Полезное ископаемое уголь свойства и применение
Уголь представляет собой полезный минерал, используемый в качестве топлива, а также сырья для ряда отраслей промышленности.
Современная теория углеобразования называет в качестве источников возникновения угля, накопившиеся в болотах растения; а также битумные массы, излившиеся на поверхность Земли в результате происходивших тектонических процессов. Те и другие постепенно опускались вглубь земных недр, где под воздействием высокого давления и температуры, без доступа кислорода, они подвергались структурным изменениям. Предположительно, процесс происходил в девонский, каменноугольный и пермский периоды палеозойской эпохи, примерно 300-400 миллионов лет назад. Исходным материалом для формирования угольных пластов выступал торф.
Некоторым подтверждением данной теории является факт добычи трёх основных видов углей, извлекаемых из разно уровневых глубин земной коры и имеющих различные степени фаз углеобразования – углефикации:
- Низшая. Бурый уголь. Полезное ископаемое, содержащее значительное количество летучих веществ и воды, а поэтому имеющий низкую теплоту сгорания 13-25 МДж/кг. Глубина залегания составляет 1 км.
- Средняя. Каменный уголь. Наиболее распространённый среди углей вид энергетического топлива, обладающий теплотой сгорания 27 МДж/кг. По сравнению с бурым углём имеет более низкое содержание воды, и залегает на глубинах до 3 км.
- Высшая. Антрацит. Содержит максимальное количество углерода, поэтому теплота сгорания располагается в пределах: 26,8 – 34,8 МДж/кг. Залежи этого полезного ископаемого размещены глубоко под землёй (до 5 км внутрь земной коры). Благодаря этому содержание воды в составе минерала не превышает 3%.
Добыча угля
Процесс угледобычи достаточно сложен в плане технологии и требует больших затрат для привлечения техники и ресурсов. Современная индустрия располагает тремя основными способами добычи этого полезного ископаемого:
- Карьерным, посредством организации разреза.
- Шахтным методом. С помощью строительства ряда подземных сооружений.
- Гидравлическим. С использованием жидкостных струй, как в качестве разрушителей пластов, так и в качестве транспортирующего материала.
Шахтный способ
Один из наиболее старых и высокотехнологичных для настоящего времени методов добычи полезных ископаемых. При глубинном залегании угля (свыше 500 метров под землей) вскрышные работы потребуют колоссальных затрат. Поэтому наиболее рентабельным является сооружение шахты с последующей прокладкой горизонтальных проходов.
После организации технологического процесса: укрепления стен и прокладки рельсов, обеспечения вентиляции и удаления воды, запуска в работу проходческих врубовых и очистных комбайнов, начинается добыча угля и транспортировка его на поверхность.
Шахтный способ достаточно дорог и небезопасен, хотя и обеспечивает большие объёмы выработки высококачественного сырья, не нанося существенного экологического ущерба окружающей среде.
Карьерный способ
Способ, используемый в случаях неглубоко залегания пород (до 500 метров в глубину недр).
С помощью гусеничных или рельсовых драглайнов (кранов со стрелой и ковшом) производится первичное вскрытие грунта с последующей транспортировкой его в близлежащие отвалы. После чего уголь извлекается и отправляется на переработку и обогащение. Когда месторождение полностью осваивается, происходит обратный процесс возвращения пустой породы на место изъятия. Территория благоустраивается и озеленяется, чтобы в последующем гармонично вписаться в окружающий ландшафт.
Недостатком метода является низкое качество добываемых углей и наносимый природе значительный экологический ущерб.
Переработка и обогащение угля
Так как ископаемые угли содержат в своём составе ряд минеральных примесей, а требования к качеству энергетического топлива резко возрастает, то возникает необходимость дополнительной очистки добытого полезного ископаемого. Это процесс носит название обогащения.
Переработка представляет собой ряд технологий, предназначенных для превращения обогащённого угля в высококачественное топливо. В её основе лежат методы:
- Пиролиза или коксования, то есть высокотемпературного нагрева без доступа воздуха.
