Как получается каменный уголь

На сегодняшний день каменный уголь является одним из самых необходимых полезных ископаемых.

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.

Галилео 🛢 Как из дерева получают древесный уголь?

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.

Образование каменного угля

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.

Источник: www.polnaja-jenciklopedija.ru

Интересные факты о каменном угле, характеристика, виды, добыча, применение

Каменный уголь человек использует в качестве топлива еще с древних времен. С периода первого поиска угля он использовался для самых различных целей. Это были и приготовление пищи, и промышленное производство. За счет использования угля возможным стало и создание стали. С углем связано множество интересных фактов, а его роль в нашей жизни колоссальна.

Именно благодаря каменному углю человечество смогло ощутимо продвинуться вперёд в плане промышленности, ведь это полезное ископаемое считается более энергоэффективным топливом, нежели древесина. До открытия методов перегонки нефти и перевоплощения её в бензин, мазут и другие горючие жидкости, именно каменный уголь служил главным источником энергии и тепла в целом.

Характеристики каменного угля

Виды угля

• По собственному обогащению каменный уголь делится на: концентраты, промышленные продукты и шлам. Концентраты сжигаются для получения электроэнергии и отопления в паровых котлах, промышленные продукты используют в металлургии, а шлам – это фактически мелкая фракция и пыль после дробления полезного ископаемого.
• По содержанию в себе углерода уголь делится на такие виды, как бурый и каменный. Бурый уголь – это частично сформированный каменный уголь, у которого невысокая теплота от сгорания. При перевозке и хранении он крошится и может самовозгораться. Каменный уголь бывает разных сортов и с разными характеристиками. Антрацит — это на сегодня самая качественная разновидность такого угля.
• По сортовой принадлежности каменный уголь делится на антрациты и полуантрациты, на длиннопламенный и газовый длиннопламенный, на жирный и газовый жирный, на тощий и отощенный, на спекающийся и слабоспекающийся, на коксующийся и жирный коксующийся.
• Антрациты и полуантрациты — это самый качественный, но недешевый уголь. Выделяется от него много тепла, но он нелегко разгорается. В обыкновенные отопительные котлы этот сорт угля засыпают лишь после того, как котел разгорелся.
• Длиннопламенный и газовый длиннопламенный уголь – это оптимальное решение для отопления. Выбирая такой уголь по приемлемой цене можно получить длительное сгорание и отличное выделение тепла.
• Жирный и газовый жирный уголь применяют для отопления в ограниченном количестве. Более широко его используют в металлургической промышленности.
• Тощий и отощенный спекающийся уголь отличаются большой зольностью и низкой теплотворностью. Используют эти сорта в отоплении, но не они не очень эффективные: часто придется после них чистить котел от золы.
• Слабоспекающиеся сорта каменного угля имеют характеристики, зависящие от месторождения. Это топливо тяжело разгорается, но горит долго и выделяет много тепла. Не существует особенных требований по объему топки или количеству загружаемого угля, но потребуется постоянный доступ достаточного количества воздуха без избытка.
• Коксующиеся жирные сорта угля обладают достаточно высокой температурой сгорания. Для бытовых котлов применять их не желательно, ведь они не рассчитаны на подобные температуры и могут лопаться и оплавляться.

Месторождения каменного угля

Как образуется каменный уголь?

Есть 2 теории появления каменного угля.

Самой популярной из них считается та, которой придерживается множество геологов. Она подразумевает под собой то, что растения, из которых состоит каменный уголь, скапливались в огромных пресноводных или торфяных болотах на протяжении множества тысяч лет. Эта теория говорит о росте растительности в местах обнаружения ископаемого и называется “автохтонной”.

Вторая теория основана на том, что пласты каменного угля накапливались из перенесенных из других мест растений, которые и отложились на новом участке при затоплении. Другими словами, уголь возник из перенесенного растительного мусора. Данную теорию называют «аллохтонной».

