Химические свойства угля кратко

Обновлено: 02.07.2024

Физические свойства отражают внутреннюю структуру угольного вещества, которая зависит от исходного растительного материала и условий его превращения, метаморфизма минеральных примесей и характера распределения последних.

Цвет. Как правило, цвет углей от бурого и темно-серого до черного. Бурый цвет, или оттенок, зависит от низкой степени углефикации угля и является характерным для бурых углей и сапропелитов. Каменные угли имеют черный или темно-серый цвет. Антрациты — темно-серый или серый. Различаются угли и по цвету черти, оставляемой на фарфоровой пластинке, а именно: бурые угли дают бурую черту, каменные — коричневато-черную или темно-серую и черную черту, антрацит оставляет черную черту.

Блеск. Блеск является одним из самых характерных свойств углей. Различают оттенки блеска: смолистый (жирный), стеклянный, алмазный и шелковистый. Смолистый блеск у кларена, стеклянный у витрена, шелковистый у фюзена, матовый у дюрена, Блеск угля усиливается по мере увеличения степени углефикации т.е. от бурых углей к каменным и далее к антрацитам.

Удельный вес. Имеет большое значение для решения многих теоретических и практических вопросов. Так, например, на различии в удельных весах петрографических компонентов чистых и зольных разностей углей основано гравитационное обогащение. Удельный (или объемный) вес учитывается при подсчете запасов.

Удельный вес углей изменяется довольно заметно. Он зависит от петрографического состава, степени обуглероживания (углефикации), количества и характера минеральных примесей, количества влаги и, наконец, от природы углей.

Средний удельный вес (для углей одинаковой средней зольности) зависит от петрографического состава, количества влаги, степени метаморфизма. У бурых углей он равен 0,8—1,25, у каменных — 1,26—1,35, у антрацитов — 1,36—1,50 до 1,65 (повышается почти вдвое от бурых углей к антрациту).

Плотность. Плотностью (или рыхлостью) углей наливается отношение их массы к объему. Она зависит главным образом от степени углефикация и от петрографического состава углей. От торфа к антрациту плотность непрерывно возрастает.

Твердость. По шкале Mooca твердость углей находится в пределах 1—2 и повышается со степенью углефикации. Наименьшая микротвердость у углей марок ПЖ и К.

Хрупкость. Определяется по степени их сопротивления раздавливанию, истиранию и удару. Наиболее хрупкими являются угли фюзеновые, далее следуют витреновые и клареновые и наиболее стойкими являются дюреновые угли.

Хрупкость углей связана со степенью метаморфизма. Наиболее хрупкими являются коксовые угли, а от антрацитов к газовым углям хрупкость понижается.

Излом. Изломом называется форма поверхности, получаемая в результате раскалывания угля вне плоскостей напластования. Для угля характерны следующие изломы: раковистый, землистый, волокнистый, листоватый, занозистый, зернистый и неровный. Раковистый излом присущ сапропелевым углям, некоторым блестящим гумусовым углям, иногда антрацитам; зернистый (крупно-и мелкозернистый) наблюдается у каменных углей и антрацитов, землистый и неровный излом встречается у бурых углей.

В табл. 13 показано, как, пользуясь дальнейшими макроскопическими признаками, можно отличить друг от друга типичные гумусовые угли и сапропелевые.

Структура (строение) угля тесно связана с его вещественным составом и характеризует изменения однородности угля, зависящие от величин слагающих уголь частиц и от их формы.

Различают лигнитовую структуру бурых углей, сохраняющую ясно видимое древесное строение.

Волокнистая структура в виде вытянутых в одном направлении волокон отличает волокнистый уголь (фюзен).

Полосчатая структура представляет собой чередование полосок матового и блестящего угля. Эта структура встречается среди каменных и бурых углей.

Штриховатая структура характеризует неоднородные угли, содержащие, кроме основных составляющих угля, мелкие штрихи, тонкие полосочки другого какого-нибудь ингредиента, например фюзена или витрена, которые хорошо прослеживаются по вертикальному разрезу образна.

Однородная структура представлена материалом из одного ингредиента без явных включении каких-либо других составляющих угля.

Текстура (сложение) угля определяет характер пространственного расположения и распределения в нем составных частей, вне зависимости от их формы. Сложение угля связано с его вещественным составом. Слоистость — признак, определяющий текстуру.

Текстуру следует рассматривать, как отклонения или колебания о однородности угля, относящиеся не к образцу или куску угля, а к массе угля в целом. Текстуры подразделяются на слоистые и массивные (неслоистые).

Слоистая текстура угля связана с неравномерностью в отношении угольного вещества и с изменением условий отложения (сложные пласты), вследствие чего произошла замена растительного материала угля минеральными отложениями в большем или меньшем количестве.

