | 740 | 4228 | 4968 | 0,5 |
| Турция | 278 | 3908 | 4186 | 0,5 |
| Мадагаскар | 198 | 3159 | 3357 | 0,4 |
| Пакистан | 0 | 3050 | 3050 | 0,3 |
| Болгария | 4 | 2183 | 2187 | 0,2 |
| Таиланд | 0 | 1354 | 1354 | 0,1 |
| Северная Корея | 300 | 300 | 600 | 0,1 |
| Новая Зеландия | 33 | 538 | 571 | 0,1 |
| Испания | 200 | 330 | 530 | 0,1 |
| Зимбабве | 502 | 0 | 502 | 0,1 |
| Румыния | 22 | 472 | 494 | 0,1 |
| Венесуэла | 479 | 0 | 479 | 0,1 |
| Всего | 478771 | 430293 | 909064 | 100,0 |
Уголь в России
Виды угля
В России в зависимости от стадии метаморфизма различают: бурые угли , каменные угли , антрациты и графиты . Интересно, что в западных странах имеет место несколько иная классификация: соответственно, лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты.
- Бурые угли. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра.
- Каменные угли. Содержат до 12 % влаги (3-4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания. Содержат до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.
- Антрациты. Почти целиком (96 %) состоят из углерода. Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров. Используются в основном в химической промышленности
История добычи угля в России
Становление угольной промышленности в России относится к первой четверти XIX в., когда уже были открыты основные угольные бассейны.
Динамику объёмов добычи ископаемого угля в Российской империи можно посмотреть .
Запасы угля в России
В России сосредоточено 5,5 %(почему такая разница с процентом доказанных запасов угля на 2006 год?-потому что большая часть не пригодна к разработке-Сибирь и вечная мерзлота) мировых запасов угля, что составляет более 200 млрд тонн. Из них 70 % приходится на запасы бурого угля.
- В 2004 году в России было добыто 283 млн тонн угля. 76,1 млн тонн было отправлено на экспорт.
- В 2005 году в России было добыто 298 млн тонн угля. 79,61 млн тонн было отправлено на экспорт.
В России в 2004 году имелся дефицит коксующихся углей марок «Ж» и «К» в размере не менее 10 млн тонн (оценка ВУХИН), что связано с выбытием добывающих мощностей в Воркуте и Кузбассе.
Крупнейшие перспективные месторождения
Эльгинское месторождение (Саха). Принадлежит ОАО «Мечел ». Наиболее перспективный объект для открытой разработки - находится на юго-востоке Республики Саха (Якутия) в 415 км к востоку от города Нерюнгри. Площадь месторождения 246 км². Месторождение представляет собой пологую брахисинклинальную асимметричную складку. Угленосны отложения верхней юры и нижнего мела. Основные угольные пласты приурочены к отложениям нерюнгринской (6 пластов мощностью 0,7-17 м) и ундыктанской (18 пластов мощностью также 0,7-17 м) свит. Большая часть ресурсов угля сосредоточена в четырёх пластах y4, y5, н15, н16 обычно сложного строения. Угли в основном полублестящие линзовидно-полосчатые с очень высоким содержанием наиболее ценного компонента - витринита (78-98 %). По степени метаморфизма угли относятся к III (жирной) стадии. Марка угля Ж, группа 2Ж. Угли средне- и высокозольные (15-24 %), малосернистые (0,2 %), малофосфористые (0,01 %), хорошо спекающиеся (Y = 28-37 мм), с высокой теплотой сгорания (28 МДж/кг). Эльгинский уголь можно обогатить до высших мировых стандартов и получить экспортный коксующийся уголь высокого качества. Месторождение представлено мощными (до 17 метров) пологими пластами с перекрывающими отложениями небольшой мощности (коэффициент вскрыши - около 3 куб м на тонну рядового угля), что очень выгодно для организации добычи открытым способом.
Элегестское месторождение (Тыва) обладает запасами около 1 млрд т коксующегося угля дефицитной марки «Ж» (общий объём запасов оценивается в 20 млрд т). 80 % запасов находится в одном пласте толщиной 6,4 м (лучшие шахты Кузбасса работают в пластах толщиной 2-3 м, в Воркуте уголь добывают из пластов тоньше 1 м). После выхода на проектную мощность к 2012 году на Элегесте ожидается -добыча 12 млн т угля ежегодно. Лицензия на разработку элегестских углей принадлежит Енисейской промышленной компании, которая входит в структуру «Объединенной промышленной корпорации» (ОПК). Правительственная комиссия по инвестиционным проектам РФ 22 марта 2007 года одобрила реализацию проектов по строительству железнодорожной линии «Кызыл-Курагино» в увязке с освоением минерально-сырьевой базы Республики Тува.
