Структура угля: Состав каменного угля – подробное описание характеристик и свойств

Состав каменного угля – подробное описание характеристик и свойств

Каменный уголь – это продукт сложного метаморфизма растительных остатков торфяных болот. Под давлением горных пород, при высокой температуре и без доступа кислорода они превращаются в бурый уголь. Затем они еще больше разлагаются, теряют воду и твердеют. Конечными продуктами метаморфизма являются антрацит, графит и тальк.

Состав полезного ископаемого частично определяется еще на стадии формирования торфяника. Он зависит от видов растений, особенностей воды и грунта. Качество и соотношение компонентов меняется в процессе метаморфизма.

Компоненты каменного угля условно можно разделить на 3 группы:

  • Простые химические элементы
  • Сложные органические соединения (петрографический состав)
  • Минеральные примеси

Описание каждой группы вы найдете в продолжении статьи.

Простые химические элементы

Практически все химические элементы в угле находятся в связанном виде. Они входят в состав органических и неорганических соединений.

Наибольшее практическое значение имеют:

  • Углерод (С): 75-92%
    Углерод является основным элементом органических соединений. От его количества зависит теплота сгорания угля. Он входит в состав органической части материала. Содержание элемента повышается в процессе метаморфизма. Больше всего углерода в антраците (до 97%), меньше – в буром угле (60-70%).
  • Водород (H): 2,5-5,7%
    Теплота сгорания водорода в 4 раза выше, чем у углерода. Но в чистом виде этот элемент становится взрывоопасным. Количество вещества снижается в зависимости от степени метаморфизма. У бурого и каменного углей оно выше, чем у антрацита. Много водорода в сапропелитах – разновидностях угля, образованного из низших видов растений.
  • Кислород (O): 1,5-15%
    Количество кислорода снижается в процессе метаморфизма. В торфе этот элемент составляет около 40%, в буром угле 10-30%, в антраците – 1-2%. При высоком содержании кислорода ускоряются процессы окисления и сгорания материала.
  • Азот (N): 1-3%
    Элемент имеет органическое происхождение. Его процентное содержание снижается в процессе генезиса угля.
  • Сера (S): 0-4%
    Сера может попадать в каменный уголь как в процессе разложения растительных остатков, так и из окружающей пласты породы. При сгорании топлива она окисляется и превращается в сернистый газ SO2. При растворении газа в воде образуется серная кислота. Она повреждает стенки котлов. Поэтому количество серы в топливном угле строго регламентируется. Самое вредное соединение серы – сульфид (S2O). Около 70-80% соли переходит в газообразное состояние при нагревании. Выделяются сернистый газ и сероводород, загрязняющие атмосферу.
  • Фосфор (P): до 0,03%
    Фосфор – один из элементов, входящий в состав органических веществ. Его содержание должно регулироваться в коксе. Если фосфор попадает в сталь, качество сплава резко снижается.
  • Хлор (Cl): 0,015-0,15%
    Содержание хлора в углях колеблется от 0,015 до 0,15%. В так называемых «соленых углях» показатель может достигать 1%. Если показатель выше 0,3%, затрудняется сжигание топлива. При окислении и растворении в воде хлор образует соляную кислоту. Она вызывает коррозию металла, повреждение стенок котлов.
  • Мышьяк (As)
    Мышьяк попадает в уголь из грунтовых вод, и лишь незначительная часть имеет органическое происхождение. Этот элемент в высоких концентрациях встречается «пятнами» в некоторых месторождениях. При сжигании топлива он может попадать в золу и воздух. При высоком содержании мышьяк вредит экологии, провоцирует онкологические заболевания.

ГОСТ 32464-2013 регулирует содержание ряда элементов в угле:

  • Сера – до 2,8% (обогащенный), 3% (необогащенный), 4,6% (рядовой)
  • Хлор – до 0,6%
  • Мышьяк – до 0,02%

Петрографический состав угля

Каменный уголь залегает пластами со слоистой структурой. Отдельные слои состоят из твердой органической породы разного строения и происхождения. Принято различать макро- и микрокомпоненты пластов. Они различаются между собой не только составом, но и внешним видом, микроскопической структурой.

