Каменный уголь реферат по химии

Обновлено: 05.07.2024

Уголь был основным источником энергии и химического сырья в XIX и начале XX века. Начиная с 30-х годов и особенно в 40–70-е годы на первое место в топливно-энергетическом балансе СССР и развитых зарубежных стран вышли нефть и природный газ. Их преимущества перед углем заключаются в отсутствии балласта (золы и воды), они характеризуются большей теплотой сгорания, лучшей транспортабельностью, возможностью быстрого наращивания объема производства и получения жидких топлив и химического сырья с меньшими, чем при использовании угля, затратами.

Содержание

Введение
1.Состав и классификация углей.
1.1.Золошлаковые продукты и их состав
2. Структура и строение углей
2.1. Задачи углехимии
3.Физические свойства углей
4.Основные закономерности угленакопления
4.1.Условия залегания
Заключение
Список литературы

Работа содержит 1 файл

Химический соста и физические сво-ва углей.docx

Министерство образования и науки Украины

Одесский национальный университет имени И.И Мечникова

Кафедра морской геологии

Химический состав и физические свойства углей

Студенки 4-го курса

1.Состав и классификация углей.

1.1.Золошлаковые продукты и их состав

2. Структура и строение углей

2.1. Задачи углехимии

3.Физические свойства углей

4.Основные закономерности угленакопления

Твердые горючие ископаемые – каменные и бурые угли, горючие сланцы, торф – составляют более 90% всех горючих ископаемых мира. По запасам угля Россия уступает только США, а в Украине уголь является единственным реальным энергоносителем на дальнюю перспективу.

Увеличение стоимости нефти и постепенное истощение наиболее богатых ее источников привело к возрастанию доли угля в топливном балансе и развитию работ по производству из угля новых продуктов, включая и синтетические жидкие, и газообразные топлива.

В связи с этим 90-е годы следует считать периодом подготовки к новому значительному увеличению доли угля в топливно-энергетическом балансе, к осуществлению новых много - тоннажных технологических процессов переработки угля и других твердых горючих ископаемых. В последние годы, благодаря высоким ценам на нефть и газ интерес к углю в мире как альтернативному энергоносителю постоянно растет.

1.Состав и классификация углей

Угли – это твердые горючие вещества органического происхождения. Ископаемые угли имеют различные физические и химические свойства, что обусловлено различием в исходном растительном материале, глубине химических превращений и внутримолекулярных перестроек растительных остатков.(Рис.1)

В зависимости от стадии метаморфизма различают:

Они отличаются между собой химическим составом, физическими свойствами и показателями качества.

Бурые угли делят на две группы: лигниты и собственно бурые угли.

- Лигниты состоят из остатков древесины и имеют волокнистое строение. Собственно бурые угли не имеют ясно выраженных растительных остатков. Цвет этих углей различный – от темно-бурого до черного. Содержание углерода – 68 – 80 %, гигроскопической влаги – 25 – 30 %, выход летучих веществ – более 45 %, плотность – 800 – 1250 кг/м3. Бурый уголь, находясь на воздухе, рассыпается в мелочь.

Каменный уголь имеет черный цвет, теплоту сгорания 31 – 37 кДж/кг, плотность 1250 – 1500 кг/м3; содержит 3–4 % гигроскопической влаги, 80–92 % углерода, 11–45 % летучих веществ.

Антрацит (рис.2) имеет черную со стекловидным блеском поверхность, острые края при изломе, теплоту сгорания 35–38 кДж/кг, содержит летучих веществ до 6 %.

Уголь не является однородным веществом, а состоит из нескольких петрографических разновидностей:

- дюрен – матовый, твердый, не имеющий слоистости уголь, встречается в виде мощных пачек;

- кларен – блестящий уголь с выраженной полосчатой текстурой, встречается в виде мощных пачек или даже целых пластов;

- витрен – блестящий уголь, напоминающий кларен, но отличающийся небольшими размерами включений, отсутствием включений других разновидностей и большей плотностью;

- фюзен – матовый уголь волокнистого строения, по внешнему виду напоминает измельченный древесный уголь, встречается в виде небольших линз на плоскостях напластования.