Массивная текстура наблюдается у плотных матовых сапропелевых углей, а также у полубохгедов Подмосковного бассейна. Массивное сложение объясняется наличием однородных условии образования угля.

Зернистая текстура угля принадлежу матовым углям, например некоторым углям Кизеловского бассейна, углям о-ва Сахалина. Зернистость матового угля мелкая.

Землистая текстура присуща третичным рыхлым бурым углям, например башкирским, украинским и др.

Эти угли представлены порошкообразной массой, в которой наблюдаются отдельные куски угля, сохранявшие древесное строение (лигниты) и включения пирита. Землистая текстура встречается также среди гумусовых сажистых окисленных углей Пермского бассейна, где наблюдается также плитчатая текстура, образовавшаяся в результате вторичных воздействий на уголь.

К физическим свойствам угля относится также и отдельность. Эго группа параллельных трещин в кусках угля, не совпадающих с первичной слоистостью.

Наблюдаемое при макроскопическом изучении углей свойство раскалываться по определенно ориентированным плоскостям приводит к получению своеобразных го геометрической форме кусков угля, называемых отдельностями. Отдельности образуются обычно при раскалываний угля по плоскости наслоения и по трещинам кливажа.

Различают эндогенную и экзогенную системы трещин в углях и соответствующие им отдельности, причем эндогенная система трещин обусловлена внутренними (первичными) причинами и образуется под влиянием сокращения объема угольной массы в пласте в результате диагенеза и метаморфизма, а экзогенные трещины (кливаж) вызваны внешними (вторичными) силами, зависящими от причин тектонического порядка. Примерами эндогенной отдельности углей являются пластинчатая, призматическая кубическая и глазковая. Примерами экзогенной отдельности могут служить гребенчатая и пирамидальная. Различаются также отдельности конусовидные, чечевицеобразные, шаровые, осколочные (или брекчиевидные).

Трещины кливажа имеют очень важное значение при разработке угольных месторождений. Направление и характер этих трещин определяют производительность горных машин, особенности отбойки угля, посадку кровли, выбросоопасность угля и газа, газообильность и водообильность горных выработок и др.

Большинство встречающихся в природе гумусовых каменных углей и некоторые плотные бурые угли представляют собой внешне неоднородные полосчатые образования. Полосчатыми называются угли, в которых переслаиваются и чередуются в форме полос видимые невооруженным глазом (т. е. макроскопически) различные составные части, называемые обычно макроингредиентами.

Макроингредиенты выделяют по внешним (макроскопическим) отличительным признакам и некоторым физико-механическим свойствам, а также по описаниям под микроскопом. Оба эти метода исследования очень важны для характеристики ископаемых углей.

При макроскопическом изучении углей обычно описываются их основные физические и механические свойства, устанавливаемые по внешнему виду, а также с помощью весьма простых приемов и несложных приспособлений.

Изучение под микроскопом производится в основном в проходящем свете в прозрачных шлифах, в которых можно детально рассмотреть микроструктуру угля, установить его составные части (ингредиенты) и слагающее его вещество.

Угли высокой степени метаморфизма, которые не дают прозрачных шлифов, исследуются в полированных шлифах (аншлифах) в отраженном свете. В этом случае о характере деталей строения можно судить по их форме.

Кроме того, при изучении угля под микроскопом делают тонкие срезы (полированные шлифы), которые переносятся на предметное стекло.

Для изучения угля применяется также метод мацерации, при котором сильноокисляющими веществами растворяют легкорастворимые части угля и выделяют более устойчивые части.

Микроскопические исследования позволяют быстро определять вещественный состав отдельных типов углей, который в известной степени является показателем качества угля. Например, угли, пригодные для сухой перегонки и получения из них дегтя, легко распознаются под микроскопом по наличию в них остатков водорослей, из которых они образовались. По формам и количественному соотношению спор часто представляется возможным судить о положении пласта в нормальном стратиграфическом разрезе, что особенно важно в тектонически сложных месторождениях. По петрографическим признакам можно иногда судить и о степени метаморфизма угля.

Следует иметь в виду, что все названные методы следует рассматривать как взаимно дополняющие друг друга и дающие в комплексе более полное представление о характере и петрографическом составе каждого из исследуемых углей.

С помощью микроскопа удалось установить, что ископаемые угли состоят из так называемых форменных элементов, включенных в основную бесструктурную массу.

В большинстве встречающихся в природе углей чаще всего обнаруживаются комплексы в виде разнообразного сочетания основной массы и форменных элементов. Различают следующие форменные элементы:

1. Лигнинно-целлюлозные, которые состоят из обрывков древесины, коры стеблей, корней и внутренней ткани листьев. Под микроскопом эти остатки растительности непрозрачные, черного, красновато-бурого и реже светло-бурого цвета.

2. Кутиновие форменные элементы — кутикула листьев и оболочки спор — состоит из воска и смолообразных веществ, очень близких между собой по химическим свойствам.

3. Форменными элементами являются остатки водорослей, которые составляют главную массу сапропелитов. Во многих случаях благодаря процессу гелификации клетки под микроскопом не различаются и сапропелит в этом случае представляет собой однородную массу.

4. Смоляные тела являются остатками смолы растений. Под микроскопом в шлифе они прозрачны, лимонно-желтого цвета, овальной формы. Смоляные тела не имеют структуры и этим отличаются от спор и водорослей.

Все наиболее часто встречающиеся в углях форменные элементы можно разделить по окраске в тонких шлифах на две резко отличающиеся группы веществ: желтые (споры, пыльца, кутикулы, водоросли, смоляные тельца) и черные или черно-бурые (древесные, коревые и листьевые ткани).

Основная масса угля (в гумитах) состоит из гумусовых веществ и растительного шлама (дисперсно раздробленные остатки растений). В тонких шлифах она подразделяется на две разновидности: прозрачную и непрозрачную.

Различают следующие виды структуры прозрачной основной массы в углях: однородная, хлопьевидная, комковатая и зернистая разновидность комковатой основной массы). Кроме того, наблюдается различное сложение основной массы. Наиболее характерной является флюидальность — впечатление застывшей текучести.

Непрозрачная основная масса под микроскопом представляется неоднородной и подразделяется на два вида веществ, неодинаковых по своему происхождению и по форме частичек, а именно: непрозрачные осколки (иголочки) и непрозрачные хлопья. Иголочки имеют признаки древесного строения, а также совершенно черный цвет в тонких шлифах и яркий желтовато-белый цвет — в аншлифах. Хлопья характеризуются отсутствием следов растительных структур и не вполне черным цветом в тонких шлифах. Происхождение хлопьев связано с первоначальным жидким состоянием.

Следует отметить, что в одном и том же угле можно одновременно наблюдать присутствие прозрачной основной массы и обеих разновидностей непрозрачной основной массы, причем нередко обнаруживаются и переходные формы коричневого цвета — полупрозрачная основная масса.

При значительной степени углефикации основная масса будет непрозрачной. В антраците она совершенно непрозрачна. В сапропелитах основная масса угля в шлифе прозрачная, темно-бурая и даже светло-желтая. Примесь гуминовых веществ придает ей светло-коричневую или темно-коричневую окраску.

Каменный уголь считается одним из важных ископаемых видов топлива. Несколько веков назад его широкое использование послужило толчком к началу промышленной революции. В современном мире он стал наиболее быстрорастущим энергетическим ресурсом, опережая газ, нефть, атомную и гидроэнергетику, а также любые возобновляемые источники.

Образование и свойства

Уголь — горючее полезное ископаемое, представляющее собой изменённые остатки доисторической растительности, которые изначально накапливались в болотах и торфяниках. Древняя флора консолидировалась между другими слоями осадочных пород и преобразовывалась под воздействием давления и тепла на протяжении миллионов лет.

Таким образом под действием физических сил образовывались пласты и формировался состав каменного угля, включающий углерод (90%), водород (5%) и другие незначительные примеси. Поскольку углерод всё же преобладает, то химическая формула вещества обозначается С — первой буквой латинского слова Carbo.

Происхождение каменного угля подтверждается не только с помощью геологических исследований и методов химического анализа, но и многочисленными находками. В залегающих глубоко под землёй пластах очень часто встречаются отпечатки листьев доисторических папоротников и живых организмов. Активированный уголь является древесным и к ископаемому топливу отношения не имеет.

Плотность угля изменяется, в зависимости от его ранга и содержания минеральных примесей, снижающих теплотворную способность. Этот показатель имеет важное значение для определения методов обогащения (очистки от примесей).

Относительная плотность измеряется как удельный вес, представляющий собой отношение массы объекта к массе равного объёма воды при t 4 °C. Этот показатель для воды соответствует единице, а значит материалы с удельным весом менее 1 не тонут. Поскольку величина варьируется, в зависимости от ранга, её можно определить для разных марок угля:

антрацит — 1,47;
битумный — 1,32;
суббитуминозный — 1,3;
бурый — 1,29.

Эти цифры имеют непосредственное отношение к процессу обогащения потому, что примеси значительно изменяют стандартные характеристики. Например, удельный вес пирита (золото дураков), представляющего собой обычную примесь и основной источник серы в угле, составляет от 4,9 до 5,2. Поскольку пирит гораздо плотнее угля, для его удаления используются методы разделения по плотности.

Роль в истории

О свойствах каменного угля люди знали ещё в далёком прошлом. Историки считают, что впервые в коммерческих целях его начали использовать в Китае. Есть свидетельства, что древняя шахта на северо-востоке страны предоставляла это топливо для выплавки меди и литья монет около I тысячелетия до нашей эры. Одна из самых ранних записей на территории Европы была сделана греческим учёным и философом Аристотелем, который упоминал уголь как камень.

Специфические шлаки, найденные среди римских руин в Англии, указывают на активное использование энергии угля до 400 г. до н. э. Хроники Средневековья предоставляют первые упоминания не только о разработке ископаемого карьерным способом, но и его транспортировке морским путём.

Однако широкая добыча началась во время промышленной революции XVIII—XIX вв. , когда спрос на уголь значительно вырос. Этому во многом способствовал усовершенствованный паровой двигатель Джеймса Уатта, запатентованный в 1769 году. Кроме того, в этот период многократно увеличилось изготовление чугуна и стали, требовавшихся для строительства железных дорог, станков и механизмов.

В 1960-х годах нефть обогнала уголь в качестве крупнейшего источника первичной энергии с огромным ростом в транспортном секторе. Несмотря на конкуренцию, он продолжает занимать важное положение в мировой структуре производства электроэнергии, обеспечивая более трети глобальной потребности. Большие объёмы коксующихся углей применяются в металлургической промышленности.

Запасы и основные месторождения

Запасы угля обнаруживаются в результате геологоразведочных работ. Процесс включает создание геологической карты местности, проведение геохимических и геофизических исследований с последующим разведочным бурением. Территория становится шахтой и горные работы начинаются только в том случае, если месторождение располагает довольно большими и качественными пластами, а их разработка станет рентабельной.

Согласно данным BP Statistical Review, мировое потребление угля в 2018 г. составило 3,732 млн тонн в нефтяном эквиваленте и последние 10 лет растёт на 0,8% ежегодно. К крупнейшим потребителям относятся:

Китай — около 51% мировой добычи.
Индия — 11%.
США — 8,8%.
ЕС — 6,3%.
Япония — 3,2%.
Россия — 2,5%.
Южная Корея — 2,3%.

При этом более 80% объёма мировых доказанных запасов угля находятся на территории всего 10 государств. Расположены они преимущественно в северном полушарии. Список возглавляют США, имея 25% разведанных залежей. Россия находится на втором месте, а Китай — на третьем. Четвёртым рекордсменом считается Австралия, за которой следуют Индия, Германия, Украина и т. д.

Угольные месторождения называются бассейнами и являются важным национальным ресурсом, обеспечивающим государственную экономику во многих отраслях. Наиболее крупные из них (запасы в миллиардах тонн):

Аппалачский (284) — расположен в США.
Донецкий (141) — находится на территории Украины, ДНР, ЛНР и России.
Тунгусский (2,299) — самый крупный в России и мире.
Таймырский (217) — на севере Российской Федерации.
Ленский (1,647) — Россия.
Печорский (265) — Россия.
Кузбасский (635) — Россия.
Рурский (287) — находится на западе Германии.
Иллинойский (365) — США.
Канско-Ачинский (638) — расположен на территории РФ.

По приблизительным оценкам ископаемого топлива хватит примерно на 190 лет, однако эта цифра в будущем может измениться. Более совершенные и точные технологии геологоразведки помогают обнаружить новые залежи. Кроме того, не исключено появление методов добычи, позволяющих достигать недоступных ранее пластов.

Способы извлечения из недр

Выбор способа добычи зависит от геологических и природных условий, наличия инфраструктуры, экономических и социальных предпосылок. Основное внимание обращается на следующие факторы:

количество, качество, толщину и угол наклона пластов, глубину их залегания;
характер и толщину межпластовых осадочных пород;
особенности поверхностного рельефа;
доступность транспортных, энергетических сетей и предприятий переработки;
экологические последствия;
форма собственности на земельный участок и его текущее использование.

Все эти данные служат для определения рентабельности будущего предприятия, а также помогают сделать выбор между поверхностной и подземной добычей. Анализ мирового производства показывает, что по количественным показателям оба метода примерно равны, но зависят от сорта угля:

антрациты составляют около 10% от мировой добычи и разрабатывается подземным способом;
буроугольные пласты (25%) чаще всего извлекаются из карьеров;
битумные угли (65%) добываются обоими методами примерно в равных пропорциях.

Открытый способ считается более дешёвым и менее опасным, но весьма вредным для окружающей среды. Его применяют в тех случаях, когда ископаемое залегает на глубине не более 100 м. Уголь извлекают из карьеров с помощью специальной техники: грейдеров, бульдозеров, экскаваторов и большегрузных самосвалов. Высота некоторых машин может сравниться с многоэтажным зданием.

Закрытым способом разрабатывают наиболее ценные марки угля и это оправдывает экономические издержки, связанные со строительством и эксплуатацией шахт. Например, самый ценный антрацит поднимают с глубины более 1,5 км. Эта технология заключается в бурении вертикального ствола, от которого отводятся горизонтальные и наклонные выработки, ведущие к продуктивным пластам. Шахтёрский труд всегда был очень опасным из-за обвалов, выбросов метана и тяжёлых условий, но в нынешнее время он всё больше автоматизируется и место людей занимают угледобывающие комбайны и другая техника.

Воздействие на окружающую среду

Хотя уголь вносит важный вклад в экономическое и социальное развитие во всём мире, его добыча и потребление наносит ощутимый вред окружающей среде. Например, карьерные разработки затрагивают большие площади земли, вызывают эрозию почв, распространение пыли, загрязнение воды, плохо сказываются на местном биоразнообразии.

Подземная добыча предполагает организацию отвалов, внутри которых долгие годы происходят вредные термические процессы и повышается радиационный фон. Шахты опасны возможными провалами грунта и изменением водного баланса местности.

Рекультивация разработок занимает много времени и требует финансовых затрат. Основная её цель состоит в восстановлении нарушенной продуктивной способности земель. Различные программы включают утилизацию отвалов, воспроизводство лесов, сельскохозяйственных угодий и рекреационных зон.

Серьёзную опасность представляют продукты сгорания угля. К ним относятся токсичные оксиды азота (NO и NO2), вызывающий кислотные дожди диоксид серы (SO2), а также углекислый газ (СО2), считающийся основным виновником парникового эффекта в атмосфере планеты. Кроме того, в воздух попадают золы и другие твёрдые частицы.

Несмотря на всеобщую озабоченность по поводу загрязнения воздуха в результате выбросов, в ближайшем будущем использование угля будет продолжаться. Поэтому правительства и учёные разных стран не перестают прилагать большие усилия для поиска более эффективных технологий использования этого ценного сырья.

Ключевые слова конспекта: Ископаемый уголь (антрацит, каменный уголь, бурый уголь). Коксование. Коксохимическое производство. Кокс. Коксовый газ. Аммиачная вода. Каменноугольная смола. Газификация угля. Водяной газ. Каталитическое гидрирование угля.

Каменный уголь и его разновидности

Наверное, вы догадались, что речь пойдёт о ещё одном полезном ископаемом, которым так богата наша Родина, — каменном угле. Это горная порода, образованная окаменелыми останками доисторических растений.

Уголь стал первым в истории человечества ископаемым топливом. Помимо прямого использования теплоты сгорания угля, человек научился превращать выделяющуюся энергию в механическую работу, а затем и в электрическую энергию. Вплоть до середины прошлого века тепловые электростанции, работающие на ископаемом угле, давали более половины мирового производства электроэнергии. Только с появлением атомной энергетики теплоэлектростанции стали уступать место более эффективным и экологичным способам производства электроэнергии.

Из курса географии вы знаете, что в зависимости от физико-химических свойств различают три вида ископаемых углей: антрацит, каменный уголь и бурый уголь.

Антрацит залегает на больших глубинах — около 6 км. В результате огромного давления расположенных выше почвенных слоёв пласты антрацита приобрели большую плотность и характерный блеск. Содержание углерода в антраците — от 95 % и выше. Теплота сгорания этого вида угля самая высокая, однако загорается он с трудом. Используют антрацит в качестве высокоэффективного топлива, а также для изготовления электродов и получения карбидов металлов.

Каменный уголь залегает на меньших глубинах, содержит больше летучих веществ и влаги. Содержание углерода в каменном угле в зависимости от месторождения составляет от 70 до 95 %. Именно этот вид угля используют как сырьё в коксохимическом производстве. По внешнему виду каменный уголь отличается от антрацита отсутствием характерного блеска.

Бурый уголь имеет наименьшую глубину залегания. Образовывался он при значительно меньших давлениях и температуре, массовая доля углерода в нём менее 70 %, зато много летучих органических веществ, неорганических примесей и влаги. Теплота сгорания бурого угля невелика, однако ценность представляют продукты его переработки. Этот вид угля имеет характерную чёрно-бурую окраску, низкую плотность и рыхлую структуру.

Запасы угля значительно превышают запасы нефти и природного газа, а значит, в недалёком будущем он станет важнейшим природным источником органических соединений и главным углеродным энергоресурсом.

По ресурсам ископаемого угля Россия занимает второе место в мире после США, владея примерно 17 % его мировых запасов. В настоящее время около половины добываемого каменного угля используется в качестве топлива, остальное количество служит сырьём для коксохимического производства.

Переработка каменного угля

Один из основных процессов химической переработки каменного угля — коксование.

Коксование — процесс высокотемпературного нагревания угля без доступа воздуха.

Этот процесс проводят с целью получения важнейшего для металлургической промышленности продукта — кокса. Кроме него, в результате коксования образуются каменноугольная смола, аммиачная вода и коксовый газ (рис. 21). Отрасль чёрной металлургии, занимающуюся переработкой каменного угля методом коксования, называют коксохимическим производством.

При коксовании каменный уголь загружают в коксовую печь и нагревают при 1000 °С в течение 14—15 ч. Кусочки угля превращаются в кокс, представляющий собой практически чистый углерод. Кокс выталкивают из печи, сортируют и отправляют на металлургические заводы для использования в доменном процессе.

Органические вещества, входящие в состав каменного угля, при нагревании постепенно разлагаются с образованием летучих продуктов. Они поступают в специальный сборник, где конденсируются в две несмешивающиеся жидкости: каменноугольную смолу (каменноугольный дёготь) и аммиачную воду. В состав каменноугольной смолы входит около 300 различных соединений, часть из которых выделяют путём фракционной перегонки. Так получают, например, бензол и другие ароматические углеводороды. В аммиачной воде содержатся, естественно в растворённом состоянии, аммиак и другие вещества. На специальной колонне растворённые вещества выделяют и разделяют. Полученный аммиак идёт главным образом на производство азотных удобрений.

Коксовый газ, оставшийся после конденсации, очищают от остатков смол и извлекают из него аммиак. Для этого газ пропускают через раствор серной кислоты, превращая аммиак в сульфат аммония, который используют в качестве азотного удобрения. Из коксового газа выделяют также водород, этилен, бензол и некоторые другие вещества.

Вторым важным направлением переработки каменного угля является его газификация. Измельчённый уголь, или кокс, подаётся в газогенератор, где при высокой температуре соприкасается с перегретым водяным паром. В результате образуется смесь газообразных продуктов, содержащая главным образом водород и оксид углерода(II) — так называемый водяной газ:

Водяной газ можно разделить на компоненты, а можно без разделения использовать для синтеза углеводородов и кислородсодержащих органических соединений.

В последние годы вновь возрос интерес к процессу каталитического гидрирования угля. Для этого процесса может быть использован водород, образующийся в процессе газификации. Реакция между углеродом и водородом при повышенной температуре и давлении приводит к образованию смеси углеводородов, которая используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и является альтернативой продуктам нефтепереработки:

Запасы природного газа, нефти, каменного угля на Земле небезграничны. Все полезные ископаемые относятся к невозобновляемым сырьевым ресурсам. Человечество приходит к необходимости искать альтернативные, в том числе возобновляемые, источники энергии и сырья.

Разве существует сырьё, которое никогда не кончается? Представьте себе, да. Всё большее внимание химиков и технологов привлекают растения. Ежегодно на Земле вырастает миллион миллиардов тонн зелёной растительной массы, а ведь это уникальный источник органических веществ, промышленную переработку которого ещё только предстоит освоить.

Для обогрева помещений, получения химических соединений, редких элементов, производства лаков, красок, пластмассы и прочих нужных продуктов используется каменный уголь. Он недорог, несложен в обработке и незаменим в промышленности.

Что такое каменный уголь

Каменный уголь – это полезное ископаемое, добыча которого необходима для жизнедеятельности человека. С его помощью осуществляются многие процессы, где требуется тепловое воздействие, добываются редкие химические элементы. Ранее им топили печи, но это уходит все дальше в прошлое.

Внешне это блестящий или матовый, неровный черный или темно-бурый экземпляр, напоминающий камень, но не являющийся таковым. В отличие от камня, он крошится в руках при нажиме и горит.

Классификация каменных углей

В основе классификации лежат химические и физические свойства ископаемого. Общее разделение:

Бурый уголь – образовался позднее других видов. Отличается низкой температурой сгорания.
Каменный – самый распространенный и используемый вид. Добывается открытым способом или в шахтах.
Антрацит – наиболее древний и твердый представитель. Имеет самую большую температуру сгорания из всех видов.

Бурый уголь отличается от каменного:

цветом;
меньшим содержанием азота и углерода;
тем, что легче горит;
дает больше дыма;
выделяет меньше тепла.

Минерал разделяется по степени углефикации и размерам. На основе этих параметров была придумана и внедрена маркировка, отражающая характеристики конкретного сорта ископаемого. Это удобно для использования в промышленности.

Смотрите познавательный видеообзор про минерал:

По степени обогащения

Перед использованием добытую породу подвергают обработке – обогащению. Это увеличение содержания углерода за счет очищения от минеральных примесей, что повышает горючесть.

Часто применяется мокрый способ – ископаемое загружают в водную среду, в которой идет расслоение на примеси и камень. Это происходит из-за того, что минеральные добавки имеют меньшую плотность. Машины для такого обогащения называются отсадочными.

Промышленное разделение по степени обогащения минерала:

Промпродукты. Используются в металлургии.
Концентраты. Из них получают энергию для электростанций, отопления.
Шламы – мелкая угольная пыль. Идет для нужд населения, для этого ее прессуют в брикеты.

По степени углефикации

Углефикация – процесс превращения торфа в бурый уголь или каменного – в антрацит. Это степень насыщения углеродом конкретного куска ископаемого, определяющая его свойства – горючесть, спекаемость, теплоту сгорания. Зависит от возраста – чем он меньше, тем ниже степень углефикации.

Наивысшей степенью углефикации обладает антрацит, низкой – блестящие угли марок М и Д, остальные типы относятся к средней степени.

По размерам

Добываемые ископаемые отличаются по длине и ширине (это называется фракция), потому существует классификация, где куски определенного размера имеют свое название, сокращенно обозначаемое одной буквой.

Иногда такое разделение называется сортом. Хотя используется буквенное обозначение, к маркам это не имеет отношения.

Классификация по размерам (фракциям):

Название	Размер, мм
Плитный (П)	Более 100
Крупный (К)	51–99
Орех (О)	25–50
Мелкий (М)	13–24
Семечко (С)	6–12
Штыб (Ш)	Менее 6
Рядовой (Р)	Несортированный, имеющий в составе куски разного размера

Марки каменного угля

Минерал подразделяют на марки, деление основано на составе и способности к горению:

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).

Каменный уголь марки Д чаще других используется в ЖКХ и энергетике благодаря следующим свойствам:

много летучих веществ (от 39 %);
мало серы (менее 0,5 %);
мало золы;
теплота сгорания 4700–5400 ккал/кг – это хороший показатель;
содержание воды – 15–16 %;
высокая теплоотдача.

Камень отличается ярким блеском, добывается на территориях Красноярского края и Хакасии.

Происхождение каменного угля

Минерал начал образовываться задолго до появления человека. Примерный возраст – 400–200 миллионов лет. До сих пор у ученых нет однозначного мнения касательного того, растения какой группы образовали залежи каменного угля. Большинство считают, что это папоротниковидные.

Существуют 4 основные теории, пытающиеся объяснить, как образовался каменный уголь:

Самая распространенная – образование торфа, а затем угля произошло из-за распада папоротников, плаунов, хвощей. Однако эта теория не может объяснить пласты ископаемых толщиной в 400–700 метров. Ведь для образования 500 метров ископаемых требуется 2000 метров торфа, т. е. растения одних видов должны были произрастать на территории миллионы лет без изменений погодных условий.
Термическая теория – медленное тление растительных остатков в условиях среды с малым содержанием кислорода с постепенным превращением в обычный уголь, а затем – в каменный. Однако при этом внутри ископаемых не сохранились бы части растений.
Версия с морской водой. Упав в океан, растения подвергались длительному процессу углефикации, находясь под давлением и без кислорода. Теория подтверждается морскими находками – водорослями, песком.
Абиогенная – уголь появлялся путем нагревания метана в присутствии водорода и углекислого газа. По этой теории, находки в пластах являются не остатками растений, а пиролитическим графитом, потому нельзя достоверно определить возраст добываемых ископаемых.

При добыче и обработке в пластах ископаемого иногда встречаются удивительные находки:

вертикально стоящие стволы деревьев;
огромные каменные глыбы весом до 73 кг, имеющие метаморфическое или вулканическое происхождение;
изделия из золота и металла, что указывает на продолжающийся процесс углеобразования;
моллюски, раковины, кольчатые черви;
округлые предметы, напоминающие яйца динозавров.

За происхождение каменный уголь называют консервами солнечной энергии – растения способны накапливать ее в листьях, побегах.

Месторождения и добыча породы

Ископаемое широко распространено – его запасы составляют 15 % от всей суши. Тройка стран-лидеров по добыче каменного угля:

США – мировой лидер. Процент залежей составляет 23 – это более 1600 миллиардов тонн.
Россия. Залежи оцениваются в 13 %.
Китай. Показатель стремится к 11 %.

В России каменный уголь добывают в Кемеровской области, в Кузнецком месторождении, где находится 640 миллиардов тонн ископаемых. Открытие произошло в 1721 году М. Волковым. В 1842 году П. Чихачев оценил запасы бассейна. Во 2-й половине XIX века в Кузбассе начали добывать каменный угль.

В Якутии находится Эльгинское месторождение, его запасы составляют около 2 миллиардов тонн, в Тыве перспективны для разработки Элеготсткие залежи. Другие бассейны – Ленский, Тунгусский, Иркутский, Южно-Якутский, Печерский.

В США самые большие залежи расположены в штате Иллинойс (запас более 360 миллионов тонн).

В Казахстане находится 162 миллиарда тонн ископаемого. Одно из самых крупных месторождений – Экибастузское, другие бассейны:

Шубарколь и Кызылтал – по 2 миллиарда тонн;
Шоптыколь, Мамыт и Эгинсай – по 1 миллиарду тонн;
Каражыра – 890 миллионов тонн.

Месторождения каменного угля обозначают на карте в виде определенного символа – черного квадрата, а бурого – заштрихованного.

В республике Хакассия основное месторождение находится в Минусинской котловине. Разработки ведутся с 1904 г. Хакасский каменный уголь добывают в Изыхском и Черногорском бассейнах.

В Африке добывают минерал на территориях:

Страны-экспортеры каменного угля по рейтингу, объем указан в миллионах тонн в год:

Австралия – 193;
Китай – 91;
ЮАР – 69,3;
Индонезия – 66,4;
США – 44,1;
Россия – 41;
Колумбия – 37,1;
Канада – 30,6;
Казахстан – 28;
Польша – 23.

Смотрите передачу о добыче камня в России:

Физико-химические свойства камня

Основной элемент камня – углерод, потому он хорошо и долго горит. Помимо этого, в нем содержится вода. Соотношение элементов зависит от возраста минерала:

Название угля	% воды	% углерода	% летучих веществ	Как воспламеняется	Как горит	Теплоотдача
Бурый	До 43	До 45	До 50	Хорошо	Хорошо	Низкая
Каменный	До 12	75–95	До 32	Отлично	Хорошо	Средняя
Антрацит	1–3	85–95	Менее 9	С трудом	Слабо, без дыма из-за малого объема летучих примесей	Высокая

удельный вес – 1,5–1,7 г/см2;
температура горения в печи – 700–1100 °С;
блеск – выраженный, с металлическим оттенком, реже – золотистый;
удельная теплоемкость – 1300 Дж/(кг × К);
удельная теплота сгорания – 5700 ккал/кг;
излом – неровный, раковистый;
твердость угольной золы по шкале Мооса – 2;
срок хранения каменного угля – 6–18 месяцев.

К просмотру передача, где ученый в занимательной форме рассказывает про свойства минерала:

Применение каменного угля в промышленности

В отношении каменного угля, используемого в промышленности, применяется ГОСТ 32464-2013 – постановление, в котором описаны технические требования, методы определения химического состава, классификация по разным параметрам.

В основе использования ископаемого лежит реакция пиролиза каменного угля – нагревание без каких-либо реагентов. В современной промышленности все чаще используются различные химические добавки, ускоряющие реакцию. Этапы пиролиза:

конденсация;
полимеризация;
ароматизация;
алкилирование.

Низкотемпературный пиролиз, протекающий при 500–600 °С. Это полукоксование.
Высокотемпературный процесс, или коксование. Идет при 900–1100 °С.

Все продукты коксования делятся на 3 группы:

Твердые – кокс. Используется в черной и цветной металлургии.
Жидкие – каменноугольная смола. Из нее получают более 250 химических соединений. Основные – технические масла, синтетическое топливо, нафталин, бензол, аммиак. Из толуола делают красители, тротил и сахарин.
Газообразные – пиролизный газ. Альтернативный источник энергии и тепла.

При переработке ископаемого можно получить следующие продукты, используемые в промышленности:

ванадий, серу, цинк, свинец;
ксилол и бензол – используются в лакокрасочной промышленности;
твердое топливо, идущее на обогрев домов и обеспечивающее работу предприятий;
жидкое топливо – получается при сжижении твердого;
светильный газ, применяемый для освещения;
золу – применяется в строительстве.

Ископаемое относится к 4-му классу опасности, как легковоспламеняющееся вещество, способное к нагреву.

Для личного использования ископаемые применяют с целью получения тепла. Там, где мало древесины или сложно заготовить дрова, можно топить баню углем. Во многих домах до сих пор стоят печи. Помещения, отапливаемые с помощью каменного угля, хорошо прогреваются и приемлемы даже для суровых зим.

Разжечь каменный уголь непросто – нужны охапка дров, древесная щепа или лучины, солома, бумага. Сначала укладывают несколько дров, на них – щепу (лучины), сверху – солому. Поджигают бумагу, с ее помощью – солому. Далее постепенно загорается древесина. Остальные дрова подкладывают по мере освобождения места. В самый жар кладут каменный уголь. Процесс подготовки окупается длительным временем сгорания и хорошей теплоотдачей.

В качестве удобрения золу каменного угля не применяют – в ней мало питательных веществ, могут быть примеси тяжелых металлов. Единственное приемлемое решение – использование на высоко щелочных почвах для нормализации кислотности – зола закисляет грунт.

Некоторые люди предлагают жарить шашлык на нем, но делать этого не стоит.

Предлагаем посмотреть зарубежную передачу о том, какая ситуация сложилась с полезным ископаемым в Европе:

Стоимость ископаемого

Каменный уголь – недорогое ископаемое. Антрацит стоит от 8000 до 11000 рублей за тонну, длиннопламенный уголь мелкой фракции можно купить за 4000–6000 рублей.

Каменный уголь – универсальное и удивительное по функциональности для человека творение природы. Он помогает производить много используемых повседневно вещей, а также топить дома и бани.

Вам доводилось использовать каменный уголь? Поделитесь статьей с друзьями и знакомыми.

Читайте также: