Где используют уголь: Как используют уголь? «Нестандартные» отрасли применения

Как используют уголь? «Нестандартные» отрасли применения

Многие воспринимают уголь исключительно как топливо. Безусловно, большая часть добываемого ископаемого отправляется на угольные ТЭЦ. Наравне с тепловой генерацией по объёмам потребления стоит разве что металлургия.

Остальная часть сырья отходит другим отраслям — иногда для совершенно неожиданных нужд. По самым скромным оценкам, сегодня выпускается свыше 400 продуктов из обработанного угля в разных сферах промышленности. Каким необычным превращениям подвергается горючий камень?

Золошлаки в строительной отрасли

После сжигания угля остаются целые горы золошлаков. Мало кто знает, но отходы котельных могут обрести новую жизнь в… строительных материалах.

В мире продолжает набирать обороты производство строительных материалов с вкраплениями «отходных» элементов. Золошлаки являются отличным заменителем материалов, используемых для формирования земляного полотна. Также отходы могут задействовать вместо песка для заполнения бетонов и строительных растворов.

Фото: suek.ru

Из золошлаков можно изготавливать цемент, известь, золобетон, кирпичи, а также стеновые, кровельные и облицовочные материалы. С добавлением этого ингредиента данная продукция приобретает особую прочность, обладая при этом низкой теплопроводностью и относительно низкой себестоимостью.

Дорожно-строительная отрасль — ещё одна перспективная сфера применения отходов угольных ТЭС. Они являются универсальной добавкой при отсыпке дорожных насыпей, устройстве оснований и слоёв автодорог, в качестве компонента связующих материалов для укрепления грунтов.

Применение золошлаковых материалов в строительной отрасли может решить проблему ликвидации золоотвалов вплоть до их полной утилизации. Однако в России утилизация золошлаковых остатков — редкое явление.

Применение угля в быту

Все от мала до велика знают, как полезна угольная зола в садоводстве. Минеральные остатки используются в качестве удобрения в виде сухого материала, раствора или настоя, и всё благодаря полезным минеральным примесям.

Угольная зола — концентратор диоксида кремния, бора, марганца, цинка, меди, а также калиевых, фосфорных и прочих элементов. Зольные удобрения способствуют улучшению структуры грунтов, в том числе снижают уровень кислотности. Кроме того, они повышают влагопропускную способность и плодородность почв.

Уголь прочно вошёл в наш быт и благодаря своим высокими адсорбирующим свойствам. Способность нейтрализации вредных веществ позволяет использовать его для очистительных процессов.

Во-первых, горючее ископаемое используют для очистки питьевых, бытовых и технических вод. Фильтры с угольной загрузкой удаляют примеси и сокращают мутность жидкости. Во-вторых, частицы угля прекрасно справляются с устранением посторонних запахов и привкусов. И в-третьих, они способствуют нормализации уровня влажности в помещениях.

Ещё уголь используется в производстве углеродного волокна и специализированных компонентов (к примеру, металлического кремния), которые применяются в изготовлении бытовых приборов и средств личной гигиены.

Уголь в химической промышленности

Химики давным-давно распробовали уголь в качестве исходного сырья для своих экспериментов. Путём определённых махинаций из «топлива» научились получать огромное количество производных.

К примеру, антрацит в сочетании с нефтяным коксом дал миру искусственный графит, который, в свою очередь, нашёл своё применение в металлургической и машиностроительной сферах. Графит используют для изготовления футеровочных плит, плавильных тиглей, защитных чехлов для термопар, нагревательных элементов электропечей, скользящих контактов для электрических машин, анодов и сеток в ртутных выпрямителях и многого другого.

Неудивительно, что уголь сегодня является ещё и источником серы. При сжигании горючего ископаемого сернистые включения портят его качественные характеристики. Из нежелательного элемента можно извлечь пользу, ведь это вещество «в чистом виде» очень востребовано во многих отраслях. Как правило, серу удаляют из отходов коксохимического производства — двуокиси серы — или при обессеривания продуктов газификации угля.

Большой спектр применения у продукта коксования каменных углей — каменноугольной смолы. В состав этого вещества входит более 10 тысяч химических соединений, которые открывают химикам большие возможности.

Из каменноугольной смолы получают технические масла, синтетическое топливо, нафталин, аммиак, толуол и прочее. Далее они по цепочке «расходятся» в том числе и по бытовым вещам. Например, из смол выделяют бензол и ксилол, которые являются компонентом различных лаков, красок и растворителей.

Что делают из угля в фармацевтике и косметологии?

О популярности активированного угля, кажется, и упоминать не стоит. Каждый и далеко не один раз в жизни выпивал чёрные таблетки при инфекционных заболеваниях желудочно-кишечного тракта.

Вообще, активированный уголь является постоянным гостем домашних лайфхаков. Например, он отлично нейтрализует запахи в холодильнике, а ещё избавляет от плесени и грибков.

Но мы говорим о сферах применения угля в косметологии и медицине. Прекрасный пол распробовал активированный уголь при изготовлении масок для лица и волос в домашних условиях — опять же, ввиду его суперспособности эффективно очищать кожу от шлаков и токсинов.

Уже упомянутая каменноугольная смола входит в состав лечебных шампуней, мыла и мазей. Густая жидкость чёрного или коричневого цвета чаще всего используется для лечения кожных заболеваний головы, поскольку обладает противогрибковыми, противовоспалительными и противозудными свойствами.

Химические ответвления каменноугольной смолы заняли определённую нишу в парфюмерии. Иногда их добавляют в смесь ингредиентов из-за способности сохранять стойкость аромата и снижать его выветривание.

Некоторые вещества обладают уникальным специфическим запахом. Например, хинолин — химическая производная каменноугольной смолы — имеет дымный и кожаный «оттенки», поэтому стал универсальным элементом кожаных ароматов.

Читайте также: «Что делают из нефти? Продукты, о которых вы не знали».

где и для чего используется уголь

Каменный уголь накапливается в природе в течение миллионов лет. Человечество знает о нем с давних времен. Но активно он начал использоваться всего 270 лет назад. И хватит его еще на 500 лет при современных темпах добычи уже разведанных запасов.

• Применение каменного угля
• Сферы применения
• Для отопления
• Для удобрения почвы
• Для получения жидкого топлива
• Другие области использования

Как топливо каменный уголь использовали еще в древней Греции и Китае, где его добывали примитивными способами. Известно, что в Украине люди добывали и использовали его в качестве топлива для создания бытовых предметов уже в IX-X столетиях. А поиск, разведка и промышленное применение каменного угля в России началось в XVIII столетии.

Каменный уголь имеет различные технологические и генетические характеристики, что дает возможность применять его как в качестве топлива, так и в других сферах. Так, он нашел свое применение в сельском хозяйстве и химической промышленности. Например, из него изготавливают кристаллические решетки и коксовый газ. Из последнего делают углеводороды, которые идут на производство красок, лаков, линолеума и так далее.

Это далеко не все области применения, которыми может похвастаться каменный уголь. С каждым днем добыча и использование этого полезного ископаемого растут, поэтому и увеличиваются возможности его внедрения.

Около 25% потребляемого объема каменного угля используется для технологических целей на промышленных предприятиях. Его перерабатывают либо применяют как сырье для производства кокса. Остальные 75% идут на выполнение энергетических задач. При этом больше половины этого объема используется в тепловых электрических станциях, а оставшаяся часть – в районных и промышленных котельных, а также для коммунально-бытовых, сельскохозяйственных, строительных и иных нужд.

Каменный уголь востребован во многих странах мира. С каждым годом объемы его использования только возрастают.

Таблица потребления каменного угля согласно статистическим данным (за 2015 год)

N	Страна	Объём (миллион тонн)
1	Китайская Народная Республика	3732
2	Индия	990
3	Соединённые Штаты Америки	730
4	Германия	232
5	Россия	207
6	Япония	190

Для вашего удобства ниже мы разместили эту таблицу в виде картинки:

Таким образом, на первом месте по потреблению находится Китай, а Россия занимает пятую позицию.

Для наглядности, ниже представлены статистические данные о добыче каменного угля по всему миру в миллионах тонн.

Таблица добычи каменного угля согласно статистическим данным (за 2015 год)

N	Страна	Объём (миллион тонн)
1	Китайская Народная  Республика	3523
2	Индия	716
3	Соединённые Штаты Америки	702,3
4	Австралия	481,3
5	Индонезия	461
6	Россия	408,9

Для вашего удобства ниже мы разместили эту таблицу в виде картинки:

Как и в таблице по потреблению, первое место по добыче занимает Китай. Россия расположилась на 6 месте.

А теперь перечислим основные сферы применения каменного угля:

• Для отопления
• Для удобрения почвы
• Для получения жидкого топлива
• Другие области использования

Ниже мы расскажем более подробно о каждом предназначении.

Для отопления

Основное применение каменного угля – это отопление зданий и помещений. Его используют и для печного отопления частных домов, и для промышленных котельных.

У нас вы можете купить каменный уголь для:

• Промышленных котлов
• Домашних котлов

Пройдя по ссылкам, вы сможете узнать, какой именно вид топлива подходит для домашнего и промышленного отопления.

В этой сфере каменный уголь обладает массой преимуществ:

• • Одна закладка топлива в котел горит в течение 10-12 часов.
  • Сырье можно использовать и в стационарных печках, и в переносных котлах.
  • У каменного угля высокая теплота сгорания – лучшим считается тот, у которого показатель теплоотдачи выше 4700 ккал/кг.
  • Топливо легко перевозить и хранить.
  • Для отопления каменным углем не нужно сооружать сложные конструкции. Так, например, для газа прокладывают газопровод, для электрического отопления – электрическую сеть. В случае с углем все это не требуется.

Рассматривая преимущества использования каменного угля, нельзя не сказать о том, что при сгорании из него образуются парообразные и газообразные летучие продукты. Они негативно влияют на окружающую среду. При сгорании можно увидеть серовато-желтый, светло-серый или темно-серый дым. У древесного топлива он легкий и поднимается вверх, а у каменного угля он более темный и тяжело рассеивается в атмосферных слоях.

Негативные последствия использования каменного угля проявляются тем, что в почве оседают вредные соединения. Затем они попадают в растительные культуры, а потом по пищевой цепочке в организм животных и человека. Поэтому применение каменного угля низкого качества может негативно сказаться на здоровье людей. По этой причине перед продажей материал проверяются специалистами Роспотребнадзора.

Для того чтобы отопление каменным углем было эффективным, при выборе учитывается много факторов:

• Площадь объекта
• Толщина и материал стен
• Тип и состояние дверей и окон
• Вид котла или печи
• Схема закладки сырья
• Продолжительность холодного периода и температура в регионе

Для удобрения почвы

Для почвы каменный уголь используют в виде золы. Ее вносят при выращивании растений, которые сильно нуждаются в сере.

К культурам, которые можно удобрять золой каменного угля, относятся:

• Лук
• Горчица
• Бобовые
• Чеснок
• Капуста
• Хрен
• Редька

При внесении угольной золы нужно учитывать, что в глинистые и тяжелые грунты ее вкапывают на глубину 20 см. Из-за вымывания осадками ее вносят в глинистые почвы под зиму, а в песчаные – весной.

Каменноугольное удобрение применяют в виде:

• Раствора
  Он готовится следующим образом: на 10 л воды добавляют 100 г угольной золы.
  Им поливают растения под корень. Перед применением раствор обязательно нужно разболтать, так как на дне емкости образуется осадок.
• Настоя
  10-литровое ведро наполняют на 1/3 золой и до краев наливают горячую воду. Смесь настаивают 2 дня, процеживают и используют для опрыскивания или внекорневой подкормки огородных и садовых культур.
• Сухого удобрения
  Его вносят не более 3 кг на 100 м2, раскидывая по участку и перекапывая на глубину минимум 10 см.

Подкормка каменным углем содержит сульфиты, которые могут негативно повлиять на растения. Но сульфиты под воздействием кислорода окисляются, и отрицательное воздействие нивелируется. По этой причине золу после сгорания сразу не вносят, а просеивают и просушивают в сухом месте около 7-10 дней. После этого ее нужно или сразу вносить, или хранить в герметично закрытой таре.

В золе каменного угля содержатся окислы кремния, благодаря которым можно разрыхлить тяжелые глинистые и мокрые земли.

Они усиливают структуру однородного грунта, увеличивая его влагопропускную способность и плодородие. Еще одной важной особенностью считается практически полное отсутствие хлора, который в больших количествах губительно воздействует на растения.

Каменноугольное удобрение не используется в песчаных грунтах и земле с высокой кислотностью. Дело в том, что в нем много серы, которая преобразуется в соли серной кислоты и способствует повышению кислотности. Рекомендуется сочетать золу с органическими (навоз, помет, перегной), аммониевыми и содержащими кальций подкормками.

Стоит отметить, что вносить золу каменного угля нужно в объеме не больше 5% от общей массы земли. Дело в том, что после сгорания в ней образуются тяжелые металлы и радиоактивные элементы.  Избыточное внесение может привести к накоплению этих веществ, которые поглотят растения. Таким образом, только соблюдая пропорции, можно повысить плодородность грунта без вреда для растений.

О том, как еще можно улучшить плодородность земли, читайте на странице Плодородие почвы: как его сохранить и повысить.

Для получения жидкого топлива

Главная проблема при использовании каменного угля – это много остаточных продуктов горения. Это привело к тому, что ученые создали способы получения жидкого топлива из угля. Такой синтетический топливный продукт имеет более удобную форму сжигания и не содержит много вредных компонентов.

Есть два проверенных способа:

• Гидрогенизация
• Газификация

Далее мы рассмотрим каждый способ.

Гидрогенизация

Для получения 800 кг топлива берут 1 т каменного угля. Для процесса главное, чтобы в угле содержалось 35% летучих элементов. Процесс гидрогенизации предполагает, что в уголь добавляют недостающий водород. С этой целью сырье помещают в автоклав и нагревают. Внутри температура составляет 500°С, а давление – 200 Бар. При такой методике получения жидкого топлива сырье проходит в автоклаве две фазы – жидкую и паровую. Уголь насыщается водородом, и происходит распад сложных органических соединений на простые.

На выходе получается синтетический бензин или дизельное топливо. Теперь можно понять, насколько сложно такое производство. Самостоятельно наладить его не получится.

Газификация

Она представляет собой разложение твердотопливной продукции на газы. Для получения топлива их потом трансформируют в жидкий вид. Есть несколько способов газификации угля.

Первый метод – Фишера-Тропша. Он трудоемок и требует наличия сложного оборудования. Это нерентабельно, потому как тратится много каменного угля. И получается, что готовый бензин купить куда дешевле. К тому же, в процессе газификации выделяется огромное количество углекислого газа, а это небезопасно.

Второй способ – термический. Он подразумевает нагрев сырья без кислорода. Для него тоже нужно специальное оборудование, поскольку температура трансформации угля в газ равна 1200°С. Главное преимущество термической газификации состоит в том, что одна часть газа идет на подогрев сырья, а другая на синтезирование топлива. Это минимизирует затраты, ведь каменный уголь подогревает себя сам.

Все способы получения топлива из каменного угля организуются только в промышленных условиях. Дома это сделать невозможно и совсем небезопасно.

Другие области использования

Каменный уголь нашел свое применение и в других областях.

После первичной переработки из него получают:

• Кокс
• Каменноугольную смолу
• Аммиак

Затем на основе этого сырья изготавливают толуол, бензол, карбид кальция, нафталин, антрацен. В свою очередь эти компоненты входят в состав такой продукции как парфюмерные средства, растворители, пластмассы, лекарственные препараты, уксусная кислота, краски, взрывчатые вещества. То есть даже такие привычные нам духи, столовый уксус и некоторые лекарства – это производное каменного угля.

В остальных сферах жизни использовать каменный уголь нужно крайне осторожно. В некоторых случаях применять его нежелательно. Так, этот материал не подходит для мангала, на нем нельзя жарить шашлык, его не используют для розжига обычных костров, не добавляют в кальян. С чем это связано?

Дело в том, что у каменного угля высокая температура горения и большое содержание летучих веществ. А чтобы его разжечь своими силами, надо сильно постараться. К тому же, в материале есть примеси тяжелых металлов и опасных веществ. Да, их процент крайне мал, но он есть. По этой причине, кстати, не стоит давать золу каменного угля в качестве подкормки животным. В этом случае лучше использовать золу безопасного древесного угля.

Также каменный уголь не применяется в строительных и дорожных работах, в благоустройстве территории.

Каменный уголь – неотъемлемая часть нашей жизнедеятельности. Его использование оправдано в самых разных сферах, начиная от отопления, и заканчивая народным хозяйством и медициной.

Хотите узнать больше?

О том, что такое каменный уголь, какие у него есть виды и свойства, читайте на странице Каменный уголь.

Другие полезные статьи и советы по этому материалу вы найдете в разделе Все о каменном угле.

Хотите узнать, какой материал подойдет для ваших целей?

Тогда рекомендуем изучить нижеуказанные страницы. На них вы найдете подробную информацию о том, как выбрать каменный уголь для тех или иных работ.

• Каменный уголь для домашних котлов
• Каменный уголь для огорода
• Каменный уголь для промышленных котлов

Использование угля — Управление энергетической информации США (EIA)

В 2021 году в США было потреблено около 546 миллионов коротких тонн (Млн тонн) угля. С точки зрения содержания энергии это количество равнялось примерно 10,5 квадриллионам британских тепловых единиц (БТЕ) ​​и примерно 10,8% от общего потребления энергии в США. Это был самый низкий показатель с 1964 года и второй самый низкий процент после 2020 года от общего годового потребления энергии в США, по крайней мере, с 1949 года. Хотя когда-то использование угля было обычным явлением в промышленности, на транспорте, в жилом и коммерческом секторах, угля в Соединенных Штатах для производства электроэнергии. На электроэнергетический сектор приходится большая часть потребления угля в США с 1961.

• Электроэнергия — 501,4 млн ст — 91,9%
• Всего по промышленности — 43,4 млн тонн — 8,0%
  • Промышленные коксохимические заводы — 17,6 млн тонн — 3,2%
  • Промышленное комбинированное производство тепла и электроэнергии — 10,0 млн ст — 1,8%
  • Прочие промышленные — 15,9 млн тонн — 2,9%
• Коммерческий — 0,8 млн тонн — 0,1%
• Жилье и транспорт — отсутствует ²

С точки зрения содержания энергии пик потребления угля в США пришелся на 2005 г., но пик общего годового потребления угля в США пришелся на 2007 г. С тех пор в большинстве лет потребление угля снижалось, в основном из-за сокращения использования угля для производства электроэнергии. .

Нажмите, чтобы увеличить

Электроэнергия

Угольные электростанции сжигают уголь для производства пара, а пар вращает турбины (машины для выработки вращающейся механической энергии) для выработки электроэнергии. Многие отрасли промышленности и предприятия имеют свои собственные электростанции, а некоторые используют уголь для выработки электроэнергии для собственных нужд и в основном на комбинированных теплоэлектростанциях. Узнайте больше о производстве электроэнергии в США.

Промышленность

Многие отрасли промышленности используют уголь и его побочные продукты. Бетонная и бумажная промышленность сжигают большое количество угля для производства тепла. Сталелитейная промышленность косвенно использует уголь в качестве угольного кокса для выплавки железной руды в железо для производства стали. Высокие температуры, создаваемые сжиганием угольного кокса, придают стали прочность и гибкость, необходимые для мостов, зданий и автомобилей.

знаете ли вы

?

Уголь перерабатывается в угольный кокс для производства стали.

Доменная печь на современном сталелитейном заводе

Источник: BBC (защищено авторским правом)

Преобразование угля в газ и жидкости

Уголь можно превращать в газы и жидкости, которые можно использовать в качестве топлива или перерабатывать в химикаты для производства других продуктов. Эти газы или жидкости иногда называют синтетическим топливом или синтетическим топливом. Синтетическое топливо производится путем нагревания угля на больших судах. Эти виды топлива производят меньше загрязнителей воздуха при сжигании, чем непосредственное сжигание угля.

В Северной Дакоте завод Great Plains Synfuels перерабатывает уголь в синтетический природный газ (синтез-газ). Синтез-газ, полученный из угля, также можно использовать для производства электроэнергии и водорода. В настоящее время ни одно из коммерческих предприятий в Соединенных Штатах не производит жидкие углеводороды из угля, но в Южной Африке уголь перерабатывается в жидкие углеводороды на протяжении десятилетий.

¹ Источник: Управление энергетической информации США, Monthly Energy Review , Таблица 1.3 и Таблица 6.2, май 2022 г., предварительные данные за 2021 г.
² Небольшие объемы угля по-прежнему потребляются в жилищном секторе и на транспорте. Однако EIA больше не отслеживает потребление угля в этих секторах.

Последнее обновление: 6 июня 2022 г., самые последние данные доступны на момент обновления; данные за 2021 год предварительные.

Уголь

Уголь — это черная или коричневато-черная осадочная порода, которую можно сжигать в качестве топлива и использовать для производства электроэнергии. Он состоит в основном из углерода и углеводородов, содержащих энергию, которая может выделяться при сгорании (сгорании).

Уголь является крупнейшим источником энергии для производства электроэнергии в мире и самым распространенным ископаемым топливом в Соединенных Штатах.

Ископаемое топливо образуется из останков древних организмов. Поскольку на разработку угля уходят миллионы лет, а его количество ограничено, это невозобновляемый ресурс.

Условия, которые в конечном итоге привели к образованию угля, начали формироваться около 300 миллионов лет назад, в каменноугольный период. В это время Земля была покрыта широкими мелкими морями и густыми лесами. Моря время от времени затопляли лесные массивы, задерживая растения и водоросли на дне болотистой заболоченной местности. Со временем растения (в основном мхи) и водоросли были погребены и спрессованы под тяжестью вышележащего ила и растительности.

По мере того, как растительные остатки просеивались глубже под поверхность Земли, они столкнулись с повышением температуры и давления. Грязь и кислая вода препятствовали контакту растительного вещества с кислородом. Из-за этого растительное вещество разлагалось очень медленно и сохраняло большую часть своего углерода (источника энергии).

Эти участки захороненных растений называются торфяными болотами. Торфяные болота хранят огромное количество углерода на много метров под землей. Сам торф можно сжигать в качестве топлива, и он является основным источником тепловой энергии в таких странах, как Шотландия, Ирландия и Россия.

При определенных условиях торф превращается в уголь посредством процесса, называемого карбонизацией. Карбонизация происходит при невероятной температуре и давлении. Около трех метров (10 футов) слоистой растительности в конечном итоге сжимаются в треть метра (один фут) угля!

Уголь находится в подземных формациях, называемых «угольными пластами» или «угольными пластами». Угольный пласт может иметь толщину до 30 метров (90 футов) и простираться на 1500 километров (920 миль).

Угольные пласты есть на каждом континенте. Крупнейшие запасы угля находятся в США, России, Китае, Австралии и Индии.

В США уголь добывают в 25 штатах и ​​трех крупных регионах. В Западном угольном регионе Вайоминг является ведущим производителем — около 40% добываемого в стране угля добывается в штате. Более одной трети национального угля поступает из Аппалачского угольного региона, который включает Западную Вирджинию, Вирджинию, Теннесси и Кентукки. Уголь, добываемый в Техасе во Внутреннем угольном регионе, поставляется в основном на местные рынки.

Типы угля

Уголь сильно отличается от минеральных пород, которые состоят из неорганического материала. Уголь состоит из хрупкого растительного материала и претерпевает множество изменений, прежде чем становится знакомым черным и блестящим веществом, сжигаемым в качестве топлива.

Уголь проходит различные фазы карбонизации на протяжении миллионов лет, и его можно найти на всех стадиях разработки в разных частях мира.

Уголь ранжируется в зависимости от того, насколько сильно он изменился с течением времени. Закон Хилта гласит, что чем глубже угольный пласт, тем выше его ранг. На большей глубине материал сталкивается с более высокими температурами и давлением, и больше растительных остатков превращается в углерод.

Торф
Торф — это не уголь, но при определенных обстоятельствах он может превратиться в уголь. Торф представляет собой скопление частично сгнившей растительности, прошедшей небольшую карбонизацию.

Тем не менее, торф по-прежнему считается частью «семейства» угля, потому что он содержит энергию, которую содержали его исходные растения. Он также содержит большое количество летучих веществ и газов, таких как метан и ртуть, которые при сжигании представляют опасность для окружающей среды.

Торф сохраняет достаточно влаги, чтобы быть губчатым. Он может поглощать воду и расширять болото, образуя больше торфа. Это делает его ценной защитой окружающей среды от наводнений. Торф также можно интегрировать в почву, чтобы помочь ей удерживать и медленно высвобождать воду и питательные вещества. По этой причине торф и так называемый «торфяной мох» представляют ценность для садоводов.

Торф является важным источником энергии во многих странах, включая Ирландию, Шотландию и Финляндию, где его обезвоживают и сжигают для получения тепла.

Бурый уголь
Бурый уголь – уголь низшего сорта. Он обуглился до уровня торфа, но содержит небольшое количество энергии — содержание углерода в нем составляет около 25–35 процентов. Он происходит из относительно молодых угольных месторождений, возраст которых составляет около 250 миллионов лет.

Бурый уголь, рассыпчатая коричневая порода, также называемая бурым углем или углем с бутонами розы, удерживает больше влаги, чем другие виды угля. Это делает добычу, хранение и транспортировку дорогими и опасными. Он подвержен случайному возгоранию и имеет очень высокие выбросы углерода при сжигании. Большая часть бурого угля используется на электростанциях очень близко к месту его добычи.

Бурый уголь в основном сжигают и используют для производства электроэнергии. В Германии и Греции бурый уголь обеспечивает 25-50 процентов электроэнергии, вырабатываемой за счет угля. В США месторождения бурого угля вырабатывают электроэнергию в основном в штатах Северная Дакота и Техас.

Полубитуминозный уголь
Полубитуминозный уголь имеет возраст около 100 миллионов лет. Он содержит больше углерода, чем лигнит, около 35-45 процентов. Во многих частях мира полубитуминозный уголь считается «бурым углем» наряду с лигнитом. Как и лигнит, суббитуминозный уголь в основном используется в качестве топлива для производства электроэнергии.

Большая часть полубитуминозного угля в США добывается в штате Вайоминг и составляет около 47 процентов всего угля, добываемого в Соединенных Штатах. За пределами США Китай является ведущим производителем полубитуминозного угля.

Битуминозный уголь
Битуминозный уголь образуется при большем нагреве и давлении, и ему от 100 до 300 миллионов лет. Он назван в честь липкого смолоподобного вещества, называемого битумом, которое также содержится в нефти. Он содержит около 45-86 процентов углерода.

Уголь представляет собой осадочную горную породу, и битуминозный уголь часто содержит «полосы» или полосы различной консистенции, которые обозначают слои спрессованного растительного материала.

Битуминозный уголь делится на три основных типа: кузнечный уголь, каннельный уголь и коксующийся уголь. Кузнечный уголь имеет очень низкую зольность и идеально подходит для кузнечных горнов, где металл нагревают и формуют.

Каннельский уголь широко использовался в качестве источника каменноугольного масла в 19 веке. Угольное масло производится путем нагревания каннельского угля с контролируемым количеством кислорода, этот процесс называется пиролизом. Угольное масло использовалось в основном в качестве топлива для уличных фонарей и другого освещения. Широкое использование керосина сократило использование каменноугольного топлива в 20 веке.

Коксующийся уголь используется в крупномасштабных промышленных процессах. Уголь коксуется, процесс нагревания породы в отсутствие кислорода. Это снижает содержание влаги и делает продукт более стабильным. Сталелитейная промышленность зависит от коксующегося угля.

Битуминозный уголь составляет почти половину всего угля, используемого для производства энергии в Соединенных Штатах. В основном его добывают в Кентукки, Пенсильвании и Западной Вирджинии. За пределами США такие страны, как Россия и Колумбия, используют битуминозный уголь для производства энергии и промышленного топлива.

Антрацит
Антрацит — уголь высшего сорта. Он содержит наибольшее количество углерода, до 97 процентов, и поэтому содержит больше всего энергии. Он тверже, плотнее и блестяще, чем другие виды угля. Почти вся вода и двуокись углерода были вытеснены, и он не содержит мягких или волокнистых участков, присутствующих в битуминозном угле или лигните.

Поскольку антрацит — высококачественный уголь, он горит чисто, с очень небольшим количеством сажи. Он дороже других углей и редко используется на электростанциях. Вместо этого антрацит в основном используется в печах и печах.

Антрацит также используется в системах фильтрации воды. У него более мелкие поры, чем у песка, поэтому задерживается больше вредных частиц. Это делает воду более безопасной для питья, санитарии и промышленности.

Антрацит обычно можно найти в географических районах, которые подверглись особенно напряженной геологической деятельности. Например, запасы угля на плато Аллегейни в Кентукки и Западной Вирджинии простираются до подножия Аппалачей. Здесь процесс орогенеза, или горообразования, способствовал достаточно высоким температурам и давлению для создания антрацита.

Китай доминирует в добыче антрацита, на его долю приходится почти три четверти производства антрацитового угля. Другие страны-производители антрацита включают Россию, Украину, Вьетнам и США (в основном Пенсильванию).

Графит
Графит представляет собой аллотроп углерода, то есть вещество, состоящее только из атомов углерода. (Алмаз — еще один аллотроп углерода.) Графит — заключительная стадия процесса карбонизации.

Графит хорошо проводит электричество и обычно используется в литий-ионных батареях. Графит также может выдерживать температуры до 3000°C (5400°F). Его можно использовать в таких продуктах, как огнестойкие двери и детали ракет, такие как носовые обтекатели. Однако наиболее известное использование графита, вероятно, — это карандашные «грифели».

Китай, Индия и Бразилия являются ведущими мировыми производителями графита.

Добыча угля

Уголь можно добывать из недр открытым или подземным способом. После извлечения угля его можно использовать непосредственно (для отопления и промышленных процессов) или в качестве топлива для электростанций.

Открытая добыча
Если уголь находится на глубине менее 61 метра (200 футов), его можно добывать открытым способом.

При добыче открытым способом рабочие просто удаляют любые вышележащие отложения, растительность и камни, называемые вскрышными породами. С экономической точки зрения открытая добыча является более дешевым вариантом добычи угля, чем подземная. На одного рабочего в час можно добыть примерно в два с половиной раза больше угля, чем при подземной добыче.

Воздействие открытых горных работ на окружающую среду огромно. Ландшафт буквально разрывается, уничтожая места обитания и целые экосистемы. Открытая добыча полезных ископаемых также может вызывать оползни и проседания (когда земля начинает проседать или проваливаться). Токсичные вещества, попадающие в воздух, водоносные горизонты и грунтовые воды, могут представлять опасность для здоровья местных жителей.

В Соединенных Штатах Закон о контроле за открытыми разработками и рекультивации от 1977 года регулирует процесс добычи угля и направлен на ограничение вредного воздействия на окружающую среду. Закон предоставляет средства для решения этих проблем и очистки заброшенных участков добычи полезных ископаемых.

Существует три основных типа открытой добычи угля: открытая добыча, добыча открытым способом и добыча на вершинах гор (MTR).

Открытая разработка: Открытая разработка
Открытая разработка используется там, где угольные пласты расположены очень близко к поверхности и могут быть удалены массивными пластами или полосами. Вскрышу обычно удаляют с помощью взрывчатки и отбуксируют с помощью некоторых из самых больших транспортных средств, когда-либо созданных. Самосвалы, используемые на карьерах, часто весят более 300 тонн и имеют мощность более 3000 лошадиных сил.

Добыча открытым способом может использоваться как на равнинных, так и на холмистых ландшафтах. Открытая разработка в горной местности называется контурной разработкой. Контурная добыча следует по гребням или контурам вокруг холма.

Открытая разработка: открытая разработка
Открытая разработка используется, когда уголь залегает глубже под землей. Яма, иногда называемая займом, выкапывается на участке. Эта яма становится карьером, иногда называемым карьером. Карьеры могут расширяться до огромных размеров, пока не будет выработано угольное месторождение или стоимость транспортировки вскрышных пород не превысит инвестиции в шахту.

Добыча открытым способом обычно ограничивается плоскогорьем. После того, как шахта истощена, яму иногда превращают в свалку.

Открытые горные работы: MTR
Во время добычи на вершине горы (MTR) вся вершина горы очищается от вскрышных пород: камней, деревьев и верхнего слоя почвы.

Вскрышу часто вывозят в близлежащие долины, за что этот процесс получил прозвище «засыпка долины». После того, как вершина очищена от растительности, для обнажения угольного пласта используется взрывчатка.

После того, как уголь извлечен, вершина вылеплена из вскрышных пород со следующей горной вершины, которую предстоит добывать. По закону ценный верхний слой почвы должен быть сохранен и заменен после завершения добычи. Бесплодную землю можно засадить деревьями и другой растительностью.

Удаление горных вершин началось в 1970-х годах как дешевая альтернатива подземной добыче полезных ископаемых. В настоящее время он используется для добычи угля в основном в Аппалачах в США, в штатах, включая Вирджинию, Западную Вирджинию, Теннесси и Кентукки.

MTR, пожалуй, самый противоречивый метод добычи угля. Последствия для окружающей среды радикальны и серьезны. Водные пути перекрыты или загрязнены засыпкой долины. Места обитания разрушены. Токсичные побочные продукты добычи полезных ископаемых и взрывных работ могут попадать в местные водоемы и загрязнять воздух.

Подземная добыча
Большая часть мировых запасов угля находится глубоко под землей. Подземная добыча, иногда называемая глубокой добычей, представляет собой процесс, при котором уголь добывается глубоко под поверхностью Земли, иногда на глубине до 300 метров (1000 футов). Шахтеры спускаются на лифте по стволу шахты, чтобы добраться до глубины шахты, и управляют тяжелой техникой, которая извлекает уголь и перемещает его над землей.

Непосредственное воздействие подземных горных работ на окружающую среду кажется менее значительным, чем наземные. Вскрышных пород мало, но при подземных горных работах остаются значительные хвосты. Хвосты представляют собой часто токсичные остатки, оставшиеся после процесса отделения угля от пустой породы или экономически неважных полезных ископаемых. Токсичные угольные хвосты могут загрязнять местные источники воды.

Для шахтеров подземная добыча опасна. Подземные взрывы, удушье от нехватки кислорода или воздействие ядовитых газов — вполне реальная угроза.

Чтобы предотвратить накопление газов, метан должен постоянно удаляться из подземных шахт, чтобы обеспечить безопасность горняков. В 2009 году около 10 процентов выбросов метана в США приходилось на вентиляцию подземных шахт; 2 процента приходится на добычу открытым способом.

Существует три основных типа подземной добычи угля: разработка длинными забоями, камерно-столбовая разработка и отходная разработка.

Подземная добыча: разработка длинными забоями
При разработке длинными забоями шахтеры срезают огромные пласты угля толщиной около одного метра (трех футов), длиной от трех до четырех километров (2-2,5 мили) и длиной 250-400 метров (800 -1300 футов) в ширину. Панели перемещаются конвейерной лентой обратно на поверхность.

Крыша шахты поддерживается гидравлическими опорами, известными как колодки. По мере продвижения мины продвигаются и клинья. Область за клиньями обрушивается.

Разработка длинными забоями является одним из старейших методов добычи угля. До широкого использования конвейерных лент пони спускались по глубоким узким каналам и вытаскивали уголь обратно на поверхность.

Сегодня почти треть американских угольных шахт используют разработку длинными забоями. За пределами США этот показатель еще выше. В Китае, крупнейшем в мире производителе угля, более 85% угля добывается лавовым способом.

Подземная добыча: камерно-столбовая
При камерно-столбовой добыче горняки вырезают «комнату» из угля. Колонны (столбы) из угля поддерживают перекрытие и вскрышные породы. Комнаты имеют ширину около девяти метров (30 футов), а опорные столбы могут быть шириной 30 метров (100 футов).

Существует два типа камерно-столбовой разработки: традиционная и непрерывная. В обычной добыче полезных ископаемых используются взрывчатые вещества и режущие инструменты. При непрерывной добыче уголь извлекается сложной машиной, называемой комбайном непрерывного действия.

В США в большинстве камерно-столбовых горных работ используется комбайн непрерывного действия. В развивающихся странах камерно-столбовые угольные шахты используют традиционный метод.

Подземная добыча: отступная добыча
Отступная добыча — это разновидность камерно-столбовой разработки. Когда весь доступный уголь извлечен из комнаты, горняки покидают комнату, осторожно разрушают столбы и позволяют обрушиться потолку. Остатки гигантских столбов дают еще больше угля.

Отступная добыча может быть самым опасным методом добычи. На оставшиеся столбы оказывается большая нагрузка, и если их не вытащить в точном порядке, они могут рухнуть и запереть горняков под землей.

Как мы используем уголь

Люди во всем мире используют уголь для обогрева своих домов и приготовления пищи на протяжении тысячелетий. Уголь использовался в Римской империи для обогрева общественных бань. В Империи ацтеков блестящий камень использовался не только в качестве топлива, но и для украшений.

Промышленная революция питалась углем. Это была более дешевая альтернатива древесному топливу, и при сжигании производилось больше энергии. Уголь обеспечивал пар и энергию, необходимые для массового производства предметов, выработки электроэнергии и топлива для пароходов и поездов, которые были необходимы для перевозки предметов для торговли. Большинство шахт или угольных шахт времен промышленной революции находились в северной Англии, где в начале 18 века добывалось более 80 процентов угля.

Сегодня уголь по-прежнему используется напрямую (отопление) и косвенно (производство электроэнергии). Уголь также необходим для сталелитейной промышленности.

Топливо
Во всем мире уголь в основном используется для производства тепла. Это основной источник энергии для большинства развивающихся стран, и мировое потребление увеличилось более чем на 30 процентов в 2011 году.

Уголь может сжигаться отдельными домохозяйствами или в огромных промышленных печах. Он производит тепло для комфорта и стабильности, а также нагревает воду для санитарии и здоровья.

Электроэнергия
Электростанции, работающие на угле, являются одним из самых популярных способов производства и распределения электроэнергии. На угольных электростанциях уголь сжигается и нагревает воду в огромных котлах. Кипящая вода создает пар, который вращает турбину и активирует генератор для производства электроэнергии.

Почти вся электроэнергия в Южной Африке (около 93 процентов) вырабатывается за счет угля. Польша, Китай, Австралия и Казахстан — другие страны, использующие уголь для производства электроэнергии. В Соединенных Штатах около 45 процентов электроэнергии в стране вырабатывается за счет угля.

Кокс
Уголь играет жизненно важную роль в сталелитейной промышленности. Чтобы произвести сталь, железную руду необходимо нагреть, чтобы отделить железо от других минералов в породе. В прошлом для нагревания и разделения руды использовался сам уголь. Однако при нагревании уголь выделяет примеси, такие как сера, что может сделать полученный металл слабым.

Еще в 9 веке химики и инженеры открыли способ удаления этих примесей из угля перед его сжиганием. Уголь обжигают в печи в течение примерно 12-36 часов при температуре примерно 1000-1100°C (1800-2000°F). Это отгоняет примеси, такие как угольный газ, окись углерода, метан, смолы и нефть. Полученный материал — уголь с небольшим количеством примесей и высоким содержанием углерода — представляет собой кокс. Метод называется коксованием.

Кокс сжигается в доменной печи с железной рудой и воздухом при температуре около 1200°C (2200°F). Горячий воздух воспламеняет кокс, а кокс плавит железо и отделяет примеси. В результате получается сталь. Кокс обеспечивает тепловые и химические свойства, которые придают стали прочность и гибкость, необходимые для строительства мостов, небоскребов, аэропортов и автомобилей.

Многие крупнейшие производители угля в мире (США, Китай, Россия, Индия) также входят в число крупнейших производителей стали. Япония, еще один лидер сталелитейной промышленности, не имеет значительных запасов угля. Это один из крупнейших импортеров угля в мире.

Синтетические продукты
Газы, выделяющиеся в процессе коксования, могут использоваться в качестве источника энергии. Угольный газ можно использовать для обогрева и освещения. Уголь также можно использовать для производства синтез-газа, комбинации водорода и монооксида углерода. Сингаз можно использовать в качестве транспортного топлива, аналогичного нефти или дизельному топливу.

Кроме того, уголь и побочные продукты кокса могут использоваться для производства синтетических материалов, таких как смола, удобрения и пластмассы.

Уголь и выбросы углерода

При сжигании угля выделяются газы и твердые частицы, вредные для окружающей среды. Углекислый газ является основным выбросом.

Углекислый газ является неотъемлемой частью атмосферы нашей планеты. Его называют парниковым газом, потому что он поглощает и сохраняет тепло в атмосфере и поддерживает на нашей планете температуру, пригодную для жизни. В естественном углеродном цикле углерод и углекислый газ постоянно циркулируют между землей, океаном, атмосферой и всеми живыми и разлагающимися организмами. Углерод также изолируется или хранится под землей. Это удерживает углеродный цикл в равновесии.

Однако при добыче и сжигании угля и других видов ископаемого топлива в атмосферу высвобождается секвестрированный углерод, что приводит к накоплению парниковых газов и отрицательно влияет на климат и экосистемы.

В 2011 году около 43 процентов электроэнергии в США было произведено за счет сжигания угля. Однако на добычу угля приходится 79 процентов выбросов углерода в стране.

Другие токсичные выбросы
Двуокись серы и оксиды азота также выделяются при сжигании угля. Они способствуют кислотным дождям, смогу и респираторным заболеваниям.

Ртуть выделяется при сжигании угля. В атмосфере ртуть обычно не представляет опасности. Однако в воде ртуть превращается в метилртуть, которая токсична и может накапливаться в рыбе и организмах, потребляющих рыбу, включая людей.

Летучая зола (которая уносится вместе с другими газами при сжигании угля) и зольный остаток (который не улетучивается) также выделяются при сжигании угля. В зависимости от состава угля эти частицы могут содержать токсичные элементы и раздражители, такие как кадмий, диоксид кремния, мышьяк и оксид кальция.

В США летучая зола должна улавливаться промышленными «скрубберами», чтобы предотвратить ее загрязнение атмосферы. К сожалению, летучая зола часто хранится на свалках или электростанциях и может стекать в грунтовые воды. В ответ на эту опасность для окружающей среды летучая зола используется в качестве компонента бетона, тем самым изолируя его от окружающей среды.

Многие страны не регулируют угольную промышленность так строго, как США, а выбросы загрязняют воздух и воду.

Угольные пожары
При соответствующих условиях тепла, давления и вентиляции угольные пласты могут самовозгораться и гореть под землей. Молнии и лесные пожары также могут воспламенить открытый участок угольного пласта, и тлеющий огонь может распространиться вдоль пласта.

Угольные пожары выбрасывают в атмосферу тонны парниковых газов. Даже если поверхностный пожар потушен, уголь может тлеть годами, прежде чем вспыхнуть и снова вызвать лесной пожар.

Возгорание угля также может начаться в шахтах в результате взрыва. Угольные пожары в Китае, многие из которых возникли в результате взрывов, используемых в процессе добычи, могут составлять 1% мировых выбросов углерода. В США заброшенные шахты чаще загораются, если мусор сжигают на близлежащих свалках.

Когда уголь загорается и начинает тлеть, его очень трудно потушить. В Австралии угольный пожар на «Пылающей горе» горит уже 5500 лет!

Преимущества и недостатки

Преимущества
Уголь является важной частью мирового энергетического бюджета. Найти и извлечь его относительно недорого, и его можно найти по всему миру. В отличие от многих возобновляемых ресурсов (таких как солнечная энергия или ветер), добыча угля не зависит от погоды. Это базовое топливо, то есть его можно производить 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году.

Мы используем и зависим от многих вещей, которые дает уголь, таких как тепло и электричество для питания наших домов, школ, больниц и промышленных предприятий. Сталь, необходимая для строительства мостов и других зданий, практически полностью зависит от производства кокса.

Побочные продукты угля, такие как синтетический газ, могут использоваться для производства топлива для транспорта.

Добыча угля также обеспечивает экономическую стабильность для миллионов людей во всем мире. Угольная промышленность опирается на людей с широким спектром знаний, навыков и способностей. Работа, связанная с углем, включает геологов, горняков, инженеров, химиков, географов и руководителей. Угольная промышленность является критически важной отраслью как для развитых, так и для развивающихся стран.

Недостатки
Уголь является невозобновляемым источником энергии. На его формирование ушли миллионы лет, и на нашей планете его существует конечное количество. Хотя на данный момент это стабильный и надежный источник энергии, он не будет доступен вечно.

Горнодобывающая промышленность — одна из самых опасных профессий в мире. Опасности для здоровья подземных горняков включают респираторные заболевания, такие как «черное легкое», при котором угольная пыль накапливается в легких. Помимо болезней, тысячи горняков ежегодно гибнут в результате взрывов шахт, обвалов и других несчастных случаев.

Сжигание угля для получения энергии приводит к выбросу токсинов и парниковых газов, таких как двуокись углерода. Они оказывают непосредственное влияние на местное качество воздуха и способствуют глобальному потеплению, текущему периоду изменения климата.

Добыча полезных ископаемых навсегда изменяет ландшафт. При сносе горных вершин стирается сам ландшафт и разрушаются экосистемы. Это увеличивает эрозию в этом районе. Наводнения и другие стихийные бедствия подвергают эти районы большой опасности.

Добыча угля может повлиять на местное водоснабжение несколькими способами. Потоки могут быть заблокированы, что увеличивает вероятность флуда. Токсины часто попадают в грунтовые воды, ручьи и водоносные горизонты.

Уголь — один из самых противоречивых источников энергии в мире. Преимущества добычи угля экономически и социально значимы. Однако добыча полезных ископаемых опустошает окружающую среду: воздух, землю и воду.

Fast Fact

Углеродное волокно
Углеродное волокно, используемое во всем, от легких велосипедов до пуленепробиваемых кевларовых жилетов, представляет собой разновидность графита, высший сорт угля.

Fast Fact

Чистый уголь
«Чистый уголь» — это термин, используемый для обозначения любой технологии, снижающей выбросы углерода при сжигании угля.