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 6,67 кВт·чэнергии или, при КПД 30% — 2,0 КВ·ч электричества. В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, к1970 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 416 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.

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), мощность одного угольного пласта может достигать 500 м и более.

Виды угля

Антрацит

Антрацит — самый древний 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). 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 %. 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

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 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 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.

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, каменные угли, антрациты и графиты. В западных странах имеет место несколько иная классификация — лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.

Маркировка угля — установлена с целью рационального промышленного использования угля. Угли подразделяются на марки и технологические группы; в основу такого подразделения положены параметры, характеризующие поведение углей в процессе термического воздействия на них. Российская классификация отличается от западной.

Российская классификация

Марки угля Буквенное обозначение марок Выход летучих веществ Vг, % Cодержание углеродаСг, % Теплота сгорания Qгб, ккал/кг Отражательная способность в масляной иммерсии, %
Бурые Б 41 и более 76 и менее 6900-7500 0,30-0,49
Длиннопламенные Д 39 и более 76 7500-8000 0,50-0,64
Газовые Г 36 83 7900-8600 0,65-0,84
Жирные Ж 30 86 8300-8700 0,85-1,14
Коксовые К 20 88 8400-8700 1,15-1,74
Отощённо-спекающиеся ОС 15 89 8450-8780 1,75-2,04
Тощие Т 12 90 7300-8750 2,05-2,49
Антрациты А менее 8 91 и более 8100-8750 2,50-6,00

Кроме указанных в таблице, в некоторых бассейнах выделяются промежуточные марки:

  • газовые жирные (ГЖ)
  • коксовые жирные (КЖ)
  • коксовые вторые (К2)
  • слабоспекающиеся (СС)

Угли подразделяются на технологические группы по спекающей способности; для указания технологической группы к буквенному обозначению марки прибавляется цифра, указывающая низшее значение толщины пластического слоя в данных углях, например Г6, Г17, КЖ14 и т.п.

По размеру получаемых при добыче кусков каменный уголь классифицируется на П - (плита) более 100 мм К - (крупный) 50- 100 мм О - (орех) 25- 50 мм М - (мелкий) 13- 25 мм С - (семечка) 6- 13 мм Ш - (штыб) 0- 6 мм Р - (рядовой) шахтный 0- 200 мм , карьерный 0-300мм

Марки угля Д и Г могут гореть без поддува, эта их особенность позволяет использовать уголь в котельных. А уголь СС, Т или ОС может использоваться для получения электроэнергии. Марки Г и Ж, как правило, применяют в черной металлургии.

Другие классификации

Немецкая классификация на основании процентного содержания элементов.

Российский аналог Немецкое название Летучие вещества % С Углерод % Н Водород % О Кислород % S Сера % Теплота сгорания Qгб, КДж/кг
Бурые (лигниты) Braunkohle 45-65 60-75 6,0-5,8 34-17 0,5-3 < 28470
Длиннопламенные Flammkohle 40-45 75-82 6,05-5,8 >9,8 ~1 < 32870
Длиннопламенно-газовые Gasflammkohle 35-40 82-85 5,8-5,6 9,8-7,3 ~1 < 33910
Газовые Gaskohle 28-35 85-87,5 5,6-5,0 7,3-4,5 ~1 < 34960
Жирные Fettkohle 19-28 87,5-89,5 5,0-4,5 4,5-3,2 ~1 < 35380
Коксовые Esskohle 14-19 89,5-90,5 4,5-4,0 3,2-2,8 ~1 < 35380
Тощие Magerkohle 10-14 90,5-91,5 4,0-3,75 2,8-3,5 ~1 35380
Антрациты Anthrazit 7-12 >91,5 <3,75 <2,5 ~1 < 35300
Процентное содержание по весу

Доказанные запасы угля

Доказанные запасы угля на 2009 год в млн тонн
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
Австралийский Союз 38600 39900 78500 8,6
Южная Африка 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 100,0

Top Ten Hard Coal Producers (2010e)
PR China 3162Mt Russia 248Mt
USA 932Mt Indonesia 173Mt
India 538Mt Kazakhstan 105Mt
Australia 353Mt Poland 77Mt
South Africa 255Mt Colombia 74Mt

Top Coal Exporters (2010e)
Total of which Steam Coking
Australia 298Mt 143Mt 155Mt
Indonesia 162Mt 160Mt 2Mt
Russia 109Mt 95Mt 14Mt
USA 74Mt 23Mt 51Mt
South Africa 70Mt 68Mt 2Mt
Colombia 68Mt 67Mt 1Mt
Canada 31Mt 4Mt 27Mt
Top Coal Exporters (2010e)
Total of which Steam Coking
Japan 187Mt 129Mt 58Mt
PR China 177Mt 129Mt 48Mt
South Korea 119Mt 91Mt 28Mt
India 90Mt 60Mt 30Mt
Chinese Tapei 63Mt 58Mt 5Mt
Germany 46Mt 38Mt 8Mt
Turkey 27Mt 20Mt 7Mt