Производство угля – Угольная промышленность — Википедия

Содержание

Угольная промышленность — Википедия

Угольная шахта в разрезе: 1 — штреки; 2 — угольные пласты; 3 — уклон; 4 — ходки; 5 — надшахтные здания стволов; 6 — административно-бытовой комбинат; 7 — склад; 8 — угольный склад; 9 — террикон. Угольный разрез в Австралии Угольный разрез в Польше Угольная шахта в Германии

У́гольная промы́шленность — это отрасль топливной промышленности, которая включает добычу открытым способом или в шахтах, обогащение и переработку (брикетирование) бурого и каменного угля.

Способ добычи угля зависит от глубины его залегания. Разработка чаще ведется открытым способом, который предпочтительнее из-за дешевизны и большей безопасности. Подземный способ применяют, если пласт залегает слишком глубоко. Иногда при углублении разреза (угольного карьера) становится выгоднее вести разработку месторождения подземным способом.

В России в 2005 году доля угля в энергобалансе страны составляла около 18 процентов (в среднем по миру 39 %), в производстве электроэнергии — немногим более 20 процентов. Доля угля в топливном балансе РАО ЕЭС составила в 2005 году 26 %, а газа — 71 %.

Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с глубины чуть более 1200 метров.

В угленосных отложениях наряду с углём содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырьё для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе редкие металлы и их соединения. Например, некоторые угли обогащены германием.

Угольный карьер, горное предприятие, предназначенное для разработки открытым способом.

Применение струй как инструмента разрушения в исполнительных органах очистных и проходческих комбайнов представляет особый интерес. При этом наблюдается постоянный рост в разработке техники и технологии разрушения угля, горных пород высокоскоростными струями непрерывного, пульсирующего и импульсного действия.

Современные газогенераторы имеют мощность для твёрдого топлива до 80000 м³/ч и до 60000 м³/ч. Техника газификации развивается в направлении повышения производительности (до 200000 м³/ч) и КПД (до 90 %) путём повышения температуры и давления процесса (до 2000 °C и 10 МПа соответственно).

Проводились опыты по подземной газификации углей, добыча которых по различным причинам экономически не выгодна.

К 1945 году в мире имелось 15 заводов синтеза Фишера-Тропша (в Германии, США, Китае и Японии) общей мощностью около 1 млн т углеводородов в год. Они выпускали в основном синтетические моторные топлива и смазочные масла.

В годы после Второй мировой войны синтезу ФТ уделяли большое внимание во всём мире, поскольку считалось, что запасы нефти подходят к концу, и надо искать ей замену. В 1950 году был пущен завод в Браунсвилле (Техас, США) на 360 тыс. т/г. В 1955 году южноафриканская компания Sasol Limited построила собственное производство, существующее и развивающееся до сих пор. В Новочеркасске с 1952 работала установка мощностью около 50 тыс. т/г, использующая вывезенное из Германии оборудование. Сырьём служил сначала уголь донецкого бассейна, а затем природный газ. Немецкий Co-Th катализатор был со временем заменён на оригинальный, Co-Zr. На заводе была установлена колонна точной ректификации, так что в ассортимент продукции завода входили индивидуальные углеводороды высокой чистоты, в том числе α-олефины с нечетным углеродным номером. Установка работала на Новочеркасском заводе синтетических продуктов вплоть до 1990-х годов и была остановлена по экономическим причинам.

Все эти предприятия в значительной степени заимствовали опыт немецких химиков и инженеров, накопленный в 1930-40-е годы.

Открытие обширных месторождений нефти в Аравии, Северном море, Нигерии, Аляске резко снизило интерес к синтезу ФТ. Почти все существующие заводы были закрыты, единственное крупное производство сохранилось в ЮАР. Активность в этой области возобновилась к 1990-м годам.

В 1990 г компания Exxon запустила опытную установку на 8 тыс. т/г с Co катализатором. В 1992 г южноафриканская компания Mossgas построила завод мощностью 900 тыс. т/г. В отличие от технологии Sasol, в качестве сырья здесь использовался природный газ с шельфового месторождения. В 1993 году компания Shell запустила завод в Бинтулу (Малайзия) мощностью 500 тыс. т/г, используя Co-Zr катализатор и оригинальную технологию «средних дистиллятов». Сырьём служит синтез-газ, получаемый парциальным окислением местного природного газа. В настоящее время Shell строит завод по той же технологии, но на порядок большей мощности в Катаре. Свои проекты в области синтеза ФТ разной степени проработки имеют также компании Chevron, Conoco, BP, ENI, Statoil, Rentech, Syntroleum и другие.

Производство угля в год (млн. тонн)[1][2][3][4][5][6]
Страны20032004200520062007200820092010201120122014ДоляНасколько хватит разведанных запасов (лет)
Китай1722,01992,32204,72380,02526,02782,03050,03240,03520,03650,03874,046,9 %38
США972,31008,91026,51053,61040,21062,8973,2984,6992,8922,1906,912,9 %245
Индия375,4407,7428,4447,3478,4521,7557,6569,9588,5605,8536,53,9 %105
ЕС638,0628,4608,0595,5593,4587,7536,8535,7576,1580,7491,57,1 %55
Австралия351,5366,1378,8385,3399,0401,5409,2423,9415,5431,2644,06,2 %186
Индонезия114,3132,4146,9195,0217,4229,5252,5305,9324,9386,0458,07,2 %17
Россия276,7281,7298,5309,2314,2326,5298,1316,9323,5354,8357,64,3 %420
ЮАР237,9243,4244,4244,8247,7250,4250,0253,8255,1260,0260,53,8 %122
Германия204,9207,8202,8197,2201,9192,4183,7182,3188,6196,2185,81,1 %37
Польша163,8162,4159,5156,1145,9143,9135,1133,2139,2144,1137,11,4 %56
Казахстан84,986,986,696,297,8111,1101,5110,8115,6116,4108,71,4 %308
Мировое производство5187,65585,35886,76195,16421,26781,26940,67273,37995,47864,78164,9100 %119

В 1990-х добыча угля в России неуклонно снижалась, упав к 1998 году почти на 1/3. С 2001 года наметился рост (исключая спад в 2009 году). В 2008 году в России добыто 329 млн тонн угля.

Россия[править | править код]

Крупнейшие российские производители угля В 2004 году добыча составляла:

В 2015 году добыча угля составляла

  • Кузбассразрезуголь — 48 млн тонн
  • СУЭК-Кузбасс — 30 млн тонн
  • Бородинский разрез — 19 млн тонн
  • Воркутауголь — 14 млн тонн
  • Тугнуйский разрез — 14 млн тонн
  • СУЭК-Хакассия — 13 млн тонн
  • Востсибуголь — 12 млн тонн
  • Распадская — 11 млн тонн
  • Южкузбассуголь — 11 млн тонн
  • Южный Кузбасс — 10 млн тонн

[7]

В странах бывшего СССР одним из известных месторождений угля является Донбасс (Украина) и Кузбасс (Россия).

По данным Министерства энергетики РФ в 2014 году добыча осуществлялась 89 шахтами и 107 разрезами . Добыто 358 млн тонн угля.

Внутреннее потребление - энергетического угля -140 млн тонн, коксующегося угля -38 млн тонн.

Украина[править | править код]

Угольная промышленность на Украине, млн т
год18801890
1900
191019131920192519291935
угля, млн т1,32,910,716,323,54,118,230,559,7
год194019451950195519591961196319651967
угля, млн т83,330,176,4116,3167,3171,5179,7194,3199,0
год196919711973197519761977197919811983
угля, млн т204,4209,4212,6215,7218,1217,2204,7191,1190,9
год198519871990199619992000200120022003
угля, млн т189191,9164,875,48181,183,481,880,2
год200420052006200720082009201020112012
угля, млн т81,378,880,276,879,573,875,281,985,9
год201320142015201620172018
угля, млн т83,66539,8

Сжигание угля вносит заметный вклад в глобальное потепление. Существует мнение, что для того, чтобы избежать опасных климатических изменений, необходимо запретить добычу некоторой части углеводородов. В особенности, это касается угля. В числе стран, которым следует полностью отказаться от угледобычи называются Китай, Россия и США[8].

ru.wikipedia.org

Древесный уголь: производство и применение

21.08.2019

Одной из альтернатив «традиционного» угля сегодня является древесный уголь. Но в отличие от своего сородича, это экологически чистый и более безопасный в использовании продукт.

Как и его изготавливают и почему не применяют для выработки электроэнергии?

Производство древесного угля

Древесный уголь имеет общее происхождение с каменным углём. Они оба образуются из древесины, только каменный уголь формируется в результате разложения древесной породы, которое длится долгие века. А вот древесный уголь получают методом термического разложения древесины – пиролиза.