Крупнейшие российские производители угля
Газификация угля
Данное направление утилизации угля связано с его так называемым "неэнергетическим" использованием. Речь идёт о переработке угля в другие виды топлива (например, в горючий газ, среднетемпературный кокс и др.), предшествующей или сопутствующей получению из него тепловой энергии. Например, в Германии в годы Второй мировой войны технологии газификации угля активно применялись для производства моторного топлива. В ЮАР на заводе SASOL с использованием технологии слоевой газификации под давлением, первые разработки которой были также выполнены в Германии в 30-40-е годы XX века, в настоящее время из бурого угля производится более 100 наименований продукции. (Данный процесс газификации известен также под названием "способ Lurgi".)
В СССР технологии газификации угля в частности активно разрабатывались в Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте по проблемам развития Канско-Ачинского угольного бассейна (КАТЭКНИИуголь) с целью повышения эффективности использования канско-ачинских бурых углей. Сотрудниками института был разработан ряд уникальных технологий переработки низкозольных бурых и каменных углей. Данные угли могут быть подвержены энерготехнологической переработке в такие ценные продукты, как среднетемпературный кокс , способный служить заменителем классическому коксу в ряде металлургических процессов, горючий газ , пригодный, например, для сжигания в газовых котлах в качестве заменителя природного газа, и синтез-газ , который может использоваться при производстве синтетических углеводородных топлив. Сжигание топлив, получаемых в результате энерготехнологической переработки угля, даёт существенный выигрыш в показателях вредных выбросов относительно сжигания исходного угля.
После развала СССР КАТЭКНИИуголь был ликвидирован, а сотрудники института, занимавшиеся разработкой технологий газификации угля, создали собственное предприятие. В 1996 году был построен завод по переработке угля в сорбент и горючий газ в г. Красноярске (Красноярский край, Россия). В основу завода легла запатентованная технология слоевой газификации угля с обращённым дутьём (или обращённый процесс слоевой газификации угля). Этот завод работает и в настоящее время. Ввиду исключительно низких (по сравнению с традиционными технологиями сжигания угля) показателей вредных выбросов он свободно располагается неподалёку от центра города. В дальнейшем на основе этой же технологии был построен также демонстрационный завод по производству бытовых брикетов в Монголии (2008 г.).
Следует отметить некоторые характерные отличия технологии слоевой газификации угля с обращённым дутьём от прямого процесса газификации, одна из разновидностей которого (газификация под давлением) используется на заводе SASOL в ЮАР. Производимый в обращённом процессе горючий газ, в отличие от прямого процесса, не содержит продуктов пиролиза угля, поэтому в обращённом процессе не требуются сложные и дорогостоящие системы газоочистки. Кроме того, в обращённом процессе возможно организовать неполную газификацию (карбонизацию) угля. При этом производятся сразу два полезных продукта: среднетемпературный кокс (карбонизат) и горючий газ. Преимуществом прямого процесса газификации, с другой стороны, является его более высокая производительность. В период наиболее активного развития технологий газификации угля (первая половина XX века) это обусловило практически полное отсутствие интереса к обращённому процессу слоевой газификации угля. Однако в настоящее время рыночная конъюнктура такова, что стоимость одного только среднетемпературного кокса, производимого в обращённом процессе газификации угля (при карбонизации), позволяет компенсировать все затраты на его производство. Попутный продукт - горючий газ, пригодный для сжигания в газовых котлах с целью получения тепловой и/или электрической энергии, - в этом случае имеет условно нулевую себестоимость. Это обстоятельство обеспечивает высокую инвестиционную привлекательность данной технологии.
Ещё одной известной технологией газификации бурого угля, является энерготехнологическая переработка угля в среднетемпературный кокс и тепловую энергию в установке с псевдоожиженным (кипящим) слоем топлива. Важным преимуществом данной технологии является возможность её реализации путём реконструкции типовых угольных котлов. При этом сохраняется на прежнем уровне производительность котла по тепловой энергии. Подобный проект реконструкции типового котла реализован, например, на разрезе "Берёзовский" (Красноярский край, Россия). В сравнении с технологией слоевой газификации угля энерготехнологическая переработка угля в среднетемпературный кокс в псевдоожиженном слое отличается существенно более высокой (в 15-20 раз выше) производительностью.
1. Химические свойства каменного угля
2. Классификация каменного угля
3. Образование каменного угля
4.Запасы каменного угля
Каменный уголь — это осадочная порода, представляющая собой глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений).
Химические свойства каменного угля
По химическому составу каменный уголь представляет собой смесь высокомолекулярных ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей. Таковые примеси при сжигании угля образуют золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.
Большинство залежей каменного угля было образовано в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, примерно 300—350 миллионов лет тому назад. По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75 % до 95 %.
Каменный уголь, твёрдое горючее полезное ископаемое растительного происхождения; разновидность углей ископаемых с более высоким содержанием углерода и большей плотностью, чем у бурого угля. Представляет собой плотную породу чёрного, иногда серо-чёрного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью. Содержит 75—97% и более углерода; 1,5—5,7% водорода; 1,5—15% кислорода; 0,5—4% серы; до 1,5% азота; 45—2% летучих веществ; количество влаги колеблется от 4 до 14%; золы — обычно от 2—4% до 45%. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу каменный уголь, не менее 23,8 Мдж/кг (5700 ккал/кг).
Уголь - это остатки растений, погибших многие миллионы лет назад, гниение которых было прервано в результате прекращения доступа воздуха. Поэтому они не смогли отдать в атмосферу отобранный у нее углерод. Доступ воздуха прекращался особенно резко там, где болота и заболоченные леса опускались в результате тектонических подвижек и изменения климатических условий и покрывались сверху другими веществами. При этом растительные останки превращались под воздействием бактерий и грибов (углефицировались) в торф и дальше в бурый уголь, каменный уголь, антрацит и графит.
По составу основного компонента - органического вещества угли подразделяются на три генетические группы: гумолиты, сапропелиты, сапрогумолиты. Преобладают гумолиты, исходным материалом которых явились остатки высших наземных растений. Отложение их произошло преимущественно в болотах, занимавших низменное побережье морей, заливов, лагун, пресноводных бассейнов. Накапливающийся растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф, при этом значительное влияние оказывали обводнённость и химический состав водной среды. Содержание углерода в каменном угле колеблется от 75 до 90 процентов. Точный состав обуславливается месторасположением и условиями преобразования угля. Минеральные примеси находятся либо в тонкодисперсном состоянии в органической массе, либо в виде тончайших прослоек и линз, а также кристаллов и конреций. Источником минеральных примесей в ископаемых углях могут быть неорганические части растений - углеобразователей, минеральные новообразования, выпадающие из растворов вод, циркулирующих в торфяниках и т.д.
В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние - в антрациты. Необратимый постепенного изменения химического состава, физических и технологических свойств органического вещества на стадии превращения от бурых углей до антрацитов носит название метаморфизма углей.
Структурно-молекулярная перестройка органического вещества при метаморфизме сопровождается последовательным повышением в угле относительного содержания углерода, снижением содержания кислорода, выхода летучих веществ; изменяются содержание водорода, теплота сгорания, твердость, плотность, хрупкость, оптичность, электричность и др. физические свойства. Каменные угли на средних стадиях метаморфизма приобретают спекающие свойства - способность гелифицированных и липоидных компонентов органического вещества переходить при нагревании в определенных условиях в пластическое состояние и образовывать пористый монолит - кокс. В зонах аэрации и активного действия подземных вод вблизи поверхности Земли угли подвергаются окислению.
По своему воздействию на химический состав и физические свойства окисление имеет обратную направленность по сравнению с метаморфизмом:
уголь утрачивает прочностные свойства и спекаемость;
в нем возрастает относительное содержание кислорода, снижается количество углерода, увеличивается влажность и зольность, резко снижается теплота сгорания.
Глубина окисления ископаемых углей в зависимости от современного и древнего рельефа, положения зеркала грунтовых вод, характера климатических условий, вещественного состава и метаморфизма колеблется от 0 до 100 метров по вертикали.
Удельный вес каменного угля 1,2 - 1,5 г/см3,теплота сгорания 35000 кДж/кг. Каменный уголь считается пригодным для технологического использования если после сгорания зола составляет 30% или менее. Примитивная добыча ископаемых углей известна с древнейших времён ( , Греция). Существенную роль в качестве топлива уголь стал играть в Британии в 17 веке. Становление угольной промышленности связано с использованием углей, как кокса при выплавке чугуна. Начиная с 19 века крупный приобретатель угля - транспорт. Основные направления промышленного использования угля: производство электроэнергии, металлургического кокса, сжигание в энергетических целях, получение при химической переработке разнообразных (до 300 наименований) продуктов. Возрастает потребление углей для получения высокоуглеродистых углеграфитовых конструкционных материалов, горного воска, пластических масс, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, ароматических продуктов путём гидрогенизации, высоко азотистых кислот для удобрений. Получаемый из каменного угля кокс, необходим в больших количествах металлургической промышленности .
Получение кокса осуществляется на коксохимических заводах. Каменный уголь подвергается сухой перегонке (коксованию) путём нагревания в специальных коксовых печах без доступа воздуха до температуры С. При этом получается кокс - твердое пористое вещество. Кроме кокса при сухой перегонке каменного угля образуются также летучие продукты, при охлаждении которых до 25-75 С образуется каменноугольная смола, аммиачная вода и газообразные продукты. Каменноугольная смола подвергается фракционной перегонке, в результате чего получают несколько фракций:
легкое масло (температура кипения до 170 С) в нем содержится ароматические углеводороды (бензол, толуол, кислоты и др. вещества;
среднее масло (температура кипения 170-230 С). Это фенолы, нафталин;
тяжелое масло (температура кипения 230-270 С). Это нафталин и его гомологи
антраценовое масло - антрацен, фенатрен и др.
В состав газообразных продуктов (коксового газа) входят бензол, толуол, ксиолы, фенол, аммиак и другие вещества. Из коксового газа после очистки от аммиака, сероводорода и цианистых соединений извлекают сырой бензол, из которого выделяют отдельные углеводороды и ряд других ценных веществ.
Аморфный углерод в виде каменного угля, а также многие соединения углероды играют важнейшую роль в современной жизни как источники получения различных видов энергии. При сгорании угля выделяется тепло, которое используется для отопления, изготовления пищи и для многих производственных процессов. Большая же часть получаемого тепла превращается в другие виды энергии и затрачивается на совершение механической работы.
Каменный уголь - твердое горючее, полезное ископаемое растительного происхождения. Он представляет собой плотную породу черного, иногда темно-серого цвета с блестящей матовой поверхностью. Содержит 75-97% углерода, 1,5-5,7% водорода, 1,5-15% кислорода, 0,5-4% серы , до 1,5% азота, 2-45% летучих веществ, количество влаги колеблется от 4 до 14%. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу каменного угля не менее 238МДж/кг.
Каменный уголь образуется из продуктов разложения органических веществ высших растений, претерпевших изменения в условиях давления различных пород земной коры и под воздействием температуры. С возрастанием степени метаморфизма в горючей массе каменный уголь увеличивает содержание углерода и одновременно уменьшает количество кислорода, водорода, летучих веществ. Изменяется также теплота сгорания угля.
Характерные физические свойства каменного угля:
плотность (г/см3) - 1,28-1,53;
механическая прочность (кг/см2) - 40-300;
удельная теплоемкость С (Ккал/г град) - 026-032;
коэффициент преломления света - 1,82-2,04.
Наиболее крупные по объему добычи месторождения каменного угля в мире это Тунгусский, Кузнецкий, Печорский бассейны - в Российской Федерации; Карагандинский - в Казахстане; Аппалачский и Пенсильванский бассейны - в США; Рурский - в Республики Германии; Большой Хуанхэ - в Китае; Южно-Уельский - в Англии ; Валансьен - во Франции и др.
Применение каменного угля многообразно. Он используется как бытовое, энергетическое топливо, для металлургической и химической промышленности , а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Угольная, коксохимическая , отрасли тяжелой промышленности осуществляют переработку каменного угля методом коксования. Коксование- промышленный метод переработки угля путем нагревания до 950-1050 С без доступа воздуха. Основынми коксохимическими продуктами являются: коксовый газ, продукты переработки сырого бензола, каменноугольной смолы, аммиака.
Из коксового газа углеводороды извлекают промывкой в скрубберах жидкими поглотительными маслами. После отгонки от масла, разгонки из фракции, очистки и повторной ректификации получают чистые товарные продукты, как-то: бензол, толуол, ксилолы и др. Из непредельных соединений, содержащихся в сыром бензоле, получают кумароновые смолы, использующиеся для производства лаков, красок, линолеума и в резиновой промышленности. Перспективным сырьем является также циклопентадиен, который также получают из каменного угля. Каменный уголь - сырье для получения нафталина и других индивидуальных ароматических углеводородов. Важнейшими продуктами переработки являются пиридиновые основания и фенолы.
Путем переработки в общей сложности можно получить более 400 различных продуктов, стоимость которых, по сравнению,со стоимостью самого угля, возрастает в 20-25 раз, а побочные продукты, получаемые на коксохимических заводах, превосходят стоимость самого кокса.
Очень перспективным является сжигание (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1т черного золота расходуется 2-3т каменного угля. Из каменных углей получают искусственный графит. Используются они в качестве неорганического сырья. При переработке каменного угля из него в промышленных масштабах извлекают ванадий, германий, серу, галлий, молибден, свинец. Зола от сжигания углей, отходы добычи и переработки используются в производстве стройматериалов, керамики, огнеупорного сырья, глинозема, абразивов. С целью оптимального использования угля производится его обогащение (удаление минеральных примесей).
Каменный уголь содержит до 97% углерода, можно сказать, лежит в основе всех углеводородов, т.е. в их основе лежат атомы углерода. Часто приходится встречаться с аморфным углеродом в виде угля. По строению аморфный углерод - это тот же графит, но в состоянии тончайшего измельчения. Практическое применение аморфных форм углерода разнообразно. Кокс и уголь - как восстановитель в металлургии при выплавке железа.
Классификация каменного угля
Каменный уголь образуются из продуктов разложения органических остатков высших растений, претерпевших изменения (метаморфизм) в условиях давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры. С возрастанием степени метаморфизма в горючей массе каменный уголь последовательно увеличивается содержание углерода и одновременно уменьшается количество кислорода, водорода, летучих веществ; изменяются также теплота сгорания, способность спекаться а др. свойства. На изменении этих качеств, определяемых по результатам термического разложения угля (выход летучих веществ, характеристика нелетучего остатка), строится принятая в СССР промышленная классификация
Каменный уголь по маркам:
длиннопламенные (Д),
газовые (Г),
газовые жирные (ГЖ),
жирные (Ж),
коксовые жирные (КЖ),
коксовые (К),
отощенные спекающиеся (ОС),
тощие (Т),
слабоспекающиеся (СС),
полуантрациты (ПА)
антрациты (А).
Иногда антрациты выделяются в отдельную группу. Для коксования используются в основном каменный уголь марок Г, Ж, К и ОС, частично Д и Т. По мере перехода каменный уголь от марки Д к маркам Т—А происходит уменьшение влаги в рабочем топливе от 14% у каменный уголь марки Д до 4,5—5,0% у марок Т—А; уменьшение содержания (в горючей массе) кислорода от 15% до 1,5%; водорода — от 5,7% до 1,5%; содержание серы , азота и золы не зависит от принадлежности к той или иной марке. Теплота сгорания горючей массы каменный уголь последовательно возрастает от 32,4 Мдж/кг (7750 ккал/кг) у марки Д до 36,2—36,6 Мдж/кг (8650—8750 ккал/кг) у марки К и снижается до 35,4—33,5 Мдж/кг (8450—8000 ккал/кг) у марок ПА и А.
По размеру получаемых при добыче кусков каменный уголь классифицируется на:
плитный (П) — более 100 мм,
крупный (К) — 50—100 мм,
орех (О) — 26—50 мм,
мелкий (М) — 13—25 мм,
семечко (С) — 6—13 мм,
штыб (Ш) — менее 6 мм,
рядовой (Р) — не ограниченный размерами.
Принадлежность к марке и крупность кусков каменный уголь обозначаются буквенными сочетаниями — ДК и пр.
Примерно на таких же принципах, как в СССР, построены классификации каменный уголь в ряде стран Западной Европы. В США наиболее распространена классификация каменный уголь, основанная на выходе летучих веществ и теплоте сгорания, по которой они делятся на суббитуминозные с большим выходом летучих веществ (отвечает сов. маркам Д и Г), битуминозные со средним выходом летучих веществ (соответствует маркам ПЖ и К), битуминозные с малым выходом летучих веществ (ОС и Т) и антрацитовые угли, разделяемые на семиантрациты (частично Т и А), собственно антрациты и метаантрациты (А). Кроме того, существует международная классификация каменный уголь, основанная на содержании летучих веществ, спекаемости, коксуемости и отображающая технологических свойства углей.
Образование каменного угля
Образованиекаменного угля характерно для всех геологических систем начиная от силура и девона, очень широко каменный уголь распространены в отложениях каменноугольной, пермской и юрской систем. Залегают каменный уголь в виде пластов различной мощности (от долей м и до нескольких десятков и более м). Глубина залегания углей различна — от выхода на поверхность до 2000—2500 м и глубже. При современном уровне горной техники добыча rаменного угля может производиться открытым способом до глубины 350 м.
Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода, накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей оценивается примерно в 350 миллионов лет.
Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создается в болотах, где стоячая вода, обеденная кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определенной стадии процесса выделяемые в ходе его кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф — исходный товар для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в уголь.
Под давлением толщи осадков мощностью в 1 километр из 20-метрового слоя торфа получается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра. На большей глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.
Способ добычи угля зависит от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при все большем углублении угольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторождения подземным способом. Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. Самые глубокие шахты на территории России добывают уголь с уровня чуть более 1200 метров.
В угленосных отложениях наряду с углем содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырье для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Например, некоторые угли обогащены германием.
Запасы каменного угля
Общегеологические запасы каменного угля, в СССР около 4700 млрд. т (по подсчётам 1968), в том числе по маркам (в млрд. т): Д — 1719; Д—Г — 331; Г — 475; ГЖ — 69,4; Ж — 156; КЖ — 21,5; К — 105; ОС — 88,2; СС — 634; Т — 205; Т—А — 540; ПА, А — 139.
Наибольшие запасы каменного угля в СССР находятся в Тунгусском бассейне. Самыми крупными разрабатываемыми бассейнами каменного угля в СССР являются Донецкий, Кузнецкий, Печорский, Карагандинский; в США — Аппалачский и Пенсильванский, в Польше — Верхнесилезский и его продолжение в Чехословакии — Остравско-Карвинский, в ФРГ — Рурский, в Китае — Большой Хуанхэбасс, в Англии — Южно-Уэльсский, во Франции — Валансьеннский и в Бельгии — Брабантский. Применение каменного угля многообразно.
Он используется как бытовое, энергетическое топливо, сырьё для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов.
Два десятилетия подряд уголь находился в тени нефтяного бума. Горы не находившего сбыт угля росли в небо. Закрывались многочисленные шахты, сотни тысяч горняков теряли свое . Район Аппалачей США, когда-то цветущий угольный бассейн, превратился в один из наиболее мрачных районов бедствий. Беспорядочный, проходящий под нажимом монополистов переход на дешевую, импортированную - в основном с Ближнего Востока - нефть обрек уголь на роль “золушки”, лишенной будущего. Однако это не произошло в ряде стран , в том числе и в бывшем СССР, которые учитывали преимущества энергоструктуры, опирающейся на национальные ресурсы.
Угольные запасы рассредоточены по всему миру. Большинство промышленных стран ими не обделено. Землю опоясывают две богатые угольные зоны. Одна простирается через страны бывшего СССР, через Китай, Северную Америку до Центральной Европы. Другая, более узкая и менее богатая, идет от Южной Бразилии через Южную Африку в Восточную Австралию.
Наиболее значительные залежи каменного угля находятся в странах бывшего СССР, США и Китае . Каменный уголь доминирует на западе Европы. Главные каменноугольные бассейны в Евразии: Южный Уэльс, Валансьен-Льеж, Саарско-Лотаргинский, Рурский, Астурийский, Кизеловский, Донецкий, Таймырский, Тунгусский, Южно-Якутский, Фуньшуньский; в Африке: Джерада, Абадла, Энугу, Уанки, Витбанк; в Австралии: Большая Синклиналь, Новый Южный Уэльс; в Северной Америке: Грин-Ривер, Юннта, Сан-Хуан-Ривер, Западный, Иллинойский, Аппалачский, Сабинас, Техасский, Пенсильванский; в пылающему континенту: Караре, Хунин, Санта-Катарина, Консепсьон. На Украине следует отметить Львовско-Волынский бассейн и богатый месторождениями Донбасс.
Источники
bse.sci-lib.com/ Большая Советская энциклопедия
ru.wikipedia.org Википедия - свободная энциклопедия
www.bankreferatov.ru рефератов
dic.academic.ru Словари и энциклопедии на Академике
geography.kz География
www.bibliotekar.ru Библиотекар
poddoni.com/ ПаллетЭк
Энциклопедия инвестора . 2013 .
Синонимы :Смотреть что такое "Каменный уголь" в других словарях:
Каменный уголь - Уголь Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая в свою очередь способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией. В 1960… … Википедия
