Каменный уголь

Каменный уголь является одним из самых необычных минералов, найденных на земном шаре. Прежде всего, это камень органического происхождения, то есть созданный из останков живых организмов. Во-вторых, в отличие от других камней, он горит, выделяя много тепла.  Уголь, который был основным топливом во время промышленной революции, способствовал развитию многих отраслей промышленности.  Антрацит, битуминозный уголь состоит из элементарного углерода, который придает ему черный цвет, и газов — водорода, азота и кислорода.

Происхождение угля

Значительная часть угольных пластов была образована от 360 до 28 миллионов лет назад. Уголь образовался в болотистых районах, которые в то время были покрыты влажными тропическими лесами. Однако деревья того периода очень мало напоминали те, которые мы встречаем сегодня. Самые большие из них были гигантскими папоротниками и хвощами. Остатки погибших растений, которые опускались на дно болот, медленно разлагались. На первом этапе разложения этот трансформирующий растительный материал превращался в торф. Болото было заполнено растительным веществом, слои ила и песка осаждались на слоях торфа. С веками поверхность земли проседала, и морские или озерные воды снова ее затапливали, благодаря чему начиналась следующая стадия накопления растений. Такой цикл повторялся несколько раз, поэтому говорят, что отложения каменного угля возникли в результате циклического осаждения, что привело к образованию многих слоев угля, которые были отделены друг от друга различными осадочными породами.

Останки погибших растений попадали на дно болотистых озер или лагун, где из-за небольшого количества кислорода и соответствующих бактерий они разлагались очень медленно. Это явление можно наблюдать и сегодня. На первом этапе распада гниющие растения превращаются в торф. Этот процесс сопровождается выделением метана, основного компонента природного газа (90%), и ископаемого газа.

Торф не способен самостоятельно трансформироваться в уголь. Его отложения должны сначала подвергаться соответствующему давлению. Первое дробление торфяных отложений происходит под тяжестью все еще растущего числа погибших растений. Из торфяного слоя толщиной от 10 до 15 метров может образоваться слой угля толщиной один метр.

Виды угля

В зависимости от степени метаморфизма торфа в России принято разделять уголь на следующие виды – бурые угли, каменные угли, антрациты и графиты, а за рубежом принята иная классификация – лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты соответственно.

Лигнит  или бурый уголь — самый молодой вид угля. Коричневого цвета, большой влажности (до 45%), высокое содержание серы. Рыхлее остальных видов, на открытом воздухе со временем рассыпается. Бурый уголь, который обязан своим названием характерному цвету, является наименее переработанным торфом и содержит от тридцати до семидесяти процентов элементарного углерода. При горении выделяет относительно мало тепла. Используется в основном только на электростанциях.

Суббитуминозный каменный уголь имеет еще одно название – черный лигнит. Черного цвета, влажность достигает двадцати — тридцати процентов. Его используют для производства электрической энергии, для обогрева домов. Имеет приблизительную теплоту сгорания 5-6 кВт/кг.

Битуминозный уголь – наиболее распространенный — черного цвета, относительно мягкий, плотный, с часто встречающимися блестящими и матовыми полосками. Влажность битуминозного угля менее двадцати процентов. Имеет приблизительную теплоту сгорания 7-9 кВт/кг.

Большая часть энергии в промышленности получается из каменного угля, это связано с его широкой распространенностью. Это не однородная порода — чередующиеся глянцевые и матовые слои соответствуют материалу, из которого они были созданы. Глянцевая — окаменелая древесина, матовые — мелкие остатки растений. В каменноугольных отложениях также присутствует мягкая черная пыль, напоминающая уголь для рисования.

Антрацитовый уголь самого высокого качества, черного цвета, блестящий. Влажность антрацита как правило менее 15%. Имеет самую высокую среди углей теплоту сгорания – до 9 и более кВт/кг. Это очень твердый сорт каменного угля,  он содержит минимальное количество посторонних примесей, по сравнению с другими типами. Во время сгорания антрацит выделяет очень много тепла и мало дыма, однако зажечь его очень трудно.

Использование угля

Уголь — это прежде всего важнейший энергетический ресурс. В некоторых домах он все еще используется для отопления. Однако в настоящее время большая часть угля потребляется в промышленности или на электростанциях. Прежде чем стало возможным добывать природный газ в широких масштабах, его добывали из угля. Это происходит и сегодня в странах, где нет месторождений природного газа.