В любом случае, чтобы образовался каменный уголь, нужно много растительной массы. И лучше, если растительность будет накапливаться в одном месте и не успевать полностью разлагаться. Идеальным местом для этого считается болото. Вода там не обогащена на кислород, в связи с чем возникает препятствие для развития и жизнедеятельности бактерий.

Растительная масса, которая есть в болоте, не успевая полностью сгнивать, спрессовывается отложениями почвы. Таким образом получается торф, который и есть исходным материалом для получения угля. Следующие пласты почвы будто бы запечатывают торф в земле. В результате этого он полностью лишен доступа кислорода и воды, что превращает его в угольный пласт. Процесс такого типа достаточно длительный.

Добыча каменного угля

Добывают уголь закрытым или подземным методом. И это происходит вне зависимости от того, сколько тонн угля находят. Так строятся шахтные стволы и штольни. Шахтные стволы строятся, если глубина залегания каменного угля 45 метров и более. От нее ведутся горизонтальные тоннели в виде штольни.

Есть 2 системы закрытой добычи угля: камерно-столбовая и добыча длинными очистными забоями. Первая система является менее экономичной. Она используется только в тех ситуациях, когда обнаруженные угольные пласты мощные. Вторая система будет намного безопаснее и практичнее. Она позволит извлечь до 80% ископаемого и равномерно доставить уголь на поверхность.

Читай также: Молния, как образуется, виды молний, опасность, интересные факты

Открытый метод применяется в тех ситуациях, когда уголь залегает неглубоко. При этом вначале проводится анализ твердости почвы, выясняется уровень выветриваемости и слоистость покрывающего слоя. Если грунт над угольными пластами мягкий, то достаточно будет применения бульдозера и скрепера. Если верхний пласт толстый, то пригоняются экскаваторы и драглайны.

Пролегающий над каменным углем мощный слой твердой породы взрывается. Это простое объяснение добычи угля для детей.

Интересные факты про уголь

1. У чёрного и довольно мягкого сорта каменного угля и у самого твёрдого полезного ископаемого на Земле – алмаза, в основе есть одинаковое вещество – углерод. Отличие их состоит только в расположении атомов в строении вещества.
2. Уголь на дне воды начинается как растительное вещество. В результате он покрывается и глубоко захороняется отложениями, где с течением долгого времени происходят метаморфозные процессы.
3. Примерно 70% всей электроэнергии Китая поступает из каменного угля. В целом, уголь считается производителем около 40% мировой электроэнергии. И об этом говорят не только про уголь интересные факты.
4. Первой мировой угольной шахтой считается та, которая была открыта в Нидерландах в 1113 году. Интересным является то, что она до сегодняшнего момента еще функционирует, потому как запасы данного месторождения ещё не исчерпаны.
5. В Российских недрах есть примерно 4 триллиона тонн каменного угля, что составляет треть от всех его мировых запасов.
6. Есть специальная методика перевоплощения угля в жидкое топливо. Для этого полезное ископаемое насыщается водородом.
7. Каменный уголь используют не только в виде топлива. Из него добываются такие минералы как: свинец и сера.
8. Именно каменный уголь считается первым полезным ископаемым топливом, которое и стало использоваться человечеством.
9. В угле обычно присутствуют и морские ископаемые, такие как: моллюски, брахиоподы и рыбы. В угольных пластах также можно встретить и шарики – округлые скомканные массы, которые прекрасно сохранились от ископаемых растений и животных. К примеру, маленький морской червь кольчатый часто обнаруживается прикрепленным к растениям в каменном угле, добытом на территории Европы и Северной Америки.
10. Самые интересные находки в слоях угля – это стволы деревьев, которые залегают вертикально. Они часто пересекают большие толщи пород перпендикулярно к напластованию угля. Деревья в данном необычном для них вертикальном положении часто встречаются в угольных пластах, связанных с угольными отложениями, а несколько реже – в самом угле. Множество людей придерживаются того мнения, что уголь и стволы деревьев имеют способность перемещаться.
11. На территории Украины сосредотачивается до 5% всего мирового запаса каменного угля.

Источник: fanfact.ru