Применение каменного угля


Основные плюсы и минусы угольной промышленности

Современная промышленность очень энергоемка. Она требует огромного количества энергии, и эта потребность растет с каждым годом. Хотя человечество ищет различные пути решения этой проблемы, на сегодняшний день единственный выход – это использование ископаемого топлива и наращивание его добычи. Помимо уже ставших традиционными нефти и газа, в их число также входят уран, горючие сланцы, торф и каменный уголь.

Об угле

Каменный уголь – твердое полезное ископаемое, которое используется в качестве топлива в основном на теплоэлектростанциях. Почти половина мирового электричества вырабатывается именно на нем.

Всего существует три вида: бурый уголь, собственно каменный уголь и антрацит. В этом ряду самым низким сортом по качеству считается бурый уголь, который представляет собой «недозревший» каменный уголь. Ну а самым высококачественным является антрацит.


Каменный уголь образуется из остатков растений, которые подвергались различным превращениям своего состава на протяжении миллионов лет под землей в условиях высокого давления и температуры. Процесс этот начался еще 300 млн. лет назад в эпоху древовидных папоротников и по сути не прекращается до сих пор.

Добывается он открытым способом в карьерах и закрытым, который знаком практически любому – в шахтах. Нередки случаи, когда открытый способ добычи со временем переходит в закрытый, то есть карьер на определенной стадии превращается в шахту.

Основные его запасы располагаются в странах Северной Америки, Европы, стран СНГ и Азии. Считается, что очень много каменного угля находится в Антарктиде.

Уголь идет

Преимущества

  • Угля очень много. Вообще, полезные ископаемые – это невозобновляемые источники энергии. Поэтому множество ученых уже давно скрупулёзно подсчитывают, на сколько лет при текущем уровне использования хватит того или иного ресурса. Самые пессимистичные оценки дают такую картину: нефть – 30 лет, природный газ – 50 лет, каменный уголь – 250 лет.
  • Дешевизна. Если в начале ХХ века основным видом топлива был именно каменный уголь, то с развитием промышленности в первый ряд выдвинулись нефть природный газ, задвинув своего конкурента. Такое положение дел сохранялось до 90 – х годов, пока цены на нефть не поползли вверх. Тогда-то и вспомнили о более дешевой замене традиционным энергоносителям.

  • Стабильные цены. Рынок каменного угля не подвержен лихорадочным настроениям, присущим мировому нефтяному рынку. Резкие скачки цен, на которые способны повлиять даже высказывания отдельных публичных личностей, незнакомы в угольном секторе промышленности.
  • Широкий спектр применения. Помимо собственно выработки электроэнергии, каменный уголь применяется и в других отраслях промышленности. К примеру, в металлургии для выплавки чугуна используется кокс, который получается при нагревании каменного угля без доступа кислорода до высоких температур – порядка 1000 0С. Также уголь используется в химической промышленности для получения около 400 различных веществ: нафтана, фенола и других. Самый новый способ применения угля – получение из него жидкого топлива.
  • Логистика. Развитие мировых путей сообщения и средств транспортировки – морских кораблей – углевозов, железной дороги – требовалось как раз для доставки каменного угля. И современные реалии таковы, что добыча угля и его сбыт могут происходить на разных точках планеты, но цена перевозки будет несильно отличаться от его доставки в соседний город.

Много угля

Недостатки

  • Низкая теплота сгорания. Не самая последняя причина, по которой каменный уголь уступил пальму первенства в звании на «топливо номер 1» состоит в том, что нефть и газ гораздо более энергоёмкие. Другими словами, при сжигании 1 кг нефти или метана выделяется примерно в полтора раза больше теплоты, чем при сжигании такого же количества самого лучшего антрацита.
  • Влияние на экологию. Сжигание угля, состоящего из практически чистого углерода, высвобождает в атмосферу огромное количество углекислого газа, который, как известно, является одним из самых главных парниковых газов. Чтобы снизить нагрузку на атмосферу планеты, некоторые страны должны и вовсе отказаться от его использования. В частности, это Россия, Китай и США – самые крупные его потребители.
  • Большие финансовые затраты. Угольная промышленность в последние несколько десятков лет приходит в упадок. Оборудование стареет, а финансовая помощь государства ослабевает с каждым годом. Как следствие, по миру закрывается большое количество шахт.
  • Сложность добычи. Большинство месторождений угля находится на большой глубине под землей, иногда в нескольких сотнях метров. Практически везде широко используется ручной труд горняков, а при его добыче образуются метан и угольная пыль, которые при малейшей искре могут вызвать пожар.