Продуктом высокотемпературной дегазации каменного угля является кокс — топливо, необходимое для выплавки железных руд. Для поддержания горения доменных печей требуется большое количество кокса. Этот продукт представляет собой пористую спеченную массу. Химическое производство кокса основано на процессе гидролиза, путем удаления летучих веществ из угля. Кроме того, возможна сухая перегонка угля. Но в любом случае производство кокса связано с разогревом исходного продукта без малейшего доступа воздуха. Для получения кокса уголь нагревают в плотно закрытых коксовых печах.  Целью гидролиза является отделение углерода от всех летучих веществ.

Производство кокса невозможно без выделения летучих веществ. Они представляют собой смесь газов и паров. Эти компоненты вместе называют прямым коксовым газом. После обработки одной тонны угля, влажность которого составляет 6%, получается 270 кг прямого коксового газа. По объему это количество составляет 330 кубометров.

В прямом коксовом газе, полученном из одной тонны угля, содержится:

  • около тридцати килограммов каменноугольной смолы;
  • 10 кг бензола;
  • 3 кг аммиака;
  • 5 кг сероводорода;
  • 80 л воды.

Уголь также является сырьем, используемым в химической промышленности. Соединения аммиака, каменноугольная смола и легкие масла, образующиеся в результате его обработки, необходимы для производства красителей для тканей, антисептиков, лекарств, моющих средств, отдушек, удобрений, средств от сорняков, лаков для ногтей и даже подсластителей, таких как сахарин. Из них производится:

  • красители для тканей,
  • антисептические материалы,
  • медицинские материалы и препараты,
  • моющие средства,
  • духи,
  • удобрения,
  • вещества, уничтожающие сорняки,
  • лаки для ногтей,
  • подсластители, содержащие сахарин.

Как добывают уголь

Примерно три тысячи лет назад китайцы первыми обнаружили уголь, который, вероятно, был найден ими в виде месторождения, вышедшего непосредственно на поверхность земли, обычно на склонах гор или в русле реки. Эксплуатируя месторождение, древние шахтеры шли все глубже и глубже по полым коридорам. Так родилась профессия шахтера.

В настоящее время открытием новых угольных пластов занимаются геологи. Районы исследования изучаются с помощью аэрофотоснимков и спутниковых снимков. Затем геологи вызывают искусственные подземные толчки. Они приводят к вибрациям, которые на земной поверхности регистрируются сейсмографами. На основе диаграммы вибрации они собирают информацию о расположении слоев в земной коре и о ее геологическом строении. Далее, в местах, указанных специалистами, проводится глубокое бурение, и после отбора проб геологам удается с высокой степенью вероятности определить углеродные ресурсы в данном месте, их качество и глубину залегания.

Уголь является наиболее распространенным источником энергии органического происхождения. Специалисты подсчитали, что при текущем потреблении запасов, известных людям, угля должно хватить на более чем 200 лет. В то же время считается, что наша планета скрывает ресурсы в пятнадцать раз больше, чем те, которые известны до сих пор. Из имеющихся в настоящее время двух третей мировых запасов угля, большая часть находится в трех странах — в Соединенных Штатах (30%), в России и бывших советских республиках (25%) и в Китае (10%). Список крупнейших угледобывающих стран включают в себя Австралию, Канаду, Германию, Индию, Польшу, Южную Африку и Великобританию. В Южной Америке уголь добывают только в четырех странах — в Аргентине, Бразилии, Чили и Колумбии. Эксплуатация угольных месторождений там очень сложна, потому что большинство из них находятся глубоко под землей, в районах, покрытых тропическими лесами. Из 52 африканских стран только восемь добывают уголь. Большинство шахт  находится в Южной Африке и Зимбабве; остальные в Алжире, Марокко, Мозамбике, Нигерии, Танзании и Заире.

Добыча открытым способом

Толщина отдельных угольных пластов может варьироваться от нескольких сантиметров до нескольких метров. Однако, независимо от толщины, они эксплуатируются двумя способами, в карьерах или шахтах. Если уголь находится близко к поверхности земли, как во многих местах в Австралии или в Соединенных Штатах, его добывают в карьерах. Этот метод также используется для разработки месторождений бурого угля в Восточной Европе. В Великобритании карьеры имеют в среднем тридцать три метра глубины. В самой глубокой шахте такого типа в Германии уголь добывается на глубине 325 метров.

Строительство карьера является серьезным вмешательством в природную среду. Горные работы начинаются с удаления верхних слоев почвы и камней, которые выбрасываются на соседние участки и создают огромные кучи.

Уголь добывается с помощью гигантских экскаваторов. Крупнейший в мире экскаватор работает в шахте бурого угля в немецком городе Хамбах. Он способен перевозить 13 000 тонн груза.

Когда угольные пласты в карьере исчерпаны, предпринимаются меры для восстановления поврежденной среды в ее первоначальное состояние.

Глубокая добыча

В Европе шахтный метод является основным способом добычи угля. В США в шахтах добывается около 40%, а в Австралии около 50% угля.

Случается, что месторождения угля находятся на очень глубокой глубине. В Великобритании самые глубокие эксплуатируемые пласты расположены на глубине 1300 метров. Чтобы обеспечить соединение с горизонтами, вертикальные стволы строятся там, где шахтеры опускаются или поднимаются обратно. По тем же стволам добытый уголь транспортируется к поверхности. Сама подземная шахта может занимать большую площадь, а специальные поезда транспортируют шахтеров от места спуска к месту добычи, преодолевая расстояние в несколько километров.

В случае месторождений, расположенных на меньшей глубине, строится наклонный тоннель, так называемая штольня, по который шахтеры спускаются вниз и поднимаются обратно, пока уголь транспортируется по конвейерной ленте.

Сама добыча угля происходит с использованием двух основных технологий. Первый из них, метод столбов, применяемый в основном в Соединенных Штатах, заключается в бурении месторождения, при этом часть угля остается в форме столбов, поддерживающих потолок. Однако, при использовании этого метода, значительная часть угля остается под землей.

Метод, используемый в Европе и постепенно внедряемый в Соединенных Штатах, который заключается в рытье двух параллельных туннелей на расстоянии около 20 метров, является гораздо более эффективным. Специальные горные машины выбирают уголь между туннелями, но когда они движутся глубже в породу, вырытые туннели, не поддерживаемые колоннами, разрушаются. Затем машины могут снова пройти по тому-же маршруту, собирая оставшийся уголь  Используя этот метод, можно извлечь до 90% существующего угля.

Опасность угля для экологии

Сотни шахтеров умирают каждый год в шахтах. Риск в этой профессии очень высок, и до сих пор не известно никаких мер, которые бы обеспечивали полную безопасность людей, работающих в шахтах. Кроме того, непосредственный контакт с углем и его производными представляет серьезную опасность для здоровья. Контакт с угольной пылью, например, может вызвать рак кожи, в то время как дым и газы, выделяемые при сжигании угля, часто приводят к респираторным заболеваниям, включая рак легких.

Дым также содержит диоксид серы, который в сочетании с водой создает серную кислоту — основной компонент кислотных дождей. Кислотный дождь уничтожает деревья и другие растения, убивает водную фауну и ослабляет строительные материалы.

Двуокись углерода, еще один побочный продукт сжигания угля, является одним из газов, ответственных за парниковый эффект — явление, которое может привести к опасному потеплению климата нашей планеты, что считается одной из глобальных экологических проблем.

Сжигание угля сопровождается выбросом пыли и вредных газов. Создается целый коктейль из токсичных веществ. К ним относятся углекислый газ (основной парниковый газ), оксиды серы (вызывают кислотные дожди, вреден для дыхательной системы), оксиды азота, ароматические углеводороды (канцерогенные), тяжелые металлы (хром, мышьяк, марганец, кадмий, ртуть, свинец). К этому добавляется сажа и окись углерода, когда сжигание происходит при слишком низкой температуре. Конечно, сегодня мы можем оптимизировать процесс сгорания, использовать фильтры и, таким образом, использовать уголь как можно более экологически чисто. Однако это возможно только на технологически передовых заводах, производящих энергию и тепло.

Перспективы на будущее

Несмотря на множество угроз и постоянный поиск более чистых источников энергии, уголь по-прежнему является основным энергетическим ресурсом.

Однако известные способы добычи угля очень дороги. Поэтому ведутся исследования для более эффективного использования обнаруженных ресурсов этого сырья. Специалисты работают над способом сжигания подземного угля для получения газа. Надежды также возникают благодаря возможности получения жидкого топлива из угля, которое может заменить нефть в будущем.

Уголь стал основным топливом во время промышленной революции. Он способствовал возникновению современной цивилизации, развитию многих отраслей. Мы многим обязаны ему. Однако, сегодня его доля в производстве энергии падает и скорее всего будет продолжать снижаться.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.