Способ получения каменного угля

Сферы применения каменного угля и способы его добычи

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

Процесс образования и состав

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

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

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

Химический состав угля включает в себя:

Процентное соотношение составляющих компонентов напрямую зависит от возраста породы:

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

Чем старше возраст ископаемой породы, тем выше температура сгорания.

Добыча угля

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

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

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

Гидравлический способ

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

Шахтный способ

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

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

Неукоснительное соблюдение техники безопасности минимизирует риск аварий и чрезвычайных происшествий.

Открытый способ

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

Виды угля

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

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

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

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

Применение угля

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

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

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

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

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

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

Источник

Добыча каменного угля: особенности и способы. География каменноугольной промышленности мира

Уголь – один из самых известных топливных ресурсов. О горючих свойствах этого полезного ископаемого первыми узнали еще древние греки. Как осуществляется добыча каменного угля в современном мире? Какие страны лидируют по его добыче? И каковы перспективы угольной промышленности в ближайшем будущем?

Что такое уголь и как его применяют?

Уголь – это твердое и горючее полезное ископаемое, горная порода темно-серого или черного цвета с незначительным металлическим блеском. «Это вещество вспыхивает и горит подобно древесным углям» – так описывал породу Теофраст Эресский, ученик Аристотеля. Уголь активно использовали древние римляне для обогрева своих домов. А китайцы еще в I веке до нашей эры научились производить из него кокс.

Как сформировался уголь? В древние геологические эпохи большие площади земной поверхности были покрыты густыми лесами. Со временем климат менялся, и вся эта древесная масса оказалась погребенной под толщей земли. В условиях высокой температуры и давления мертвая растительность превратилась вначале в торф, а затем – в каменный уголь. Так под землей возникли мощные пласты, обогащенные углеродом. Наиболее активно уголь формировался в карбоновом, пермском и юрском периодах.

Уголь используют в качестве энергетического топлива. Именно на этом ресурсе работает большая часть всех тепловых электростанций. В XVIII-XIX веках активная добыча каменного угля стала одним из решающих факторов состоявшейся в Европе промышленной революции. В наши дни уголь широко применяется в черной металлургии, а также в производстве так называемого жидкого топлива (путем сжижения).

Исходя из количества углерода в составе породы, выделяют три основных типа угля:

• бурый уголь (65-75 % углерода);
• каменный уголь (75-95 %);
• антрацит (свыше 95 %).

Добыча каменного угля

На сегодняшний день общий объем промышленных запасов угля на нашей планете достигает одного триллиона тонн. Таким образом, этого топливного ресурса человечеству хватит еще на долгие годы (в отличие от той же нефти или природного газа).

Добыча каменного угля производится двумя методами:

Первый способ предусматривает извлечение породы из недр земли в карьерах (угольных разрезах), а второй – в закрытых шахтах. Глубина последних колеблется в широких пределах от нескольких сотен метров до полутора километров. Каждый из этих способов добычи угля имеет свои как достоинства, так и недостатки. Так, открытый способ гораздо дешевле и безопаснее подземного. С другой стороны, шахты наносят намного меньше вреда окружающей среде и природным ландшафтам, нежели карьеры.

Стоит отметить, что технологии угледобычи не стоят на одном месте. Если сто лет назад для выработки угольных пластов использовались примитивные тележки, кирки и лопаты, то сейчас для этих же целей применяют новейшие технические машины и оборудование (отбойные молотки, комбайны, шнеки и т. п.). Кроме того, разрабатывается и усовершенствуется совершенно новый способ добычи – гидравлический. Суть его такова: мощная струя воды дробит пласт угля и выносит его в специальную камеру. Оттуда порода доставляется прямо на фабрику для дальнейшего обогащения и обработки.

География мировой угледобычи

Залежи угля расположены в мире более-менее равномерно. Месторождения этого ресурса присутствуют на всех континентах планеты. Тем не менее около 80 % всех залежей находится в Северной Америке и в постсоветских странах. При этом шестую часть общемировых запасов угля содержат в себе недра России.

Крупнейшие угольные бассейны планеты – Пенсильванский и Аппалачский (США), Хеньшуйский и Фушунский (Китай), Карагандинский (Казахстан), Донецкий (Украина), Верхнесилезский (Польша), Рурский (Германия).

По состоянию на 2014 год, первая пятерка лидирующих стран по добыче каменного угля в мире выглядит следующим образом (в скобках указан процент от общемировой угледобычи):

Проблемы и перспективы угольной промышленности

Основная проблема угледобывающей промышленности, разумеется, носит экологический характер. Ископаемый уголь содержит в себе ртуть, кадмий и прочие тяжелые металлы. При извлечении породы из земли все это попадает в грунт, атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды.

Помимо урона, наносимого окружающей природной среде, угольная промышленность еще и сопряжена с огромными рисками для жизни и здоровья людей. В первую очередь, это касается шахтеров. Чрезмерная запыленность воздуха в закрытых шахтах может привести к таким серьезным заболеваниям, как силикоз или пневмокониоз. Не следует забывать и о большом количестве трагедий, которые ежегодно уносят жизни сотен работников угольной индустрии по всему миру.