Макрокомпоненты каменного угля

Эти компоненты угля залегают пластами, линзами или призмами в толще ископаемой породы. Они образовались из различных видов растений в процессе метаморфизма торфа. Чаще всего изменения проходили в анаэробных условиях (без доступа кислорода).

Макроэлементы не имеют определенной химической структуры. В свое время целлюлоза, лигнин и другие ткани растений прошли процесс гелификации – превращения в желеподобную субстанцию. Затем она затвердела и стала похожей на камень. Под микроскопом в ряде случаев можно заметить окаменевшие споры, клеточные стенки, растительные волокна.

Окаменелые растения или их отпечатки в каменном угле можно обнаружить и без микроскопа. Это не редкость. В некоторых шахтах есть даже свои собственные музеи таких артефактов, а в интернете вовсю торгуют углем с окаменелостями. Например, в 1998 году в угольном пласте штата Иллинойс в Америке был обнаружен целый лес, сохранивший свою изначальную структуру. Площадь его достигает 10 км2, а возраст – 307 миллионов лет. В этом лесу выявлены огромные папоротники, хвощи, остатки рептилий и членистоногих.

Основные макроэлементы угля:

  • Витрен
    Блестящий материал черного цвета, хрупкий, трещиноватый, с раковистым изломом, плотной однородной структуры. Образуется витрен из лигнина и целлюлозы в условиях разложения с ограниченным доступом кислорода. Он проходит процесс гелификации. В молодых углях под микроскопом обнаруживают клеточную структуру, а в более зрелых витрен представляет собой однородную массу. Компонент обладает хорошей спекаемостью, повышает коксирующие свойства угля.
  • Кларен
    Блеск материала слабее, чем у витрена. Состоит кларен из полупрозрачной гелифицированной массы с неоднородной структурой. Он мягкий, с единичными трещинами. Содержание золы в нем 1,2% с незначительным преобладанием оксида алюминия (Al2O3). Образуется кларен из кутикулы и спор. Он залегает мощными пластами, относится к спекающимся материалам. Компонент выполняет роль клея, скрепляет между собой разные части угольной породы.
  • Дюрен
    Это твердый уголь черного цвета с матовым блеском. Структура у него плотная, однородная, текстура и излом зернистые. В состав дюрена входят форменные элементы желтого цвета – пыльца, споры, смоляные тельца. Черный оттенок имеют остатки тела растений. Рассмотреть элементы можно под микроскопом или лупой. Дюрен обладает высокой зольностью, не спекается, с трудом обогащается.
  • Фюзен
    Структура породы волокнистая, рыхлая, напоминает древесный уголь. Под лупой или микроскопом четко просматриваются клетки и растительные волокна, иногда годовые кольца. Внутренняя часть волокон бывает заполнена минералами – кальцитом или пиритом. Фюзен образуется из остатков древесины, которые разлагались в присутствии кислорода. В пластах он залегает в форме линз или призм. Материал не спекается, обладает высокой зольностью, незначительным выходом летучих веществ при сжигании.

Соотношение макроэлементов в каменном угле влияет на его качество и способы применения. Для топлива и производства кокса лучше подойдет порода, содержащая витрен и кларен. Дюрен и фюзен чаще используют для получения смолистых веществ, дегтя, генерации газа.

Микрокомпоненты каменного угля

Микрокомпоненты углей, или мацералы – это мельчайшие органические частички, которые можно разглядеть только под микроскопом. Как и макрокомпоненты, они не имеют определенной химической структуры. В состав входят циклические ароматические углероды в разных соотношениях. Классификация основывается на генезисе веществ из растительных остатков, их твердости, блеске, отражении света и других физических свойствах.

По количеству и соотношению микрокомпонентов угля определяют его марку, особенности метаморфизма пластов. Это влияет на способы применения ископаемого и его характеристики.

Различают несколько групп мацералов:

  • Витриниты
  • Семивитриниты
  • Липтиниты
  • Инертиниты

Каждая группа включает еще несколько разновидностей микрокомпонентов. Детальнее о них мы расскажем дальше.

Витриниты

Это группа химических веществ, образовавшаяся из лигнина и целлюлозы. Они твердые, с гладкой блестящей поверхностью, содержат ароматические соединения с циклической структурой. Цвет колеблется от черного и темно-серого до почти прозрачного, в зависимости от степени метаморфизма.

