Полезные ископаемые уголь и их применение
Каменный уголь накапливается в природе в течение миллионов лет. Человечество знает о нем с давних времен. Но активно он начал использоваться всего 270 лет назад. И хватит его еще на 500 лет при современных темпах добычи уже разведанных запасов.
Как топливо каменный уголь использовали еще в древней Греции и Китае, где его добывали примитивными способами. Известно, что в Украине люди добывали и использовали его в качестве топлива для создания бытовых предметов уже в IX-X столетиях. А поиск, разведка и промышленное применение каменного угля в России началось в XVIII столетии.
Каменный уголь имеет различные технологические и генетические характеристики, что дает возможность применять его как в качестве топлива, так и в других сферах. Так, он нашел свое применение в сельском хозяйстве и химической промышленности. Например, из него изготавливают кристаллические решетки и коксовый газ. Из последнего делают углеводороды, которые идут на производство красок, лаков, линолеума и так далее.
Это далеко не все области применения, которыми может похвастаться каменный уголь. С каждым днем добыча и использование этого полезного ископаемого растут, поэтому и увеличиваются возможности его внедрения.
Сферы применения
Около 25% потребляемого объема каменного угля используется для технологических целей на промышленных предприятиях. Его перерабатывают либо применяют как сырье для производства кокса. Остальные 75% идут на выполнение энергетических задач. При этом больше половины этого объема используется в тепловых электрических станциях, а оставшаяся часть – в районных и промышленных котельных, а также для коммунально-бытовых, сельскохозяйственных, строительных и иных нужд.
Каменный уголь востребован во многих странах мира. С каждым годом объемы его использования только возрастают.
Таблица потребления каменного угля согласно последним статистическим данным (за 2015 год)
Таким образом, на первом месте по потреблению находится Китай, а Россия занимает пятую позицию.
Для наглядности, ниже представлены статистические данные о добыче каменного угля по всему миру в миллионах тонн.
Таблица добычи каменного угля согласно последним статистическим данным (за 2015 год)
Как и в таблице по потреблению, первое место по добыче занимает Китай. Россия расположилась на 6 месте.
А теперь перечислим основные сферы применения каменного угля:
- Для отопления
- Для удобрения почвы
- Для получения жидкого топлива
- Другие области использования
Ниже мы расскажем более подробно о каждом предназначении.
Для отопления
Основное применение каменного угля – это отопление зданий и помещений. Его используют и для печного отопления частных домов, и для промышленных котельных.
У нас вы можете купить каменный уголь для:
- Промышленных котлов
- Домашних котлов
Пройдя по ссылкам, вы сможете узнать, какой именно вид топлива подходит для домашнего и промышленного отопления.
В этой сфере каменный уголь обладает массой преимуществ:
- Одна закладка топлива в котел горит в течение 10-12 часов.
- Сырье можно использовать и в стационарных печках, и в переносных котлах.
- У каменного угля высокая теплота сгорания – лучшим считается тот, у которого показатель теплоотдачи выше 4700 ккал/кг.
- Топливо легко перевозить и хранить.
- Для отопления каменным углем не нужно сооружать сложные конструкции. Так, например, для газа прокладывают газопровод, для электрического отопления – электрическую сеть. В случае с углем все это не требуется.
Рассматривая преимущества использования каменного угля, нельзя не сказать о том, что при сгорании из него образуются парообразные и газообразные летучие продукты. Они негативно влияют на окружающую среду. При сгорании можно увидеть серовато-желтый, светло-серый или темно-серый дым. У древесного топлива он легкий и поднимается вверх, а у каменного угля он более темный и тяжело рассеивается в атмосферных слоях.
Негативные последствия использования каменного угля проявляются тем, что в почве оседают вредные соединения. Затем они попадают в растительные культуры, а потом по пищевой цепочке в организм животных и человека. Поэтому применение каменного угля низкого качества может негативно сказаться на здоровье людей. По этой причине перед продажей материал проверяются специалистами Роспотребнадзора.
Для того чтобы отопление каменным углем было эффективным, при выборе учитывается много факторов:
- Площадь объекта
- Толщина и материал стен
- Тип и состояние дверей и окон
- Вид котла или печи
- Схема закладки сырья
- Продолжительность холодного периода и температура в регионе
Для удобрения почвы
Для почвы каменный уголь используют в виде золы. Ее вносят при выращивании растений, которые сильно нуждаются в сере.
К культурам, которые можно удобрять золой каменного угля, относятся:
- Лук
- Горчица
- Бобовые
- Чеснок
- Капуста
- Хрен
- Редька
При внесении угольной золы нужно учитывать, что в глинистые и тяжелые грунты ее вкапывают на глубину 20 см. Из-за вымывания осадками ее вносят в глинистые почвы под зиму, а в песчаные – весной.
Каменноугольное удобрение применяют в виде:
- Раствора
Он готовится следующим образом: на 10 л воды добавляют 100 г угольной золы. Им поливают растения под корень. Перед применением раствор обязательно нужно разболтать, так как на дне емкости образуется осадок. - Настоя
10-литровое ведро наполняют на 1/3 золой и до краев наливают горячую воду. Смесь настаивают 2 дня, процеживают и используют для опрыскивания или внекорневой подкормки огородных и садовых культур. - Сухого удобрения
Его вносят не более 3 кг на 100 м2, раскидывая по участку и перекапывая на глубину минимум 10 см.
Подкормка каменным углем содержит сульфиты, которые могут негативно повлиять на растения. Но сульфиты под воздействием кислорода окисляются, и отрицательное воздействие нивелируется. По этой причине золу после сгорания сразу не вносят, а просеивают и просушивают в сухом месте около 7-10 дней. После этого ее нужно или сразу вносить, или хранить в герметично закрытой таре.
В золе каменного угля содержатся окислы кремния, благодаря которым можно разрыхлить тяжелые глинистые и мокрые земли. Они усиливают структуру однородного грунта, увеличивая его влагопропускную способность и плодородие. Еще одной важной особенностью считается практически полное отсутствие хлора, который в больших количествах губительно воздействует на растения.
Каменноугольное удобрение не используется в песчаных грунтах и земле с высокой кислотностью. Дело в том, что в нем много серы, которая преобразуется в соли серной кислоты и способствует повышению кислотности. Рекомендуется сочетать золу с органическими (навоз, помет, перегной), аммониевыми и содержащими кальций подкормками.
Стоит отметить, что вносить золу каменного угля нужно в объеме не больше 5% от общей массы земли. Дело в том, что после сгорания в ней образуются тяжелые металлы и радиоактивные элементы. Избыточное внесение может привести к накоплению этих веществ, которые поглотят растения. Таким образом, только соблюдая пропорции, можно повысить плодородность грунта без вреда для растений.
О том, как еще можно улучшить плодородность земли, читайте на странице Плодородие почвы: как его сохранить и повысить.
Для получения жидкого топлива
Главная проблема при использовании каменного угля – это много остаточных продуктов горения. Это привело к тому, что ученые создали способы получения жидкого топлива из угля. Такой синтетический топливный продукт имеет более удобную форму сжигания и не содержит много вредных компонентов.
Есть два проверенных способа:
- Гидрогенизация
- Газификация
Далее мы рассмотрим каждый способ.
Гидрогенизация
Для получения 800 кг топлива берут 1 т каменного угля. Для процесса главное, чтобы в угле содержалось 35% летучих элементов. Процесс гидрогенизации предполагает, что в уголь добавляют недостающий водород. С этой целью сырье помещают в автоклав и нагревают. Внутри температура составляет 500°С, а давление – 200 Бар. При такой методике получения жидкого топлива сырье проходит в автоклаве две фазы – жидкую и паровую. Уголь насыщается водородом, и происходит распад сложных органических соединений на простые. На выходе получается синтетический бензин или дизельное топливо. Теперь можно понять, насколько сложно такое производство. Самостоятельно наладить его не получится.
Газификация
Она представляет собой разложение твердотопливной продукции на газы. Для получения топлива их потом трансформируют в жидкий вид. Есть несколько способов газификации угля.
Первый метод – Фишера-Тропша. Он трудоемок и требует наличия сложного оборудования. Это нерентабельно, потому как тратится много каменного угля. И получается, что готовый бензин купить куда дешевле. К тому же, в процессе газификации выделяется огромное количество углекислого газа, а это небезопасно.
Второй способ – термический. Он подразумевает нагрев сырья без кислорода. Для него тоже нужно специальное оборудование, поскольку температура трансформации угля в газ равна 1200°С. Главное преимущество термической газификации состоит в том, что одна часть газа идет на подогрев сырья, а другая на синтезирование топлива. Это минимизирует затраты, ведь каменный уголь подогревает себя сам.
Все способы получения топлива из каменного угля организуются только в промышленных условиях. Дома это сделать невозможно и совсем небезопасно.
Другие области использования
Каменный уголь нашел свое применение и в других областях.
После первичной переработки из него получают:
- Кокс
- Каменноугольную смолу
- Аммиак
Затем на основе этого сырья изготавливают толуол, бензол, карбид кальция, нафталин, антрацен. В свою очередь эти компоненты входят в состав такой продукции как парфюмерные средства, растворители, пластмассы, лекарственные препараты, уксусная кислота, краски, взрывчатые вещества. То есть даже такие привычные нам духи, столовый уксус и некоторые лекарства – это производное каменного угля.
В остальных сферах жизни использовать каменный уголь нужно крайне осторожно. В некоторых случаях применять его нежелательно. Так, этот материал не подходит для мангала, на нем нельзя жарить шашлык, его не используют для розжига обычных костров, не добавляют в кальян. С чем это связано?
Дело в том, что у каменного угля высокая температура горения и большое содержание летучих веществ. А чтобы его разжечь своими силами, надо сильно постараться. К тому же, в материале есть примеси тяжелых металлов и опасных веществ. Да, их процент крайне мал, но он есть. По этой причине, кстати, не стоит давать золу каменного угля в качестве подкормки животным. В этом случае лучше использовать золу безопасного древесного угля.
Также каменный уголь не применяется в строительных и дорожных работах, в благоустройстве территории.
Каменный уголь – неотъемлемая часть нашей жизнедеятельности. Его использование оправдано в самых разных сферах, начиная от отопления, и заканчивая народным хозяйством и медициной.
Хотите узнать больше?
О том, что такое каменный уголь, какие у него есть виды и свойства, читайте на странице Каменный уголь.
Другие полезные статьи и советы по этому материалу вы найдете в разделе Все о каменном угле.
Хотите узнать, какой материал подойдет для ваших целей?
Тогда рекомендуем изучить нижеуказанные страницы. На них вы найдете подробную информацию о том, как выбрать каменный уголь для тех или иных работ.
- Каменный уголь для домашних котлов
- Каменный уголь для промышленных котлов
Битуминозный каменный уголь
Химическая структура угля
Ка́менный у́голь — твёрдое горючее полезное ископаемое, промежуточная по содержанию углерода форма угля между бурым углём и антрацитом.
История[править | править код]
Каменный уголь был известен ещё в древнем мире. Первое упоминание о нём связывают с Аристотелем (IV век до н. э.)[1]. Несколькими десятилетиями позже, его ученик Теофраст Эресский в «Трактате о камне» писал:
«… Носят эти ископаемые вещества название антрацита (или угля) … они вспыхивают и горят подобно древесному углю…»[2]
Древние римляне добывали каменный уголь для отопления на территории нынешней Великобритании. В I веке до н. э. в китайской провинции Юньнань уголь нагревали без доступа воздуха и получали кокс[3].
Характеристика[править | править код]
Плотная порода чёрного, иногда серо-чёрного цвета. Блеск смоляной или металлический. В органическом веществе каменного угля содержится 75—92 % углерода, 2,5—5,7 % водорода, 1,5—15 % кислорода. Содержит 2—48 % летучих веществ. Влажность 1—12 %. Высшая теплота сгорания в пересчёте на сухое беззольное состояние 30,5—36,8 МДж/кг. Каменный уголь относится к гумолитам; сапропелиты и гумитосапропелиты присутствуют в виде линз и небольших слоёв.
Образование каменного угля характерно почти для всех геологических систем — от девона до неогена (включительно); он активно формировался в карбоне, перми, юре. Залегает уголь в форме пластов и линзовидных залежей различной мощности (от десятков сантиметров до нескольких десятков и сотен метров) на разных глубинах (от выходов на поверхность до 2500 м и глубже).
Каменный уголь характеризуется нейтральным составом органической массы. Он не реагирует со слабыми щелочами ни в обычных условиях, ни под давлением. Битумы каменного угля, в отличие от угля бурого, представлены преимущественно соединениями ароматической структуры. В каменном угле не обнаружены жирные кислоты и эфиры, мало соединений со структурой парафинов. Угольное вещество является неферромагнитным (диамагнитным), минеральные примеси характеризуются парамагнитными свойствами. Магнитная восприимчивость угля возрастает с увеличением их стадии метаморфизма. По своим тепловым свойствам каменный уголь приближается к теплоизоляторам.
Главные технологические свойства каменного угля, определяющие его ценность: спекаемость и коксовая способность. Стандартный показатель спекания — индекс Рога (RI) и толщина пластического слоя в аппарате Л. М. Сапожникова.
Образование[править | править код]
Каменный уголь образуется из продуктов разложения органических остатков растений, подвергшихся изменениям (метаморфизму) в условиях высокого давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры.
При погружении угленосной толщи на глубину в условиях повышения давления и температуры происходит последовательное превращение органической массы, изменение её химического состава, физических свойств и молекулярного строения. Все эти преобразования обозначаются термином «региональный метаморфизм угля». На конечной (высшей) стадии метаморфизма каменный уголь превращается в антрацит с ярко выраженной кристаллической структурой графита. Кроме регионального метаморфизма, иногда (реже) имеют место преобразования под воздействием тепла изверженных пород, расположенных рядом с угленосными толщами (перекрывающих или подстилающих их) — термальный метаморфизм, а также непосредственно в угольных пластах — контактовый метаморфизм. Рост степени метаморфизма в органическом веществе каменного угля прослеживается последовательным увеличением относительного содержания углерода и уменьшением содержания кислорода и водорода. Последовательно снижается выход летучих веществ (от 50 до 8 % в пересчёте на сухое беззольное состояние), изменяются также теплота сгорания, способность спекаться и физические свойства угля. В частности, линейно меняются блеск, отражательная способность, насыпная масса угля и другие свойства. Другие важные физические свойства (пористость, плотность, спекаемость, теплота сгорания, упругие свойства и другое) изменяются по ярко выраженным параболическим законам или смешанным.
Как оптический критерий стадии метаморфизма угля используется показатель отражательной способности; он применяется также и в нефтяной геологии для установления стадии катагенных преобразований осадочной толщи. Отражательная способность в масляной иммерсии (R0) последовательно возрастает от 0,5-0,65 % для угля марки Д до 2-2,5 % для угля марки Т.
Плотность и пористость каменного угля зависят от петрографического состава, количества и характера минеральных примесей и степени метаморфизма. Наибольшей плотностью (1300—1500 кг/м³) характеризуются компоненты группы фюзинита, наименьшей (1280—1300 кг/м³) — группы витринита. Изменение плотности с повышением степени метаморфизма происходит параболическим законом с инверсией в зоне перехода к группе жирных; в малозольных проявлениях она снижается от угля марки Д к марке Ж в среднем от 1370 до 1280 кг/м³ и затем последовательно возрастает для угля марки Т до 1340 кг/м³.
Общая пористость угля изменяется также по экстремальным законам; для донецкого угля марки Д она составляет 14—22 %, угля марки К 4—8 % и увеличивается (видимо, вследствие разрыхления) до 10—15 % для угля марки Т. Поры в угле разделяют на макропоры (средний диаметр 500×10−10 м) и микропоры (5-15×10−10 м). Промежуток занимают мезопоры. Пористость уменьшается с увеличением стадии метаморфизма. Эндогенная (развитая в процессе образования угля) трещиноватость, которая оценивается количеством трещин на каждые 5 см блестящего угля, зависит от стадии метаморфизма угля: она возрастает до 12 трещин при переходе бурого угля в длиннопламенный уголь и имеет максимум в 35-60 для коксующегося угля и последовательно уменьшается до 12-15 трещин при переходе к антрацитам. Подчинённые такой же закономерности изменения упругих свойств угля — модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига (среза), скорость ультразвука. Механическая прочность каменного угля характеризуется его дробимостью, хрупкостью и твёрдостью, а также временным сопротивлением сжатию.
Классификация, виды[править | править код]
Каменный уголь разделяют на блестящий, полублестящий, полуматовый, матовый. Как правило, блестящие виды угля малозольны вследствие незначительного содержания минеральных примесей.
Среди структур органического вещества угля выделено 4 типа (телинитовый, посттелинитовый, преколинитовый и колинитовый), которые являются последовательными стадиями единого процесса разложения лигнинов — целлюлозных тканей. К генетическим группам каменного угля, кроме этих четырёх типов, дополнительно включён лейптинитовый уголь. Каждая из пяти генетических групп по типу вещества микрокомпонентов угля разделена на соответствующие классы.
Существует много видов классификаций каменного угля: по вещественному составу, петрографическому составу, генетические, химико-технологические, промышленные и смешанные. Генетические классификации характеризуют условия накопления угля, вещественные и петрографические — его вещественный и петрографический состав, химико-технологические — химический состав угля, процессы формирования и промышленной переработки, промышленные — технологическое группировки видов угля в зависимости от требований промышленности. Классификации угля в пластах используются для характеристики угольных месторождений.
Промышленная классификация угля[править | править код]
За основу промышленной классификации каменного угля в отдельных странах принимаются различные параметры свойств и состава угля: в США каменный уголь классифицируют по теплоте сгорания, содержанием связанного углерода и относительным содержанием летучих веществ, в Японии — по теплоте сгорания, так называемым топливным коэффициентам и прочностью коксов либо неспособностью к коксованию. В СССР в 1954 году как основная промышленная классификация действовала разработанная в 1930 году В. С. Крымом так называемая Донецкая классификация. Она называется иногда «марочной», одновременно является и генетической, поскольку положенные в её основу изменения свойств угля отражают их связь с генетическим развитием органического вещества угля.
Залежи[править | править код]
| 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 |
| Австралия | 38600 | 39900 | 78500 | 8,6 |
| Южная Африка | 48750 | 0 | 48750 | 5,4 |
| Украина | 16274 | 17879 | 34153 | 3,8 |
| Казахстан | 28151 | 3128 | 31279 | 3,4 |
| 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 |
Каменный уголь сосредоточен в Донецком каменноугольном бассейне и в Львовско-Волынском угольном бассейне (Украина); Карагандинском (Казахстан); Южно-Якутском, Минусинском, Буреинском, Тунгусском, Ленском, Таймырском (Россия); Аппалачском, Пенсильванском (Северная Америка), Нижнерейнско-Вестфальском (Рурском — Германия); Верхнесилезском, Остравско-Карвинском (Чехия и Польша); бассейне Шаньси (Китай), Южно-Валлийском бассейнах (Великобритания).
Среди крупнейших каменноугольных бассейнов, промышленная разработка которых началась в XVIII—XIX вв., выделяют Центральную Англию, Южный Уэльс, Шотландию и Ньюкасл (Великобритания); Вестфальский (Рур) и Саарбрюккенский бассейны (Германия); месторождения Бельгии и Северной Франции; бассейны Сент-Этьенна (Франция); Силезии (Польша); Донецкий бассейн (Украина).
Международный рынок[править | править код]
В 2017 году[5] уголь занял 16-е место среди наиболее торгуемых товаров на мировом внешнем рынке. Оборот оценивался в 122 млрд долл. США.
- Ведущие экспортеры (объём экспорта и импорта в скобках в млрд долларов):
- Австралия 39 % (47)
- Индонезия 16 % (18,9)
- Россия 13 % (16,1)
- США 8,7 % (10,6)
- Колумбия 6,3 % (7,63)
- ЮАР 5,1 % (6,23)
- Канада 4,6 % (5,66)
- Основные импортеры
- Япония 16 % (19,5)
- Индия 16 % (19,4)
- Китай 15 % (17,8)
- Южная Корея 11 % (13,3)
Использование[править | править код]
Каменный уголь используется как технологическое, энерго-технологическое и энергетическое сырьё, при производстве кокса и полукокса в связи с получением из них большого количества химических продуктов (нафталин, фенол, пек и так далее), на основе которых получают удобрения, пластмассы, синтетические волокна, лаки, краски и так далее.
Одно из самых перспективных направлений использования каменного угля — сжижение (гидрогенизация угля) с получением жидкого топлива. Существуют различные схемы неэнергетического использования каменного угля на основе термохимической, химической и другой переработки с целью их полного комплексного использования и обеспечения охраны окружающей среды.
См. также[править | править код]
- Угольная промышленность
- Каменноугольный кокс
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Смирнов В. А., Сергеев П. В., Белецкий В. С. Технология обогащения угля. Учебное пособие. — Донецк: Восточный издательский дом, 2011. — 476 с.
- Белецкий В. С. Уголь в современном мире и Украине // Донец. Рос. Науч. т-во им. Шевченко. Т. 3: Химия, технические науки, науки о земле, медицина и психология. — Донецк, 2003. — С. 58-66.
- Каменный уголь // Техническая энциклопедия. Том 9. — М.: Советская энциклопедия, 1929. — Стб. 606—633