  • Высокая опасность для жизни. Аварии на шахтах происходят постоянно. Причины здесь разные: это и низкая технологическая дисциплина, пренебрежение правилами безопасности, повышенная сложность добычи. Случаев со смертельным исходом хватает. Число жертв иногда может доходить до нескольких сотен. К примеру, в Германии в 1962 году в шахте, расположенной в земле Саар, погибло 298 горняков. В Турции авария, случившаяся в 1992 году, унесла жизни 270 шахтеров. В Китае после очередной катастрофы были вынуждены закрыть тысячу шахт, которые не отвечали требованиям безопасности.

Шахтеры

Заключение

К настоящему моменту из всех источников энергии самым долгоиграющим был и остается уголь. Нефти и газа хватит ненадолго, АЭС вызывают большие опасения в обществе, а возобновляемые источники энергии (ветер, Солнце, геотермальная энергия и гидроэлектростанции) либо находятся в зачаточном состоянии, либо не распространены широко в силу объективных причин. Поэтому в ближайшем будущем развитие получит именно угольная промышленность. Существенные финансовые вливания обеспечат развитие новых технологий добычи, повышение его эффективности и снижение опасности для жизни.

Уголь, ископаемый уголь, каменный уголь, бурый уголь и антрацит.


Уголь представляет собой органическое вещество, образовавшееся под действием биохимических, физико-химических и физических процессов из остатков древних растений.

Ископаемый уголь:

Уголь – это полезное ископаемое, твердая горючая осадочная порода, вид ископаемого топлива, образовавшийся из остатков древних растений (водорослей, древовидных папоротников, хвощей, плаунов, первых голосеменных растений) вследствие опускания их на большие глубины под землю, под высокими температурами и без доступа кислорода.

Представляет собой органическое вещество, образовавшееся под действием биохимических, физико-химических и физических процессов из остатков древних растений.

Название такого химического элемента как углерод происходит от лат. «carbo», что в переводе означает «уголь».

Уголь как вид топлива является невозобновляемым природным ресурсом. Он накапливался на Земле миллионы лет.

Уголь был первым видом ископаемого топлива, используемым человечеством. Сегодня он, как топливно-энергетический ресурс, занимает по значимости второе место после нефти. Запасов угля на планете Земля хватит как минимум на 270 лет.

Образование угля

В далеком геологическом прошлом Земля была покрыта густыми лесами и растительностью, которые под действием естественных и геологических процессов оказались похороненными в толще недр, не успев разложиться или окислиться. По мере увеличения поверхностного слоя осадков остатки древних растений опускались всё ниже и ниже. При этом росло давление и росла температура. Доступ к кислороду был закрыт. Из-за высокого давления и повышенной температуры мертвая растительность постепенно преобразовывалась в торф – исходный продукт для образования угля. Данный процесс называется также торфообразование.


Затем торф при тех же внешних условиях (под влиянием повышенной температуры и давления) преобразовывался в бурый уголь (процесс называется диагенез угля).  После чего, бурый уголь в результате изменения химического состава, структуры и физических свойств под влиянием повышенной температуры и давления (т.е. при тех же внешних условиях) последовательно превращался в каменный уголь и антрацит.

Под давлением наслоений осадков толщиной в один километр из 20-метрового слоя торфа получился пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает трёх километров, то такой же слой торфа превращался в пласт каменного угля толщиной в 2 метра. На большей глубине, порядка шести километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становился пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.

В результате движения земной коры угольные пласты испытывали складкообразование и поднятие вплоть до самой поверхности Земли. Благодаря чему стало возможным их извлечение из недр Земли, в том числе открытым способом.

