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

Город призрак без угля. Таковым стал японский Хасима. В 1930-е его признали самым густонаселенным.

На крошечном клочке земли уместились 5 000 человек. Все они работали на угольном производстве.

Остров оказался буквально сложенным из каменного источника энергии. Однако, к 1970-ым запасы угля истощились.

Уехали все. Остался лишь перерытый остров и постройки на нем. Туристы и японцы зовут Хасиму призраком.

Остров наглядно показывает важность каменного угля, невозможность человечества жить без него. Альтернативы нет.

Есть только попытки ее найти. Поэтому, уделим внимание современному герою, а не туманным перспективам.

Описание и свойства каменного угля

Каменный уголь – это горная порода органического происхождения. Это значит, что камень образован из разложившихся остатков растений, животных.

Чтобы они сформировали плотную толщу, требуется постоянное накопление и спрессовывание. Подходящие условия на дне водоемов.

Там, где есть месторождения каменного угля , когда-то были моря, озера. Отмершие организмы опускались на дно, придавливались толщей воды.

Так образовывался торф. Каменный уголь – последствие его дальнейшего сжатия под давлением уже не только воды, но и новых слоев органики.

Основные запасы каменного угля относятся к эре Палеозоя. С ее окончания минуло 280 000 000 лет.

Это эра гигантских растений и динозавров, обилия жизни на планете. Не удивительно, что именно тогда органические отложения накапливались особенно активно.

Чаще всего, уголь образовывался в болотах. В их водах мало кислорода, что препятствует полному разложению органики.

Внешне залежи каменного угля напоминают обгоревшую древесину. По химическому составу порода является смесью углеродных ароматических соединений высокомолекулярного типа и летучих веществ с водой.

Минеральные примеси незначительны. Соотношение компонентов не стабильно.

В зависимости от преобладания тех, или иных элементов, выделяют виды каменного угля . К основным относится бурый и антрацитовый.

Бурая разновидность каменного угля насыщенна водой, а посему, отличается низкой теплотой сгорания.

Получается, в качестве топлива порода не годиться, как каменная. И бурый уголь нашел иное применение. Какое?

Этому будет уделено отдельное внимание. Пока же, разберемся, почему водонасыщенную породу зовут бурой. Причина в цвете.

Уголь коричневатый, без , рыхлый. С геологической точки зрения массу можно назвать молодой. То есть, в ней не завершены процессы «брожения».

Поэтому, у камня низкая плотность, при сгорании образуется много летучих веществ.

Ископаемый каменный уголь антрацитового типа – полностью сформировался. Он плотнее, тверже, чернее, блестит.

Чтобы бурая порода стала такой, требуются 40 000 000 лет. В антраците велика доля углерода – около 98%.

Естественно, что теплоотдача у черного угля на высоте, а значит, камень можно использовать в качестве топлива.

Бурый вид в этой роли используют лишь для обогрева частных домов. Им не нужны рекордные показатели энергии.

Нужна лишь простота обращения с топливом, а антрацит в этом плане проблемен. Разжечь каменный уголь непросто.

Производственники, железнодорожники, приноровились. Трудозатраты стоят того, ведь антрацит не только энергоемок, но и не спекается.

Каменный уголь – топливо , от сгорания которого остается зола. Из чего она, если органика переходит в энергию?

Помните заметку о минеральной примеси? Именно неорганическая составляющая камня и остается на дне .

Немало золы осталось и на китайском месторождении в провинции Люхуангоу. Залежи антрацита там горели без малого 130 лет.

Пожар потушили лишь в 2004-ом году. Каждый год сгорали 2 000 000 тонн породы.

Вот и посчитайте, сколько каменного угля пропало даром. Сырье могло пригодиться не только в качестве топлива.

Применение каменного угля

Уголь называют солнечной энергией, заключенной в камень. Энергию можно преобразовывать. Она не обязательно должна быть тепловой.

Энергию, получаемую при сгорании породы, переводят, к примеру, в электричество.

Температура сгорания каменного угля бурого типа чуть не доходит до 2 000 градусов. Дабы получить электричество из антрацита, потребуется уже около 3 000 по шкале Цельсия.

Если же говорить о топливной роли угля, он используется не только в чистом виде.

В лабораториях из органической породы научились получать жидкое и газообразное топливо, а на металлургических заводах уже давно пользуются коксом.

Он получается при нагреве каменного угля до 1 100 градусов без доступа кислорода. Кокс – бездымное топливо.

Важна для металлургов и возможность применения брикетов в роли восстановителей руды. Так, кокс пригождается при отливке чугуна.

Кокс применяют и в качестве разрыхлителя шихты. Так именуют смесь исходных элементов будущего .

Будучи разрыхленной коксом, шихта легче переплавляется. Кстати, некоторые компоненты для тоже получают из антрацита.

В качестве примесей в нем могут содержаться германий и галлий – металлы редкие и мало где еще встречающиеся.

Каменный уголь купить стремятся, так же, для производства композиционных материалов углеграфитового толка.

Композитами называют массы из нескольких составляющих, с четкой границей между ними.

Искусственно созданные материалы применяют, к примеру, в авиации. Здесь композиты увеличивают прочность деталей.

Карбоновые массы выдерживают, как очень высокие, так и низкие температуры, используются в стойках опоры контактных сетей.

А вообще, композиты прочно вошли уже во все сферы жизни. Железнодорожники устилают ими новые платформы.

Из наномодифицированного сырья делают опоры строительных конструкций. В медицине с помощью композитов предлагают заполнять сколы на костях и прочие повреждения, не подлежащие металлическому протезированию. Вот какой каменный уголь многоликий и многофункциональный.

Химики разработали метод получения из угля пластмасс. При этом, не пропадают отходы. Низкосортная фракция прессуется в брикеты.

Они служат топливом, которое подходит, как для частных домов, так и производственных цехов.

В топливных брикетах остается минимум углеводородов. Они, собственно, и есть самок ценное в угле.

Из него можно получить чистые бензол, толуол, ксилолы, куморановые смолы. Последние, к примеру, служат основой для лакокрасочной продукции и такого материала внутренней отделки помещений, как линолеум.

Часть углеводородов ароматические. Людям знаком запах нафталина. Но, немногие знают, что производят его из каменного угля.

В хирургии нафталин служит антисептиком. В домашнем хозяйстве вещество борется с молью.

Кроме того, нафталин способен защитить от укусов ряда насекомых. Среди них: мухи, оводы, слепни.

В общей сложности, уголь каменный в мешках закупают для производства более чем 400-от видов продукции.

Многие из них – побочные товары, получаемые на коксохимическом производстве.

Интересно, что стоимость дополнительных линий, как правило, больше, чем у кокса.

Если же рассматривать среднюю разницу между каменным углем и товарами из него, она составляет 20-25 раз.

То есть, производство весьма выгодное, быстро окупается. Поэтому, неудивительно, что ученые ищут все новые и новые технологии переработки осадочной породы. На растущий спрос должно быть предложение. Ознакомимся с ним.

Добыча каменного угля

Месторождения угля называют бассейнами. В мире их свыше 3 500. Общая площадь бассейнов – около 15% от суши. Больше всего угля в США.

Там сосредоточенны 23% от мировых запасов. Каменный уголь в России – это 13% общих запасов. у Китая. В его недрах сокрыто 11% породы.

Большинство из них – антрациты. В России соотношение бурого угля к черному примерно одинаково. В США преобладает бурый вид породы, что снижает значение залежей.

Не смотря на обилие бурого угля, месторождения США поражают не только объемами, но и масштабами.

Запасы одного только Аппалачского каменноугольного бассейна составляют 1 600 миллиардов тонн.

В самом крупном бассейне России, для сравнения, хранятся лишь 640 миллиардов тонн породы. Речь о Кузнецком месторождении.

Оно находится в Кемеровской области. Еще пара перспективных бассейнов обнаружены в Якутии и Тыве. В первом регионе залежи назвали Эльгинскими, а во втором – Элегетскими.

Месторождения Якутии и Тывы относятся к закрытому типу. То есть, порода находиться не у поверхности, на глубине.

Нужно строить шахты, штольни, стволы. Это поднимает цену каменного угля . Но, масштабы залежей стоят затрат.

Что же касается Кузнецкого бассейна, в нем работают по смешенной системе. Около 70% сырья извлекают с глубин гидравлическим способом.

30% угля добывают открыто, используя бульдозеры. Их достаточно, если порода залегает у поверхности, а прикрывающие слои рыхлые.

Открыто уголь добывают и в Китае. Большинство месторождений КНР находятся далеко за пределами городов.

Однако, это не помешало одной из залежей доставить неудобства населению страны. Это произошло в 2010-ом.

Пекин резко увеличил запросы на уголь из Внутренней Монголии. Она считается провинцией КНР.

В путь отправилось столько грузовиков с товаром, что 110-е шоссе встало почти на 10 дней. Пробка началась 14-го августа, а рассосалась лишь 25-го.

Правда, не обошлось и без проведения дорожных работ. Грузовики с углем усугубили ситуацию.

110-е шоссе относится к дорогам государственного значения. Так что, не только уголь в пути задержался, но и прочие контракты оказались под угрозой.

В можно найти ролики, где водители, ехавшие в августе 2010-го по шоссе, сообщают, что 100-километровый отрезок преодолевали около 5-ти дней.

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

Доказанные запасы угля на 2006 год в млн. тонн

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Каменный уголь - осадочная порода, которая образуется в земном пласте. Уголь - превосходное топливо. Считается, что это самый древний вид топлива, который использовали наши далекие предки.

Как образуется каменный уголь

Для образования угля необходимо огромное количество растительной массы. И лучше, если растения накапливаются в одном месте и не успевают разлагаться полностью. Идеальное место для этого - болота. Вода в них бедна кислородом, что препятствует жизнедеятельности бактерий.

В болотах накапливается растительная масса. Не успевая полностью сгнить, она спрессовывается следующими отложениями почвы. Так получается торф - исходный материал для угля. Следующие пласты почвы как бы запечатывают торф в земле. В результате он полностью лишается доступа кислорода и воды и превращается в угольный пласт. Процесс этот длительный. Так, большая часть современных запасов каменного угля образовались в эпоху палеозоя, т. е. более 300 млн. лет назад.

Характеристики и виды каменного угля

(Бурый уголь )

Химический состав угля зависит от его возраста.

Самый молодой вид - бурый уголь. Он залегает на глубине порядка 1 км. Воды в нем еще много - около 43%. Содержит большое количество летучих веществ. Хорошо воспламеняется и горит, но тепла дает мало.

Каменный уголь - этакий "середнячок" в этой классификации. Залегает он на глубинах до 3 км. Так как давление верхних пластов больше, то и содержание воды в каменном угле меньше - около 12%, летучих веществ - до 32%, зато углерода содержится от 75% до 95%. Он также легко воспламеняется, но горит лучше. А за счет малого количества влаги дает больше тепла.

Антрацит - более древняя порода. Залегает на глубинах порядка 5 км. В нем больше углерода и практически нет влаги. Антрацит - твердое топливо, плохо воспламеняется, зато удельная теплота сгорания самая высокая - до 7400 ккал/кг.

(Уголь антрацит )

Впрочем, антрацит - это не конечная стадия преобразования органического вещества. Попадая в более жесткие условия, уголь трансформируется в шунтит. При более высоких температурах получается графит. А испытывая сверхвысокое давление, уголь превращается в алмаз. Все эти вещества - от растения до алмаза - состоят из углерода, только молекулярная структура разная.

Помимо основных "ингредиентов" в состав угля часто входят различные "породы". Это примеси, которые не сгорают, а образуют шлак. Содержится в угле и сера, причем ее содержание обуславливается местом образования угля. При сгорании она взаимодействует с кислородом и образует серную кислоту. Чем меньше примеси в составе угля, тем выше ценится его сорт.

Месторождение каменного угля

Место залегания каменного угля называют угольным бассейном. В мире известно свыше 3,6 тысяч угольных бассейнов. Их площадь занимает около 15% территории земной суши. Самый большой процент залежей мирового запаса угля в США - 23%.На втором месте - Россия, 13%. Замыкает тройку стран-лидеров Китай - 11%. Самые крупные залежи угля в мире находятся в США. Это Аппалачский каменноугольный бассейн, чьи запасы превышают отметку в 1600 млрд. тонн.

В России самый большой угольной бассейн - Кузнецкий, что в Кемеровской области. Запасы Кузбасса составляют 640 млрд. тонн.

Перспективна разработка месторождений в Якутии (Эльгинское) и в Тыве (Элегестское).

Добыча каменного угля

В зависимости от глубины залегания угля применяют либо закрытый способ добычи, либо открытый.

Закрытый, или подземный метод добычи. Для этого метода строят шахтные стволы и штольни. Шахтные стволы строят, если глубина залегания угля 45 метров и выше. От нее ведут горизонтальный тоннель - штольню.

Существуют 2 системы закрытой добычи: камерно-столбовая и добыча длинными очистными забоями. Первая система менее экономична. Ее используют лишь в тех случаях, когда обнаруженные пласты мощные. Вторая система гораздо безопаснее и практичнее. Она позволяет извлекать до 80% породы и равномерно доставлять уголь на поверхность.

Открытый метод применяют, когда уголь залегает неглубоко. Для начала проводят анализ твердости почвы, выясняют степень выветриваемости почвы и слоистость покрывающего слоя. Если грунт над пластами угля мягкий, достаточно использования бульдозеров и скреперов. Если верхний пласт толстый, то пригоняют экскаваторы и драглайны. Пролегающий над углем мощный слой твердой породы взрывают.

Применение каменного угля

Область использования каменного угля просто огромна.

Из угля добывают серу, ванадий, германий, цинк, свинец.

Сам уголь - превосходное топливо.

Используется в металлургии для выплавки железа, при производстве чугуна, стали.

Полученную после сжигания угля золу используют в производстве строительных материалов.

Из угля после его специальной обработки получают бензол и ксилол, которые используют в производстве лаков, красок, растворителей, линолеума.

Путем сжижения угля получают первоклассное жидкое топливо.

Уголь - сырье для получения графита. А также нафталина и еще ряда ароматических соединений.

В результате химической обработки каменного угля на сегодняшний день получают свыше 400 видов промышленных продуктов.

Периоды накопления и активного использования ископаемого угля несоизмеримы с периодом существования человечества. Возраст угольных месторождений, накапливавшихся в течение миллионов лет, составляет десятки и сотни миллионов лет; активное использование угля началось менее 270 лет назад. При нынешних темпах угледобычи разведанных запасов угля хватит примерно на 500 лет.

Горючий камень – ископаемый каменный уголь – был известен еще в древности. Его примитивная добыча велась в древнем Китае и античной Греции, где он использовался как топливо. Древнеримские виллы отапливались углем месторождений Греции и Италии. Хотя древнегреческий философ Аристотель сравнивал некоторые свойства древесного и ископаемого угля, много веков бытовало мнение о минеральном происхождении ископаемых углей. Так, в 315 году до нашей эры ученик Аристотеля Теофраст называл их «горящими камнями» – «антраксом» (откуда и появилось название «антрацит»). В ХVI веке нашей эры врач и алхимик Парацельс рассматривал природные угли как «камни, измененные действием вулканического огня», а естествоиспытатель Агрикола (рис. 7.1) говорил, что каменный уголь – это отвердевшая нефть.

Русский ученый М.В. Ломоносов в своем трактате «О слоях земных» (1763) выдвинул гипотезу о происхождении ископаемого угля из торфа, а торфа – из скоплений остатков растений на дне болот. Органическое происхождение ископаемых углей было окончательно доказано лишь в ХIХ веке путем микроскопических исследований, обнаруживших в структуре угольного вещества обуглившиеся или частично разложившиеся остатки растительных тканей, зернышек смолы, семян, спор.

