Применение угля в производстве: Применение древесного угля

Применение древесного угля

Применение древесного угля в качестве топлива

В экономически развитых странах древесный уголь широко используется для разжигания мангалов при приготовлении барбекю, шашлыка и т.д.

В других странах мира древесный уголь используется ежедневно для приготовления пищи. Это является серьезной угрозой для здоровья человека, так как приготовление пищи происходит не на открытом воздухе, а в помещении. Респираторные инфекции, которые появляются вследствие разжигания древесного угля в помещении, являются причиной смертности детей в возрасте до 5 лет во всех странах третьего мира. Это почти 2 миллиона случаев смерти в год. Окись углерода к тому же загрязняет атмосферу.

Применение древесного угля в промышленности

С давних времен древесный уголь использовали для выплавки железа в сыродутных печах, а затем в доменных печах. Позже древесный уголь был заменен коксом.

Применение древесного угля в качестве автомобильного топлива

Во времена дефицита нефтепродуктов автомобили были переконструированы для езды на смешанном газе – газовой смеси, содержащей в основном окись углерода СО. Смешанный газ производили при сжигании угля или дров в газогенераторах. В Китае, например, до 1950 года были популярны автомобили, в которых в качестве топлива использовали уголь. Во время Второй мировой войны в странах Европы производство древесины и древесного угля в качестве топлива для автомобилей увеличилось примерно в 10 раз.

Применение древесного угля в оборудовании для очистки и фильтрации

Активированный уголь обладает высокой адсорбцией благодаря большому количеству пор и большой удельной поверхности на единицу массы. Активированный уголь быстро адсорбирует широкий спектр органических соединений, растворенных в газах или жидкостях. Древесный уголь часто используется для фильтрации воды, чтобы удалить вредные бактерии. На Востоке, в таких странах как Китай, Япония, Корея, вода, очищенная с помощью древесного угля или бамбука, используется для приготовления чая.

В некоторых промышленных производствах, таких как очистка сахара при производстве из сахарного тростника, примеси, вызывающие нежелательные цвета, могут быть удалены с помощью активированного угля.

Активированный уголь используется для поглощения запахов и токсинов из воздуха. Фильтры, сделанные из древесного угля, также применяются в некоторых видах противогазов.

Применение активированного угля в медицине заключается в основном в адсорбции ядов, попадающих в организм человека. Также он используется для уменьшения дискомфорта в пищеварительном тракте.

Применение древесного угля в искусстве

Для рисования используют тонкие палочки, обожженные специальным образом при высоких температурах без доступа кислорода. Также в рисовании используется прессованный уголь, который выпускают в виде карандашей.

Применение древесного угля в садоводстве

Древесный уголь добавляют в землю (в том числе для комнатных растений) с целью увеличить ее гигроскопичность. Уголь, поглощая лишнюю влагу, препятствует закисанию почвы. Порошкообразный уголь применяется для лечения растений.

Применение древесного угля в медицине

Издавна уголь употребляли как пищевую добавку, помогающую при гастритах. Сейчас активированный уголь выпускают в виде таблеток, капсул, порошка для улучшения работы пищеварительного тракта. Древесный уголь поглощает газы и токсины, что помогает при изжоге, вздутии живота и расстройствах желудка.

Применение древесного угля в курении

Специальный уголь используют для кальянов, это натуральные древесные угли и быстро возгорающиеся угли.

7.6. Направления использования угля — Энергетика: история, настоящее и будущее

Ископаемые угли имеют широкий диапазон генетических, технологических свойств и качеств, которые позволяют использовать их не только в виде топлива, но и как технологическое сырье.

Примерно 25% поставляемых потребителям углей используют для технологических целей на предприятиях, где они перерабатываются или применяются в качестве сырья. При этом основная доля углей идет на производство кокса. Остальной уголь расходуется на энергетические цели. Свыше половины углей, направляемых на энергетические цели, используется на тепловых электростанциях, значительная часть – для коммунально-бытовых нужд, меньшая – в промышленных и районных котельных. Остальная часть энергетических углей направляется для нужд сельского хозяйства, производства строительных материалов и т. д.

Использование углей для технологических целей. Низкотемпературные методы химической переработки применяют к бурому углю, органическая масса которого слабо полимеризована и состоит по сути из слабосвязанных между собой алифатических и ароматических молекулярных фрагментов, легко извлекаемых путем экстракции. Так, экстракцией органическими растворителями (бензин и бензолы) извлекают битумы – смесь восков, парафинов, масел, асфальтенов и смол. Наиболее ценная часть экстракта – горный, или монтан-воск, который широко используется в машиностроении для точного литья, при производстве пластмасс, в бытовой химии, бумажной и текстильной промышленности. Экстракцией водным раствором едкого натрия с последующим осаждением раствором серной кислоты получают гуминовые кислоты, применяемые в аккумуляторной промышленности, при бурении нефтегазовых скважин, в сельском хозяйстве как регуляторы роста и развития растений.

В диапазоне температур 350–500°С органическое вещество угля (кроме инертинитной компоненты) проявляет способность к термическому растворению (ожижению) и гидрогенизации. Термическому растворению в углеводородных растворителях подвергают измельченный уголь при давлении до 5 МПа, при этом его алифатическая часть извлекается в виде бензиновой, а ароматическая – в виде бензольной фракции. В присутствии водорода или его доноров, сероустойчивых катализаторов и при давлении 30–70 МПа происходит процесс гидрирования термически растворенного вещества, при этом ароматические структуры разлагаются до алифатических, а выход бензиновой фракции превышает 55% массы органической части угля.

Этот способ получения синтетических жидких топлив из угля, несмотря на сложность и относительную дороговизну, широко применялся в Германии и ЮАР в периоды эмбарго на поставки нефтепродуктов.

При нагревании угля без доступа воздуха до 500–600°С происходит его полукоксова3 ние – термическое разложение (пиролиз) органической части с отщеплением и выходом в виде газои парообразных летучих веществ присоединенных групп, алифатических и легких ароматических молекулярных фрагментов. При этом основными являются жидкие продукты полукоксования смесь масел и смол, широко используемых в химической и других отраслях промышленности, а также как заменитель котельного топлива. Газ полукоксования, в который в основном переходит сера угля, чаще всего сжигают для нагрева угольной массы. Твердый остаток применяют как бездымное, обессеренное топливо с высоким содержанием углерода. Наибольший выход целевых (жидких) продуктов полукоксования имеют бурые и сапропелитовые угли, а также сланцы (кроме менилитовых).

В 1735 г. инженером-металлургом Кольбрукделем Авроамом Дерби была решена проблема замены в доменном производстве древесного угля каменноугольным коксом. Этот метод с 1775 г. начал широко внедряться в промышленности при выплавке чугуна.

Если полукоксование угля происходит в атмосфере водяного пара, у твердого ос3 татка существенно развивается пористая структура (удельная поверхность пор дос3 тигает 300–800 м 2 /г). Такой твердый оста3 ток, называемый активированным углем, обладает высокой поглощающей (адсорбци3 онной) способностью.

Если в начале ХХ века активированные угли производились главным образом из древесины, кокосового копра, плодовых косточек и другого растительного сырья и использовались в противогазах, при очистке сахара и алкоголя, в медицине, то к середине века расширенные нужды промышленности обусловили широкое применение технических активированных углей из твердого остатка полукоксования ископаемых углей.

Путем частичного окисления поверхности активированных углей, пропитки химически активными веществами или нанесения микроколичеств катализатора можно создавать избирательные поглотители, ионо- и электронообменники, высоко-активные катализаторы. Так, в современной промышленности обессоливание технической воды, очистка сточных вод, удаление и улавливание микропримесей и многие другие процессы организованы благодаря крупнотоннажному производству активированных углей с заранее заданными свойствами.

Одним из важнейших процессов переработки угля является коксование, которое проводится без доступа воздуха при температурах до 900°С и выше. Его целевым продуктом является металлургический кокс – спекшийся обуглероженный и обессеренный остаток. Побочным продуктом коксования являются каменноугольные смолы, масла, сырой бензол, покрывающие четверть современной мировой потребности в ароматических углеводородах. Газ коксования часто сжигают для нагрева коксовых печей, но он же может служить сырьем для получения аммиака и других ценных продуктов.

Производство цемента. Цемент представляет собой тонкоизмельченную смесь клинкера с различными активными (доменный шлак, гипс) и инертными (известь, песок) добавками. Клинкер – продукт спекания угля с сырьевой шихтой, которая состоит из известково-магнезиальных и глинистых пород, обогащенных оксидом железа. Клинкер получают обжигом шихты во вращающихся печах при температуре 1450°С.

Обжиг известняка осуществляется при температуре 1000–1200°С в шахтно-пересыпных, кольцевых и шахтных печах с выносными полугазовыми топками. Для обжига извести в шахтных печах с выносными полугазовыми топками используют сортовые слабоспекающиеся каменные и бурые угли с небольшим содержанием мелочи.

Производство порошкообразных углещелочных реагентов. Эти реагенты применяют при бурении скважин для добычи жидкого и газообразного топлива и скважин большого диаметра при проходке шахтных стволов. Для производства реагентов используют молодые бурые угли.

Спекание глинозема проводится во вращающихся печах. Для спекания используют каменные и бурые угли крупностью до 300 мм.

14 ноября 1795 г. вышел царский указ «Об устроении литейного завода в Донецком уезде при реке Лугани и об учреждении ломки найденного в той стране каменного угля». Перед назначением на пост директора этого завода англичанином Гаскойном были поставлены две главные задачи: освоить на заводе производство чугуна на минеральном топливе из местной железной руды и организовать добычу угля. Вторая задача предусматривала добычу угля для широкого применения его вместо дров с целью предотвращения истребления лесов.

Об этой своей задаче Гаскойн писал: «Прииск каменного угля и добыча оного на меня возложена, яко главнейшие поручения, с тем намерением, чтобы оным на кораблях Черноморского флота; в крепостях и даже во всем том крае заменить употребление дров, а леса, кои там весьма недостаточны, от совершенного истребления сохранить. .. За сим мне было поручено стараться открыть уголь в таких местах, откуда бы на судах оный доставлять в Черноморские порты и в разные места тамошних губерний».

Отсутствие опыта в использовании угля, неприспособленность печей и очагов к сжиганию минерального топлива, многовековая традиция применения дров, специфический запах от сгорания угля препятствовали распространению нового вида топлива в России. С целью расширения применения угля в производстве и быту, а также для обучения применению нового вида топлива первый руководитель русской угольной промышленности Н. А. Львов в 1799 г. опубликовал работу.

«О пользе и употреблении русского земляного угля». Н. А. Львов стремился в книге показать пользу от применения отечественного угля и его безопасность. Большой интерес представляют соображения автора, касающиеся производства кокса и изготовления угольных брикетов.

Сульфоуголь получают в результате специальной обработки. Применяется он в водоочистительных установках электростанций, городских водопроводных станций и для специальных производств. Для получения сульфоугля используют донецкие угли марок К и ОС.

Кузнечные работы. Для кузнечных работ пригодны спекающиеся угли марок Ж и К с небольшими зольностью и массовой долей серы, а также антрацит крупностью более 13 мм, обладающий высокими термостойкостью и механической прочностью.

Производства карбида кальция, карбида кремния, электрокорунда. Карбид кальция получают в электропечах сплавлением шихты из антрацита и извести. Используется он с целью получения ацетиленового газа для сварочных работ, а также при производстве резины. Карбид кремния производят в электропечах путем плавки специальной шихты с добавлением антрацита. Применяется для изготовления особо твердых абразивных изделий и инструментов. Электрокорунд получают плавкой глинозема с антрацитом в электропечах. Применяется как абразивный и огнеупорный материал, а также для изготовления литейных форм, стержней и т. д.

Термоантрацит получают термической обработкой крупных классов антрацита с минимальными зольностью, массовой долей серы, фосфора, выхода летучих веществ. Используется для производства электродов и в литейном производстве.

Литейное производство. Для литейного производства, кроме кокса и термоантрацита, применяется и натуральный крупный антрацит, обладающий повышенной механической прочностью и термической стойкостью, с плотной структурой без породных прослоев, с невысокими зольностью и массовой долей серы.

Агломерация (окускование) руд проводится путем спекания мелких классов руды в смеси с антрацитовым штыбом, тощим углем, мелкими фракциями кокса.

Заполнение фильтров. Для заполнения механических фильтров водоочистки на тепловых электростанциях и городских водопроводных станциях применяют антрацитовую крошку с размером частиц от 0,8 до 2 мм, зольностью до 10% и массовой долей серы до 2%. Антрацит, из которого приготавливается крошка, должен обладать высокой механической прочностью.

Энергетическое использование угля. Наиболее давним и распространенным является использование угля в качестве топлива для сжигания. В настоящее время до 50% электроэнергии в Украине вырабатывается на тепловых электростанциях, абсолютное большинство энергоблоков которых сжигают энергетические (некоксующиеся) каменные угли и антрациты. Сжигание угля связано со способностью углерода и водорода, входящих в состав угля, реагировать с кислородом до СО 2 и Н 2 О с выделением теплоты. Условием начала горения является нагрев угольной частицы до температуры воспламенения, при которой скорость тепловыделения за счет реакций окисления превысит скорость отвода тепла от частицы в окружающую среду. При нагреве частиц вначале выходят и воспламеняются летучие вещества, а затем твердый обуглероженный остаток, горение которого является основной стадией. Скорость горения угольных частиц увеличивается с ростом температуры и давления, уменьшением размера (увеличением удельной поверхности) частиц и со снижением степени метаморфизма угля.

В теории горения установлено, что, поскольку атомы углерода в карбонизованной структуре прочно связаны, углерод реагирует с газами (О 2, СО 2, Н 2) главным образом путем хемосорбции (химического присоединения) диссоциированного кислорода к активным центрам, с последующим отрывом СО-ком

Совместное рассмотрение вопросов техники и технологии добычи угля и области его применения явилось фундаментальной основой дальнейшего развития способов подготовки угля к использованию, которое потребовало исследования угля и процессов его облагораживания применительно к различным видам потребления.

Мировой опыт подготовки углей к использованию для бытовых нужд, морского флота и других целей определил необходимость производства сортового топлива с заданными размерами его кусков. Особенно это относилось к донецким антрацитам и малозольным и малозернистым паровично-жирным углям, используемым в топках судов морского флота как военного, так и торгового. Это определило интенсивное оснащение шахтной поверхности сооружениями для разделения рядового угля на сорта различного размера, а также ручного обогащения крупных классов (более 25 мм), в том числе и углей, используемых в рядовом виде.

Последняя четверть XVIII в. и XIX в. характеризуются быстрым развитием производительных сил России. Индустриализация России в это время связана с интенсивным развитием металлургии, что определило повышенную потребность в топливе, которое в тот период было представлено дровами и древесным углем.

Дефицит топлива вызвал необходимость импорта дорогостоящего каменного угля из Англии.

плексов от решетки в виде газообразного СО и с образованием нового активного центра. Этими активными центрами считаются атомы углерода со свободными или ослабленными связями. Как раз такими связями характеризуются атомы углерода в тех местах молекулярной структуры, от которых отщепились группы, образовавшие летучие. Поэтому для углей, у которых выход летучих монотонно уменьшается с увеличением степени метаморфизма, соответственно снижается концентрация активных центров и реакционная способность твердого углеродного остатка.

В процессе горения, кроме составляющих С, Н, О, принимают участие азот и сера угля (органическая и пиритная) с образованием вредных выбросов – оксидов азота и серы, что требует специальных мер по снижению их содержания в дымовых газах. Минеральная часть также подвергается ряду превращений, например, сульфаты теряют кристаллизационную воду, сульфиды железа окисляются с образованием SO 2 и оксида железа (III), оксид

железа (II) переходит в оксид железа (III), кар

бонаты разлагаются с выделением СО 2 и образованием оксида металла. Большинство этих превращений, кроме последнего, не приводит к существенному изменению массы золы (негорючего остатка) по сравнению с исходной минеральной массой. Разложение же карбонатов необходимо учитывать при расчете материального баланса горения. Кроме того, с целью обеспечения золоудаления, затрудненного в интервале температур междуt A иt C , необходимо учитывать температуры плавкости золы при организации процесса горения.

Газификацией называют процесс реагирования угля с СО2и Н2О с образованием горючих газов СО и Н2. Процесс газификации сопровождается поглощением теплоты. Часто в качестве источника теплоты для газификации используют неполное горение самого угля. Удельная скорость газификации в 1000 раз и более ниже удельной скорости горения, а повышение ее связано с теми же факторами, что и в случае скорости горения.

До недавнего времени считалось, что газификация наиболее применима для производства светильного газа (заменителя природного газа), а также СО и Н 2 в качестве сырья для по следующего органического синтеза. Так, воюющая Германия и ЮАР львиную долю своих потребностей в бензине покрывали за счет газификации угля с последующим синтезом Фишера-Тропша. В СССР в 50-е годы прошлого века также были распространены угольные газогенераторы, в том числе вырабатывавшие газ для двигателей внутреннего сгорания. Однако такое применение газификации было связано с низким КПД использования угля, с рядом технических и экологических сложностей.

Второе рождение газификации произошло в энергетике. Относительно недавно были разработаны комбинированные парогазовые установки (ПГУ) с внутрицикловой газификацией угля под давлением, отличающиеся от паровых установок с традиционным сжиганием угля повышенным КПД и экологической чистотой. Широкое внедрение ПГУ на угле возможно уже в ближайшие 10–20 лет.

В результате промышленной революции XVIII века была разработана паровая машина Уайта, что позволило размещать предприятия вблизи источников сырья и рынков сбыта, а не только по берегам крупных водоемов, использовавшихся в качестве источников энергии.

Зола от сжигания углей в различных модификациях кипящего слоя, куда добавляется известняк для улавливания оксидов серы, содержит до 10–20% гипса и остаточного оксида кальция, что обуславливает ее повышенные вяжущие свойства. Для изготовления изделий из такой золы нужна добавка не более 5% цемента.

На ряде угольных электростанций Европы и США отсутствуют золоотвалы, поскольку вся произведенная зола реализуется в промышленности стройматериалов и в дорожном строительстве.

Проблемы утилизации золы. При сжигании угля зола образуется в виде оплавленного (остеклованного) шлака и сухой золы (уноса). Шлак более химически инертен и в связи с этим находит относительно широкое применение (шлакобетоны). Однако использование шлакобетонных изделий ограничено их несколько повышенной радиоактивностью. Сложность хранения сухой золы обусловлена ее мелкодисперсностью, вызывающей пыление, и наличием окислов щелочных металлов, реагирующих с водой до щелочей, попадание которых в грунтовые воды недопустимо. Золы, содержащие разложившийся известняк, добавляемый для связывания серы, при взаимодействии с водой образуют известь и вспучиваются.

Кроме перечисленных макрокомпонентов, минеральная часть углей содержит германий, уран, молибден, рений, вольфрам, серебро, селен, галлий, ванадий, а также такие экологически опасные вещества, как ртуть, мышьяк, бериллий, фтор, хлор, фосфор, селен. В широком смысле проблема утилизации золы сводится к разработке цепочек энерготехнологических процессов, в которых бы ценные неорганические элементы извлекались, а вредные улавливались до попадания в атмосферу, прочно связывались в нерастворимых соединениях и захоранивались. Для ряда элементов (получение германия из шлака электростанций, использование кальцийсодержащих отходов в цементной промышленности) указанные цепочки организованы, но в целом проблема эффективного использования и безопасной утилизации золы с улавливанием вредных выбросов еще ожидает технического решения.

Перспективы развития методов комплексной переработки угля на основе знания его химического состава и физических свойств. Исходя из описания химического состава и физических свойств угля, можно заключить, что существующие методы использования угля не позволяют в полной мере реализовать его сырьевой и энергетический потенциал. Так, в Украине недостаточно применяются методы экстракции, полукоксования, гидрогенизации, хотя бурые угли Днепровского бассейна предоставляют для этого прекрасную сырьевую базу. Развитие методов низкотемпературного сжигания позволило бы утилизировать богатейшие, не используемые в настоящее время залежи засоленных углей марки Д Западного Донбасса. В случае разработки и внедрения технологий сжигания углей с повышенной зольностью, например в циркулирующем кипящем слое (ЦКС), удалось бы существенно снизить потери горючей массы угля при обогащении и утилизировать остаточный углерод, накопленный в отходах обогатительных фабрик в количестве десятков миллионов тонн. Рациональное использование золы и шлака электростанций дало бы возможность решить проблему сырьевой базы при получении алюминия, урана, германия, кремния и других ценных элементов. Одной из наиболее перспективных является идея комплексной энерготехнологической переработки угля. Сущность ее заключается в том, чтобы уголь перед сжиганием подвергать предварительному пиролизу с получением газообразного, жидкого топлива и химического сырья.

Если ХIХ век называли «веком угля», ХХ – «веком нефти», то с учетом быстрого исчерпания нефтяных и газовых запасов и экологических проблем ядерной энергетики ХХI век уместно назвать веком «рационального использования органического топлива», в первую очередь – угля.

Что убивает угольную промышленность США?

Одной из тем президентской кампании Дональда Трампа было возвращение рабочих мест в угольной промышленности на Среднем Западе. Став президентом, он удвоил свою ставку, пообещав «снять ограничения на американскую энергетику, включая сланцевую нефть, природный газ и красивый, чистый уголь». ^[1]

Многие республиканцы обвиняют экологические нормы, принятые при администрации Обамы, в упадке угольной промышленности страны. Республиканцы пообещали вернуть отрасль и ее рабочие места, в первую очередь путем нейтрализации этих правил. Одним из первых действий нового Конгресса была отмена обновленного Правила защиты водотоков, защищающего водотоки вблизи угольных шахт[2], чтобы избавить угольную промышленность от «обременительных» правил.

Политическое внимание к углю мотивируется парой простых фактов: добыча угля в Соединенных Штатах в последнее время снизилась после полувекового роста, а занятость в угольной промышленности сократилась за последние годы.

В данной аналитической записке рассматриваются аргументы, приводимые для объяснения этих отказов. И те, кто склонен возлагать большую часть — или всю — вину на экологические нормы, узнают, что на работе есть и другие, вероятно, более сильные факторы.

Состояние угля в США

Глядя на уголь в Соединенных Штатах, бросается в глаза неуклонный рост добычи со времен Второй мировой войны.

На рис. 1 показана добыча угля в США с 1949 г. , отделяющая запад (регион к западу от реки Миссисипи) от востока (регион к востоку от Миссисипи). Восток является традиционным домом для американского угля, тогда как Запад в основном является поставщиком после 1970 года.

Рисунок 1: Добыча угля в тоннах в год по годам для востока США, запада США и всего США (1949-2015).

Источник: Энергетическая информация. Восток и Запад разделены рекой Миссисипи.

Несмотря на то, что за последние 60 лет добыча угля увеличилась более чем вдвое[4], обратите внимание, что в 2009 году началось умеренное снижение добычи. Также обратите внимание, что угольный бум после Второй мировой войны не является равномерным по стране. Практически весь прирост добычи пришелся на Запад, при этом пик добычи на Востоке пришелся на 1990 год и с тех пор медленно снижается.

Рисунок 2: Занятость в угледобывающей промышленности, по стране, в западной и восточной части США (ЭПЗ: эквивалент полной занятости).

Источник: Управление энергетической информации. FTE рассчитывается на основе производительности (тонн, произведенных на человека в час), общего объема добычи угля в год и предполагаемых 1900 часов в год для эквивалента полного рабочего дня.

На Рисунке 2 показана занятость в угледобыче как на Востоке, так и на Западе. Несмотря на значительный рост добычи угля за последние полвека, занятость неуклонно снижалась, с несколькими бумами занятости, такими как первое десятилетие этого века и десятилетие 19-го века.70-е годы. Примечательно, что хотя большая часть угля поступает с Запада (Рисунок 1), подавляющее большинство рабочих мест находится на Востоке (Рисунок 2).

Что случилось?

Было предложено несколько объяснений недавнего сокращения производства угля и рабочих мест:

• Экологические нормы — главный подозреваемый для некоторых — убили уголь.
• Дерегулирование железных дорог в 1970-х годах позволило дешевому западному углю вытеснить более дорогой восточный уголь, что привело к значительному сокращению рабочих мест в трудоемкой восточной угольной промышленности.
• Революция фрекинга привела к снижению цен на природный газ, что сделало уголь менее конкурентоспособным в производстве электроэнергии.
• Рабочие места в угледобывающей промышленности сокращаются из-за того же роста производительности, который привел к сокращению рабочих мест в обрабатывающей промышленности по всей стране — рабочие могут производить больше угля в час, а это означает, что для поддержания стабильной добычи угля требуется меньше рабочих.
• Другие причины включают финансовые рынки, которые могут рассматривать будущее угля как рискованное (по целому ряду причин) и, следовательно, плохие инвестиции.

Так какая из этих причин является причиной недавнего снижения добычи угля? Смотрим поближе.

Экологические нормы?

Уголь в США в основном используется для производства электроэнергии, а основным экологическим законом, влияющим на сжигание угля для производства электроэнергии, является Закон о чистом воздухе 1970 года, подписанный Ричардом Никсоном. Закон наложил значительные ограничения на выбросы серы от новых угольных электростанций.

Назад в 19В 70-х природный газ был в дефиците, а нефть была дорогой. Но спрос на электроэнергию был высоким и рос, что вызвало бум строительства угольных электростанций, несмотря на Закон о чистом воздухе. Это можно увидеть на Рисунке 3, на котором показан возраст всех действующих угольных электростанций в 2015 году. Обратите внимание на значительный скачок увеличения мощности в 1970-х и 1980-х годах. Это расширение угольных мощностей привело к увеличению добычи угля по всей стране.

Рисунок 3. Существующие угольные установки по годам начала эксплуатации и выбытию в 2015 г. (чистая летняя мощность, ГВт)

Источник: EIA, «Сегодня в энергетике», 8 марта 2016 г.

Самым простым способом соблюдения норм выбросов серы 1970 года было сжигание угля с низким содержанием серы, что привело к резкому расширению добычи угля с низким содержанием серы. преимущественно в Вайоминге. Высокий спрос на уголь с низким содержанием серы угрожал производителям угля с высоким содержанием серы, прежде всего на Востоке (см. рис. 1).

Чтобы сохранить рабочие места в угледобывающей промышленности на Востоке, в 1977 году в Закон о чистом воздухе были внесены поправки, согласно которым оборудование на всех новых угольных электростанциях должно физически удалять серу из дымовых труб после сжигания, что снижает привлекательность низкосернистых уголь (весь уголь становится «соответствующим углем»). Это уменьшило конкурентную угрозу для восточных рудников.

Другая особенность Закона о чистом воздухе 1970 года имела более тонкие и отсроченные последствия. То есть освобождение существующих (по состоянию на 1970 г.) электростанций от правил сокращения содержания серы. Эта «дедушка» была сделана по политическим причинам, чтобы облегчить принятие Закона. Но это также считалось справедливым и не имело долгосрочных последствий, поскольку ожидалось, что эти старые станции в любом случае выйдут из эксплуатации в конце их 40- или 50-летнего срока службы.

Но, как подчеркивают Ревес и Лиенке (2016)[5], это освобождение послужило стимулом для того, чтобы старые и грязные электростанции продолжали работать, а не выводились из эксплуатации, несмотря на более высокие эксплуатационные расходы старых станций. Для защиты здоровья и благополучия это потребовало от Агентства по охране окружающей среды наложения дополнительных ограничений на старые электростанции на протяжении многих лет, включая положения о кислотных дождях, введенные в 1919 году.90 при администрации Буша. Дополнительные правила были введены в действие во время следующих трех президентских администраций для решения проблем, вызванных тем, что старые станции работают намного позже предполагаемой даты их вывода из эксплуатации.

Теперь, спустя почти 50 лет после принятия Закона 1970 г., наконец началось закрытие старых электростанций. Как видно из рисунка 3, угольные электростанции, выведенные из эксплуатации в 2015 г., были довольно старыми (самая старая начала работу в 1944 г. , когда союзники высадились в Нормандии). На самом деле, как видно из рисунка, почти все выведенные из эксплуатации заводы начали работать более 40 лет назад. Это говорит о том, что снижение выработки электроэнергии на угле в значительной степени является результатом старения парка электростанций, которые, возможно, были выведены из эксплуатации много лет назад, если в Законе о чистом воздухе не было устаревшей статьи.

Производительность?

Одной из причин расширения на Западе и стагнации на Востоке является производительность — инновации и другие меры, которые приводят к тому, что для производства той же продукции требуется меньше рабочих. Это та же самая история, которую мы слышали во многих отраслях за последние 50 лет: рост производительности привел к сокращению рабочих мест, даже в здоровых отраслях.

На рис. 4 показано, как за последние 60 лет изменилась производительность труда в угледобыче, снова разделенной на восточную и западную. В национальном масштабе наблюдается устойчивый рост производительности (с двумя небольшими спадами), при этом производительность на рабочий час в США увеличилась в пять раз. И большая часть этих достижений была на Западе.

Следует также отметить, что производительность на Востоке в настоящее время составляет около трех тонн угля на шахтера в час. На Западе он почти в шесть раз выше. Это еще одна причина того, что Запад забрал такую ​​большую долю рынка угля у Востока, где сосредоточена занятость.

Дерегулирование железных дорог?

Как показано на рис. 4, в конце 1970-х шахтер на Западе мог добывать примерно в четыре раза больше угля, чем на Востоке, и цены отражали это преимущество в производительности. Но железнодорожные ставки были высокими, что ограничивало способность западного угля конкурировать с восточным углем, несмотря на низкие цены на шахте.

Рисунок 4. Производительность труда в угледобыче, 1949-2015 гг. дерегулирования, на 50 процентов (в реальном выражении) с 1980 по 2000 год. , за счет восточного угля.

Как видно из Рисунка 1, с середины 1970-х годов началось значительное расширение добычи западного угля. Важно помнить, что происходили и другие вещи, например, рост цен на нефть. Но влияние более низких железнодорожных тарифов можно увидеть на рынке того, что в настоящее время является крупнейшей угольной шахтой — шахтой Норт-Антелопа-Нью-Рошель. Шахта находится в Вайоминге, и в 2014 году на ней было добыто около 10 процентов всего угля в США, и он доставлялся по всей стране даже в такие отдаленные уголки, как Флорида.

Рост цен на дешевый западный уголь стал одним из наиболее значительных факторов снижения цен на восточный уголь и связанных с ним рабочих мест.

Природный газ?

Мы обсудили инновации в добыче угля, которые привели к значительному увеличению производительности труда при добыче угля, что позволило значительно расширить рынок угля США (хотя и с меньшим количеством сотрудников).

Еще одной областью технологических изменений с различными последствиями для угля является революция в добыче нефти и газа за последнее десятилетие или около того — гидроразрыв пласта (ГРП) в сочетании с точным горизонтальным бурением и эксплуатацией нетрадиционных месторождений газа. [6] Эти нововведения коренным образом изменили поставки и цены на природный газ в США 9.0005

В течение нескольких десятилетий до 2008 года цены на сырую нефть и природный газ в США очень тесно шли друг за другом. Но в 2009 году произошло нечто необычное.

Цена на нефть начала восстанавливаться после Великой рецессии, а цена на газ продолжала падать. В апреле 2012 года нефть продавалась по 103 доллара за баррель, тогда как цена на газ составляла 11 долларов за баррель в энергетическом эквиваленте, а уголь поставлялся по средней цене 13 долларов за баррель в энергетическом эквиваленте.[7]

С тех пор цены колебались, но газ оставался в изобилии и оставался дешевым. Это имело два последствия для угля. Во-первых, дешевый газ вытесняет уголь в существующих энергосистемах. Во-вторых, дешевый газ увеличивает стимулы для окончательного вывода из эксплуатации старых угольных электростанций 19-го века.40-х и 1950-х годов. На рис. 5 показано расширение использования природного газа в производстве электроэнергии параллельно с сокращением использования угля. На рисунке также показано расширение использования возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, также за счет угля.

Рисунок 5. Годовая доля производства электроэнергии в США в разбивке по источникам (1950–2016 гг.)

Источник: Управление энергетической информации

Выводы

Уголь сослужил стране хорошую службу. Это привело к резкому увеличению спроса на электроэнергию в 1950-х и 1960-х годов. Это было для нас, когда цены на нефть взлетели до небес в 1970-х годах.

Но ничто так не постоянно, как перемены. В 1970-х годах озабоченность по поводу загрязнения окружающей среды вышла на первый план, и уголь адаптировался — для многих это все еще была самая дешевая альтернатива. В 1980-х годах переход к дерегулированию железных дорог изменил конкурентный баланс на региональном уровне, поскольку западный уголь (с высокой производительностью труда) отобрал долю рынка у восточного угля (с более низкой производительностью труда).

В первом десятилетии нового тысячелетия повышение производительности — на этот раз в области природного газа — вызвало фундаментальный сдвиг, когда уголь перестал быть явно самым дешевым ископаемым топливом. В то же время солнечная и ветровая энергия значительно продвинулись в производстве электроэнергии, вновь создав конкурентную угрозу для угля. Повышение производительности по углю, газу и другим источникам энергии стало главной движущей силой перемен.

Это нарастание давления в конечном итоге привело к выводу из эксплуатации очень старых угольных электростанций, которые были построены до того, как родилось большинство американцев. По иронии судьбы, многие из этих выходов на пенсию, вероятно, произошли бы давно, если бы Закон о чистом воздухе не отдавал предпочтение старым угольным электростанциям.

В начале этого обзора мы задали два вопроса: Что случилось с угольной промышленностью? А что случилось с угольными рабочими местами? Угольная промышленность резко расширилась с 1950 до 2010 г. и несколько снизился за последние несколько лет по очень ясным и логичным причинам, изложенным здесь.

То, что случилось с угольными рабочими местами, еще проще. То же самое произошло на большей части территории страны: рост производительности привел к тому, что для производства той же продукции потребовалось меньше рабочих.

Дополнительная сила вредит угольной занятости — региональная конкуренция между Востоком и Западом. Трудоемкий Запад отобрал значительную долю рынка у трудоемкого Востока. В результате требуется гораздо меньше майнеров.

Некоторые меры были предложены для восстановления рабочих мест в угольной промышленности. Один из них заключается в снижении экологических норм как в отношении добычи угля, так и природного газа. Но подумайте об этом шаге — он, вероятно, ускорит падение добычи угля, поскольку природный газ все больше проникает на рынок.

Устранение регулирования может иметь много последствий. Ослабление регулирования железных дорог в 1970-х и 1980-х годах привело к сокращению рабочих мест в Восточной угледобывающей промышленности.

Из этого обсуждения ясно, что экологические нормы не убивают уголь. Прогресс виноват.

[1] Речь Дональда Дж. Трампа на Консервативной конференции политических действий, 24 февраля 2017 г. Закон о контроле за горными работами и мелиорации (SMCRA). Закон о пересмотре Конгресса уполномочивает Конгресс голосованием отменять правила, которым не исполнилось 6 месяцев. Президент Трамп подписал закон об отмене правила защиты ручьев 17 февраля 2017 года.

[3] Запад в основном состоит из месторождений угля из Нью-Мексико и Аризоны, на севере до Монтаны и на востоке до Техаса. Восток в основном состоит из месторождений угля на Среднем Западе и в Аппалачах, от Огайо и Пенсильвании до Алабамы.

[4] Добыча угля как в физическом, так и в стоимостном выражении увеличилась более чем вдвое за 1949-2011 гг. По данным EIA, цена на уголь на шахте составляла 36,14 доллара за тонну в 1949 году и 32,56 доллара в 2011 году в постоянных ценах 2005 года с поправкой на инфляцию.

[5] Ричард Л. Ревес и Джек Линке, 9 лет0138 Борьба за воздух: электростанции и «война с углем»  (Oxford University Press, Нью-Йорк, 2016 г.).

[6] Недавний анализ местных последствий гидроразрыва пласта представлен Бартиком, Карри, Гринстоуном и Книттелем, «Местные экономические и социальные последствия гидроразрыва пласта», Рабочий документ w23060, Национальное бюро экономических исследований, Кембридж, Массачусетс ( 2017).

[7] Цена на нефть представляет собой спотовую цену на нефть марки West Texas Intermediate; газ, также по спотовой цене, — это Henry Hub; уголь – средняя цена угля, поставляемого электроэнергетике.

Посмотреть этот аналитический обзор

Факты об угле

Уголь – это материал органического происхождения. Он образуется из остатков разложившегося растительного материала, спрессованного в твердое вещество в результате миллионов лет химических изменений под давлением и теплом. Его богатое содержание углерода дает углю большую часть его энергетического содержания. При сжигании угля в присутствии воздуха или кислорода выделяется тепловая энергия.

Затем эта энергия может быть преобразована в другие формы полезной энергии. Основными сферами применения угля являются теплоэнергетика (например, производство электроэнергии) и металлургия (например, коксующийся или сталелитейный уголь).

Ключевые факты

• Основное использование угля — производство электроэнергии
• Уголь также является ключевым ингредиентом в производстве стали и цемента
• Добыча угля в Канаде в 2019 году составила 57 миллионов тонн
• Канада экспортировала 37 миллионов тонн угля и импортировала 8 миллионов тонн в 2019 году
• Канада занимает четвертое место в мире по экспорту металлургического угля после Австралии, США и России
• Альберта и Британская Колумбия добывают 83% угля Канады.
• В 2018 году правительство Канады объявило об окончательных правилах поэтапного отказа от традиционной угольной электроэнергии к 2030 году.

Узнайте больше о уле

Угольная промышленность

Международный контекст

Торговля

Использует

Канадский производство

Цены

Угольная промышленность

В 2017 году, уголь, составил 27% мирового энергоснабжения. В Канаде во многих частях страны в изобилии имеется недорогой отечественный уголь, в то время как другие регионы имеют легкий доступ к международным поставкам.

Угольная промышленность Канады производит уголь для использования в металлургии (например, при коксовании или производстве стали) и в тепле (например, для производства электроэнергии).

Почти половина добываемого в Канаде угля приходится на энергетический сектор, а половина на металлургический. Некоторые энергогенерирующие компании не только используют уголь для производства электроэнергии, но также владеют угольными шахтами или сами занимаются добычей угля. Другие компании вырабатывают электроэнергию из покупного угля.

Международный контекст

Мировая добыча угля в 2019 году оценивается в 7,9 млрд тонн, что на 116 млн тонн больше, чем в 2018 году. На 5 ведущих стран-производителей приходилось 79% мировой добычи угля.

Мировая добыча угля, 2010–2019 (p)

Текстовая версия

На этой гистограмме показана годовая добыча угля в мире с 2010 по 2019 год. Добыча в 2010 году составила 7,2 миллиарда тонн. Затем он вырос, достигнув пика в 2013 году на уровне 7,9 млрд тонн. Производство в 2019 году составило 7,9 млрд тонн.

Узнайте, какое место канадский уголь занимает в международной шкале:

Мировая добыча

Мировой экспорт

Мировой экспорт, 2019 г. (п)

Ранг	Страна/регион	млн тонн	Процент от общего числа
1	Индонезия	455	32%
2	Австралия	393	27%
3	Россия	217	15%
4	США	84	6%
5	Южная Африка	81	6%
7	Канада	36	3%
—	Другие страны	170	12%
—	Итого	1 436	100%

Мировой импорт

Мировой импорт, 2019 г. (п)

Ранг	Страна/регион	млн тонн	Процент от общего числа
1	Китай	298	21%
2	Индия	247	17%
3	Япония	185	13%
4	Южная Корея	130	9%
5	Тайвань	67	5%
—	Другие страны	495	35%
—	Итого	1 424	100%

Мировые доказанные запасы

Торговля

Канадский импорт угля имеет тенденцию к снижению уже более десяти лет, в то время как экспорт остается стабильным. Канада экспортирует около половины своей продукции. Большая часть экспорта угля Канады идет в Азию, которая по-прежнему является значительным потребителем.

Торговля углем Канады, 2005–2019 гг.

Текстовая версия

С 2005 по 2013 г. экспорт угля увеличился с 28 млн тонн до почти 40 млн тонн, а затем стабилизировался примерно до 30 млн тонн в период с 2015 по 2017 год. Импорт угля сократился с 21 млн тонн в 2005 г. до 7,6 млн тонн в 2018 г.

В 2019 году Канада экспортировала 36,5 млн тонн угля по всему миру и импортировала почти 8 млн тонн угля, в основном из США. Экспорт в Соединенные Штаты составил 2% канадского экспорта угля и 12% от общего объема импорта угля США.

Экспорт Канады состоит в основном из металлургического угля (95% в 2019 г.).

Канадский экспорт и импорт угля (2019 г.)

Текстовая версия

В 2019 г. канадский экспорт угля оценивался в 7,1 млрд долларов. Основными направлениями этого экспорта были Южная Корея (25%), Япония (23%), Индия (14%) и Китай (13%). Примерно два процента экспорта угля Канады приходится на Соединенные Штаты, что составляет 12% импорта угля в США. Что касается канадского импорта угля, то 73% приходится на США. Почти половина всего импорта используется для производства стали, остальное – для производства электроэнергии.

Использование

Уголь используется для производства электроэнергии, производства стали и цемента, а также в различных промышленных и жилых целях. В 2019 году в Канаде было добыто 57 миллионов тонн угля, из которых 53 % приходится на металлургический уголь, используемый для производства стали, и 47 % – энергетический уголь, используемый для производства электроэнергии.

В Канаде 7,4% электроэнергии производится с использованием угля. В 2018 г. было потреблено 26 млн т электроэнергии, что на 49% меньше, чем в 2008 г. (50,7 млн ​​т). продолжают использоваться в металлургических процессах.

Мировой спрос на уголь по секторам, 2019 г. (стр.)

Текстовая версия

На этой круговой диаграмме показаны основные мировые источники спроса на уголь в процентах в 2019 г. Наибольшая доля угля использовалась для производства электроэнергии и отопления (67%), затем следуют черная металлургия (12%), жилищное, коммерческое и коммунальное обслуживание (3%) и другие сектора (18%).

Производство угля в Канаде

Производство угля в Канаде за последнее десятилетие имело тенденцию к снижению и в 2019 году составило 57 млн ​​тонн.

Добыча угля в Канаде, 2009–2019 гг.

Текстовая версия

На этой гистограмме показана годовая добыча угля в шахтах Канады с 2009 по 2019 гг. Производство в 2019 году осталось на уровне 2018 года и составило 57 млн ​​тонн.

Добыча угля

по провинциям, 2019 г.

Текстовая версия

В 2019 г. в Канаде было добыто 57 мегатонн угля. Добыча по провинциям представлена ​​следующим образом: Британская Колумбия 48%, Альберта 35%, Саскачеван 16% и Новая Шотландия 1%.

Электростанции, работающие на угле

^{Сноска *} по провинциям, 2019 г.

Текстовая версия

В 2019 году в Канаде мощность электростанций, работающих на угле, составила 8 801 МВт (без учета временно отключенных мощностей). Альберта имеет наибольшую долю угольных генерирующих мощностей — 65%, за ней следуют Саскачеван (17%) и Новая Шотландия (12%).

Уголь, используемый для производства электроэнергии

Текстовая версия

В 2018 г. было потреблено 26 млн т электроэнергии, что на 49% меньше по сравнению с 50,7 млн ​​т в 2008 г.

Цены

После пика в 2011 году мировые цены на металлургический уголь начали снижаться до конца 2016 года, когда в конце ноября они достигли своего пика на уровне 273 долларов США. С тех пор цены снижались и в 2019 году выровнялись в среднем на уровне 175 долларов США за тонну. В мировых ценах на энергетический уголь наблюдалась аналогичная тенденция.

Австралия, Колумбия и Южная Африка признаны во всем мире тремя терминальными рынками, определяющими мировые цены на энергетический уголь. Цены на уголь колеблются в зависимости от мировых экономических условий, а недавнее повышение цен произошло в связи с временными перебоями в работе шахт в Австралии и сокращением производства на шахтах в Китае.

Мировые цены на уголь, 2009–2019 гг.

Текстовая версия

На этом графике представлены ежемесячные цены на уголь (долл. США) с 2009 по 2019 г.

Узнайте больше о полезных ископаемых и металлах

Примечания и источники

Цифры могут не складываться в итоги из-за округления.

(р) предварительный

Международный контекст

• Мировое производство и торговля: Международное энергетическое агентство (Информация об угле и мировые энергетические балансы)
• Мировые доказанные запасы: Мировой энергетический совет (статистический обзор мировой энергетики ВР)

Торговля

• Импорт и экспорт Канады: База данных международной торговли товарами Статистического управления Канады
• Импорт США : Управление энергетической информации США

Использование

• Мировой спрос на уголь по секторам: Международное энергетическое агентство

Канадское производство

• Уголь по провинциям: Составлено Управлением природных ресурсов Канады на основе отчетов провинций и компаний (2018 и 2019 годы).