Предварительно высушенную древесную породу помещают в реторту – замкнутую стальную ёмкость, в которую не поступает воздух. Затем ёмкость устанавливается в специальную печь, где и происходит процесс нагревания. Под воздействием высоких температур материал в бескислородной среде разлагается, превращаясь в древесный уголь.

Пиролиз древесины. Фото: synergy-dream.com

После пиролиза материал обязательно подвергается прокалке. Этот процесс также проводится в печи: его суть заключается в отделении от полученного угля лишних газов и смол. На заключительном этапе реторту достают из печи, а уголь отсеивают от мелких фракций и пыли.

В зависимости от выбора «исходного материала» производят разные виды древесного угля. Также они отличаются друг от друга разной степенью содержания нелетучего углерода.

Чёрный уголь (марка А) получают из мягких пород древесины – например, тополя, липы, осины. Он считается высшим сортом древесного угля: в материале содержится как минимум 90% нелетучего углерода и не более 2,5% золы.

Из берёз, дубов, ясеней и других твёрдых пород образуется так называемый белый уголь первого сорта (марка Б), а хвойные породы (сосна, ель или лиственница) дают красный древесный уголь (марка В).

Свойства биотоплива

В результате пиролиза древесины получают уголь с большим количеством микроскопических полостей, за счёт которых он приобретает высокую поглощающую способность.

Благодаря кислороду, попадающему в поры, топливо легко горит и выделяет много тепла. Даже небольшое количество биотоплива даёт длительный жар, причём при сжигании практически не выделяется дым. Ко всему прочему, древесный уголь не склонен к самовозгоранию.

Древесный уголь. Фото: openbusiness.ru

Полученный древесный уголь состоит из углерода, водорода и кислорода. Их доля в материале зависит от температуры обугливания: чем она выше, тем выше содержание углерода и ниже – кислорода и водорода.

В среднем в древесном угле содержится около 80% углерода, причём как летучего, так и не летучего. Доля остальных веществ такова: кислорода – от 5 до 15%, водорода – порядка 4,5%.

Доля летучих веществ в продукте составляет не более 20%, золы – не более 3%, влаги – от 2-4% до 7-15% (если хранить материал в закрытых складах).

Калорийность или удельная теплота сгорания древесного угля варьируется в диапазоне от 7000 до 8000 Ккал/кг.

О характерных свойствах «классических» видов угля – бурого, каменного и антрацита – в нашем материале «Виды угля: какое топливо эффективней?».

Кому и зачем?

Древесный уголь применяют во многих сферах– к примеру, в пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве. Также он используется для очистки промышленных стоков и газовых выбросов предприятий, а для выплавки ценных и редких металлов он просто необходим.

Помимо этого, древесный уголь используется в качестве топлива. Например, из угольной пыли, которая вырабатывается в процессе пиролиза, производят древесно-угольные брикеты.

Древесно-угольные брикеты. Фото: farpost.ru

Материал смешивают с каким-либо сырьём (как правило, это крахмальный клейстер), после чего отправляют на механический пресс, там их обжигают под высоким давлением и сжимают в бруски определённой формы и размеров.

Брикеты из древесного угля прогорают равномерно и полностью, при этом они превращаются в золу. Теплотворная способность такого топлива составляет свыше 8000 Ккал/кг.

В основном древесный уголь, как и брикеты, используется для отопления частных домов, а не ТЭС. Дело в том, что стоит биотопливо практически в два раза дороже, чем, например, каменный уголь.

dprom.online

Добыча угля - открый, закрытый и гидравлический способы

Добыча угля – это сложный технологический процесс, который требует очень много ресурсов и техники. Он используется в промышленности, для сельско-хозяйственных нужд, производства электроэнергии. В мире он имеет очень большую ценность, ископаемое называют черным золотом, твердой нефтью. Как выглядит добыча и переработка угля, и как развивалась эта промышленность в странах, от античности до наших дней?

История добычи черного золота в мире

Угольная промышленность начала развиваться еще в античности. Первыми странами, которые начали использовать его в виде топлива, являются Греция и Китай. Чаще всего он применялся для отопления помещений, а в дальнейшем и для выплавки металлов. 3000 лет назад в Китае поняли, что его сгорание намного эффективнее, чем получение тепла от дерева и другого сырья. В 315 году первым, кто изучал его свойства был ученый Теофраст, который дал ему говорящее название – антракс, что в переводе с грецкого означало «горящий камень».

Было множество теорий о происхождении этого топливного ископаемого. Некоторые считали, что он образовался в результате воздействия высокой температуры при извержении вулкана. Первые залежи нашли именно в их окрестностях – вблизи тектонических разломов, где месторождения были ближе всего к земле. Учитывая его горючие свойства, некоторые ученые высказывали предположение, что это затвердевшая нефть.

В дальнейшем ученые определили, что уголь имеет растительное происхождение, даже удалось установить, какие именно породы деревьев превалируют в том или ином пласте ископаемого.

Некоторые ученые склонны считать, что топливное ископаемое образовалось в результате потопа (прототипа библейскому), из-за которого множество растений были погребенные под слоями осадочных пород.

Нашли уголь случайно, во время выветривания и обрушения горных пород на поверхности оказывались куски странного материала, который имел черный окрас, и переливался на солнце. Добывался он вручную, с применением примитивной техники. Также куски собирали дети на побережьях, особенно после приливов и штормов. Шахтным способом его начали получать только в 1113 году, но и то производство было далеко от современности. Угольная деятельность считалась одной из самых опасных, работали на рудниках низшие слои населения, получая сущие гроши.

Самое обширное применение угля было в доменных печах: на кузницах, при обработке металла, на фабриках по производству кирпича. Ценился он из-за теплоемкости при горении, с его помощью можно было поддерживать высокую температуру долгое время.

С возникновением паровых двигателей, это топливо стало частью двигательных систем на пароходах, в автомобилях и другой технике, работающей по этому принципу. Сейчас же в добыче задействованы не только люди, но и огромное количество техники, а количество сырья, которое получают ежегодно составляет миллиарды тонн.

Первые данные о поисках месторождений угля для промышленного использования датируются 1491 годом, когда Великим князем Московским Иваном III были организованы экспедиции в горные массивы. Им был выбран Печорский край – один из крупнейших рудников по добыче угля в России сегодня.

Самые масштабные разработки угольных шахт были при Петре 1, он был инициатором создания шахт на Урале, Донбассе, в Кузнецке, на Дальнем Востоке и в окрестностях Москвы. Он не жалел денег на финансирование горнодобывающей промышленность, стремился внедрить новые технологии, которые облегчали людям работу и увеличивали выработку.

Во времена СССР добыче топливного ископаемого отводилась особая роль. Рабочих очень сильно ценили, даже был введен всесоюзный праздник – День Шахтера, чтобы отдать дань их нелегкому и опасному труду. Уголь получил название «хлеб промышленности», его уже использовали для получения энергии на теплоэнергостанциях.

Сейчас угледобывающая промышленность достигла больших высот, но многие страны, наряду с введением всевозможных инновационных разработок, стараются вывести этот ресурс из использования. Все дело в экологической опасности, которая возникает из-за его применения. При сжигании топлива образуется огромное количество углекислого газа, одного из виновников парникового эффекта.

Оказывается, название бурый и черный уголь получил не из-за цвета сырья. Раньше, для определения «жирности» породы, ею проводили по белой поверхности. Получалась черная или бурая полоса, что и дало ископаемому соответственное название.


Как происходит добыча угля на современных шахтах

Несмотря на то, что производство никогда не стояло на месте, постоянно модернизируясь, некоторые страны все еще добывают его с помощью ручной силы. Можно выделить Индию, где жители городков возле месторождений занимаются собиранием угля. В этом процессе задействованы даже маленькие дети, стремящиеся помочь родителям зарабатывать деньги. Поселок Джариа даже был назван адом на земле, ведь там воздух заполнен угольной пылью и ядовитыми газами, сырье часто самопроизвольно воспламеняется.


Основные способы добычи угля

В более развитых странах эта проблема не столь выражена. Разработка месторождений ведется с помощью специализированной техники, в некоторых процессах человек даже не принимает участия.

Сейчас широкое применение получили 3 вида добычи угля:

  • Карьерный или разрезной;
  • Шахтный;
  • Гидравлический.

Их использование зависит от глубины залегания пласта полезного ископаемого, твердости породы и доступности.

Сравнительная таблица способов добычи угля.