На всех континентах Земли и большинстве островов Мирового океана имеются месторождения угля. Открытие каждого из них имеет свою историю.

О добыче и использовании каменного угля в Украине имеются различные сведения. Так, при геологических исследованиях были обнаружены отвалы древней разработки угля в районе г. Бахмут (ныне г. Артемовск), свидетельствующие, что уже в IX–X вв. местное население добывало и использовало его в качестве топлива при производстве различных предметов быта.

В Западной Европе уголь стал использоваться позже. До XVII века для выплавки металла применялся исключительно древесный уголь. Бурное развитие металлургии в

Георг Агрикола (Agricola) (1494–1555), настоящая фамилия Бауэр (Bauer), – немецкий ученый в области геологии, горного дела и металлургии, естествоиспытатель. В 1527–1530 гг. он работал в Санкт-Иоахимстале (Богемия) врачем и аптекарем. Здесь он познакомился с горным пробирным анализом и техникой плавки, приобрел обширные познания в минералогии, геологии, горном деле и металлургии. В 1530 г. Г.Агрикола опубликовал свою первую написанную на латинском языке книгу «Берманнус. Разговор о горном деле», в которой речь шла преимущественно о горной добыче серебра и «опыте работы с минералами». В следующем научном труде Агриколы рассказывается в основном о разработке рудных месторождений, выплавке металлов, добыче соли и горных машинах. Эта монография, состоящая из 12 книг, вышла в свет в 1556 г., через несколько месяцев после его смерти, под названием «О горном деле и металлургии» (De re metallica, libri XII). Более двухсот лет этот труд по горному делу, богато иллюстрированный прекрасными рисунками (см., например, рис. 7.2) – почти три сотни гравюр на дереве, – был основным учебником для горняков и металлургов.

XVIII веке потребовало большого количества топлива, поэтому запасы промышленной древесины резко сокращались. Заменой древесному углю мог стать ископаемый уголь.

К этому времени относятся усиленные поиски месторождений ископаемого угля в различных странах. Интересна история начала потребления каменного угля в Вели

Начало развития Донбасса связано с прозорливостью Петра I, который обратил внимание на образцы местного угля во время Азовского похода в 1696 г. По преданию Петр I произнес: «Сей минерал, если не нам, то нашим потомкам зело полезен будет». В 1722 г. он подписал указ об учреждении Донецкого угольного бассейна. Интересно, что к концу XVII века уголь в европейской промышленности практически еще не применялся, а во всей английской угледобыче было занято не более 150 человек, так что решение Петра было гениальной догадкой.

кобритании. Как писала одна из английских газет сто лет тому назад: «Дело было в начале XIV столетия. Лондонские пивовары, кузнецы и слесари, видя все более возрастающую дороговизну дров, попробовали вместо них жечь каменный уголь, что оказалось и очень удобным, и очень выгодным. Но суеверные горожане сочли сжигание каменного угля делом нечестивым. Была подана особая петиция королю, и употребление каменного угля было воспрещено законом. Однако ввиду дороговизны дров многие тайно продолжали нарушать закон, так что горожане потребовали драконовских мер. Достоверно известно, что один нарушитель закона в Лондоне был казнен, но говорят, что таких случаев было много. Затем строгие законы были отменены, но еще долго против каменного угля было сильное предубеждение ввиду «зловонности этого вида топлива».

Против каменного угля особенно восстали дамы; многие лондонские дамы отказались являться в дома, которые отапливались не дровами, и не прикасались ни к одному блюду, если оно было приготовлено на каменном угле, считая такие кушанья нечистыми.

А ныне каменный уголь составляет силу и богатство Англии, неизбежное условие самой нынешней цивилизации».

Изменились времена и изменилось отношение англичан к углю, в результате чего появилась следующая традиция. У англичан (в особенности у шотландцев) в новогоднюю ночь первым, кто переступит порог дома, должен быть высокий черноволосый мужчина с серебряной монетой и кусочком угля. И тогда в доме в новом году никогда не будет недостатка в еде, всегда будет тепло и уютно.

В России промышленное применение каменного угля взамен древесного возникло в начале XVIII века. Первые достоверные сведения о поиске и разведке ископаемых углей в России относятся тоже к началу XVIII в.

При Петре I, уделявшем большое внимание развитию горного дела, были организованы специальные экспедиции в различные районы страны.

В Донецком бассейне залежи каменного угля были открыты в 1721 г. в районах Бахмута, Лисичанска, Шахты.

Между историками идет спор о первооткрывателях угля в Донбассе. Длительное время считалось, что первооткрывателем каменного угля в Донецком бассейне является Григорий Капустин (рис. 7.3), который в 1721 г. открыл месторождения в районе рек Дона, Курдючей и Осереди.

Однако, как свидетельствуют архивные материалы, в том же 1721 г. бахмутские солевары Никита Векрейский и Семен Чирков нашли в балке Скелеватой в 25 км от Бахмута каменный уголь и начали использовать его в кузницах. А в Лисичьей балке, где потом в 1796 г. вошла в действие первая в Донбассе шахта, открыл месторождение угля в декабре 1722 г. Николай Аврамов – один из руководителей черноморской горной экспедиции.

Григорий Григорьевич Капустин – подьячий села Даниловского, бывшего Костромского уезда. Обследовав районы Верхнего и Среднего Дона, Капустин произвел потом разведку угля в прибрежной полосе Северского Донца (рис. 7.4). Местные поселяне, преимущественно из запорожских казаков, рассказали ему, что они уже давно используют горючий камень в кузницах, и показали свои угольные копи. В начале января 1722 года Григорий Капустин докладывал об итогах экспедиции:

«Доносит Вам рудных дел подьячий Григорий Капустин, что мною вынуто из Донецкой земли уголье близ речки Кундрючья. Прошу принять и опробовать его в лаборатории».

Берг-коллегия, по заданию которой и осуществлялась экспедиция и в составе которой были в основном иностранцы, не отнесла открытие Капустина к числу имеющих промышленное значение.

Но вот в январе 1724 года Петр Первый получает донос Бахмутского управителя Никиты Вепрейского и капитана Семена Чиркова, в котором те сообщали, что на угле, добытом в окрестностях Лисьей балки, бахмутские мастеровые люди варят соль и делают различные кузнечные поковки, а жители близлежащих поселений используют горючий камень для отоплений жилищ.

Вот тогда вдогонку Григорию Капустину Берг-коллегия и направила срочную депешу, в которой изменялся очередной маршрут экспедиции и предписывалось побывать на берегах рек Северского Донца и Верхней Беленькой.

Испытывая недостатки в пище и деньгах, экспедиция Григория Капустина осенью 1724 года, преодолевая все трудности, изучила возле реки Беленькой, в Лисьей балке, невиданный до того пласт угля высотой в 1,14 метра. Это была «эврика» в угольных раскопках, которая удивила иностранных горных инженеров.

Сообщение Григория Капустина о найденных им залежах каменного угля в Донбассе в условиях дворянскокрепостной России не сразу стало основой для промышленной разработки богатых залежей на юге страны, хотя он настойчиво боролся за быстрейшее использование своих открытий.

Лишь через семьдесят лет в Лисьей балке была заложена первая шахта по добыче угля в Донбассе. Здесь, в Лисичанске, впервые началась промышленная разработка углей.

Экспедиции, направленные в другие районы России, сделали также ряд открытий. В 1721 г. было обнаружено угольное месторождение на реке Томь (Кузбасс). К этому же году относится открытие Подмосковного бассейна, а также месторождения в районе г. Кизел на Урале. В 1722–1723 гг. в петербургскую Берг-коллегию поступило много сообщений об угольных пластах в районах рек Дона и Днепра.

Огромное влияние на интенсивный поиск и освоение угольных месторождений оказало развитие металлургической промышленности во многих странах. В частности, освоение Донецкого бассейна тесно связано с постройкой Луганского чугунолитейного завода, перерабатывающего местные руды, который был введен в действие в 1799 г. Одновременно с началом сооружения завода были заложены каменноугольные разработки первично вблизи села Белого, а затем на более богатом месторождении на правом берегу Северского Донца в Лисичьей балке (г. Лисичанск). Лисичанский рудник оставался основным угледобывающим предприятием в Донбассе до конца 60-х годов XIX столетия, т.е. до начала строительства более крупных шахт в его центральных районах.

Сохранился указ Петра I от 7 декабря 1722 г.: «Для копания каменного угля и руд, которые объявил подъячий Капустин, из Берг-коллегии послать нарочного и в тех местах того каменного уголья и руд в глубину копать сажени на три и больше и, накопив пуд до пяти, привесть в Бергколлегию и опробовать».

Аналогично начинали осваиваться угольные месторождения в других угледобывающих странах.

Древние естествоиспытатели считали основным отличительным признаком ископаемых углей способность гореть. Поэтому хронология открытия угля человечеством связана с хронологией развития технологических процессов, в которых уголь используется прежде всего как топливо. Вероятно, первыми уголь в качестве топлива использовали древние китайцы: по некоторым сведениям, в одном из крупнейших угольных районов Китая Фуншуе его применяли для выплавки меди 3 тысячи лет тому назад. Известны китайские трактаты II века до н.э., где упоминается об использовании угля в производстве фарфора, для выпарки соляных растворов и др. По сообщениям знаменитого путешественника Марко Поло, посетившего Китай в 1310 г., уголь широко применялся в промышленности и для отопления. Примерно к этому же времени относятся упоминания об использовании угля как топлива в Англии и Германии и о закладке первых угольных шахт в Англии.

Однако еще в конце XVII века размеры добычи и использования угля в Европе были ничтожны. Так, в угледобывающем районе Англии (Бристоль) на 70 шахтах работало всего 123 человека. Это было связано с тем, что, значительно превосходя дрова по теплоте сгорания и развиваемой температуре, уголь все же уступает им по ряду технологических характеристик – температуре воспламенения, содержанию серы – и, в отличие от сухих дров, дымит. Поэтому, пока лесов в Европе хватало, а плотность населения и уровень развития промышленности были невелики, предпочитали обходиться дровами для отопления, древесным дегтем и смолой как связующими и древесным углем как топливом и восстановителем руд в металлургии.

Считается, что начало использованию каменного угля в химико-технологическом направлении положили работы химика И.Бехера, который в 1681 г. получил патент на «новый метод изготовления кокса и смолы из торфа и каменного угля, никем никогда ранее не открытый и не примененный». Это была термообработка угля без доступа воздуха с отгонкой летучих и серы, превращавшая его в кокс. И.Бехер описывает свое изобретение так: «В Голландии имеется торф, в Англии каменный уголь, но и тот, и другой почти не употребляются для сжигания в доменных печах и для плавки. Я нашел путь, позволяющий превратить и тот, и другой в хорошее горючее, которое не только не дымит и не воняет, но и дает столь же сильный огонь, необходимый для плавки, как и древесный уголь… При этом достойно внимания: как шведы получают свою смолу из соснового дерева, так и я получил свою смолу в Англии из каменного угля, которая одинакова со шведской по качеству, и даже у некоторых углей выше ее. Я производил пробы как на дереве, так и на канатах, и смола показала себя вполне хорошей…» В том же XVII веке англичанин Д.Додлей проводил экспериментальные доменные плавки на ископаемом угле, но подробности осуществления процесса он держал в секрете и унес с собой в могилу.

Открытия И.Бехера и Д.Додлея при их жизни не получили распространения. А тем временем для обеспечения доменных печей и кузниц древесным углем хищнически истреблялись леса. В целях их сохранения английский парламент еще в 1558–1584 гг. издал ряд указов, ограничивающих рост и размещение металлургических предприятий. Тем не менее потребности в металле быстро увеличивались, и к началу XVII века множество лесов в Европе было полностью уничтожено. В промышленно более развитых странах – Англии, Германии, Голландии, Франции – дрова и древесный уголь стали буквально на вес золота, что резко тормозило развитие промышленности и вынудило интенсивно искать альтернативное топливо.

Первые достоверные сведения об организованных поисках и разведке полезных ископаемых, в частности углей, в России относятся к периоду царствования Петра I.

Указом Петра I в 1719 г. была организована Берг-коллегия (Берг-привилегия), которой поручалось руководство горной промышленностью страны и разведка полезных ископаемых. Берг-коллегия привлекла население «как собственных, так и на чужих землях искать, копать, плавить, варить и чистить всякие металлы... и всякие руды земли и каменья».

Первые статистические данные о добыче угля за 1796–1801 гг. свидетельствуют, что в эти годы было добыто 2,4 тыс. т, в 1810 г. – 2,5 и в 1820 г. – 4,1 тыс. т угля.

Еще в 1757 г. М.В. Ломоносов в своем «Слове о рождении металлов» высказал гипотезу о растительном происхождении углей и первый выдвинул идею о том, что каменный уголь образовался из торфа. Эта мысль позже легла в основу общепринятой теперь «теории превращений». Первая работа по изучению каменных углей под микроскопом принадлежит горному инженер-капитану Иваницкому (1842 г.), который писал: «Растительное происхождение каменного угля несомненно и почти можно считать доказанным. Оно основано на постепенностях перехода от торфа и бурого угля до самых кристаллических видов каменного угля и антрацита».

Начало промышленной революции в Европе вполне справедливо связывают с «открытием» ископаемого угля для использования в промышленности, произошедшем через 50–80 лет после открытий И. Бехера. В 1735 г. в Англии А. Дерби применяет уголь, а точнее, кокс, полученный выжигом каменного угля в так называемых «кучах», где примерно треть угля сжигалась и две трети превращались в кокс, в качестве топлива и восстановителя для выплавки металла в доменных печах. В 1763 г. Дж. Уатт в Англии, а через 20 лет после этого И. Ползунов в России изобретают паровую машину, где ископаемый уголь используется в качестве топлива. В том же 1763 г. французские металлурги Жара в Люттихе (Бельгия) и Жанзен в Саарской области строят первые коксовые батареи с производством металлургического кокса и улавливанием смолы коксования. Наконец, в 1792 г. англичанин В. Мэрдок не только повторил 180-летней давности опыты голландского естествоиспытателя Я.Б. ван Гальмонта по получению горючего газа из каменного угля, но и оборудовал газовым освещением свой дом в Редруте. Так определились основные направления использования ископаемого угля: топливо (для паровых котлов и бытовых нужд); топливо и восстановитель (кокс для выплавки металлов); сырье для получения жидких и газообразных продуктов, в свою очередь применяемых как топливо либо химическое сырье.

Ведущую роль в деле внедрения газового освещения в городах сыграл в начале XIX века англичанин Ф.-А. Ванзор. Пожалуй, ему легче было решать технические вопросы, чем преодолевать предрассудки общества. Так, известный английский писатель В.Скотт писал о Ванзоре: «Один сумасшедший предлагает осветить Лондон, – чем бы вы думали? Представьте себе – дымом…» Газеты пестрели заявлениями, что искусственное освещение нарушает божественные законы, по которым ночью должна быть тьма; что освещенные улицы будут способствовать росту пьянства, развращенности населения и простудных заболеваний (имелись в виду ночные гуляки); что при новом освещении будут пугаться лошади и обнаглеют воры… Несмотря на это, в 1812 г. английский парламент утвердил учреждение первой в мире «Лондонской и Вестминстерской компании для газового освещения и производства кокса», в 1816 г. был открыт первый газовый завод в США, в 1820 г. – во Франции, в 1835 г. – в России. В 1885 г. в Англии потреблялось около 2,5 млрд.м 3 светильного газа и ненамного меньше каменноугольного газа как домашнего топлива для приготовления пищи.

К началу XIX века развитие производства кокса для металлургии, с одной стороны, и светильного газа, с другой, еще более увеличило количество получаемой каменноугольной смолы и усилило работы по исследованию возможностей ее использования. В 1815 г. английский химик Аккум стал получать из смолы легкие масла – эссенции, нашедшие применение в качестве растворителей и заменителей древесного скипидара. В 1822 г. в Англии первый смолоперегонный завод начал производить легкую каменноугольную смолу – нафту – для пропитки непромокаемых тканей и плащей. В 1825 г. великий английский физик и химик М.Фарадей выделил из продуктов переработки угля бензол, чем заложил основу химии ароматических соединений. В 1842 г. русский химик Н.Н. Зинин открыл методы промышленного получения каменноугольного анилина – важного промежуточного продукта в синтезе искусственных красителей. Это открытие было практически использовано лишь в 1856 г., когда английский студент В.Перкин, обрабатывая анилин, получил первый искусственный органический краситель – мовеин – и быстро организовал у себя на родине производство целого ряда синтетических красителей.

Казалось бы, какое влияние на углехимию может иметь изобретение сетки накаливания в газовых светильниках? Но дело в том, что до этого бензол из сырого газа не извлекали: только его присутствие обеспечивало удовлетворительную яркость освещения. А после этого изобретения, позволившего использовать для освещения и «обедненный» бензолом газ, появилась возможность промышленного извлечения сырого бензола из каменноугольного газа. «Отцом» промышленного сырого бензола считают немца Брунка. Во многом благодаря ему за последнее десятилетие XIX века Германия увеличила производство сырого бензола при углепереработке в 50 раз.

В настоящее время мировая потребность в сыром бензоле и других жидких продуктах углехимии не перекрывается их производством из угля коксования и полукокосования. Поэтому ряд стран (Австрия, Эстония, Израиль и др.) получают их из своих горючих сланцев. Стоимость продуктов углехимии, получаемых из горючего сланца, в несколько раз превышает стоимость исходного сырья. Сланцевое масло содержит бензино-керосинную фракцию даже в большей доле, чем каменноугольная смола, в связи с чем, например, Австралия планирует в перспективе полностью заменить местным горючим сланцем привозную нефть.

В качестве топлива для энергетических установок уголь безраздельно господствовал вплоть до изобретения двигателей внутреннего сгорания, использующих продукты нефтепереработки и значительно более удобных для мобильной эксплуатации. К концу первой трети XX века уголь был не только полностью вытеснен нефтепродуктами из автои авиатранспорта, но и заметно уступил свои позиции на водном и железнодорожном транспорте. Однако в условиях нефтяной блокады, которой подверглась во время второй мировой войны Германия, а в послевоенные годы – ЮАР, уголь оказался сырьем, способным заменить жидкие моторные топлива. Синтетические жидкие топлива получали из угля путем гидрогенизации (прямого ожижения), пиролиза, газификации угля с последующим каталитическим синтезом Фишера-Тропша. Хотя по экономическим показателям синтетические топлива были дороже нефтяных и со снятием блокады их производство, как правило, прекращалось, постепенное исчерпание нефтяных запасов и устойчивый рост цен на нефтепродукты вынуждают продолжать разработки в данном направлении. В частности, в Украине наиболее благоприятны для производства синтез-топлив днепровские бурые угли, львовско-волынские сапропелиты и болтышские горючие сланцы.

Несмотря на все разнообразие направлений использования ископаемых углей, основными их потребителями и по сей день являются теплоэнергетика, металлургия, а в сельской местности и развивающихся странах – и жилищно-бытовой сектор. И чем больше росло потребление угля в указанных секторах, тем острее становилось противоречие между соотношением требуемых и получаемых марок углей, а также между выходом при добыче и потреблением сортовых фракций и несортовой угольной мелочи. Поэтому еще с конца XIX века интенсивно велся поиск методов устранения этих противоречий, и не без успеха.

Например, из всех марок углей коксующимися свойствами, т.е. способностью при нагревании без доступа воздуха не только отдавать летучие вещества и серу, но и спекаться в монолит с заданной пористостью и механическими свойствами, обладают лишь угли марок Ж (жирный) и К(коксовый), доля которых в общем объеме добычи относительно невелика и не обеспечивает потребности коксовых производств. Исследования характера и природы пластификации и последующего затвердевания углей, начатые в 20-х годах ХХ века Ф. Фишером и впоследствии развитые Г.Л.Стадниковым, Д. ван Кревеленом, Н.С. Грязновым, позволили не только создать стройную теорию пластификации, но и установить возможность получения коксующихся шихт (смесей) из углей меньшей (газовый, длиннопламенный газовый) и большей (отощенный спекающийся) степени метаморфизма, что почти вдвое расширило сырьевую базу производства металлургического кокса.

Из угля были получены отравляющие газы, столь ужасно проявившие себя на полях сражений первой мировой войны. Но на основе угля же, правда, сначала древесного, было изготовлено средство защиты от них. Лечебные качества древесного угля были описаны еще Гиппократом за 400 лет до н.э., но лишь в 1785 г. видный русский химик и фармацевт академик Т.Е. Ловиц показал, что они являются следствием его поглощающих, или адсорбционных, свойств. Ловиц не только заложил основы учения об адсорбции, но и эффективно применил древесный уголь для очистки и обесцвечивания сахарных сиропов и патоки, питьевой воды, сырой селитры и даже алкоголя.