Разновидности угля имеют следующую зольность: витрен и кларен – до 2 %; дюрен – 6–12 % и фюзен – 15–25 %. Кларен и витрен хорошо коксуются, дюрен слабо, а фюзен не коксуется. Наиболее прочной разновидностью является дюрен, а наиболее хрупкой – фюзен.

Знание петрографического состава углей необходимо для определения оптимальных пределов дробления, рационального предела их обогащения и способов технологической переработки. Угли состоят из органической (горючей) массы и негорючих компонентов (минеральных примесей и влаги).

В состав органической массы входят следующие химические элементы: углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), сера (S), фосфор (Р). Самый ценный элемент в углях – углерод, содержание которого возрастает с увеличением стадии метаморфизма. К минеральным примесям относятся: глинистый сланец (Al2O3··SiO2·2H2O), песчанистый сланец (SiO2), пирит (FeS2), сульфаты (CaSО4), карбонаты (MgCО3, FeCО3 и др).

Минеральные примеси, перешедшие в уголь из растительных организмов, называются связанными, а примеси, попавшие в период накопления растительных остатков, – наносными. Минеральные примеси, которые попали в уголь при его добыче, называются свободными. При обогащении могут быть удалены только свободные минеральные примеси.

Промышленная классификация углей предусматривает деление углей на различные марки и группы в зависимости от их физико-химических свойств и возможности использования для технологических или энергетических целей. Угли каждого бассейна разделяют на марки и группы, причем угли одноименных марок и групп различных бассейнов имеют неодинаковые пределы классификационных параметров. Поэтому угли разных бассейнов, характеризуемые одинаковыми классификационными параметрами, при технологическом использовании могут давать различный по физико-механическим свойствам продукт. Все угли условно делят на две технологические группы: коксующиеся и энергетические.

1.1.Золошлаковые продукты и их состав

Анализ состава углей показывает, что они содержат цветные, черные, редкие, благородные, радиоактивные, рудные и нерудные элементы, на долю которых приходится около 1% минеральной части. В золошлаковых (Рис.3) массах эти элементы еще более сконцентрированы.

Золошлаковые материалы могут неограниченно использоваться как добавки и наполнители при производстве широкого спектра строительных материалов и полностью обеспечивают требования санитарии, включая радиологический аспект.

Ежегодно в Европе до 6 млн. тонн только зольной пыли - утилизированного продукта сгорания угля - как альтернатива природным материалам используется в качестве добавки к цементу, при изготовлении цементного клинкера, растворов, бетонов, бетонных блоков. Использование техногенных отходов в стройиндустрии - обычная практика: они широко применяются в производстве кирпича, строительных конструкций, устройстве дорожного полотна.

2. Структура и строение углей

Ископаемый уголь представляет собой сложную дисперсную систему, включающую в себя три взаимосвязанные макросоставляющие: органическую массу, влагу и минеральные компоненты. Они характеризуют марочный состав и определяют пути рационального использования углей. Для характеристики свойств конкретного угля следует учитывать роль каждой из трех составляющих его частей.

Элементный состав органической массы углей (ОМУ), структура макромолекул и характер надмолекулярного структурирования определяют основные физико-химические и химико-технологические свойства углей. Физико-химические свойства органического вещества углей существенно зависят от степени их метаморфизма. Определение пригодности углей для конкретных технологических процессов невозможна без учета физико-химических особенностей строения угля. В связи с этим возникает необходимость в установлении связи между структурой и свойствами углей. Это - одна из основных проблем угле-химии. Все физико-химические свойства ОМУ определяются внутри- и межмолекулярным взаимодействием. Внутримолекулярные взаимодействия обусловливают совокупность энергетических характеристик изолированной молекулы, а межмолекулярные взаимодействия - надмолекулярное строение твердого тела (форма упаковки, тип кристаллической решетки и т.д.). Оба типа взаимодействий - следствие особенностей элементного состава и химической структуры ОМУ. Это демонстрирует рис. 1, где показано, что многие физико-химические свойства ОМУ меняются в зависимости от стадии углефикации; ряд свойств характеризуется максимальными или минимальными значениями при содержании углерода 80-90 %.

