Добыча угля – это сложный технологический процесс, который требует очень много ресурсов и техники. Он используется в промышленности, для сельско-хозяйственных нужд, производства электроэнергии. В мире он имеет очень большую ценность, ископаемое называют черным золотом, твердой нефтью. Как выглядит добыча и переработка угля, и как развивалась эта промышленность в странах, от античности до наших дней?
История добычи черного золота в мире
Угольная промышленность начала развиваться еще в античности. Первыми странами, которые начали использовать его в виде топлива, являются Греция и Китай. Чаще всего он применялся для отопления помещений, а в дальнейшем и для выплавки металлов. 3000 лет назад в Китае поняли, что его сгорание намного эффективнее, чем получение тепла от дерева и другого сырья. В 315 году первым, кто изучал его свойства был ученый Теофраст, который дал ему говорящее название – антракс, что в переводе с грецкого означало «горящий камень».
Энергетика. Добыча угля.
Было множество теорий о происхождении этого топливного ископаемого. Некоторые считали, что он образовался в результате воздействия высокой температуры при извержении вулкана. Первые залежи нашли именно в их окрестностях – вблизи тектонических разломов, где месторождения были ближе всего к земле. Учитывая его горючие свойства, некоторые ученые высказывали предположение, что это затвердевшая нефть.
В дальнейшем ученые определили, что уголь имеет растительное происхождение, даже удалось установить, какие именно породы деревьев превалируют в том или ином пласте ископаемого.
Некоторые ученые склонны считать, что топливное ископаемое образовалось в результате потопа (прототипа библейскому), из-за которого множество растений были погребенные под слоями осадочных пород.
Нашли уголь случайно, во время выветривания и обрушения горных пород на поверхности оказывались куски странного материала, который имел черный окрас, и переливался на солнце. Добывался он вручную, с применением примитивной техники. Также куски собирали дети на побережьях, особенно после приливов и штормов. Шахтным способом его начали получать только в 1113 году, но и то производство было далеко от современности. Угольная деятельность считалась одной из самых опасных, работали на рудниках низшие слои населения, получая сущие гроши.
Самое обширное применение угля было в доменных печах: на кузницах, при обработке металла, на фабриках по производству кирпича. Ценился он из-за теплоемкости при горении, с его помощью можно было поддерживать высокую температуру долгое время.
С возникновением паровых двигателей, это топливо стало частью двигательных систем на пароходах, в автомобилях и другой технике, работающей по этому принципу. Сейчас же в добыче задействованы не только люди, но и огромное количество техники, а количество сырья, которое получают ежегодно составляет миллиарды тонн.
Первые данные о поисках месторождений угля для промышленного использования датируются 1491 годом, когда Великим князем Московским Иваном III были организованы экспедиции в горные массивы. Им был выбран Печорский край – один из крупнейших рудников по добыче угля в России сегодня.
Самые масштабные разработки угольных шахт были при Петре 1, он был инициатором создания шахт на Урале, Донбассе, в Кузнецке, на Дальнем Востоке и в окрестностях Москвы. Он не жалел денег на финансирование горнодобывающей промышленность, стремился внедрить новые технологии, которые облегчали людям работу и увеличивали выработку.
Во времена СССР добыче топливного ископаемого отводилась особая роль. Рабочих очень сильно ценили, даже был введен всесоюзный праздник – День Шахтера, чтобы отдать дань их нелегкому и опасному труду. Уголь получил название «хлеб промышленности», его уже использовали для получения энергии на теплоэнергостанциях.
Сейчас угледобывающая промышленность достигла больших высот, но многие страны, наряду с введением всевозможных инновационных разработок, стараются вывести этот ресурс из использования. Все дело в экологической опасности, которая возникает из-за его применения. При сжигании топлива образуется огромное количество углекислого газа, одного из виновников парникового эффекта.
Оказывается, название бурый и черный уголь получил не из-за цвета сырья. Раньше, для определения «жирности» породы, ею проводили по белой поверхности. Получалась черная или бурая полоса, что и дало ископаемому соответственное название.
Как происходит добыча угля на современных шахтах
Несмотря на то, что производство никогда не стояло на месте, постоянно модернизируясь, некоторые страны все еще добывают его с помощью ручной силы. Можно выделить Индию, где жители городков возле месторождений занимаются собиранием угля. В этом процессе задействованы даже маленькие дети, стремящиеся помочь родителям зарабатывать деньги. Поселок Джариа даже был назван адом на земле, ведь там воздух заполнен угольной пылью и ядовитыми газами, сырье часто самопроизвольно воспламеняется.
Основные способы добычи угля
В более развитых странах эта проблема не столь выражена. Разработка месторождений ведется с помощью специализированной техники, в некоторых процессах человек даже не принимает участия.
Сейчас широкое применение получили 3 вида добычи угля:
- Карьерный или разрезной;
- Шахтный;
- Гидравлический.
Их использование зависит от глубины залегания пласта полезного ископаемого, твердости породы и доступности.
Сравнительная таблица способов добычи угля.
Создавайте будущее вместе с нами
Присоединяйтесь к нашей команде: мы создаем финтех-сервисы для 28 млн клиентов и опережаем рынок на 5 лет. Работаем на результат и делаем больше, чем от нас ждут.
| Карьерный | Шахтный | Гидравлический | |
| Плюсы | Низкая себестоимость Безопасность Быстрая разработка месторождений |
Сравнительно экологичный Высокое качество угля Большие выработки |
Экологичный Не требует привлечения огромного количества человеческих ресурсов Сравнительно дешевый Не наносит вред фундаменту планеты |
| Недостатки | Качество добытого угля Неэкологичный |
Не безопасный способ Трудоемкость Себестоимость очень высокая |
Использование огромного количества воды Низкая продуктивность |
Карьерный способ
Открытая добыча угля ведется там, где он залегает под землей на глубине не более 500 метров. Для разработки подобных месторождений применяются краны, которые снимают пласт пустой породы. Называются они драглайны. Состоят краны из кабины, стрелы и ковша. Они закреплены на рельсах, для передвижения по карьеру или стоят на гусеницах.
Также для разрыхления породы используется взрывчатка, но из-за опасности сейчас от нее отказываются на большинстве производств. После опустошения месторождения пустая земля засыпается обратно, территория выравнивается и обогащается удобрениями. Сверху садятся деревья, чтобы восстановить или улучшить экосистему этой местности. Открытая добыча каменного угля все же приносит вред природе – нарушается экологическая ситуация, высыхают подземные воды.
Бурый уголь залегает сравнительно не глубоко, на глубине 300-400 метров, поэтому для его добычи тоже используется открытый метод. Места разработки месторождений принято называть разрезами, ведь они длинные и узкие, особенно это заметно из космоса. Пожалуй, это единственное их отличие от карьеров, ведь технология получения сырья такая же.
Далее в работу вступают машины поменьше, которые взрыхляют породу и грузят ее в вагоны, которые отправляются на производство. Уголь ссыпается на конвейерную установку, и отправляется на производство, обогатительные станции или ТЭЦ.
Шахтный способ
Подземная добыча угля – это более старый и технологический способ получения сырья. Большое количество ископаемого залегает на глубине более 500 метров, а снятие верхней породы будет нерентабельным, трудоемким и дорогостоящим процессом. Сооружение шахты производится таким образом – делается ствол, главная шахта, по которой в дальнейшем будет спускаться все оборудование и рабочие.
Когда она достигает максимально возможной глубины, в пласте делаются горизонтальные разрезы, прокладываются рельсы и запускается главное оборудование. Все стены укрепляются столбами или кольцами, чтобы предотвратить обрушение от вибрации.
Самая глубокая угольная шахта находится в Донецком каменноугольном бассейне на Украине. Сейчас она достигает 2043 метра.
Для безопасности рабочих очень важно обеспечивать постоянную вентиляцию шахты, чтобы снижать концентрацию метана и подогревать воздух, если климатические условия этого требуют.
