Каменный уголь

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Каменный уголь
Битуминозный каменный уголь
Химическая структура угля

Каменный уголь — твёрдое горючее полезное ископаемое, промежуточный между бурым углём и антрацитом.

История[править | править код]

Каменный уголь был известен ещё в древнем мире. Первое упоминание о нём связывают с Аристотелем (IV век до н. э.)[1]. Несколькими десятилетиями позже, его ученик Теофраст Эресский в «Трактате о камне» писал:

«… Носят эти ископаемые вещества название антрацита (или угля) … они вспыхивают и горят подобно древесному углю…»[2]

Древние римляне добывали каменный уголь для отопления на территории нынешней Великобритании. В I веке до н. э. в китайской провинции Юньнань уголь нагревали без доступа воздуха и получали кокс[3].

Характеристика[править | править код]

Плотная порода чёрного, иногда серо-чёрного цвета. Блеск смоляной или металлический. В органическом веществе каменного угля содержится 75–92% углерода, 2,5–5,7 % водорода, 1,5–15 % кислорода. Содержит 2–48 % летучих веществ. Влажность 1–12 %. Высшая теплота сгорания в пересчёте на сухое беззольное состояние 30,5–36,8 МДж/кг. Каменный уголь относится к гумолитам; сапропелиты и гумитосапропелиты присутствуют в виде линз и небольших слоёв.

Образование каменного угля характерно почти для всех геологических систем — от девона до неогена (включительно); он активно формировался в карбоне, перми, юре. Залегает уголь в форме пластов и линзовидных залежей различной мощности (от десятков сантиметров до нескольких десятков и сотен метров) на разных глубинах (от выходов на поверхность до 2500 м и глубже).

Каменный уголь характеризуется нейтральным составом органической массы. Он не реагирует со слабыми щелочами ни в обычных условиях, ни под давлением. Битумы каменного угля, в отличие от угля бурого, представлены преимущественно соединениями ароматической структуры. В каменном угле не обнаружены жирные кислоты и эфиры, мало соединений со структурой парафинов.

Угольное вещество является неферромагнитным (диамагнитным), минеральные примеси характеризуются парамагнитными свойствами. Магнитная восприимчивость угля возрастает с увеличением их стадии метаморфизма. По своим тепловым свойствам каменный уголь приближается к теплоизоляторам.

Главные технологические свойства каменного угля, определяющие его ценность: спекаемость и коксовая способность. Стандартный показатель спекания — индекс Рога (RI) и толщина пластического слоя в аппарате Л. М. Сапожникова.

Образование[править | править код]

Каменный уголь образуется из продуктов разложения органических остатков растений, подвергшихся изменениям (метаморфизму) в условиях высокого давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры.

При погружении угленосной толщи на глубину в условиях повышения давления и температуры происходит последовательное превращение органической массы, изменение её химического состава, физических свойств и молекулярного строения. Все эти преобразования обозначаются термином «региональный метаморфизм угля». На конечной (высшей) стадии метаморфизма каменный уголь превращается в антрацит с ярко выраженной кристаллической структурой графита. Кроме регионального метаморфизма, иногда (реже) имеют место преобразования под воздействием тепла изверженных пород, расположенных рядом с угленосными толщами (перекрывающих или подстилающих их) — термальный метаморфизм, а также непосредственно в угольных пластах — контактовый метаморфизм. Рост степени метаморфизма в органическом веществе каменного угля прослеживается последовательным увеличением относительного содержания углерода и уменьшением содержания кислорода и водорода. Последовательно снижается выход летучих веществ (от 50 до 8 % в пересчёте на сухое беззольное состояние), изменяются также теплота сгорания, способность спекаться и физические свойства угля. В частности, линейно меняются блеск, отражательная способность, насыпная масса угля и другие свойства. Другие важные физические свойства (пористость, плотность, спекаемость, теплота сгорания, упругие свойства и другое) изменяются по ярко выраженным параболическим законам или смешанным.

Как оптический критерий стадии метаморфизма угля используется показатель отражательной способности; он применяется также и в нефтяной геологии для установления стадии катагенных преобразований осадочной толщи. Отражательная способность в масляной иммерсии (R0) последовательно возрастает от 0,5–0,65 % для угля марки Д до 2–2,5 % для угля марки Т.

Плотность и пористость каменного угля зависят от петрографического состава, количества и характера минеральных примесей и степени метаморфизма. Наибольшей плотностью (1300–1500 кг/м³) характеризуются компоненты группы фюзинита, наименьшей (1280–1300 кг/м³) — группы витринита. Изменение плотности с повышением степени метаморфизма происходит параболическим законом с инверсией в зоне перехода к группе жирных; в малозольных проявлениях она снижается от угля марки Д к марке Ж в среднем от 1370 до 1280 кг/м³ и затем последовательно возрастает для угля марки Т до 1340 кг/м³.