Структура (рис.4) органической массы углей весьма разнообразна, но условно структура углеводородной части находится в промежутке между двумя крайними состояниями, а именно: между насыщенными и ароматическими структурами, которые существенно различаются по физико-химическим свойствам. В насыщенных соединениях углеродные атомы находятся в sp3-гибридном состоянии. Они образованы с помощью относительно менее прочных простых С–С связей и более склонны к термической деструкции. Множественные пространственные конформации этих соединений составляют непрерывный ряд по энергиям, что обусловливает метастабильность структуры. В ароматических структурах углеродный атом находится в sp2-гибридном состоянии; С–С связи примерно в 1,5 раза прочнее, чем простые связи С–С, поэтому ароматические соединения имеют относительно жесткую структуру. Конденсированные ароматические соединения склонны к образованию кристаллической структуры и при числе колец n ≥ 4 из-за сильного межмолекулярного взаимодействия при нагревании, не успев сублимировать, разлагаются.

Взаимосвязь структуры и свойств ОМУ базируется на фундаментальных исследованиях. В целом, фундаментальные исследования ОМУ условно можно разделить на два направления: исследование молекулярной структуры и исследование надмолекулярного строения.

W – показатель механической прочности;

– действительная плотность, г/см3;

– выход летучих веществ из аналитической пробы, % (масс);

Рmax – максимальное давление распирания, кгс/см2; х – пластометрическая усадка, мм; Y-толщина пластического слоя, мм; RI – индекс Рога; SI – индекс свободного вспучивания; – индекс максимальной пластичности (по методу Гизелера); С – содержание углерода, %.

2.1. Задачи углехимии

Одна из главных задач углехимии – исследование реакционной способности углей в различных процессах с целью разработки эффективных путей переработки ОМУ в продукты с заданными свойствами. Естественно, что решение этой задачи должно базироваться на данных структурно-химических показателей ОМУ.

В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал по исследованию структуры и реакционной способности ОМУ физико-химическими методами. Однако интерпретация данных по связи структуры и свойств ОМУ часто противоречива из-за отсутствия единой точки зрения на ее структуру носит описательный, качественный характер и не может быть использована для количественной оценки свойств углей в термохимических процессах их переработки. Молекулярная структура ОМУ устанавливается как по данным прямых спектроскопических и рентгеноструктурного методов анализа, так и косвенно, по составу продуктов превращения. Согласно этим данным, структура ОМУ неоднородна и состоит, в основном, из макромолекул нерегулярного строения различной величины. Поэтому, когда речь идет о молекулярной структуре органической массы, подразумевается средняя структура единицы массы угля, которая конструируется по экспериментальным данным.

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 собой смесь высокомолекулярных ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей.

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

РЕФЕРАТ ПО ХАЛИКОВОЙ.doc

Классификация каменных углей………………………………………. 4

Строение и свойства каменных углей…………………………………….6

Применение каменных углей……………………………………………..8

Список используемой литературы…………………………………………………… ..10

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.

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 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 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. 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.

Классификация каменных углей

В основу технологической классификации каменных углей положены выход летучих веществ и толщина образующегося при нагревании пластического слоя. В табл.1 приведена технологическая классификация углей одного из бассейнов, по которой они делятся на 7 марок (классов).

Таблица 1. Технологическая классификация углей

Выход летучих веществ, %

Толщина пластического слоя, мм

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. Состав минеральных примесей – кварц, глинистые минералы, полевые шпаты, пирит, марказит, карбонаты и другие соединения, содержащие Большая часть минеральный примесей при сжигании превращается в золу.

В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние – в антрациты. Необратимый процесс 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.

Характерные физические свойства каменного угля:

Строение и свойства каменных углей

Каменные угли различной природы являются наиболее распространенным видом твердого ископаемого топлива. Это неоднородные твердые вещества черного или черно-серого цвета, включающие четыре типа макроингредиентов, различающихся по блеску, внешнему виду и составу: блестящий (витрен), полублестящий (кларен), матовый (дюрен) и волнистый (фюзен). Соотношение этих ингредиентов, составляющих органическую массу каменных углей, характеризует их структуру, химический и минералогический состав и обуславливает их многообразие и различие свойств.