КарьерныйШахтныйГидравлический
ПлюсыНизкая себестоимость
Безопасность
Быстрая разработка месторождений
Сравнительно экологичный
Высокое качество угля
Большие выработки
Экологичный
Не требует привлечения огромного количества человеческих ресурсов
Сравнительно дешевый
Не наносит вред фундаменту планеты
НедостаткиКачество добытого угля
Неэкологичный
Не безопасный способ
Трудоемкость
Себестоимость очень высокая
Использование огромного количества воды
Низкая продуктивность

Карьерный способ

Открытая добыча угля ведется там, где он залегает под землей на глубине не более 500 метров. Для разработки подобных месторождений применяются краны, которые снимают пласт пустой породы. Называются они драглайны. Состоят краны из кабины, стрелы и ковша. Они закреплены на рельсах, для передвижения по карьеру или стоят на гусеницах.

Также для разрыхления породы используется взрывчатка, но из-за опасности сейчас от нее отказываются на большинстве производств. После опустошения месторождения пустая земля засыпается обратно, территория выравнивается и обогащается удобрениями. Сверху садятся деревья, чтобы восстановить или улучшить экосистему этой местности. Открытая добыча каменного угля все же приносит вред природе – нарушается экологическая ситуация, высыхают подземные воды.

Бурый уголь залегает сравнительно не глубоко, на глубине 300-400 метров, поэтому для его добычи тоже используется открытый метод. Места разработки месторождений принято называть разрезами, ведь они длинные и узкие, особенно это заметно из космоса. Пожалуй, это единственное их отличие от карьеров, ведь технология получения сырья такая же.

Далее в работу вступают машины поменьше, которые взрыхляют породу и грузят ее в вагоны, которые отправляются на производство. Уголь ссыпается на конвейерную установку, и отправляется на производство, обогатительные станции или ТЭЦ.

Шахтный способ

Подземная добыча угля – это более старый и технологический способ получения сырья. Большое количество ископаемого залегает на глубине более 500 метров, а снятие верхней породы будет нерентабельным, трудоемким и дорогостоящим процессом. Сооружение шахты производится таким образом – делается ствол, главная шахта, по которой в дальнейшем будет спускаться все оборудование и рабочие.

Когда она достигает максимально возможной глубины, в пласте делаются горизонтальные разрезы, прокладываются рельсы и запускается главное оборудование. Все стены укрепляются столбами или кольцами, чтобы предотвратить обрушение от вибрации.

Самая глубокая угольная шахта находится в Донецком каменноугольном бассейне на Украине. Сейчас она достигает 2043 метра.

Для безопасности рабочих очень важно обеспечивать постоянную вентиляцию шахты, чтобы снижать концентрацию метана и подогревать воздух, если климатические условия этого требуют.

Добыча угля в шахтах ведется с помощью техники, которая дробит пласты и отправляет их на поверхность. Мастодонт в этой сфере – проходческий комбайн. Он отбивает сырье от пласта и отправляет его на поверхность по конвейерной ленте. В местах залегания твердой породы используют несколько другое оборудование.

Врубовый комбайн оснащен аналогом сверла с огромными зубьями, которые дробят породу, продвигаясь все глубже по шахте. Дополнительно устанавливается и очистной комбайн, который снимает излишки стружки и дробит большие куски породы, чтобы они могли двигаться по конвейеру на верх.

Еще одна важная часть, которую нельзя не отметить в закрытом способе добычи угля – выкачка воды. В местах залегания могут проходить даже подземные реки, они очень сильно утруждают производство и опасны для рабочих. При нарушении норм, выходе из строя оборудования, которое откачивает воду, она может прорваться в ствол шахты, затопив ответвления. Это приведет к поломке техники и смерти рабочих или их заточения под землей.

Гидравлический способ

Гидравлический способ самый новый, сейчас он подвергается модернизации, чтобы минимизировать затраты воды на производство угля. Изобрели первое устройство еще в СССР в 30-х годах. Называется эта установка механогидравлический комбайн. Он используется для разрыхления породы, откалывания ее от основного слоя.

Вытекающая вода проходит по желобам, по которым транспортируется к низконапорному насосу. Там же происходит и обезвоживание добытого угля, подача его на конвейер и перемещение наружу. Вода очищается, чтобы не повредить гидравлическую технику оставшимися частицами. Этот способ. Несмотря на огромное количество преимуществ, гидравлический метод менее продуктивный.

Копанка или добыча угля в домашних условиях

Несмотря на то, что добыча угля ведется в промышленных масштабах, это сложный и трудоемкий процесс. Жители местности, где есть месторождения, самостоятельно их разрабатывают, используя его в собственных целях. Строится она очень просто, но, для реализации этого способа уголь должен залегать не глубоко.

Во многих странах этот метод используется только нелегально, для продажи угля на черном рынке. Там может быть задействовано тоже большое количество рабочих, но об использовании продвинутой промышленной техники и речи быть не может. Это самый опасный и тяжелый труд, к тому же, нормы никак не регулируются, ведь собственник копанки заботится только о собственной прибыли.


Самые эффективные способы

Сказать, какой вид получения ископаемого использовать выгоднее, невозможно, ведь на все это влияет много факторов. Можно вырыть карьер и на 1 км в земле, но это требует огромного количества техники, времени, а также может очень сильно испортить экосистему. Но делать шахту на месторождении угля, которое лежит на 300-400 метров, будет слишком дорого, да и такие места не всегда производят качественный уголь.

Гидравлическим способом сейчас добывается всего 8% сырья в мире, пока он больше экспериментальный.

Места и способы добычи угля не подбираются случайно. Изначально оценивается размер месторождения, качество сырья, особенности рельефа. Только после этого на территорию привозят технику и делают пробные заборы, чтобы убедиться в рентабельности производства.

www.geomix.ru

Производство древесного угля | Металлургический портал MetalSpace.ru

Лишь один элемент, благодаря тому, что растения, используя энергию солнца, аккумулируют его из атмосферы и используют для строительства клеток, находится в состоянии, позволяющем ему окисляться с выделением тепла. Человек давно оценил эту данную природой возможность, что позволило ему выжить в суровой дикой природе, постепенно улучшить условия своего существования, а позднее – производить из руд металлы, построить индустриальную цивилизацию и обеспечить комфортный уровень жизни.

Технологию производства древесного угля можно по праву считать самой консервативной в истории человечества – она просуществовала практически в неизменном виде несколько тысяч лет, со времени своего зарождения до середины XIX века.

Вряд ли когда-нибудь будет достоверно установлено, когда и в какой части планеты человек впервые установил, что обугливание древесины без её сгорания позволяет получить топливо, гораздо более удобное в использовании и функциональное – древесный уголь. Разделение эндотермического процесса обугливания (удаления из древесины влаги, кислорода и водорода) и экзотермического процесса горения, которые в условиях костра происходят одновременно, позволило при применении древесного угля снизить потери тепла и получить существенно более высокую температуру.

Использование древесного угля, особенно совместно с применением принудительного воздушного дутья, привело к увеличению «температурного потенциала» цивилизации, что способствовало развитию производства керамики и стекольного дела[1]. Благодаря тому, что, в отличие от дров, древесный уголь является относительно малодымным топливом, он нашёл широкое применение в быту при приготовлении пищи и обогреве помещений с использованием открытых жаровен. Наконец, именно благодаря древесному углю человечество получило возможность выплавлять из руд медь и железо[2].

Технологию производства древесного угля можно по праву считать самой консервативной в истории человечества – она просуществовала практически в неизменном виде несколько тысяч лет, со времени своего зарождения до середины XIX в. Причём на протяжении многих веков это производство было самым масштабным – ведь оно поставляло топливо для всех производств, требующих высоких температур, а также для многочисленных домашних хозяйств.

К сожалению, о технологии углежжения в период зарождения и становления металлургического производства известно только благодаря археологическим раскопкам в местах концентрации древних производств. При этом исследователи, как правило, основное внимание уделяют непосредственно производству керамики, стекла и металла, а вот вопросам производства металлургического топлива посвящено совсем немного специальных исследований.

Известно, что древесный уголь широко применялся при получении и обработке металлов в Древнем Египте. Образцы его найдены археологами в захоронениях, относящихся к раннединастическому (4000 – 2680 гг. до н.э.) периоду и периоду I династии (3050 – 2850 гг. до н.э.)[3]. Особенно масштабным производство древесного угля было в Аравийской пустыне и на Синайском полуострове. Это привело к практически полному сведению лесов на этих территориях. Существует версия, что именно истощение запасов топлива, а не руд, вынудило египтян перенести производство металлов на периферийные территории государства с последующей транспортировкой готовых слитков в метрополию (например, медь в основном выплавляли в Тимне, недалеко от современного г. Эйлата в Израиле).

В Месопотамии древесный уголь, в частности, применялся в качестве пигмента при раскраске гончарных изделий. При этом он всегда представлял существенную ценность в этом бедном лесами регионе. Найдено письмо вавилонского царя Хаммурапи (1793 – 1750 гг. до н.э.) к его слуге Син-идиннаму, в котором он даёт распоряжение о скорейшей поставке дров для производства металла из поселения при рудниках Дур-гургурри в Вавилон, чтобы тамошние металлурги «не сидели с пустыми руками». При этом царь обращал особое внимание на то, чтобы поставлялся только свежесрубленный лес, без сухих деревьев[4].

В местностях, бедных лесом, в качестве заменителя древесного угля использовались верблюжьи кизяки и кусты колючки. Греческий историк и географ Гней Помпей Страбон (ок. 64 г. до н.э. – ок. 23 г. н.э.) упоминает о том, что мастера по бронзе использовали финиковые косточки в качестве заменителя древесного угля. Гай Плиний Секунд (Плиний Старший, 23 – 79 гг. н.э.) в «Естественной истории» пишет об использовании в Египте корней папируса для замены угля при кузнечной обработке железа.

Первое описание свойств и способов использования древесного угля принадлежит перу (а точнее – стилосу) древнегреческого философа и естествоиспытателя Тиртама. Тиртам – ученик Платона, а позднее – любимый ученик, друг и преемник Аристотеля. Именно Аристотель наградил его прозвищем, под которым он остался в памяти потомков – Теофраст, то есть «божественный оратор». За свою долгую и плодотворную жизнь (372 – 287 гг. до н.э.) Теофраст написал свыше 200 трудов по естествознанию, среди которых две книги о растениях: «История растений» и «Причины растений». Помимо основ классификации и физиологии растений, эти труды содержат описание горючих свойств различных видов древесины и получаемого из них угля. Кроме того, в сочинении «Об огне» Теофраст поясняет, почему «приготовленный» (древесный) уголь более чёрный, чем ископаемый, и даёт рекомендации по более эффективному его сжиганию, а в сочинении «О камнях» упоминает о том, что ископаемый уголь активно используется в кузнечном деле.

Теофраст отмечает, что самый лучший уголь получается из деревьев плотных пород, в частности из дуба и земляничного дерева. Такие угли горят дольше и позволяют достичь более высоких температур, поэтому их охотно используют в процессе производства серебра «для первой переплавки руды»[5]. При этом из всех плотных углей дубовый содержит самое большое количество золы, что ограничивает его применение при производстве металлов. По словам Теофраста, в случае если требуется мягкий уголь, например, при производстве железа, «когда оно уже расплавилось»[6], используют уголь из эвбейского ореха, а при производстве серебра[7] – уголь из алеппской сосны. Кузнецы предпочитают сосновый уголь дубовому, поскольку его легче разжечь, и, хотя он и даёт меньше жара, но горит ярким пламенем, а не тлеет[8].

Дерево для производства угля должно быть свежим и не старым (о том же писал Хаммурапи). Лучший уголь получается из зрелых деревьев, у которых плотность, влажность и количество золы находятся в оптимальных пропорциях. Что касается собственно выжига угля, то Теофраст рекомендует выбрать гладкие и прямые поленья, чтобы сложить их как можно плотнее в кучу, укрыть её дёрном, поджечь и периодически «помешивать» шестами. Также он даёт подробное описание выделения газов при сжигании и обугливании различных пород дерева и рекомендации по использованию дров и изготовлению деревянного огнива.

Практически идентичные рекомендации по технологии производства древесного угля даёт и Плиний Старший в «Естественной истории». Кроме того, он подробно описывает технологии производства различных металлов и, в том числе особенности использования древесного угля. Также он описывает возможности использования смолы, выделяемой при производстве древесного угля, особенно из деревьев хвойных пород[9]. Об использовании смолы пишет и Теофраст – по его словам она использовалась в качестве связующего для брикетирования угольной мелочи.

Благодаря римлянам, технология кучного (как вариант – ямного) выжига древесного угля постепенно распространилась по всему Pax Romana (римскому миру). Кроме того, римляне осуществляли торговлю углём, производимым в «промышленных центрах» в Греции, Македонии, Галлии и других областях, что позволило жителям Империи оценить удобство этого вида топлива по сравнению с деревом.

Мы уже упоминали, и в дальнейшем ещё не раз вернёмся к проблеме воздействия производства топлива на окружающую среду, а особенно, когда дело касается древесного угля, к проблеме уничтожения лесов – обезлесиванию. Отметим, что если рассматривать средиземноморский регион в античное время в целом, то, в первую очередь, растительности наносили урон бесчисленные овечьи стада. Что касается угля, то, по свидетельству Страбона, только его производство для выплавки меди и серебра позволило привести в порядок заросший дикими лесами Кипр. Однако в окрестностях крупных производственных центров дело обстояло иначе. Так, на острове Эльба – крупнейшем римском центре по производству железа – леса были вырублены ещё во времена Республики, и по этой причине добытую на острове руду перевозили в Популонию, расположенную рядом с богатыми лесом Лигурийскими горами.

Плиний отмечал, что, вследствие сведения лесов в Галлии приходится производить второй обжиг руды с помощью древесного угля (привезённого из других мест) вместо дров, что, безусловно, удорожает производство. Он также отмечал недостаток древесного угля для обеспечения металлургии в области Кампанья. Несмотря на это, производство в этих областях продолжалось в течение сотен лет без каких-либо изменений за исключением роста себестоимости металла из-за увеличения затрат на перевозку топлива[10].

После падения в 476 г. Западной Римской Империи на протяжении всего Средневековья технология производства древесного угля не претерпевала существенных изменений. Так, описание процесса выжига в изданном в 1540 г. труде «Пиротехния» (Pirotechnia) итальянского инженера и учёного Ванноччо Бирингуччо (Biringuccio, 1480 – 1539 гг.) мало чем отличается от аналогичных описаний Теофраста и Плиния Старшего.

Бирингуччо, также как и его предшественники, даёт наставления по выбору древесины для производства металлургического угля, характеризует её свойства в зависимости от условий произрастания деревьев, описывает технологию подготовки и обугливания дров, а также приводит советы по использованию различных сортов древесного угля. В частности, Бирингуччо рекомендует использовать ямный уголь только в кузнечных операциях, а для плавки руд применять кучной[11].

Отметим, что технология углежжения с использованием в качестве покровных материалов дёрна и земли могла применяться только в тех областях, где эти материалы имелись в наличии (в частности, в Европе). На Ближнем Востоке и в Египте в регионах с песчаными почвами обугливание древесины осуществляли, по-видимому, в ямах. Также проблема отсутствия качественных покровных материалов решалась путём сооружения специальных печей из камня. Кроме того, на ближнем Востоке активно применяли заменители древесного угля, в частности при тигельном производстве стали использовался камыш и сухие ветки некоторых кустарниковых растений, что позволяло достичь достаточно высоких температур.

При этом следует иметь в виду, что печи для выжига древесного угля стоило применять только там, где не было другого способа изолировать тлеющие дрова от контакта с атмосферным воздухом. На первый взгляд это странно – ведь капитально построенная печь, в отличие от «кустарно» покрытой кучи, обеспечивает более высокое качество угля, существенно снижает трудоёмкость процесса, предъявляет менее строгие требования к технологической дисциплине и, наконец, сводит к минимуму риск для жизни и здоровья углежогов.

Дело в том, что строить капитальное сооружение при работе на дровах не имело никакого смысла – ведь окружающие лесные ресурсы довольно быстро истощались, а транспортировка готового угля требует гораздо меньше затрат, чем перевозка дров. При истощении леса углежоги просто переходили на другое место, где лес рос в изобилии, и продолжали там свою деятельность. При переходе на новое место пришлось бы бросать печи и строить новые, что, конечно, существенно повысило бы затраты на производство.

Результатом неизбежного удаления угольного производства от металлургического, как уже говорилось выше, было постепенное удорожание угля, поскольку к нему добавлялась стоимость транспортировки, но другого выхода не было. В качестве примера можно отметить, что в конце XIX в., в заключительный период существования уральской древесноугольной металлургии, транспортировать дрова для обеспечения заводов топливом приходилось сплавом по реке, поскольку на заводах имелись печи для выжига угля. Это существенно снижало их, и без того крайне низкую, экономическую эффективность.

Производство древесного угля в кучах представляет многофакторный процесс: для того, чтобы получить качественный древесный уголь, мастеру требовалось учитывать буквально всё – от свойств используемого дерева до погодных условий. У «певца Урала» Павла Бажова в коротком рассказе «Живинка в деле» есть два предложения, которые очень точно характеризуют эту особенность: «По нонешним временам, при печах-то, с этим попроще стало, а раньше, как уголь в кучах томили, вовсе мудрёное это дело было. Иной всю жизнь колотится, а до настоящего сорта уголь довести не может» [12].

