Добыча угля как индустриальная отрасль получила широкое распространение в начале ХХ века и по сей день продолжает относиться к одним из самых прибыльных видов добычи залежей полезных ископаемых.
Уголь добывают в промышленных масштабах по всему миру.
Вопреки общепринятому мнению, данное ископаемое используется не только в виде качественного топлива. В середине ХХ века угольная промышленность дала мощный толчок к развитию научных исследований по выделению углеводородов из полезных ископаемых.
Где ведется добыча
Самые крупные страны, добывающие каменный уголь – КНР, США, Индия. занимает 6 место в мировом рейтинге по его добыче, хотя по запасам входит в тройку лидеров.
В России добывают бурый, уголь, каменный уголь (в т.ч коксующийся) и антрацит. Основные угледобывающие районы в России – это Кемеровская область, Красноярский край, Иркутская область, Чита, Бурятия, республика Коми. Есть уголь на Урале, Дальнем Востоке, на Камчатке, в Якутии, Тульской и Калужской областях. В России 16 угольных бассейнов. Один из самых крупных – , там добывается больше половины каменных углей России.
Как добывают каменный уголь
В зависимости от глубины залегания угольного пласта, его площади, формы, толщины, различных географических и экологических факторов выбирается определенный метод добычи угля. К основным таким способам относятся следующие:
- шахтный;
- разработки в угольном карьере;
- гидравлический.
Кроме того, существует добыча угля открытым способом, при условии что угольный пласт залегает на глубине не более ста метров. Но данный способ по форме очень схож с карьерными угольными разработками.
Шахтный способ
Этот метод применяется при с больших глубин и имеет неоспоримое преимущество перед открытыми методами углевыработки: уголь на большой глубине более качественный и практически не содержит примесей.
Для доступа к угольным пластам бурят горизонтальные или вертикальные туннели (штольни и шахты). Известны случаи угольных разработок на глубине до 1500 метров (шахты «Гвардейская», «Шахтерская-Глубокая»).
Подземную добычу угля относят к одной из самых сложных специализаций ввиду ряда опасностей:
- Постоянная угроза прорыва подземных вод в шахтный ствол.
- Постоянная угроза прорыва сопутствующих газов в шахтный ствол. Кроме возможного удушья, особая опасность – взрывы и пожары.
- Несчастные случаи в связи с высокой температурой на больших глубинах (до 60 градусов), неосторожным обращением с оборудованием и т.д.
Данным способом из земных недр извлекают примерно 36 % мировых запасов угля, что составляет 2625,7 млн т.
Открытый способ
Разработки по в угольном карьере относятся по своей классификации к открытому способу добычи угля, поскольку не требуют бурения шахт и штолен на большую глубину.
Этот способ добычи заключается в подрыве и удалении вскрыши (пласта лишних пород над угольными залежами) с места разработок. После этого при помощи экскаваторов, водяных пушек, бульдозеров, дробилок, драглайнов и конвейеров происходит дробление породы и передача её дальше.
Данный способ добычи угля считается менее безопасным, чем закрытый (шахтный). Но и он имеет определенные факторы риска, связанные с неосторожным обращением с оборудованием и крупногабаритным транспортом, возможностью отравления выхлопными газами и сопровождающими машинную деятельность веществами.
Существенным минусом данного способа считается нанесение большого вредя окружающей среде вследствие снятия большой площади земельного слоя и сопутствующих ему природных элементов.
Открытый способ считается одним из самых распространенных в мире – с его помощью добывается более 55% угля в год, что составляет 4102,1 млн т.
Впервые его начали применять в Советском союзе в 30-х годах ХХ века. Он предполагает добычу угля в глубоких шахтах, при этом транспортировка на поверхность угольной породы происходит с помощью водных струй под напряжением. Данный способ позволил использовать недостаток подземной добычи угля – подземные воды – себе во благо.
В последнее время гидравлическую добычу угля считают одним из самых респектабельных способов. Она способна заменить трудоемкий и опасный процесс добычи угля шахтерами, вместо которых разрушительной и подъемной силой будет выступать вода.
