1. Химические свойства каменного угля
2. Классификация каменного угля
3. Образование каменного угля
4.Запасы каменного угля
Каменный уголь — это осадочная порода, представляющая собой глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений).
Химические свойства каменного угля
По химическому составу каменный уголь представляет собой смесь высокомолекулярных ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей. Таковые примеси при сжигании угля образуют 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.
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, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75 % до 95 %.
Каменный уголь, твёрдое горючее полезное ископаемое растительного происхождения; разновидность углей ископаемых с более высоким содержанием углерода и большей плотностью, чем у бурого угля. Представляет собой плотную породу чёрного, иногда серо-чёрного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью. Содержит 75—97% и более углерода; 1,5—5,7% водорода; 1,5—15% кислорода; 0,5—4% серы; до 1,5% азота; 45—2% летучих веществ; количество влаги колеблется от 4 до 14%; золы — обычно от 2—4% до 45%. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу каменный уголь, не менее 23,8 Мдж/кг (5700 ккал/кг).
Уголь - это остатки растений, погибших многие миллионы лет назад, гниение которых было прервано в результате прекращения доступа воздуха. Поэтому они не смогли отдать в атмосферу отобранный у нее углерод. Доступ воздуха прекращался особенно резко там, где болота и заболоченные леса опускались в результате тектонических подвижек и изменения климатических условий и покрывались сверху другими веществами. При этом растительные останки превращались под воздействием бактерий и грибов (углефицировались) в торф и дальше в бурый уголь, каменный уголь, антрацит и графит.
По составу основного компонента - органического вещества угли подразделяются на три генетические группы: гумолиты, сапропелиты, сапрогумолиты. Преобладают гумолиты, исходным материалом которых явились остатки высших наземных растений. Отложение их произошло преимущественно в болотах, занимавших низменное побережье морей, заливов, лагун, пресноводных бассейнов. Накапливающийся растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф, при этом значительное влияние оказывали обводнённость и химический состав водной среды. Содержание углерода в каменном угле колеблется от 75 до 90 процентов. Точный состав обуславливается месторасположением и условиями преобразования угля. Минеральные примеси находятся либо в тонкодисперсном состоянии в органической массе, либо в виде тончайших прослоек и линз, а также кристаллов и конреций. Источником минеральных примесей в ископаемых углях могут быть неорганические части растений - углеобразователей, минеральные новообразования, выпадающие из растворов вод, циркулирующих в торфяниках и т.д.
В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние - в антрациты. Необратимый 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.
Удельный вес каменного угля 1,2 - 1,5 г/см3,теплота сгорания 35000 кДж/кг. Каменный уголь считается пригодным для технологического использования если после сгорания зола составляет 30% или менее. Примитивная добыча ископаемых углей известна с древнейших времён ( , Греция). Существенную роль в качестве топлива уголь стал играть в Британии в 17 веке. Становление угольной промышленности связано с использованием углей, как кокса при выплавке чугуна. Начиная с 19 века крупный приобретатель угля - транспорт. Основные направления промышленного использования угля: производство электроэнергии, металлургического кокса, сжигание в энергетических целях, получение при химической переработке разнообразных (до 300 наименований) продуктов. Возрастает потребление углей для получения высокоуглеродистых углеграфитовых конструкционных материалов, горного воска, пластических масс, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, ароматических продуктов путём гидрогенизации, высоко азотистых кислот для удобрений. Получаемый из каменного угля кокс, необходим в больших количествах металлургической промышленности .
Получение кокса осуществляется на коксохимических заводах. Каменный уголь подвергается сухой перегонке (коксованию) путём нагревания в специальных коксовых печах без доступа воздуха до температуры С. При этом получается кокс - твердое пористое вещество. Кроме кокса при сухой перегонке каменного угля образуются также летучие продукты, при охлаждении которых до 25-75 С образуется каменноугольная смола, аммиачная вода и газообразные продукты. Каменноугольная смола подвергается фракционной перегонке, в результате чего получают несколько фракций:
легкое масло (температура кипения до 170 С) в нем содержится ароматические углеводороды (бензол, толуол, кислоты и др. вещества;
среднее масло (температура кипения 170-230 С). Это фенолы, нафталин;
тяжелое масло (температура кипения 230-270 С). Это нафталин и его гомологи
антраценовое масло - антрацен, фенатрен и др.
В состав газообразных продуктов (коксового газа) входят бензол, толуол, ксиолы, фенол, аммиак и другие вещества. Из коксового газа после очистки от аммиака, сероводорода и цианистых соединений извлекают сырой бензол, из которого выделяют отдельные углеводороды и ряд других ценных веществ.