- Полукоксования – низкотемпературного коксования.
- Деструктивной гидрогенизации – процесса получения «синтетической нефти» под воздействием водорода при температуре в 400-5000C.
- Газификации – перевода твёрдого угля в газ посредством высокотемпературного нагрева с присутствием продуктов разделения воздуха: водорода, кислорода, углекислого газа и водяного пара.
- Плазмохимической переработки – перспективнейшего способа, позволяющего получать жидкое топливо и ряд особо ценных химических соединений в виде кремнийсодержащих веществ и ферросилиция.
Подготовка
Первичный этап обогащения, выполняемый на горно-обогатительных фабриках, целью которого является выявление компонентов, содержащих уголь и доведение их до нужного уровня крупности.
Происходит это при помощи:
- Грохотов – устройств, содержащих в себе короба с ситами или решётки с отверстиями заранее заданных размеров.
- Классификаторов – агрегатов разделения угля на фракции в жидкой среде, посредством всплытия мелких лёгких частиц и оседания более крупных и тяжёлых.
- Дробилок – установок измельчения.
В результате чего получаются стандартные по уровню крупности виды угля:
- размерами более 100 мм – плитный;
- 50-100 мм – крупный;
- 26-50 мм – орех;
- 13-25 мм – мелкий;
- 6-13 мм – семечко;
- меньше 6 мм – штыб.
Уголь нестандартных размеров носит название рядового.
«Простое» обогащение
Метод включает в себя ручной отбор кусков нужного вида или размеров, а также отсеивание с помощью скольжения и падения с наклонной плоскости.
Флотация
Способ, основанный на всплытии в жидкой среде пены, образованной частицами, покрытыми жирными продуктами переработки углеводородов (реагентами) с прилипающими к ним воздушными пузырьками. Образовавшийся минерализованный пенный слой удаляют, очищают, высушивают и используют в качестве угольного концентрата.
Гравитационное обогащение
Данный вид обогащения использует различие физических свойств частиц, имеющих разнообразную плотность и геометрические размеры. Понятно, что столь неодинаковые в весе и габаритах куски породы будут приобретать различную скорость движения в жидкости или воздухе. В результате чего в первичный продукт разделяется на концентрат и отходы – миксты. Отходы могут быть отправлены на повторное обогащение или использованы в качестве низкокалорийного топлива.
Применение
В энергетике
Три четверти мировой добычи угля расходуется на энергетические цели. Половина данного направления использования этого вида топлива сгорает в топках котлов тепловых электростанций, существенная часть обеспечивает жилищно-коммунальные нужды, в меньшей степени уголь сжигают котельные отдельных районов и промышленных предприятий.
Ещё совсем недавно самое распространённое на Земле топливо, играло ведущую роль в мировой экономике. Сегодня позиция угля несколько потеснили природный газ и нефть. Хотя и сейчас 40% электроэнергии вырабатывается за счёт сжигания угля, а в Индии и Китае этот показатель доходит до 75%, в южных странах Африки – до 94%.
Основными недостатками использования данного вида топлива являются:
- Огромный расход ресурса. Чтобы выработать 1000 МВт электроэнергии, требуется 9000 тонн угля. Фактически – это гигантский железнодорожный состав из 90 вагонов, ёмкостью по 100 тонн каждый!
- Загрязнение воздуха серой и оксидом азота. В процессе сжигания угля выделяется к тому же метан и углекислый газ. Учитывая тот фактор, что в качестве энергетического топлива в значительной степени выступают низкосортные марки этого полезного ископаемого, проблема усугубляется.
- Необходимость удаления и утилизации золы, что наталкивается на серьёзные технологические и финансовые проблемы.
- Использование больших объёмов воды, которые в последующем необходимо тщательно очищать. Но даже в этом случае наносится существенный вред окружающей природной среде.
В строительстве
Строительная отрасль использует этот природный ресурс по нескольким направлениям.
Прежде всего, уголь находит применение в процессе производства строительных материалов: цемента, известняка, глинозёма. Кроме того, отходы переработки и сжигания этого минерала активно употребляются в качестве заполнителей при выполнении земляных работ, а также – для изготовления кровельных, облицовочных, стеновых материалов. Также имеет место использование этого материала в качестве гигроскопического средства, позволяющего нейтрализовать вредные запахи и нормализовать уровень влажности в помещениях.
В медицине
Медицинский аспект применения активированного угля основан на его свойствах – связывать и выводить из организма яды и вредные вещества, что является крайне необходимым при целом ряде заболеваний и отравлений.
В дополнение к этому можно отметить его фильтрующие свойства при очистке воды и воздуха.
Месторождение в России и мире
Десятка крупнейших мировых месторождений угля выглядит следующим образом:
- Тунгусский бассейн с запасами в 2,299 трлн. тонн занимает в списке первое место. Россия. Иркутская область, Красноярский край, Республика Саха (Якутия).
- Ленский бассейн площадью 750 тыс. км2 с запасами в 1,647 трлн. тонн располагается на втором месте. Россия. Центральноякутская низменность.
- Канско-Ачинский бассейн с 638 млрд. тонн и протяжённостью в 800 км по Транссибу занимает в списке третье место. Россия. Красноярский край, Иркутская и Кемеровская области.
- Кузбасс – 635 млрд. тонн. Россия. Кемеровская область, Алтайский край, Новосибирская область.
- Иллинойский бассейн – 365 млрд. тонн. Площадь бассейна составляет 122 тыс. км2. США. Штаты Иллинойс, Кентукки, Индиана. 9 пластов, из которых 2 дают 90% продукции: «Харрисбург», «Херрин».
- Рурский бассейн – 287 млрд. тонн, 6,2 тыс. км2. Германия. Один из старейших угольных районов мира, где добыча началась ещё в XIII веке.
- Аппалачский бассейн – 284 млрд. тонн, 180 тыс. км2. США. Штаты: Алабама, Западная Виргиния, Кентукки, Мэриленд, Огайо, Пенсильвания.
- Печорский бассейн – 265 млрд. тонн, 90 км2. Россия. Ненецкий АО и Республика Коми.
- Таймырский бассейн – 217 млрд. тонн, 80 тыс. км2. Россия. Полуостров Таймыр.
- Донбасс – 141 млрд. тонн, 60 тыс. км2. Украина, Россия, ДНР и ЛНР.
Всего в мире насчитывается 50 месторождений, ведущих активную угледобычу.
Запасы угля в России
Общие геологические запасы угля на территории Российской Федерации оцениваются в 4 трлн. тонн. Это одна треть мировых запасов. Однако значительная их часть располагается в районах вечной мерзлоты и недоступна к разработке.
Утверждённой в 2020 году программой развития угольной промышленности России, предусматривается увеличение добычи этого природного полезного ископаемого с 435 млн. тонн в 2018 году до 485 млн. тонн, а в дальнейшем – до 668 млн. тонн ежегодно.
Страны, добывающие уголь
Лидерами по объёмам добычи угля, согласно данным «Статистического обзора мировой энергетики», в 2019 году стали:
- Китай – 3 846 млн. тонн.
- Индия – 756,4 млн. тонн.
- США – 639,8 млн. тонн.
- Индонезия – 610,0 млн. тонн.
- Австралия – 506,7 млн. тонн.
- Россия – 440 млн. тонн.
- ЮАР – 254,3 млн. тонн.
- Германия – 133,9 млн. тонн.
- Казахстан – 115,4 млн. тонн.
- Польша – 112,4 млн. тонн.
Автор:
Юрий Флоринских
Все статьи этого автора
Для обогрева помещений, получения химических соединений, редких элементов, производства лаков, красок, пластмассы и прочих нужных продуктов используется каменный уголь. Он недорог, несложен в обработке и незаменим в промышленности.
Что такое каменный уголь
Каменный уголь – это полезное ископаемое, добыча которого необходима для жизнедеятельности человека. С его помощью осуществляются многие процессы, где требуется тепловое воздействие, добываются редкие химические элементы. Ранее им топили печи, но это уходит все дальше в прошлое.