Бурый уголь - это самый молодой вид угля, образовавшийся из торфа на глубине не более 1 километра под воздействием высоких температур и давления. Бурый уголь значительно уступает по содержанию углерода каменному углю и антрациту (доля углерода в буром угле варьируется от 65% до 70%). Имеет достаточно пористую структуру и высокое содержание влаги (43% воды), за счет чего обладает незначительной теплотой сгорания. Хорошо воспламеняется из-за высокого уровня содержания летучих веществ. Бурый уголь содержит в себе достаточно значительную долю гуминовых кислот, что делает его уязвимым для щелочей.
История добычи угля
Начало промышленного использования угля относится к XI веку. Уже к концу XVII века в развитых странах добыча угля стала важным элементом горнодобывающей отрасли.
В России залежи угля были открыты в XV веке. Затем в конце XVII и начале XVIII века были обнаружены крупные угольные месторождения в Сибири. Долгое время отечественные месторождения не разрабатывались, а уголь завозился из-за границы, преимущественно из Англии.
Первые попытки организовать угольный промысел в России относятся к концу XIX века, однако, эти попытки не увенчались успехом. Еще в 1913 году большая часть промышленного угля импортировалась в Россию из развитых стран Европы, а для бытовых нужд людей использовались архаичные виды топлива, такие как дрова и солома.
Одной из важнейших в добывающей отрасли, разработка угольных месторождений стала в советское время(1920-е). СССР не только, стал одним из лидеров по добыче угля, но и долгое время лидировал по запасам в разведанных месторождениях
На данный момент России располагает значительными запасами угля в разведанных месторождениях.
Объемы добычи бурого угля в России
В целом, в 2006-2011 гг. можно отметить положительную динамику объема добычи бурого угля (увеличение на 1,1%).
После значительного снижения объемов выпуска в 2009 году (на 16%), наблюдался рост в 2010 году, а 2011 год демонстрировал стагнацию объемов добычи бурого угля.
По оценкам аналитиков Intesco Research Group в 2012 году произойдет рост добычи бурого угля на 5%, объем составит около 80 млн тонн.
Первая половина 2011 года характеризовалась стремительным спадом производства (более чем на 40% в июне по сравнению с январем). Во второй половине года произошло не менее стремительное увеличение объемов выпуска бурого угля (почти в два раза в декабре по сравнению с июнем).
Динамика показателя по месяцам в первой половине 2012 года, в целом схожа с динамикой аналогичного периода предыдущего года. В январе 2012 года было добыто на 10% меньше бурого угля, чем в январе 2011 года. В июле 2012 года зафиксировано минимальное значение объема производства бурого угля в России в динамике 2011 июль 2012 гг. - более 4 млн тонн.
В Красноярском крае добывалось более половины российского бурого угля. Около десятой части российской продукции данного сегмента добыли в Приморском и Забайкальском краях. На третьем месте по объему добычи находилась Иркутскую область.
Использование бурого угля не так распространено по сравнению с его каменным аналогом, однако низкая стоимость обусловливает актуальность отопления посредством этого ископаемого среди небольших и частных котельных. В Европе эта порода также называется лигнитом, хотя ее редко выделяют из общей классификации угля. Что касается целевого назначения, то, например, в Германии он применяется для снабжения паровых электростанций, а в Греции уголь бурый позволяет вырабатывать до 50 % электроэнергии. Но опять же широкое распространение как разновидность твердого топлива этот материал не имеет, по крайней мере, в виде самостоятельного ресурса.
Общие сведения о буром угле
Лигнит представляет собой плотную камнеподобную массу светло-бурого или черного цвета. При внимательном осмотре можно заметить его растительную древесную структуру. В котельной уголь бурый довольно быстро сгорает с выделением копоти и своеобразного запаха гари. Что касается состава, то он формируется золой, серой, углеродом, водородом и кислородом. Примеси соответствуют тем же элементам, которые присутствуют в других разновидностях угля.
По вещественному составу большая часть таких ископаемых относится к гумитам. Переходные сапропелитовые и гумусовые вкрапления встречаются в виде прослоек в залежах из гумитов. В бассейнах уголь бурый группируется микрокомпонентами витринита. Надо отметить, что зольные компоненты в таких месторождениях сложнее всего вычислять. Для показателей рекомендуется обращаться к специальным таблицам и сопоставлять данные породы с характеристиками оборудования котельной.
Происхождение залежей
Самые крупные месторождения свойственны мезозойско-кайнозойским группам отложений. В качестве исключения можно выделить лишь нижнекаменноугольные залежи Подмосковного бассейна. Европейские месторождения преимущественно связаны с пластами а в Азии преобладают юрские залежи. Реже встречаются ископаемые Российские запасы также по большей части располагают материалом из юрских отложений. Основная часть ископаемых залегает на небольшой глубине (10-60 м). Благодаря этому фактору допускается открытая добыча угля, хотя встречаются и проблемные каналы до 200 м. Основным сырьем для формирования лигнита некогда послужили лиственные и хвойные деревья, торфяники и пяльпы. Обогащение углеродом связано с тем, что процесс разложения происходил под водой и без доступа воздуха. Также древесная основа смешивалась с песком и глиной, благодаря которым дальнейшая стадия преобразования залежей образует графит.
Добыча угля
Россия по объемам добычи лигнита занимает пятое место. Порядка 75 % из общего объема ископаемых поставляется производственным и топливно-энергетическим предприятиям, а остальная часть используется в химической промышленности и металлургии. Также небольшая доля поступает на экспорт. Технология разработки и непосредственной добычи в целом напоминает и методы работы с другими разновидностями углеродистых залежей. Но добыча угля имеет свои преимущества. Поскольку эта порода является относительно молодой, то большая доля ресурса извлекается из открытых месторождений. На сегодняшний день этот способ является самым эффективным, безопасным и дешевым. Правда, с точки зрения экологии это не лучший метод добычи, поскольку разработка глубоких карьеров влечет за собой обширные отвалы так называемых вскрышных пород.
Крупные месторождения
Если говорить о России, то крупнейшим месторождением бурого угля является Солтонский комплекс карьеров. Это единственный источник угля, расположенный на Алтае. По оценкам специалистов, данное месторождение содержит порядка 250 млн тонн породы. Также известен и Канско-Ачинский многокилометровый бассейн бурого угля, который расположен в Красноярском крае. В обоих случаях добыча ведется по открытой технологии. Довольно перспективные месторождения лигнита разрабатываются и в Германии, которая является самым крупным поставщиком этого угля в Европе. Наиболее масштабные разработки ведутся в Восточной Германии, где находятся Среднегерманский и Лаузицкий бассейны. По некоторым данным, эти месторождения содержат 80 млрд тонн. Как и в России, немецкие специалисты ориентируются на открытый способ добычи, отходя от дорогостоящего шахтового метода.
Стоимость бурого угля
По своим качественным характеристикам уголь бурого цвета проигрывает более привычному каменному аналогу. При этом несколько факторов позволили немного поднять востребованность менее привлекательного ресурса. Среди них можно отметить и стоимость, по которой реализуется бурый уголь. Цена в среднем варьируется от 800 до 1200 руб. за 1 тонну. Чем выше теплота сгорания, тем выше ценник. Для сравнения: тонну можно приобрести в лучшем случае за 2000 тыс. руб. Как уже говорилось, нюансы эксплуатации котельных при использовании бурого угля все же препятствуют его широкому распространению. Но поставщики качественного материала находят клиентов и среди энергетических компаний, и в сегменте индивидуального потребления.
Заключение
Конечному потребителю лигнит может поставляться в отсортированном или неотсортированном виде. В качестве бытового топлива он обычно применяется для пылевидного сжигания, а для сложных металлургических производств из него делают коксобрикеты. Благодаря низкой стоимости и широкому распространению крупных месторождений уголь бурый занимает не последнее место в списке востребованных топливных материалов. Тем не менее на фоне повышения требований к энергоэффективности систем отопления и ужесточения экологических норм подобное сырье становится все менее привлекательным. Во многих странах использование бурого угля ограничивается лишь производственными нуждами, но примеры России и Германии подтверждают и актуальность породы с точки зрения бытового использования.
| Показатели, % | Месторождение угля | ||||
| Южно- Уральское | Ирша-Бо- родинское | Подмосков- ное | Бикинс- кое | Челябин- ское | |
| Зольность А р | 16,0 | 6,3 | 30,6 | 35,0 | 24,4 |
| Влажность W р | 10,0 | 8,2 | 32,1 | 10,5 | 9,1 |
| Выход летучих | 63,6 | 47,0 | 48,0 | 50,4 | 39,0 |
| Состав горючей массы С | 69,5 | 70,7 | 67,6 | 65,4 | 71,0 |
| Н | 6,6 | 5,7 | 5,17 | 5,5 | 4,4 |
| О | 21,8 | 22,9 | 26,0 | 26,5 | 23,0 |
| N | 0,6 | 0,7 | 1,22 | 1,8 | 1,4 |
| Содержание серы S | 2,92 | 0,3 | 4,34 | 0,44 | 1,97 |
| В том числе: пиритной | 1,23 | 0,01 | 2,49 | 0,07 | 0,1 |
| сульфатной | 0,13 | 0,02 | 0,65 | 0,03 | 0,29 |
| органической | 1,46 | 0,27 | 1,2 | 0,34 | 1,58 |
| Содержание гуминовых кислот в горючей массе | 68,0 | 37,7 | 17,0 | 22,0 | 2,3 |
Промышленная классификация бурых углей предусматривает разделение их на группы по влажности и зольности и на сорта по крупности кусков. По содержанию влаги в рабочем топливе (W р) бурые угли делятся на три группы: Б1, Б2 и Б3 при W р >40, W р =30…40 и W р <30 % соответственно. По зольности сухой массы (А с) бурые угли в зависимости от бассейна делятся на ряд групп (от трех до пяти). По размерам кусков бурые угли разделяются на сорта: БК (бурые крупные – с размерами кусков от 50 до 100 мм); БО (бурый орех – куски от 25 до 50 мм); БМ (бурые мелкие – куски от 13 до 25 мм); БР (бурый рядовой – куски до 200 мм для шахт и до 300 мм для карьеров).
Месторождение бурых углей в нашей стране имеются повсеместно, и запасы их весьма велики. Только в Канско-Ачинском бассейне геологические запасы бурых углей оцениваются в 600 млрд т, из которых 140 млрд т можно добывать открытым способом.
Еще более крупные запасы углей сосредоточены в Тунгусском бассейне (несколько триллионов тонн). Крупные залежи бурых углей имеются в Казахстане, Украине, в центральной зоне Российской Федерации, в Средней Азии и на Дальнем Востоке.
Из-за высокого содержания балласта и малой механической прочности бурые угли нетранспортабельны на большие расстояния и относятся, как и торф, к категории местных топлив. Однако разработанные различные технологии их подготовки позволяют превращать бурые угли в транспортабельное топливо, что в сочетании с новыми способами сжигания (например в кипящем слое) существенно расширит возможности их перевозки и сделает более эффективным их сжигание на электростанциях.
Перспективно энерготехнологическое или энергохимическое использование бурых углей, при котором на их основе можно получать синтетическое жидкое топливо, химическое сырье, различную товарную продукцию.
Каменные угли. Изменение органического вещества горючих ископаемых на каменноугольной стадии протекает под действием ряда геологических факторов в зонах повышенной тектонической активности. Главным фактором, по-видимому, является температура (предполагают, что формирование каменных углей происходило при температурах 250-350 °С). Установлено, что некоторые горные породы и минеральные включения в угольной массе (например оксиды железа, алюминия и др.) могут играть роль катализаторов ряда реакций в веществе угля. В результате этого происходит дальнейшее обогащение органического материала углеродом с потерей им кислород- и водородсодержащих соединений, образующих оксид и диоксид углерода, воду, метан. Содержавшиеся в буром угле гуминовые кислоты на каменноугольной стадии превращаются в нерастворимые нейтральные гумины.
Каменные угли весьма разнообразны по химической зрелости, в связи с чем их классифицируют по ряду признаков: выходу летучих веществ, отнесенному к горючей массе топлива, V г, спекаемости твердого остатка, определяемой при нагреве топлива без доступа воздуха до температуры 850 °С в стандартных условиях, и теплоте сгорания по бомбе на горючую массу . В принятой классификации каменные угли подразделяются на следующие марки (с обозначением марок): длиннопламенный (Д), газовый (Г), газовый жирный (ГЖ), жирный (Ж), коксовый (К), коксовый жирный (КЖ), коксовый второй (К2), отощенный спекающийся (ОС), слабоспекающийся (СС), тощий (Т). Число марок углей и их характеристика определяются ГОСТ для каждого бассейна.
Запасы каменных углей в РФ также весьма велики, при этом большая их часть подобно бурым углям сосредоточена в Сибири. Среди крупнейших каменноуголных бассейнов страны сегодня разрабытваются Кузнецкий, Печорский, Южно-Якутский, Кизеловский.
Каменные угли обладают относительно меньшим содержанием золы и влаги, чем бурые угли: А р = (5…15) %; W р =(5…10) %. Вследствие этого их теплота сгорания оказывается большей:
Q н р = (23…27,3) МДж/кг (5500…6500 ккал/кг).
Антрацит. Антрацит является конечным итогом преобразования углей. Это разновидность угля характеризуется весьма высокой степенью углефикации (содержание углерода в горючей массе достигает 94 – 96 %), высокой твердостью и плотностью, низкой влажностью и четко выраженной мелкокристаллической структурой природного графита. Из-за повышенной хрупкости добыча антрацита сопровождается образованием большего количества мелочи (с размерами кусков менее 6 мм) – так называемого штыба. Антрацитовый штыб (АШ) является относительно низкосортным энергетическим топливом, сжигание которого было впервые в мире в широких масштабах организовано на электростанциях СССР еще в довоенный период.
У этих углей малый выход летучих (V г = 2…9 %).
Теплота сгорания таких углей достаточно высокая: Q н р = 34,5 МДж/кг (8300 ккал/кг). Угли, по своим характеристикам находящиеся между каменными углями и антрацитами, называют полуантрацитами . Выход летучих у таких углей составляет V г = (5…10) %, а теплота сгорания несколько больше, чем антрацитов (Q н р = 35 МДж/кг). Полуантрациты и антрациты разделяются по объемному выходу летучих веществ в условной горючей массе V г об: полуантрациты – (220…300) см 3 /г, антрациты – менее 220 см 3 /г. Теплота сгорания летучих веществ для антрацитов – 43,1 МДж/кг, полуантрацитов – 48,2 МДж/кг.
Горючие сланцы. Горючие сланцы относятся к классу сапропелитов, сильно забалластированных осадочными породами (песком, глиной), содержание которых достигает 70 %. При содержании балласта свыше 70 % сжигание сапропелита в обычных топочных устройствах (слоевых или камерных) становится невозможным, однако в топках с кипящим слоем можно сжигать горючие сланцы, содержащие менее 30 % горючего органического вещества.
Будучи типичным низкосортным топливом, сланцы вместе с тем являются ценным сырьем для производства синтетического жидкого топлива и горючего газа, в частности при их комплексном использовании. Определенную ценность представляет также сланцевая зола как строительный материал и продукт для раскисления почв в сельском хозяйстве.
Наша страна располагает большими запасами сланцев. Месторождения сланцевого топлива имеются в областях Куйбышевской, Саратовской, Ульяновской, Ленинградской и др.
Зольность сланцев очень большая и доходит до А р =(50…60) %. Вследствие большого балласта их теплота сгорания низкая Q н р = (5,87…10) МДж/кг (1400…2000 ккал/кг). В горючей массе содержание водорода оказывается высоким Н р = (7,5…9,5) %, что обусловливает большой выход летучих, достигающий (80…90) %, и их легкую воспламеняемость.
Древесное топливо и городской мусор. К этой категории топлива кроме собственно дров относят также различного рода растительные отходы, образующиеся как при рубке леса, так и при его дальнейшей переработке (пни, сучья, ветви, вершинные части деревьев, обрезки, щепа, стружка, опилки, так называемые отпады: хвоя, листва, валежник, корье), отходы растениеводства: солома, костра, лузга, стебли некоторых растений и т. п.
Органическая часть древесины и других растительных образований состоит в основном из углеводов и в меньшей мере из белков, жиров, восков и смол, входящих в состав растительных клеток или заполняющих межклеточное пространство растительной ткани. Основными компонентами углеводов является целлюлоза (С 6 Н 24 О 5) х, из которой построены стенки клеток, гемицеллюлоза, представляющая собой гидролизирующуюся часть целлюлозы, и особое инкрустирующее вещество, заполняющее межклеточные промежутки – лигнин (С 9 Н 24 О 10). Содержание целлюлозы в органической части многоклеточных растений достигает 60 %, содержание лигнина колеблется в пределах 20…30 %, в зависимости от породы и возраста древесины. Содержание минеральных солей в основной древесине составляет 0,21 %, в березовой − 0,29…0,38 %, в дубовой − 0,37 %, в еловой − 0,22…0,37 %. Однако в коре, листьях, а также в стеблях однолетних растений содержание минеральных солей значительно больше и составляет: в еловой коре − 5,77 %, в буковой − 8,84 %, в соломе – от 3,3 до 7,2 %, в лузге − 2,31 %, камыше − 7,4 %. Элементный состав и характеристика древесного топлива различных видов приведены в табл. 6.
К бурым углям относятся угли с высшей удельной теплотой сгорания влажной беззольной массы менее 24 МДж/кг и отражательной способностью витринита в масле (R 0) менее 0,50 (ГОСТ 9276-72). Аналогичное значение теплоты сгорания для разделения бурых и каменных углей предусмотрено международной классификацией. Бурые угли в куске и порошке (черта на фарфоровой пластинке — "бисквите") имеют цвет от светло-жёлтого до чёрного; 1200-1500 кг/м 3 , объёмная масса 1,05-1,4 т/м 3 , насыпная — 0,70-0,97 т/м 3 . Различают мягкие, землистые, матовые, лигнитовые и плотные (блестящие) разновидности. На воздухе бурый уголь быстро теряет влагу, растрескивается и превращается в мелочь.
Подавляющее большинство бурых углей по вещественному составу относятся к гумитам. и переходные гумусово-сапропелевые разности имеют подчинённое значение и встречаются в виде прослоев в пластах, сложенных гумитами. Большинство бурых углей слагается микрокомпонентами (80-98%) и только в юрских бурых углях Средней преобладают микрокомпоненты группы фюзинита (45-82%); для нижнекарбоновых бурый уголь характерно высокое содержание лейптинита. В СССР (ГОСТ 21489-76) бурый уголь подразделяются по степени (углефикации) на три стадии: О1, О2, и О3 и классы 01, 02, 03. Основой такого подразделения принята отражательная способность витринита в масле R0; нормируемая величина её для стадии О1 — менее 0,30; О2 — 0,30-0,39; О3 — 0,40-0,49. Промышленными классификациями СССР (ГОСТ, группа А 10) бурые угли по влажности рабочего топлива (Wr) подразделяются на три технологические группы (табл.). Бурые угли (ГОСТ 9280-75) разделяются на четыре группы по выходу первичной смолы полукоксования (Tsk daf свыше 25%; 20-25%; 15-20%; 15% и менее) и четыре подгруппы по удельной теплоте сгорания (Qs daf свыше 31,5; 31-31,5; 29-31 и менее 26 МДж/кг). По международной классификации, принятой Европейской экономической комиссией (1957), бурые угли подразделяются на шесть классов по влажности (до 20; 20-30; 30-40; 40-50; 50-60; 70-70) и пять групп по выходу смол полукоксования.
С повышением степени метаморфизма в бурых углях повышаются содержание , удельная теплота сгорания, снижается содержание . Бурые угли характеризуются повышенным содержанием фенольных, карбоксильных и гидроксильных групп, наличием свободных гуминовых кислот, содержание которых снижается с повышением степени метаморфизма от 64 до 2-3% и смол от 25 до 5%. На некоторых месторождениях мягкие бурые угли дают высокий выход бензольного экстракта (5-15%), содержащего 50-75% восков, и имеют повышенное содержание и .
По классификации США бурым углям соответствуют суббитуминозные угли В и С, лигниты А и В.