Аморфный углерод в виде каменного угля, а также многие соединения углероды играют важнейшую роль в современной жизни как источники получения различных видов энергии. При сгорании угля выделяется тепло, которое используется для отопления, изготовления пищи и для многих производственных процессов. Большая же часть получаемого тепла превращается в другие виды энергии и затрачивается на совершение механической работы.
Каменный уголь - твердое горючее, полезное ископаемое растительного происхождения. Он представляет собой плотную породу черного, иногда темно-серого цвета с блестящей матовой поверхностью. Содержит 75-97% углерода, 1,5-5,7% водорода, 1,5-15% кислорода, 0,5-4% серы , до 1,5% азота, 2-45% летучих веществ, количество влаги колеблется от 4 до 14%. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу каменного угля не менее 238МДж/кг.
Каменный уголь образуется из продуктов разложения органических веществ высших растений, претерпевших изменения в условиях давления различных пород земной коры и под воздействием температуры. С возрастанием степени метаморфизма в горючей массе каменный уголь увеличивает содержание углерода и одновременно уменьшает количество кислорода, водорода, летучих веществ. Изменяется также теплота сгорания угля.
Характерные физические свойства каменного угля:
плотность (г/см3) - 1,28-1,53;
механическая прочность (кг/см2) - 40-300;
удельная теплоемкость С (Ккал/г град) - 026-032;
коэффициент преломления света - 1,82-2,04.
Наиболее крупные по объему добычи месторождения каменного угля в мире это Тунгусский, Кузнецкий, Печорский бассейны - в Российской Федерации; Карагандинский - в Казахстане; Аппалачский и Пенсильванский бассейны - в США; Рурский - в Республики Германии; Большой Хуанхэ - в Китае; Южно-Уельский - в Англии ; Валансьен - во Франции и др.
Применение каменного угля многообразно. Он используется как бытовое, энергетическое топливо, для металлургической и химической промышленности , а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Угольная, коксохимическая , отрасли тяжелой промышленности осуществляют переработку каменного угля методом коксования. Коксование- промышленный метод переработки угля путем нагревания до 950-1050 С без доступа воздуха. Основынми коксохимическими продуктами являются: коксовый газ, продукты переработки сырого бензола, каменноугольной смолы, аммиака.
Из коксового газа углеводороды извлекают промывкой в скрубберах жидкими поглотительными маслами. После отгонки от масла, разгонки из фракции, очистки и повторной ректификации получают чистые товарные продукты, как-то: бензол, толуол, ксилолы и др. Из непредельных соединений, содержащихся в сыром бензоле, получают кумароновые смолы, использующиеся для производства лаков, красок, линолеума и в резиновой промышленности. Перспективным сырьем является также циклопентадиен, который также получают из каменного угля. Каменный уголь - сырье для получения нафталина и других индивидуальных ароматических углеводородов. Важнейшими продуктами переработки являются пиридиновые основания и фенолы.
Путем переработки в общей сложности можно получить более 400 различных продуктов, стоимость которых, по сравнению,со стоимостью самого угля, возрастает в 20-25 раз, а побочные продукты, получаемые на коксохимических заводах, превосходят стоимость самого кокса.
Очень перспективным является сжигание (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1т черного золота расходуется 2-3т каменного угля. Из каменных углей получают искусственный графит. Используются они в качестве неорганического сырья. При переработке каменного угля из него в промышленных масштабах извлекают ванадий, германий, серу, галлий, молибден, свинец. Зола от сжигания углей, отходы добычи и переработки используются в производстве стройматериалов, керамики, огнеупорного сырья, глинозема, абразивов. С целью оптимального использования угля производится его обогащение (удаление минеральных примесей).
Каменный уголь содержит до 97% углерода, можно сказать, лежит в основе всех углеводородов, т.е. в их основе лежат атомы углерода. Часто приходится встречаться с аморфным углеродом в виде угля. По строению аморфный углерод - это тот же графит, но в состоянии тончайшего измельчения. Практическое применение аморфных форм углерода разнообразно. Кокс и уголь - как восстановитель в металлургии при выплавке железа.
Классификация каменного угля
Каменный уголь образуются из продуктов разложения органических остатков высших растений, претерпевших изменения (метаморфизм) в условиях давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры. С возрастанием степени метаморфизма в горючей массе каменный уголь последовательно увеличивается содержание углерода и одновременно уменьшается количество кислорода, водорода, летучих веществ; изменяются также теплота сгорания, способность спекаться а др. свойства. На изменении этих качеств, определяемых по результатам термического разложения угля (выход летучих веществ, характеристика нелетучего остатка), строится принятая в СССР промышленная классификация
Каменный уголь по маркам:
длиннопламенные (Д),
газовые (Г),
газовые жирные (ГЖ),
жирные (Ж),
коксовые жирные (КЖ),
коксовые (К),
отощенные спекающиеся (ОС),
тощие (Т),
слабоспекающиеся (СС),
полуантрациты (ПА)
антрациты (А).
Иногда антрациты выделяются в отдельную группу. Для коксования используются в основном каменный уголь марок Г, Ж, К и ОС, частично Д и Т. По мере перехода каменный уголь от марки Д к маркам Т—А происходит уменьшение влаги в рабочем топливе от 14% у каменный уголь марки Д до 4,5—5,0% у марок Т—А; уменьшение содержания (в горючей массе) кислорода от 15% до 1,5%; водорода — от 5,7% до 1,5%; содержание серы , азота и золы не зависит от принадлежности к той или иной марке. Теплота сгорания горючей массы каменный уголь последовательно возрастает от 32,4 Мдж/кг (7750 ккал/кг) у марки Д до 36,2—36,6 Мдж/кг (8650—8750 ккал/кг) у марки К и снижается до 35,4—33,5 Мдж/кг (8450—8000 ккал/кг) у марок ПА и А.
По размеру получаемых при добыче кусков каменный уголь классифицируется на:
плитный (П) — более 100 мм,
крупный (К) — 50—100 мм,
орех (О) — 26—50 мм,
мелкий (М) — 13—25 мм,
семечко (С) — 6—13 мм,
штыб (Ш) — менее 6 мм,
рядовой (Р) — не ограниченный размерами.
Принадлежность к марке и крупность кусков каменный уголь обозначаются буквенными сочетаниями — ДК и пр.
Примерно на таких же принципах, как в СССР, построены классификации каменный уголь в ряде стран Западной Европы. В США наиболее распространена классификация каменный уголь, основанная на выходе летучих веществ и теплоте сгорания, по которой они делятся на суббитуминозные с большим выходом летучих веществ (отвечает сов. маркам Д и Г), битуминозные со средним выходом летучих веществ (соответствует маркам ПЖ и К), битуминозные с малым выходом летучих веществ (ОС и Т) и антрацитовые угли, разделяемые на семиантрациты (частично Т и А), собственно антрациты и метаантрациты (А). Кроме того, существует международная классификация каменный уголь, основанная на содержании летучих веществ, спекаемости, коксуемости и отображающая технологических свойства углей.
Образование каменного угля
Образованиекаменного угля характерно для всех геологических систем начиная от силура и девона, очень широко каменный уголь распространены в отложениях каменноугольной, пермской и юрской систем. Залегают каменный уголь в виде пластов различной мощности (от долей м и до нескольких десятков и более м). Глубина залегания углей различна — от выхода на поверхность до 2000—2500 м и глубже. При современном уровне горной техники добыча rаменного угля может производиться открытым способом до глубины 350 м.
Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода, 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 350 миллионов лет.
Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создается в болотах, где стоячая вода, обеденная кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определенной стадии процесса выделяемые в ходе его кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф — исходный товар 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 толщи осадков мощностью 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.
Способ добычи угля зависит от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при все 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 России 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.
Запасы каменного угля
Общегеологические запасы каменного угля, в СССР около 4700 млрд. т (по подсчётам 1968), в том числе по маркам (в млрд. т): Д — 1719; Д—Г — 331; Г — 475; ГЖ — 69,4; Ж — 156; КЖ — 21,5; К — 105; ОС — 88,2; СС — 634; Т — 205; Т—А — 540; ПА, А — 139.
Наибольшие запасы каменного угля в СССР находятся в Тунгусском бассейне. Самыми крупными разрабатываемыми бассейнами каменного угля в СССР являются Донецкий, Кузнецкий, Печорский, Карагандинский; в США — Аппалачский и Пенсильванский, в Польше — Верхнесилезский и его продолжение в Чехословакии — Остравско-Карвинский, в ФРГ — Рурский, в Китае — Большой Хуанхэбасс, в Англии — Южно-Уэльсский, во Франции — Валансьеннский и в Бельгии — Брабантский. Применение каменного угля многообразно.
Он используется как бытовое, энергетическое топливо, сырьё для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов.
Два десятилетия подряд уголь находился в тени нефтяного бума. Горы не находившего сбыт угля росли в небо. Закрывались многочисленные шахты, сотни тысяч горняков теряли свое . Район Аппалачей США, когда-то цветущий угольный бассейн, превратился в один из наиболее мрачных районов бедствий. Беспорядочный, проходящий под нажимом монополистов переход на дешевую, импортированную - в основном с Ближнего Востока - нефть обрек уголь на роль “золушки”, лишенной будущего. Однако это не произошло в ряде стран , в том числе и в бывшем СССР, которые учитывали преимущества энергоструктуры, опирающейся на национальные ресурсы.
Угольные запасы рассредоточены по всему миру. Большинство промышленных стран ими не обделено. Землю опоясывают две богатые угольные зоны. Одна простирается через страны бывшего СССР, через Китай, Северную Америку до Центральной Европы. Другая, более узкая и менее богатая, идет от Южной Бразилии через Южную Африку в Восточную Австралию.
Наиболее значительные залежи каменного угля находятся в странах бывшего СССР, США и Китае . Каменный уголь доминирует на западе Европы. Главные каменноугольные бассейны в Евразии: Южный Уэльс, Валансьен-Льеж, Саарско-Лотаргинский, Рурский, Астурийский, Кизеловский, Донецкий, Таймырский, Тунгусский, Южно-Якутский, Фуньшуньский; в Африке: Джерада, Абадла, Энугу, Уанки, Витбанк; в Австралии: Большая Синклиналь, Новый Южный Уэльс; в Северной Америке: Грин-Ривер, Юннта, Сан-Хуан-Ривер, Западный, Иллинойский, Аппалачский, Сабинас, Техасский, Пенсильванский; в пылающему континенту: Караре, Хунин, Санта-Катарина, Консепсьон. На Украине следует отметить Львовско-Волынский бассейн и богатый месторождениями Донбасс.
Источники
bse.sci-lib.com/ Большая Советская энциклопедия
ru.wikipedia.org Википедия - свободная энциклопедия
www.bankreferatov.ru рефератов
dic.academic.ru Словари и энциклопедии на Академике
geography.kz География
www.bibliotekar.ru Библиотекар
poddoni.com/ ПаллетЭк
Энциклопедия инвестора . 2013 .
Синонимы :Город призрак без угля. Таковым стал японский Хасима. В 1930-е его признали самым густонаселенным. На крошечном клочке земли уместились 5 000 человек. Все они работали на угольном производстве.
Остров оказался буквально сложенным из каменного источника энергии. Однако, к 1970-ым запасы угля истощились.
Уехали все. Остался лишь перерытый остров и постройки на нем. Туристы и японцы зовут Хасиму призраком. Остров наглядно показывает важность каменного угля, невозможность человечества жить без него. Альтернативы нет.
Есть только попытки ее найти. Поэтому, уделим внимание современному герою, а не туманным перспективам.
Описание и свойства
Каменный уголь – это горная порода органического происхождения. Это значит, что камень образован из разложившихся остатков растений, животных. Чтобы они сформировали плотную толщу, требуется постоянное накопление и спрессовывание.
Подходящие условия на дне водоемов. Там, где есть месторождения каменного угля , когда-то были моря, озера. Отмершие организмы опускались на дно, придавливались толщей воды. Так образовывался . Каменный уголь – последствие его дальнейшего сжатия под давлением уже не только воды, но и новых слоев органики.
Основные запасы каменного угля относятся к эре Палеозоя. С ее окончания минуло 280 000 000 лет. Это эра гигантских растений и динозавров, обилия жизни на планете. Не удивительно, что именно тогда органические отложения накапливались особенно активно.
Чаще всего, уголь образовывался в болотах. В их водах мало кислорода, что препятствует полному разложению органики.
Внешне залежи каменного угля напоминают обгоревшую древесину. По химическому составу порода является смесью углеродных ароматических соединений высокомолекулярного типа и летучих веществ с водой.
Минеральные примеси незначительны. Соотношение компонентов не стабильно. В зависимости от преобладания тех, или иных элементов, выделяют виды каменного угля . К основным относится и антрацитовый.
Бурая разновидность угля насыщенна водой, а посему, отличается низкой теплотой сгорания. Получается, в качестве топлива порода не годиться, как каменная. И бурый уголь нашел иное применение. Какое?
Этому будет уделено отдельное внимание. Пока же, разберемся, почему водонасыщенную породу зовут бурой. Причина в цвете.
Уголь коричневатый, без блеска, рыхлый. С геологической точки зрения массу можно назвать молодой. То есть, в ней не завершены процессы «брожения». Поэтому, у камня низкая плотность, при сгорании образуется много летучих веществ.
Ископаемый каменный уголь антрацитового типа – полностью сформировался. Он плотнее, тверже, чернее, блестит. Чтобы бурая порода стала такой, требуются 40 000 000 лет. В антраците велика доля углерода – около 98%.
Естественно, что теплоотдача у черного угля на высоте, а значит, камень можно использовать в качестве топлива.
Образования каменного угля чаще всего находятся в болоте
Бурый вид в этой роли используют лишь для обогрева частных домов. Им не нужны рекордные показатели энергии.
Нужна лишь простота обращения с топливом, а антрацит в этом плане проблематичен. Разжечь черный каменный уголь непросто. Производственники, железнодорожники, приноровились. Трудозатраты стоят того, ведь не только энергоемок, но и не спекается.
Каменный уголь – топливо , от сгорания которого остается зола. Из чего она, если органика переходит в энергию? Помните заметку о минеральной примеси? Именно неорганическая составляющая камня и остается на дне печей.
Немало золы осталось и на китайском месторождении в провинции Люхуангоу. Залежи антрацита там горели без малого 130 лет. Пожар потушили лишь в 2004-ом году. Каждый год сгорали 2 000 000 тонн породы.
Вот и посчитайте, сколько каменного угля пропало даром. Сырье могло пригодиться не только в качестве топлива.
Применение каменного угля
Уголь называют солнечной энергией, заключенной в камень. Энергию можно преобразовывать. Она не обязательно должна быть тепловой.
Энергию, получаемую при сгорании породы, переводят, к примеру, в электричество. Температура сгорания каменного угля бурого типа чуть не доходит до 2 000 градусов. Дабы получить электричество из антрацита, потребуется уже около 3 000 по шкале Цельсия.
Каменный уголь применяют в качестве топлива
Если же говорить о топливной роли угля, он используется не только в чистом виде.
В лабораториях из органической породы научились получать жидкое и газообразное топливо, а на металлургических заводах уже давно пользуются коксом.
Он получается при нагреве каменного угля до 1 100 градусов без доступа кислорода. Кокс – бездымное топливо. Важна для металлургов и возможность применения брикетов в роли восстановителей железной руды. Так, кокс пригождается при отливке .
Кокс применяют и в качестве разрыхлителя шихты. Так именуют смесь исходных элементов будущего сплава. Будучи разрыхленной коксом, шихта легче переплавляется. Кстати, некоторые компоненты для сплавов тоже получают из антрацита.
В качестве примесей в нем могут содержаться и галлий – металлы редкие и мало где еще встречающиеся.
Купить уголь стремятся, так же, для производства композиционных материалов углеграфитового толка. Композитами называют массы из нескольких составляющих, с четкой границей между ними.
Искусственно созданные материалы применяют, к примеру, в авиации. Здесь композиты увеличивают прочность деталей.
Карбоновые массы выдерживают, как очень высокие, так и низкие температуры, используются в стойках опоры контактных сетей.
А вообще, композиты прочно вошли уже во все сферы жизни. Железнодорожники устилают ими новые платформы.
Из наномодифицированного сырья делают опоры строительных конструкций. В медицине с помощью композитов предлагают заполнять сколы на костях и прочие повреждения, не подлежащие металлическому протезированию. Вот какой каменный уголь многоликий и многофункциональный.
Химики разработали метод получения из угля пластмасс. При этом, не пропадают отходы. Низкосортная фракция прессуется в брикеты.
Они служат топливом, которое подходит, как для частных домов, так и производственных цехов. В топливных брикетах остается минимум углеводородов. Они, собственно, и есть самок ценное в угле.
Из него можно получить чистые бензол, толуол, ксилолы, куморановые смолы. Последние, к примеру, служат основой для лакокрасочной продукции и такого материала внутренней отделки помещений, как линолеум.
Часть углеводородов ароматические. Людям знаком запах нафталина. Но, немногие знают, что производят его из каменного угля.
В хирургии нафталин служит антисептиком. В домашнем хозяйстве вещество борется с молью. Кроме того, нафталин способен защитить от укусов ряда насекомых. Среди них: мухи, оводы, слепни.
В общей сложности, уголь каменный в мешках закупают для производства более чем 400-от видов продукции.
Многие из них – побочные товары, получаемые на коксохимическом производстве. Интересно, что стоимость дополнительных линий, как правило, больше, чем у кокса.
Если же рассматривать среднюю разницу между каменным углем и товарами из него, она составляет 20-25 раз.
То есть, производство весьма выгодное, быстро окупается. Поэтому, неудивительно, что ученые ищут все новые и новые технологии переработки осадочной породы. На растущий спрос должно быть предложение. Ознакомимся с ним.
Добыча каменного угля
Месторождения угля называют бассейнами. В мире их свыше 3 500. Общая площадь бассейнов – около 15% от суши. Больше всего угля в США.
Там сосредоточенны 23% от мировых запасов. Каменный уголь в России – это 13% общих запасов. Бронза у Китая. В его недрах сокрыто 11% породы.
Большинство из них – антрациты. В России соотношение бурого угля к черному примерно одинаково. В США преобладает бурый вид породы, что снижает значение залежей. Не смотря на обилие бурого угля, месторождения США поражают не только объемами, но и масштабами.
Запасы одного только Аппалачского каменноугольного бассейна составляют 1 600 миллиардов тонн. В самом крупном бассейне России, для сравнения, хранятся лишь 640 миллиардов тонн породы. Речь о Кузнецком месторождении.
Оно находится в Кемеровской области. Еще пара перспективных бассейнов обнаружены в Якутии и Тыве. В первом регионе залежи назвали Эльгинскими, а во втором – Элегетскими. Месторождения Якутии и Тывы относятся к закрытому типу. То есть, порода находиться не у поверхности, на глубине.
Нужно строить шахты, штольни, стволы. Это поднимает цену каменного угля . Но, масштабы залежей стоят затрат. Что же касается Кузнецкого бассейна, в нем работают по смешенной системе. Около 70% сырья извлекают с глубин гидравлическим способом.
30% угля добывают открыто, используя бульдозеры. Их достаточно, если порода залегает у поверхности, а прикрывающие слои рыхлые.
Открыто уголь добывают и в Китае. Большинство месторождений КНР находятся далеко за пределами городов. Однако, это не помешало одной из залежей доставить неудобства населению страны. Это произошло в 2010-ом.
Пекин резко увеличил запросы на уголь из Внутренней Монголии. Она считается провинцией КНР. В путь отправилось столько грузовиков с товаром, что 110-е шоссе встало почти на 10 дней. Пробка началась 14-го августа, а рассосалась лишь 25-го.
Правда, не обошлось и без проведения дорожных работ. Грузовики с углем усугубили ситуацию. 110-е шоссе относится к дорогам государственного значения. Так что, не только уголь в пути задержался, но и прочие контракты оказались под угрозой.
В интернете можно найти ролики, где водители, ехавшие в августе 2010-го по китайскому шоссе, сообщают, что 100-километровый отрезок преодолевали около 5-ти дней.
Каменный уголь - осадочная порода, которая образуется в земном пласте. Уголь - превосходное топливо. Считается, что это самый древний вид топлива, который использовали наши далекие предки.
Как образуется каменный уголь
Для образования угля необходимо огромное количество растительной массы. И лучше, если растения накапливаются в одном месте и не успевают разлагаться полностью. Идеальное место для этого - болота. Вода в них бедна кислородом, что препятствует жизнедеятельности бактерий.
В болотах накапливается растительная масса. Не успевая полностью сгнить, она спрессовывается следующими отложениями почвы. Так получается торф - исходный материал для угля. Следующие пласты почвы как бы запечатывают торф в земле. В результате он полностью лишается доступа кислорода и воды и превращается в угольный пласт. Процесс этот длительный. Так, большая часть современных запасов каменного угля образовались в эпоху палеозоя, т. е. более 300 млн. лет назад.
Характеристики и виды каменного угля
(Бурый уголь )
Химический состав угля зависит от его возраста.
Самый молодой вид - бурый уголь. Он залегает на глубине порядка 1 км. Воды в нем еще много - около 43%. Содержит большое количество летучих веществ. Хорошо воспламеняется и горит, но тепла дает мало.
Каменный уголь - этакий "середнячок" в этой классификации. Залегает он на глубинах до 3 км. Так как давление верхних пластов больше, то и содержание воды в каменном угле меньше - около 12%, летучих веществ - до 32%, зато углерода содержится от 75% до 95%. Он также легко воспламеняется, но горит лучше. А за счет малого количества влаги дает больше тепла.
Антрацит - более древняя порода. Залегает на глубинах порядка 5 км. В нем больше углерода и практически нет влаги. Антрацит - твердое топливо, плохо воспламеняется, зато удельная теплота сгорания самая высокая - до 7400 ккал/кг.
(Уголь антрацит )
Впрочем, антрацит - это не конечная стадия преобразования органического вещества. Попадая в более жесткие условия, уголь трансформируется в шунтит. При более высоких температурах получается графит. А испытывая сверхвысокое давление, уголь превращается в алмаз. Все эти вещества - от растения до алмаза - состоят из углерода, только молекулярная структура разная.
Помимо основных "ингредиентов" в состав угля часто входят различные "породы". Это примеси, которые не сгорают, а образуют шлак. Содержится в угле и сера, причем ее содержание обуславливается местом образования угля. При сгорании она взаимодействует с кислородом и образует серную кислоту. Чем меньше примеси в составе угля, тем выше ценится его сорт.
Месторождение каменного угля
Место залегания каменного угля называют угольным бассейном. В мире известно свыше 3,6 тысяч угольных бассейнов. Их площадь занимает около 15% территории земной суши. Самый большой процент залежей мирового запаса угля в США - 23%.На втором месте - Россия, 13%. Замыкает тройку стран-лидеров Китай - 11%. Самые крупные залежи угля в мире находятся в США. Это Аппалачский каменноугольный бассейн, чьи запасы превышают отметку в 1600 млрд. тонн.
В России самый большой угольной бассейн - Кузнецкий, что в Кемеровской области. Запасы Кузбасса составляют 640 млрд. тонн.
Перспективна разработка месторождений в Якутии (Эльгинское) и в Тыве (Элегестское).
Добыча каменного угля
В зависимости от глубины залегания угля применяют либо закрытый способ добычи, либо открытый.
Закрытый, или подземный метод добычи. Для этого метода строят шахтные стволы и штольни. Шахтные стволы строят, если глубина залегания угля 45 метров и выше. От нее ведут горизонтальный тоннель - штольню.
Существуют 2 системы закрытой добычи: камерно-столбовая и добыча длинными очистными забоями. Первая система менее экономична. Ее используют лишь в тех случаях, когда обнаруженные пласты мощные. Вторая система гораздо безопаснее и практичнее. Она позволяет извлекать до 80% породы и равномерно доставлять уголь на поверхность.
Открытый метод применяют, когда уголь залегает неглубоко. Для начала проводят анализ твердости почвы, выясняют степень выветриваемости почвы и слоистость покрывающего слоя. Если грунт над пластами угля мягкий, достаточно использования бульдозеров и скреперов. Если верхний пласт толстый, то пригоняют экскаваторы и драглайны. Пролегающий над углем мощный слой твердой породы взрывают.
Применение каменного угля
Область использования каменного угля просто огромна.
Из угля добывают серу, ванадий, германий, цинк, свинец.
Сам уголь - превосходное топливо.
Используется в металлургии для выплавки железа, при производстве чугуна, стали.
Полученную после сжигания угля золу используют в производстве строительных материалов.
Из угля после его специальной обработки получают бензол и ксилол, которые используют в производстве лаков, красок, растворителей, линолеума.
Путем сжижения угля получают первоклассное жидкое топливо.
Уголь - сырье для получения графита. А также нафталина и еще ряда ароматических соединений.
В результате химической обработки каменного угля на сегодняшний день получают свыше 400 видов промышленных продуктов.
Уголь в различных своих модификациях может иметь цвет от коричневого до черного. Он является хорошим топливом, поэтому его используют в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Образуется он в результате накопления растительной массы и прохождения в ней физико-химических процессов.
Различные модификации угля
Накопление древесной массы в болотистой почве приводит к образованию торфа, который является предшественником угля. Формула торфа достаточно сложная, кроме того, для этой разновидности угля не существует конкретного стехиометрического соотношения. Сухой торф состоит из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и серы.
- Бурый уголь или лигнит.
- Битум.
- Антрацит.
Конечным продуктом этой цепи преобразований является твердый графит или графитоподобный уголь, формула которого представляет собой чистый углерод C.
Древесина карбонового периода
Около 300 млн лет назад в карбоновый период большая часть суши нашей планеты была покрыта гигантскими папоротниковыми лесами. Постепенно эти леса вымирали, и древесина накапливалась в болотистых почвах, на которых они произрастали. Большое количество воды и грязи создавали препятствия для проникновения кислорода, поэтому мертвая древесина не разлагалась.
В течение длительного времени вновь отмершая древесина покрывала более старые слои, давление и температура которых постепенно увеличивались. Сопутствующие геологические процессы в конечном итоге привели к образованию залежей угля.
Процесс карбонизации
Термин "карбонизация" подразумевает метаморфические преобразования углерода, связанные с увеличением толщины древесных пластов, тектоническими движениями и процессами, а также с увеличением температуры в зависимости от глубины напластований.
Увеличение давления в первую очередь изменяет физические свойства угля, химическая формула которого остается неизменной. В частности, изменяется его плотность, твердость, оптическая анизотропия и пористость. Увеличение же температуры изменяет саму формулу угля в сторону увеличения содержания углерода и уменьшения кислорода и водорода. Эти химические процессы приводят к увеличению топливных характеристик угля.
Эта модификация угля очень богата углеродом, что приводит к высокому коэффициенту теплоотдачи и обуславливает ее использование в энергетической промышленности к качестве основного топлива.
Формула каменного угля состоит из битумных субстанций, дистилляция которых позволяет выделить из него ароматические гидрокарбонаты и вещество, известное под названием кокс, которое широко используется в процессах металлургии. Помимо битумных соединений, в каменном угле много серы. Этот элемент является главным источником загрязнения атмосферы при сжигании угля.
Каменный уголь имеет черный цвет и медленно горит, создавая пламя желтого цвета. В отличие от бурого угля, его теплота сгорания больше и составляет 30-36 МДж/кг.
Формула угля имеет сложный состав и содержит множество соединений углерода, кислорода и водорода, а также азота и серы. Такое разнообразие химических соединений стало началом развития целого направления в химической промышленности – карбохимии.
В настоящее время каменный уголь практически вытеснен природным газом и нефтью, однако два важных его направления использования продолжают существовать:
- основное горючее на тепловых электростанциях;
- источник кокса, получаемого путем бескислородного горения каменного угля в закрытых домнах.
Горные породы, образованные в толще земной коры, благодаря воздействию температуры, давления, движения земной коры и других физико-химических условий проходят стадии метаморфизма: торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит.
Уголь
В состав угля входят влага и минеральные примеси. Влага в угле понижает теплоту горения. Наиболее вредная примесь в угле – сера в разных соединениях (пирит, кальций, сульфат железа). При сжигании угля с сернистыми соединениями образуется диоксид серы (сернистый газ), вредно действующий на здоровье человека, вызывает коррозию металлов, отравляет атмосферу. Относительно малое содержание серы (1%-2%) в угле Донецкого бассейна. В центральном и северном угольных бассейнах содержание серы уже составляет 3,5% и более.
Химический состав угля:
- Углерод – 50% - 96%
- Водород – 3% - 6%
- Кислород – 25% - 37%
- Азот – 0 – 2,7%
Торф
Торф применяется сегодня во многих сферах жизни. Это и сельское хозяйство, животноводство, биохимия, медицина, энергетика. Торф не только улучшает структуру почвы, но и улучшает её водные и воздушные свойства. Торф содержит меньшее количество вредных примесей и серы. У торфа содержание углерода составляет 50% - 60%.
Бурый уголь
Бурый уголь плотная землистая масса, образованная из торфа, с хорошо сохранившейся древесной структурой. Легко горит коптящим пламенем, выделяя неприятный запах. Общие мировые запасы бурого угля составляют примерно 4,9 триллионов тонн. Основные запасы находятся в России, Германии, Польше, Чехии. Бурый уголь используют значительно меньше каменного. При сухой перегонке из бурого угля образуется аммиак, с уксусной кислотой. Также при сухой перегонке получается парафин, пуговицы, браслеты и некоторые другие мелочи. Наиболее молодой из ископаемых углей - бурый уголь. Состав бурого угля:
- 50% - 77% - углерод,
- 26% - 37% -кислород,
- 0 - 2% - азот,
- 3% – 5% - водород.
Современные технологии позволяют сегодня получать из бурого угля синтетический газ, являющийся альтернативой мазуту.
Каменный уголь
Каменный уголь - один из видов ископаемого топлива, переходное состояние от бурого угля до антрацита. Каменного угля разрабатывается больше, чем любого другого, примерно 2,5 миллиарда тонн в год, это примерно около 700 кг на каждого жителя нашей Земли. Каменный уголь используют для выработки электроэнергии на теплоэлектростанциях, как топливо в частных домах, на фабриках и многое другое. Каменный уголь горит светящимся пламенем и имеет более высокую теплоту горения, чем бурый.
В состав каменного угля входит влага от 3% до 12%, также содержится до 32% летучих воспламеняющихся веществ.
В химический состав каменного угля входит:
- углерод от 75% до 93% (в зависимости от сорта, месторасположения),
- водород от 4% до 6%,
- кислород от 3% до 19%
- азот до 2,7%
Антрацит
Антрацит характерен большой плотностью, блеском, имеет наибольшую теплоту горения, однако плохо возгорается. Применяют в частности для изготовления угольных электродов, электродной массы. Применяется как сырье в металлургии. Залегает антрацит в основном на глубинах 6 километров.
Имеет самое большое содержание углерода 95% - 97%, водорода – 1%- 3%.
Активированный уголь
Активированный уголь – это вещество с пористой структурой, получаемое из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения, к которым относятся древесный уголь, нефтяной, каменноугольный кокс, скорлупа кокоса, грецкого ореха, косточки маслин, абрикоса. Наилучшим активированным углем считается карболен, изготовленный из скорлупы кокоса, его можно многократно регенерировать.
В состав активированного угля входит 87%-97% углерода, содержит также водород, азот, кислород, не содержит примесей. Химический состав активированного угля схож с графитом, используемым в карандашах и алмазом.
Активированный уголь делится на классы:
- по типу сырья (древесина, кокос, каменный уголь и т.д.),
- по способу активации (паровая или термохимическая),
- по форме выпуска (порошок, гранулы, формованный, ткань, пропитанная активным углем)
- по назначению (осветляющие, газовые, рекуперационные, катализаторы).
Применение активированного угля
Активированный уголь широко применяется во многих сферах жизни, промышленности:
- очистка воды от ксенобиотиков, диоксинов,
- в пищевой промышленности (при производстве алкоголя, газированных напитков, дезодорация и осветление жиров и масел и др.)
- в нефтегазодобывающей, химической, перерабатывающей промышленности,
- в природоохранной деятельности (очистка промышленных стоков, ликвидация разливов нефти и нефтепродуктов, очистка дымовых газов и др.)
- в металлургической, горнодобывающей промышленности,
- в топливно-энергетической промышленности,
- в атомной промышленности,
- в медицине (очистка организма от токсинов),
- в фармацевтической промышленности (угольные таблетки, кровезаменители, антибиотики и др.),
- при производстве средств индивидуальной защиты (респираторы, противогазы),
- для очистки воды в бассейнах, аквариумах.