Классификация углей. Виды, классы, категории, типы, подтипы и пр. ископаемых углей


В основе классификации ископаемых углей лежит следующий комплекс параметров:

– среднее значение произвольного показателя отражения витринита, в %,

– высшая теплота сгорания на влажное беззольное состояние, в МДж/кг,

– выход летучих веществ на сухое беззольное состояние, в %,

– сумма фюзенизированных компонентов на чистый уголь, в %,

– максимальная влагоемкость на беззольное состояние, в %,

– выход смолы полукоксования на сухое беззольное состояние, в %,

– толщина пластического слоя, в мм,

– показатель свободного вспучивания, в ед.,

– объемный выход летучих веществ на сухое беззольное состояние, в см/г,

– показатель анизотропии отражения витринита, в %.

Данные параметры определены ГОСТом 25543-2013 «Угли бурые, каменные и антрациты. Классификация по генетическим и технологическим параметрам».

В зависимости от величины среднего показателя отражения витринита, высшей теплоты сгорания на влажное беззольное состояние и выхода летучих веществ на сухое беззольное состояние (т.е. в зависимости от первых трех параметров) различают три вида ископаемого угля: бурый уголь, каменный уголь и антрацит. См. таблицу ниже.

Таблица 1. Разделение ископаемых углей на виды.


Вид угля Средний показатель отражения витринита, % Высшая теплота сгорания на влажное беззольное состояние, МДж/кг Выход летучих веществ на сухое беззольное состояние, %
Бурый уголь Менее 0,60 Менее 24
Каменный уголь От 0,40 до 2,59 включительно 24 и более 8 и более
Антрацит От 2,20 и более Менее 8

Бурый уголь – это уголь низкой стадии метаморфизма с показателем отражения витринита менее 0,60% при условии, что высшая теплота сгорания (на влажное беззольное состояние угля) составляет менее 24 МДж/кг.

Каменный уголь – это уголь средней стадии метаморфизма с показателем отражения витринита от 0,40% до 2,59% при условии, что высшая теплота сгорания (на влажное беззольное состояние угля) равна или выше 24 МДж/кг, а выход летучих веществ (на сухое беззольное состояние угля) равен 8% и более.

Антрацит – это уголь высокой стадии метаморфизма с показателем отражения витринита 2,20% и выше при условии, что выход летучих веществ (на сухое беззольное состояние угля) не менее 8%.

Но эта классификация углей неполная. Существует еще несколько видов углей, которые в обиходе не встречаются, но используются в специальной и научной литературе. Они представляют разновидности вышеприведенных видов. Например, лигнит, суббитуминозный уголь, а также окисленный уголь (выветрелый уголь). Они приведены в ГОСТе 17070-87 «Угли. Термины и определения».


Лигнит – разновидность бурого угля, представленная ископаемой слабоуглефицированной древесиной бурого цвета, сохранившей анатомическое строение растительных тканей. По внешнему виду лигнит сходен с неизменной древесиной.

Окисленный уголь (выветрелый уголь) – это уголь, изменивший свойства в результате воздействия кислорода и влаги при залегании в пластах или при хранении.

По происхождению ископаемые угли делятся на следующие виды: гумолиты, липтобиолиты и сапропелиты.

Гумолит – уголь, образовавшийся преимущественно из продуктов превращения отмерших высших растений.

Липтобиолит – гумолит, образовавшийся преимущественно из биохимически устойчивых компонентов растений, к которым относятся кутикулы, споры, пыльца, смолистые вещества и пробковые ткани.

Сапропелит – уголь, образовавшийся преимущественно из продуктов превращения отмерших низших растений и простейших животных организмов в анаэробных условиях.

Бурые угли, каменные угли и антрациты в зависимости от генетических особенностей делят на:

– классы – по среднему показателю отражения витринита,

– категории – по содержанию фюзенизированных компонентов на чистый уголь.

Ископаемые угли в зависимости от технологических особенностей делят на типы и подтипы – по остальным параметрам.

Класс, категория, типы и подтип ископаемого угля отражается в его кодировке, состоящей из 7 цифр. Это принято для удобства, чтобы четко определить физические и химические характеристики и свойства угля.