В состав органической части каменных углей входят битумы, гуминовые кислоты, гумусовый уголь, гумины,и остаточный уголь.

Битумы- растворимые в органических растворителях вещества. Битумы представляют собой смеси веществ различной химической природы. Битумы слагают воски и смолы, разделяющиеся по своей растворимости в органических растворителях.

Гуминовые кислоты- группа аморфных, темноокрашенных органических кислот невыясненного строения, выделяемых щелочными растворами из торфов, бурых и выветрившихся каменных углей, а также почв. Их объединяет общий тип строения молекул и близость свойств. Окисление гуминовых кислот приводит сначала к образованию растворимых в воде полициклических органических кислот с предполагаемой молекулярной массой 300-400, а затем к образованию низкомолекулярных бензолкарбоновых и алифатических кислот, углекислоты и воды. Гуминовые кислоты разделяются по растворимости в свою очередь на: гумусовые кислоты, гематомелановые кислоты и фульвокислоты.

Гумусовый уголь, гумины, остаточный уголь- нейтральные продукты дальнейшего усложнения гуминовых кислот и битумов. От битумов и гуминовых кислот гумусовые вещества отличаются нерастворимостью в органических растворителях и щелочных растворах. Состав их закономерно изменяется в ряду углеобразования в сторону обогащения углеродом.

Молекулярная структура органической части угля представляет собой жесткий трехмерный полимер нерегулярного строения, содержащий подвижную фазу в виде разнообразных мономолекулярных соединений. Обе фазы построены из отдельных фрагментов, включающих ароматические, в том числе многоядерные и гидрированные системы с алифатическими заместителями, и азотсодержащие гетероциклы, соединенные мостиковыми связями С-С, С-О-С, C-S-C и C-NH-C. Степень конденсированности фрагментов (п) зависит от степени углефикации каменного угля. Так, при степени углефикации 18% п = 2, при степени 90% п=4, для антрацита n = 12. В составе каменных углей установлено также наличие различных функциональных групп: гидроксильной (спиртовые и фенольные), карбонильной, карбоксильной и серосодержащих групп - SR - и - SH.

Важнейшими характеристиками каменных углей, от которых зависят возможность и эффективность их использован ия, являются зольность, влажность, сернистость, выход летучих веществ и механические свойства, а для углей, применяемых в качестве сырья для термохимической переработки, - также спекаемость и коксуемость.

Зольность. Золой называется негорючая часть угля, состоящая из минеральных веществ, содержащихся в топливе. В состав золы входят оксиды алюминия, кремния, железа (III), кальция и магния. Высокая зольность снижает теплоту сгорания угля и ухудшает качество получаемого кокса. Зольность каменных углей колеблется от 3 до 30% и может быть снижена их обогащением. Угли, используемые для коксования, должны иметь зольность не выше 1-1,5%.

Влажность. Общая влажность угля состоит из внешней, образующей капли или пленки на поверхности, и внутренней (пирогенетической), выделяемой в процессе коксования. Влага, являясь балластом, удорожает транспортировку угля, затрудняет подготовку его к коксованию, хранение и дозировку, а также повышает расход тепла на коксование и увеличивает время коксования. Влажность углей, используемых для термохимической переработки, не должна превышать 1%.

Сернистость. Сера в каменных углях находится в виде колчеданной, сульфатной и органической. Общее содержание серы в углях колеблется от 0,4 до 8%. Так как в процессе коксования большая часть серы остается в коксе и может при выплавке чугуна переходить в металл, вызывая его красноломкость, уголь необходимо десульфировать обогащением.

Выход летучих веществ. Летучим и веществами каменного угля называются парообразные и газообразные вещества, выделяющиеся из угля при нагревании его без доступа воздуха при определенной фиксированной температуре. Выход летучих веществ зависит от условий образования, химического состава и степени углефикации угля, а также от температуры, скорости нагревания и выдержки при заданной температуре. С увеличением степени углефикации выход летучих веществ уменьшается. Так, для торфа он составляет около 10%, для бурых углей - 65-45%, каменных углей - 45-10%, для антрацита - менее 10%. Методика выхода летучих веществ стандартизирована. Он определяется нагреванием навески угля при 850ғС и выдерживании при этой температуре в течение семи минут.

