Каменный уголь

Уголь

 

• Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая в свою очередь способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией. В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, к 1970 году его доля упала до одной трети.

Образование угля

 

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 создаётся в болотах, где стоячая вода, обеднённая кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой 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 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 результатах движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счет эрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности

Каменный уголь

 

• 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 смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящие в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.

 

Физические свойства угля

 

•  Содержит  75—98 %С, остальное Н. Пористость 49-53 %, зольность 9—12 %, выход летучих веществ 1 %. Влажность при тушении водой и инертным газом соответственно 2—4 % и не более 0,5. Зола, состоящая из ряда элементов: S, N, O P, Si, другие элементы в зависимости от минерального состава примесей в угле, использованном для коксования.

 

Физико-химические свойства угля

 

• Выше 900 °C, легко восстанавливает СО2 (С + СО2 = 2СО); при 1000 °C скорость процесса (стандартная реакционная способность кокса) в расчете на 1 г кокса 0,1—0,2 мл СО2 за 1 с, энергия активации 140—200 кДж/моль. Скорость взаимодействия с О2 (С +О2 = СО2), или горючесть кокса, значительно выше, чем с СО2, и составляет при 500 °C около 0,1 мл О2 за 1 с, энергия активации 100—140 кДж/моль.
• Физико-химические свойства кокса каменноугольного определяются его структурой, приближающейся к гексагональной слоистой структуре графита. Структура кокса характеризуется неполной упорядоченностью: отдельные фрагменты (слои), связанные Ван-дер-Ваальсовыми силами, статистически занимают несколько возможных положений (например, накладываются один на другой). Наряду с атомами углерода в пространственной решетке кокса, особенно в её периферийной части, могут располагаться гетероатомы (S, N, O).

Физико-химические свойства угля

 

• Строение и свойства кокса каменноугольного зависят от состава угольной шихты, конечной температуры и скорости нагрева коксуемой массы. С увеличением содержания в шихте газовых и др. углей, характеризующихся малой степенью метаморфизма, понижением конечной температуры коксования и уменьшением выдержки при этой температуре, реакционная способность и горючесть получаемого кокса возрастает. При увеличении содержания газовых углей в шихте прочность и средняя крупность кусков кокса уменьшаются, а пористость его возрастает. Повышение конечной температуры коксования способствует увеличению прочности кокса каменноугольного, особенно к истиранию. При удлинении периода коксования и снижении скорости нагрева коксуемой массы средняя крупность кусков кокса увеличивается.

 

Спекаемость 

 

• Одним из наиболее важных, если не важнейшим, направлением использования каменного угля является его переработка в металлургический кокс - твердый продукт высокотемпературного (>900C) разложения каменного угля без доступа воздуха, обладающий определенными свойствами. Далеко не все угли способны спекаться, т.е. переходить при нагревании без доступа воздуха в пластическое состояние с последующим образованием связанного нелетучего остатка.

 

 

• Если этот спекшийся остаток отвечает требованиям, предъявляемым к металлургическому коксу, то говорят о коксуемости угля. Таким образом, коксуемость есть спекаемость, но первое понятие более узкое. Металлургический кокс можно получить только из коксового угля или из смеси углей, которая по свойствам приближается к нему.

Показатели качества угля: 

 

• зольность, 
• влажность, 
• сернистость, 
• удельная теплота сгорания

 

• выход летучих веществ,
• пластометрические показатели,
• плотность,
• механическая прочность.

 

Качество угля

 

Зольность

 

Влажность (содержание влаги)

 

• Связана с наличием в нем минеральных примесей.
• Устанавливается  прокаливанием  в муфельной  печи  навески угля  крупностью  менее 0,2мм при 800-825 °С.
• Зольность выражается как процентное отношение масс зольного остатка и исходной навески. С увеличением зольности потребительская ценность углей снижается.

 

 

• определяется высушиванием навески в сушильном шкафу при 105-110 °С в течение 60 минут и вычислением  потери  навески  в массе (%).
• Влажность  углей  зависит от водоносности добычных участков, условий транспортирования, обогащения и складирования.
• Влага  уменьшает  тепловую  ценность  углей, ухудшает  условия  и результаты сортировки углей по крупности, делает угли более склонными к самовозгоранию.

 

Качество угля

 

Сернистостъ  углей 

 

Удельная  теплота  сгорания  ( Q)

 

• Зависит  от  наличия  серосодержащих  соединений  четырех  модификаций:  пиритной,  сульфатной,  органической  и  элементной. Сера является исключительно вредной примесью, еѐ присутствие в углях наносит большой вред в технологических процессах с использованием кокса.
• Одна  десятая доля процента серы в коксе увеличивает его расход и расход флюсов  при производстве чугуна на 2-2,5%, а также снижает производительность доменной  печи.  Попадая  из  кокса  в  чугун,  а  затем  в  сталь,  сера  значительно ухудшает их механические свойства.

 

 

• основной  энергетический показатель  качества  топлива.  Определяется  количеством  теплоты,  выделившейся при сгорании 1 кг угля.

 

Качество угля

 

Плотность  угля

 

Механическая  прочность  углей 

 

• это  отношение  его  массы к объему.  Действительная плотность -количественное выражение отношения массы тела, лишенного воздуха и несвязанной воды, к его объему.

 

 

Характеризует дробимость,  хрупкость, твердость,  временное  сопротивление сжатию, индекс механической прочности. Находят его, разрушая пробы угля крупностью от 13 до 100мм во вращающемся закрытом  барабане. По истечении заданного  времени  измельчения  определяют оставшуюся неразрушенной  массу  кусков. Выход последних , выраженный в процентах от массы загруженного в барабан,- это индекс механической прочности.

Добыча угля

 

• Способ добычи угля зависит от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом в угольных разрезах, 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.

ДОНЕЦКИЙ УГОЛЬНЫЙ БАССЕЙН (ДОНБАСС)

 

•  Донбасс — старейший в стране бассейн, занимающий 1-е место по промышленному значению и размерам угледобычи.

 

• Занимает площадь около 60 тысяч км2, вытянутую в широтном направлении на 650 км при максимальной ширине до 200 км (площадь Старого Донбасса 23 тысячи км2)

 

Угольная промышленность Украины

 

• На начало 2012 года на Украине насчитывается 20 угледобывающих компаний и 145 шахт. По добыче угля Украина в 2011 году в Европе (не считая России) занимает второе место после Польши — 81,991 млн т. (в Польше — 76,3 млн т.). Грузооборот обогащённого угля в 2011 около 75,8 млн тонн угля (в том числе 12,7 млн т. — импорт обогащённого угля), в том числе:
• 37,0 млн т. энергетика
• 28,9 млн т. металлургия
• 6,9 млн т. экспорт
• 3,0 млн т. другие расходы (в том числе внутренние потребности угледобывающих предприятий)
• Проданы, а также отданы в долгосрочную аренду частным лицам следующие угледобывающие компании Украины (в скобках — добыча угля в 2011 году; доля в общеукраинской добыче):
• Павлоградуголь (15 414,2 тыс. т.; 24,9 %; 10 шахт; энергетические и коксующие угли; Днепропетровская область) — ДТЭК (Ринат Ахметов)
• Свердловантрацит (7 324,4 тыс. т.; 11,9 %; 5 шахт, 3 ЦОФ, шахтоуправление; энергетические угли; Луганская область) — ДТЭК (Ринат Ахметов)
• Красноармейская-Западная №1 (6 900 тыс. т.; 11,2 %; 1 шахта; энергетические и коксующиеся угли; Донецкая область)
• Ровенькиантрацит (6 559 тыс. т.; 10,6 %; 6 шахт, 3 ЦОФ; энергетические угли; Луганская область) — ДТЭК (Ринат Ахметов)