Jfyhkgu

Уголь

Уголь — полезное ископаемое, вид топлива, образовавшийся как из частей древних растений, так и в значительной степени из битумных масс, излившихся на поверхность планеты, подвергшихся метаморфизму вследствие опускания на большие глубины под землю под высокими температурами и без доступа кислорода. Международное название углерода происходит от лат. carbō («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 среднем, сжигание одного килограмма этого вида топлива приводит к выделению 2,93 кг CO₂ и позволяет получить 23–27 МДж (6,4–7,5 кВт·ч) энергии^[1] или, при КПД 30 % — 2,0 кВт·ч электричества.

Если в 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, то к 1970 году его доля упала до одной трети. Использование угля увеличивается в периоды высоких цен на нефть и другие энергоносители.

Образование угля |

В разное время и в разных местах в геологическом прошлом Земли существовали густые леса в водно-болотных низинах. Из-за естественных процессов, таких как наводнения, эти леса оказывались похоронены под землёй. По мере того как слой почвы над ними увеличивался, росло давление. Температура также поднималась по мере опускания. В таких условиях растительный материал был защищён от биодеградации и окисления. Поглощённый растениями углерод в огромных торфяниках в конечном итоге был покрыт и глубоко погребён отложениями. Под высоким давлением и высокой температурой мёртвая растительность постепенно преобразуется в уголь. Так как уголь состоит в основном из углерода, конверсия мёртвой растительности в уголь называется карбонизацией.

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, бедная кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой стадии процесса выделяющиеся 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 один километр из 20-метрового слоя торфа получается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает трёх километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной в 2 метра. На большей глубине, порядка шести километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.

Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода (примерно 400 млн лет назад), 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 300–400 миллионов лет^[2].

Образование больших объёмов угля, скорее всего, прекратилось после появления грибов, так как белая гниль грибов полностью разлагает лигнин^[3].

В широких, неглубоких морях каменноугольного периода существовали идеальные условия для формирования угля, хотя известны угли из большинства геологических периодов. Исключением является угольный пробел в ходе Пермско-Триасового вымирания, где уголь является редкостью. Уголь, встречающийся в Докембрийских слоях, которые предшествуют наземным растениям, как предполагается, возник из остатков водорослей.

В результате движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счёт эрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности. Образование наиболее мощных угольных пластов связано с областями земной поверхности, на площадь которых происходили излития значительных объёмов битумных масс, как, например, в Хат-Крик (англ.)русск. (Канада), суммарная мощность пакета угольных пластов достигает 450 м^[4].

Виды угля |

Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля — битумные массы и в меньшей степени (не промышленные запасы) из органических остатков растительного происхождения. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа: бурые угли (лигниты), каменные угли, антрациты и графиты. В западных странах имеет место несколько иная классификация — лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.

По происхождению угли делятся на гумусовые (из остатков высших растений: древесины, листьев,  стеблей и т. д. ) и сапропелитовые угли (из остатков низших  растений, главным  образом  водорослей)^[5].

Антрацит |

Антрацит

Антрацит — самый глубоко прогревавшийся при своём возникновении из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации, переходная форма от каменного угля к графиту. Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твёрдое высококалорийное топливо (теплотворность 6800—8350 ккал/кг). Имеет наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняется. Образуется из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.

Каменный уголь |

Каменный уголь

Каменный уголь — горная порода, представляющая собой продукт глубокого метаморфизма битумных масс, изливавшихся на поверхность планеты Земля вследствие глобальных тектонических катаклизмов в различные геологические эпохи развития планеты. Наибольший метаморфизм наблюдается вблизи образованных горных массивов, на большей глубине залегания под действием высоких температур, давления и отсутствия кислорода. 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 %. Содержат до 12 % влаги (3–4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания по сравнению с бурыми углями. Содержит до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняется. Образуется из бурого угля на глубинах порядка трёх километров.

Бурый уголь |

Бурый уголь

Лигнит

Бурый уголь — твёрдый 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 сырьё. Содержит много воды (43 %), и поэтому имеет низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержит большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка одного километра.

Добыча угля |

Способы добычи угля зависят от глубины его залегания. Разработка ведётся открытым способом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта не превышает ста метров. Нередки и такие случаи, когда при всё 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 Российской Федерации добывают уголь с уровня чуть более одной тысячи двухсот метров.
При обычной шахтной добыче угля около 40 % угля не извлекается. Применение новых методов шахтной добычи — длинный забой — позволяет извлекать больше угля.^[6]

В угленосных отложениях наряду с углём содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырьё для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Например, некоторые угли обогащены германием.

Мировая добыча достигла максимальной отметки 8254,9 миллионов тонн в 2013 году.

Доказанные запасы угля |

Уголь в России |

История добычи угля в России |

Пётр I впервые познакомился с углём в 1696 году, возвращаясь из первого Азовского похода в районе нынешнего г. Шахты (до революции Александровск-Грушевск). Во время отдыха на берегу Кальмиуса царю показали кусок чёрного, хорошо горящего минерала. «Сей минерал, если не нам, то потомкам нашим зело полезен будет», — сказал Пётр I.

Рудознавец из семьи подьячего приказной избы Григорий Капустин в 1721 году открыл каменный уголь близ притока Северского Донца — реки Кундрючья и доказал его пригодность для использования в кузнечном и железоделательном производствах. В декабре 1722 года Пётр I именным указом послал Капустина за пробами угля, а затем было предписано снаряжение специальных экспедиций для разведки угля и руды.

В 1722 году Берг-коллегия предложила В. И. Геннину, ведавшему уральскими и сибирскими заводами, «иметь старание о прииске каменного угля как и в прочих европейских государствах обходятся дабы оным лесам теми угольями было подспорье».

Группа С. Костылева в 1720—1721 годах вела поиски полезных ископаемых в северных предгорьях Алтая. В феврале 1722 года М. Волков сделал заявку на железную руду, найденную им в Томском уезде, и уголь, обнаруженный им в «горелой горе» в семи верстах от Верхотомского острога, на территории современного города Кемерово.

Становление угольной промышленности в России относится к первой четверти XIX в., когда уже были открыты основные угольные бассейны.

Добыча и запасы угля в России |

В России сосредоточено 5,5 % мировых запасов угля, 272,1 млрд тонн общих запасов, в том числе разведанных — 193 млрд тонн. Такая разница с процентом доказанных запасов угля обусловлена тем, что большая часть не пригодна к разработке, так как находится в области вечной мерзлоты. 70 % приходится на запасы бурого угля.

Добыча угля в России (РСФСР), млн. тонн:

• 1990 год — 395;


• 1995 год — 263;


• 2000 год — 258;


• 2004 год — 282 (76,1 млн тонн было отправлено на экспорт);


• 2005 год — 299 (79,61 млн тонн было отправлено на экспорт);


• 2006 год — 310;


• 2009 год — 301^[8];


• 2010 год — 323;


• 2011 год — 334;


• 2012 год — 354;


• 2013 год — 352;


• 2014 год — 356 (экспорт составил 155,6 млн. тонн, включая 153,2 млн. тонн каменного угля и 2,4 млн. тонн бурого угля);


• 2015 год — 372 (экспорт составил 156,0 млн. тонн, включая 152,7 млн. тонн каменного угля и 3,4 млн. тонн бурого угля);


• 2016 год — 385 (экспорт составил 171,4 млн. тонн, включая 166,1 млн. тонн каменного угля и 5,3 млн. тонн бурого угля).^[9]
  

Крупнейшие перспективные месторождения в России |

Эльгинское месторождение (Республика Саха (Якутия)). 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 м³ на тонну рядового угля), что очень выгодно для организации добычи открытым способом.

Элегестское месторождение (Тува) 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 8-16 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 «Курагино — Кызыл» в увязке с освоением минерально-сырьевой базы Республики Тыва(Тува).

Крупнейшие российские производители угля |

В 2004 году добыча составляла:

• 
  СУЭК — 79,5 млн тонн.


• 
  Кузбассразрезуголь — 39,3 млн тонн.


• 
  Южкузбассуголь — 18,1 млн тонн.


• Южный Кузбасс — 15,6 млн тонн.


• 
  Угольная компания "Заречная" — 9,9 млн тонн.


• 
  Красноярсккрайуголь — 3,7 млн тонн.

Крупнейшие угольные компании России |

• Северсталь


• СУЭК


• Кузбассразрезуголь


• Распадская


• Угольная компания «Заречная»


• Мечел


• Сибуглемет


• Евраз

Крупнейшие производители угля (США) |

Транспортировка угля баржами

В 2004 году добыча составляла:

• 
  Peabody Energy — 198 млн тонн.


• 
  Arch Coal — 123 млн тонн.


• 
  Consol Energy — 228 млн тонн.


• Foundation — 61 млн тонн.


• Massey — 42 млн тонн.

Потребление угля |

Потребление угля в миллионах тонн.

Применение угля |

Буроугольные брикеты

В Англии в 1735 году научились выплавлять чугун на коксе.↵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.
Очень перспективным является сжижение (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1 т нефти расходуется 2—3 т каменного угля, в период эмбарго ЮАР практически полностью обеспечивала себя топливом за счёт этой технологии. Из каменных углей получают искусственный графит.

Стоимость угля |

Стоимость сильно различается, так как сильное влияние оказывают качество угля и стоимость транспортировки. В целом по России цены колеблются от 60-400 рублей за тонну (2000 г.) до 600—1300 рублей за тонну (2008 г.). На мировом рынке цена достигла 300 $ за тонну (2008), а затем опустилась до 3500-3650 рублей за тонну (2010).

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 распада СССР КАТЭКНИИ уголь 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.^[10]

• см. Автомобиль с газогенератором
  


• см. Водоугольное топливо
  

Сжижение угля |

• По расчётам учёных^{[каких?]}, разведанных^{[когда?]} запасов угля хватит примерно на 171 год.


• см. Синтез Фишера — Тропша
  

Уголь в качестве топлива |

Роль угля в энергетическом балансе

В России в 2005 году доля угля в энергобалансе страны составляла около 18 процентов (в среднем по миру 39 %), в производстве электроэнергии — немногим более 20 процентов. Доля угля в топливном балансе РАО ЕЭС составила в 2005 году 26 %, а газа — 71 %. В связи с высокими мировыми ценами на газ российское правительство намеревалось увеличить долю угля в топливном балансе РАО ЕЭС до 34 % к 2010 году, однако данным планам не суждено было сбыться из-за прекращения деятельности РАО ЕЭС в 2008 году.

Трудности использования угля в качестве энергетического топлива

Несмотря на происходящие экономические изменения, стоимость 1 тонны условного топлива (тут) на угле в большинстве случаев является самой низкой по сравнению с мазутом и газом. Основная трудность использования угля состоит в высоком уровне выбросов от сжигания угля — газообразных и твёрдых (зола).
В большинстве развитых стран, впрочем, и в России, действуют жёсткие требования по уровню выбросов, допустимых при сжигании угля. В странах ЕС используются жёсткие штрафные санкции к ТЭЦ, превышающим нормы (вплоть до 50 евро за каждый выработанный МВт*ч электроэнергии).
Выходом из ситуации является использование различных фильтров (например, электрофильтров) в газоходах котлов, либо сжигание угля в виде водоугольных суспензий (Водоугольное топливо)^[11]. В последнем случае из-за более низкой температуры горения угля существенно (до 70 %) снижаются выбросы оксидов NO_x (температурный NO_x).
Зола, получаемая от сжигания угля, в ряде случаев может быть использована в строительной индустрии. Ещё в СССР были разработаны ГОСТы, предусматривающие добавку золы в шлакопортландцементы. Трудность использования золы заключается в том, что удаление золы происходит в большинстве случаев путём гидрозолоудаления, что затрудняет её погрузку для дальнейшей транспортировки и использования.

Удельная теплота сгорания угля в сравнении с другими веществами |

Влияние на состояние окружающей среды и здоровье шахтёров |

Ископаемый уголь содержит вредные тяжёлые металлы, такие как ртуть и кадмий (концентрация от до 0,0001 до 0,01% от массы)^{[источник не указан 1775 дней]}.

При подземной добыче угля запылённость воздуха может превышать ПДК в сотни раз^[12][13]. При тех условиях работы, которые имеются в шахтах, непрерывная носка респираторов практически невозможна (они при каждом сильном загрязнении требуют быстрой смены на чистые новые маски респираторов, не дают общаться и т. п.), что не позволяет использовать их как средство надёжной профилактики необратимых и неизлечимых профессиональных заболеваний — силикоза, пневмокониоза (и др.). Поэтому для надёжной защиты здоровья шахтёров и рабочих углеперерабатывающих предприятий в США используют более эффективные средства коллективной защиты^[14][15].

См. также |

Примечания |

Литература |

	Ископаемый уголь на Викискладе
	Ископаемый уголь в Викиновостях

• Вуколов С. П., Менделеев Д. И. Уголь каменный // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.


• Левинсон-Лессинг Ф. Ю. Каменный уголь // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Ссылки |

• Виртульный музей угля Кемеровского НЦ