Коксуемость Коксуемость углей обусловливается совокупностью всех процессов, которые протекают при нагреве их до более высоких температур (1000—1100° С) и включают кроме процессов спекания упрочнение и усадку материала полукокса и кокса, образование трещин и другие явления. Поэтому коксуемостью называют способность угля самостоятельно или в смеси с другими углями при определенных условиях подготовки и нагревания до высоких температур образовывать кусковой пористый материал — кокс, обладающий определенной крупностью и механической прочностью.

Удельный вес каменного угля 1,2 – 1,5 г/см 3 ,теплота сгорания 35000 кДж/кг. Каменный уголь считается пригодным для технологического использования если после сгорания зола составляет 30% или менее.

Применение. 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.

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.

Каменный уголь — твёрдое горючее полезное ископаемое, которое с давних времён используется человеком для обогрева помещений. Кроме того, каменный уголь успешно используют в различных отраслях промышленности. В статье кратко изложим информацию о свойствах каменного угля, описание его видов, способов добычи и использовании.

Как образовался каменный уголь

Каменный уголь — это горная порода, твёрдое полезное ископаемое, образованное из разложившихся останков животных и растений. Относится к исчерпаемым невозобновимым природным ресурсам, то есть к тем, которые не восстанавливаются или скорость восстановления которых очень мала.

Каменный уголь появился на планете около 350 млн лет назад, когда на древних болотах росли огромные древовидные папоротники и голосеменные растения. Отмирая, они опускались на дно водоёма, придавливаясь толщей воды. Так образовался торф, который под дальнейшим многовековым давлением воды и другой органики постепенно превращался в каменный уголь.

Рис. 1. Залежи каменного угля.

Основные запасы каменного угля относят к эре Палеозоя, когда планету населяли динозавры и гигантские растения. Обильная растительность той эпохи способствовала более интенсивному формированию природного горючего вещества.

Способы добычи каменного угля

В древности каменный уголь собирали в местах выхода пласта на поверхность. Это могло происходить по двум причинам:

смещение слоёв земной коры;
обвалы в горной местности.

Позже, с появлением первой техники, люди научились разрабатывать каменный уголь открытым способом. Места, где добывают каменный уголь, называют угольными шахтами или копями. Поначалу они были глубиной до нескольких десятков метров. В настоящее время, благодаря мощным техническим приспособлениям, угольные копи достигают в глубину более 1000 метров.

Рис. 2. Угольная шахта.

Разновидности угля

Особенность угля такова, что он залегает пластами, и внешне его залежи напоминают обгоревшую древесину. Соотношение компонентов в каменном угле нестабильно, и от преобладания тех или иных элементов уголь делят на виды. К самым распространённым видам каменного угля относят:

Бурый уголь. Образован из остатков торфа, является самым молодым видом угля. Бурая разновидность угля насыщена водой, и потому отличается низкой теплотой сгорания. Используется для обогрева частных домов.
Антрацитовый уголь. Наиболее твёрдый, древний сорт каменного угля, расположенный на большой глубине и обладающий максимальной теплотой сгорания.

Основной химический элемент каменного угля — углерод, который и определяет свойства полезного ископаемого. Его концентрация зависит от условий образования, процессов и возраста угольных пластов. Процент углерода определяет качество природного топлива: чем он выше, тем выше теплота сгорания порода, и тем больше она ценится в качестве источника тепла и энергии.

Рис. 3. Антрацитовый уголь.

Применение каменного угля

Каменный уголь часто называют солнечной энергией, заключённой в камень. При сгорании он выделяет большое количество тепла — гораздо больше, чем можно получить от дров или иного твёрдого вида топлива.

Самые жаркие сорта каменного угля успешно используют в металлургии, ведь там нужны очень высокие температуры.

Что мы узнали?

Каменный уголь — исчерпаемое невозобновимое полезное ископаемое. Он образовывался на протяжении тысяч лет. Свойства каменного угля зависят от содержания углерода — чем оно выше, тем большей теплотой сгорания обладает уголь. К интересным фактам стоит отнести применение угля: используют его не только в качестве топлива, но и для изготовления различной продукции.

Читайте также: