Уголь виды 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

Уголь. Виды и отличия. Процесс образования и добыча. Особенности

Уголь – полезное ископаемое органического происхождения, являющееся осадочной породой. Используется в качестве топлива, а также как сырье для химического производства.

Процесс образования

Ископаемое является остатком древних растений. По мере отмирания они скапливались толстым слоем, и постепенно засыпались грунтом. Со временем отходы растительности оказались погруженными под почву на большую глубину, где в условиях воздействия высокой температуры без доступа кислорода превратились в уголь.

Для формирования угля важно, чтобы отмершие части растений не успели разложится бактериями. В большинстве случаев это невозможно. Такие условия создаются только в болотистой местности, бедной кислородом, или если отложения были захоронены наслоениями, такими как сели и т.д.

Для формирования угля необходимы специальные условия. Если погребенные отложениями остатки растений в определенный момент выделят кислоты, то они уничтожат бактерии. Как следствие из сырья образуется торф или сапропель. Под воздействием давления и температуры, со временем те перейдут в стадию угля.

Большинство месторождений угля образовались из лесов, которые росли 400 млн. лет назад. В тот период обилие зеленой массы на планете достигало своего пика. Омертвелая древесина и папоротники не успевали перерабатываться бактериями, а сразу же засыпались новыми порциями органики. В истории Земли бывали периоды, когда баланс между растительностью и микроорганизмами, занятыми их переработкой, был идеальным. В это время образования угля не проходило.

Способы добычи угля, их отличия

Добыча осуществляется открытым и шахтным способом. В первом случае ископаемое собирается в угольных разрезах, представляющих собой карьер. Такой метод добычи выбирается, если глубина залегания ископаемого не превышает более 100 м. Чтобы начать сбор угля в этом случае, снимается верхний слой грунта, песок, глина и каменная порода до верхних слоев угля. Далее ископаемое перегружается ковшами в грузовой транспорт и поднимается наверх. По мере разработки разреза его глубина увеличивается. При ведении добычи открытым методом происходит существенный выброс черной угольной пыли. Она достаточно легкая, поэтому поднимается в воздух и укрывает все вокруг на десятки километров. Это особенно заметно зимой, когда пыль ложится на белый снег.

В мире преобладает шахтный способ добычи угля. Это связано с тем, что его запасы залегают гораздо глубже, чем 100 м. В России самые глубокие угольные шахты опускаются под поверхность на 1200 м и больше. При этом способе разработки месторождения под землей пробуриваются тоннели прямо в угольные залежи. Добываемый уголь при этом доставляется на поверхность вагонетками или другими подъемными механизмами. Этот метод добычи более щадящий для экологической ситуации. Его недостаток в том, что при добыче тоннельным способом порядка 40% запасов угля поднять невозможно, так как в противном случае произойдет обвал.

Виды угля

Различают следующие виды угля:

Они отличаются по внешнему виду, химическим и физическим качествам, поэтому имеют разную ценность как сырья или топлива. Самый дешевый это бурый уголь, а ценный – антрацит.

Бурый

Это самый молодой вид угля, возраст которого составляет 50 млн. лет. Он является переходной стадией между торфом и каменным углем. То есть, со временем он перейдет на следующий этап, а потом постепенно превратиться в антрацит.

Ископаемое получило свое название по причине характерного бурого цвета. Внешне оно похоже на старую коричневую древесную кору. Для этого угля характерно содержание углерода порядка 50%. В его составе много воды, минеральных примесей и летучих веществ. Как следствие он очень хорошо горит, дает много дыма с едким запахом, но выделяет меньше всего тепла среди всех видов угля.

Бурый уголь принято разделять на марки, в зависимости от содержания в нем влаги. Чем она выше, тем больше воды:

• 1Б – влажность до 40%.
• 2Б – влажность 30-40%.
• 3Б – влажность до 30%.

При сгорании бурого угля в зависимости от его марки выделяется тепла в районе 4000-5500 ккал\кг, что совсем немного в сравнении с каменным или антрацитом. Недостаток такого топлива еще и в том, что при высыхании оно начинает растрескиваться. В результате это сопровождается уменьшением фракции кусков. Чем они мельче, тем быстрее прогорают.

Глубина залегания бурого угля до 1 км. По этой причине его добыча сопровождается самыми низкими затратами, однако этот вид топлива не ценится. От него много дыма с характерным едким запахом, к тому же тепла не так много, и остается масса золы.

Каменный

Это более ценный уголь, возраст которого составляет около 350 млн. лет. То есть, когда-то он был бурым, но пролежав 300 млн. лет в том виде более уплотнился и созрел.

Каменным его назвали за счет достаточно высокой твердости. Для его добычи часто применяют взрывчатку, так как рубить и бурить его механическим способом долго и сложно. В мире залежи каменного угля находятся на глубине более 2 км.

За счет уплотнения и созревания для каменного угля характерен низкий процент содержания влаги, всего 5-6%. Самое главное, что доля в нем углерода доходит до значения 75-95%. Это ископаемое горит лучше бурого угля и дает при этом много тепла – 5500-7500 ккал\кг.

Различают марки каменного угля:

• Длиннопламенный (Д).
• Газовый (Г).
• Жирный (Ж).
• Коксовый жирный (КЖ).
• Коксовый (К).
• Отточенный спекающийся (ОС).
• Тощий (Т).

Они отличаются по теплоте сгорания, а также содержанию летучих веществ. Так, у распространенных марок этот показатель составляет 30-50%. Причем это считается много. Для сравнения у марки Т, это значение составляет всего 13%. Лучшим всего источником тепла среди каменных углей является кокс. Он дает теплоты больше чем 8 тысяч ккал/кг.

Антрацит

Антрацит – это конечная стадия формирования угля. Он является самым выгодным в плане сжигания для получения тепла. Отличить его от черного каменного угля можно по характерному металлическому блеску. Хотя он и содержит мало воды, но обладает хорошей электропроводностью. Объем в нем влаги всего 1-3%.

Антрацит содержит около 94% углерода. Теплота его сгорания 8100-8350 ккал/кг. При этом выброс в атмосферу летучих веществ составляет от 3 до 4 %. Таким образом, этот вид топлива наиболее экологичный. При его сжигании выделяется меньше всего едкого дыма.

Стоит отметить, что антрацит все же не является идеальным горючим. Дело в том, что чтобы он воспламенился, требуется его нагреть до температуры порядка 600-700˚С. Для этого нужно немало дров, чтобы образовать много жара, или же использовать перед ним бурый или каменный уголь.

После воспламенения антрацит почти не дает запаха и дыма. Это дорогой редкий вид угля. Чаще всего в мире он залегает на глубине больше 6 км. Таким образом добывать его сложно и дорого. По последним подсчетам установлено, что доля антрацита в мире составляют всего 3% от общих запасов всего твердого топлива.

Определение качества угля по зольности

Основное назначение угля это сжигание. За счет этого работают тепловые электростанции, котельные, доменные печи, сталелитейные предприятия и т.д. Топливо оценивается не только по тому, сколько оно даст тепла, но и по зольности. Это показатель отображает – как много золы останется после прогорания угля.

Зольность угля измеряется в процентном соотношении от изначального веса топлива. То есть, чтобы ее определить, необходимо взвесить его, а после прогорания собрать всю золу, и также узнать ее массу. Существует закономерность, что чем выше зольность, тем ниже температура сгорания угля.

Виды угля, у которых наблюдается зольность в районе 25%, относятся к высокому сорту. Низкосортный имеет показатель зольности больше, чем 40%. Это характерно для бурого угля.

Что такое древесный уголь

Помимо ископаемого угля существует древесный. Это также материал на основе углерода, но образованный без нахождения растительных отходов под давлением десятки и сотни миллионов лет. Это также горючее, которое образовывается в результате пиролиза древесины. Такой процесс происходит достаточно просто. Древесина зажигается, а после возгорания к ней перекрывается доступ воздуха. В результате органические вещества разлагаются, а вода испаряется.

Образованные в результате пиролиза угли отличаются присутствием капилляров, которые сохранились из древесины. За счет них материал очень хорошо разгорается в дальнейшем. В целом древесные угли ценятся за то, что просто разжигаются, почти не дают дыма, запаха, а главное способны гореть при температуре 1100°C.

Это доступная альтернатива ископаемому углю. Сделать его моно даже в домашних условиях. С давних пор его использовали для разжигания кузнечного горна, сейчас же он больше применяется для барбекю и мангалов. На нем можно без проблем готовить пищу, чего нельзя сказать об ископаемых углях.

Древесные угли можно сделать своими руками. Для этого необходимо выкопать глубокую яму с ровными отвесными стенами. В ней разжигается костер. По мере разгорания его нужно закладывать новыми дровами до самого верха. Как только вся древесина воспламениться, яму следует забросать грунтом. В результате отсутствия поступления воздуха дерево превратится в древесные угли.

Древесные угли используют и в медицине. Это так называемый активированный уголь. Он принимается перорально для впитывания токсинов. При попадании угля в организм, его поры поглощают влагу вместе с отравляющими веществами.

Источник