Ископаемый уголь

Ископаемый уголь: происхождение, cостав, классификация, применение.

Ископаемый уголь, один из самых распространенных видов полезных ископаемых (суммарные мировые запасы на несколько порядков превосходят запасы нефти и газа) – это продукт постепенного изменения в течение геологических периодов больших скоплений разного рода органических остатков, главным образом растительных. Встречается в пластовом залегании, переслаиваясь с глинами, песчаниками и другими породами. Мощность пластов колеблется от долей сантиметра до нескольких метров.

Попытки раскрыть тайну происхождения и состава ископаемого угля предпринимались уже в древности. Аристотель упоминает о горючих ископаемых «имеющих больше от земли, чем от дыма, и называемых углеподобными веществами», сравнивая ископаемые угли с углем древесным, который в его время широко использовался для выплавки металла. «Отец ботаники» Теофраст более подробно описывает уголь, как горючий камень, напоминающий древесный уголь и «самоопустошающийся» при горении, т.е. превращающийся в зольный остаток в результате выгорания органических частей. В средние века ископаемыми углями заинтересовались алхимики, проводившие в поисках чудодейственных соединений огромное количество всевозможных опытов над минералами, которые легли в основу развития химической науки. Впрочем, в тот период считалось, что ископаемый уголь, так же, как и другие горные породы существовал в неизменном виде с сотворения мира, и вопрос о его происхождении даже не обсуждался. В 1763 году М.В. Ломоносов в своем труде «О слоях земных» высказал гипотезу о происхождении каменного угля из первобытных торфяников под действием подземного огня. Но даже в начале XIX века многие ученые предполагали неорганическое происхождение торфа и угля. В дальнейшем опытным путем было доказано, что при сгорании и уголь, и древесина выделяют сходный состав веществ, сходен состав и остающейся золы, из чего сделан вывод, что ископаемый уголь представляет собой остатки растительности. Микроскопические исследования позволили установить, что каменный уголь содержит те же составные части, что и торф. В их однородной массе четко атрибутируются растительные частицы. Иногда в почве укольного пласта даже невооруженным взглядом можно обнаружить остатки растений и древесной коры.

Согласно современной биогенной теории, твердые топлива образуются в результате синтеза из продуктов разложения растительных остатков за счет жизнедеятельности микроорганизмов. Их образование начинается с накопления отмершей растительности. При недостатке влажности вся она постепенно перегнивает, образуя богатую перегноем лесную почву. Но при высоком уровне грунтовых вод затрудняется, а то и вовсе прекращается доступ кислорода, что замедляет процесс гниения. Отмершие растения постепенно накапливаются толстым сплошным слоем. Такие скопления называются торфяниками^[1].

Растительные остатки, попавшие в торфяник, с течением времени подвергаются постепенным изменениям под влиянием анаэробных бактерий – микроорганизмов, способных существовать без доступа воздуха. Процесс разложения сопровождается выделением воды и газообразных продуктов, прежде всего – метана, который богат водородом. В результате торф обогащается углеродом – основным составным элементом ископаемых углей^[2].

Немаловажную роль в образовании углей имеют геологические факторы. Слои земной коры под влиянием внутренних сил находятся в непрерывном движении: одни участки опускаются, другие поднимаются. Меняется направление движения, его скорость. Зачастую колебания сопровождаются изгибом слоев, их разломами, смещениями, землетрясениями. Если участок, на котором происходит торфонакопление, станет погружаться со скоростью меньшей, нежели скорость нарастания торфяника, то его накопление будет продолжаться до тех пор, пока сохраняются условия для развития растительности. При этом конечная мощность торфяного слоя может достигать нескольких десятков и даже сотен метров. Рано или поздно скорость погружения местности превысит скорость естественного прироста торфяника. Опустившийся участок земной коры будет залит водой. С гибелью наземной растительности прекратится процесс торфонакопления, а уже образовавшийся торфяник начнет перекрываться песчано-глинистыми осадками вновь возникшего водоема и в результате окажется погребенным под толщей осадков на многие десятки и сотни метров^[3].

В случае если рассматриваемый участок вновь поднимется, на нем опять разовьется наземная растительность и опять начнется процесс торфонакопления. При возобновлении опускания местности второй слой также окажется под осадочной толщей наступающего моря или временно образующегося озера. Таким образом возникнет целая свита торфяных пластов, залегающих друг над другом^[4].

