Каменный уголь - осадочная порода, которая образуется в земном пласте. Уголь - превосходное топливо. Считается, что это самый древний вид топлива, который использовали наши далекие предки.
Как образуется каменный уголь
Для образования угля необходимо огромное количество растительной массы. И лучше, если растения накапливаются в одном месте и не успевают разлагаться полностью. Идеальное место для этого - болота. Вода в них бедна кислородом, что препятствует жизнедеятельности бактерий.
В болотах накапливается растительная масса. Не успевая полностью сгнить, она спрессовывается следующими отложениями почвы. Так получается торф - исходный материал для угля. Следующие пласты почвы как бы запечатывают торф в земле. В результате он полностью лишается доступа кислорода и воды и превращается в угольный пласт. Процесс этот длительный. Так, большая часть современных запасов каменного угля образовались в эпоху палеозоя, т. е. более 300 млн. лет назад.
Характеристики и виды каменного угля
(Бурый уголь )
Химический состав угля зависит от его возраста.
Самый молодой вид - бурый уголь. Он залегает на глубине порядка 1 км. Воды в нем еще много - около 43%. Содержит большое количество летучих веществ. Хорошо воспламеняется и горит, но тепла дает мало.
Каменный уголь - этакий "середнячок" в этой классификации. Залегает он на глубинах до 3 км. Так как давление верхних пластов больше, то и содержание воды в каменном угле меньше - около 12%, летучих веществ - до 32%, зато углерода содержится от 75% до 95%. Он также легко воспламеняется, но горит лучше. А за счет малого количества влаги дает больше тепла.
Антрацит - более древняя порода. Залегает на глубинах порядка 5 км. В нем больше углерода и практически нет влаги. Антрацит - твердое топливо, плохо воспламеняется, зато удельная теплота сгорания самая высокая - до 7400 ккал/кг.
(Уголь антрацит )
Впрочем, антрацит - это не конечная стадия преобразования органического вещества. Попадая в более жесткие условия, уголь трансформируется в шунтит. При более высоких температурах получается графит. А испытывая сверхвысокое давление, уголь превращается в алмаз. Все эти вещества - от растения до алмаза - состоят из углерода, только молекулярная структура разная.
Помимо основных "ингредиентов" в состав угля часто входят различные "породы". Это примеси, которые не сгорают, а образуют шлак. Содержится в угле и сера, причем ее содержание обуславливается местом образования угля. При сгорании она взаимодействует с кислородом и образует серную кислоту. Чем меньше примеси в составе угля, тем выше ценится его сорт.
Месторождение каменного угля
Место залегания каменного угля называют угольным бассейном. В мире известно свыше 3,6 тысяч угольных бассейнов. Их площадь занимает около 15% территории земной суши. Самый большой процент залежей мирового запаса угля в США - 23%.На втором месте - Россия, 13%. Замыкает тройку стран-лидеров Китай - 11%. Самые крупные залежи угля в мире находятся в США. Это Аппалачский каменноугольный бассейн, чьи запасы превышают отметку в 1600 млрд. тонн.
В России самый большой угольной бассейн - Кузнецкий, что в Кемеровской области. Запасы Кузбасса составляют 640 млрд. тонн.
Перспективна разработка месторождений в Якутии (Эльгинское) и в Тыве (Элегестское).
Добыча каменного угля
В зависимости от глубины залегания угля применяют либо закрытый способ добычи, либо открытый.
Закрытый, или подземный метод добычи. Для этого метода строят шахтные стволы и штольни. Шахтные стволы строят, если глубина залегания угля 45 метров и выше. От нее ведут горизонтальный тоннель - штольню.
Существуют 2 системы закрытой добычи: камерно-столбовая и добыча длинными очистными забоями. Первая система менее экономична. Ее используют лишь в тех случаях, когда обнаруженные пласты мощные. Вторая система гораздо безопаснее и практичнее. Она позволяет извлекать до 80% породы и равномерно доставлять уголь на поверхность.
Открытый метод применяют, когда уголь залегает неглубоко. Для начала проводят анализ твердости почвы, выясняют степень выветриваемости почвы и слоистость покрывающего слоя. Если грунт над пластами угля мягкий, достаточно использования бульдозеров и скреперов. Если верхний пласт толстый, то пригоняют экскаваторы и драглайны. Пролегающий над углем мощный слой твердой породы взрывают.
Применение каменного угля
Область использования каменного угля просто огромна.
Из угля добывают серу, ванадий, германий, цинк, свинец.
Сам уголь - превосходное топливо.
Используется в металлургии для выплавки железа, при производстве чугуна, стали.
Полученную после сжигания угля золу используют в производстве строительных материалов.
Из угля после его специальной обработки получают бензол и ксилол, которые используют в производстве лаков, красок, растворителей, линолеума.
Путем сжижения угля получают первоклассное жидкое топливо.
Уголь - сырье для получения графита. А также нафталина и еще ряда ароматических соединений.
В результате химической обработки каменного угля на сегодняшний день получают свыше 400 видов промышленных продуктов.
Чтобы превратить торф в каменный уголь, требуется много времени. Слои торфа постепенно накапливались в торфяных болотах, а сверху зарастала все большим количеством растений. На глубине сложные соединения, находящиеся в разлагающихся растениях, распадаются на все более простые. Их частично растворяет и уносит вода, а часть их переходит в газообразное состояние, образуя метан и углекислый газ. Бактерии и разнообразные грибки, населяющие все болота и торфяники, также играют немаловажную роль в образовании угля, так как способствуют быстрому разложению растительных тканей. Со временем в процессе таких изменений в торфе начинает накапливаться углерод, как наиболее стойкое вещество. С течением времени углерода в торфе становится все больше.
Важным условием при накоплении в торфе углерода является отсутствие доступа кислорода. В противном случае углерод, соединившись с кислородом, превратился бы в углекислый газ и улетучился. Слои торфа, преобразующиеся в каменный уголь, изолируются вначале от воздуха и содержащегося в нем кислорода водой, их покрывающей, а сверху вновь возникающими слоями торфа из гниющего слоя растений и растущими на них новыми зарослями.