Внешне это блестящий или матовый, неровный черный или темно-бурый экземпляр, напоминающий камень, но не являющийся таковым. В отличие от камня, он крошится в руках при нажиме и горит.
Классификация каменных углей
В основе классификации лежат химические и физические свойства ископаемого. Общее разделение:
- Бурый уголь – образовался позднее других видов. Отличается низкой температурой сгорания.
- Каменный – самый распространенный и используемый вид. Добывается открытым способом или в шахтах.
- Антрацит – наиболее древний и твердый представитель. Имеет самую большую температуру сгорания из всех видов.
Бурый уголь отличается от каменного:
- цветом;
- меньшим содержанием азота и углерода;
- тем, что легче горит;
- дает больше дыма;
- выделяет меньше тепла.
Минерал разделяется по степени углефикации и размерам. На основе этих параметров была придумана и внедрена маркировка, отражающая характеристики конкретного сорта ископаемого. Это удобно для использования в промышленности.
Смотрите познавательный видеообзор про минерал:
По степени обогащения
Перед использованием добытую породу подвергают обработке – обогащению. Это увеличение содержания углерода за счет очищения от минеральных примесей, что повышает горючесть.
Часто применяется мокрый способ – ископаемое загружают в водную среду, в которой идет расслоение на примеси и камень. Это происходит из-за того, что минеральные добавки имеют меньшую плотность. Машины для такого обогащения называются отсадочными.
Промышленное разделение по степени обогащения минерала:
- Промпродукты. Используются в металлургии.
- Концентраты. Из них получают энергию для электростанций, отопления.
- Шламы – мелкая угольная пыль. Идет для нужд населения, для этого ее прессуют в брикеты.
По степени углефикации
Углефикация – процесс превращения торфа в бурый уголь или каменного – в антрацит. Это степень насыщения углеродом конкретного куска ископаемого, определяющая его свойства – горючесть, спекаемость, теплоту сгорания. Зависит от возраста – чем он меньше, тем ниже степень углефикации.
Наивысшей степенью углефикации обладает антрацит, низкой – блестящие угли марок М и Д, остальные типы относятся к средней степени.
По размерам
Добываемые ископаемые отличаются по длине и ширине (это называется фракция), потому существует классификация, где куски определенного размера имеют свое название, сокращенно обозначаемое одной буквой.
Иногда такое разделение называется сортом. Хотя используется буквенное обозначение, к маркам это не имеет отношения.
Классификация по размерам (фракциям):
| Название | Размер, мм |
| Плитный (П) | Более 100 |
| Крупный (К) | 51–99 |
| Орех (О) | 25–50 |
| Мелкий (М) | 13–24 |
| Семечко (С) | 6–12 |
| Штыб (Ш) | Менее 6 |
| Рядовой (Р) | Несортированный, имеющий в составе куски разного размера |
Марки каменного угля
Минерал подразделяют на марки, деление основано на составе и способности к горению:
- 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).
Каменный уголь марки Д чаще других используется в ЖКХ и энергетике благодаря следующим свойствам:
- много летучих веществ (от 39 %);
- мало серы (менее 0,5 %);
- мало золы;
- теплота сгорания 4700–5400 ккал/кг – это хороший показатель;
- содержание воды – 15–16 %;
- высокая теплоотдача.
Камень отличается ярким блеском, добывается на территориях Красноярского края и Хакасии.
Происхождение каменного угля
Минерал начал образовываться задолго до появления человека. Примерный возраст – 400–200 миллионов лет. До сих пор у ученых нет однозначного мнения касательного того, растения какой группы образовали залежи каменного угля. Большинство считают, что это папоротниковидные.
Существуют 4 основные теории, пытающиеся объяснить, как образовался каменный уголь:
- Самая распространенная – образование торфа, а затем угля произошло из-за распада папоротников, плаунов, хвощей. Однако эта теория не может объяснить пласты ископаемых толщиной в 400–700 метров. Ведь для образования 500 метров ископаемых требуется 2000 метров торфа, т. е. растения одних видов должны были произрастать на территории миллионы лет без изменений погодных условий.
- Термическая теория – медленное тление растительных остатков в условиях среды с малым содержанием кислорода с постепенным превращением в обычный уголь, а затем – в каменный. Однако при этом внутри ископаемых не сохранились бы части растений.
- Версия с морской водой. Упав в океан, растения подвергались длительному процессу углефикации, находясь под давлением и без кислорода. Теория подтверждается морскими находками – водорослями, песком.
- Абиогенная – уголь появлялся путем нагревания метана в присутствии водорода и углекислого газа. По этой теории, находки в пластах являются не остатками растений, а пиролитическим графитом, потому нельзя достоверно определить возраст добываемых ископаемых.
При добыче и обработке в пластах ископаемого иногда встречаются удивительные находки:
- вертикально стоящие стволы деревьев;
- огромные каменные глыбы весом до 73 кг, имеющие метаморфическое или вулканическое происхождение;
- изделия из золота и металла, что указывает на продолжающийся процесс углеобразования;
- моллюски, раковины, кольчатые черви;
- округлые предметы, напоминающие яйца динозавров.
За происхождение каменный уголь называют консервами солнечной энергии – растения способны накапливать ее в листьях, побегах.
Месторождения и добыча породы
Ископаемое широко распространено – его запасы составляют 15 % от всей суши. Тройка стран-лидеров по добыче каменного угля:
- США – мировой лидер. Процент залежей составляет 23 – это более 1600 миллиардов тонн.
- Россия. Залежи оцениваются в 13 %.
- Китай. Показатель стремится к 11 %.
В России каменный уголь добывают в Кемеровской области, в Кузнецком месторождении, где находится 640 миллиардов тонн ископаемых. Открытие произошло в 1721 году М. Волковым. В 1842 году П. Чихачев оценил запасы бассейна. Во 2-й половине XIX века в Кузбассе начали добывать каменный угль.
В Якутии находится Эльгинское месторождение, его запасы составляют около 2 миллиардов тонн, в Тыве перспективны для разработки Элеготсткие залежи. Другие бассейны – Ленский, Тунгусский, Иркутский, Южно-Якутский, Печерский.
В США самые большие залежи расположены в штате Иллинойс (запас более 360 миллионов тонн).
В Казахстане находится 162 миллиарда тонн ископаемого. Одно из самых крупных месторождений – Экибастузское, другие бассейны:
- Шубарколь и Кызылтал – по 2 миллиарда тонн;
- Шоптыколь, Мамыт и Эгинсай – по 1 миллиарду тонн;
- Каражыра – 890 миллионов тонн.
Месторождения каменного угля обозначают на карте в виде определенного символа – черного квадрата, а бурого – заштрихованного.
В республике Хакассия основное месторождение находится в Минусинской котловине. Разработки ведутся с 1904 г. Хакасский каменный уголь добывают в Изыхском и Черногорском бассейнах.
В Африке добывают минерал на территориях:
- Зимбабве;
- Мозамбика;
- ЮАР.
Страны-экспортеры каменного угля по рейтингу, объем указан в миллионах тонн в год:
- Австралия – 193;
- Китай – 91;
- ЮАР – 69,3;
- Индонезия – 66,4;
- США – 44,1;
- Россия – 41;
- Колумбия – 37,1;
- Канада – 30,6;
- Казахстан – 28;
- Польша – 23.
Смотрите передачу о добыче камня в России:
Физико-химические свойства камня
Основной элемент камня – углерод, потому он хорошо и долго горит. Помимо этого, в нем содержится вода. Соотношение элементов зависит от возраста минерала:
| Название угля | % воды | % углерода | % летучих веществ | Как воспламеняется | Как горит | Теплоотдача |
| Бурый | До 43 | До 45 | До 50 | Хорошо | Хорошо | Низкая |
| Каменный | До 12 | 75–95 | До 32 | Отлично | Хорошо | Средняя |
| Антрацит | 1–3 | 85–95 | Менее 9 | С трудом | Слабо, без дыма из-за малого объема летучих примесей | Высокая |
Свойства:
- удельный вес – 1,5–1,7 г/см2;
- температура горения в печи – 700–1100 °С;
- блеск – выраженный, с металлическим оттенком, реже – золотистый;
- удельная теплоемкость – 1300 Дж/(кг × К);
- удельная теплота сгорания – 5700 ккал/кг;
- излом – неровный, раковистый;
- твердость угольной золы по шкале Мооса – 2;
- срок хранения каменного угля – 6–18 месяцев.
К просмотру передача, где ученый в занимательной форме рассказывает про свойства минерала:
Применение каменного угля в промышленности
В отношении каменного угля, используемого в промышленности, применяется ГОСТ 32464-2013 – постановление, в котором описаны технические требования, методы определения химического состава, классификация по разным параметрам.
В основе использования ископаемого лежит реакция пиролиза каменного угля – нагревание без каких-либо реагентов. В современной промышленности все чаще используются различные химические добавки, ускоряющие реакцию. Этапы пиролиза:
- конденсация;
- полимеризация;
- ароматизация;
- алкилирование.
Отдельно выделяют:
- Низкотемпературный пиролиз, протекающий при 500–600 °С. Это полукоксование.
- Высокотемпературный процесс, или коксование. Идет при 900–1100 °С.
Все продукты коксования делятся на 3 группы:
- Твердые – кокс. Используется в черной и цветной металлургии.
- Жидкие – каменноугольная смола. Из нее получают более 250 химических соединений. Основные – технические масла, синтетическое топливо, нафталин, бензол, аммиак. Из толуола делают красители, тротил и сахарин.
- Газообразные – пиролизный газ. Альтернативный источник энергии и тепла.
При переработке ископаемого можно получить следующие продукты, используемые в промышленности:
- ванадий, серу, цинк, свинец;
- ксилол и бензол – используются в лакокрасочной промышленности;
- твердое топливо, идущее на обогрев домов и обеспечивающее работу предприятий;
- жидкое топливо – получается при сжижении твердого;
- светильный газ, применяемый для освещения;
- золу – применяется в строительстве.
Ископаемое относится к 4-му классу опасности, как легковоспламеняющееся вещество, способное к нагреву.
Для личного использования ископаемые применяют с целью получения тепла. Там, где мало древесины или сложно заготовить дрова, можно топить баню углем. Во многих домах до сих пор стоят печи. Помещения, отапливаемые с помощью каменного угля, хорошо прогреваются и приемлемы даже для суровых зим.
Разжечь каменный уголь непросто – нужны охапка дров, древесная щепа или лучины, солома, бумага. Сначала укладывают несколько дров, на них – щепу (лучины), сверху – солому. Поджигают бумагу, с ее помощью – солому. Далее постепенно загорается древесина. Остальные дрова подкладывают по мере освобождения места. В самый жар кладут каменный уголь. Процесс подготовки окупается длительным временем сгорания и хорошей теплоотдачей.
В качестве удобрения золу каменного угля не применяют – в ней мало питательных веществ, могут быть примеси тяжелых металлов. Единственное приемлемое решение – использование на высоко щелочных почвах для нормализации кислотности – зола закисляет грунт.
Некоторые люди предлагают жарить шашлык на нем, но делать этого не стоит.
Предлагаем посмотреть зарубежную передачу о том, какая ситуация сложилась с полезным ископаемым в Европе:
Стоимость ископаемого
Каменный уголь – недорогое ископаемое. Антрацит стоит от 8000 до 11000 рублей за тонну, длиннопламенный уголь мелкой фракции можно купить за 4000–6000 рублей.
Каменный уголь – универсальное и удивительное по функциональности для человека творение природы. Он помогает производить много используемых повседневно вещей, а также топить дома и бани.
Вам доводилось использовать каменный уголь? Поделитесь статьей с друзьями и знакомыми.