Каменный уголь состав, химические и физические свойства, виды и классификация, способы образования и применения, основные каменноугольные месторождения и запасы

Уголь: свойства, способы переработки, применение

Уголь представляет собой полезный минерал, используемый в качестве топлива, а также сырья для ряда отраслей промышленности.

  • Добыча угля
    • Шахтный способ
    • Карьерный способ
  • Переработка и обогащение угля
    • Подготовка
    • «Простое» обогащение
    • Флотация
    • Гравитационное обогащение
  • Применение
    • В энергетике
    • В строительстве
    • В медицине
  • Месторождение в России и мире
  • Запасы угля в России
  • Страны, добывающие уголь

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 400-500 0 C.
  • 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.

Читайте также:
Кислотные оксиды - список, примеры, химические свойства, получение

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. км 2 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. км 2 . США. Штаты Иллинойс, Кентукки, Индиана. 9 пластов, из которых 2 дают 90% продукции: «Харрисбург», «Херрин».
  • Рурский бассейн – 287 млрд. тонн, 6,2 тыс. км 2 . Германия. Один из старейших угольных районов мира, где добыча началась ещё в XIII веке.
  • Аппалачский бассейн – 284 млрд. тонн, 180 тыс. км 2 . США. Штаты: Алабама, Западная Виргиния, Кентукки, Мэриленд, Огайо, Пенсильвания.
  • Печорский бассейн – 265 млрд. тонн, 90 км 2 . Россия. Ненецкий АО и Республика Коми.
  • Таймырский бассейн – 217 млрд. тонн, 80 тыс. км 2 . Россия. Полуостров Таймыр.
  • Донбасс – 141 млрд. тонн, 60 тыс. км 2 . 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.
Читайте также:
Периодическая таблица Менделеева как пользоваться и читать, история создания, свойства и список химических элементов, структура и обозначения

Каменный уголь — состав, характеристика и происхождение

Уголь — это один из самых древних видов топлива, известных человеку. И даже сегодня он занимает лидирующие позиции по объему использования. Причиной тому служит его распространенность, легкость добычи, переработки и использования. Но что он собой представляет? Какова химическая формула угля?

На самом деле данный вопрос не совсем корректен. Уголь — это не вещество, это смесь различных веществ. Их целое множество, поэтому полностью определить состав угля невозможно. Поэтому под химической формулой угля в этой статье мы будем подразумевать скорее его элементный состав и некоторые другие особенности.

Вам будет интересно:Логопедический кабинет: оформление своими руками

Но что мы можем узнать о состоянии этого вещества? Уголь образуется из останков растений в течение многих лет вследствие воздействия большой температуры и давления. А так как растения имеют органическую природу, то и в составе угля будут преобладать органические вещества.

В зависимости от возраста и иных условий происхождения угля его делят на несколько видов. Каждый вид отличается элементарным составом, наличием примесей и другими немаловажными характеристиками.

Бурый уголь

Является самым молодым видом угля. В нем даже наблюдается растительная древесная структура. Образуется напрямую из торфа на глубине порядка 1 километра.

Этот вид угля содержит достаточно большое количество влаги: от 20 до 40%. При попадании на воздух она испаряется, а уголь рассыпается в порошок. Далее речь пойдет о химическом составе именно этого сухого остатка. Количество неорганических примесей в буром угле также велико и составляет 20-45%. В качестве этих примесей выступают диоксид кремния, оксиды алюминия, кальция и железа. Также в нем могут содержаться оксиды щелочных металлов.

Много в этом угле и летучих органических и неорганических веществ. Они могут составлять до половины массы этого вида угля. Элементарный состав за вычетом неорганических и летучих веществ следующий:

  • Углерод 50-75%.
  • Кислород 26-37%.
  • Водород 3-5%.
  • Азот 0-2%.
  • Сера 0,5-3%.

Запасы и основные месторождения

Запасы угля обнаруживаются в результате геологоразведочных работ. Процесс включает создание геологической карты местности, проведение геохимических и геофизических исследований с последующим разведочным бурением. Территория становится шахтой и горные работы начинаются только в том случае, если месторождение располагает довольно большими и качественными пластами, а их разработка станет рентабельной.

Согласно данным BP Statistical Review, мировое потребление угля в 2021 г. составило 3,732 млн тонн в нефтяном эквиваленте и последние 10 лет растёт на 0,8% ежегодно. К крупнейшим потребителям относятся:

  • Китай — около 51% мировой добычи.
  • Индия — 11%.
  • США — 8,8%.
  • ЕС — 6,3%.
  • Япония — 3,2%.
  • Россия — 2,5%.
  • Южная Корея — 2,3%.

При этом более 80% объёма мировых доказанных запасов угля находятся на территории всего 10 государств. Расположены они преимущественно в северном полушарии. Список возглавляют США, имея 25% разведанных залежей. Россия находится на втором месте, а Китай — на третьем. Четвёртым рекордсменом считается Австралия, за которой следуют Индия, Германия, Украина и т. д.