Степень превращения исходных биогенных материалов в результате углеобразования в твердые топлива характеризуется т.н. степенью углефикации (метаморфизма), которая определяется средним содержанием углерода в топливе. По возрастанию степени углефикации выстраивается следующий генетический ряд: торф (58-62%) – бурые угли (67-75%) – каменные угли 76-92%) – антрацит (93-96%).

На платформах садки долгое время сохраняют свое горизонтальное положение и мало меняют свои свойства. В геосинклинальных областях (на окраинах платформ или между двумя платформами) где нет мощного основания, сложенного гнейсами, гранитами и другими прочными породами, происходят интенсивные тектонические движения и магматические процессы, деформация горных пород. Осадки, погрузившись на огромные глубины, на длительное время оказываются под действием большого давления. Так, на глубине 5-6 км давление верхних слоев достигает 1400 атмосфер, а на глубине 10 км – не менее 2500-3000 атмосфер. Торф уплотняется в 3-4 раза, теряет значительную часть влаги и превращается в темно-бурое вещество, утратившее свою первоначальную структуру – бурый уголь, который является уже гораздо более ценным топливом, но содержит еще много соединений кислорода, в частности, гуминовые кислоты, которые сильно снижают его теплотворную способность, которая в лучших сортах составляет всего 6000-6500 кал. Выход летучих веществ при горении (их будет тем больше, чем больше содержалось в угле кислорода и водорода) очень высок 40-48 %, что очень близко к древесному топливу.

При дальнейшем погружении слоев осадочных пород с пластами уже сформировавшегося бурого угля давление будет продолжать увеличиваться, прибавится температурное воздействие. Геотермический градиент составляет в среднем около 3 градусов (от 0,7 до 15 градусов в разных участках земли) на каждые 100 метров. По расчетным данным на глубине 10 км температура должна составлять около 300 градусов^[5]. В результате сложных химических превращений, сопряженных с отщеплением метана, углекислоты и влаги, бурый уголь постепенно обогатится углеродом, уплотнится, приобретет черный цвет и станет каменным углем. Каменные угли представляют собой неоднородные твердые вещества черного или черно-серого цвета, включающие четыре типа макроинградиентов, различающихся по блеску, внешнему виду и составу: блестящий (витрен), полублестящий (кларен), матовый (дюрен), волнистый (фюзен). Их соотношение характеризует структуру, химический и минералогический состав и обусловливает их многообразие и различие свойств.

Важнейшими характеристиками каменных углей, от которых зависят возможность и эффективность их использования, являются зольность, влажность, сернистость, выход летучих веществ, а для углей, применяемых в качестве сырья для термохимической переработки, также спекаемость и коксуемость^[6].

При дальнейшем метаморфизме вещество угля продолжает терять кислород и в меньшей степени водород и проходит следующие последовательные стадии, сопровождающиеся сокращением выхода летучих веществ и увеличением теплотворной способности:

1.  Длиннопламенные угли. Высокое содержание водорода и кислорода обуславливает большой выход летучих веществ (более 42 %), дающих при горении длинное пламя. Теплотворная способность составляет уже 7650-8100 кал.

2. Газовые угли. При перегонке дают много газообразных продуктов. При нагревании без доступа воздуха или горении начинают слегка плавиться или спекаться. Получается пористая масса – кокс, важнейшее металлургическое топливо. Выход летучих веществ падает до 35 %. Теплотворная способность 7900-8300 кал.

3. Паровично-жирные угли. Особенно сильно проявляется способность спекаться. Но значительный выход летучих веществ (26-35 %) не позволяет получать прочный кокс. Содержание кислорода еще более снижено, поэтому теплотворная способность достигает 8300-8700 кал.

4. Коксовые угли. Характеризуются меньшей спекаемостью, но более низкий выход летучих веществ (18-26 %) позволяет получить качественный кокс. Теплотворная способность при низком содержании кислорода, но при достаточно большом содержании водорода, достигает наибольшей величины (8400-8750 кал.)

5. Паровично-спекающиеся угли. Падение содержания водорода приводит к быстрому снижению выхода летучих веществ (12-18 %), незначительному падению теплотворной способности (8450-8720 кал.) и потере спекаемости.

6. Тощие угли утрачивают способность спекаться, дают выход летучих веществ менее 17 % и 8300-8720 кал. тепла.

7. Антрациты – последняя стадия метаморфизма углей. Прекрасное бездымное топливо. Выход летучих веществ от 2 до 8 % и теплотворная способность от 8100 до 8400 кал.^[7]

На качество и состав ископаемых углей влияет также исходный для углеобразования материал. В зависимости от него можно выделить три группы.

1. Гумусовые (гумолиты) формируются из торфа, образованного остатками высших наземных растений.

2. Сапропелевые (сапропелиты) - из сапропеля (от греч. saprόs pelόs – гниющий ил), образовавшегося в процессе анаэробного разложения низших растений и отмерших водных животных и микроорганизмов. Сами по себе определенные типы сапропелей используются в бальнеологической практике, являясь лечебными грязями. Сапропелевые угли обладают очень высокой теплотворной способностью (до 9500 кал. при содержании водорода до 9 % и выходе летучих веществ до 80 %)^[8]. Образуют маломощные прослойки (линзы) в пластах слабометаморфизированных гумолитов. Самостоятельные пласты встречаются редко. В нашей стране известны в Подмосковном и Иркутском бассейнах, а также в некоторых буроугольных месторождениях. Самыми чистыми сапропелевыми углями с наименьшим количеством минеральных и гумусовых примесей являются богхеды – матовые, без всякой слоистости, с характерным матовым изломом.

3. Сапрогумолиты образуются в результате привноса ветром и водой остатков высших растений, представляют собой переходную форму между гумолитом и сапропелитом^[9].

Возраст ископаемых углей определяется в зависимости от возраста осадочных пород, среди которых они находятся. Геологическая история Земли с начала возникновения на ней жизни делится на три эры: палеозойская (древняя, началась ок. 570 млн. лет от современности, продолжительность, по разным данным, ок. 320-340 млн лет), мезозойская (средняя, продолжительность примерно 160-170 млн лет), кайнозойская (новая, 60-70 млн лет)^[10]. Они в свою очередь делятся на периоды:

Палеозой – кембрийский, ордовикский, силурийский, девонский, каменноугольный (карбон), пермский

Мезозой – триасовый, юрский, меловой

Кайнозой – третичный, четвертичный (антропогеновый).

Первые угли образовались в девонский период, примерно 300 миллионов лет назад с появлением первых наземных растений в прибрежных частях водоемов. Они имеют крайне ограниченное распространение и запасы их составляют не более 0,002% от выявленных мировых запасов угля.

Наибольшее число углей на земном шаре образовалось в карбоновый период, что в переводе означает «каменноугольный». По некоторым данным, запасы каменноугольного периода составляют около 24% от общих мировых. На территориях современной Европы интенсивно развивается растительность: гигантские папоротники и плауны.

Пермский период (примерно 22% мировых запасов) получил наименование от названия города Перми, где его осадки наиболее широко развиты.

Мощная волна горообразующих процессов, изменения климата, осушение многих водных резервуаров не способствовали угленакоплению в триасовом периоде (0,5% от мировых запасов)

Юрский период также сравнительно беден углями (ок. 4%). К нему относятся месторождения Сибири, Якутии, Средней Азии и Кавказа, образовавшиеся около 150 миллионов лет назад. Наиболее крупные залежи юрских углей располагаются почти непрерывной полосой вдоль Сибирской железнодорожной магистрали и относятся к Канско-Ачинскому и Иркутскому бассейнам.

К концу мелового периода сформировались большинство современных горных цепей, обновился органический мир, появились новые формы растительности, которые позволили в третичном периоде возобновиться мощным процессам угленакопления. Это привело к тому, что запасы третичных углей составляют более половины общемировых запасов^[11].

Процессы углеобразования на Земле не закончились и поныне, продолжается интенсивное торфонакопление, превосходящее многие прошедшие геологические периоды.

С точки зрения хозяйственного применения ископаемые угли делятся на энергетические (при сжигании дают энергию паровым машинам и тепловую энергию для обогрева помещений) и технологические (используются в химическом производстве, металлургии)

Систематизация и классификация огромного разнообразия ископаемых углей в виду сложности их состава и физико-химических свойств является одной из важнейших теоретических проблем. Ее решение дает возможность объективной оценки ресурсов, выбора оптимального способа угледобычи и рационального использования сырья в различных технологических процессах. К настоящему времени разработан целый ряд генетических классификаций различного типа. Естественная классификация Г.Л. Стадникова основана на различиях в происхождении углей (сапропелиты, гумусовые, сапропелито-гумусовые, гумусово-сапропелитовые) и химических изменениях в различные стадии превращений (торфы, бурые угли, каменные угли).

Существуют классификации (С.М. Григорьева, Н.М. Караваева, В.И. Забавина), основанные на элементном составе и отражающие соотношение углерода, водорода и кислорода. Они, как правило, изображаются в виде диаграмм и служат ценной информативной базой для разработки классификаций промышленных, т.к. в основе своей имеют не случайные признаки, а природу угольного пласта.

В СССР с 1940-х гг. технологические классификации разрабатывались применительно к отдельным бассейнам и месторождениям. Бассейновые классификации утверждались в качестве общесоюзных стандартов (ГОСТов) и действовали на протяжении 50 лет – с 1941 по 1991 гг.

Огромный фактический материал, накопленный в результате многолетних исследований состава и свойств углей, позволил в 1976 году начать разработку единой промышленно-генетической классификации, которая характеризовала бы всё разнообразие углей по составу и свойствам и увязывала их с возможностью промышленного использования в энергетике, металлургической, химической и других отраслях. В основу были положены генетические параметры, характеризующие стадию метаморфизма, петрографический состав и степень восстановленности бурых, каменных глей и антрацитов. Позже генетические параметры были дополнены рядом технологических показателей. Все угли были разделены на виды: бурые, каменные и антрациты, - в зависимости от среднего показателя отражения витринита, высшей теплоты сгорания на влажное беззольное состояние и выхода летучих веществ на сухое беззольное состояние. Кроме того, выделялись классы, категории, типы, подтипы, марки, группы и подгруппы на основе характерных общих признаков, отражающих генетические особенности и технологические свойства^[12]. Проект был утвержден в виде ГОСТ 25543-82 и в течение пяти лет прошел апробирование во всех угольных бассейнах страны, показав свою эффективность и рациональность.

Итогом работы стало создание новой единой классификации (ГОСТ 25543-88) "Угли бурые, каменные и антрациты. Классификация по генетическим и технологическим параметрам", утвержденной Постановлением Госстандарта СССР 1 января 1990 года и действующей поныне в качестве межгосударственного стандарта на территории СНГ. Все действовавшие до того времени бассейновые классификации отменялись. Ископаемые угли подразделялись по видам, генетическим и технологическим параметрам. По их совокупности уголь обозначался семизначным кодовым числом, составленным из номеров его класса, категории, типа и подтипа и отражающим основные особенности его состава и технологических свойств. Всего выделялось 17 марок, из которых одна для бурых углей (Б), одна для антрацитов (А) и 15 для каменных углей: длиннопламенные (Д), длиннопламенные газовые (ДГ), газовые (Г), газовые жирные отощённые (ГЖО), газовые жирные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые жирные (КЖ), коксовые (К), коксовые отощённые (КО), коксовые слобоспекающиеся низкометаморфизованные (КСН), коксовые слабоспекающиеся (КС), отощённые спекающиеся (ОС), тощие спекающиеся (ТС), слабоспекающиеся (СС), тощие (Т). Марки в свою очередь подразделяются на технологические группы и подгруппы^[13]. Единая классификация ГОСТ 25543-88 охватывает все выявленные к настоящему времени сочетания кодовых номеров для марок, групп и подгрупп углей. Вместе с тем, принятая структура классификации обеспечивает возможность включать в нее неограниченное количество новых кодов.

Практически одновременно в ряде стран, в том числе и в России проводились исследования, направленные на разработку международной классификации углей. В результате была создана Международная система кодификации, а на ее основе – ГОСТ 30313-95 "Угли каменные и антрациты (угли среднего и высокого рангов). Кодификация", распространяющийся на каменные угли и антрациты в их естественном залегании, а также на товарную продукцию шахт, разрезов, обогатительных фабрик, сортировок и др. предприятий и устанавливающий кодовую систему показателей качества^[14].

Для бурых углей была разработана особая система кодификации ГОСТ 26663-90 "Угли бурые (угли низкого ранга). Кодификация". Область применения стандарта – разведываемые и разрабатываемые угольные пласты, необогащенные и обогащенные угли и угольные смеси.

Комплексная оценка углей на основе единых стандартов позволяет решать вопросы повышения эффективности использования углей в традиционной сфере для производства электроэнергии и тепла, обосновывая оптимальный выбор типов топочных устройств и режимов сгорания углей различных категорий, а также в различных направлениях нетопливного (технологического) использования для получения металлургического кокса и химического сырья.

На заре становления современной металлургической промышленности для производства чугуна просто нагревали железную руду в кузнечном горне. Но недостаточно высокая температура горения не позволяла полностью расплавить все железо, заключенное в руде. Для ее повышения обкладывали кузнечный горн камнями, которые, раскалялись, становились дополнительным источником жара. Еще позднее стали строить специальные каменные кучи, в которые загружались руда и уголь. Однако при горении угля выделялись смолистые летучие вещества, которые закупоривали отверстия между глеем и рудой, не позволяя углю гореть. Был сделан вывод о необходимости предварительного удаления из угля летучих веществ, которые образуют смолу. Без них уголь превращается в кокс – топливо с очень высокой теплотворной способностью, не дающее дыма и копоти, твердое и прочное в достаточной мере, чтобы не раздавливаться тяжелой рудой, не давать мелкой крошки и мусора, забивающих огонь, пористое строение которого облегчает прохождение сквозь него газов и воздуха и улучшает горение. Кокс получали в специальных печах, в которых загруженный уголь непрерывно нагревался, высыхал и начинал разлагаться, теряя пары жидких продуктов, после чего спекался в сплошной массив. Спекание – важнейший показатель при классификации углей.

В XIX веке были созданы коксовые печи с улавливанием летучих продуктов. Получаемый газ имел неприятный запах, был горюч, давал ярко светящееся пламя и мог быть использован для освещения и обогрева. К 1803 году английскому промышленнику Мэтью Болтону удалось осветить угольным газом завод, выпускавший паровые машины инженера Джеймса Уатта.

Однако первые попытки бытового использования светильного газа вызвали резкий отпор в обществе. Вальтер Скотт писал в своем письме: «Один сумасшедший предлагает осветить Лондон, - чем бы вы думали? Представьте себе – дымом!» Утверждалось, что «излучения светильного газа вредны, что освещенные улицы побудят людей оставаться поздно на воздухе и будут способствовать простудным заболеваниям… Что при освещении улиц у людей разовьется страх перед темнотой, усилятся пьянство и развращенность, увеличится число краж». Муниципалитет Кельна вынес решение, что «ночное освещение улиц противно божеским законам, ибо господь не для того создал мрак ночи, чтобы человек нарушил его» и на этом основании запретил постройку газового завода^[15]. Созданное в 1809 году для освещения лондонских улиц акционерное общество через короткое время лопнуло. И первые газовые фонари появились в Лондоне только в 1814-м, в Берлине и Ганновере – в 1826-м.^[16] А к середине века газовое освещение в виду его экономичности и удобства уже завоевало всеобщую популярность. Фонари были установлены во всех крупнейших городах мира. И даже после появления электрической лампочки, каменноугольный газ сохранил свои позиции как один из наиболее удобных и выгодных видов топлива.

В целом, максимальная доля углей в мировом энергетическом балансе пришлась на 1913 год и составила 93 %. Впоследствии наблюдается тенденция к стремительному ее сокращению из-за  всё большего использования более эффективных видов энергетических ресурсов, таких как нефть, газ, гидро- и атомная энергия: к 1950-му году снизилась до 56% и к 1985-му – до 29%.

Одновременно развивались технологии химического использования угольного газа. Разделить его на составляющие оказалось очень несложно. При охлаждении все они переходят в жидкое состояние не одновременно: тяжелые углеводороды при температуре -103 градуса, метан – 161, кислород – 183, окись углерода – 190, азот – 196. Оставшийся газообразный водород удаляется, после чего смесь опять нагревают и собирают газы по мере их поэтапного испарения. Дальнейшее использование весьма разнообразно: из водорода получают аммиак (для производства азотных удобрений, азотной кислоты), из метана синтезируется ацетилен (служит для получения уксусной кислоты, синтетического каучука).

Для безопасного и эффективного использования каменноугольного газа, из него удаляются пары вредных веществ: аммиака, сероводорода, циана и др. Уже в ХХ веке были разработаны технологии освобождения газа от сероводорода и извлечения из последнего серы, из которой в свою очередь изготавливались ядохимикаты и ряд лекарственных средств.

Из углей научились получать карбиды кальция и кремния, термоантрацит, термографит, катодные блоки, электроды, углещелочные реагенты, гуминовые кислоты, азотистые удобрения, ароматические углеводороды, фармацевтические препараты, красители, синтетические волокна, пластмассы, более транспортабельное и ценное искусственное моторное топливо^[17]. Отходы добычи и обогащения угля применяются как сырье для получения различных видов строительных материалов, топливосодержащих добавок, керамических изделий, раскислителей, абразивов, материала для закладки выработанных пространств, рекультивации земель, являются источником получения серы и глинозема. Продукция углехимической промышленности насчитывает около 200 наименований. И в связи с истощением мировых запасов нефти и газа ее развитие в современных условиях становится особенно актуально.

Читайте в Иркипедии:

1. Ископаемый уголь (ч. 2)
2. Ископаемый уголь (ч. 3)
3. Использование угля
4. Недра Иркутской области
5. Полезные ископаемые в Иркутской области

Примечания