Рассмотрим подробно кучное углежжение второй половины XIX в. Несмотря на то, что в это время, в результате внедрения изобретений Бессемера, Томаса и Мартена стремительно увеличивались объёмы металлургического производства, а каменноугольный кокс также стремительно вытеснял древесный уголь из доменного производства, именно этот период можно считать наивысшим расцветом технологии выжига древесного угля.

Процесс производства древесного угля начинался с выбора древесины. Древесные породы подразделялись углежогами на «твёрдые» («тёмные» или «тяжёлые»), «мягкие» («белые» или «лёгкие») и «смолистые». Твёрдые породы давали самый прочный и плотный уголь, выделяющий при горении больше тепла.

Значительное влияние на качество угля оказывало состояние дерева – оно не должно быть слишком молодым или старым, червоточным или подгнившим. В этом случае уголь получался хрупким, и выход его был низким. Существенное значение имела система рубки. Оборот древесины, т.е. время, через которое можно возобновлять рубку леса, составляет 60 – 100 лет для смолистых, 20 – 60 лет для твёрдых (бук и граб – 120 лет) и 18 – 20 для мягких пород. Рубка должна была производиться таким образом, чтобы ежегодный прирост компенсировал количество вырубленного леса. В частности, рубка леса в России производилась на «заводских дачах» (приписанных к заводу участках леса) площадями, расположенными вокруг завода в шахматном порядке так, чтобы среднее расстояние перевозки угля было бы примерно одинаковым.

Поскольку вопрос сбережения и воспроизводства лесных ресурсов стоял очень остро – от этого зависело само существование заводов, ему всегда уделялось самое пристальное внимание. В частности, российский министр финансов Е.Ф. Канкри́н (1774 – 1845 гг.), руководивший горнозаводской отраслью в течение 20 лет, считал «науку лесного хозяйства» на заводах не менее важной, чем собственно горные науки. Его перу принадлежит «Инструкция об управлении лесной частью на горных заводах хребта Уральского, по правилам лесной науки и доброго хозяйства», призванная служить «руководством к исполнению существующих узаконений».

В качестве основы своей системы Канкрин использовал практику управления лесным хозяйством, принятую в Германии. В европейской практике считалось, что лучше всего заготавливать дрова зимой, когда деревья бедны соком, либо осенью, в этом случае они лучше сохнут. Порядок заготовки дров в России имел свои особенности. Ещё со времён Виллима де Геннина (1676 – 1750 гг.) на Урале было заведено, что на рубку леса крестьян созывали к 20 марта. Реально работа начиналась с апреля, потому что глубокий снег не позволял подбираться к стволам так, чтобы не оставлять высоких пней. Рубка продолжалась весь апрель, чтобы «с мая месяца для пахоты и посеву хлеба отпущать крестьян из дровосеков в домы». Позже окончание заготовки приурочили к началу страды (Петров день, 12 июля (29 июня по старому стилю).

Заготовка дров заключалась в валке деревьев, очистке их от веток и сучьев с последующим распилом на поленья определённой длины. В российской практике с поленьев, называемых «ёлтылями», также снимали кору – «облысивали». Корни иногда корчевали и также использовали для углежжения, однако, отдельно от поленьев. После этого поленья складывали для просушки в вентилируемые поленницы, специальные отапливаемые помещения или (на Урале) в виде пирамид-скоростен. Для просушки в естественных условиях выбирали сухое, возвышенное место. Сушка продолжалась в течение полугода. Оптимальной считалась средняя степень просушки – слишком сухое дерево быстро обугливалось, в результате чего сильно угорало и давало лёгкий уголь, а из влажных дров уголь получался трещиноватый. Приступали к выжигу угля в России осенью, а в Европе – в середине лета.

Подготовка к выжигу заключалась в организации площадки, сложении дров в кучу специальным образом и покрытии кучи дёрном и землёй для изоляции от атмосферного воздуха.

В состав бригады угольщиков, как правило, входило 8 – 10 чел. Мастер и помощник подготавливали место для углежжения, покрывали кучу, наблюдали и регулировали процесс углежжения, разбирали кучу с готовым углём. Двое или трое настильщиков перевозили дрова и складывали в кучу. Четверо или более работниц занимались плетением щитов из соломы и веток, которые использовались для укрепления «покрышки» кучи. Такая бригада одновременно обслуживала 8 – 12 куч диаметром в основании до 5 м.

Работа углежога была одной из самых трудных и опасных в металлургическом производстве – она требовала постоянного напряжения и внимания в течение длительного времени, углежог постоянно вдыхал химические продукты, выделяемые древесиной при перегонке, кроме того, обслуживание кучи требовало периодического нахождения углежога на её поверхности, в результате чего он в любую минуту мог оказаться в огненном пекле. При этом плата за готовый уголь была невысокой, что в условиях горнозаводского Урала провоцировало периодические выступления и даже бунты углежогов, особенно в те годы, когда из-за неблагоприятных погодных условий снижался выход годного угля. Известно, например, что углежоги были одними из самых активных сторонников Емельяна Пугачёва.

Для начала требовалось подобрать особое место – «курень». Оно должно было удовлетворять следующим условиям: удобно располагаться по отношению к запасам древесины, иметь свободные площади для операций разгрузки, складирования и погрузки, быть защищенным от ветра. Рядом должна была иметься вода, рыхлая почва и дёрн, а сам грунт под кучей должен был пропускать воздух (но не чрезмерно) и жидкие продукты процесса. Последнее условие – самое важное, при его несоблюдении в брак уходило от пятой до четвёртой части выжигаемого угля[13]. Поэтому, глинистые и песчаные грунты были непригодны для углежжения.

После выбора места готовили площадку (она называлась «ток») – удаляли дёрн и корни, утрамбовывали грунт и придавали ему лёгкий наклон от центра по радиусу. В случае влажного места делали настил, а в случае песчаного грунта – увлажняли и перемешивали с глиной или землёй. Если имелась возможность осуществлять дешёвую транспортировку леса издалека (сплавом по реке или зимой по санному пути), то устраивали постоянные токи. В этом случае площадка выкладывалась кирпичом с наклоном по радиусу от центра, либо, наоборот – к центру, в этом случае также сооружали резервуар для сбора жидких продуктов перегонки. Впрочем, такие токи использовались нечасто, поскольку при наличии возможности недорогой доставки дров выгоднее было выжигать уголь в печах, а не в кучах.

Следующей важной операцией была кладка кучи (в России её называли «кабан»). Очень образно описана эта операция у Бажова: «Как стали плахи в кучи устанавливать, дело вовсе хитрое пошло. Мало того, что всякое дерево по-своему ставить доводится, а и с одним деревом случаев не сосчитаешь. С мокрого места сосна – один наклон, с сухого – другой. Раньше рублена – так, позже – иначе. Потолще плахи – продухи такие, пожиже – другие, жердовому расколу – особо. Вот и разбирайся. И в засыпке землёй тоже».

При формировании кучи требовалось складывать дрова как можно плотнее для устранения циркуляции воздуха внутри кучи. Если этого нельзя было обеспечить вследствие неправильной формы брёвен, то промежутки засыпали древесной или угольной мелочью. Крупные сучковатые поленья, которые невозможно было расколоть, ставили в центр кучи, где процесс шёл интенсивнее и дольше. Также к центру клали самые сухие и смолистые поленья, поскольку разжигание кучи производилось от центра.

Поленья ставили по возможности вертикально (при этом качество угля было выше), однако небольшой наклон был необходим для поддержания покрышки кучи. В двух нижних ярусах кучи поленья ставили толстой частью вверх, а выше – толстой частью вниз. При этом поленья ориентировали так, чтобы их сердцевина была обращена к центру кучи. Эти условия были необходимы для уменьшения пустого пространства между поленьями, а последнее – также для ускорения процесса. Нежелательно было смешивать плотные и мягкие породы дерева, поскольку скорости их обугливания существенно различаются. Если все же приходилось добавлять твёрдое дереву к мягкому или наоборот, то твёрдое клали ближе к центру. Диаметр кучи составлял от 3 до 15 м, в основном использовались кучи диаметром 6 – 9 м, высота составляла от трети до половины диаметра. В зависимости от длины поленьев, они складывались в 3 – 4 яруса. Небольшие кучи были легче в управлении, однако потери в них были больше.

Существовало несколько способов сложения дров в кучу (они использовались в разных регионах)[14]: валлонский (Бельгия) способ – в этом случае в центре ставили три жерди, которые после распорки и перевязки образовывали трубу. Вокруг неё складывали хорошо просушенные дрова, щепки и головни от предыдущих операций углежжения, чтобы обеспечить быстрое зажигание. Далее вокруг концентрическими окружностями почти вертикально устанавливались поленья, причём наклон постепенно увеличивался для поддержания покрышки. Для поддержания купола (головы) кучи верхний ряд поленьев клали плашмя, ориентируя их по радиусу. Если куча была большого размера, то в средний ярус клали самые толстые поленья, поскольку температура там выше, если куча была маленькая, то она состояла из одного яруса; итальянский способ – отличался от валлонского тем, что верхний ярус состоял из коротких поленьев, расположенных наклонно. Кроме того, куча при этом способе обычно располагалась на деревянном настиле; тирольский (Австрия) способ – в этом случае брёвна настила располагались не радиально, а по касательной и размещались на лежаках из радиально расположенных брёвен. Зажигание производилось не через трубу, а через специально устроенный канал в настиле (располагался с наветренной стороны). Характерной особенностью этого способа также является ось, составляемая из поленьев разной толщины; суксунский (Россия) способ – схож с тирольским, однако ось в этом случае была не составной, а цельной; уральский или славянский (Россия) способ – при нём настил не использовался, а труба делалась не из кольев, а из дров, сложенных клеткой (колодцем). В подошве кучи располагался горизонтальный зажигательный канал.

После сложения кучи необходимо было выровнять её поверхность, заделав все щели и промежутки между поленьями, для чего использовали щепу, угольную мелочь и прочий древесный мусор; на Урале также использовали «хвою» – мелкие ветки, в большом количестве образующиеся при заготовке дров, и хворост, производятаким образом очистку леса и снижая риск возникновения лесных пожаров. Затем производили операцию дернения, то есть обкладывали поверхность кучи обращённым внутрь дёрном, а поверх укладывали второй слой покрышки – трамбованную землю. В голове кучи толщину покрышки увеличивали.

При тирольском и итальянском способах вместо дёрна и земли для покрышки использовали увлажнённый угольный мусор от предыдущих операций углежжения. Для предотвращения осыпания покрышки использовали подпорки различной конструкции. Если место или сезон были ветреными, то с подветренной стороны ставился забор.

Зажигание кучи производили на рассвете – это давало возможность в течение всего дня осуществлять контроль процесса и внести коррективы, если что-то пойдёт не так. Для зажигания, если использовалась куча с трубой, в неё бросали раскалённые угли, а после того, как дрова разгорались, полностью заполняли холодным углем. Аналогичным образом зажигали и кучу с каналом у основания, только в этом случае горящий материал помещали в центр кучи с помощью длинного шеста.

Иногда зажигание производили не от центра, а с головы кучи, для этого использовалась короткая труба. Разница состояла в том, что при обугливании от центра, образовавшийся там уголь измельчается вышележащей массой и окисляется, однако процесс в этом случае идёт быстрее. При зажигании же с головы угар меньше, зато процесс идёт дольше.

Обугливание в кучах, ямах и печах представляло собой процесс частичного горения в отличие от перегонки древесины в реторте при полном отсутствии воздуха. Поэтому искусство управления процессом заключалось в том, чтобы, проделывая отверстия (обычно черенком лопаты) в покрышке кучи, обеспечивать сгорание части дров для повышения температуры, но при этом предотвратить сгорание готового угля путём своевременного заделывания отверстий. Здесь снова уместно процитировать Бажова: «По этим вот ходочкам в полных потёмочках наша живинка-паленушка и поскакивает, а ты угадывай, чтоб она огнёвкой не перекинулась либо пустодымкой не обернулась. Чуть не доглядел – либо перегар, либо недогар будет. А коли все дорожки ловко улажены, уголь выйдет звон-звоном».

Первые сутки после зажигания были самыми опасными и ответственными. В это время выделяющиеся из дров монооксид углерода, водород и некоторые органические соединения, скапливаясь под покрышкой и смешиваясь с воздухом, образовывали гремучую смесь, которая часто взрывалась, срывая часть покрышки. При этом углежог должен был как можно быстрее восстановить повреждённый участок. Для предотвращения взрывов увеличивали приток воздуха в кучу для «дожигания» вышеупомянутых соединений. С началом выделения из поленьев влаги процесс образования гремучей смеси прекращался.

Второй опасностью были пустоты, образующиеся под покрышкой при сгорании и усадке дров, особенно при неплотном их сложении. Следствием этого мог стать провал головы кучи, поэтому углежоги пытались их обнаружить с помощью специальной колотушки (по звуку) или щупа. Если удавалось обнаружить пустоту, производилась операция «кормления» – покрышка удалялась, далее выгребали уголь и дрова и заполняли пустоту дровами, углём, мусором, после чего покрышку восстанавливали. Кроме того, куча постепенно оседала, что приводило к образованию трещин в покрышке, которые требовалось периодически заделывать.

Собственно процесс обугливания делился на три периода. Первый - «Потение» или «парение» – в этот период (примерно через 1 – 2 суток после зажигания) начинается активное удаление влаги из основной части дров, при этом водяной пар и продукты разложения конденсируются в непрогретых частях кучи и могут её потушить. Для предотвращения этого устраивают многочисленные отверстия-отдушины в покрышке, через которые происходит удаление влаги и газов, вплоть до полного открытия подошвы кучи. Выделяющийся газ при этом плотный, стелящийся по земле вблизи кучи, цветом от жёлто-серого до жёлто-чёрного.

Продолжительность этого периода составляет от нескольких дней до недели и более, в зависимости от размера кучи. Его по возможности старались сократить, поскольку в течение всего периода необходимо было обеспечивать приток воздуха в кучу, что приводило к угару. Об окончании потения сигнализировало изменение дыма, который становился прозрачным и лёгким. Уголь в период парения, согласно исследованиям французского химика Ж. Эбельмана, образовывал перевёрнутый конус, в нижней части кучи (кроме центральной её части) находились необугленные дрова.

Второй - «Перегонка» – собственно период обугливания сухих дров в течение 2 – 4 суток. В начале периода углежог укрывает подошву кучи и в течение всего периода следит за целостностью покрышки и равномерности обугливания (ориентируясь по жару, исходящему от кучи с разных сторон). Если обугливание идёт неравномерно, для его регулирования проделывают и заделывают отверстия в покрышке. Также необходимо обеспечить свободный выход продуктов разложения древесины.

Третий - «Поджигание» – этот период длится 4 – 8 суток, а при больших размерах кучи и более. В этот период необходимо обуглить дрова, расположенные вблизи поверхности кучи, особенно у подошвы. Для этой цели в покрышке проделывают несколько десятков отверстий для локального повышения температуры. При этом отверстия делают по окружности, начиная сверху, постепенно спускаясь к подошве. На следующий уровень спускаются, когда дым из отверстий становится бледно-голубым. Когда в отверстиях появляется пламя, их заделывают, покрышку усиливают, и кучу оставляют примерно на сутки для охлаждения, после чего приступают к «разломке».

Общая продолжительность процесса составляла от 6 суток для куч диаметром 3 м, до 14 – 17 суток для куч диаметром 7 – 9 м и до месяца и более для куч диаметром 12 – 15 м. Сырое дерево или погода увеличивали продолжительность на неделю. Кроме того, по уральскому способу кучу охлаждали в течение 2 – 3 суток, а по суксунскому – разбирали сразу же после заделки всех отверстий.

По внешнему виду кучи после окончания обугливания можно было судить о качестве угля – если куча оседала неравномерно, была сильно деформирована, это говорило о неравномерном ходе процесса и большой доле брака. Помимо мастерства углежога, существенную роль здесь играли погодные условия.

Разбирали кучу сверху, сгребая граблями и засыпая тлеющий в куче уголь землёй; по другому способу разборка осуществлялась концентрическими окружностями от подошвы к голове. Вынутый уголь также засыпали землёй или заливали водой и складировали в виде невысокого вала вокруг тока, сортировали, а затем грузили в короба для транспортировки. Разломка кучи продолжалась 8 – 10 дней.

При сортировке различали следующие сорта угля: крупный уголь – самый плотный, иногда представлял собой целое обугленное полено. Применялся в доменном производстве и других шахтных печах; горновой уголь – также плотный, но более мелкий, величиной с кулак, из средней части кучи между трубой и покрышкой. Использовался в кузнечных и кричных горнах; центральный уголь – мелкий и неплотный из-за частичного выгорания угля от оси кучи; угольная мелочь – размером 2 – 3 см3; угольный порошок – образовывался при разломке и перевозке, вместе с мелочью использовался для обжига руд, извести и т.п.; угольный мусор – смесь порошка с землёй, использовался при последующих выжиганиях, например, для покрышки; бурый уголь и головни – «недопеченный» уголь, применялся для уплотнения или для «кормления» при последующих выжиганиях.

Для больших куч при нормальном ходе процесса отношение первых двух сортов к остальным составляло 11 к 1, а для маленьких – 6 к 1. Хороший «чёрный»[15] древесный уголь должен был обладать глубоко-чёрным цветом, не пачкать руки, быть звонким и хорошо выдерживать статическую нагрузку. Масса угля при выжиге составляла 20 – 26 % от массы дров. Содержание углерода увеличивалось приблизительно от 45 % (масс.) в древесине до 85 % (масс.) в древесном угле.

Помимо выжига угля в «стоячих» кучах существовал способ обугливания в «лежачих» кучах – балаганах. Уголь при таком способе получался высокого качества, в частности, отсутствовал центральный уголь, однако требования к древесине были существенно выше – фактически требовался не дровяной, а строевой лес – что ограничило применение этого способа. Использовался он преимущественно в Швеции и Австрии.

Также для производства древесного угля применялись стационарные каменные печи различных конструкций. В этом случае роль отверстий в покрышке играли отверстия в кладке, которые можно было открывать и закрывать.

Перевозился уголь в коробах объёмом не более 3 м3 для снижения потерь от разрушения кусков, при отсутствии хороших путей сообщения использовали кули объёмом 0,2 м3, перевозимые мулами или гужевым транспортом.

Для использования в доменном производстве уголь должен был пролежать несколько месяцев для поглощения из атмосферы 10 – 12 % (масс.) влаги[16]. При этом снижался его расход, и пропадала опасность в жаркую погоду перегреть печь. При содержании влаги более 20 % (масс.) уголь рассыпался в ходе доменной плавки. С учётом всего этого, доменные производства должны были иметь специальные угольные сараи для хранения в оптимальных условиях запаса угля на 8 – 10 месяцев работы. При соблюдении условий хранения уголь мог быть использован и через два года после производства.


[1]Иванов Вяч. Вс. История славянских и балканских названий металлов – М.: Наука, 1983.
[2]Малинова Р., Малина Я. Прыжок в прошлое: Эксперимент раскрывает тайны древних эпох. Пер. с чеш. – М.: Мысль, 1988.
[3]Forbes R.J. Studies in ancient technology. vol. 8, Leiden, Netherlands, 1971.
[4]Forbes R.J. Studies in ancient technology. vol. 8, Leiden, Netherlands, 1971.
[5]Имеется в виду первая стадия производства серебра – выплавка его из руды, а дальнейшие операции по его очистке от примесей предъявляли менее строгие требования к качеству топлива.
[6] Описывается стадия процесса плавки, когда уже произошло разделение на металл и шлак и требуется меньше тепла.
[7] Речь идёт о стадии очистки серебра от примесей.
[8]Феофраст. Исследование о растениях. Перевод с древнегреческого и примечания М.Е. Сергеенко. Редакция И.И. Толстого и Б.К. Шишкина. М.: Изд-во АН СССР, 1951. – Классики науки.
[9]The Natural History of Pliny in 6 volumes // Translated by John Bostock and H.T. Riley. London, 1854 – 1857
[10]Greek and Roman Technology: A Sourcebook. Annotated translations of Greek and Latin texts and documents.John W. Humphrey and others.Routledge, 1998
[11]The Pirotechnia of VanoccioBiringuccio: the classic sixteenth-century treatise on metals and metallurgy / translated from the Italian by Cyril Stanley Smith and Martha Teach Gnudi. Reprint. Dover Publications, New-York, 1990
[12]П.П. Бажов. Собрание сочинений в трех томах. Том 2. // Под общей редакцией В.А. Бажовой, А.А. Суркова, Е.А. Пермяка. М.: Государственное Издательство художественной литературы, 1952 г.
[13]Руководство к металлургии. Часть I. Выпуск I. Горный инженер А. Добронизский. Санкт-Петербург, типография И. Маркова и Ко, 1865.
[14]Руководство к металлургии. Часть I. Выпуск I. Горный инженер А. Добронизский. Санкт-Петербург, типография И. Маркова и Ко, 1865.
[15]Существовал также «красный» уголь – не полностью обугленное дерево. Этот уголь получался при «оптимальном» обугливании, когда процесс прекращали до его естественного завершения, снижая за счёт этого угар. Однако широкого распространения этот способ не получил.
[16]Металлургия чугуна. Сочинение Валериуса. Переведено и дополнено В. Ковригиным. Санкт-Петербург, типография Иосафата Огризко, 1862

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

metalspace.ru

Угольная промышленность - это... Что такое Угольная промышленность?

Угольная шахта в разрезе: 1 — штреки; 2 — угольные пласты; 3 — уклон; 4 — ходки; 5 — надшахтные здания стволов; 6 — административно-бытовой комбинат; 7 — склад; 8 — угольный склад; 9 — террикон. Угольный разрез Угольный разрез Угольная шахта

У́гольная промы́шленность — Включает добычу (обогащение) и переработку (брикетирование) бурого и каменного угля. Способ добычи угля зависит от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом, 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. В России в 2005 году доля угля в энергобалансе страны составляла около 18 процентов (в среднем по миру 39 %), в производстве электроэнергии — немногим более 20 процентов. Доля угля в топливном балансе РАО ЕЭС составила в 2005 году 26 %, а газа — 71 %.

Шахты

Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с уровня чуть более 1200 метров.

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.

Угольный карьер, горное предприятие предназначенное для разработки открытым способом.

Гидравлическая добыча угля

Применение струй в качестве инструмента разрушения в исполнительных органах очистных и проходческих комбайнов представляет особый интерес. При этом наблюдается постоянный рост в разработке техники и технологии разрушения угля, горных пород высокоскоростными струями непрерывного, пульсирующего и импульсного действия.

Газификация угля

Современные газогенераторы имеют мощность для твёрдого топлива до 80000 м³/ч и до 60000 м³/ч. Техника газификации развивается в направлении повышения производительности (до 200000 м³/ч) и КПД (до 90 %) путём повышение температуры и давления процесса (до 2000 °C и 10 МПа соответственно).

Проводились опыты по подземной газификации углей, добыча которых по различным причинам экономически не выгодна.

Сжижение угля

К 1945 г в мире имелось 15 заводов синтеза Фишера-Тропша (в Германии, США, Китае и Японии) общей мощностью около 1 млн.т углеводородов в год. Они выпускали в основном синтетические моторные топлива и смазочные масла.

В годы после второй мировой войны синтезу ФТ уделяли большое внимание во всём мире, поскольку считалось, что запасы нефти подходят к концу, и надо искать ей замену. В 1950 г был пущен завод в Браунсвилле (Техас) на 360 тыс. т/г. В 1955 г южноафриканская компания Sasol Limited построила собственное производство, существующее и развивающееся до сих пор. В Новочеркасске с 1952 работала установка мощностью около 50 тыс. т/г, использующий вывезенное из Германии оборудование. Сырьем служил сначала уголь донецкого бассейна, а затем природный газ. Немецкий Co-Th катализатор был со временем заменён на оригинальный, Co-Zr. На заводе была установлена колонна точной ректификации, так что в ассортимент продукции завода входили индивидуальные углеводороды высокой чистоты, в том числе α-олефины с нечетным углеродным номером. Установка работала на Новочеркасском заводе синтетических продуктов вплоть до 1990-х годов и была остановлена по экономическим причинам.

Все эти предприятия в значительной степени заимствовали опыт немецких химиков и инженеров, накопленный в 30-40-е годы.

Открытие обширных месторождений нефти в Аравии, Северном море, Нигерии, Аляске резко снизило интерес к синтезу ФТ. Почти все существующие заводы были закрыты, единственное крупное производство сохранилось в ЮАР. Активность в этой области возобновилась к 1990-м годам.

В 1990 г компания Exxon запустила опытную установку на 8 тыс. т/г с Co катализатором. В 1992 г южноафриканская компания Mossgas построила завод мощностью 900 тыс. т/г. В отличие от технологии Sasol, в качестве сырья здесь использовался природный газ с шельфового месторождения. В 1993 году компания Shell запустила завод в Бинтулу (Малайзиия) мощностью 500 тыс. т/г, используя Co-Zr катализатор и оригинальную технологию «средних дистиллятов». Сырьем служит синтез-газ, получаемый парциальным окислением местного природного газа. В настоящее время Shell строит завод по той же технологии, но на порядок большей мощности в Катаре. Свои проекты в области синтеза ФТ разной степени проработки имеют также компании Chevron, Conoco, BP, ENI, Statoil, Rentech, Syntroleum и другие.

Крупнейшие угледобывающие страны

После начала «рыночных реформ» добыча угля в России неуклонно снижалась, упав к 1998 году почти на 1/3. С 2001 года наметился рост (исключая спад в 2009 году). В 2008 году в России добыто 329 млн. тонн угля.

Крупнейшие российские производители угля

В 2004 году добыча составляла:

В странах бывшего СССР одним из известных месторождений угля является Донбасс (Украина).

Украина

Угольная промышленность на Украине, млн. т
год188018901900191019131920192519291935
угля, млн. т1,32,910,716,323,54,118,230,559,7
год194019451950195519591961196319651967
угля, млн. т83,330,176,4116,3167,3171,5179,7194,3199,0
год196919711973197519761977197919811983
угля, млн. т204,4209,4212,6215,7218,1217,2204,7191,1190,9
год198519871990199619992000200120022003
угля, млн. т189191,9164,875,48181,183,481,879,3

Ссылки

Примечания

См. также

dik.academic.ru

Добыча угля - технологические процессы в угольной промышленности

На практике процесс добычи угля весьма затратен. Сам уголь представляет собой продукт, формирующийся из расположенных на значительной глубине древних представителей флоры. В современном мире его используют во многих сферах жизни и в значительном объеме. Поэтому добыча горючего камня была и остается доходным вариантом бизнеса. В последние десятилетия прослеживается явная тенденция повышения технологичности для процессов угледобычи.

На настоящий момент лидирующие позиции по добыче ископаемого принадлежат КНР. Следующая позиция принадлежит США, следом идет Индия, добывающая отрасль которой приносит до 15% от общей мировой добычи.

Существующие способы добычи угля

Залежи ископаемого угля располагаются на значительной глубине под землей. Продукт может располагаться в верхних или нижних слоях. Это зависит от особенностей процесса формирования угля. Если в одних случаях добыча ведется на глубине в несколько метров, то при других приходится снимать пласты на километровую глубину.

Современная технология добычи угля предполагает два основных способа:

  • открытая добыча;
  • подземная добыча.

Каждый из них характеризуется определенными особенностями, преимуществами и недостатками.

Открытый вариант добычи

В этом случае применяются так называемые угольные разрезы. Актуальна добыча угля таким способом, когда сырье располагается в слоях земли в пределах сотни метров от поверхности почвы.

Необходимое оборудование – это экскаватор, предназначенный для удаления верхнего слоя земли. В дальнейшем он нагружает ископаемый уголь в специализированные машины – карьерные самосвалы. Именно они перевозят сырье на отвалы.

Под отвалами понимаются внушительные насыпи, высота которых в отдельных случаях может достигать десятка километров.

На этом этапе добычи угля применяются другие машины – бульдозеры. Их роль сводится к равномерному распределению извлеченной породы в рамках поверхности. Кроме того, их задача – это создание дорог и проездов для самосвалов.

Еще один важный участник добычи горючего камня – это поливальные машины. Именно они сбивают, образующуюся на отвалах, пыль.

Следующий этап технологического процесса сводится к работе экскаваторов. Они черпают каменные угли, перегружая их в самосвалы. Последние транспортируют грузы на склады для хранения и последующей транспортировки к местам назначения.

Подземный вариант добычи

Подземная добыча ведется в условиях угольных шахт. Здесь требуются иные угледобывающие агрегаты. Причина в том, что шахты существуют на протяжении многих лет, поэтому при такой добыче угля не требуются механизированные средства.

В этом случае необходимо обустройство штольни, представляющей собой тоннель, пролегающий в горизонтальном либо в вертикальном направлении, непосредственно подходящий к пластам ископаемого угля.

Ширина пластов при добыче угля может колебаться в широких пределах, от нескольких метров до десятков километров.

Современные предприятия ведут разработки с применением угольных комбайнов. На некоторых этапах могут использоваться и сравнительно небольшие приспособления – отбойные молотки. Возможна и другая разновидность процесса добычи угля. Она предполагает нарезку исходных пластов при помощи специальных приспособлений. Они предназначены для подачи под значительным давлением воды.

Добыча необогащенных углей и иных горны пород – это необходимое занятие. Но оно сопряжено с серьезными рисками, поэтому относится к наиболее опасной категории.

Технологические процессы по очистке угля

Технология очистных работ представляет собой несколько процессов в рамках добычи угля, тесно связанных друг с другом.

Технологии по очистке каменных углей предполагают следующие этапы:

  • выемка сырья в рамках очистного забоя;
  • погрузочные работы;
  • транспортировка;
  • проветривание;
  • сооружение и последующая передвижка крепи;
  • выбор горного давления и др.

В рамках выемки необогащенных углей осуществляется сначала отбойка, а затем и его погрузка.

Очищенный уголь

Отделение ископаемого от основного массива – это манипуляция отбойки. Ее проделывают по буровзрывной методике, механической и гидравлической. Вариант определяется конкретными свойствами пласта угля, его устойчивости и наличия рабочих машин.

На практике при добыче горючего камня, отбойка обычно осуществляется по механической методике. Она предполагает разрушение имеющегося слоя посредством специальных приспособлений на рабочих агрегатах. Последующая выемка бывает струйной и комбайновой.

При гидравлическом варианте добычи, манипуляции делятся на несколько мелких, мелкооперационных. Эти задачи реализуются без привлечения человека. Наиболее широкое применение такой способ добычи получил на Кузбассе. Струя воды подается с большой силой.

Механический способ

Возможен и механический вариант. Он предполагает применение специальных приспособлений – отбойных молотков, то есть, пневматических ручных машин. Агрегат особенно актуален для очистного забоя при крутых пластах, когда имеются сложности с электроэнергией. Транспортировка отбитого угля осуществляется самотеком рядом с лавой. Для перемещения применяются конвейеры скребкового типа.

При определенных условиях добычи угля практикуется такой комплекс мероприятий, как регулировка горного давления. Оно может предполагать частичную либо полную закладку определенной области, полое обрушение, либо опускание кровли.

Единый цикл работы составлен из таких составляющих, как выемка сырья, его транспортирование и крепление, а также управление горным давлением.

Комплексная механизация добычи горючего камня

Современные механизированные комплексы, составленные из профильных агрегатов и оборудования по добыче угля, все активнее применяются в угледобывающей отрасли. Теперь в числе их составляющих присутствуют струговые установки наряду с комбайнами с узким захватом, конвейеры передвижного безразборного типа и другие механизмы. Производительность очистного забоя составляет в пределах 3 тыс. тонн ежесуточно.

Механизированный способ добычи угля

Обычно подключение технологических схем стандартно. Передвижная крепь монтируется на протяжении периметра забоя. Она необходима для предотвращения возможных завалов рабочей области породой, будь то каменный или бурый уголь. Далее располагается скребковый конвейер, на раме которого устанавливается специальный комбайн. Данный агрегат отличается узким захватом наряду с возможностью перемещения посредством специальной цепи.

Механизированная цепь разделена на отдельные крепи, каждая из которых взаимосвязана с соседними, а также с рабочим конвейером.

При выемке работа комбайна происходит в любом направлении, при этом исключены излишние нерезультативные перемещения.

Дополнительные технологические процессы

Помимо основных манипуляций, в рамках добычи угля присутствует и несколько дополнительных. В первую очередь к ним относится откачка воды. Она в большем или меньшем объеме попадает в выработки, выполняемые под землей. Нередко суточная выкачка измеряется не только сотнями, но и несколькими тысячами. В итоге жидкость перемещается на поверхность посредством специальных насосов.

Вентиляция в шахте

Еще одна важная вспомогательная манипуляция при добыче угля – это обеспечение освещения и вентиляции.

Отдельное внимание уделяется обслуживанию основных рабочих механизмов, которые применяются как в самой шахте, так и над ней. Они поддерживают шахту в рабочем состоянии.

Сферы применения ископаемого

Применение каменного угля

Основное направление, по которому используется добытый материал – это энергетическая сфера. То есть, он был и остается одним из самых распространенных видов топлива. На нем работают как отопительные установки, так и электростанции.

В ходе обработки исходного угля производятся его технологические варианты. Так, кокс нашел широкое применение в металлургической сфере.

Кроме того, именно на основании угля ведется химическая переработка, а также создаются новые продукты, которые в дальнейшем применяются в самых разных сферах человеческой жизни.

Преимущественно уголь идет на газификацию и коксование, а также гидрогенизацию. Технологии добычи угля продолжают совершенствоваться. Это необходимо для минимизации участия человека в таком сложном и опасном деле.

Видео: Современная добыча угля

promzn.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о