Ископаемый уголь

У этого термина существуют и другие значения, см. Уголь (значения).

Уголь

Уголь — вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Международное название углерода происходит от лат. carbō («уголь»). Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая в свою очередь способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией.

В среднем, сжигание одного килограмма этого вида топлива приводит к выделению 2,93 кг CO₂ и позволяет получить 23-27 МДж (6,4-7,5 кВт·ч) энергии^[1] или, при КПД 30 % — 2,0 кВт·ч электричества. В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, к 1970 году его доля упала до одной трети. Использование угля увеличивается в периоды высоких цен на нефть и другие энергоносители.

Образование угля

Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода (примерно 400 млн лет назад), накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей оценивается примерно в 300—400 миллионов лет^[2].

Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах, где стоячая вода, обеднённая кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой стадии процесса выделяемые в ходе него кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф — исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в уголь.

Под давлением наслоений осадков толщиной в 1 километр из 20-метрового слоя торфа получается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра. На большей глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.

В результатах движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счёт эрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности. Образование наиболее мощных угольных пластов связано с областями земной коры, которые на протяжении значительного времени — в течение миллионов лет — подвергались постепенному тектоническому опусканию со скоростью накопления торфа на поверхности. В отдельных случаях, как, например, в Хат-Крик (англ.)русск. (Канада), суммарная мощность пакета угольных пластов достигает 450 м^[3]

Виды угля

Основная статья: Маркировка угля

Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля — растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа: бурые угли (лигниты), каменные угли, антрациты и графиты. В западных странах имеет место несколько иная классификация — лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.

Антрацит

Основная статья: Антрацит

Антрацит — самый глубоко прогревавшийся при своем возникновении из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации. Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800—8350 ккал/кг). Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.

Каменный уголь

Каменный уголь — осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.

Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75 % до 95 %. Содержат до 12 % влаги (3-4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания по сравнению с бурыми углями. Содержат до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.

Бурый уголь

Основная статья: Бурый уголь

Бурый уголь

Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65—70 % углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра.

Добыча угля

Способы добычи угля зависят от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при всё большем углублении угольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторождения подземным способом. Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с уровня чуть более 1200 метров.

В угленосных отложениях наряду с углем содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырье для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Например, некоторые угли обогащены германием.

Доказанные запасы угля

Доказанные запасы угля на 2009 год в млн тонн ^[4][5]

Страна	Каменный уголь	Бурый уголь	Всего	%
США	111338	135305	238308	28,9
Россия	49088	107922	157010	19,0
Китай	62200	52300	114500	13,9
Индия	90085	2360	92445	10,2
Австралия	38600	39900	78500	8,6
Южно-Африканская Республика	48750	0	48750	5,4
Украина	16274	17879	34153	3,8
Казахстан	28151	3128	31279	3,4
Польша	14000	0?	14000	1,5
Бразилия	0	10113	10113	1,1
Германия	183	6556	6739	0,7
Колумбия	6230	381	6611	0,7
Канада	3471	3107	6578	0,7
Чехия	2094	3458	5552	0,6
Индонезия	740	4228	4968	0,5
Турция	278	3908	4186	0,5
Мадагаскар	198	3159	3357	0,4
Пакистан	0	3050	3050	0,3
Болгария	4	2183	2187	0,2
Таиланд	0	1354	1354	0,1
Северная Корея	300	300	600	0,1
Новая Зеландия	33	538	571	0,1
Испания	200	330	530	0,1
Зимбабве	502	0	502	0,1
Румыния	22	472	494	0,1
Венесуэла	479	0	479	0,1
Всего	478771	430293	909064	101,0

Уголь в России

История добычи угля в России

Пётр I впервые познакомился с углём в 1696 году, возвращаясь из первого Азовского похода в районе нынешнего г. Шахты (до революции Александровск-Грушевск). Во время отдыха на берегу Кальмиуса царю показали кусок чёрного, хорошо горящего минерала. «Сей минерал, если не нам, то потомкам нашим зело полезен будет», — сказал Пётр I.

Рудознавец крепостной крестьянин Григорий Капустин в 1721 году открыл каменный уголь близ притока Северского Донца — реки Курдючьей и доказал его пригодность для использования в кузнечном и железоделательном производствах. В декабре 1722 года Пётр I именным указом послал Капустина за пробами угля, а затем было предписано снаряжение специальных экспедиций для разведки угля и руды.

В 1722 году Берг-коллегия предложила В. И. Геннину, ведавшему уральскими и сибирскими заводами, «иметь старание о прииске каменного угля как и в прочих европейских государствах обходятся дабы оным лесам теми угольями было подспорье».

Группа С. Костылева в 1720—1721 годах вела поиски полезных ископаемых в северных предгорьях Алтая. В феврале 1722 года М. Волков сделал заявку на железную руду, найденную им в Томском уезде, и уголь, обнаруженный им в «горелой горе» в семи верстах от Верхотомского острога, на территории современного города Кемерово.

Становление угольной промышленности в России относится к первой четверти XIX в., когда уже были открыты основные угольные бассейны.

Добыча и запасы угля в России

В России сосредоточено 5,5 % мировых запасов угля, что составляет более 200 млрд тонн. Такая разница с процентом доказанных запасов угля на 2006 год обусловлена тем, что большая часть не пригодна к разработке, так как находится в Сибири в области вечной мерзлоты. 70 % приходится на запасы бурого угля. В России в 2004 году имелся дефицит коксующихся углей марок «Ж» и «К» в размере не менее 10 млн тонн (оценка ВУХИН), что связано с выбытием добывающих мощностей в Воркуте и Кузбассе.

Добыча угля в России (РСФСР), млн. тонн^[6]

• 1990 год — 395.
• 2004 год — 282. 76,1 млн тонн было отправлено на экспорт.
• 2005 год — 299. 79,61 млн тонн было отправлено на экспорт.
• 2006 год — 310.
• 2009 год — 301.

Крупнейшие перспективные месторождения

Эльгинское месторождение (Республика Саха (Якутия)). Принадлежит ОАО «Мечел». Наиболее перспективный объект для открытой разработки — находится на юго-востоке Республики Саха (Якутия) в 415 км к востоку от города Нерюнгри. Площадь месторождения 246 км². Месторождение представляет собой пологую брахисинклинальную асимметричную складку. Угленосны отложения верхней юры и нижнего мела. Основные угольные пласты приурочены к отложениям нерюнгринской (6 пластов мощностью 0,7-17 м) и ундыктанской (18 пластов мощностью также 0,7-17 м) свит. Большая часть ресурсов угля сосредоточена в четырёх пластах y4, y5, н15, н16 обычно сложного строения. Угли в основном полублестящие линзовидно-полосчатые с очень высоким содержанием наиболее ценного компонента — витринита (78-98 %). По степени метаморфизма угли относятся к III (жирной) стадии. Марка угля Ж, группа 2Ж. Угли средне- и высокозольные (15—24 %), малосернистые (0,2 %), малофосфористые (0,01 %), хорошо спекающиеся (Y = 28—37 мм), с высокой теплотой сгорания (28 МДж/кг). Эльгинский уголь можно обогатить до высших мировых стандартов и получить экспортный коксующийся уголь высокого качества. Месторождение представлено мощными (до 17 метров) пологими пластами с перекрывающими отложениями небольшой мощности (коэффициент вскрыши — около 3 куб м на тонну рядового угля), что очень выгодно для организации добычи открытым способом.

Элегестское месторождение (Тыва) обладает запасами около 1 млрд т коксующегося угля дефицитной марки «Ж» (общий объём запасов оценивается в 20 млрд т). 80 % запасов находится в одном пласте толщиной 6,4 м (лучшие шахты Кузбасса работают в пластах толщиной 2-3 м, в Воркуте уголь добывают из пластов тоньше 1 м). После выхода на проектную мощность к 2012 году на Элегесте ожидается -добыча 12 млн т угля ежегодно. Лицензия на разработку элегестских углей принадлежит Енисейской промышленной компании, которая входит в структуру «Объединенной промышленной корпорации» (ОПК). Правительственная комиссия по инвестиционным проектам РФ 22 марта 2007 года одобрила реализацию проектов по строительству железнодорожной линии «Кызыл-Курагино» в увязке с освоением минерально-сырьевой базы Республики Тува.

Крупнейшие российские производители угля

В 2004 году добыча составляла:

• СУЭК — 79,5 млн тонн.
• Кузбассразрезуголь — 39,3 млн тонн.
• Южкузбассуголь — 18,1 млн тонн.
• Южный Кузбасс — 15,6 млн тонн.
• Угольная компания "Заречная" — 9,9 млн тонн.
• Красноярсккрайуголь — 3,7 млн тонн.

Крупнейшие угольные компании России

• ПКФ СеверСталь
• СУЭК
• Кузбассразрезуголь
• Распадская
• Угольная компания «Заречная»
• СИБПЛАЗ
• Мечел
• Сибуглемет
• Евраз

Крупнейшие производители угля (США)

Транспортировка угля баржами

В 2004 году добыча составляла:

• Peabody Energy — 198 млн тонн.
• Arch Coal — 123 млн тонн.
• Consol Energy — 67 млн тонн.
• Foundation — 61 млн тонн.
• Massey — 42 млн тонн.