Общая пористость угля изменяется также по экстремальным законам; для донецкого угля марки Д она составляет 14–22 %, угля марки К 4–8 % и увеличивается (видимо, вследствие разрыхления) до 10–15 % для угля марки Т. Поры в угле разделяют на макропоры (средний диаметр 500×10–10 м) и микропоры (5–15×10-10 м). Промежуток занимают мезопоры. Пористость уменьшается с увеличением стадии метаморфизма. Эндогенная (развитая в процессе образования угля) трещиноватость, которая оценивается количеством трещин на каждые 5 см блестящего угля, зависит от стадии метаморфизма угля: она возрастает до 12 трещин при переходе бурого угля в длиннопламенный уголь и имеет максимум в 35–60 для коксующегося угля и последовательно уменьшается до 12–15 трещин при переходе к антрацитам. Подчинённые такой же закономерности изменения упругих свойств угля — модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига (среза), скорость ультразвука. Механическая прочность каменного угля характеризуется его дробимостью, хрупкостью и твёрдостью, а также временным сопротивлением сжатию.

Классификация, виды[править | править код]

Каменный уголь разделяют на блестящий, полублестящий, полуматовый, матовый. Как правило, блестящие виды угля малозольны вследствие незначительного содержания минеральных примесей.

Среди структур органического вещества угля выделено 4 типа (телинитовый, посттелинитовый, преколинитовый и колинитовый), которые являются последовательными стадиями единого процесса разложения лигниновцеллюлозных тканей. К генетическим группам каменного угля, кроме этих четырёх типов, дополнительно включён лейптинитовый уголь. Каждая из пяти генетических групп по типу вещества микрокомпонентов угля разделена на соответствующие классы.

Существует много видов классификаций каменного угля: по вещественному составу, петрографическому составу, генетические, химико-технологические, промышленные и смешанные. Генетические классификации характеризуют условия накопления угля, вещественные и петрографические — его вещественный и петрографический состав, химико-технологические — химический состав угля, процессы формирования и промышленной переработки, промышленные — технологическое группировки видов угля в зависимости от требований промышленности. Классификации угля в пластах используются для характеристики угольных месторождений.

Промышленная классификация угля[править | править код]

За основу промышленной классификации каменного угля в отдельных странах принимаются различные параметры свойств и состава угля: в США каменный уголь классифицируют по теплоте сгорания, содержанием связанного углерода и относительным содержанием летучих веществ, в Японии — по теплоте сгорания, так называемым топливным коэффициентам и прочностью коксов либо неспособностью к коксованию. В СССР в 1954 году как основная промышленная классификация действовала разработанная в 1930 году В. С. Крымом так называемая Донецкая классификация. Она называется иногда «марочной», одновременно является и генетической, поскольку положенные в её основу изменения свойств угля отражают их связь с генетическим развитием органического вещества угля.

Залежи[править | править код]

Доказанные запасы угля на 2006 год, в млн тонн[4]
Страна Каменный уголь Бурый уголь Всего %
США 111 338 135 305 246 643 27,1
Россия 49 088 107 922 157 010 17,3
Китай 62 200 52 300 114 500 12,6
Индия 90 085 2360 92 445 10,2
Австралия 38 600 39 900 78 500 8,6
Южная Африка 48 750 0 48 750 5,4
Украина 16 274 17 879 34 153 3,8
Казахстан 28 151 3128 31 279 3,4
Польша 14 000 0 14 000 1,5
Бразилия 0 10 113 10 113 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 478 771 430 293 909 064 100,0

Каменный уголь сосредоточен в Донецком каменноугольном бассейне и в Львовско-Волынском угольном бассейне (Украина); Карагандинском (Казахстан); Южно-Якутском, Минусинском, Буреинском, Тунгусском, Ленском, Таймырском (Россия); Аппалачском, Пенсильванском (Северная Америка), Нижнерейнско-Вестфальском (Рурском — Германия); Верхнесилезском, Остравско-Карвинском (Чехия и Польша); бассейне Шаньси (Китай), Южно-Валлийском бассейнах (Великобритания).

Среди крупнейших каменноугольных бассейнов, промышленная разработка которых началась в XVIII-XIX вв., выделяют Центральную Англию, Южный Уэльс, Шотландию и Ньюкасл (Великобритания); Вестфальский (Рур) и Саарбрюккенский бассейны (Германия); месторождения Бельгии и Северной Франции; бассейны Сент-Этьенна (Франция); Силезии (Польша); Донецкий бассейн (Украина).

Использование[править | править код]

Каменный уголь используется как технологическое, энерго-технологическое и энергетическое сырьё, при производстве кокса и полукокса в связи с получением из них большого количества химических продуктов (нафталин, фенол, пек и так далее), на основе которых получают удобрения, пластмассы, синтетические волокна, лаки, краски и так далее.

Одно из самых перспективных направлений использования каменного угля — сжижение (гидрогенизация угля) с получением жидкого топлива. Существуют различные схемы неэнергетического использования каменного угля на основе термохимической, химической и другой переработки с целью их полного комплексного использования и обеспечения охраны окружающей среды.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Аристотель. Метеорологика // Соч. Т. 3. - М .: Мысль, 1981. - С. 441-558
  2. Наумов Л. С. На орбите кокса. / Л. С. Наумов, Л. Д. Соболев. - М.: Металлургия, 1984. - 96 с.
  3. Харлампович Г. Д. Чёрный хлеб металлургии. / Г. Д. Харлампович, А. А. Кауфман - М.: Металлургия, 1983. - 160 с.
  4. BP Statistical review of world energy June 2007 (англ.). Проверено 2 апреля 2008. Архивировано 6 февраля 2009 года.

Литература[править | править код]