Формирование каменного угля. Как образовался каменный уголь? Как добывают каменный уголь, его свойства

В данной статье представлена информация об одной интересной осадочной породе, являющейся источником большого экономического значения. Эта удивительная по истории своего возникновения порода называется "каменный уголь". Образование его довольно любопытно. Следует отметить, что, несмотря на то, что порода эта составляет менее одного процента всех существующих на земле осадочных пород, она имеет большое значение во многих сферах жизни людей.

Общая информация

Каким образом формировался каменный уголь? Образование его включает в себя многие процессы, происходящие в природе.

Появился каменный уголь на Земле примерно 350 млн лет назад. Если объяснить по-простому, произошло это следующим образом. Стволы деревьев, падая в воду с прочей растительностью, постепенно образовывали огромные слои органической неразложившейся массы. Ограниченный доступ кислорода не давал разложиться и сгнить этому месиву, которое постепенно под своим весом погружалось все глубже. В течение длительного времени и в связи со смещением пластов земной коры эти слои ушли на значительную глубину, где под воздействием повышенных температур и большого давления произошло преобразование данной массы в уголь.

Ниже более подробно рассмотрим, как появился каменный уголь, образование которого очень интересно и любопытно.

Виды угля

На современных угольных месторождениях мира добывают разные виды каменного угля:

1. Антрациты. Это самые твердые сорта, добываемые с больших глубин и имеющие самую большую температуру сгорания.

2. Каменный уголь. Многие его сорта добываются открытым способом и в шахтах. Данный вид самый распространенный в сферах деятельности человека.

3. Бурый уголь. Это самый молодой вид, образовавшийся из остатков торфа и обладающий самой низкой температурой сгорания.

Все перечисленные формы каменного угля залегают пластами, а места их скопления называют угольными бассейнами.

Теории происхождения угля

Что такое каменный уголь? Проще говоря, данная осадочная порода представляет собой накопленные, со временем уплотненные и переработанные растения.

Существуют две теории, более популярной из которых является та, которой придерживаются многие геологи. Она заключается в следующем: растения, из которых состоит каменный уголь, скапливались в больших торфяных или пресноводных болотах в течение многих тысяч лет. Данная теория предполагает рост растительности в месте обнаружения пород и имеет название "автохтонная".

Другая теория основывается на том, что угольные пласты накопились из перенесенных из других мест растений, которые и отложились на новом участке в условиях затопления. Иными словами, уголь произошел из перенесенного растительного мусора. Вторая теория называется аллохтонной.

В обоих случаях источник образования каменного угля - растения.

Почему этот камень горит?

Основной химический элемент в угле, обладающий полезными свойствами, - углерод.

В зависимости от условий образования, процессов и возраста пластов каждое месторождение каменного угля содержит свой определенный процент углерода. Данный показатель и определяет качество природного топлива, поскольку уровень теплоотдачи связан напрямую с количеством окисляемого в процессе горения углерода. Чем выше теплота сгорания данной породы, тем она наиболее пригодна в качестве источника тепла и энергии.

Что такое каменный уголь для людей всего мира? В первую очередь это самое лучшее топливо, пригодное для разных сфер жизнедеятельности.

Об окаменелостях в угле

Виды растений ископаемых, обнаруживаемых в угле, не подтверждают автохтонную теорию происхождения. Почему? Например, деревья плауны и папоротники гигантские, характерные для угольных отложений Пенсильвании, могли произрастать в болотистых условиях, в то время как другие ископаемые растения того же бассейна (хвойное дерево или гигантский хвощ и пр.) предпочитали более просушенные почвы, а не болотистые места. Выходит, что они были перенесены каким-то образом в эти места.

Как появился каменный уголь? Образование в природе его удивительно. В угле часто встречаются и морские ископаемые: моллюски, рыбы и брахиоподы (или плеченогие). В пластах угля также встречаются угольные шарики (округлые скомканные массы прекрасно сохранившихся ископаемых растений и животных, в том числе и морских). Например, маленький морской червь кольчатый обычно обнаруживается прикрепленным к растениям в углях Северной Америки и Европы. Относятся они к каменноугольному периоду.

Залегание в угольных осадочных породах морских животных вперемежку с неморскими растениями говорит о том, что смешались они в процессе перемещения. Удивительные и длительные процессы происходили в природе, прежде чем окончательно сформировался каменный уголь. Образование его именно таким образом подтверждает аллохтонную теорию.

Удивительные находки

Наиболее интересные находки в слоях угля - это стволы деревьев, вертикально залегающих. Они часто пересекают огромные толщи пород перпендикулярно к напластованию угля. Деревья в таком вертикальном положении нередко встречаются в пластах, связанных с угольными отложениями, а чуть реже - в самом угле. Многие придерживаются мнения о перемещении и стволов деревьев.

Удивительным является то, что осадочные породы должны были настолько быстро накапливаться, чтобы покрыть эти деревья до того, как они испортились (сгнили) и упали.

Вот такая довольно интересная история формирования породы под названием каменный уголь. Образование в недрах земли подобных слоев является поводом для дальнейших исследований в поисках ответов на многочисленные вопросы.

Откуда глыбы в угле?

Впечатляющей внешней особенностью угля является содержание в нем огромных глыб. Эти крупные глыбы на протяжении уже более ста лет обнаруживаются в угольных пластах многих месторождений. Средний вес 40 глыб, собранных в месторождении угля Западной Вирджинии, составлял около 12 фунтов, а крупнейший - 161 фунт. Причем многие из них представляли собой метаморфическую или вулканическую породу.