Добыча угля в шахтах ведется с помощью техники, которая дробит пласты и отправляет их на поверхность. Мастодонт в этой сфере – проходческий комбайн. Он отбивает сырье от пласта и отправляет его на поверхность по конвейерной ленте. В местах залегания твердой породы используют несколько другое оборудование.
Врубовый комбайн оснащен аналогом сверла с огромными зубьями, которые дробят породу, продвигаясь все глубже по шахте. Дополнительно устанавливается и очистной комбайн, который снимает излишки стружки и дробит большие куски породы, чтобы они могли двигаться по конвейеру на верх.
Еще одна важная часть, которую нельзя не отметить в закрытом способе добычи угля – выкачка воды. В местах залегания могут проходить даже подземные реки, они очень сильно утруждают производство и опасны для рабочих. При нарушении норм, выходе из строя оборудования, которое откачивает воду, она может прорваться в ствол шахты, затопив ответвления. Это приведет к поломке техники и смерти рабочих или их заточения под землей.
Гидравлический способ
Гидравлический способ самый новый, сейчас он подвергается модернизации, чтобы минимизировать затраты воды на производство угля. Изобрели первое устройство еще в СССР в 30-х годах. Называется эта установка механогидравлический комбайн. Он используется для разрыхления породы, откалывания ее от основного слоя.
Вытекающая вода проходит по желобам, по которым транспортируется к низконапорному насосу. Там же происходит и обезвоживание добытого угля, подача его на конвейер и перемещение наружу. Вода очищается, чтобы не повредить гидравлическую технику оставшимися частицами. Этот способ. Несмотря на огромное количество преимуществ, гидравлический метод менее продуктивный.
Копанка или добыча угля в домашних условиях
Несмотря на то, что добыча угля ведется в промышленных масштабах, это сложный и трудоемкий процесс. Жители местности, где есть месторождения, самостоятельно их разрабатывают, используя его в собственных целях. Строится она очень просто, но, для реализации этого способа уголь должен залегать не глубоко.
Во многих странах этот метод используется только нелегально, для продажи угля на черном рынке. Там может быть задействовано тоже большое количество рабочих, но об использовании продвинутой промышленной техники и речи быть не может. Это самый опасный и тяжелый труд, к тому же, нормы никак не регулируются, ведь собственник копанки заботится только о собственной прибыли.
Самые эффективные способы
Сказать, какой вид получения ископаемого использовать выгоднее, невозможно, ведь на все это влияет много факторов. Можно вырыть карьер и на 1 км в земле, но это требует огромного количества техники, времени, а также может очень сильно испортить экосистему. Но делать шахту на месторождении угля, которое лежит на 300-400 метров, будет слишком дорого, да и такие места не всегда производят качественный уголь.
Гидравлическим способом сейчас добывается всего 8% сырья в мире, пока он больше экспериментальный.
Места и способы добычи угля не подбираются случайно. Изначально оценивается размер месторождения, качество сырья, особенности рельефа. Только после этого на территорию привозят технику и делают пробные заборы, чтобы убедиться в рентабельности производства.
Источник: 2cad.ru
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:
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.
Добыча угля
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
Как добывают каменный уголь
Древесный уголь формировался в недрах Земли сотни миллионов лет и стал ключевым фактором промышленной революции, преобразившей мировую экономику за последние два столетия. Преимущества этого топлива заставили закрыть глаза на его недостатки — ущерб, который наносит природе сжигание угля. Готовы ли мы к переходу на более чистые виды горючего?
Эта статья была опубликована в журнале OYLA №6(34). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.
От торфа к антрациту
История формирования угольных пластов насчитывает сотни миллионов лет. Началась она, когда климат на Земле был влажным и жарким, растения чувствовали себя вольготно и распространились зелёным ковром по всей планете, аккумулировав миллиарды тонн трансформированной солнечной энергии. Отмирая, часть опавшей зелёной массы попадала в воду, где специфические микроорганизмы в условиях дефицита кислорода превращали её в торф — первую эволюционную фазу в процессе формирования ископаемого угля. Затем обширные торфяные болота медленно опускались под землю, а сверху накапливались песок, глина и иные горные породы.
Формирование угля
Уголь образовался миллионы лет назад, когда земля была покрыта огромными болотистыми лесами, где росли гигантские папоротники, тростники и мхи. Погибая, растения наслаивались в болотных водах. В нижних слоях под давлением верхних начались физико-химические процессы формирования угля. Самые первые залежи образовались приблизительно 350 млн лет назад в девонский период. Этап, который тогда начался и закончился около 280 млн лет назад, называют каменноугольным, потому что именно тогда происходило активное углеобразование.
В торфе тем временем росли температура и давление, газы испарялись, вода уходила, и начинался процесс превращения в уголь — карбонизация. Сначала образуется наименее ценный продукт — бурый уголь, в нём около 63% углерода. Этот сорт угля относительно молодой (около 50 млн лет), поэтому в его толще можно найти остатки древних растений.
Он залегает на глубине от 100 до 200 м, горит с незначительным выделением тепла, при этом сильно дымит. Килограмм бурого угля может содержать до 19 000 кДж — этой энергии хватит, чтобы вскипятить 30 л воды. За 50 млн лет слой опавшей растительности толщиной в 1 км в результате преобразований сжимается до двухметрового пласта бурого угля.
Дальнейшие метаморфозы приводят к образованию непосредственно каменного угля. Пласт толщиной в 2 м получается уже из трёхкилометрового слоя опавших растений. Концентрация углерода здесь может достигать 94%, и это делает каменный уголь отличным топливом с высокой теплотой сгорания (энергоёмкостью более 25 000 кДж/кг). В структуре каменного угля нет растительных частей — они полностью разрушились, ведь возраст этой осадочной горной породы около 350 млн лет.
Не только топливо
При нагревании до 800–1100 °С без доступа воздуха уголь превращается в кокс. Твёрдый и пористый кокс при высокой температуре (гораздо выше, чем требуется для антрацита) горит без пламени и дыма. Кокс стали использовать при выплавке чугуна, причём не только в качестве топлива, но и как восстановитель — он отнимает у железной руды кислород, превращая её в железо:
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO
Уголь и кокс безусловно способствовали сохранению лесов, которые могли быть вырублены человеком, нуждавшимся в топливе.
Газообразным продуктам коксования, занимающим до 20% от исходной массы угля, также нашли применение. Их охлаждают и пропускают через воду, в результате получается очень ценное сырьё — аммиачная вода и каменноугольная смола. Но и это ещё не всё. Оставшийся нерастворённый коксовый газ состоит из горючих веществ: водорода (45%), метана (35%) и угарного газа (35%). Такой коктейль горит светящимся пламенем и долгое время использовался для уличного освещения, несмотря на ядовитый компонент — CO.
Применение ископаемого угля
В начале 2000‑х в мире потреблялось 3,6 млрд тонн угля в год, из них около 3 млрд уходило на производство электроэнергии, а остальное — на получение кокса. 40% всей электроэнергии производится путём сжигания угля, при этом 70% стали выплавляется за счёт энергии кокса. Несмотря на экологические проблемы, связанные с горением угля (большое количество оксидов углерода, сажи и даже радиоактивное заражение), снижать потребление этого ископаемого не планируют. Более того, за следующую пару десятилетий его собираются увеличить на 1 млрд тонн в год.
Тысячи разных соединений скрыты только в одном продукте коксования — каменноугольной смоле. Исследуя её, немецкий химик Фридлиб Фердинанд Рунге в 1834 году открыл несколько органических соединений, в том числе фенол, пиррол, хинолин и анилин. В настоящее время все эти вещества интенсивно применяются в химической промышленности. К примеру, из хинолина делают лекарственные препараты и красители. Из каменноугольной аммиачной воды получают аммиак — один из основных компонентов аммиачно-фосфорных и азотных удобрений.
Как добывают уголь
Гигантские экскаваторы на угольной шахте открытого карьера
Открытым способом, когда удаляют верхние горные породы и на суперсамосвалах вывозят из карьера полезное ископаемое, добывают 40% мирового угля. В 1983 году в США был открыт крупнейший в мире угольный разрез Норт-Антелоуп-Рошель: его площадь — 260 кв. км, запасы угля оцениваются в 2,3 млрд тонн. Можно сказать, что угольный разрез — это территория монстров: самые большие карьерные экскаваторы и самосвалы работают в этих искусственных впадинах.
Бурильная установка в подземной угольной шахте
Второй способ, менее разрушительный для окружающей среды, — это шахты, уходящие под землю на сотни и даже тысячи метров. Такая добыча гораздо опаснее для людей, которые там работают (из-за затопления и выброса метана нередко происходят аварии), но позволяет извлекать более качественный уголь и, как уже говорилось, наносит меньший ущерб природе. Самые глубокие угольные шахты в мире расположены в Донбассе на Украине. Добыча каменного угля не прекратится в ближайшие десятилетия и, очевидно, продолжится в XXII веке: запасы «подземных лесов» кажутся неисчерпаемыми.
Угольный пласт высотой 25 метров на открытом угольном разрезе Норт-Антелоуп-Рошель
По оценкам экспертов, запасы угля в несколько раз превышают нефтяные ресурсы, поэтому учёные ещё в первой половине XX века начали думать, как получить синтетическое жидкое топливо из твёрдых углеводородов. Первые технологии появились в тридцатые — сороковые годы в Германии и долгое время эффективно использовались, однако позже, в связи с открытием нефтяных месторождений в Сибири и на Ближнем Востоке, ушли на второй план.
Коксование и переработка каменноугольной смолы для получения жидкого топлива из угля оказались не лучшим решением. Выход продукта слишком мал, а энергетические затраты велики. Более эффективен процесс газификации угля — его можно осуществлять даже не поднимая уголь на поверхность. Для этого бурят скважину до угольного пласта, создают на глубине очаг горения и собирают поступающий по трубам горючий газ. Если к очагу горения в скважине подавать воздух или паровоздушную смесь, то на выходе получится синтез-газ, состоящий преимущественно из моноокиси углерода и водорода. Процесс газификации угля можно описать уравнением:
C + H2O —> H2 + CO
Этот газ можно использовать как топливо в электростанциях, а также в качестве сырья для производственного процесса Фишера — Тропша. В 1925 году директор немецкого Института кайзера Вильгельма по исследованию угля Франц Фишер и его коллега Ханс Тропш получили жидкое моторное топливо из синтез-газа. Монооксид углерода восстанавливается водородом при нормальном давлении и температуре около 270 °С в присутствии специфических катализаторов. В итоге получается жидкая смесь углеводородов, которую после очистки можно использовать в качестве моторного топлива. Во время Второй мировой войны Германия, бедная нефтью, но богатая углём, синтезировала таким способом топливо для боевых машин.
Франц Фишер и Ханс Тропш
Следующий способ получения жидкого топлива — это деструктивная гидрогенизация угля. Под давлением 200–700 атмосфер в присутствии катализаторов на основе железа, вольфрама и молибдена происходит термическое разложение. В результате практически все органические вещества угля превращаются в газообразные и жидкие продукты.
Далее следует гидрокрекинг — расщепление тяжёлых молекул на лёгкие и образование насыщенных углеводородов. Самое удобное сырьё для получения синтетического топлива и моторного масла — это бурый уголь: в нём больше всего органического вещества. На последнем этапе из топлива удаляют примеси воды, аммиака и сероводорода.
В последнее время для деструкции угля применяют гамма-лучи — это значительно ускоряет процесс и снижает выбросы углекислого газа в атмосферу.
Люди используют ископаемый уголь многие столетия, и неудивительно, что ему посвящён целый научный раздел — углехимия, которая открывает новые горизонты применения этого ценного природного ресурса. Так, обнадёживают данные о высокой концентрации в угольных пластах ряда элементов: U, Au, Ag, W и др. Вкупе с технологиями глубокой переработки это позволит человечеству уменьшить неблагоприятное для природы сжигание угля в печах теплоэлектростанций.
Источник: www.oyla.xyz