В годы первой мировой войны русский профессор Н.Д. Зелинский изобрел способы активации древесного угля водяным паром и органическими веществами и успешно применил активированный уголь в противогазах. В настоящее время промышленность потребляет много тысяч тонн технических активированных углей, главным образом для очистки сточных вод. Эти технические адсорбенты получают путем активации уже не древесных, а ископаемых углей.

Слоевой метод сжигания угля, который был единственным для печей, каминов, паровых машин и ранних паровых котлов, требовал использования кускового угля (допускалась очень незначительная доля мелочи). Это связано с тем, что при естественной тяге между частицами угля в слое должно оставаться достаточно пространства для свободного доступа окислителя, а при форсированной тяге (дутье) мелкие частицы не должны выноситься из слоя. В период, когда уголь добывался вручную, необходимая доля кускового угля при добыче обеспечивалась шахтерами. При этом пласт выбирался не полностью, а производительность труда шахтеров была низкой. Вызванное ростом потребления увеличение добычи, ставшее возможным только при механизации шахт, резко повысило долю мелочи в объеме добываемых углей. Но сжигание твердого топлива, которое по своей крупности не соответствует оптимальным требованиям, снижает эффективность его использования на 15–20%, а в ряде случаев процесс горения вообще прекращается. В связи с этим возникла задача окусковывания (брикетирования) угольной мелочи для технологий, основанных на потреблении кускового (сортового) угля, и параллельно – задача развития технологий, где возможно использование угольной мелочи и пыли без их окусковывания.

Обычно брикетированию подвергают торф, бурые угли, отсевы каменных углей и антрацитов, мелкозернистый полукокс и кокс. Основными потребителями брикетов являются коммунально-бытовой сектор и коксовая промышленность. Исторически первыми возникли два способа производства брикетов механическим путем: без связующих веществ (за счет собственных связующих свойств торфа и бурых углей) при температуре 40–80°С и давлении прессования 80 МПа и более; с добавкой связующего вещества (нефтебитумов или каменноугольного пека), необходимого для обеспечения сцепления между частицами каменных углей, антрацитов, полукоксовой и коксовой мелочи, при температуре 80–100°С и давлении прессования 15–25 МПа.

История отечественного углебрикетного производства берет начало с середины XIX столетия. В 1870 г. в Одессе была сооружена первая фабрика, выпускавшая антрацитовые брикеты для судов торгового флота. В ХХ веке вводятся в эксплуатацию фабрики брикетирования антрацитовых штыбов в Донбассе (Моспинская, Донецкая и др.), а также крупные буроугольные брикетные фабрики на Александрийском месторождении бурых углей.

В последние десятилетия в мире активно развивается направление брикетирования с термообработкой исходной угольной мелочи или брикетов при температурах 400–500°С. Эти технологии позволяют получать так называемое «бездымное» бытовое топливо повышенной экологической чистоты (с пониженным содержанием серы и меньше коптящее при сжигании), а также формованный кокс, что еще более расширя

ет топливную базу коксовой промышленности.

Использование ископаемых углей в качестве топлива неизмеримо возросло с появлением паровых машин и, особенно, с появлением машин, способных преобразовывать тепловую энергию сжигания углей в электрическую (первые тепловые электростанции – ТЭС). На тепловых электростанциях тепловая энергия угля служит для выработки пара в котле, который вращает ротор паровой турбины, соединенный с ротором генератора электрической энергии – наиболее удобной для потребителя разновидности энергии. Первые ТЭС появились в конце XIX века (в 1882 г. – в Нью-Йорке, в 1883 г. – в Петербурге, в 1884 г. – в Берлине, в 1895 г. – в Киеве). Они были оснащены слоевыми топками, которые длительное время являлись основными устройствами для сжигания больших количеств топлива и широко применялись для котлов паропроизводительностью 20–30 т/ч. Однако, кроме ограничения масштаба и невысокого КПД, связанного с относительно низкой температурой дымовых газов, их основным недостатком было требование к подаче угля в виде кусков и ограничение доли мелочи, приводившей к большим уносам углерода из топочного объема.

Положение изменилось в конце 20-х годов ХХ века, когда в ряде стран были разработаны и внедрены топки для факельного сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии, что позволило вовлечь в топливную базу ТЭС угольную мелочь, в том числе повышенной зольности (до 25–30% – для антрацитов и тощих, до 30–40% – для каменных углей), землистые бурые угли, сланцы, а также повысить до 35–40% КПД энергоблоков. Таким образом, в настоящее время в энергетику направляются главным образом низкосортные угли и несортовая мелочь, что высвобождает сортовые угли для других видов использования.

Хотя пылеугольные, или камерные, топки на сегодня являются самыми распространенными в теплоэнергетике, они все больше вытесняются изобретенными в 60-е годы ХХ века в Германии топками с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС), также использующими угольную мелочь, однако имеющими ряд технологических и экологических преи

муществ. Котлоагрегаты с циркулирующим кипящим слоем отличаются низкими выбросами оксидов азота (за счет пониженной температуры процесса и организации внутритопочной восстановительной зоны) и серы (за счет внутритопочного связывания серы угля известняком), широким диапазоном регулирования нагрузки, а главное – пониженными требованиями к зольности угля, что позволяет использовать для сжигания не только высокозольные рядовые угли, но и отходы углеобогащения. Первый в Украине энергоблок с циркулирующим кипящим слоем электрической мощностью 210 МВт, использующий в качестве топлива антрацитовый шлам, вводится в эксплуатацию на Старобешевской ТЭС.