Исследователь Прайс предположил, что они могли перенестись в месторождение каменного угля в Вирджинии издалека, вплетаясь в корни деревьев. И данное заключение тоже поддерживает аллохтонную модель образования угля.

Заключение

Множество исследований доказывают истинность именно аллохтонной теории формирования каменного угля: наличие останков наземных и морских животных и растений подразумевает их перемещение.

Также исследования доказали, что метаморфизм данной породы не требует длительного времени (миллионы лет) воздействия давления и тепла - он может образоваться и в результате быстрого нагревания. А вертикально расположенные в угольных осадках деревья подтверждают довольно быстрое накопление остатков растительности.

Для отопления домов издавна использовалась древесина, но чтобы постоянно поддерживать горение необходимо подкладывать поленья снова и снова. С развитием угледобывающей промышленности все больше людей стало использовать каменный уголь: он дает больше тепла, горит дольше. При правильной закладке печи порция угля, засыпанного в котел с вечера, будет поддерживать стабильную температуру всю ночь.

История образования каменного угля и его виды

Весь процесс образования угля можно разделить на два основных этапа: формирование торфа и собственно процесс углефикации – преобразования торфа в уголь.

Торф формировался на обширных покрытых водой пространствах из растительных остатков разной степени разложения. Часть растений перегнивала полностью до гелеобразного состояния, часть - сохраняла свое клеточное строение. Их остатки скапливались на дне водоемов, которые постепенно превращались в болота. Обязательное условие, необходимое для формирования торфа, - отсутствие кислорода. Под толщей воды кислорода было мало, при разложении остатков выделялся сероводород, метан и углекислота, которые способствовали затвердению остатков. Образовывался торф.

Но не все торфяники преобразовывались в уголь. Для процесса углефикации необходимо: высокое давление, высокая температура и большой промежуток времени. В зависимости от наличия этих условий и происходило или нет образование каменного угля. Сначала торф заносился осадочными породами, что увеличивало давление и повышало температуру внутри торфяного слоя. В таких условиях образовывался бурый уголь – первая ступень углефикации. В некоторых областях происходило смещение пластов, в результате которых пласты бурого угля опускались (некоторые из обнаруженных месторождений находятся на глубине более 6000 метров). Местами эти процессы сопровождались подъемом магмы и извержениями вулканов. Высокое давление, отсутствие кислорода и высокие температуры способствовали тому, что влаги и природных газов в буром угле становилось все меньше, углерода все больше. По мере вытеснения воды и газов, бурый уголь превращался в битуминозный, затем, при наличии высокой температуры, в антрацит. Основное отличие бурого угля от каменного: в буром угле содержится больше влаги и природных газов и меньше углерода, что влияет на количество выделяемого при горении тепла.

Сегодня возраст угольных залежей определяется по растительным остаткам. Самые древние датируются каменноугольным периодом (345-280 миллионов лет назад). В это период сформировалось большая часть угольных бассейнов северной Америки (восток и центр США), центра и запада Европы, юга Африки, Китая, Индии. В Евразии большая часть угольных месторождений формировалась в Пермский период, некоторая часть небольших угольных бассейнов в Европе датируется Триасовым периодом. Увеличивается активность углеобразования к концу Юрского периода и в Меловом. Примерно в это время были сформированы залежи на востоке Европы, в Скалистых горах Америки, в Индокитае и центре Азии. Позже формировались в основном бурые угли и залежи торфа.

Виды угля

Уголь классифицируют в зависимости от содержания влаги, природных газов и углерода. С повышение количества углерода повышается его теплотворная способность. Чем меньше влаги и летучих веществ (газов), тем лучше он переносит хранение и транспортировку.

Лигнит - уголь первой стадии углефикации. Он отличается от бурого угля меньшим количеством воды (45%) в составе и большим выделением тепла. Структуру имеет волокнистую, цвет - от коричневого до черного (более высокого качества). Чаще всего используется в энергетике (на теплоэлектростанциях) для отопления частных домов используется редко, так как плохо хранится и имеет невысокую теплотворную способность в обычных печах.

Суббитоминозный уголь - цвет черный, менее выраженная волокнистая структура, более высокая по сравнению с лигнитом теплотворность, меньшее содержание влаги (30%). При перевозке крошится, а на открытом воздухе выветривается. При сгорании выделяет 5-6 кВт/кг. Используется как в энергетике, так и в ЖКХ для отопления.

Битуминозный уголь отличается самой высокой теплотворной способностью, не теряет своих качеств при транспортировке и хранении. Выделяет при горении 7-9 кВт/кг тепла. Некоторые его виды используют для коксования.

Антрацит - уголь смоляно-черного цвета. Отличается самым высоким содержанием углеводорода. Его тяжело разжечь, но горит долго и без копоти, выделяет большое количество тепла (более 9 кВт/кг). Именно антрацит чаще других используется для отопления.

Какой уголь используют для отопления

В России и странах СНГ действует система, принятая еще в 1988 году. Классифицируют уголь согласно ГОСТ 25543-88, который подразделяется на 7 категорий. Для отопления используют только некоторые:

Длиннопламенный уголь (Д). Свое название получил благодаря длительному процессу горения с выделением большого количества тепла (5600-5800 ккал/кг). Для его розжига и горения не требуется специального обдува, потому длиннопламенные угли часто используются в бытовых котлах на твердом топливе. В зависимости от размеров бывает:

• ДПК - плитный крупный - размеры кусков 50-200 мм;
• ДПКО - плитный кулак-орех - размеры кусков 25-100 мм;
• ПО - орех - 26-50 мм;
• ДМ - мелкий - размеры 13-25 мм;
• ДС - семечка - 6-13 мм;
• ДР - рядовой - нет стандартных размеров.

Длиннопламенный уголь - оптимальный для отопления: пламя длинное (похожее «выдают» дрова), выделяется много тепла, разжигается и горит легко - для нормального горения достаточно естественной тяги. Относительно невысокая его стоимость в сочетании с отличными характеристиками и обусловили популярность этой марки угля. Его закупают не только для отопления частных домов, но и для котельных образовательный и медицинских учреждений. Причем используется топливо любой фракции: от крупных «К» до мелких «М».

Длиннопламенный газовый (ДГ). Отличается от марки Д большей теплотворной способностью. Используют для отопления частных домов все фракции: от «крупный» до «рядовой». Более требователен чем длиннопламенный к условиям хранения, т.к. более интенсивно выветривается.

Антрацит (А). Выделяет много тела, имеет малую зольность (зольный остаток 10%), горит долго и ровно, дым при горении - белый (все остальные марки «дают» черный дым). Несмотря на высокие показатели однозначно рекомендовать его для отопления частных домов нельзя: антрацит имеет высокую стоимость и его тяжело разжигать.

В некоторых случаях покупают тощие угли «Т», жирные «Ж» или слабоспекающиеся «СС». Остальные классы имеют преимущественно промышленное использование. Их используют в энергетике и металлургии, некоторые марки для коксования и обогащения. При выборе угля нужно обращать внимание не только на его характеристики, но и на стоимость доставки. Если в вашем регионе не продают длиннопламенный или антрацит, то скорее всего вам придется обходится тем, что представлен на рынке. Обращать внимание нужно и на рекомендации производителей вашего котла: в документах обычно указываются марки, под которые проектировалось оборудование. Их и нужно использовать.

Для повышения комфортности и в целях экономии многие предпочитают иметь несколько фракций: растапливать удобнее фракцией «орех» или «крупный», а на длительное горение засыпать «семечко». На самые холодные периоды запасают некоторое количество антрацита, который хоть и тяжело разжигается, но в разогретом котле горит долго и жарко.

Коксующий и обогащенный угли проходят специальную обработку для увеличения теплотворной способности. Используются эти виды в металлургии и энергетике. Для бытовых котлов такое топливо не подходит: из-за чрезмерно высокой температуры горения печь может разорвать.

Если послушать людей с опытом, то говорят, лучший эффект дает следующая последовательность засыпки топлива в котел: растопить длиннопламенным, затем засыпать антрацита фракции «орешек» - он долго горит вы дает много тепла, а на ночь печь добавить «семечки», которая будет гореть до утра.

Порядок растопки кирпичных печей рекомендуют другой: растапливают печь дровами, когда хорошо разгорится, засыпают «семечкой» или (поддувало и заслонку открыть для лучшего поступления кислорода). Если в семечке много пыли, ее можно смочить водой - так она разгорается легче. Когда жара в печи достаточно, можно использовать «кулак».

Что такое древесный уголь и для чего он используется

Древесный уголь используется людьми уже много тысяч лет назад: его находили при раскопках в поселениях пещерных людей. Вряд ли они изготавливали его сами, скорее собирали на пожарах или сохраняли остатки костров, но, видимо, знали о его свойствах и умели пользоваться.

Сегодня в нашей стране этот вид топлива используется большей частью для приготовления пищи: его используют в мангалах и барбекюшницах, подкладывают в костры. Иногда используют для каминов: горит он долго, выделяет много тепла (7800 ККл/кг), а дыма и копоти почти не образуется. Оставшаяся зола является отличным удобрением и используется для удобрения лесных угодий или сельскохозяйственных полей. Зола древесного угля применяется также для производства удобрений.

В промышленности древесный уголь используют для выплавки чугуна. Для производства тонны сплава требуется всего 0,5 тонны этого топлива. При этом чугун получает повышенную стойкость к коррозии и прочность. Как флюс используют каменный уголь при выплавке латуни, бронзы, меди, марганца, цинка и никеля. Из него изготавливают твердую смазку для машиностроения, используют для шлифовки в приборостроении и полиграфии и т.д. Из древесного угля изготавливают фильтры разного назначения.

Сегодня древесный уголь начинают рассматривать как альтернативу традиционному топливу: в отличие от каменного угля, нефти и газа он относится к возобновляемым материалам. Причем современные технологии позволяют получать древесный уголь даже из отходов промышленности: из опилок, трухи, кустарников и т.п. Из такого измельченного сырья формируют брикеты, которые дают в 1,5 раза больше тепла, чем обычный древесный уголь. При этом тепло выделяется более продолжительный промежуток времени и жар получается равномерный.

Как делают древесный уголь

До 20 века древесный уголь получали, сжигая древесину или кучах специальной формы. В них укладывали древесину, засыпали ее землей, поджигали через проделанные специальные отверстия. Такая технология общедоступна и по сегодняшний день используется в некоторых странах. Но имеет она малую эффективность: на 1 кг угля уходит до 12 кг древесины, к тому же невозможно контролировать качество получаемого древесного угля. Следующим этапом развития углежжения стало использование в земляных печах трубы. Такое усовершенствование подняло эффективность процесса: на килограмм уходило 8 кг леса.

В современных углевыжигательных аппаратах на килограмм продукта затрачивается 3-4кг сырья. При этом обращается большое внимание на экологичность процесса: при производстве древесного угля в атмосферу выделяется много дыма, сажи и вредных газов. Современные установки выделяемые газы улавливают, направляют в специальные камеры, где он используется для нагревания печи до температуры коксования.

Преобразование древесины в древесный уголь происходит в бескислородной атмосфере при высокой температуре (реакция пиролиза). Весь процесс поделен на три этапа:

• при 150 о С происходит удаление из древесины влаги;
• при 150-350 о С выделение газов и образование органических продуктов;
• при 350-550 о С отделяют смолы и неконденсируемые газы.

Согласно ГОСТу древесный уголь делят на несколько марок в зависимости от типа использованной древесины:

• • А - твердолиственные породы;
  • Б - твердо- и мягко- лиственные, хвойные породы (о ).

Марки Б и В - чаще всего это древесноугольные брикеты, на изготовление которых идут отходы деревоперерабатывающих предприятий. Это отличный вид биотоплива, который давно используется в Европе для отопления и даже на электростанциях: при их сгорании не образуются серные соединения (серы в древесном угле нет), а углеводород содержится в минимальных количествах. Используя технологии предков можно нажечь уголь для собственных нужд самостоятельно. .

Антрацит - самый древний из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации.

Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800-8350 ккал/кг).

Каменный уголь

Каменный уголь - осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников , хвощей и плаунов , а также первых голосеменных растений). Большинство залежей каменного угля было образовано в палеозое , преимущественно в каменноугольном периоде , примерно 300-350 миллионов лет тому назад.

По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода , а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу . Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящие в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75% до 95%.

Бурый уголь

Бурый уголь - твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа , содержит 65-70 % углерода , имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье.

Образование угля

Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах , начиная с девонского периода , накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей оценивается примерно в 350 миллионов лет.

Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах , где стоячая вода, обеднённая кислородом , препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой стадии процесса выделяемые в ходе его кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий . Так возникает торф - исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в уголь.

Под давлением наслоений осадков толщиной в 1 километр из 20-метрового слоя торфа получается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра. На большей глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.

Доказанные запасы угля

Уголь в России

Виды угля

В России в зависимости от стадии метаморфизма различают: бурые угли , каменные угли , антрациты и графиты . Интересно, что в западных странах имеет место несколько иная классификация: соответственно, лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты.

1. Бурые угли. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра.
2. Каменные угли. Содержат до 12 % влаги (3-4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания. Содержат до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.
3. Антрациты. Почти целиком (96 %) состоят из углерода. Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров. Используются в основном в химической промышленности

История добычи угля в России

Становление угольной промышленности в России относится к первой четверти XIX в., когда уже были открыты основные угольные бассейны.

Динамику объёмов добычи ископаемого угля в Российской империи можно посмотреть .

Запасы угля в России

В России сосредоточено 5,5 %(почему такая разница с процентом доказанных запасов угля на 2006 год?-потому что большая часть не пригодна к разработке-Сибирь и вечная мерзлота) мировых запасов угля, что составляет более 200 млрд тонн. Из них 70 % приходится на запасы бурого угля.

• В 2004 году в России было добыто 283 млн тонн угля. 76,1 млн тонн было отправлено на экспорт.
• В 2005 году в России было добыто 298 млн тонн угля. 79,61 млн тонн было отправлено на экспорт.

В России в 2004 году имелся дефицит коксующихся углей марок «Ж» и «К» в размере не менее 10 млн тонн (оценка ВУХИН), что связано с выбытием добывающих мощностей в Воркуте и Кузбассе.

Крупнейшие перспективные месторождения

Эльгинское месторождение (Саха). Принадлежит ОАО «Мечел ». Наиболее перспективный объект для открытой разработки - находится на юго-востоке Республики Саха (Якутия) в 415 км к востоку от города Нерюнгри. Площадь месторождения 246 км². Месторождение представляет собой пологую брахисинклинальную асимметричную складку. Угленосны отложения верхней юры и нижнего мела. Основные угольные пласты приурочены к отложениям нерюнгринской (6 пластов мощностью 0,7-17 м) и ундыктанской (18 пластов мощностью также 0,7-17 м) свит. Большая часть ресурсов угля сосредоточена в четырёх пластах y4, y5, н15, н16 обычно сложного строения. Угли в основном полублестящие линзовидно-полосчатые с очень высоким содержанием наиболее ценного компонента - витринита (78-98 %). По степени метаморфизма угли относятся к III (жирной) стадии. Марка угля Ж, группа 2Ж. Угли средне- и высокозольные (15-24 %), малосернистые (0,2 %), малофосфористые (0,01 %), хорошо спекающиеся (Y = 28-37 мм), с высокой теплотой сгорания (28 МДж/кг). Эльгинский уголь можно обогатить до высших мировых стандартов и получить экспортный коксующийся уголь высокого качества. Месторождение представлено мощными (до 17 метров) пологими пластами с перекрывающими отложениями небольшой мощности (коэффициент вскрыши - около 3 куб м на тонну рядового угля), что очень выгодно для организации добычи открытым способом.

Элегестское месторождение (Тыва) обладает запасами около 1 млрд т коксующегося угля дефицитной марки «Ж» (общий объём запасов оценивается в 20 млрд т). 80 % запасов находится в одном пласте толщиной 6,4 м (лучшие шахты Кузбасса работают в пластах толщиной 2-3 м, в Воркуте уголь добывают из пластов тоньше 1 м). После выхода на проектную мощность к 2012 году на Элегесте ожидается -добыча 12 млн т угля ежегодно. Лицензия на разработку элегестских углей принадлежит Енисейской промышленной компании, которая входит в структуру «Объединенной промышленной корпорации» (ОПК). Правительственная комиссия по инвестиционным проектам РФ 22 марта 2007 года одобрила реализацию проектов по строительству железнодорожной линии «Кызыл-Курагино» в увязке с освоением минерально-сырьевой базы Республики Тува.

Крупнейшие российские производители угля

Газификация угля

Данное направление утилизации угля связано с его так называемым "неэнергетическим" использованием. Речь идёт о переработке угля в другие виды топлива (например, в горючий газ, среднетемпературный кокс и др.), предшествующей или сопутствующей получению из него тепловой энергии. Например, в Германии в годы Второй мировой войны технологии газификации угля активно применялись для производства моторного топлива. В ЮАР на заводе SASOL с использованием технологии слоевой газификации под давлением, первые разработки которой были также выполнены в Германии в 30-40-е годы XX века, в настоящее время из бурого угля производится более 100 наименований продукции. (Данный процесс газификации известен также под названием "способ Lurgi".)

В СССР технологии газификации угля в частности активно разрабатывались в Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте по проблемам развития Канско-Ачинского угольного бассейна (КАТЭКНИИуголь) с целью повышения эффективности использования канско-ачинских бурых углей. Сотрудниками института был разработан ряд уникальных технологий переработки низкозольных бурых и каменных углей. Данные угли могут быть подвержены энерготехнологической переработке в такие ценные продукты, как среднетемпературный кокс , способный служить заменителем классическому коксу в ряде металлургических процессов, горючий газ , пригодный, например, для сжигания в газовых котлах в качестве заменителя природного газа, и синтез-газ , который может использоваться при производстве синтетических углеводородных топлив. Сжигание топлив, получаемых в результате энерготехнологической переработки угля, даёт существенный выигрыш в показателях вредных выбросов относительно сжигания исходного угля.

После развала СССР КАТЭКНИИуголь был ликвидирован, а сотрудники института, занимавшиеся разработкой технологий газификации угля, создали собственное предприятие. В 1996 году был построен завод по переработке угля в сорбент и горючий газ в г. Красноярске (Красноярский край, Россия). В основу завода легла запатентованная технология слоевой газификации угля с обращённым дутьём (или обращённый процесс слоевой газификации угля). Этот завод работает и в настоящее время. Ввиду исключительно низких (по сравнению с традиционными технологиями сжигания угля) показателей вредных выбросов он свободно располагается неподалёку от центра города. В дальнейшем на основе этой же технологии был построен также демонстрационный завод по производству бытовых брикетов в Монголии (2008 г.).

Следует отметить некоторые характерные отличия технологии слоевой газификации угля с обращённым дутьём от прямого процесса газификации, одна из разновидностей которого (газификация под давлением) используется на заводе SASOL в ЮАР. Производимый в обращённом процессе горючий газ, в отличие от прямого процесса, не содержит продуктов пиролиза угля, поэтому в обращённом процессе не требуются сложные и дорогостоящие системы газоочистки. Кроме того, в обращённом процессе возможно организовать неполную газификацию (карбонизацию) угля. При этом производятся сразу два полезных продукта: среднетемпературный кокс (карбонизат) и горючий газ. Преимуществом прямого процесса газификации, с другой стороны, является его более высокая производительность. В период наиболее активного развития технологий газификации угля (первая половина XX века) это обусловило практически полное отсутствие интереса к обращённому процессу слоевой газификации угля. Однако в настоящее время рыночная конъюнктура такова, что стоимость одного только среднетемпературного кокса, производимого в обращённом процессе газификации угля (при карбонизации), позволяет компенсировать все затраты на его производство. Попутный продукт - горючий газ, пригодный для сжигания в газовых котлах с целью получения тепловой и/или электрической энергии, - в этом случае имеет условно нулевую себестоимость. Это обстоятельство обеспечивает высокую инвестиционную привлекательность данной технологии.

Ещё одной известной технологией газификации бурого угля, является энерготехнологическая переработка угля в среднетемпературный кокс и тепловую энергию в установке с псевдоожиженным (кипящим) слоем топлива. Важным преимуществом данной технологии является возможность её реализации путём реконструкции типовых угольных котлов. При этом сохраняется на прежнем уровне производительность котла по тепловой энергии. Подобный проект реконструкции типового котла реализован, например, на разрезе "Берёзовский" (Красноярский край, Россия). В сравнении с технологией слоевой газификации угля энерготехнологическая переработка угля в среднетемпературный кокс в псевдоожиженном слое отличается существенно более высокой (в 15-20 раз выше) производительностью.

Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля - растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа: бурые угли (лигниты), каменные угли, антрациты и графиты. В западных странах имеет место несколько иная классификация - лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.

Антрацит

Антрацит - самый глубоко прогревавшийся при своем возникновении из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации. Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800-8350 ккал/кг). Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.

Каменный уголь

Каменный уголь - осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.

Бурый уголь - твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65-70 % углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра.

Добыча угля

Способы добычи угля зависят от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при всё большем углублении угольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторождения подземным способом. 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.

Стюарт E. Невинс, магистр наук.

Накопленные, уплотненные и переработанные растения образуют осадочную породу, которая называется углем. Уголь является не только источником огромного экономического значения, но и породой, которая обладает особой привлекательностью для студента, изучающего историю земли. Несмотря на то, что уголь образует менее одного процента всех осадочных пород земли, он имеет огромное значение для геологов, которые доверяют Библии. Именно уголь дает геологу-христианину одно из наиболее сильных геологических аргументов в пользу реальности глобального Ноевого Потопа.

Для того чтобы объяснить формирование угля, было предложено две теории. Популярная теория, которой придерживается большинство униформистских геологов, заключается в том, что растения, из которых состоит уголь, накапливались в огромных пресноводных болотах или торфяных болотах на протяжении многих тысяч лет. Эта первая теория, которая предполагает рост растительного материала в месте его обнаружения, называется автохтонной теорией .

Вторая теория предполагает, что угольные пласты накопились из растений, которые быстро перенеслись из других мест и отложились в условиях затопления. Эта вторая теория, согласно которой происходило перемещение растительного мусора, называется аллохтонной теорией .

Окаменелости в угле

Типы ископаемых растений, которые обнаруживаются в угле, очевидно, не подтверждают автохтонную теорию . Ископаемые деревья плауны (например, Lepidodendron и Sigillaria ) и гигантские папоротники (особенно Psaronius ), характерные для Пенсильванских угольных отложений, могли иметь некоторую экологическую устойчивость к болотистым условиям, тогда как другие ископаемые растения Пенсильванского бассейна (например, хвойное дерево Cordaites , гигантский хвощ зимующий Calamites , различные вымершие папоротникообразные голосеменные растения) в соответствии с их основной структурой должно быть предпочитали хорошо просушенные почвы, а не болота. Многие исследователи считают, что анатомическое строение ископаемых растений указывает на то, что они произрастали в тропических или субтропических климатических условиях (довод, который можно использовать против автохтонной теории), поскольку современные болота являются наиболее обширными и имеют самое глубокое накопление торфа в более прохладных климатических условий более высоких широт. Из-за увеличенной испарительной способности солнца, современные тропические и субтропические области наиболее бедны торфами.

В угле нередко встречаются морские ископаемые , такие как ископаемые рыбы, моллюски и брахиоподы (плеченогие). В угольных пластах обнаруживаются угольные шарики, представляющие собой округлые массы скомканных и невероятно хорошо сохранившихся растений, а также ископаемые животные (включая морских животных), которые имеют непосредственное отношение к этим угольным пластам. Небольшой морской кольчатый червь Spirorbis, как правило, обнаруживается прикрепленным к растениям углей Европы и Северной Америки, которые относятся к Каменноугольному периоду. Поскольку анатомическое строение ископаемых растений мало указывает на то, что они были приспособлены к морским болотам, залегание морских животных вместе с неморскими растениями свидетельствует о том, что смешивание произошло во время перемещения, что таким образом поддерживает модель аллохтонной теории.

Среди наиболее удивительных видов ископаемых, которые обнаруживаются в угольных слоях – вертикально залегающие стволы деревьев , которые перпендикулярно к напластованию часто пересекают десятки футов породы. Эти вертикальные деревья зачастую встречаются в пластах, которые связаны с угольными отложениями, а в редких случаях они обнаруживаются и в самом угле. В любом случае осадочные породы должны накапливаться быстро для того, чтобы покрыть деревья до того, как они испортятся и упадут.

Сколько необходимо времени для образования слоев осадочных пород? Взгляните на это десятиметровое окаменевшее дерево, одно из сотен обнаруживаемых в угольных шахтах Куквиля (штат Теннесси, США). Это деревоначинается в одном угольном слое, идет вверх через многочисленныеслои, и наконец заканчивается в другом угольном пласте. Подумайте вот о чем: что произошло бы с верхней частью дерева за тысячи лет, необходимых(согласно эволюции) для образования осадочных слоев и пластов угля? Очевидно, что образование осадочных слоев и пластов угля должно было бытькатастрофическим (быстрым), чтобы захоронить дерево в вертикальном положении до того, как оно сгниет и упадет. Такие «стоящие деревья» обнаруживаются в многочисленных местах на земле и на разных уровнях.Несмотря на свидетельства, долгие периоды времени (необходимые для эволюции), втискиваются между слоями, чему нет никаких свидетельств.

У кого-то может создаться впечатление, что эти деревья находятся в их первоначальном положении роста, но некоторые данные указывают на то, что это совсем не так, а даже наоборот. Некоторые деревья пересекают пласты по диагонали, а некоторые обнаруживаются вообще перевернутыми. Иногда, оказывается, что вертикально залегающие деревья пустили корни в положении роста в пластах, которые полностью пронизаны вторым вертикально расположенным деревом. Полые стволы ископаемых деревьев, как правило, заполнены осадочной породой, которая отличается от залегающих рядом окружающих горных пород. Применимая к описанным примерам логика указывает на перемещение этих стволов.

Ископаемые корни

Наиболее важным ископаемым, которое имеет прямое отношение к спорам по поводу происхождения угля, является стигмария - ископаемый корень или корневище. Стигмария чаще всего обнаруживается в пластах, которые залегают под угольными пластами и, как правило, имеет непосредственное отношение к вертикальным деревьям. Считалось, что стигмария , которую 140 лет назад исследовали Чарльз Лайель и Д.У. Доусон в угольной последовательности каменноугольного периода в Новой Шотландии, является однозначным доказательством того, что растение росло именно в этом месте.

Многие современные геологи продолжают настойчиво утверждать, что стигмария представляет собой корень, который образовался именно в этом месте, и который уходит в почву, залегающую ниже угольного болота. Угольная последовательность Новой Шотландии была недавно исследована заново Н.A. Рупке, который обнаружил четыре довода в пользу аллохтонного происхождения стигмарии , полученных на основании исследования осадочных отложений. Обнаруживаемое ископаемые, как правило, обломочное и редко прикреплено к стволу – это указывает на предпочтительную ориентировку его горизонтальной оси, которая создалась в результате действия течения. Кроме того, ствол заполнен осадочной породой, которая не похожа на окружающую ствол породу, и он часто обнаруживается на многих горизонтах в пластах, которые полностью пронизаны вертикальными деревьями. Исследование Рупке подвергло серьезным сомнениям популярное автохтонное объяснение других пластов, в которых обнаруживаются стигмарии .

Циклотемы

Уголь обычно залегает в последовательности осадочных пород, которая называется циклотемой . Идеализированная Пенсильванская циклотема может иметь пласты, которые отложились в следующем восходящем порядке: песчаник, глинистый сланец, известняк, подстилающая глина, уголь, глинистый сланец, известняк, глинистый сланец. В типичной циклотеме , как правило, отсутствует один из составляющих пластов. На каждом участке циклотемы каждый цикл отложения обычно повторяется десятки раз, и каждое отложение залегает на предыдущем отложении. В Иллинойсе находится пятьдесят последовательно расположенных циклов, и более ста таких циклов залегает в Западной Вирджинии.

Несмотря на то, что угольный пласт, формирующий часть типичной циклотемы , обычно довольно тонкий (как правило, толщиной от одного дюйма до нескольких футов) латеральное расположение угля имеет невероятные размеры . В одном из проведенных современных стратиграфических исследований4 было проведено соотношение между угольными месторождениями: Броукен Эрроу (штат Оклахома), Кроуберг (штат Миссури), Вайтбрест (штат Айова), Колчестер намбер 2 (штат Иллинойс), Коал IIIa (штат Индиана), Шультцтаун (Западный Кентукки), Принцесс намбер 6 (Восточный Кентукки), и Лоуер Киттаннинг (штаты Огайо и Пенсильвания). Все они образуют один, огромный угольный пласт, который простирается на сотню тысяч квадратных километров в центральной и восточной части Соединенных Штатов. Ни одно современное болото не имеет такую площадь, которая бы хоть чуть-чуть приближалась к размерам Пенсильванских угольных залежей.

Если автохтонная модель образования угля верна, то должны были преобладать очень необычные обстоятельства. Вся территория, часто включающая десятки тысяч квадратных километров, должна была бы одновременно подняться над уровнем моря для того, чтобы произошло накопление болота, а затем она должна была бы опуститься для того, чтобы её затопил океан. Если ископаемые леса поднялись бы слишком высоко над уровнем моря, болото и его антисептическая вода, необходимая для накопления торфа, просто бы испарилась. Если во время накопления торфа в болото вторглось бы море, морские условия уничтожили бы растения и другие осадочные отложения, и торф не отложился бы. Тогда, в соответствии с популярной моделью, формирование толстого угольного пласта указывало бы на сохранение невероятного баланса на протяжении многих тысяч лет между скоростью накопления торфа и повышением уровня моря. Такая ситуация кажется наиболее неправдоподобной, особенно если вспомнить, что циклотема повторяется в вертикальном разрезе сотни раз или даже больше. А может эти циклы лучше всего можно объяснить как накопление, которое происходило во время последовательного повышения и отступления вод потопа?

Глинистый сланец

Когда речь заходит о циклотеме, наибольший интерес вызывает подстилающая глина. Подстилающая глина представляет собой мягкий слой глины, который не расположен в виде пластов и часто залегает под угольным пластом. Многие геологи считают, что это - ископаемая почва, на которой существовало болото. Присутствие подстилающей глины, особенно когда в ней обнаруживаются стигмарии , часто интерпретируется, как достаточно доказательство автохтонного происхождения углеобразующих растений.

Однако недавно проведенное исследование подвергло сомнению интерпретацию подстилающей глины, как ископаемой почвы. Никакие характеристики почвы, которые были бы подобны характеристикам современной почвы, не были обнаружены в подстилающей глине . Некоторые минералы, обнаруженные в подстилающей почве не относятся к типам минералов, которые должны были бы обнаруживаться в почве. Наоборот подстилающие глины, как правило, имеют ритмическую слоистость (на самом дне расположен более крупный зернистый материал) и признаки образования глинистых хлопьев. Это простые характеристики осадочных пород, которые образовывались бы в любом слое, который накапливался в воде.

Многие угольные слои не залегают на подстилающих глинах, и всякие признаки существования почвы отсутствуют. В некоторых случаях угольные пласты залегают на граните, аспидном сланце, известняке, конгломерате или других породах, которые непохожи на почву . Подстилающая глина без расположенного сверху угольного пласта встречается часто, как и подстилающая глина часто залегает сверху угольного пласта. Отсутствие распознаваемых почв ниже пластов угля указывает на то, что здесь не мог расти никакой тип буйной растительности и подтверждает идею о том, что углеобразующие растения были сюда перемещены.

Структура угля

Изучение микроскопического строения и структуры торфа и угля помогает понять происхождение угля. A. Д. Коен был инициатором сравнительного структурного исследования современных автохтонных торфов, образованных из мангровых деревьев и редкого современного аллохтонного прибрежного торфа из южной Флориды. Большинство автохтонных торфов содержали растительные фрагменты, которые имели неупорядоченную ориентацию с преобладающим матриксом более мелкого материала, тогда как аллохтонный торф имел ориентацию, образованную потоками воды с вытянутыми осями растительных фрагментов, которые были расположены, как правило, параллельно к береговой поверхности с характерным отсутствием более мелкого матрикса. Плохо отсортированный растительный мусор в автохтонных торфах имел крупную структуру благодаря переплетенной массе корней, тогда как автохтонный торф обладал характерной микрослоистостью благодаря отсутствию вросших корней.

Проводя это исследование, Коен отметил: "В ходе исследования аллохтонного торфа была выявлена одна особенность, которая заключалась в том, что вертикальные срезы этого материала, сделанные с помощью микротома, выглядели больше похожими на тонкие срезы Каменноугольного угля, чем любой исследуемый автохтонный образец" . Коен обратил внимание на то, что характеристики этого автохтонного торфа (ориентация вытянутых фрагментов, отсортированная зернистая структура с общим отсутствием более мелкого матрикса, микрослоистость с отсутствием спутанной корневой структуры) также являются характеристиками углей Каменноугольного периода !

Глыбы в угле

Одной из наиболее впечатляющих внешних особенностей угля является наличие в нем крупных глыб. На протяжении более ста лет эти крупные глыбы обнаруживаются в угольных пластах по всему миру. П.Х. Прайс провел исследование, в котором изучил крупные глыбы угольного месторождения Сьюелл, которое находится в Западной Вирджинии. Средний вес 40 собранных глыб составлял 12 фунтов, а самый крупный булыжник весил 161 фунт. Многие булыжники представляли собой вулканическую или метаморфическую породу, в отличие от всех других обнажений пород в Западной Вирджинии . Прайс предположил, что крупные глыбы могли вплестись в корни деревьев и перенестись сюда издалека. Таким образом, наличие в угле крупных глыб поддерживает аллохтонную модель.

Углефикация

Споры относительно природы процесса превращения торфа в уголь ведутся на протяжении многих лет. Одна существующая теория предполагает, что именно время является основным фактором в процессе углефикации. Однако эта теория утратила свою популярность, потому что было установлено, что со временем не происходит никакого систематического повышения метаморфической стадии угля. Существует несколько явных несоответствий: лигниты, которые являются самой низшей стадией метаморфизма, залегают в некоторых самых древних углесодержащих пластах, тогда как антрациты, представляющие самую высшую степень метаморфизма угля, залегают в молодых пластах.

Вторая теория относительно процесса превращения торфа в уголь предполагает, что основным фактором в процессе метаморфизма угля является давление . Однако данная теория опровергается многочисленными геологическими примерами, в которых стадия метаморфизма угля не увеличивается в сильно деформированных и складчатых пластах. Более того, лабораторные эксперименты показывают, что увеличение давления фактически может замедлить химическое превращение торфа в уголь.

Третья теория (на сегодня наиболее популярная) предполагает, что самым важным фактором в процессе метаморфизма угля является температура . Геологические примеры (вулканические интрузии в угольных пластах и подземные пожары на шахтах) показывают, что повышенная температура может вызвать углефикацию. Лабораторные эксперименты также были достаточно успешными в подтверждении этой теории. В результате одного проведенного эксперимента с использованием процесса быстрого нагревания всего за несколько минут было образовано вещество, напоминающее антрацит, при этом большая часть тепла была образована в результате преобразования целлюлозного материала. Таким образом, метаморфизм угля не требует миллионов лет воздействия тепла и давления – он может быть образован в результате быстрого нагревания.

Заключение

Мы видим, что множество подтверждающих доказательств решительно доказывают истинность аллохтонной теории и подтверждают накопление множественных угольных слоев во время Ноевого Потопа. Вертикально залегающие ископаемые деревья внутри угольных слоев подтверждают быстрое накопление растительных остатков. Морские животные и наземные (а не растущие и обитающие в болоте) растения, обнаруживаемые в угле, подразумевают их перемещение. Микроструктура многих угольных пластов имеет определенную ориентацию частиц, структуру отсортированных зерен и микрослоистость, что указывает на перемещение (а не на рост в месте залегания) растительного материала. Присутствующие в угле большие глыбы свидетельствуют о процессах перемещения. Отсутствие почвы под многими угольными пластами подтверждают тот факт, что углеобразующие растения плыли по течению. Уголь, как было показано, образует систематические и типичные порции циклотем , которые явно, как и другие породы, отложились водой. Эксперименты по исследованию изменения растительного материала показывают, что для образования напоминающего уголь антрацита вовсе не нужны миллионы лет – он может образовываться быстро под действием тепла.

Ссылки

*Профессор геологии и археологии из Колледжа Христианского наследия, Эль-Каджон, Калифорния.