Стадии каменного угля
Первая стадия - это лигнит, рыхлый уголь бурого цвета, наиболее похожий на торф, не самого древнего происхождения. Ясно просматриваются в нем остатки растений, особенно древесины, так как она разлагается дольше. Лигнит образуется в современных торфяных болотах средней полосы, и состоит из камыша, осоки, торфяного мха. Древесный торф, который образуется в субтропической полосе, например, на болотах Флориды в США, очень похож на ископаемый лигнит.
Бурый уголь создается при более сильном разложении и изменении растительных остатков. Его цвет черный или темно-бурый, в нем реже встречаются остатки древесины, а остатков растений нет вовсе, он крепче лигнита. При горении бурый уголь выделяет намного больше тепла, так как углеродистых соединений в нем больше. Со временем бурый уголь превращается в каменный уголь, но не всегда. Процесс преобразования происходит только в том случае, если слой бурого угля опустится в более глубокие пласты земной коры, когда происходит процесс горообразования. Чтобы превратить бурый уголь в каменный или в антрацит, нужна очень высокая температура земных недр и большое давление.
В каменном угле останки растений и древесины можно найти только под микроскопом, он блестит, тяжел и крепок почти как камень. Черный и уголь под названием антрацит содержит наибольшее количество углерода. Этот уголь ценится выше всего, так как при сгорании дает больше всего тепла.
С древности каменный уголь является источником энергии для человечества, не единственным, но широко применяемым. Иногда его сравнивают с солнечной энергией, законсервированной в камне. Его сжигают, получая тепло для отопления, нагревая воду, на тепловых станциях преобразуют в электричество, используют для выплавки металлов.
С развитием новых технологий научились использовать каменный уголь не только для получения энергии путем сжигания. Химическая промышленность успешно освоила технологии производства , редких металлов — галлия и германия. Извлекаются из него композиционные углеграфитовые материалы с высоким содержанием углерода, газообразное топливо высокой калорийности, отработаны методики производства пластмассы. Самый низкосортный уголь, его очень мелкую фракцию и угольную пыль перерабатывают и , которые отлично подходят для отопления как производственных помещений так и частных домов. Всего с помощью химической переработки каменного угля производят более 400 наименований продукции, стоить которые могут в десятки раз больше, чем исходный продукт.
Люди уже несколько веков активно используют уголь как топливо для получения и преобразования энергии, с развитием химической промышленности и потребностей редких и ценных материалов в других отраслях потребность в каменном угле возрастает. Поэтому интенсивно ведется разведка новых месторождений, строятся карьеры и шахты, предприятия по переработки сырья.
Кратко о происхождении каменного угля
На нашей планете много миллионов лет тому назад во влажном климате бурно развивалась растительность. С тех пор минуло 210…280 миллионов лет. Тысячелетиями, миллионами лет миллиарды тонн растительности отмирали, скапливались на дне болот, покрывались слоями наносов. Медленное разложение в бескислородной атмосфере под мощным прессом воды, песка, других пород, иногда в условиях высоких температур из-за близкого расположения магмы, привело к окаменению слоев этой растительности, с постепенным перерождением в уголь разной степени углефикации.
Основные российские месторождения и добыча каменного угля
На планете насчитывают запасы каменного угля выше 15 триллионов тонн. Самые большие добычи полезных ископаемых приходятся на каменный уголь, примерно по 0,7 тонны на человека, это более 2,6 миллиарда тонн в год. В России каменный уголь имеется в разных регионах. Он имеет разные характеристики, особенности и глубину залегания. Вот наиболее крупные и успешно разрабатываемые бассейны каменного угля:
Активное использование сибирских и дальневосточных месторождений ограничивает их удаленность от промышленных европейских регионов. В западной части России также добывается уголь с отличными показателями: в Печерском, Донецком угольных бассейнах. В Ростовской области активно разрабатывают локальные месторождения, наиболее перспективное из них — Гуковское. Переработка каменного угля с этих месторождений дает марки каменного угля высокого качества — антрациты (АС и АО).
Основные качественные характеристики каменного угля
Для разных отраслей промышленности требуется различные марки угля. Качественные показатели его изменяются в широких пределах даже у тех, которые имеют одинаковую маркировку и во многом зависят о месторождения. Поэтому предприятия, прежде чем закупать уголь, знакомятся с такими его физическими характеристиками:
По степени обогащения каменный уголь разделяют:
- — Концентраты (сжигают для отопления в паровых котлах и получения электроэнергии);
- — Промышленные продукты, используются в металлургической отрасли;
- — Шлам, фактически это мелкая фракция (до 6мм) и пыль после дробления породы. Сжигать такое топливо проблематично, потому из него формуют брикеты, имеющиех хорошие эксплуатационные характеристики и используют в бытовых твердотопливных котлах.
По степени углефикации:
- — Бурый уголь, это частично сформированный каменный уголь. Имеет невысокую теплоту сгорания, при перевозке и хранении крошится, имеет склонность к самовозгоранию;
- — Каменный уголь. Имеет множество разных марок (сортов) с различными характеристиками. Имеет широкую область использования: металлургия, энергетика, ЖКХ, химическая промышленность и т.п.
- — Антрациты — самая качественная форма каменного угля.
Если сравнивать торф и каменный уголь, теплота сгорания угля выше. Самая низкая теплота сгорания у бурого угля, самая высокая — у антрацитов. Однако, исходя из экономической целесообразности, большим спросом пользуется простой каменный уголь. У него оптимальное сочетание цены и удельной теплоты горения.
Различных характеристик угля очень много, но далеко не все из них могут иметь значение при выборе угля для отопления. В этом случае важно знать всего несколько ключевых параметров: зольность, влажность и удельную теплоемкость. Может быть важно содержание серы. Остальные требуются при подборе сырья на переработку. Что важно знать при выборе угля, так это размеры: насколько крупные куски вам предлагают. Эти данные зашифрованы в названии марки.
Классификация по размерам:
Классификация по маркам и их краткая характеристика:
В зависимости от характеристик каменного угля, его марки, типа и фракции хранится он разное время. (В статье есть таблица, где указаны сроки хранения угля в зависимости от месторождения и марки).
Особое внимание нужно уделять защите угля при длительном его хранении (более 6 месяцев). В этом случае требуется специальный угольный сарай или бункер, где топливо будет защищено от осадков и прямого солнечного света.
Большие кучи угля при длительном хранении требуют контроля температуры, так как при наличии мелких фракций в сочетании с влагой и высокой температурой имеют склонность к самовозгоранию. Желательно приобрести электронный термометр и термопару с длинным шнуром, которую закопать в центре угольной кучи. Проверять температуру нужно один-два раза в неделю, потому что некоторые марки угля самовозгораются при совсем невысоких температурах: бурые – при 40-60 о C, остальные – 60-70 о C. Редко случаются случаи самовозгорания антрацитов и полуантрацитов (в России такие случаи не зарегистрированы).
Периоды накопления и активного использования ископаемого угля несоизмеримы с периодом существования человечества. Возраст угольных месторождений, накапливавшихся в течение миллионов лет, составляет десятки и сотни миллионов лет; активное использование угля началось менее 270 лет назад. При нынешних темпах угледобычи разведанных запасов угля хватит примерно на 500 лет.
Горючий камень – ископаемый каменный уголь – был известен еще в древности. Его примитивная добыча велась в древнем Китае и античной Греции, где он использовался как топливо. Древнеримские виллы отапливались углем месторождений Греции и Италии. Хотя древнегреческий философ Аристотель сравнивал некоторые свойства древесного и ископаемого угля, много веков бытовало мнение о минеральном происхождении ископаемых углей. Так, в 315 году до нашей эры ученик Аристотеля Теофраст называл их «горящими камнями» – «антраксом» (откуда и появилось название «антрацит»). В ХVI веке нашей эры врач и алхимик Парацельс рассматривал природные угли как «камни, измененные действием вулканического огня», а естествоиспытатель Агрикола (рис. 7.1) говорил, что каменный уголь – это отвердевшая нефть.
Русский ученый М.В. Ломоносов в своем трактате «О слоях земных» (1763) выдвинул гипотезу о происхождении ископаемого угля из торфа, а торфа – из скоплений остатков растений на дне болот. Органическое происхождение ископаемых углей было окончательно доказано лишь в ХIХ веке путем микроскопических исследований, обнаруживших в структуре угольного вещества обуглившиеся или частично разложившиеся остатки растительных тканей, зернышек смолы, семян, спор.
На всех континентах Земли и большинстве островов Мирового океана имеются месторождения угля. Открытие каждого из них имеет свою историю.
О добыче и использовании каменного угля в Украине имеются различные сведения. Так, при геологических исследованиях были обнаружены отвалы древней разработки угля в районе г. Бахмут (ныне г. Артемовск), свидетельствующие, что уже в IX–X вв. местное население добывало и использовало его в качестве топлива при производстве различных предметов быта.
В Западной Европе уголь стал использоваться позже. До XVII века для выплавки металла применялся исключительно древесный уголь. Бурное развитие металлургии в
Георг Агрикола (Agricola) (1494–1555), настоящая фамилия Бауэр (Bauer), – немецкий ученый в области геологии, горного дела и металлургии, естествоиспытатель. В 1527–1530 гг. он работал в Санкт-Иоахимстале (Богемия) врачем и аптекарем. Здесь он познакомился с горным пробирным анализом и техникой плавки, приобрел обширные познания в минералогии, геологии, горном деле и металлургии. В 1530 г. Г.Агрикола опубликовал свою первую написанную на латинском языке книгу «Берманнус. Разговор о горном деле», в которой речь шла преимущественно о горной добыче серебра и «опыте работы с минералами». В следующем научном труде Агриколы рассказывается в основном о разработке рудных месторождений, выплавке металлов, добыче соли и горных машинах. Эта монография, состоящая из 12 книг, вышла в свет в 1556 г., через несколько месяцев после его смерти, под названием «О горном деле и металлургии» (De re metallica, libri XII). Более двухсот лет этот труд по горному делу, богато иллюстрированный прекрасными рисунками (см., например, рис. 7.2) – почти три сотни гравюр на дереве, – был основным учебником для горняков и металлургов.
XVIII веке потребовало большого количества топлива, поэтому запасы промышленной древесины резко сокращались. Заменой древесному углю мог стать ископаемый уголь.
К этому времени относятся усиленные поиски месторождений ископаемого угля в различных странах. Интересна история начала потребления каменного угля в Вели
Начало развития Донбасса связано с прозорливостью Петра I, который обратил внимание на образцы местного угля во время Азовского похода в 1696 г. По преданию Петр I произнес: «Сей минерал, если не нам, то нашим потомкам зело полезен будет». В 1722 г. он подписал указ об учреждении Донецкого угольного бассейна. Интересно, что к концу XVII века уголь в европейской промышленности практически еще не применялся, а во всей английской угледобыче было занято не более 150 человек, так что решение Петра было гениальной догадкой.
кобритании. Как писала одна из английских газет сто лет тому назад: «Дело было в начале XIV столетия. Лондонские пивовары, кузнецы и слесари, видя все более возрастающую дороговизну дров, попробовали вместо них жечь каменный уголь, что оказалось и очень удобным, и очень выгодным. Но суеверные горожане сочли сжигание каменного угля делом нечестивым. Была подана особая петиция королю, и употребление каменного угля было воспрещено законом. Однако ввиду дороговизны дров многие тайно продолжали нарушать закон, так что горожане потребовали драконовских мер. Достоверно известно, что один нарушитель закона в Лондоне был казнен, но говорят, что таких случаев было много. Затем строгие законы были отменены, но еще долго против каменного угля было сильное предубеждение ввиду «зловонности этого вида топлива».
Против каменного угля особенно восстали дамы; многие лондонские дамы отказались являться в дома, которые отапливались не дровами, и не прикасались ни к одному блюду, если оно было приготовлено на каменном угле, считая такие кушанья нечистыми.
А ныне каменный уголь составляет силу и богатство Англии, неизбежное условие самой нынешней цивилизации».
Изменились времена и изменилось отношение англичан к углю, в результате чего появилась следующая традиция. У англичан (в особенности у шотландцев) в новогоднюю ночь первым, кто переступит порог дома, должен быть высокий черноволосый мужчина с серебряной монетой и кусочком угля. И тогда в доме в новом году никогда не будет недостатка в еде, всегда будет тепло и уютно.
В России промышленное применение каменного угля взамен древесного возникло в начале XVIII века. Первые достоверные сведения о поиске и разведке ископаемых углей в России относятся тоже к началу XVIII в.
При Петре I, уделявшем большое внимание развитию горного дела, были организованы специальные экспедиции в различные районы страны.
В Донецком бассейне залежи каменного угля были открыты в 1721 г. в районах Бахмута, Лисичанска, Шахты.
Между историками идет спор о первооткрывателях угля в Донбассе. Длительное время считалось, что первооткрывателем каменного угля в Донецком бассейне является Григорий Капустин (рис. 7.3), который в 1721 г. открыл месторождения в районе рек Дона, Курдючей и Осереди.
Однако, как свидетельствуют архивные материалы, в том же 1721 г. бахмутские солевары Никита Векрейский и Семен Чирков нашли в балке Скелеватой в 25 км от Бахмута каменный уголь и начали использовать его в кузницах. А в Лисичьей балке, где потом в 1796 г. вошла в действие первая в Донбассе шахта, открыл месторождение угля в декабре 1722 г. Николай Аврамов – один из руководителей черноморской горной экспедиции.
Григорий Григорьевич Капустин – подьячий села Даниловского, бывшего Костромского уезда. Обследовав районы Верхнего и Среднего Дона, Капустин произвел потом разведку угля в прибрежной полосе Северского Донца (рис. 7.4). Местные поселяне, преимущественно из запорожских казаков, рассказали ему, что они уже давно используют горючий камень в кузницах, и показали свои угольные копи. В начале января 1722 года Григорий Капустин докладывал об итогах экспедиции:
«Доносит Вам рудных дел подьячий Григорий Капустин, что мною вынуто из Донецкой земли уголье близ речки Кундрючья. Прошу принять и опробовать его в лаборатории».
Берг-коллегия, по заданию которой и осуществлялась экспедиция и в составе которой были в основном иностранцы, не отнесла открытие Капустина к числу имеющих промышленное значение.
Но вот в январе 1724 года Петр Первый получает донос Бахмутского управителя Никиты Вепрейского и капитана Семена Чиркова, в котором те сообщали, что на угле, добытом в окрестностях Лисьей балки, бахмутские мастеровые люди варят соль и делают различные кузнечные поковки, а жители близлежащих поселений используют горючий камень для отоплений жилищ.
Вот тогда вдогонку Григорию Капустину Берг-коллегия и направила срочную депешу, в которой изменялся очередной маршрут экспедиции и предписывалось побывать на берегах рек Северского Донца и Верхней Беленькой.
Испытывая недостатки в пище и деньгах, экспедиция Григория Капустина осенью 1724 года, преодолевая все трудности, изучила возле реки Беленькой, в Лисьей балке, невиданный до того пласт угля высотой в 1,14 метра. Это была «эврика» в угольных раскопках, которая удивила иностранных горных инженеров.
Сообщение Григория Капустина о найденных им залежах каменного угля в Донбассе в условиях дворянскокрепостной России не сразу стало основой для промышленной разработки богатых залежей на юге страны, хотя он настойчиво боролся за быстрейшее использование своих открытий.
Лишь через семьдесят лет в Лисьей балке была заложена первая шахта по добыче угля в Донбассе. Здесь, в Лисичанске, впервые началась промышленная разработка углей.
Экспедиции, направленные в другие районы России, сделали также ряд открытий. В 1721 г. было обнаружено угольное месторождение на реке Томь (Кузбасс). К этому же году относится открытие Подмосковного бассейна, а также месторождения в районе г. Кизел на Урале. В 1722–1723 гг. в петербургскую Берг-коллегию поступило много сообщений об угольных пластах в районах рек Дона и Днепра.
Огромное влияние на интенсивный поиск и освоение угольных месторождений оказало развитие металлургической промышленности во многих странах. В частности, освоение Донецкого бассейна тесно связано с постройкой Луганского чугунолитейного завода, перерабатывающего местные руды, который был введен в действие в 1799 г. Одновременно с началом сооружения завода были заложены каменноугольные разработки первично вблизи села Белого, а затем на более богатом месторождении на правом берегу Северского Донца в Лисичьей балке (г. Лисичанск). Лисичанский рудник оставался основным угледобывающим предприятием в Донбассе до конца 60-х годов XIX столетия, т.е. до начала строительства более крупных шахт в его центральных районах.
Сохранился указ Петра I от 7 декабря 1722 г.: «Для копания каменного угля и руд, которые объявил подъячий Капустин, из Берг-коллегии послать нарочного и в тех местах того каменного уголья и руд в глубину копать сажени на три и больше и, накопив пуд до пяти, привесть в Бергколлегию и опробовать».
Аналогично начинали осваиваться угольные месторождения в других угледобывающих странах.
Древние естествоиспытатели считали основным отличительным признаком ископаемых углей способность гореть. Поэтому хронология открытия угля человечеством связана с хронологией развития технологических процессов, в которых уголь используется прежде всего как топливо. Вероятно, первыми уголь в качестве топлива использовали древние китайцы: по некоторым сведениям, в одном из крупнейших угольных районов Китая Фуншуе его применяли для выплавки меди 3 тысячи лет тому назад. Известны китайские трактаты II века до н.э., где упоминается об использовании угля в производстве фарфора, для выпарки соляных растворов и др. По сообщениям знаменитого путешественника Марко Поло, посетившего Китай в 1310 г., уголь широко применялся в промышленности и для отопления. Примерно к этому же времени относятся упоминания об использовании угля как топлива в Англии и Германии и о закладке первых угольных шахт в Англии.
Однако еще в конце XVII века размеры добычи и использования угля в Европе были ничтожны. Так, в угледобывающем районе Англии (Бристоль) на 70 шахтах работало всего 123 человека. Это было связано с тем, что, значительно превосходя дрова по теплоте сгорания и развиваемой температуре, уголь все же уступает им по ряду технологических характеристик – температуре воспламенения, содержанию серы – и, в отличие от сухих дров, дымит. Поэтому, пока лесов в Европе хватало, а плотность населения и уровень развития промышленности были невелики, предпочитали обходиться дровами для отопления, древесным дегтем и смолой как связующими и древесным углем как топливом и восстановителем руд в металлургии.
Считается, что начало использованию каменного угля в химико-технологическом направлении положили работы химика И.Бехера, который в 1681 г. получил патент на «новый метод изготовления кокса и смолы из торфа и каменного угля, никем никогда ранее не открытый и не примененный». Это была термообработка угля без доступа воздуха с отгонкой летучих и серы, превращавшая его в кокс. И.Бехер описывает свое изобретение так: «В Голландии имеется торф, в Англии каменный уголь, но и тот, и другой почти не употребляются для сжигания в доменных печах и для плавки. Я нашел путь, позволяющий превратить и тот, и другой в хорошее горючее, которое не только не дымит и не воняет, но и дает столь же сильный огонь, необходимый для плавки, как и древесный уголь… При этом достойно внимания: как шведы получают свою смолу из соснового дерева, так и я получил свою смолу в Англии из каменного угля, которая одинакова со шведской по качеству, и даже у некоторых углей выше ее. Я производил пробы как на дереве, так и на канатах, и смола показала себя вполне хорошей…» В том же XVII веке англичанин Д.Додлей проводил экспериментальные доменные плавки на ископаемом угле, но подробности осуществления процесса он держал в секрете и унес с собой в могилу.
Открытия И.Бехера и Д.Додлея при их жизни не получили распространения. А тем временем для обеспечения доменных печей и кузниц древесным углем хищнически истреблялись леса. В целях их сохранения английский парламент еще в 1558–1584 гг. издал ряд указов, ограничивающих рост и размещение металлургических предприятий. Тем не менее потребности в металле быстро увеличивались, и к началу XVII века множество лесов в Европе было полностью уничтожено. В промышленно более развитых странах – Англии, Германии, Голландии, Франции – дрова и древесный уголь стали буквально на вес золота, что резко тормозило развитие промышленности и вынудило интенсивно искать альтернативное топливо.
Первые достоверные сведения об организованных поисках и разведке полезных ископаемых, в частности углей, в России относятся к периоду царствования Петра I.
Указом Петра I в 1719 г. была организована Берг-коллегия (Берг-привилегия), которой поручалось руководство горной промышленностью страны и разведка полезных ископаемых. Берг-коллегия привлекла население «как собственных, так и на чужих землях искать, копать, плавить, варить и чистить всякие металлы... и всякие руды земли и каменья».
Первые статистические данные о добыче угля за 1796–1801 гг. свидетельствуют, что в эти годы было добыто 2,4 тыс. т, в 1810 г. – 2,5 и в 1820 г. – 4,1 тыс. т угля.
Еще в 1757 г. М.В. Ломоносов в своем «Слове о рождении металлов» высказал гипотезу о растительном происхождении углей и первый выдвинул идею о том, что каменный уголь образовался из торфа. Эта мысль позже легла в основу общепринятой теперь «теории превращений». Первая работа по изучению каменных углей под микроскопом принадлежит горному инженер-капитану Иваницкому (1842 г.), который писал: «Растительное происхождение каменного угля несомненно и почти можно считать доказанным. Оно основано на постепенностях перехода от торфа и бурого угля до самых кристаллических видов каменного угля и антрацита».
Начало промышленной революции в Европе вполне справедливо связывают с «открытием» ископаемого угля для использования в промышленности, произошедшем через 50–80 лет после открытий И. Бехера. В 1735 г. в Англии А. Дерби применяет уголь, а точнее, кокс, полученный выжигом каменного угля в так называемых «кучах», где примерно треть угля сжигалась и две трети превращались в кокс, в качестве топлива и восстановителя для выплавки металла в доменных печах. В 1763 г. Дж. Уатт в Англии, а через 20 лет после этого И. Ползунов в России изобретают паровую машину, где ископаемый уголь используется в качестве топлива. В том же 1763 г. французские металлурги Жара в Люттихе (Бельгия) и Жанзен в Саарской области строят первые коксовые батареи с производством металлургического кокса и улавливанием смолы коксования. Наконец, в 1792 г. англичанин В. Мэрдок не только повторил 180-летней давности опыты голландского естествоиспытателя Я.Б. ван Гальмонта по получению горючего газа из каменного угля, но и оборудовал газовым освещением свой дом в Редруте. Так определились основные направления использования ископаемого угля: топливо (для паровых котлов и бытовых нужд); топливо и восстановитель (кокс для выплавки металлов); сырье для получения жидких и газообразных продуктов, в свою очередь применяемых как топливо либо химическое сырье.
Ведущую роль в деле внедрения газового освещения в городах сыграл в начале XIX века англичанин Ф.-А. Ванзор. Пожалуй, ему легче было решать технические вопросы, чем преодолевать предрассудки общества. Так, известный английский писатель В.Скотт писал о Ванзоре: «Один сумасшедший предлагает осветить Лондон, – чем бы вы думали? Представьте себе – дымом…» Газеты пестрели заявлениями, что искусственное освещение нарушает божественные законы, по которым ночью должна быть тьма; что освещенные улицы будут способствовать росту пьянства, развращенности населения и простудных заболеваний (имелись в виду ночные гуляки); что при новом освещении будут пугаться лошади и обнаглеют воры… Несмотря на это, в 1812 г. английский парламент утвердил учреждение первой в мире «Лондонской и Вестминстерской компании для газового освещения и производства кокса», в 1816 г. был открыт первый газовый завод в США, в 1820 г. – во Франции, в 1835 г. – в России. В 1885 г. в Англии потреблялось около 2,5 млрд.м 3 светильного газа и ненамного меньше каменноугольного газа как домашнего топлива для приготовления пищи.
К началу XIX века развитие производства кокса для металлургии, с одной стороны, и светильного газа, с другой, еще более увеличило количество получаемой каменноугольной смолы и усилило работы по исследованию возможностей ее использования. В 1815 г. английский химик Аккум стал получать из смолы легкие масла – эссенции, нашедшие применение в качестве растворителей и заменителей древесного скипидара. В 1822 г. в Англии первый смолоперегонный завод начал производить легкую каменноугольную смолу – нафту – для пропитки непромокаемых тканей и плащей. В 1825 г. великий английский физик и химик М.Фарадей выделил из продуктов переработки угля бензол, чем заложил основу химии ароматических соединений. В 1842 г. русский химик Н.Н. Зинин открыл методы промышленного получения каменноугольного анилина – важного промежуточного продукта в синтезе искусственных красителей. Это открытие было практически использовано лишь в 1856 г., когда английский студент В.Перкин, обрабатывая анилин, получил первый искусственный органический краситель – мовеин – и быстро организовал у себя на родине производство целого ряда синтетических красителей.
Казалось бы, какое влияние на углехимию может иметь изобретение сетки накаливания в газовых светильниках? Но дело в том, что до этого бензол из сырого газа не извлекали: только его присутствие обеспечивало удовлетворительную яркость освещения. А после этого изобретения, позволившего использовать для освещения и «обедненный» бензолом газ, появилась возможность промышленного извлечения сырого бензола из каменноугольного газа. «Отцом» промышленного сырого бензола считают немца Брунка. Во многом благодаря ему за последнее десятилетие XIX века Германия увеличила производство сырого бензола при углепереработке в 50 раз.
В настоящее время мировая потребность в сыром бензоле и других жидких продуктах углехимии не перекрывается их производством из угля коксования и полукокосования. Поэтому ряд стран (Австрия, Эстония, Израиль и др.) получают их из своих горючих сланцев. Стоимость продуктов углехимии, получаемых из горючего сланца, в несколько раз превышает стоимость исходного сырья. Сланцевое масло содержит бензино-керосинную фракцию даже в большей доле, чем каменноугольная смола, в связи с чем, например, Австралия планирует в перспективе полностью заменить местным горючим сланцем привозную нефть.
В качестве топлива для энергетических установок уголь безраздельно господствовал вплоть до изобретения двигателей внутреннего сгорания, использующих продукты нефтепереработки и значительно более удобных для мобильной эксплуатации. К концу первой трети XX века уголь был не только полностью вытеснен нефтепродуктами из автои авиатранспорта, но и заметно уступил свои позиции на водном и железнодорожном транспорте. Однако в условиях нефтяной блокады, которой подверглась во время второй мировой войны Германия, а в послевоенные годы – ЮАР, уголь оказался сырьем, способным заменить жидкие моторные топлива. Синтетические жидкие топлива получали из угля путем гидрогенизации (прямого ожижения), пиролиза, газификации угля с последующим каталитическим синтезом Фишера-Тропша. Хотя по экономическим показателям синтетические топлива были дороже нефтяных и со снятием блокады их производство, как правило, прекращалось, постепенное исчерпание нефтяных запасов и устойчивый рост цен на нефтепродукты вынуждают продолжать разработки в данном направлении. В частности, в Украине наиболее благоприятны для производства синтез-топлив днепровские бурые угли, львовско-волынские сапропелиты и болтышские горючие сланцы.
Несмотря на все разнообразие направлений использования ископаемых углей, основными их потребителями и по сей день являются теплоэнергетика, металлургия, а в сельской местности и развивающихся странах – и жилищно-бытовой сектор. И чем больше росло потребление угля в указанных секторах, тем острее становилось противоречие между соотношением требуемых и получаемых марок углей, а также между выходом при добыче и потреблением сортовых фракций и несортовой угольной мелочи. Поэтому еще с конца XIX века интенсивно велся поиск методов устранения этих противоречий, и не без успеха.
Например, из всех марок углей коксующимися свойствами, т.е. способностью при нагревании без доступа воздуха не только отдавать летучие вещества и серу, но и спекаться в монолит с заданной пористостью и механическими свойствами, обладают лишь угли марок Ж (жирный) и К(коксовый), доля которых в общем объеме добычи относительно невелика и не обеспечивает потребности коксовых производств. Исследования характера и природы пластификации и последующего затвердевания углей, начатые в 20-х годах ХХ века Ф. Фишером и впоследствии развитые Г.Л.Стадниковым, Д. ван Кревеленом, Н.С. Грязновым, позволили не только создать стройную теорию пластификации, но и установить возможность получения коксующихся шихт (смесей) из углей меньшей (газовый, длиннопламенный газовый) и большей (отощенный спекающийся) степени метаморфизма, что почти вдвое расширило сырьевую базу производства металлургического кокса.
Из угля были получены отравляющие газы, столь ужасно проявившие себя на полях сражений первой мировой войны. Но на основе угля же, правда, сначала древесного, было изготовлено средство защиты от них. Лечебные качества древесного угля были описаны еще Гиппократом за 400 лет до н.э., но лишь в 1785 г. видный русский химик и фармацевт академик Т.Е. Ловиц показал, что они являются следствием его поглощающих, или адсорбционных, свойств. Ловиц не только заложил основы учения об адсорбции, но и эффективно применил древесный уголь для очистки и обесцвечивания сахарных сиропов и патоки, питьевой воды, сырой селитры и даже алкоголя.
В годы первой мировой войны русский профессор Н.Д. Зелинский изобрел способы активации древесного угля водяным паром и органическими веществами и успешно применил активированный уголь в противогазах. В настоящее время промышленность потребляет много тысяч тонн технических активированных углей, главным образом для очистки сточных вод. Эти технические адсорбенты получают путем активации уже не древесных, а ископаемых углей.
Слоевой метод сжигания угля, который был единственным для печей, каминов, паровых машин и ранних паровых котлов, требовал использования кускового угля (допускалась очень незначительная доля мелочи). Это связано с тем, что при естественной тяге между частицами угля в слое должно оставаться достаточно пространства для свободного доступа окислителя, а при форсированной тяге (дутье) мелкие частицы не должны выноситься из слоя. В период, когда уголь добывался вручную, необходимая доля кускового угля при добыче обеспечивалась шахтерами. При этом пласт выбирался не полностью, а производительность труда шахтеров была низкой. Вызванное ростом потребления увеличение добычи, ставшее возможным только при механизации шахт, резко повысило долю мелочи в объеме добываемых углей. Но сжигание твердого топлива, которое по своей крупности не соответствует оптимальным требованиям, снижает эффективность его использования на 15–20%, а в ряде случаев процесс горения вообще прекращается. В связи с этим возникла задача окусковывания (брикетирования) угольной мелочи для технологий, основанных на потреблении кускового (сортового) угля, и параллельно – задача развития технологий, где возможно использование угольной мелочи и пыли без их окусковывания.
Обычно брикетированию подвергают торф, бурые угли, отсевы каменных углей и антрацитов, мелкозернистый полукокс и кокс. Основными потребителями брикетов являются коммунально-бытовой сектор и коксовая промышленность. Исторически первыми возникли два способа производства брикетов механическим путем: без связующих веществ (за счет собственных связующих свойств торфа и бурых углей) при температуре 40–80°С и давлении прессования 80 МПа и более; с добавкой связующего вещества (нефтебитумов или каменноугольного пека), необходимого для обеспечения сцепления между частицами каменных углей, антрацитов, полукоксовой и коксовой мелочи, при температуре 80–100°С и давлении прессования 15–25 МПа.
История отечественного углебрикетного производства берет начало с середины XIX столетия. В 1870 г. в Одессе была сооружена первая фабрика, выпускавшая антрацитовые брикеты для судов торгового флота. В ХХ веке вводятся в эксплуатацию фабрики брикетирования антрацитовых штыбов в Донбассе (Моспинская, Донецкая и др.), а также крупные буроугольные брикетные фабрики на Александрийском месторождении бурых углей.
В последние десятилетия в мире активно развивается направление брикетирования с термообработкой исходной угольной мелочи или брикетов при температурах 400–500°С. Эти технологии позволяют получать так называемое «бездымное» бытовое топливо повышенной экологической чистоты (с пониженным содержанием серы и меньше коптящее при сжигании), а также формованный кокс, что еще более расширя
ет топливную базу коксовой промышленности.
Использование ископаемых углей в качестве топлива неизмеримо возросло с появлением паровых машин и, особенно, с появлением машин, способных преобразовывать тепловую энергию сжигания углей в электрическую (первые тепловые электростанции – ТЭС). На тепловых электростанциях тепловая энергия угля служит для выработки пара в котле, который вращает ротор паровой турбины, соединенный с ротором генератора электрической энергии – наиболее удобной для потребителя разновидности энергии. Первые ТЭС появились в конце XIX века (в 1882 г. – в Нью-Йорке, в 1883 г. – в Петербурге, в 1884 г. – в Берлине, в 1895 г. – в Киеве). Они были оснащены слоевыми топками, которые длительное время являлись основными устройствами для сжигания больших количеств топлива и широко применялись для котлов паропроизводительностью 20–30 т/ч. Однако, кроме ограничения масштаба и невысокого КПД, связанного с относительно низкой температурой дымовых газов, их основным недостатком было требование к подаче угля в виде кусков и ограничение доли мелочи, приводившей к большим уносам углерода из топочного объема.
Положение изменилось в конце 20-х годов ХХ века, когда в ряде стран были разработаны и внедрены топки для факельного сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии, что позволило вовлечь в топливную базу ТЭС угольную мелочь, в том числе повышенной зольности (до 25–30% – для антрацитов и тощих, до 30–40% – для каменных углей), землистые бурые угли, сланцы, а также повысить до 35–40% КПД энергоблоков. Таким образом, в настоящее время в энергетику направляются главным образом низкосортные угли и несортовая мелочь, что высвобождает сортовые угли для других видов использования.
Хотя пылеугольные, или камерные, топки на сегодня являются самыми распространенными в теплоэнергетике, они все больше вытесняются изобретенными в 60-е годы ХХ века в Германии топками с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС), также использующими угольную мелочь, однако имеющими ряд технологических и экологических преи
муществ. Котлоагрегаты с циркулирующим кипящим слоем отличаются низкими выбросами оксидов азота (за счет пониженной температуры процесса и организации внутритопочной восстановительной зоны) и серы (за счет внутритопочного связывания серы угля известняком), широким диапазоном регулирования нагрузки, а главное – пониженными требованиями к зольности угля, что позволяет использовать для сжигания не только высокозольные рядовые угли, но и отходы углеобогащения. Первый в Украине энергоблок с циркулирующим кипящим слоем электрической мощностью 210 МВт, использующий в качестве топлива антрацитовый шлам, вводится в эксплуатацию на Старобешевской ТЭС.
Принято считать, что основные залежи ископаемого каменного угля сформировались преимущественно в отдельный период времени, когда на Земле сложились наиболее благоприятные для этого условия. По связи этого периода с углем он и получил свое название каменноугольного периода, или карбона (от англ. «carbon» – «уголь»).
Начало карбона, по мнению ученых, знаменуется значительным изменением условий на поверхности планеты – климат стал существенно более влажным и теплым, чем в предыдущий период.
В бесчисленных лагунах, дельтах рек и топях воцарилась буйная тепло- и влаголюбивая флора. В местах ее массового развития скапливались колоссальные количества торфообразного растительного вещества, и, со временем, под действием химических процессов, они преобразовывались в обширные залежи каменного угля.
В пластах угля часто встречаются (как считают геологи и палеоботаники) «прекрасно сохранившиеся остатки растений, свидетельствующие о том», что в ходе каменноугольного периода на Земле появилось много новых видов флоры. Это было буквально время буйства растительной зелени.
Рис. 202. Восход солнца в лесу карбона
Процесс же образования каменного угля чаще всего описывается так:
«Каменноугольной эта система называется потому, что среди ее слоев проходят наиболее мощные прослойки каменного угля, какие известны на Земле. Пласты каменного угля произошли благодаря обугливанию остатков растений, целыми массами погребенных в наносах. В одних случаях материалом для образования углей служили скопления водорослей, в других – скопления спор или иных мелких частей растений, в третьих – стволы, ветви и листья крупных растений».
С течением времени в подобных органических останках, как полагают, ткани растений медленно теряют часть составляющих их соединений, выделяемых в газообразном состоянии, часть же, и особенно углерод, прессуются тяжестью навалившихся на них осадков и превращаются в каменный уголь. Сначала торф превращается в бурый уголь, затем в каменный уголь и наконец в антрацит. Происходит все это при высоких температурах.
«Антрациты – угли, которые изменены действием жара. Куски антрацита переполнены массою мелких пор, образованных пузырьками газа, выделявшегося при действии жара за счет водорода и кислорода, содержавшихся в угле. Источником жара, как полагают, могло быть соседство с извержениями базальтовых лав по трещинам земной коры».
Как считается, под давлением наслоений осадков толщиной в 1 километр из 20-метрового слоя торфа получается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра. На большей глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.
В заключение отметим, что в целом ряде источников цепочку «торф – бурый уголь – каменный уголь – антрацит» дополняют графитом и даже алмазом, получая в итоге цепь преобразований: «торф – бурый уголь – каменный уголь – антрацит – графит – алмаз»…
Огромное количество углей, которые вот уже более столетия питают мировую индустрию, по «общепринятому» мнению, указывает на громадную протяженность болотистых лесов каменноугольной эпохи.
Рис. 203. Добыча каменного угля в открытом разрезе
Против приведенной выше так называемой биогенной (органической) версии происхождения каменного угля активно выступают креационисты, которых возраст угольных пластов в сотни миллионов лет никак не устраивает, поскольку он противоречит текстам Ветхого Завета. Они тщательно собирают аргументы, указывающие на противоречия между этой теорией и реальным характером залегания угольных пластов. И если абстрагироваться от приверженности креационистов версии слишком короткой истории нашей планеты (всего не более десятка тысяч лет, как следует из Ветхого Завета) следует признать, что целый ряд их аргументов весьма серьезен. Например, они подметили такую довольно часто встречающуюся странную особенность месторождений каменного угля как непараллельность его разных слоев.
«В чрезвычайно редких случаях пласты каменного угля залегают параллельно друг другу. Почти что все залежи каменного угля в какой-то момент разделяются на два и более отдельных пласта. Объединение уже почти расколотого пласта с другим, расположенным выше, время от времени проявляется в залежах в виде Z-образных соединений. Трудно себе представить, как два расположенных друг над другом пласта должны были возникнуть благодаря отложению росших и сменивших друг друга лесов, если они связаны друг с другом скученными группами складок или даже Z-образными соединениями. Связующий диагональный пласт Z-образного соединения является особенно ярким доказательством того, что оба пласта, которые он связывает, изначально были образованы одновременно и являли собой один пласт, теперь же являются двумя параллельно расположенными друг над другом горизонталями окаменелой растительности» (Р.Юнкер, З.Шерер, «История происхождения и развития жизни»).
Подобные складки и Z-образные соединения в корне противоречат «общепринятому» сценарию происхождения каменного угля. И в рамках этого сценария складки и Z-образные соединения абсолютно не находят объяснения. А ведь речь идет об эмпирических данных, встречающихся повсеместно!..
Рис. 204. Z-образные соединения угольных пластов в районе Оберхаузена-Дуйсбурга
Более детально с аргументами против биогенной версии образования каменного угля можно ознакомиться в моей книге «Сенсационная история Земли», которая уже упоминалась ранее. Мы же здесь приведем лишь еще один факт, на который креационисты не обратили внимания, но который является просто «убийственным» для «общепринятой» теории.
Посмотрим на бурый и каменный уголь с позиций химического состава.
При добыче угля серьезное значение имеет содержание в нем минеральных примесей, или так называемая «зольность», которая колеблется в широких пределах – от 10 до 60%. Так, зольность углей Донецкого, Кузнецкого и Канско-Ачинского бассейнов равна 10-15%, Карагандинского – 15-30%, Экибастузского – 30-60%.
А что такое «зольность»?.. И что представляют из себя эти самые «минеральные примеси»?..
Помимо глинистых включений, появление которых в процессе накопления исходного торфа (если придерживаться версии образования угля именно из торфа) вполне естественно, среди примесей чаще всего упоминается… сера!
«В процессе торфообразования в уголь попадают разные элементы, бóльшая часть которых концентрируется в золе. Когда уголь сгорает, сера и некоторые летучие элементы выделяются в атмосферу. Относительное содержание серы и золообразующих веществ в угле определяют сортность угля. В высокосортном угле меньше серы и меньше золы, чем в низкосортном, поэтому он пользуется бóльшим спросом и дороже.
Хотя содержание серы в углях может меняться от 1 до 10%, в большинстве углей, используемых в промышленности, ее содержание составляет 1-5%. Однако примеси серы нежелательны даже в небольших количествах. Когда уголь сгорает, бóльшая часть серы выделяется в атмосферу в виде вредных загрязняющих веществ – оксидов серы. Кроме того, примесь серы оказывает негативное влияние на качество кокса и стали, выплавленной на основе использования такого кокса. Соединяясь с кислородом и водой, сера образует серную кислоту, корродирующую механизмы работающих на угле тепловых электростанций. Серная кислота присутствует в шахтных водах, просачивающихся из отработанных выработок, в шахтных и вскрышных отвалах, загрязняя окружающую среду и препятствуя развитию растительности».
И вот тут возникает очень серьезный вопрос – а откуда в каменном угле появилась сера?!. Точнее: откуда она появилась в таком большом количестве?!. Вплоть аж до десяти процентов!..
Рис. 205. На торфяном болоте
Готов биться об заклад – даже при своем далеко не полном образовании в области органической химии – в древесине подобных количеств серы никогда не было и быть не могло!.. Ни в древесине, ни в другой растительности, которая могла бы стать основой торфа, в дальнейшем преобразовавшегося в уголь!.. Там серы меньше на несколько порядков!..
Более того. Если набрать в поисковой системе сочетание слов «сера» и «древесина», то чаще всего высвечиваются всего два варианта, оба из которых связаны с «искусственно-прикладным» использованием серы – для консервации древесины и для борьбы с вредителями. В первом случае используется свойство серы кристаллизоваться – она закупоривает поры дерева и при обычной температуре из них не удаляется. Во втором – применение основывается на ядовитых свойствах серы даже в малых ее количествах.
Если серы в исходном торфе было так много, то как могли вообще расти деревья, его образовавшие?.. Или по каким-то непонятным причинам некая «древняя сера», вопреки своему современному поведению, не закупоривала поры древних растений?..
И как вместо того, чтобы повымирать, наоборот чувствовали себя более чем уютно все те насекомые, которые плодились в каменноугольный период и в более позднее время в неимоверных количествах и питались соком растений, в котором было столько ядовитой серы?.. Впрочем, и сейчас болотистая местность создает для насекомых весьма комфортные условия…
А ведь серы в каменном угле не просто много, а очень много!.. Раз уж речь идет вообще даже о серной кислоте!..
И более того – каменный уголь нередко сопровождают залежи такого полезного в хозяйстве соединения серы как серный колчедан. Причем залежи столь большие, что организуется его добыча в промышленном масштабе!..
«…в Донецком бассейне также добыча угля и антрацита Каменноугольного периода идет параллельно разработке здесь же добываемых железных руд… Серный колчедан – почти постоянный спутник каменного угля и притом иногда в таком количестве, что делает его негодным к употреблению (напр. уголь Московского бассейна). Серный колчедан идет на выработку серной кислоты, из него же путем метаморфизации произошли… железные руды».
Это – уже не загадка. Это – прямое и непосредственное противоречие между теорией образования угля из торфа и реальными эмпирическими данными!!!
