Ископаемый уголь

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Уголь

Ископаемый уголь — полезное ископаемое, вид топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Международное название углерода происходит от лат. carbō («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 среднем, сжигание одного килограмма этого вида топлива приводит к выделению 2,93 кг CO2 и позволяет получить 23-27 МДж (6,4-7,5 кВт·ч) энергии[1] или, при КПД 30 % — 2,0 кВт·ч электричества. В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, к 1970 году его доля упала до одной трети. Использование угля увеличивается в периоды высоких цен на нефть и другие энергоносители.

Образование угля[править | править вики-текст]

Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода (примерно 400 млн лет назад), 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 300—400 миллионов лет[2].

Образование больших объёмов каменного угля, скорее всего, прекратилось после появления грибов, вызывающих белую гниль, так как эти грибы полностью разлагали лигнин, служащий предшественником каменных углей[3].

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 него 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 километра, 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.

В результатах движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счёт эрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности. Образование наиболее мощных угольных пластов связано с областями земной коры, которые на протяжении значительного времени — в течение миллионов лет — подвергались постепенному тектоническому опусканию со скоростью накопления торфа на поверхности. В отдельных случаях, как, например, в Хат-Крик (англ.)русск. (Канада), суммарная мощность пакета угольных пластов достигает 450 м[4]

Виды угля[править | править вики-текст]

Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля — растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа: бурые угли (лигниты), каменные угли, антрациты и графиты. В западных странах имеет место несколько иная классификация — лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.

Антрацит[править | править вики-текст]

Антрацит — самый глубоко прогревавшийся при своем возникновении 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). Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.

Каменный уголь[править | править вики-текст]

Каменный уголь — осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). 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 %. Содержат до 12 % влаги (3-4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания по сравнению с бурыми углями. Содержат до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.

Бурый уголь[править | править вики-текст]

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. 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.


Добыча угля[править | править вики-текст]

Способы добычи угля зависят от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при всё 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 Российской Федерации 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.

Доказанные запасы угля[править | править вики-текст]

Доказанные запасы угля на 2013 год в млн тонн [5]
Страна Каменный уголь Бурый уголь Всего %
США 108501 128794 237295 26,62%
Россия 49088 107922 157010 17,61%
Китай 62200 52300 114500 12,84%
Австралия 37100 39300 76400 8,57%
Индия 56100 4500 60600 6,80%
МИР 403199 488332 891531 100

Уголь в России[править | править вики-текст]

История добычи угля в России[править | править вики-текст]

Пётр I впервые познакомился с углём в 1696 году, возвращаясь из первого Азовского похода в районе нынешнего г. Шахты (до революции Александровск-Грушевск). Во время отдыха на берегу Кальмиуса царю показали кусок чёрного, хорошо горящего минерала. «Сей минерал, если не нам, то потомкам нашим зело полезен будет», — сказал Пётр I.

Рудознавец крепостной крестьянин Григорий Капустин в 1721 году открыл каменный уголь близ притока Северского Донца — реки Курдючьей и доказал его пригодность для использования в кузнечном и железоделательном производствах. В декабре 1722 года Пётр I именным указом послал Капустина за пробами угля, а затем было предписано снаряжение специальных экспедиций для разведки угля и руды.

В 1722 году Берг-коллегия предложила В. И. Геннину, ведавшему уральскими и сибирскими заводами, «иметь старание о прииске каменного угля как и в прочих европейских государствах обходятся дабы оным лесам теми угольями было подспорье».

Группа С. Костылева в 17201721 годах вела поиски полезных ископаемых в северных предгорьях Алтая. В феврале 1722 года М. Волков сделал заявку на железную руду, найденную им в Томском уезде, и уголь, обнаруженный им в «горелой горе» в семи верстах от Верхотомского острога, на территории современного города Кемерово.

Становление угольной промышленности в России относится к первой четверти XIX в., когда уже были открыты основные угольные бассейны.

Добыча и запасы угля в России[править | править вики-текст]

В России сосредоточено 5,5 % мировых запасов угля, 272,1 млрд тонн общих запасов, в т.ч. разведанных - 193 млрд. тонн. Такая разница с процентом доказанных запасов угля обусловлена тем, что большая часть не пригодна к разработке, так как находится в области вечной мерзлоты. 70 % приходится на запасы бурого угля.

Добыча угля в России (РСФСР), млн. тонн[6]

  • 1990 год — 395.
  • 2004 год — 282. 76,1 млн тонн было отправлено на экспорт.
  • 2005 год — 299. 79,61 млн тонн было отправлено на экспорт.
  • 2006 год — 310.
  • 2009 год — 301.
  • 2010 год - 323.
  • 2011 год - 334.
  • 2012 год - 354
  • 2013 год - 352.