Но, несмотря на все проблемы и опасности, отказаться от этого топливного ресурса человечество вряд ли сможет в ближайшее время. Особенно на фоне стремительного сокращения запасов нефти и газа в мире. На сегодняшний день в угледобывающей промышленности преобладает тенденция роста добычи антрацита. В некоторых странах (в частности, в России, Турции, Румынии) растут объемы добычи бурого угля.

Добыча угля в России

Россию с этим полезным ископаемым впервые познакомил Петр Первый. Во время отдыха на берегу реки Кальмиус, царю показали кусок черной породы, который прекрасно горел. «Если не нам, то уж потомкам нашим будет полезен сей минерал» – справедливо резюмировал тогда государь. Становление российской угольной промышленности происходило в первой половине XIX века.

На сегодняшний день объемы добычи угля в России составляют свыше 300 миллионов тонн ежегодно. В целом в недрах страны содержится около 5 % общемировых запасов данного топливного ресурса. Крупнейшие угольные бассейны России – Канско-Ачинский, Печорский, Тунгусский и Кузбасс. Свыше 90 % всех месторождений страны расположены в Сибири.

Источник

Уголь: свойства, способы переработки, применение

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

Современная теория углеобразования называет в качестве источников возникновения угля, накопившиеся в болотах растения; а также битумные массы, излившиеся на поверхность Земли в результате происходивших тектонических процессов. Те и другие постепенно опускались вглубь земных недр, где под воздействием высокого давления и температуры, без доступа кислорода, они подвергались структурным изменениям. Предположительно, процесс происходил в девонский, каменноугольный и пермский периоды палеозойской эпохи, примерно 300-400 миллионов лет назад. Исходным материалом для формирования угольных пластов выступал торф.

Некоторым подтверждением данной теории является факт добычи трёх основных видов углей, извлекаемых из разно уровневых глубин земной коры и имеющих различные степени фаз углеобразования – углефикации:

• Низшая. Бурый уголь. Полезное ископаемое, содержащее значительное количество летучих веществ и воды, а поэтому имеющий низкую теплоту сгорания 13-25 МДж/кг. Глубина залегания составляет 1 км.
• Средняя. Каменный уголь. Наиболее распространённый среди углей вид энергетического топлива, обладающий теплотой сгорания 27 МДж/кг. По сравнению с бурым углём имеет более низкое содержание воды, и залегает на глубинах до 3 км.
• Высшая. Антрацит. Содержит максимальное количество углерода, поэтому теплота сгорания располагается в пределах: 26,8 – 34,8 МДж/кг. Залежи этого полезного ископаемого размещены глубоко под землёй (до 5 км внутрь земной коры). Благодаря этому содержание воды в составе минерала не превышает 3%.

Добыча угля

Процесс угледобычи достаточно сложен в плане технологии и требует больших затрат для привлечения техники и ресурсов. Современная индустрия располагает тремя основными способами добычи этого полезного ископаемого:

• Карьерным, посредством организации разреза.
• Шахтным методом. С помощью строительства ряда подземных сооружений.
• Гидравлическим. С использованием жидкостных струй, как в качестве разрушителей пластов, так и в качестве транспортирующего материала.

Шахтный способ

Один из наиболее старых и высокотехнологичных для настоящего времени методов добычи полезных ископаемых. При глубинном залегании угля (свыше 500 метров под землей) вскрышные работы потребуют колоссальных затрат. Поэтому наиболее рентабельным является сооружение шахты с последующей прокладкой горизонтальных проходов.

После организации технологического процесса: укрепления стен и прокладки рельсов, обеспечения вентиляции и удаления воды, запуска в работу проходческих врубовых и очистных комбайнов, начинается добыча угля и транспортировка его на поверхность.

Шахтный способ достаточно дорог и небезопасен, хотя и обеспечивает большие объёмы выработки высококачественного сырья, не нанося существенного экологического ущерба окружающей среде.

Карьерный способ

Способ, используемый в случаях неглубоко залегания пород (до 500 метров в глубину недр).

С помощью гусеничных или рельсовых драглайнов (кранов со стрелой и ковшом) производится первичное вскрытие грунта с последующей транспортировкой его в близлежащие отвалы. После чего уголь извлекается и отправляется на переработку и обогащение. Когда месторождение полностью осваивается, происходит обратный процесс возвращения пустой породы на место изъятия. Территория благоустраивается и озеленяется, чтобы в последующем гармонично вписаться в окружающий ландшафт.

Недостатком метода является низкое качество добываемых углей и наносимый природе значительный экологический ущерб.

Переработка и обогащение угля

Так как ископаемые угли содержат в своём составе ряд минеральных примесей, а требования к качеству энергетического топлива резко возрастает, то возникает необходимость дополнительной очистки добытого полезного ископаемого. Это процесс носит название обогащения.

Переработка представляет собой ряд технологий, предназначенных для превращения обогащённого угля в высококачественное топливо. В её основе лежат методы:

• Пиролиза или коксования, то есть высокотемпературного нагрева без доступа воздуха.
• Полукоксования – низкотемпературного коксования.
• Деструктивной гидрогенизации – процесса получения «синтетической нефти» под воздействием водорода при температуре в 400-500 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.

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.

Источник