Основные сведения об угле
Углеобразование – последовательное превращение отмерших растений в ископаемый уголь. Процесс углеобразования протекал с различной интенсивностью в отдельные геологические периоды истории Земли на крупных площадях и локальных участках всех континентов, где сложились благоприятные условия (кембрий – палеозой, мезозой, кембрий - 400 – 60 млн. лет). Влажный жаркий климат способствовал быстрому росту пышной растительности. Растительность накапливалась, заливалась древними морями и реками, заносилась илом, песком. В результате биохимических реакций без доступа аэробных бактерий (без доступа воздуха) растительная биомасса постепенно превращалась в ископаемый уголь – бурый, каменный, антрацит. В результате геологической деятельности – опускания и поднятия морского дна, происходивших по несколько раз – образовалось много отдельных пластов угля, разделенных слоями пустых пород.
УГЛИ ИСКОПАЕМЫЕ - твердые горючие полезные ископаемые; продукт преобразования растений. Основные компоненты: углефицированное органическое вещество, минеральные примеси и влага. Залегают обычно в виде пластов среди осадочных пород. Подразделяются на бурые, каменные угли и антрациты. Угли ископаемые используются в основном в энергетике, для получения металлургического кокса, в химической промышленности. Основные технологические характеристики: зольность, содержание влаги, серы, выход летучих веществ. Мировые запасы около 3700 млрд. т.
Кузбасс является главной базой России по твердому топливу.
Технический анализ углей
Все виды твердых горючих ископаемых объединяют в себе две составляющие: органическое вещество и минеральный компонент, которую прежде рассматривали как балласт, но теперь все чаще считают источником ценного минерального сырья, в частности редких и рассеянных элементов. Для оценки возможностей и режимов переработки горючих ископаемых применяют технический анализ, позволяющий определить направления использования их как энергетического и химического сырья. Под техническим анализом понимается определение показателей, предусмотренных техническими требованиями на качество угля.
В технический анализ обычно объединяются методы, предназначенные для определения в углях и горючих сланцах зольности, содержания влаги, серы и фосфора, выхода летучих веществ, теплоты сгорания, спекаемости и некоторых других характеристик качества и технологических свойств. Полный технический анализ проводится не всегда, часто бывает достаточно провести сокращенный технический анализ, состоящий в определении влажности, зольности и выхода летучих веществ.
Влажность
В связи с тем, что молекулы воды могут быть связаны с поверхностью угля силами разной природы (абсорбция на поверхности и в порах, гидратирование полярных групп макромолекул, вхождение в состав кристаллогидратов минеральной части) при разных способах выделения влаги из угля получаются различные величины его обезвоженной массы и, соответственно, разные значения влажности.
Масса угля с содержанием влаги, с которым он отгружается потребителю, называется рабочей массой угля, а влага, которая выделяется из нее при высушивании пробы до постоянной массы при 105oC, называется общей влагой рабочей массы угля.
Содержание влаги в горючем ископаемом характеризуется его влажностью. Эта величина выражается отношением массы выделившейся при температуре обезвоживания влаги к массе анализируемого образца. Влажность обозначается буквой W (Wasser).
Влага угля снижает полезную массу при перевозках, на ее испарение тратится большое количество тепла при сжигании топлива, кроме того, зимой влажный уголь смерзается.
Общее содержание влаги меняется в зависимости от степени углефикации ископаемого в следующем ряду.
Торф > Бурые угли > Антрациты > Каменные угли.
Зольность
В ископаемых углях содержится значительное количество (2-50 %) минеральных веществ, образующих после сжигания золу. Зольный остаток образуется после прокаливания угля в открытом тигле в муфельной печи при температуре 850±25oС. Зола на 95-97% состоит из оксидов Al, Fe, Ca, Mg, Na, Si, K. Остальное - соединения P, Mn, Ba, Ti, Sb и редких и рассеянных элементов.
Зольность обозначатся буквой Аd (Asche) и выражается в мас.%. Суммарное содержание влаги и золы называют балластом. Содержание собственно минеральных веществ обозначается буквой М. Оно определяется с помощью физических и физико-химических методов (например, микроскопический, рентгеноскопический, радиоизотопный).
Летучие вещества
Летучие вещества - паро- и газообразные продукты, выделяющиеся при разложении органического вещества твердого горючего ископаемого при нагревании в стандартных условиях. Выход летучих веществ обозначается символом V (volativ), выход на аналитическую пробу Va, на сухое вещество Vd, сухое и беззольное Vdaf. Эта характеристика важна для оценки термической устойчивости структур, составляющих органическую массу угля. Выход летучих веществ при прокаливании послужил основой для одной из классификаций углей по маркам.
| Марка | Обозначение Марки Группы | Выход летучих веществ Vdaf,% | Толщина пластического слоя Y,% | |
| Длиннопламенный | Д | более 37 | ||
| Газовый | Г | Г6 Г7 | более 37 | 17 - 25 |
| Газовый жирный | ГЖ | - | более 31 -37 | 17 - 25 |
| Жирный | Ж | 1Ж26 2Ж26 | более 33 | 26 и более |
| Коксовый жирный | КЖ | КЖ14 КЖ6 | 25 - 31 | 6 - 25 |
| Коксовый | К | К13 К10 | 17 - 25 | 13 - 25 |
| Коксовый второй | К2 | - | 17 - 25 | 6 - 9 |
| Отощённый спекающийся | ОС | - | менее 17 | 6 - 9 |
| Слабоспекающийся | СС | 1CC 2CC | 25 - 35 | |
| Тощий | Т | - | менее 17 | |
| Антрацит | А | - | менее 10 |
Теплота сгорания
Теплота сгорания - это основной энергетический показатель угля. Она определяется экспериментально путем сжигания навески угля в калориметрической бомбе или расчетным путем по данным элементного анализа.
Различают высшую теплоту сгорания угля Qs как количество теплоты, выделившееся при полном сгорании единицы массы угля в калориметрической бомбе в среде кислорода и низшую удельную теплоту сгорания Qi как высшую теплоту сгорания за вычетом теплоты испарения воды, выделившейся и образованной из угля во время сгорания. Высшая теплота сгорания часто определяется на беззольное состояние угля Q s af, а низшая на рабочее состояние Qir. Д.И. Менделеевым была предложена формула для расчета высшей теплоты сгорания по данным элементного анализа (кКал/кг):
Qsaf=81°С+300Н-26(О-S), где С, Н, О, S - массовая доля элементов в веществе ТГИ, %.
Высшая теплота сгорания основных твердых топлив:
| Торф | 5500-5700 кКал/кг | 23-24 МДж/кг |
| Бурый уголь | 6100-7700 кКал/кг | 26-32 МДж/кг |
| Каменный уголь | 7700-8800 кКал/кг | 32-37 МДж/кг |
| Антрацит | 8000-8500 кКал/кг | 34-36 МДж/кг |
Спекаемость
Одним из наиболее важных, если не важнейшим, направлением использования каменного угля является его переработка в металлургический кокс - твердый продукт высокотемпературного (>900C) разложения каменного угля без доступа воздуха, обладающий определенными свойствами. Далеко не все угли способны спекаться, т.е. переходить при нагревании без доступа воздуха в пластическое состояние с последующим образованием связанного нелетучего остатка. Если этот спекшийся остаток отвечает требованиям, предъявляемым к металлургическому коксу, то говорят о коксуемости угля. Таким образом, коксуемость есть спекаемость, но первое понятие более узкое. Спекаются угли марок Г, Ж, К, ОС, но металлургический кокс можно получить только из углей марки К или из смеси углей, которая по свойствам приближается к ним.
Элементный анализ ТГИ
Как уже говорилось, органическая масса всех видов ТГИ состоит из С, Н, О, S и N. Суммарное их количество превышает 99мас.% в расчете на органическое вещество любого угля и торфа.
Содержания углерода и водорода
Углерод и водород определяют по выходу СО2 и Н2О при сжигании навески угля в токе кислорода. Эти оксиды улавливают в поглотительных аппаратах, заполненных растворами КОН и Н2SO 4 соответственно. Последние взвешивают до и после сжигания навески и по разности масс рассчитывают содержание С и Н в пробе, обычно в мас.%. Надо отметить, что при этом результаты могут быть искажены за счет поглощения воды и углекислого газа, имеющих неорганическое происхождение, и образовавшихся за счет термического разложения минеральных компонентов угля.
Содержание азота
Содержание азота в углях невелико, обычно не превышает 1 %, изредка достигая 3-4 %.
Содержание серы
В целом более распространена в углях сера. Ее содержание составляет от долей процента до 10-12%. Различают сульфатную (SSO4), пиритную (Sp) и органическую серу (So), суммарное содержание их называется общей серой (St). Содержание серы, устанавливаемое по данным элементного анализа, является важной характеристикой, которая определяет особые требования к переработке и использованию сырья, отличающегося ее высокой концентрацией. Выделяющиеся летучие серосодержащие продукты, такие как Н2S и SO2, крайне опасны при попадании в окружающую среду, а при проектировании производств, следует учитывать их высокую коррозионную активность.
Резервы
Крупнейшие резервы угля находятся в четырех странах мира. В США - 27% от общемировых запасов, в России - 17%, в Китае - 13% и Индии - 10%.
В десятку государств, добывших больше всего угля в 2005 году (последние доступные сравнительные данные - в 2006 году добыча в большинстве стран выросла. К примеру, в США она составила 1 100 млн. тонн), входят: Китай (2 226 млн. тонн), США (951 млн. тонн, примерно 18.9% мировой добычи), Индия (398 млн. тонн), Австралия (301 млн. тонн), ЮАР (240 млн. тонн), Россия (222 млн. тонн, 5.1%), Индонезия (140 млн. тонн), Польша (98 млн. тонн), Казахстан (79 млн. тонн, 1.5%) и Колумбия (61 млн. тонн).
Первая десятка крупнейших импортеров угля выглядит следующим образом: Австралия, Индонезия, Россия, ЮАР, Китай, Колумбия, США, Канада и Польша. В первую пятерку крупнейших угольных экспортеров входят Япония, Южная Корея, Тайвань, Великобритания и Германия.
Крупнейшими потребителями угля ныне являются государства Азиатско-Тихоокеанского региона, на долю которых в 2005 году пришлось 63% использованного угля. На втором месте - Северная Америка (18%), на третьем - Европа (7%), на четвертом - страны бывшего СССР (6%). В 1985 году ситуация была кардинально иной. Тогда Европа потребляла 18% мирового угля, СССР - 17%, Северная Америка - 22%, а Азиатско-Тихоокеанский регион - 38%.
Примерно 13% добытого каменного угля используется металлургическими и сталелитейными предприятиями.
Энергия
Уголь покрывает 25% потребностей человечества в энергии. На первом месте - нефть (более 34%), на третьем - газ (почти 21%).
В 2005 году в мире было добыто на 7.4% больше угля, чем в 2004 году, и на 78% больше, чем в 1980-м. В последние годы уголь используется намного более активно, чем иные энергоносители. К примеру, за период с 2001 по 2004 год мир стал использовать на 3.9% больше ядерной энергии, на 5.9% больше нефти, на 7.6% больше гидроэнергии, на 9.1% больше природного газа и на 25.3% больше угля. Наибольший прирост обеспечили Китай и, в меньшей степени, США. Предполагается, что в ближайшие десятилетия потребление угля будет только расти.
Электростанции, работающие на угле, производят 40% мировой электроэнергии (первое место) На второй и третьей позициях, соответственно, газ (почти 20%) и ядерная энергия (чуть менее 16%). Угольная электроэнергетика особенно развита в Польше и ЮАР, где 90% электричества производится за счет сжигания угля. Потребности Австралии в электричестве уголь покрывает на 79%, Китая - на 78%, Израиля - на 75%, Казахстана - на 70%, Индии - на 69%, Марокко - на 68%, Чехии - на 61%, Греции - на 59%, США - на 50%, Германии - на 49%.
Месторождения угля
Месторождения угля обнаружены практически во всех странах мира, однако месторождения, которые имеют коммерческий потенциал, находятся лишь в 70-ти странах, а разрабатываются - в 50-ти. При имеющихся темпах угледобычи разведанные запасы угля могут быть исчерпаны в течение 155-ти лет. Для сравнения, нефти может хватить на 41 год, газа - на 65 лет.
Россия располагает разнообразными типами углей — бурыми, каменными, антрацитами — и по запасам занимает одно из ведущих мест в мире. Общие геологические запасы угля составлют 6421 млрд. т, из них кондиционные — 5334 млрд. т. Свыше 2/3 общих запасов приходится на каменные угли. Технологическое топливо — коксующиеся угли — составляют 1/10 от общего количества каменных углей.
Распределение углей по территории страны крайне неравномерно. 95% запасов приходится на восточные регионы, из них более 60% — на Сибирь. Основная часть общегеологических запасов угля сосредоточена в Тунгусском и Ленском бассейнах. По промышленным запасам угля выделяются Канско-Ачинский и Кузнецкий бассейны.
Добыча угля в России
По объемам добычи угля Россия занимает пятое место в мире (после Китая, США, Индии и Австралии), 3/4 добываемого угля используется для производства энергии и тепла, 1/4 — в металлургии и химической промышленности. На экспорт идет небольшая часть, в основном в Японию и Республику Корея.