Полезные ископаемые уголь для чего нужен

Уголь – порода, образующаяся в толще земли за счет отложения остатков органических соединений, минеральных веществ. Основное предназначение – топливо, в том числе энергетическое и жидкое. Уголь используется в металлургии, деревообрабатывающем и химическом производстве.

Процесс образования и состав

Запас породы сформировался в палеозойскую эру и залегает в толще земли более, чем на километр вглубь. Для образования необходимо наличие торфа в грунте. Однако торф не сразу превращается в пласт угля, для этого нужны определенные условия:

• длительное время;
• высокие температуры;
• отсутствие кислорода;
• давление на породу в почве.

В таких условиях естественные природные газы испаряются, как и влага. Взамен этого образуется углерод, преобразующийся в бурый или каменный уголь.

Химический состав угля включает в себя:

• углерод;
• кислород;
• водород;
• серу;
• азот.

Процентное соотношение составляющих компонентов напрямую зависит от возраста породы:

1. Молодой уголь – бурый, состав: до 60% углерода, 20% кислорода, 6% водорода, 4% серы и 3% азота.
2. В каменной породе содержание кислорода снижено до 30%, а углерод возрастает до 70%.
3. Старый уголь – антрацит, содержит в себе свыше 95% углерода с минимальным количеством влаги и примесей.

Чем старше возраст ископаемой породы, тем выше температура сгорания.

Добыча угля

В зависимости от того, на какой глубине прослеживается залегание породы, добыча осуществляется тремя способами:

• гидравлическим;
• шахтным;
• карьерным угольным или открытым.

У каждого метода имеются преимущества и недостатки, влияющие на цену и качество материала.

Гидравлический способ

Метод добычи отличается простотой и относительной безопасностью. Доставка каменного угля на поверхность производится за счет водной струи, подаваемой под сильным давлением. Недостатком является постоянный контакт воды с инструментами, техникой и самой породой, вследствие чего возникают регулярные поломки механизмов. Если порода твердая, а угол наклона шахты не разрешает направить струю в нужном направлении, добыть уголь будет затруднительно.

Шахтный способ

Такой метод позволяет добывать породу на большой глубине. Преимущество угля в шахтах – высокое качество и отсутствие примеси посторонних материалов. Для разработки бурят вертикальные и горизонтальные штольни, по которым спускаются рабочие и поднимается порода. Самая большая глубина шахты 1500 метров. Такой способ добычи несет в себе ряд опасностей:

• внезапное затопление объекта подземными водами;
• выброс в штольни сопутствующих разработке газов, которые способны воспламеняться, взрываться и вызывать отравления людей;
• подъем высокой температуры, приводящий к несчастным случаям на производстве.

Неукоснительное соблюдение техники безопасности минимизирует риск аварий и чрезвычайных происшествий.

Открытый способ

Такой метод добычи безопасный и наиболее распространенный. Над залежами породы снимают верхний слой земли. С помощью бульдозеров, экскаваторов и других специальных машин дробят и транспортируют ископаемые. Недостаток таких разработок – нанесение вреда окружающей природе, поскольку снятие плодородного слоя земли производится на огромной площади.

Виды угля

Существует несколько видов, отличающихся друг от друга составом и удельной теплотворной способностью. Одни используются на производстве, другие для отопления бытовых строений. Типы угля:

• Лигнит – черного цвета с коричневыми оттенками, применяется в энергетической промышленности. Малопригоден для хранения в бытовых условиях. Его отличительная черта – минимум влажности и максимум теплоотдачи.
• Суббитоминозный вид – содержит до 30% влажности, легко крошится, обладает высокой теплотворностью. Применяют уголь для отопления в жилых домах.
• Битуминозный вид – плотный материал, более пригодный для перевозки. При сжигании выделяет много тепла, применяется для коксования.
• Антрацит – качественный и дорогой уголь, отличается твердостью, плотностью и высоким содержанием углеводорода. Черного или серо-черного цвета с глянцевым блеском, с хорошей электропроводностью. При горении не коптит, подходит для отопления жилых помещений.
• Длиннопламенный – с хорошей теплотворностью, быстро сгорает, образуя длинное пламя. Используется для обогрева общественных зданий, отличается низкой себестоимостью.

В отдельную группу относят древесный уголь, содержащий органические вещества. Он долго горит, выделяя много тепла, подходит для каминов и мангалов. Древесная зола применяется как удобрение и питательное вещество для растений. Древесный вид используют в производстве чугуна из-за его устойчивости к коррозии.

Выделяют активированный уголь, имеющий пористую структуру и содержащий до 97% углерода. Применяется в быту для очищения воды через угольный фильтр, ухода за мебелью, удаления неприятных запахов. В медицине используется как адсорбирующее вещество при отравлении и вздутии живота.

Применение угля

В старые времена уголь использовали только как топливо, теперь область применения значительно шире. Можно из тепловой энергии, выделяемой при сгорании, получать электрическую и преобразовывать в жидкое топливо.

Каменный уголь – уникальная порода, содержащая металлы германия и галлия. Из него же получают коксовый газ, преобразуют в бензол, который применяется для изготовления лаков, красок, резины. Область использования каменного угля охватывает процесс переработки в фенолы и углеводороды с ароматическим основанием. Переработанные субстанции направляют на производство цинка, графита, свинца и других, необходимых для промышленности, материалов.

Антрацит применяют:

• В металлургии, как компонент для спекания известняка и железа, для восстановления металла и дополнительного насыщения углеводородами. Использование в доменных печах позволяет снизить загрязнение атмосферы при выбросе в воздух летучих химических соединений.
• Как фильтр для сточных и питьевых вод. Такое применение возможно из-за высоких адсорбирующих свойств антрацита.
• В химической промышленности для производства таких веществ, как сера, графит, цинк.
• В электроэнергетике, сжигая в печах специальной конструкции с хорошим доступом кислорода. Обычно принудительно нагнетают воздух в топку для того, чтобы антрацит полностью сгорал, не оставляя твердых отходов.
• В коммунальном хозяйстве, для обогрева жилых домов.

Бурый уголь дешевле каменного, хотя и не так популярен. Основное его применение – обогрев жилых домов и общественных зданий.В процессе перегонки получают топливо в жидком виде и сажу. Вытяжки в виде горного воска используют на предприятиях по деревообработке и в текстильном производстве.

Из этого же полезного ископаемого получают газ, состоящий из метановых, водородных и углеродных соединений. Процесс перегонки происходит в газогенераторах, где жар достигает 1000 градусов.

Из бурого угля методом гидрогенизации получают бензин высокого качества. Сырье соединяют с тяжелым маслом и водородом и доводят до температуры свыше 400 градусов. После промежуточных этапов перегонки достигается конечный результат – бензин.

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:

1. Бурый уголь – образовался позднее других видов. Отличается низкой температурой сгорания.
2. Каменный – самый распространенный и используемый вид. Добывается открытым способом или в шахтах.
3. 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:

1. Промпродукты. Используются в металлургии.
2. Концентраты. Из них получают энергию для электростанций, отопления.
3. 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.

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):

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:

1. 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.
2. 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.
3. Версия с морской водой. Упав в океан, растения подвергались длительному процессу углефикации, находясь под давлением и без кислорода. Теория подтверждается морскими находками – водорослями, песком.
4. 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:

1. США – мировой лидер. Процент залежей составляет 23 – это более 1600 миллиардов тонн.
2. Россия. Залежи оцениваются в 13 %.
3. 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.

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:

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:

1. Низкотемпературный пиролиз, протекающий при 500–600 °С. Это полукоксование.
2. Высокотемпературный процесс, или коксование. Идет при 900–1100 °С.

Все продукты коксования делятся на 3 группы:

1. Твердые – кокс. Используется в черной и цветной металлургии.
2. 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.
3. 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.