Витриниты потеряли во время генезиса значительную часть водорода и кислорода, в их составе значительно преобладает углерод. При нагревании они плавятся, выделяют среднее или низкое количество летучих веществ.

Группа включает:

  • Телинит
    Материал состоит из стенок древесных клеток, которые четко визуализируются под микроскопом. Его много в битумизированном угле; в зрелых ископаемых количество снижается.
  • Коллинит
    Основное цементирующее вещество витрена.
  • Витродентринит
    Образуется из обломков телинита и коллинита с диаметром около 10 мкм.

Витриниты являются одними из самых распространенных и важнейших органических составляющих каменного угля. Цвет и рельеф этих мацералов используют как эталон для определения других групп. Они наименее зольные, а также хрупкие и плотные (1300-1400 кг/м3). Уголь с высоким содержанием витринитов – ценное топливо и материал для производства кокса.

Семивитриниты

Эта группа микрокомпонентов образуется из целлюлозы и лигнина, с примесью древесных остатков (фюзена). Поверхность семивитринитов гладкая, цвет серый (всегда светлее, чем у витринитов). При нагревании вещества размягчаются, но не становятся пластичными.

В группу семивитринитов входят:

  • Семителинит
  • Семиколлинит

По физическим характеристикам семивитринит занимает промежуточное положение между витринитом и инертинитом. Его присутствие говорит о низком или среднем метаморфизме угля. В таком ископаемом обычно меньше углерода, больше кислорода и водорода. При высоком содержании веществ снижается теплота сгорания, повышается способность к окислению. Но обычно в каменном угле количество семивитринитов не превышает 1-3%, что не влияет на качество материала.

Липтиниты

Группа липтинитов, или экзинитов образовалась из липидов растений. Цвет зависит от происхождения и степени углефикации, бывает темно-коричневым, черным и серым. Структура липтинитов практически не изменяется во время превращения торфа в бурый и каменный угли. Они не поддаются гумификации и гелификации. Поэтому под микроскопом хорошо видны частички растений – споры, пыльца, кутикула, воск.

В группу входят 6 органических веществ:

  • Споринит
    В структуре преобладают споры растений. Это прочный материал, который связывает между собой элементы дюрена.
  • Кутинит
    Образуется из окаменевшей кутикулы растений. Он прочный, содержит большое количество водорода. При сжигании выделяется много летучих веществ.
  • Резинит
    Он образовался из древесной смолы и воска, рассеян в толще породы или залегает слоями. Резинит содержит много водорода. Он может растворяться в спирте, бензоле. Из него можно получать смолу и битум.
  • Суберинит
    Это компонент желтого цвета, образовавшийся из корковой ткани. Встречается он в виде корок, обволакивающих основной пласт породы.
  • Альгинит
    Происходит альгинит от низших растений, водорослей, простейших и бактерий, богатых липидами. Он входит в состав только особого типа углей – сапропелитов. Они образовались на дне пресных и соленых водоемов. Вещество очень твердое, богато водородом, имеет черный цвет.
  • Липтодетринит
    Образовался из мелких разрушенных частиц (детрита) растений. Является смесью всех описанных выше компонентов.

Плотность липтинитов относительно низкая, 1200-1300 кг/м3. При сжигании они выделяют много летучих веществ. Из этой группы мацералов получается качественный кокс.

Инертиниты

Образуются из растительных остатков (чаще древесины), которые разлагались в присутствии кислорода. Инертиниты залегают мощными пластами на местах старых высушенных болот. Они обладают матовым блеском, в структуре просматриваются целлюлозные волокна, сохраняется рисунок древесины. Цвет веществ светлый, от желтого до белого.

Содержание углерода в инертинитах высокое, а водорода – сниженное. При сгорании они выделяют очень мало летучих веществ, не спекаются. В их состав входит большое количество ароматических углеводов. Плотность у этого вида мацералов высокая, 1400-1500 кг/м3.

Группа инертинита включает 6 веществ:

  • Фюзинит
    Он характеризуется сохраненной клеточной структурой, ячеистым строением. Внутренние полости клеток могут заполняться органическими и минеральными веществами. Фюзинит занимает первое место по содержанию углерода среди всех компонентов угля.
  • Микринит
    Он образовался из смолянистых деревьев, в больших объемах встречается в угле палеозойской эры, длиннопламенных разновидностях. Микринит рассеян в пластах в виде микроскопических зерен, может заполнять пустоты между стенками растительных клеток. Со временем он превращается в вещество, мало отличимое от витринита.
  • Макринит
    В угле встречается редко. Он представляет собой аморфную массу, которая склеивает другие компоненты.
  • Склеротинит
    Он образовался из остатков грибов. Склеротинит имеет форму овальных тельцев с четкими очертаниями и пористой структурой. Размеры включений – от 10 мкм до 80 мкм. Встречается склеротинит в каменном угле пермского периода.
  • Семифюзинит
    Он состоит из остатков древесины с частично сохраненной клеточной структурой и по своим характеристикам занимает промежуточное положение между витринитами и инертинитами.
  • Инертодетринит
    Это смесь обломков всех мацералов группы инертинита с размерами до 20 мкм.

Микрокомпоненты составляют основную массу каменного угля. В процессе метаморфизма они постепенно разлагаются, теряют свою структуру и превращаются в чистый кристаллический углерод. Другие элементы переходят в минеральную часть угольного пласта. О ней мы и поговорим дальше.

Минеральные примеси

Минеральная часть каменного угля представлена оксидами, солями и другими неорганическими соединениями. При сжигании из нее образуется зола. Количество примесей влияет на энергетическую ценность топлива. При высоком содержании некоторых элементов стенки котлов могут быстрее поддаваться эрозии, а золоулавливающие устройства – быстро загрязняться.

Минеральный состав угля различается в разных месторождениях и даже в пластах. Неорганические соединения попадают в породу разными путями – непосредственно при разложении растений, из болотных и грунтовых вод, окружающей породы.

В связи с этим минералы разделяют по происхождению:

  • Терригенные
    В эту группу входят обломки породы, которые привносятся в сформировавшиеся пласты угля грунтовыми водами (глина, песок, валуны, галька, полевой штат, биотит, мусковит, апатит, хлорит, магнетит, рутил и другие). Элементы в основном проникают через трещины, реже впитываются порами угля. Терригенные элементы могут попадать в каменный уголь при тектонических сдвигах, после взрывов при разработке месторождений.
  • Аутогенные
    Эти минеральные элементы попадают в породу на стадии ее формирования. К ним относятся неорганические вещества, образовавшиеся вследствие глубокого распада растений еще в торфяниках. Соли и оксиды выпадают из болотных и грунтовых вод, впитываются торфом и бурым углем. В процессе метаморфизма в угольные пласты могут попадать соли из геотермальных растворов. Часть породы проходит более существенные преобразования, превращается в тальк и графит.

Аутогенные минеральные вещества представлены каолинитом, иллитом, кварцем, кальцитом, гипсом, карбонатами, сульфидами. Среди них часто встречаются соли элементов, входящих в состав растительных ферментов (кобальта, марганца, магния, молибдена, алюминия, железа).

Терригенные микроэлементы не связаны прочно с породой. Они отделяются во время обогащения угля. Аутогенные отделить невозможно, поэтому на их количество и состав обращают особое внимание.

Около 70-80% всех неорганических веществ каменного угля составляют глинистые минералы. Главными элементами являются кварц, кальций, алюминий, железо, магний, натрий и калий. При сжигании глинистые минералы теряют воду, превращаются в силикаты и оксиды.

Кальцит и доломит при нагревании реагируют между собой и образуют гипс. Нежелательная примесь в угле – пирит. Он распадается на оксиды железа и серы. Затем сернистый газ растворяется в воде, превращаясь в серную кислоту, разъедающую стенки котлов.

В угле иногда присутствуют редкие металлы (золото, германий, уран, молибден, бериллий). При высоком их содержании материал подвергают дополнительной обработке, чтобы извлечь из него ценное сырье. Попадаются в угле и вредные элементы, которые могут повреждать стенки котлов, сделать породу непригодной для производства кокса. К ним относятся сера, фосфор, хлор, фтор, мышьяк, ртуть. Некоторые токсичные элементы наносят вред экологии.

