Уголь как элемент сырьевой экономики Российской Федерации

Необратимый процесс постепенного изменения  химического состава, физических и  технологических свойств органического  вещества на стадии превращения от бурых углей до антрацитов носит  название метаморфизма углей. Структурно-молекулярная перестройка органического вещества при метаморфизме сопровождается последовательным повышением в угле относительного содержания углерода, снижением содержания кислорода, выхода летучих веществ; изменяются содержание водорода, теплота сгорания, твердость, плотность, хрупкость, оптичность, электричность и др. физические свойства. Каменные угли на средних стадиях метаморфизма приобретают спекающие свойства – способность гелифицированных и липоидных компонентов органического вещества переходить при нагревании в определенных условиях в пластическое состояние и образовывать пористый монолит – кокс.

В зонах аэрации и активного  действия подземных вод вблизи поверхности  Земли угли подвергаются окислению. По своему воздействию на химический состав и физические свойства окисление имеет обратную направленность по сравнению с метаморфизмом : уголь утрачивает прочностные свойства и спекаемость ; в нем возрастает относительное содержание кислорода, снижается количество углерода, увеличивается влажность и зольность, резко снижается теплота сгорания. Глубина окисления ископаемых углей в зависимости от современного и древнего рельефа, положения зеркала грунтовых вод, характера климатических условий, вещественного состава и метаморфизма колеблется от 0 до 100 метров по вертикали.

Наибольшую теплоотдачу получают от антрацитов, меньшую от бурого угля. Каменные угли - выигрывают по соотношению цена - качество. Уголь марок Д, Г и антрациты чаще всего применяются в котельных, т.к. они могут гореть без поддува. Уголь марок СС, ОС, Т применяется для получения электрической энергии, т.к. он имеет большую теплоотдачу при сгорании, но сжигание данного вида углей связано с технологическими трудностями, которые оправданы лишь в случае необходимости большого количества угля. В черной металлургии используются обычно марки Г, Ж, для производства сталей и чугуна. Фракция данной марки угля определяется исходя из меньшего значения самой мелкой фракции и большего значения самой крупной фракции, указанной в названии марки угля. Так, например, фракция марки ДКОМ (К – 50-100, О – 25-50, М – 13-25) составляет 13-100 мм.

 

• Бурый уголь

Бурый уголь (см. рис.2) является в виде плотной, землистой, деревянистой или волокнистой углистой массы с бурой чертой, со значительным содержанием летучих битуминозных веществ. В нем часто хорошо сохранилась растительная древесная структура; излом раковистый, землистый или деревянный; цвет бурый или смоляно-черный; легко горит коптящим пламенем, выделяя неприятный своеобразный запах гари; при обработке едким калием дает темно-бурую жидкость. При сухой перегонке образует аммиак, свободный или связанный с уксусной кислотой. Удельный вес 0,5—1,5. Средний химический состав, за вычетом золы: 50—77% (в среднем 63%) углерода, 26—37% (в среднем 32%) кислорода, 3—5% водорода и 0—2% азота.

Рис.2 Бурый уголь

От каменного  угля бурый уголь, как показывает название, отличается цветом (то более светлым, то более темным); есть, правда, и черные разновидности, но они в порошке в таком случае все-таки являются бурыми, между тем как антрацит и каменный уголь всегда дают черную черту на фарфоровой пластинке. Существенное отличие от каменного угля заключается в менее высоком содержании углерода и значительно большем содержании битуминозных летучих веществ. Этим и объясняется, почему бурый уголь легче горит, дает больше дыма, запах, а также и вышеупомянутую реакцию с едким калием. Содержание азота также значительно уступает каменным углям.

Рис.3 Каменный уголь

• Каменный уголь

Уголь каменный (см. рис. 3), является сырьем для получения нафталина. Уголь и кокс применяется, как восстановитель в металлургии при выплавке железа. В зависимости от сорта, каменный уголь на 75% - 97% состоит из углерода, воды и летучих соединений. Уголь каменный является основой почти всех углеводородов. По строению уголь каменный, является мелко измельченным графитом.

Характеристики  угля каменного различны и зависят  от места добычи. Для выбора подходящей марки и вида угля необходимо ознакомиться с характеристиками. 

Основными характеристиками, которые определяют качество угля каменного, являются: влажность, теплота сгорания, содержание серы, зольность и выход летучих  веществ. 

Сорт  угля определяется размером куска и  марки. Известно более 14 технологических  марок угля.

Каменный  уголь - осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Большинство залежей каменного угля было образовано в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, примерно 300-350 миллионов лет тому назад. 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, входящие в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами. 

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) каменного  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.

Каменный  уголь исторически использовался человеком, для получения энергии и тепла, при его сгорании. Принцип превращения растительных останков в каменных уголь основан на том, что за за многие миллионы лет, в условиях повышенного давления и отсутствия кислорода, торф не перегнивал и а соответственно и не возвращал в атмосферу полученный ранее углерод. В результате этого длительного процесса и образовывался каменный уголь, в состав которого, помимо углерода (75-97%) так же входит водород (1,5-5,7%), кислород (5-15%), сера (0,5-4%), азот (<1,5%) и незначительная часть летучих веществ. Нагревая каменный уголь до пиковых температур, из него получают так называемый кокс, используемый для производства чугуна, а сгораемые при сухой перегонке летучие вещества, образуют каменноугольные смолы, составляющие основу некоторых типов промышленных масел.

• Антрацит

Рис.4. Антрацит

  Отличается от каменного повышенным содержанием углерода. Если в буром угле содержится 65—70 % углерода, то в антраците его содержание составляет 92 – 98%. Уголь антрацит (см. рис. 4) является хорошим топливом и обладает повышенной теплоотдачей. Антрацит сложно разжигается, однако в процессе горения выделяет большое количество энергии (7-8,5 кКал/ед) и практически не спекается. В доменных печах и для котельных используют именно уголь антрацит.

Если  в промышленных масштабах используется уголь антрацит, то в частных домах, для обогрева помещения применяют печной уголь, как правило, марок ДПК, ДКО и их аналогов. Сгорает в печи, такой уголь быстрее, однако, по сравнению с антрацитом у него есть основное преимущество – этот уголь намного проще разжечь, да и стоит такой уголь дешевле. Цена печного угля почти вдвое ниже, чем цена антрацита. Уголь ДПК длиннопламенный «кулак» (где К – обозначение размера или фракции угля) по весу легче антрацита и внешне отличается своим матовым черным цветом, т.е. в отличие от антрацита, печной уголь не имеет стеклянного блеска.

Антрацит - это уголь черного цвета, от древесного угля внешне отличается стеклянным блеском и повышенной твёрдостью. Являясь прекрасным топливом, антрацит используется в котельных, где сгорая в специальных печах, выделяет энергию, используемую для обогрева. Антрацит – уголь природного происхождения, добываемый шахтенным методом из тектонических угольных пластов. В процессе образования уголь антрацит проходит несколько стадий. Сначала древесина отмирая, попадает в почву, которая превращается в торф, затем торф под воздействием природных сил постепенно спрессовывается и, затвердевая, становится бурым углём. Из бурого, уголь превращается в каменный и уже затем становится антрацитом. Подобный цикл превращения древесины в антрацит занимает около 40 млн. лет.

2.4Применение угля 
Уголь в основном применяется в качестве топлива (см. рис.5). До недавнего времени значительная сто часть сжигалась для обогрева домов. Сегодня уголь используется преимущественно для получения электроэнергии или в производственных процессах. Однако до начала широкомасштабной добычи природного газа многие страны получали газ из угля. Этот метод по-прежнему применяется в странах, не имеющих газовых месторождений. 
Получение каменноугольного газа связано с производством кокса — бездымного топлива, необходимого для плавления железной руды. Кокс получают, нагревая уголь в герметичных печах, где он не горит ввиду отсутствия кислорода. Но при этом под действием тепла вытесняются аммиак, каменноугольная смола, газ. и лёгкие масла, и остаётся лишь твёрдое вещество. Это и есть кокс. 
 
Рис.5 Применение угля в качестве топлива 
 
Уголь служит сырьём для различных изделий. Аммиак, каменноугольная смола и лёгкие масла, получаемые при производстве кокса, используются для изготовления красок, антисептиков, медикаментов, моющих средств, духов, удобрений, гербицидов, ядохимикатов и бытовой химии. Из угля можно получать даже заменитель сахара — сахарин.

Направление использования различных технологических  марок, групп и подгрупп приведено в таблице. 1.

На уголь приходится около 35% мирового потребления энергоресурсов. В 2007 г. в России около 28% добытых углей использовалось в энергетических целях, 22,8 — для производства кокса, 25,6 — в других отраслях промышленности, 23,8% — для бытовых нужд.

Бурый уголь — не только энергетическое топливо, но и ценное сырье для технологической переработки. Буроугольный кокс используется для замены мсталлургического кокса при получении ферросплавов, фосфора, карбида кальция. Большое значение имеют полученные на базе бурых углей гранулированные адсорбенты, полукокс. Разработаны процессы гидрогенизации бурых углей, новые методы их газификации и производства химических продуктов. Бурые угли технологической группы 1Б — сырье для получения горного воска, используемого в бумажной, текстильной, кожевенной, деревообрабатывающей промышленности, дорожном строительстве.

Таблица 1.

Направление использования углей различных  технологических марок, групп и подгрупп

Направление использования	Марки, группы и подгруппы
1. Технологическое
1.1. Слоевое коксование	Все группы и  подгруппы марок: ДГ, Г, ГЖО, ГЖ, Ж, КЖ, К, КО, КСН, КС, ОС, ТС, СС
1.2. Специальные  процессы подготовки к коксованию	Все угли, используемые для слоевого коксования, а также  марки Т и Д (подгруппа ДВ)
1.3. Производство  генераторного газа в газогенераторах  стационарного типа:
смешанного газа	Марки КС, СС, группы: ЗБ, 1ГЖО, подгруппы — ДГФ, ТСВ, 1ТВ
водяного газа	Группа 2Т, а также  антрациты
1.4. Производство  синтетического жидкого топлива	Марка ГЖ, группы: 1Б, 2Г, подгруппы — 2БВ, ЗБВ, ДВ, ДГВ, 1ГВ
1.5. Полукоксование	Марка ДГ, группы: 1Б,1Г,подгруппы — 2БВ, ЗБВ, ДВ
1.6. Производство  углеродистого наполнителя (термоантрацита) для электродных изделий и литейного кокса	Группы 2Л, ЗА, подгруппы — 2ТФ и 1АФ
1.7. Производство  карбида кальция, электрокорунда	Все антрациты, а также подгруппа 2ТФ
2. Энергетическое
2.1. Пылевидное  и слоевое сжигание в стационарных  котельных установках	Все бурые угли и атрациты.а также неиспользуемые для коксования каменные угли. Для факельно-слоевого сжигания антрациты не используются
2.2. Сжигание  в отражательных печах	Марка ДГ, i руппы — 1Г, 1СС, 2СС
2.3. Сжигание в подвижных теплоустановках и использование для коммунальных и бытовых нужд	Марки Д, ДГ, Г, СС, Т, А, бурые yгли, антрациты и неиспользуемые для коксования каменные угли
3. Производство строительных материалов
3.1. Известь	Марки Д, ДГ, СС, А, группы 2Б и ЗБ; неиспользуемые для коксования марки ГЖ, К и группы 2Г, 2Ж
3.2. Цемент	Марки Б, ДГ, СС, ТС, Т, Л, подгруппа ДВ и неиспользуемые для коксования марки КС, КСН, группы 27, 1ГЖО
3.3. Кирпич	Неиспользуемые  для коксования угли
4. Прочие производства
4.1. Углеродные  адсорбенты	Подгруппы: ДВ, 1ГВ, 1ГЖОВ, 2ГЖОВ
4.2. Активные  угли	Группа ЗСС, подгруппа 2ТФ
4.3. Агломерация  руд	Подгруппы: 2ТФ, 1АВ, 1АФ, 2АВ, ЗАВ

 

Полукоксы бурых углей применяются  как наполнители пластмасс, различных  композиционных материалов, в качестве сорбентов, ионнообменников, катализаторов. Из углей технологических групп 2Б и ЗБ получают термоуголь.

Более 80% каменноугольного кокса идет для выплавки чугуна. Другие продукты коксования, газ, смола используются в химической промышленности (35%), цветной металлургии (30%), сельском хозяйстве (23%), строительной индустрии, железнодорожном транспорте, дорожном строительстве (12%). Из продуктов коксования получают около 190 наименований химических веществ. Около 90% изготавливаемого волокна, 60 — пластмасс, 30 — синтетического каучука производится на основе соединений, получаемых при переработке каменного угля. Коксохимическая промышленность — основной поставщик бензола, толуола, ксилола, высококипящих ароматических, циклических, азот- и серосодержащих соединений, фенолов, непредельных соединений, нафталина, антрацена.

Каменноугольный пек применяется  для получения пекового кокса, который  используется как составная часть  электродов в алюминиевой промышленности, а также в производстве углеродных волокон, технического углерода.

Высокая электропроводность, сравнительная  устойчивость к процессам окисления, повышенная устойчивость к воздействию агрессивных сред и истиранию определяют широкий диапазон использования антрацита в различных отраслях. Он является высокосортным топливом, а также исходным сырьем для получения термоантрацита, термографита, карбонизаторов, карбюризаторов, карбидов кальция и кремния, электродов для металлургической промышленности, углеродных адсорбентов, коллоидно-графитовых препаратов.

Список использованных источников:

1. Регулирование природопользования. http://coroma.ru/stati/stati08.htm
2. Угольная промышленность. http://minenergo.gov.ru/activity/coalindustry/structure_of_the_coal_industry
3. Библиотека либреро. http://www.librero.ru/article/myth/ogn/calx/
4. Уголь в природе. http://www.fegi.ru/primorye/geology/coal/histor.htm
5. Промышленность/ Использование угля. http://www.id4.ru/idea/promyshlennost/ispolzovanie-uglya/
6. Области применения угля. http://coalmarket.com.ua/index/oblasti_primenenija_uglja/0-16