Марки угля


Бурые угли, каменные угли и антрациты в зависимости от их технологических свойств и генетических характеристик (т.е. в зависимости от класса, категории, типа и подтипа ископаемого угля, что отражено в его маркировке) объединяют в марки, технологические группы и подгруппы согласно ГОСТа 25543-2013, которые определяют направление дальнейшего использования ископаемых углей.

Данным ГОСТом установлены следующие марки ископаемых углей: бурый, длинно-пламенный, длинно-пламенный газовый, газовый, газовый жирный отощенный, газовый, жирный, коксовый жирный, коксовый, коксовый отощенный, коксовый слабоспекающийся низкометаморфизированный, коксовый слабоспекающийся, отощенный спекающийся, тощий спекающийся, слабоспекающийся, тощий, антрацит. Всего 16 марок углей.

Таким образом, в зависимости от кодировки конкретного ископаемого угля можно четко установить его марку, технологическую группу и подгруппу, а также направление дальнейшего использования (технологическое, энергетическое, в производстве строительных материалов и пр.).

Например, уголь шахты им.Ленина пласта XVII Кузнецкого бассейна характеризуется следующими показателями:

– показатель отражения витринита 1,48 %;

– содержание фюзенизированных компонентов 43 %;

– выход летучих веществ 18,3 %;

– толщина пластического слоя 10 мм.

Этот уголь в соответствии с ГОСТ 25543-2013 относится к классу 14, категории 4, типу 18, подтипу 10. Кодовое число 1441810. Далее, данный уголь относится к марке ОС (отощенный спекающийся), группе 1ОС (первый отощенный спекающийся), подгруппе 1ОСФ (первый отощенный спекающийся фюзинитовый). Соответственно его можно использовать в технологическом направлении – в слоевом коксовании.

Бурый уголь

Бурый уголь – твёрдый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, наиболее молодой из ископаемых углей. Образуется из отмерших органических остатков под повышенным давлением и под действием повышенной температуры на глубинах порядка одного километра.

Имеет черно-бурый или чёрный цвет, реже бурый (черта на фарфоровой плитке всегда бурая).

Содержит 50-77 % углерода, 20-30 % (иногда до 40 %) влаги (воды) и большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Благодаря своему химическому составу бурый уголь легче горит, даёт больше дыма, запаха.

Так как содержит много воды, поэтому имеет низкую теплоту сгорания – менее 24 МДж/кг. На воздухе бурый уголь быстро теряет влагу, растрескивается и превращается в порошок.

Антрацит

Антрацит – твёрдый ископаемый уголь, уголь наиболее высокой степени углефикации (метаморфизма). Образуется под повышенным давлением и под действием повышенной температуры из каменного угля на глубинах порядка шести километров. Являеися переходной формой от каменного угля к графиту.

Имеет насыщенный черный или чёрно-серый цвет и металлический блеск.

Содержит 95 % углерода, 1-3% влаги (воды) и до 8 % летучих веществ. Горит быстро, без дыма и пламени.

Запасы антрацита составляют всего лишь три процента от общего объема мировых запасов угля.

Добыча угля

Способы добычи угля зависят от глубины его залегания.

Добыча угля ведется в основном открытым и шахтным способом.

В первом случае добыча ведется, если глубина залегания угля не превышает 100 метров.  При открытой добыче угля из недр извлекается практически весь уголь. С другой стороны, она сопровождается ухудшением экологической обстановки в районах добычи и переработки угольной продукции. После добычи остаются оголенные территории, отвалы пустой породы, отстойники и пр. Открытым способом добывает в основном бурый уголь, реже – каменный.

Шахтным способом добывают каменный уголь и антрацит, реже – бурый уголь. Глубина шахт достигает до 1300-1500 метров. По сравнению с открытой добычей при обычной шахтной добыче угля около 40 % угля не извлекается.

Также используются следующие способы добычи угля: камерно-столбовая разработка угля, гидравлическая добыча угля, разработка угля лавами. Последние два способа являются наиболее перспективными.

Сферы применения

Около 25% потребляемого объема каменного угля используется для технологических целей на промышленных предприятиях. Его перерабатывают либо применяют как сырье для производства кокса. Остальные 75% идут на выполнение энергетических задач. При этом больше половины этого объема используется в тепловых электрических станциях, а оставшаяся часть – в районных и промышленных котельных, а также для коммунально-бытовых, сельскохозяйственных, строительных и иных нужд.