Потребление угля

Потребление угля в миллионах тонн.

Регион	2001	2005	Изменение
Китай	1383	2757	+99,3 %
США	1060	1567	+47,8 %
Западная Европа	574	463	−19,3 %
Страны бывшего СССР	446	436	−2,2 %
Индия	360	611	+69,7 %
Япония	166	202	+21,7 %
Остальной мир	1274	1538	+20,7 %
ВСЕГО	5263	7574	+43,9 %

Применение угля

Буроугольные брикеты

В Англии в 1735 году научились выплавлять чугун на коксе. Применение каменного угля многообразно. Он используется как бытовое, энергетическое топливо, сырье для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Очень перспективным является сжижение (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1т нефти расходуется 2-3т каменного угля, в период эмбарго ЮАР практически полностью обеспечивала себя топливом за счёт этой технологии. Из каменных углей получают искусственный графит.

Стоимость угля

Стоимость сильно различается, так как сильное влияние оказывают качество угля и стоимость транспортировки. В целом по России цены колеблются от 60-400 рублей за тонну (2000 г.) до 600—1300 рублей за тонну (2008 г.). На мировом рынке цена достигла 300 $ за тонну (2008), а затем опустилась до 3500-3650 рублей за тонну (2010).

Газификация угля

Данное направление утилизации угля связано с его так называемым «неэнергетическим» использованием. Речь идёт о переработке угля в другие виды топлива (например, в горючий газ, среднетемпературный кокс и др.), предшествующей или сопутствующей получению из него тепловой энергии. Например, в Германии в годы Второй мировой войны технологии газификации угля активно применялись для производства моторного топлива. В ЮАР на заводе SASOL с использованием технологии слоевой газификации под давлением, первые разработки которой были также выполнены в Германии в 30-40-е годы XX века, в настоящее время из бурого угля производится более 100 наименований продукции. (Данный процесс газификации известен также под названием «способ Lurgi».)

В СССР технологии газификации угля в частности активно разрабатывались в Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте по проблемам развития Канско-Ачинского угольного бассейна (КАТЭКНИИуголь) с целью повышения эффективности использования канско-ачинских бурых углей. Сотрудниками института был разработан ряд уникальных технологий переработки низкозольных бурых и каменных углей. Данные угли могут быть подвержены энерготехнологической переработке в такие ценные продукты, как среднетемпературный кокс, способный служить заменителем классическому коксу в ряде металлургических процессов, горючий газ, пригодный, например, для сжигания в газовых котлах в качестве заменителя природного газа, и синтез-газ, который может использоваться при производстве синтетических углеводородных топлив. Сжигание топлив, получаемых в результате энерготехнологической переработки угля, даёт существенный выигрыш в показателях вредных выбросов относительно сжигания исходного угля.

После развала СССР КАТЭКНИИуголь был ликвидирован, а сотрудники института, занимавшиеся разработкой технологий газификации угля, создали собственное предприятие. В 1996 году был построен завод по переработке угля в сорбент и горючий газ в г. Красноярске (Красноярский край, Россия). В основу завода легла запатентованная технология слоевой газификации угля с обращённым дутьём (или обращённый процесс слоевой газификации угля). Этот завод работает и в настоящее время. Ввиду исключительно низких (по сравнению с традиционными технологиями сжигания угля) показателей вредных выбросов он свободно располагается неподалёку от центра города. В дальнейшем на основе этой же технологии был построен также демонстрационный завод по производству бытовых брикетов в Монголии (2008 г.).

Следует отметить некоторые характерные отличия технологии слоевой газификации угля с обращённым дутьём от прямого процесса газификации, одна из разновидностей которого (газификация под давлением) используется на заводе SASOL в ЮАР. Производимый в обращённом процессе горючий газ, в отличие от прямого процесса, не содержит продуктов пиролиза угля, поэтому в обращённом процессе не требуются сложные и дорогостоящие системы газоочистки. Кроме того, в обращённом процессе возможно организовать неполную газификацию (карбонизацию) угля. При этом производятся сразу два полезных продукта: среднетемпературный кокс (карбонизат) и горючий газ. Преимуществом прямого процесса газификации, с другой стороны, является его более высокая производительность. В период наиболее активного развития технологий газификации угля (первая половина XX века) это обусловило практически полное отсутствие интереса к обращённому процессу слоевой газификации угля. Однако в настоящее время рыночная конъюнктура такова, что стоимость одного только среднетемпературного кокса, производимого в обращённом процессе газификации угля (при карбонизации), позволяет компенсировать все затраты на его производство. Попутный продукт — горючий газ, пригодный для сжигания в газовых котлах с целью получения тепловой и/или электрической энергии, — в этом случае имеет условно нулевую себестоимость. Это обстоятельство обеспечивает высокую инвестиционную привлекательность данной технологии.

Ещё одной известной технологией газификации бурого угля, является энерготехнологическая переработка угля в среднетемпературный кокс и тепловую энергию в установке с псевдоожиженным (кипящим) слоем топлива. Важным преимуществом данной технологии является возможность её реализации путём реконструкции типовых угольных котлов. При этом сохраняется на прежнем уровне производительность котла по тепловой энергии. Подобный проект реконструкции типового котла реализован, например, на разрезе «Берёзовский» (Красноярский край, Россия). В сравнении с технологией слоевой газификации угля энерготехнологическая переработка угля в среднетемпературный кокс в псевдоожиженном слое отличается существенно более высокой (в 15-20 раз выше) производительностью.^[7]

• см. Автомобиль с газогенератором
• см. Водоугольное топливо

Сжижение угля

• см. Синтез Фишера — Тропша

Уголь в качестве топлива

Роль угля в энергетическом балансе

В России в 2005 году доля угля в энергобалансе страны составляла около 18 процентов (в среднем по миру 39 %), в производстве электроэнергии — немногим более 20 процентов. Доля угля в топливном балансе РАО ЕЭС составила в 2005 году 26 %, а газа — 71 %. В связи с высокими мировыми ценами на газ российское правительство намеревалось увеличить долю угля в топливном балансе РАО ЕЭС до 34 % к 2010 году, однако данным планам не суждено было сбыться из-за прекращения деятельности РАО ЕЭС в 2008 году.

Трудности использования угля в качестве энергетического топлива

Несмотря на происходящие экономические изменения, стоимость 1 тонны условного топлива (тут) на угле в большинстве случаев является самой низкой по сравнению с мазутом и газом. Основная трудность использования угля состоит в высоком уровне выбросов от сжигания угля — газообразных и твёрдых (зола). В большинстве развитых стран, в прочем, и в России, действуют жёсткие требования по уровню выбросов, допустимых при сжигании угля. В странах ЕС используются жёсткие штрафные санкции к ТЭЦ, превышающим нормы (вплоть до 50 евро за каждый выработанный МВт*ч электроэнергии). Выходом из ситуации является использование различных фильтров (например, электрофильтров) в газоходах котлов, либо сжигание угля в виде водоугольных суспензий (Водоугольное топливо). В последнем случае из-за более низкой температуры горения угля существенно (до 70 %) снижаются выбросы оксидов NO_x (температурный NO_x). Зола, получаемая от сжигания угля, в ряде случаев может быть использована в строительной индустрии. Ещё в СССР были разработаны ГОСТы, предусматривающие добавку золы в шлакопортландцементы. Трудность использования золы заключается в том, что удаление золы происходит в большинстве случаев путём гидрозолоудаления, что затрудняет её погрузку для дальнейшей транспортировки и использования.

Удельная теплота сгорания угля в сравнении с другими веществами

Вещество	Удельная теплота сгорания, МДж/кг
Порох	2,9 — 5,0
Торф	8,1
Дрова (березовые, сосновые)	10,2
Уголь бурый	15,0
Метанол	22,7
Спирт этиловый	25,0
Уголь каменный	29,3
Условное топливо	29,31 (7000 ккал/кг)
Уголь древесный	31,0
Мазут	39,2
Нефть	41,0
Дизельное топливо	42,7
Керосин	43
Бензин	44,0
Этилен	48,0
Пропан	47,54
Метан	50,1
Водород	120,9

Влияние на экологию

См. также

	Ископаемый уголь на Викискладе?

• Гагат
• Богхед
• Угольный разрез
• Древесный уголь
• Пищевые добавки
• Водоугольное топливо
• Зольность
• Макромолекула угля

Примечания

1. ↑ Топливо и его характеристики
2. ↑ The Department of Energy’s USA
3. ↑ Запасы углей стран мира / Железнова Н. Г., Кузнецов Ю. Я., Матвеев А. К., Череповский В. Ф., М.: Недра, 1983. — С.128
4. ↑ BP Statistical review of world energy June 2007  (англ.). Проверено 2 апреля 2008.
5. ↑ BP Statistical review of world energy 2010  (англ.).
6. ↑ ДОБЫЧА ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ //ГосКомСтат России
7. ↑ Энерготехнологическая компания Сибтермо