Топливная промышленность угля способы добычи

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

Современные способы добычи угля

Уголь – это разновидность полезных ископаемых, используемых в промышленности, сельском-хозяйстве, электроэнергетике и пр. Добыча угля требует больших затрат ресурсов и техники, зато в результате из него производят искусственные волокна, пластмасс, кокс и др. Его также используют для изготовления топлива, что становится отличной альтернативой переработке нефти.

История добычи угля

Уголь известен еще с античных времен, первооткрывателями считаются Грецию и Китай. Изначально его использовали для отопления сооружений и построек, а позже – в процессе выплавки металлов. Постепенно данное полезное ископаемое стало заменять собой дерево и другое отопительное сырье.

О происхождении угля ходило много легенд. Одни считают, что он образовался в результате извержения вулкана, другие – что это затвердевшая нефть.

Карьерный, шахтный и иные способы добычи угля были открыты не сразу. Ранее уголь добывался простым путем, с помощью самой простой техники, а в большинстве случаев, ручным трудом. Много полезных ископаемых было найдено в местах обрушения горных пород, а также на побережьях, во время приливов и отливов. Распознать уголь просто, он имеет черный цвет и переливается на солнце.

Добыча материала ручным трудом очень сложная и непосильна многим, поэтому с течением времени был разработан шахтный способ. Однако и он был небезопасным, именно поэтому на рудниках работали только низшие слои общества. Уголь начали использовать при обработке металла, производстве кирпича. Благодаря высокой теплоемкости, материал высоко ценился, предпринимались первые попытки его применения в качестве топлива на пароходах, автомобилях и другой технике.

Предположительно в 1491 году были организованы поиски данного полезного ископаемого. Результатом стало открытие залежей угля в горных массивах Печорского края. С того времени и по сегодняшний день, это самый большой рудник России.

Затем были открыты крупные рудники на Урале, Донбассе, Кузнецке и на Дальнем Востоке. Для добычи полезных ископаемых была задействована специальная техника, что значительно облегчило работу.

Уже в СССР угольная промышленность высоко ценилась, даже был введен праздник — День Шахтера. Уголь начали использовать для выработки энергии на теплоэнергостанциях.

Сейчас угольная промышленность не сбавляет обороты. Однако учеными было доказана высокая опасность ископаемого, ведь при его сгорании в воздух выбрасывается большое количество ядовитых веществ. В виду этого некоторые страны отказываются от использования угля.

Необходимость добычи угля

Основные сферы его использования – электроэнергия и металлургия. Уголь имеет большое значение и в производстве топлива, так как стоимость нефти и газа постоянно растет, и страны ищут недорогой, альтернативный способ их замены.

Более половины угля идет на производство топлива, все остальное задействовано в химической промышленности. Общий объем добычи полезного ископаемого в год достигает 5 млрд. тонн.

Помимо этого, уголь используют для изготовления:

• синтетической горючей фракции;
• метана;
• углеводородных адсорбентов;
• и пр.

Лидером в производстве данного вида топлива является Россия.

Как происходит добыча угля на современных шахтах

Уголь добывается двумя способами: открытым и закрытым. Добыча открытым способом происходит путем снятия поверхностного слоя земной коры с залежами полезного ископаемого с глубины не более 100 м. Для этого используется специальная техника. Такой способ считается наиболее экономичным, и используется в 70% разработок месторождений.

Закрытый способ используется, если требуется извлечь слой полезных ископаемых с больших глубин. Это наиболее трудоемкий вариант, в результате чего получается высококачественный продукт без вредных примесей.

В некоторых странах до сих пор добыча угля происходит ручным способом, например, в Индии. Жители городов, вблизи залежей угля, занимаются его собиранием.

Основные способы добычи угля

Многие страны далеко пошли в разработке месторождений полезных ископаемых. Множество видов техники для добычи угля, в некоторых процессах человек не принимает участие.

На современном этапе широко используются три способа добычи ресурса:

Конкретный метод зависит от глубины залегания полезного ископаемого, твердости поверхности и доступности.

Карьерный

Карьерным способом добывают уголь, если глубина его залегания не более 500 метров. Для этого верхний пласт густой породы снимается с помощью специальных кранов. Для работы может использоваться взрывчатка, с ее помощью можно быстро добраться до полезного ископаемого. Однако большинство производств отказываются от такого способа добычи из-за его опасности.

Уголь – это невосстановимый ресурс, поэтому после опустошения месторождения, земля засыпается обратно, и на нее высаживаются деревья. Это несомненный плюс, так как восстанавливается и улучшается экологическая обстановка местности. Хотя есть и свои минусы открытой добычи угля – осушение подземных вод.

Карьерным способом чаще всего добывают бурый уголь, так как он залегает на глубине не более 300-400 м.

Среди недостатков данного метода выделяются:

• вред природной среде;
• образование больших карьеров;
• снятие плодородного слоя.

Среди преимуществ данного метода – это скорость добычи и дешевизна.

Шахтный

Данный метод относят к подземному способу добычи полезного ископаемого. На глубине более 500 м залегает большой объем угля, а снимать для этого верхний слой земли — дорогой и трудоемкий процесс.

Удобнее прибегнуть к строительству подземное сооружение, а именно, ствол и сама шахта. На нужной глубине прокладываются туннели с рельсами, и запускается оборудование. Чтобы сооружение не разрушилось, устанавливаются столбы и кольца. Для обеспечения безопасности рабочих, шахты вентилируются, а также обеспечивается подогрев воздуха, если это необходимо.

Чтобы добывать уголь шахтным способом, используется специальная дробильная техника, которая дробит пласты и отправляет их на поверхность для дальнейших действий. Сюда относят проходческий комбайн, он разделяет сырье от пласта, и по конвейерной ленте, отправляет его на поверхность.

Если полезные ископаемые залегают глубоко, то используется врубовый комбайн. Такая техника оснащена сверлом с большими зубьями, благодаря которым дробятся большие пласты породы. Здесь же используется очистной комбайн, который обрабатывает эти пласты.

При добыче угля в шахтах важно обеспечить выкачку воды, так как подземный способ добычи материала усложняется грунтовыми водами. К тому же, они несут серьезную опасность рабочим. Чтобы обеспечить безопасность, для работы под землей используется специальная техника, которая откачивает воду.

Среди преимуществ данного метода можно выделить высокое качество добытых полезных ископаемых, меньший вред окружающей среде. Среди недостатков – опасность и дороговизна.

Гидравлический

Это относительно новый и постоянно модернизирующийся способ добычи полезных ископаемых. Дело в том, что на его работу затрачивается большое количество воды. Устройство по добыче угля таким способом называется – механогидравлический комбайн, который рыхлит породы, тем самым откалывая ее от основного слоя.

Вода здесь служит главным инструментом по обезвоживанию угля. Ее подача осуществляется по монтированным желобам к низконапорному насосу. Затем очищенный уголь поступает на конвейер, и перемещается наружу.

Важным моментом является очищение воды каждый раз после промывки. Если этого не сделать, то из-за мелких частиц от угля, техника может выйти из строя.

Как видно, гидравлический способ долгий процесс, требующий больших финансовых вложений. Однако добыча полезных ископаемых таким способом не менее продуктивна.

Копанка или добыча угля в домашних условиях

Добыча угля – сложный процесс, требующий больший затрат времени и ресурсов. Лучшими свойствами и качеством обладает материал, залегающий глубоко под землей. Его добыча осуществляется с помощью специальной техники, однако в некоторых странах сооружают копанки, которые используют для собственных целей.

Их сооружение процесс не из легких, к тому же, залегать такое полезное ископаемое должно неглубоко. Хоть и такой уголь имеет худшие свойства, чем тот, который добыт шахтным путем. Затем его перепродают на черном рынке или используют для собственных целей.

Самые эффективные способы

Сложно ответить, какой способ добычи сырья самый эффективный. Например, шахтный метод достаточно трудоемкий, и для выкапывания карьера на 1 кв. метр потребуется много техники, сил и времени, при этом, он сильно портит экосистему. Если же уголь залегает на глубине не более 400 метров, то рыть шахту нерентабельно, к тому же в таких местах добывается не очень качественное сырье.

Чаще всего используется шахтный и карьерный способ добычи угля. Гидравлический метод относится к экспериментальным, на его долю приходится не более 8% всего сырья.

Перед тем, как начать процесс добычи, месторождение оценивается, устанавливается его размер, качество сырья и особенности рельефа. Только после этого определяется способ, устанавливается техника и производятся заборы, позволяющие установить рентабельность производства.

Уголь – это современная и дешевая замена нефти и газа, однако его добыча и переработка наносит существенный урон экосистеме. Россия является одним из лидеров по добыче полезного ископаемого, где насчитывается 26 бассейнов угля и более 600 месторождений.

Источник