Угольные месторождения называются бассейнами и являются важным национальным ресурсом, обеспечивающим государственную экономику во многих отраслях. Наиболее крупные из них (запасы в миллиардах тонн):

  • Аппалачский (284) — расположен в США.
  • Донецкий (141) — находится на территории Украины, ДНР, ЛНР и России.
  • Тунгусский (2,299) — самый крупный в России и мире.
  • Таймырский (217) — на севере Российской Федерации.
  • Ленский (1,647) — Россия.
  • Печорский (265) — Россия.
  • Кузбасский (635) — Россия.
  • Рурский (287) — находится на западе Германии.
  • Иллинойский (365) — США.
  • Канско-Ачинский (638) — расположен на территории РФ.

По приблизительным оценкам ископаемого топлива хватит примерно на 190 лет, однако эта цифра в будущем может измениться. Более совершенные и точные технологии геологоразведки помогают обнаружить новые залежи. Кроме того, не исключено появление методов добычи, позволяющих достигать недоступных ранее пластов.


Каменный уголь

По времени образования этот вид угля идет следующим после бурого. Он имеет черный или серо-черный цвет, а также смоляной, иногда металлический блеск.

Влажность каменного угля значительно меньше бурого: всего 1-12%. Содержание летучих веществ в каменном угле очень колеблется в зависимости от места добычи. Оно может быть минимальным (от 2%), но может и достигать значений, аналогичных бурому углю (до 48%). Элементарный состав следующий:

  • Углерод 75-92%.
  • Водород 2,5-5,7%.
  • Кислород 1,5-15%.
  • Азот до 2,7%.
  • Сера 0-4%.

Отсюда можно сделать вывод, что химическая формула угля каменного состоит из большего числа углерода, чем у бурого. Это делает данный вид угля более качественным топливом.

Роль в истории

О свойствах каменного угля люди знали ещё в далёком прошлом. Историки считают, что впервые в коммерческих целях его начали использовать в Китае. Есть свидетельства, что древняя шахта на северо-востоке страны предоставляла это топливо для выплавки меди и литья монет около I тысячелетия до нашей эры. Одна из самых ранних записей на территории Европы была сделана греческим учёным и философом Аристотелем, который упоминал уголь как камень.

Специфические шлаки, найденные среди римских руин в Англии, указывают на активное использование энергии угля до 400 г. до н. э. Хроники Средневековья предоставляют первые упоминания не только о разработке ископаемого карьерным способом, но и его транспортировке морским путём.

Однако широкая добыча началась во время промышленной революции XVIII—XIX вв. , когда спрос на уголь значительно вырос. Этому во многом способствовал усовершенствованный паровой двигатель Джеймса Уатта, запатентованный в 1769 году. Кроме того, в этот период многократно увеличилось изготовление чугуна и стали, требовавшихся для строительства железных дорог, станков и механизмов.

Читайте также:
Изомерия в химии - определение, положения, примеры и виды

Уголь также использовался для производства фонарного газа. Этот тип освещения настолько распространился в крупных населённых пунктах, что появился термин «городской газ». Лидером по внедрению технологии оказался Лондон. Более широкому применению помешало наступление эры электричества, и с тех пор будущее полезного ископаемого стало тесно связано с выработкой электроэнергии. Первая действующая станция обеспечивала током бытовые светильники. Она была разработана Томасом Эдисоном и введена в эксплуатацию в 1882 г. в Нью-Йорке.

В 1960-х годах нефть обогнала уголь в качестве крупнейшего источника первичной энергии с огромным ростом в транспортном секторе. Несмотря на конкуренцию, он продолжает занимать важное положение в мировой структуре производства электроэнергии, обеспечивая более трети глобальной потребности. Большие объёмы коксующихся углей применяются в металлургической промышленности.

Антрацит

Антрацит — это самая древняя форма ископаемого угля. Ему присущ темно-черный цвет, и он имеет характерный металлический блеск. Это самый лучший уголь по количеству тепла, которое он выделяет при горении.

Количество влаги и летучих веществ в нем очень мало. Около 5-7% на каждый показатель. А элементарный состав характеризуется крайне высоким содержанием углерода:

  • Углерод более 90%.
  • Водород 1-3%.
  • Кислород 1-1,5%.
  • Азот 1-1,5%.
  • Сера до 0,8%.

Больше угля содержится лишь в графите, который является дальнейшей стадией углефикации антрацита.

Древесина карбонового периода

Около 300 млн лет назад в карбоновый период большая часть суши нашей планеты была покрыта гигантскими папоротниковыми лесами. Постепенно эти леса вымирали, и древесина накапливалась в болотистых почвах, на которых они произрастали. Большое количество воды и грязи создавали препятствия для проникновения кислорода, поэтому мертвая древесина не разлагалась.

В течение длительного времени вновь отмершая древесина покрывала более старые слои, давление и температура которых постепенно увеличивались. Сопутствующие геологические процессы в конечном итоге привели к образованию залежей угля.

Древесный уголь

Этот тип угля не является ископаемым, поэтому он имеет некоторые особенности своего состава. Производят его путем нагрева сухой древесины до температуры 450-500 oC без доступа воздуха. Этот процесс называют пиролизом. В ходе него из древесины выделяется ряд веществ: метанол, ацетон, уксусная кислота и другие, после чего она превращается в уголь. Кстати, горение древесины — это тоже пиролиз, но из-за наличия кислорода воздуха загораются выделяющиеся газы. Именно этим и обуславливается наличие языков пламени при горении.

Древесина не является однородной, в ней очень много пор и капилляров. Подобная структура отчасти сохраняется и полученном из нее угле. По этой причине он обладает хорошей адсорбционной способностью и применяется наряду с активированным углем.

Влажность этого типа угля совсем небольшая (около 3%), но при длительном хранении он поглощает влагу из воздуха и процентное содержание воды повышается до 7-15%. Содержание неорганических примесей и летучих веществ регламентируется ГОСТами и должно составлять не более 3% и 20% соответственно. Элементный состав зависит от технологии получения, и примерно выглядит так:

  • Углерод 80-92%.
  • Кислород 5-15%.
  • Водород 4-5%.
  • Азот

Химическая формула угля древесного показывает, что по содержанию углерода он близок к каменному, но вдобавок имеет лишь незначительное количество ненужных для горения элементов (серы и азота).

Различные модификации угля

Накопление древесной массы в болотистой почве приводит к образованию торфа, который является предшественником угля. Формула торфа достаточно сложная, кроме того, для этой разновидности угля не существует конкретного стехиометрического соотношения. Сухой торф состоит из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и серы.

Далее торф при длительном воздействии высокой температуры и больших давлений, возникающих в результате протекания геологических процессов, претерпевает ряд следующих угольных модификации:

  1. Бурый уголь или лигнит.
  2. Битум.
  3. Каменный уголь.
  4. Антрацит.

Конечным продуктом этой цепи преобразований является твердый графит или графитоподобный уголь, формула которого представляет собой чистый углерод C.

Активированный уголь

Активированный уголь — это тип угля с высокой удельной поверхностью пор, из-за чего он обладает даже большей адсорбционной способностью, чем древесный. В качестве сырья для его получения используются древесный и каменный угли, а также скорлупа кокосовых орехов. Исходный материал подвергают процессу активации. Суть его состоит в том, чтобы вскрыть закупоренные поры действием высокой температуры, растворами электролитов или водяным паром.

В ходе процесса активации меняется лишь структура вещества, поэтому химическая формула активированного угля идентична составу сырья, из которого тот был изготовлен. Влажность активированного угля зависит от удельной поверхности пор и обычно составляет менее 12%.

Химический процесс

После попадания в камеру происходит постепенное тление дров. Данный процесс происходит благодаря наличию в топке достаточного количества газообразного кислорода, поддерживающего горение. По мере тления наблюдается выделение достаточного количества тепла, превращение избыточной жидкости в пар.
Дым, выделяющийся в процессе реакции, идет в отсек вторичной переработки, там он полностью сгорает, происходит выделение тепла. Углевыжигательная печь выполняет несколько важных функциональных задач. С ее помощью образуется древесный уголь, а в помещении поддерживается комфортная температура.

Но процесс получения подобного топлива является достаточно деликатным, и при малейшем промедлении возможно полное сгорание дров. Необходимо в определенное время извлекать из печи обуглившиеся заготовки.

Особенности разных видов топлива

Рассмотрим два основных, наиболее распространенных, вида твердотопливного сырья — дрова и уголь. Дрова содержат значительное количество влаги, поэтому сначала происходит испарение влаги, на что потребуется определенное количество энергии. После испарения влаги начинается интенсивное горение дров, но, к сожалению, процесс длится недолго.

Поэтому, чтобы его поддерживать, требуется регулярное подкладывание дров в топку. Температура возгорания древесины составляет около 300°С.

По количеству выделяемого тепла и длительности горения уголь превосходит древесину. В зависимости от возраста ископаемого материала минерал подразделяется на виды:

  • бурый;
  • каменный;
  • антрацит.

Итоговая таблица температур

Уголь Температура Достоинства Недостатки
Березовый 600-650°C Приемлемая цена, оптимальное время горения и температура Среднее время горения
Брикеты 650-700°C Долго горят, хороший жар, минимум дыма Сложно разжечь, высокая цена
Дубовый 620-660°C Долго горит, плотный Сложно разжечь, высокая цена, редкий
Сосновый 570-620°C Низкая цена Быстро сгорает, дымит
Осиновый 570-620°C Низкая цена Быстро сгорает, коптит

Применение

Основным использованием топлива является его сжигание для выделения тепла. Тепло используется не только для отопления частного дома и приготовления пищи, но и в промышленности для обеспечения технологических процессов, происходящих при высокой температуре.

В отличие от обычной печки, где процесс поступления кислорода и интенсивность горения слабо регулируется, в промышленных печах особое внимание уделяется контролю над подачей кислорода и поддержанием равномерной температуры горения.

Рассмотрим основную схему сгорания угля.

  1. Идет нагревание топлива и испарение влаги.
  2. С ростом температуры начинается процесс коксования с выделением летучих коксовых газов. Сгорая, он дает основное тепло.
  3. Уголь превращается в кокс.
  4. Процесс горения кокса сопровождается выделением тепла, достаточного для запуска коксования следующей порции топлива.

В промышленных котлах горение кокса разделяется по разным камерам от горения коксового газа. Это позволяет осуществлять приток кислорода для кокса и газа с разной интенсивностью, добиваясь необходимой скорости горения и поддержания необходимой температуры.

Все о каменном угле: описание, свойства и подробная классификация, добыча, применение

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):

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:

  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.

Каменный уголь – состав, характеристика и происхождение

Образование и свойства

Уголь — горючее полезное ископаемое, представляющее собой изменённые остатки доисторической растительности, которые изначально накапливались в болотах и торфяниках. Древняя флора консолидировалась между другими слоями осадочных пород и преобразовывалась под воздействием давления и тепла на протяжении миллионов лет.

Таким образом под действием физических сил образовывались пласты и формировался состав каменного угля, включающий углерод (90%), водород (5%) и другие незначительные примеси. Поскольку углерод всё же преобладает, то химическая формула вещества обозначается С — первой буквой латинского слова Carbo.

Происхождение каменного угля подтверждается не только с помощью геологических исследований и методов химического анализа, но и многочисленными находками. В залегающих глубоко под землёй пластах очень часто встречаются отпечатки листьев доисторических папоротников и живых организмов. Активированный уголь является древесным и к ископаемому топливу отношения не имеет.

Образование каменного угля началось во время каменноугольного периода от 360 до 290 миллионов лет назад. Качество каждого месторождения определяется физико-химическими условиями формирования и длительностью их воздействия, что называется «органической зрелостью». Отсюда следует классификация породы на несколько разновидностей (рангов) по степени изменения:

  • Первоначально торф превращается в бурый уголь или лигнит. По сравнению с другими видами, он довольно мягкий и рыхлый, а цвет варьируется от чёрного до различных оттенков коричневого. Характеризуется высоким уровнем влажности и низким содержанием углерода, а, следовательно, и энергии.
  • За миллионы лет зрелость лигнита увеличивается и он превращается в суббитуминозные угли. По соотношению содержания воды и СО2 они находятся в промежуточном положении.
  • Дальнейшие изменения происходят до тех пор, пока не образуются битумные угли. Они довольно твёрдые и прочные, имеют чёрный стекловидный блеск.
  • При определённых условиях «дозревание» достигает качества антрацита, который отличается самым высоким содержанием углерода и низкой влажность. По энергопотенциалу эта марка является наиболее продуктивной.

Плотность угля изменяется, в зависимости от его ранга и содержания минеральных примесей, снижающих теплотворную способность. Этот показатель имеет важное значение для определения методов обогащения (очистки от примесей).

Относительная плотность измеряется как удельный вес, представляющий собой отношение массы объекта к массе равного объёма воды при t 4 °C. Этот показатель для воды соответствует единице, а значит материалы с удельным весом менее 1 не тонут. Поскольку величина варьируется, в зависимости от ранга, её можно определить для разных марок угля:

  • антрацит — 1,47;
  • битумный — 1,32;
  • суббитуминозный — 1,3;
  • бурый — 1,29.

Эти цифры имеют непосредственное отношение к процессу обогащения потому, что примеси значительно изменяют стандартные характеристики. Например, удельный вес пирита (золото дураков), представляющего собой обычную примесь и основной источник серы в угле, составляет от 4,9 до 5,2. Поскольку пирит гораздо плотнее угля, для его удаления используются методы разделения по плотности.

Роль в истории

О свойствах каменного угля люди знали ещё в далёком прошлом. Историки считают, что впервые в коммерческих целях его начали использовать в Китае. Есть свидетельства, что древняя шахта на северо-востоке страны предоставляла это топливо для выплавки меди и литья монет около I тысячелетия до нашей эры. Одна из самых ранних записей на территории Европы была сделана греческим учёным и философом Аристотелем, который упоминал уголь как камень.

Специфические шлаки, найденные среди римских руин в Англии, указывают на активное использование энергии угля до 400 г. до н. э. Хроники Средневековья предоставляют первые упоминания не только о разработке ископаемого карьерным способом, но и его транспортировке морским путём.

Однако широкая добыча началась во время промышленной революции XVIII—XIX вв. , когда спрос на уголь значительно вырос. Этому во многом способствовал усовершенствованный паровой двигатель Джеймса Уатта, запатентованный в 1769 году. Кроме того, в этот период многократно увеличилось изготовление чугуна и стали, требовавшихся для строительства железных дорог, станков и механизмов.

Уголь также использовался для производства фонарного газа. Этот тип освещения настолько распространился в крупных населённых пунктах, что появился термин «городской газ». Лидером по внедрению технологии оказался Лондон. Более широкому применению помешало наступление эры электричества, и с тех пор будущее полезного ископаемого стало тесно связано с выработкой электроэнергии. Первая действующая станция обеспечивала током бытовые светильники. Она была разработана Томасом Эдисоном и введена в эксплуатацию в 1882 г. в Нью-Йорке.

В 1960-х годах нефть обогнала уголь в качестве крупнейшего источника первичной энергии с огромным ростом в транспортном секторе. Несмотря на конкуренцию, он продолжает занимать важное положение в мировой структуре производства электроэнергии, обеспечивая более трети глобальной потребности. Большие объёмы коксующихся углей применяются в металлургической промышленности.

Запасы и основные месторождения

Запасы угля обнаруживаются в результате геологоразведочных работ. Процесс включает создание геологической карты местности, проведение геохимических и геофизических исследований с последующим разведочным бурением. Территория становится шахтой и горные работы начинаются только в том случае, если месторождение располагает довольно большими и качественными пластами, а их разработка станет рентабельной.

Согласно данным BP Statistical Review, мировое потребление угля в 2018 г. составило 3,732 млн тонн в нефтяном эквиваленте и последние 10 лет растёт на 0,8% ежегодно. К крупнейшим потребителям относятся:

  • Китай — около 51% мировой добычи.
  • Индия — 11%.
  • США — 8,8%.
  • ЕС — 6,3%.
  • Япония — 3,2%.
  • Россия — 2,5%.
  • Южная Корея — 2,3%.

При этом более 80% объёма мировых доказанных запасов угля находятся на территории всего 10 государств. Расположены они преимущественно в северном полушарии. Список возглавляют США, имея 25% разведанных залежей. Россия находится на втором месте, а Китай — на третьем. Четвёртым рекордсменом считается Австралия, за которой следуют Индия, Германия, Украина и т. д.

Угольные месторождения называются бассейнами и являются важным национальным ресурсом, обеспечивающим государственную экономику во многих отраслях. Наиболее крупные из них (запасы в миллиардах тонн):

  • Аппалачский (284) — расположен в США.
  • Донецкий (141) — находится на территории Украины, ДНР, ЛНР и России.
  • Тунгусский (2,299) — самый крупный в России и мире.
  • Таймырский (217) — на севере Российской Федерации.
  • Ленский (1,647) — Россия.
  • Печорский (265) — Россия.
  • Кузбасский (635) — Россия.
  • Рурский (287) — находится на западе Германии.
  • Иллинойский (365) — США.
  • Канско-Ачинский (638) — расположен на территории РФ.

По приблизительным оценкам ископаемого топлива хватит примерно на 190 лет, однако эта цифра в будущем может измениться. Более совершенные и точные технологии геологоразведки помогают обнаружить новые залежи. Кроме того, не исключено появление методов добычи, позволяющих достигать недоступных ранее пластов.

Способы извлечения из недр

Выбор способа добычи зависит от геологических и природных условий, наличия инфраструктуры, экономических и социальных предпосылок. Основное внимание обращается на следующие факторы:

  • количество, качество, толщину и угол наклона пластов, глубину их залегания;
  • характер и толщину межпластовых осадочных пород;
  • особенности поверхностного рельефа;
  • доступность транспортных, энергетических сетей и предприятий переработки;
  • экологические последствия;
  • форма собственности на земельный участок и его текущее использование.

Все эти данные служат для определения рентабельности будущего предприятия, а также помогают сделать выбор между поверхностной и подземной добычей. Анализ мирового производства показывает, что по количественным показателям оба метода примерно равны, но зависят от сорта угля:

  • антрациты составляют около 10% от мировой добычи и разрабатывается подземным способом;
  • буроугольные пласты (25%) чаще всего извлекаются из карьеров;
  • битумные угли (65%) добываются обоими методами примерно в равных пропорциях.

Открытый способ считается более дешёвым и менее опасным, но весьма вредным для окружающей среды. Его применяют в тех случаях, когда ископаемое залегает на глубине не более 100 м. Уголь извлекают из карьеров с помощью специальной техники: грейдеров, бульдозеров, экскаваторов и большегрузных самосвалов. Высота некоторых машин может сравниться с многоэтажным зданием.

Закрытым способом разрабатывают наиболее ценные марки угля и это оправдывает экономические издержки, связанные со строительством и эксплуатацией шахт. Например, самый ценный антрацит поднимают с глубины более 1,5 км. Эта технология заключается в бурении вертикального ствола, от которого отводятся горизонтальные и наклонные выработки, ведущие к продуктивным пластам. Шахтёрский труд всегда был очень опасным из-за обвалов, выбросов метана и тяжёлых условий, но в нынешнее время он всё больше автоматизируется и место людей занимают угледобывающие комбайны и другая техника.

Воздействие на окружающую среду

Хотя уголь вносит важный вклад в экономическое и социальное развитие во всём мире, его добыча и потребление наносит ощутимый вред окружающей среде. Например, карьерные разработки затрагивают большие площади земли, вызывают эрозию почв, распространение пыли, загрязнение воды, плохо сказываются на местном биоразнообразии.

Подземная добыча предполагает организацию отвалов, внутри которых долгие годы происходят вредные термические процессы и повышается радиационный фон. Шахты опасны возможными провалами грунта и изменением водного баланса местности.

Рекультивация разработок занимает много времени и требует финансовых затрат. Основная её цель состоит в восстановлении нарушенной продуктивной способности земель. Различные программы включают утилизацию отвалов, воспроизводство лесов, сельскохозяйственных угодий и рекреационных зон.

Серьёзную опасность представляют продукты сгорания угля. К ним относятся токсичные оксиды азота (NO и NO2), вызывающий кислотные дожди диоксид серы (SO2), а также углекислый газ (СО2), считающийся основным виновником парникового эффекта в атмосфере планеты. Кроме того, в воздух попадают золы и другие твёрдые частицы.

Несмотря на всеобщую озабоченность по поводу загрязнения воздуха в результате выбросов, в ближайшем будущем использование угля будет продолжаться. Поэтому правительства и учёные разных стран не перестают прилагать большие усилия для поиска более эффективных технологий использования этого ценного сырья.

Каменный уголь общая характеристика

На сегодняшний день каменный уголь является одним из самых необходимых полезных ископаемых.

Данный ресурс образуется естественным путем, имеет огромные запасы и массу полезных свойств.

  1. Что такое каменный уголь и как он выглядит
  2. Образование каменного угля
  3. Виды каменного угля, их состав и свойства
  4. Месторождения каменного угля в России
  5. Крупнейшие месторождения каменного угля в мире
  6. Добыча каменного угля
  7. Применение каменного угля
  8. Заключение

Что такое каменный уголь и как он выглядит

Строительство шахты является очень дорогостоящим вложением, однако по истечении времени все затраты полностью окупаются. При добыче угля на поверхность попадают и другие ресурсы.

Есть вероятность добычи драгоценных металлов и редко встречающихся земных элементов, которые впоследствии возможно продать и получить дополнительную прибыль.

Нефть является практически самым драгоценным ресурсом и основным источником топлива на сегодняшний день. Однако, ни одна фирма или страна, добывающая каменный уголь, не пренебрежет его добычей во имя нефти, ибо твёрдое топливо также имеет большое значение и высокую ценность.

Образование каменного угля

Уголь в природе образовывается путем изменения поверхностного рельефа. Ветки деревьев, растения, листья и другие природные остатки, не успевшие перегнить, насыщаются влагой от болот, из-за чего преобразовываются в торф.

Далее на сушу попадает морская вода, когда она уходит, она также оставляет слой отложений. После реки вносят свои коррективы, земля заболачивается, опять образуется или покрывает почву. Поэтому состав каменного угля сильно зависит от возраста.

Каменный уголь средний по возрасту между бурым, самым молодым, и антрацитом, самым старшим.

Виды каменного угля, их состав и свойства

Существует несколько разновидностей каменного угля:

  • длиннопламенные,
  • газовые,
  • жирные,
  • коксовые,
  • слабоспекающиеся,
  • тощие.

Также распространены виды, состоящие из нескольких, так называемые смешанные, обладающие свойствами двух групп.

Каменный уголь отличается черной окраской, твердой, слоистой, легко разрушаемой структурой, обладает блестящими вкраплениями. Горючие свойства довольно высоки, так как материал используется, как топливо.

Рассмотрим физические характеристики:

  1. Плотность (или удельный вес) сильно варьируется (максимальная может достигать 1500 кг/м³).
  2. Удельная теплоемкость составляет 1300 Дж/кг*К.
  3. Температура горения 2100°С (при переработке 1000°С).

Месторождения каменного угля в России

На российской территории находится около трети мировых запасов.

Месторождения угля и горючих сланцев в России (для увеличения нажмите)

Самым крупным месторождением угля на территории России является Эльгинское. Оно располагается в районе Якутии.

Запасы по примерным расчетам составляют более 2 млрд. тонн.

Рельеф, приближенный к Кузнецкому угольному бассейну (Кузбассу), был сильно поврежден из-за масштабных ресурсодобывающих работ.

Крупнейшие месторождения каменного угля в мире

Первой страной в рейтинге по количеству добываемого ежегодно каменного угля являются США, на втором месте находится Россия.

Карта месторождений угля в мире (для увеличения нажмите)

В США самым известным угольным бассейном считается Иллинойский. Общий запас залежей в данном месторождении насчитывает 365 млрд. тонн.

Дальше следует Рурский бассейн, находящийся на территории современной Германии. Все месторождения и места разработки бассейнов находятся под строгой охраной.

Добыча каменного угля

Каменный уголь в наше время добывается тремя основополагающими способами. Такими как:

  • карьерный метод,
  • добыча через штольни,
  • метод добычи в шахтах.

Способ добычи через карьеры используется, когда пласты угля залегают на поверхности, примерно на ста метрах в глубину и выше.

Карьеры подразумевают простое разрытие земли или песочной ямы, из которой и ведётся добыча, обычно в таких случаях угольный пласт имеет достаточно большую толщину, что делает его добычу проще.

Штольни подразумевают под собой скважины, с большим углом наклона. По нему все добытые ископаемые доставляются наверх, при этом нет необходимости задействовать серьезную технику или вырывать котловину.

Обычно залежи в таких местах имеют небольшую толщину и зарыты не особенно глубоко. Поэтому метод добычи через штольни позволяет быстро производить добычу без особых затрат.

Добыча через шахты самый распространённый метод добычи ископаемых, вместе с тем самый продуктивный, но в то же время и опасный. Шахты пробуриваются на большую глубину, достигающую нескольких сотен метров. Однако на это требуется разрешение, подтверждающее обоснования для таких масштабных работ, доказательства наличия залежей.

Порой шахты могут достигать километра, а то и больше в глубину, и протягиваться на несколько километров в длину, образуя связанные между собой паутины коридоров под землёй. В 20 веке вокруг шахт со временем образовывались даже поселения и небольшие города, в которых жили шахтеры с семьями.

Именно из-за условий добычи, работа в шахтах считается очень трудной и опасной, ведь огромное количество раз шахты обрушивались, погребая под собой десятки, а то и сотни людей, работающих там.

Применение каменного угля

Каменный уголь применяется в самых различных сферах. Он широко используется как твердое топливо (основное предназначение), в металлургии и в химической промышленности, плюс из него производятся многие иные составляющие.

Именно из каменного угля производят некоторые ароматические вещества, металлы, химические вещества, получается больше 360 других продуктов переработки.

В свою очередь производимые из него вещества имеют рыночную стоимость в десятки раз выше, самым дорогим считается метод переработки угля в жидкое топливо.

Для изготовления 1 тонны жидкого топлива потребуется переработать 2-3 тонны угля. Все промышленные отходы, получаемые при переработке, нередко направляются на производство стройматериалов.

Заключение

На земле существует множество месторождений угля, активно разрабатываемых по сей день. На уроках биологии в 5 классе и ещё раньше, на уроках природоведения во втором классе, дети знакомятся с этим понятием. В данной работе мы повторили кратко основные факты о каменном угле — происхождение, формула, марки, химический состав и использование, добыча и многое другое.

Уголь является одним из важнейших ресурсов, широко используемых в промышленности. Однако все же стоит быть осторожными при нарушении естественного хода веществ, ведь разработка нарушает рельеф и постепенно истощает природные запасы.

Каменный уголь состав, химические и физические свойства, виды и классификация, способы образования и применения, основные каменноугольные месторождения и запасы

Ключевые слова конспекта: Ископаемый уголь (антрацит, каменный уголь, бурый уголь). Коксование. Коксохимическое производство. Кокс. Коксовый газ. Аммиачная вода. Каменноугольная смола. Газификация угля. Водяной газ. Каталитическое гидрирование угля.

Каменный уголь и его разновидности

Наверное, вы догадались, что речь пойдёт о ещё одном полезном ископаемом, которым так богата наша Родина, — каменном угле. Это горная порода, образованная окаменелыми останками доисторических растений.

Уголь стал первым в истории человечества ископаемым топливом. Помимо прямого использования теплоты сгорания угля, человек научился превращать выделяющуюся энергию в механическую работу, а затем и в электрическую энергию. Вплоть до середины прошлого века тепловые электростанции, работающие на ископаемом угле, давали более половины мирового производства электроэнергии. Только с появлением атомной энергетики теплоэлектростанции стали уступать место более эффективным и экологичным способам производства электроэнергии.

Из курса географии вы знаете, что в зависимости от физико-химических свойств различают три вида ископаемых углей: антрацит, каменный уголь и бурый уголь.

Антрацит залегает на больших глубинах — около 6 км. В результате огромного давления расположенных выше почвенных слоёв пласты антрацита приобрели большую плотность и характерный блеск. Содержание углерода в антраците — от 95 % и выше. Теплота сгорания этого вида угля самая высокая, однако загорается он с трудом. Используют антрацит в качестве высокоэффективного топлива, а также для изготовления электродов и получения карбидов металлов.

Каменный уголь залегает на меньших глубинах, содержит больше летучих веществ и влаги. Содержание углерода в каменном угле в зависимости от месторождения составляет от 70 до 95 %. Именно этот вид угля используют как сырьё в коксохимическом производстве. По внешнему виду каменный уголь отличается от антрацита отсутствием характерного блеска.

Бурый уголь имеет наименьшую глубину залегания. Образовывался он при значительно меньших давлениях и температуре, массовая доля углерода в нём менее 70 %, зато много летучих органических веществ, неорганических примесей и влаги. Теплота сгорания бурого угля невелика, однако ценность представляют продукты его переработки. Этот вид угля имеет характерную чёрно-бурую окраску, низкую плотность и рыхлую структуру.

Запасы угля значительно превышают запасы нефти и природного газа, а значит, в недалёком будущем он станет важнейшим природным источником органических соединений и главным углеродным энергоресурсом.

По ресурсам ископаемого угля Россия занимает второе место в мире после США, владея примерно 17 % его мировых запасов. В настоящее время около половины добываемого каменного угля используется в качестве топлива, остальное количество служит сырьём для коксохимического производства.

Переработка каменного угля

Один из основных процессов химической переработки каменного угля — коксование.

Коксование — процесс высокотемпературного нагревания угля без доступа воздуха.

Этот процесс проводят с целью получения важнейшего для металлургической промышленности продукта — кокса. Кроме него, в результате коксования образуются каменноугольная смола, аммиачная вода и коксовый газ (рис. 21). Отрасль чёрной металлургии, занимающуюся переработкой каменного угля методом коксования, называют коксохимическим производством.

При коксовании каменный уголь загружают в коксовую печь и нагревают при 1000 °С в течение 14—15 ч. Кусочки угля превращаются в кокс, представляющий собой практически чистый углерод. Кокс выталкивают из печи, сортируют и отправляют на металлургические заводы для использования в доменном процессе.

Органические вещества, входящие в состав каменного угля, при нагревании постепенно разлагаются с образованием летучих продуктов. Они поступают в специальный сборник, где конденсируются в две несмешивающиеся жидкости: каменноугольную смолу (каменноугольный дёготь) и аммиачную воду. В состав каменноугольной смолы входит около 300 различных соединений, часть из которых выделяют путём фракционной перегонки. Так получают, например, бензол и другие ароматические углеводороды. В аммиачной воде содержатся, естественно в растворённом состоянии, аммиак и другие вещества. На специальной колонне растворённые вещества выделяют и разделяют. Полученный аммиак идёт главным образом на производство азотных удобрений.

Коксовый газ, оставшийся после конденсации, очищают от остатков смол и извлекают из него аммиак. Для этого газ пропускают через раствор серной кислоты, превращая аммиак в сульфат аммония, который используют в качестве азотного удобрения. Из коксового газа выделяют также водород, этилен, бензол и некоторые другие вещества.

Вторым важным направлением переработки каменного угля является его газификация. Измельчённый уголь, или кокс, подаётся в газогенератор, где при высокой температуре соприкасается с перегретым водяным паром. В результате образуется смесь газообразных продуктов, содержащая главным образом водород и оксид углерода(II) — так называемый водяной газ:

Водяной газ можно разделить на компоненты, а можно без разделения использовать для синтеза углеводородов и кислородсодержащих органических соединений.

В последние годы вновь возрос интерес к процессу каталитического гидрирования угля. Для этого процесса может быть использован водород, образующийся в процессе газификации. Реакция между углеродом и водородом при повышенной температуре и давлении приводит к образованию смеси углеводородов, которая используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и является альтернативой продуктам нефтепереработки:

Запасы природного газа, нефти, каменного угля на Земле небезграничны. Все полезные ископаемые относятся к невозобновляемым сырьевым ресурсам. Человечество приходит к необходимости искать альтернативные, в том числе возобновляемые, источники энергии и сырья.

Разве существует сырьё, которое никогда не кончается? Представьте себе, да. Всё большее внимание химиков и технологов привлекают растения. Ежегодно на Земле вырастает миллион миллиардов тонн зелёной растительной массы, а ведь это уникальный источник органических веществ, промышленную переработку которого ещё только предстоит освоить.

Конспект урока по химии «Каменный уголь и его переработка». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 10 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:

  • Вернуться к Списку конспектов по химии
  • Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
  • Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии

Каменный уголь: описание, свойства и подробная классификация, применение

Каменный уголь – это минерал, используемый для обогрева помещений, производства лаков, красок. Камень отлично выполняет свои энергетические функции, в совокупности со своей ценой и простотой в обработке.

Данное полезное ископаемое играет большую роль в жизни человека. В процессах, где требуется тепловое воздействие, используется именно уголь, который создает благоприятные условия для добычи редких химических элементов. Раньше углем топили печи, но сегодня данный аспект уходит в прошлое.

Внешне каменный уголь похож на камень, но таковым не является. При нажатии он крошится в руках и отлично горит. Обладает черным или бурым цветом со слегка блестящей матовой поверхностью.

Классификация каменных углей

Уголь существует в нескольких вариациях, которые обладают своей степенью твердости и возгорательными свойствами:

  • Каменный уголь. Самый распространенный из всех видов. Его добыча производится в шахтах или открытым способом добычи.
  • Бурый уголь. Данный тип образовался позже остальных видов и обладает низкой температурой горения.
  • Антрацит. Уголь по всем показателям лучший в своем роде. Образовался раньше всех остальных типов и обладает отличными показателями горения и твердости.

В буром угле, в отличие от каменного, содержится меньше азота и углерода, что напрямую влияет на его свойства. Он отлично горит, но выделяет много дыма, обладает менее выраженным цветом и выделяет меньше тепла.

Более того, все типы угля отличаются по размерам добычи. Для определения вида угля была придумана специальная маркировка, активно используемая в промышленности.

По степени обогащения

Перед применением уголь проходит процесс обогащения. Он связан с увеличением количества углерода в составе полезного ископаемого за счет удаления минеральных примесей. Самый распространенный способ очистки угля связан с погружением полезного ископаемого в водную среду, где происходит расслоение на минеральные примеси и камень, благодаря низкой плотности угля.

По степени обогащения выделяют промпродукты, концентраты и шлам (мелкую угольную пыль). Шлам прессуют в брикеты и продают в магазинах для нужд населения. Остальные виды используются в крупной промышленности.

Происхождение

Уголь появился еще задолго до появления человека. Его примерный возраст 200-400 млн лет. То, как появился уголь, до сих пор неясно.

Существует 4 теории, по которым, возможно, появился 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 полезного ископаемого обнаруживаются весьма интересные особенности:

  • В ластах полезного ископаемого обнаруживаются вертикально стоящие стволы деревьев.
  • Порой при добыче совместно с углем располагаются каменные залежи магматического происхождения весом до 75 килограмм.
  • Реже всего рядом с углем можно найти залежи золота и металла, что указывает на активный углеобразовательный процесс.
  • В углеродосодержащей среде нередко обитают кольчатые черви или останки моллюсков.
  • Предметы округлой формы, которые сложно идентифицировать. Есть версия, что это яйца динозавров.

Месторождения

Уголь распространенное полезное ископаемое, которое добывается повсеместно. Первое место по добыче угля занимает США, второе место Россия, третье место – Китай.

В России добыча производится в шахтах Кемеровской области. В Кузбасском месторождении содержится до 700 миллиардов тонн. История месторождения уходит в далекий 18 век, а во второй половине 20 века на Кузбассе стали добывать уголь.

Также, добыча угля ведется в Якутии, Казахстане, республике Хакассия, в Африке. Если судить по импорту угля во всем мире, то первое место занимает Австралия.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: