Каменный уголь: свойства и значение¶

Уголь — твёрдое горючее полезное ископаемое растительного происхождения, представляющее собой продукт глубокого разложения остатков древних растений под воздействием давления и температуры в недрах Земли. Основу горючей массы составляет углерод, содержание которого варьирует от 50 до 98 % в зависимости от степени углефикации. Уголь служит одним из важнейших энергоносителей и технологическим сырьём для ряда отраслей промышленности.

¶Происхождение и классификация

Угли образовались из торфа, накапливавшегося в древних болотах преимущественно в каменноугольном, пермском и меловом периодах. По мере погружения органических слоёв под осадочные породы возрастали давление и температура, что приводило к последовательному обогащению массы углеродом и удалению летучих компонентов.

По степени углефикации выделяют основные виды:

Бурый уголь — самый молодой, содержит много влаги и летучих веществ, легко крошится. Каменный уголь занимает промежуточное положение и наиболее востребован в энергетике и металлургии. Антрацит — наиболее плотная и твёрдая разновидность с максимальной теплотворной способностью.

¶Состав и физические свойства

Помимо углерода, в состав угля входят водород, кислород, азот и сера, а также минеральные примеси, образующие при сгорании золу. Ключевые характеристики:

• Теплота сгорания — количество тепла, выделяемого при полном сжигании единицы массы; главный показатель энергетической ценности.
• Влажность — снижает эффективность горения и увеличивает затраты на транспортировку.
• Зольность — доля негорючего остатка.
• Выход летучих веществ — определяет поведение угля при нагреве и пригодность для коксования.
• Спекаемость — способность образовывать прочный кокс, важная для металлургии.

¶Применение

¶Энергетика

Основная часть добываемого угля сжигается на тепловых электростанциях для производства электроэнергии и тепла. Угольные ТЭС обеспечивают значительную долю мировой генерации, особенно в Китае, Индии, США и ряде европейских стран. Топливо используется также в котельных, для отопления и в промышленных печах.

¶Металлургия

Коксующийся уголь — незаменимое сырьё для доменного производства. При нагреве без доступа воздуха он превращается в кокс, который служит восстановителем железной руды и обеспечивает проницаемость шихты. Альтернативы коксу в классической металлургии ограничены.

¶Химическая промышленность

При коксовании и газификации угля получают ценные продукты: коксовый газ, каменноугольную смолу, бензол, аммиак. Из смолы извлекают ароматические соединения, используемые для производства пластмасс, красителей, лекарств. Уголь служит сырьём для получения синтетического жидкого топлива и химических удобрений.

¶Прочие направления

• Производство строительных материалов (цемент, кирпич).
• Получение активированных углей для очистки воды и газов.
• Извлечение редких и рассеянных элементов (германий, галлий) из золы.

¶Значение и запасы

Уголь — один из наиболее распространённых энергоресурсов планеты. Разведанные запасы оцениваются в сотни миллиардов тонн и распределены неравномерно: крупнейшими обладателями являются США, Россия, Китай, Австралия, Индия. По объёму добычи лидирует Китай, за ним следуют Индия, Индонезия, США и Австралия.

Уголь сыграл ключевую роль в промышленной революции XVIII–XIX веков: он питал паровые машины, обеспечивал работу металлургии и железных дорог, став основой индустриализации Европы и Северной Америки. До середины XX века уголь оставался главным источником первичной энергии в мире, уступив затем нефти и газу.

¶Преимущества и недостатки

К достоинствам угля относят:

• широкую распространённость месторождений и большие запасы;
• относительно низкую стоимость добычи и транспортировки;
• универсальность применения — от генерации энергии до химического синтеза;
• возможность длительного хранения без потери свойств.

Основные недостатки связаны с экологией. При сжигании угля выделяются углекислый газ, оксиды серы и азота, твёрдые частицы, а также ртуть и другие тяжёлые металлы. Угольные электростанции — один из крупнейших источников выбросов парниковых газов, что делает их объектом климатической политики, направленной на сокращение использования угля в энергетике.

¶Добыча и переработка

Уголь добывают открытым (карьерным) и подземным (шахтным) способами. Открытая добыча дешевле и безопаснее, но применима лишь при неглубоком залегании пластов. Подземная разработка сложнее и сопряжена с рисками: обрушениями, взрывами метана, пылевыми заболеваниями шахтёров.

После добычи уголь обогащают — удаляют породу и примеси для повышения теплотворной способности. Существуют технологии газификации, позволяющие превращать уголь в синтез-газ, и методы «чистого угля», снижающие выбросы вредных веществ.

¶Перспективы

Отношение к углю в мире неоднозначно. Развитые страны постепенно сокращают его потребление ради снижения выбросов, тогда как ряд развивающихся экономик продолжает наращивать угольную генерацию из-за доступности ресурса. Развитие технологий улавливания и хранения углекислого газа может продлить использование угля, однако его доля в мировом энергобалансе в долгосрочной перспективе снижается.