Крупнейшие перспективные месторождения[править | править вики-текст]

Эльгинское месторождение (Республика Саха (Якутия)). 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[править | править вики-текст]

В 2004 году добыча составляла:

Крупнейшие угольные компании России[править | править вики-текст]

Крупнейшие производители угля (США)[править | править вики-текст]

Транспортировка угля баржами

В 2004 году добыча составляла:

  • Peabody Energy — 198 млн тонн.
  • Arch Coal — 123 млн тонн.
  • Consol Energy — 67 млн тонн.
  • Foundation — 61 млн тонн.
  • Massey — 42 млн тонн.

Потребление угля[править | править вики-текст]

Потребление угля в миллионах тонн.

Регион 2001 2005 Изменение
Китай 1383 2757 +99,3 %
США 1060 1567 +47,8 %
Западная Европа 574 463 −19,3 %
Страны бывшего СССР 446 436 −2,2 %
Индия 360 611 +69,7 %
Япония 166 202 +21,7 %
Остальной мир 1274 1538 +20,7 %
ВСЕГО 5263 7574 +43,9 %

Применение угля[править | править вики-текст]

Буроугольные брикеты

В Англии в 1735 году научились выплавлять чугун на коксе. Применение каменного угля многообразно. Он используется как бытовое, энергетическое топливо, сырье для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Очень перспективным является сжижение (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1т нефти расходуется 2-3т каменного угля, в период эмбарго ЮАР практически полностью обеспечивала себя топливом за счёт этой технологии. Из каменных углей получают искусственный графит.

Стоимость угля[править | править вики-текст]

Стоимость сильно различается, так как сильное влияние оказывают качество угля и стоимость транспортировки. В целом по России цены колеблются от 60-400 рублей за тонну (2000 г.) до 600—1300 рублей за тонну (2008 г.). На мировом рынке цена достигла 300 $ за тонну (2008), а затем опустилась до 3500-3650 рублей за тонну (2010).

Газификация угля[править | править вики-текст]

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 КАТЭКНИИ уголь 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.[7]

Сжижение угля[править | править вики-текст]

Уголь в качестве топлива[править | править вики-текст]

Роль угля в энергетическом балансе

В России в 2005 году доля угля в энергобалансе страны составляла около 18 процентов (в среднем по миру 39 %), в производстве электроэнергии — немногим более 20 процентов. Доля угля в топливном балансе РАО ЕЭС составила в 2005 году 26 %, а газа — 71 %. В связи с высокими мировыми ценами на газ российское правительство намеревалось увеличить долю угля в топливном балансе РАО ЕЭС до 34 % к 2010 году, однако данным планам не суждено было сбыться из-за прекращения деятельности РАО ЕЭС в 2008 году.

Трудности использования угля в качестве энергетического топлива

Несмотря на происходящие экономические изменения, стоимость 1 тонны условного топлива (тут) на угле в большинстве случаев является самой низкой по сравнению с мазутом и газом. Основная трудность использования угля состоит в высоком уровне выбросов от сжигания угля — газообразных и твёрдых (зола). В большинстве развитых стран, впрочем, и в России, действуют жёсткие требования по уровню выбросов, допустимых при сжигании угля. В странах ЕС используются жёсткие штрафные санкции к ТЭЦ, превышающим нормы (вплоть до 50 евро за каждый выработанный МВт*ч электроэнергии). Выходом из ситуации является использование различных фильтров (например, электрофильтров) в газоходах котлов, либо сжигание угля в виде водоугольных суспензий (Водоугольное топливо). В последнем случае из-за более низкой температуры горения угля существенно (до 70 %) снижаются выбросы оксидов NOx (температурный NOx). Зола, получаемая от сжигания угля, в ряде случаев может быть использована в строительной индустрии. Ещё в СССР были разработаны ГОСТы, предусматривающие добавку золы в шлакопортландцементы. Трудность использования золы заключается в том, что удаление золы происходит в большинстве случаев путём гидрозолоудаления, что затрудняет её погрузку для дальнейшей транспортировки и использования.

Удельная теплота сгорания угля в сравнении с другими веществами[править | править вики-текст]

Вещество Удельная теплота сгорания, МДж/кг
 Порох 2,9 — 5,0
 Торф 8,1
 Дрова (березовые, сосновые) 10,2
 Уголь бурый 15,0
 Метанол 22,7
 Спирт этиловый 25,0
 Уголь каменный 29,3
 Условное топливо 29,31 (7000 ккал/кг)
 Уголь древесный 31,0
 Мазут 39,2
 Нефть 41,0
 Дизельное топливо 42,7
 Керосин 43
 Бензин 44,0
 Этилен 48,0
 Пропан 47,54
 Метан 50,1
 Водород 120,9

Влияние на экологию[править | править вики-текст]

Ископаемый уголь содержит вредные тяжелые металлы, такие как ртуть и кадмий (концентрация от 0,01 до 0,0001 % от массы)[источник не указан 270 дней].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]