Каменный уголь востребован во многих странах мира. С каждым годом объемы его использования только возрастают.

Таблица потребления каменного угля согласно последним статистическим данным (за 2015 год)

N Страна Объём (миллион тонн)
1 Китайская Народная Республика 3732
2 Индия 990
3 Соединённые Штаты Америки 730
4 Германия 232
5 Россия 207
6 Япония 190

Таким образом, на первом месте по потреблению находится Китай, а Россия занимает пятую позицию.

Для наглядности, ниже представлены статистические данные о добыче каменного угля по всему миру в миллионах тонн.

Таблица добычи каменного угля согласно последним статистическим данным (за 2015 год)

N Страна Объём (миллион тонн)
1 Китайская Народная  Республика 3523
2 Индия 716
3 Соединённые Штаты Америки 702,3
4 Австралия 481,3
5 Индонезия 461
6 Россия 408,9

Как и в таблице по потреблению, первое место по добыче занимает Китай. Россия расположилась на 6 месте.

А теперь перечислим основные сферы применения каменного угля:

  • Для отопления
  • Для удобрения почвы
  • Для получения жидкого топлива
  • Другие области использования

Ниже мы расскажем более подробно о каждом предназначении.

Для отопления

Основное применение каменного угля – это отопление зданий и помещений. Его используют и для печного отопления частных домов, и для промышленных котельных.

У нас вы можете купить каменный уголь для:

  • Промышленных котлов
  • Домашних котлов

Пройдя по ссылкам, вы сможете узнать, какой именно вид топлива подходит для домашнего и промышленного отопления.

В этой сфере каменный уголь обладает массой преимуществ:

  • Одна закладка топлива в котел горит в течение 10-12 часов.
  • Сырье можно использовать и в стационарных печках, и в переносных котлах.
  • У каменного угля высокая теплота сгорания – лучшим считается тот, у которого показатель теплоотдачи выше 4700 ккал/кг.
  • Топливо легко перевозить и хранить.
  • Для отопления каменным углем не нужно сооружать сложные конструкции. Так, например, для газа прокладывают газопровод, для электрического отопления – электрическую сеть. В случае с углем все это не требуется.

Рассматривая преимущества использования каменного угля, нельзя не сказать о том, что при сгорании из него образуются парообразные и газообразные летучие продукты. Они негативно влияют на окружающую среду. При сгорании можно увидеть серовато-желтый, светло-серый или темно-серый дым. У древесного топлива он легкий и поднимается вверх, а у каменного угля он более темный и тяжело рассеивается в атмосферных слоях.

Негативные последствия использования каменного угля проявляются тем, что в почве оседают вредные соединения. Затем они попадают в растительные культуры, а потом по пищевой цепочке в организм животных и человека. Поэтому применение каменного угля низкого качества может негативно сказаться на здоровье людей. По этой причине перед продажей материал проверяются специалистами Роспотребнадзора.

Для того чтобы отопление каменным углем было эффективным, при выборе учитывается много факторов:

  • Площадь объекта
  • Толщина и материал стен
  • Тип и состояние дверей и окон
  • Вид котла или печи
  • Схема закладки сырья
  • Продолжительность холодного периода и температура в регионе

Для удобрения почвы

Для почвы каменный уголь используют в виде золы. Ее вносят при выращивании растений, которые сильно нуждаются в сере.

К культурам, которые можно удобрять золой каменного угля, относятся:

  • Лук
  • Горчица
  • Бобовые
  • Чеснок
  • Капуста
  • Хрен
  • Редька

При внесении угольной золы нужно учитывать, что в глинистые и тяжелые грунты ее вкапывают на глубину 20 см. Из-за вымывания осадками ее вносят в глинистые почвы под зиму, а в песчаные – весной.

Каменноугольное удобрение применяют в виде:

  • Раствора
    Он готовится следующим образом: на 10 л воды добавляют 100 г угольной золы. Им поливают растения под корень. Перед применением раствор обязательно нужно разболтать, так как на дне емкости образуется осадок.
  • Настоя
    10-литровое ведро наполняют на 1/3 золой и до краев наливают горячую воду. Смесь настаивают 2 дня, процеживают и используют для опрыскивания или внекорневой подкормки огородных и садовых культур.
  • Сухого удобрения
    Его вносят не более 3 кг на 100 м2, раскидывая по участку и перекапывая на глубину минимум 10 см.

Подкормка каменным углем содержит сульфиты, которые могут негативно повлиять на растения. Но сульфиты под воздействием кислорода окисляются, и отрицательное воздействие нивелируется. По этой причине золу после сгорания сразу не вносят, а просеивают и просушивают в сухом месте около 7-10 дней. После этого ее нужно или сразу вносить, или хранить в герметично закрытой таре.

В золе каменного угля содержатся окислы кремния, благодаря которым можно разрыхлить тяжелые глинистые и мокрые земли. Они усиливают структуру однородного грунта, увеличивая его влагопропускную способность и плодородие. Еще одной важной особенностью считается практически полное отсутствие хлора, который в больших количествах губительно воздействует на растения.

Каменноугольное удобрение не используется в песчаных грунтах и земле с высокой кислотностью. Дело в том, что в нем много серы, которая преобразуется в соли серной кислоты и способствует повышению кислотности. Рекомендуется сочетать золу с органическими (навоз, помет, перегной), аммониевыми и содержащими кальций подкормками.

Стоит отметить, что вносить золу каменного угля нужно в объеме не больше 5% от общей массы земли. Дело в том, что после сгорания в ней образуются тяжелые металлы и радиоактивные элементы.  Избыточное внесение может привести к накоплению этих веществ, которые поглотят растения. Таким образом, только соблюдая пропорции, можно повысить плодородность грунта без вреда для растений.

О том, как еще можно улучшить плодородность земли, читайте на странице Плодородие почвы: как его сохранить и повысить.

Для получения жидкого топлива

Главная проблема при использовании каменного угля – это много остаточных продуктов горения. Это привело к тому, что ученые создали способы получения жидкого топлива из угля. Такой синтетический топливный продукт имеет более удобную форму сжигания и не содержит много вредных компонентов.

Есть два проверенных способа:

  • Гидрогенизация
  • Газификация

Далее мы рассмотрим каждый способ.

Гидрогенизация

Для получения 800 кг топлива берут 1 т каменного угля. Для процесса главное, чтобы в угле содержалось 35% летучих элементов. Процесс гидрогенизации предполагает, что в уголь добавляют недостающий водород. С этой целью сырье помещают в автоклав и нагревают. Внутри температура составляет 500°С, а давление – 200 Бар. При такой методике получения жидкого топлива сырье проходит в автоклаве две фазы – жидкую и паровую. Уголь насыщается водородом, и происходит распад сложных органических соединений на простые. На выходе получается синтетический бензин или дизельное топливо. Теперь можно понять, насколько сложно такое производство. Самостоятельно наладить его не получится.

Газификация

Она представляет собой разложение твердотопливной продукции на газы. Для получения топлива их потом трансформируют в жидкий вид. Есть несколько способов газификации угля.

Первый метод – Фишера-Тропша. Он трудоемок и требует наличия сложного оборудования. Это нерентабельно, потому как тратится много каменного угля. И получается, что готовый бензин купить куда дешевле. К тому же, в процессе газификации выделяется огромное количество углекислого газа, а это небезопасно.

Второй способ – термический. Он подразумевает нагрев сырья без кислорода. Для него тоже нужно специальное оборудование, поскольку температура трансформации угля в газ равна 1200°С. Главное преимущество термической газификации состоит в том, что одна часть газа идет на подогрев сырья, а другая на синтезирование топлива. Это минимизирует затраты, ведь каменный уголь подогревает себя сам.

Все способы получения топлива из каменного угля организуются только в промышленных условиях. Дома это сделать невозможно и совсем небезопасно.


Использованные источники

  1. plusiminusi.ru/osnovnye-plyusy-i-minusy-ugolnoj-promyshlennosti/
  2. втораяиндустриализация.рф/ugol/
  3. gruntovozov.ru/chasto-zadavayemiye-voprosy/primenenie-kamennogo-uglya/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.