От состава каменного угля во многом зависят свойства и возможности применения материала. Он положен в основу классификации и разделения угля на марки. Данные о некоторых элементах (сере, хлоре, мышьяке) должны быть прописаны в сертификатах. При покупке материала обязательно обратите на это внимание.

    КАМЕННЫЙ УГОЛЬ • Большая российская энциклопедия

    КА́МЕННЫЙ У́ГОЛЬ, разновидность углей ископаемых, занимающая промежуточное положение по степени углефикации («метаморфизма») между бурым углем и антрацитом; твёрдое горючее полезное ископаемое. Представляет собой плотную породу чёрного, иногда cepo-чёрного цвета с блестящей или матовой поверхностью. Состоит из горючего органического вещества, влаги и минеральных примесей, образующих при сжигании золу (оксиды кремния, железа и алюминия, редкие и рассеянные элементы – германий, вольфрам, ванадий, титан, а также драгоценные металлы). B органическом веществе содержится (по массе) 75–92% углерода, 2,5–5,7% водорода, 2–10% кислорода, до 1,5% азота, 0,5–4% серы (входит также в состав минеральной части угля, так называемая неорганическая сера). Влажность 1–12%. Содержание минеральных примесей (каолинит, иллит, пирит, сидерит, анкерит, кальцит, кварц и др.) может достигать 40%, при большем их содержании породу называют углистым сланцем. Плотность К. y. зависит от петрографического состава, количественного содержания и характера минеральных примесей, а также степени метаморфизма. Наименьшей плотностью (1280–1300 кг/м3) характеризуются компоненты витринита группы, наибольшей (1300–1500 кг/м3) – группы инертинита (см. Микрокомпоненты углей). Важными технологическими характеристиками К. у. являются: выход летучих веществ 2–45% (смесь газов и паров, выделяющихся в результате разложения органической массы угля при нагревании её до температуры 840–860 °С без доступа воздуха), теплота сгорания в пересчёте на сухое беззольное состояние вещества 30–37 МДж/кг; спекаемость (способность переходить при быстром нагревании без доступа воздуха в связанное пластическое состояние) и коксуемость (способность при медленном нагревании без доступа воздуха давать твёрдый пористый остаток – кокс и побочные продукты – коксовый газ и коксовые масла).

    По генетическому типу органического вещества большинство К. y. относится к гумолитам; сапропелиты и сапрогумолиты значительно меньше распространены и слагают в основной толще К. у. линзы или небольшие прослои.

    По внешним признакам К. y. разделяются на блестящие, полублестящие, полуматовые, матовые. Как правило, блестящие разности угля малозольны вследствие незначительного содержания минеральных примесей. Различают макрокомпоненты углей (см. Литологические типы углей) – витрен, кларен, дюрен, фюзен (пласты могут быть сложены одним из указанных литотипов, но чаще их чередованием, так называемые полосчатые угли) и микрокомпоненты углей (мацералы) – витринит, семивитринит, инертинит, липтинит.

    К. y. образуются из продуктов разложения органических остатков преимущественно высших растений в результате регионального метаморфизма вмещающих их отложений. B условиях повышения давления и температуры при погружении угленосной толщи на глубину происходит последовательная углефикация органической части К. y. – изменение химического состава, физических свойств и молекулярного строения. На конечной (высшей) стадии углефикации К. y. преобразуется в антрацит и графит (с отчётливо выраженной кристаллической структурой). Менее распространены преобразования органической части К. y. от воздействия тепла изверженных пород на вмещающие отложения (термальный метаморфизм), а также при их непосредственном контакте с угольными пластами (контактовый метаморфизм).

    Возрастание степени углефикации в органическом веществе К. y. вызывает последовательное увеличение относительного содержания углерода и уменьшение содержания кислорода и водорода, снижение выхода летучих веществ. Меняются также и физические свойства угля (пористость, плотность, спекаемость, теплота сгорания, упругие свойства и прочие). B качестве оптического критерия степени «метаморфизма» (углефикации) углей используется показатель отражения витринита, который с увеличением степени углефикации последовательно возрастает от 0,5–0,65 до 2–2,5%.

    За основу промышленной классификации К. y. в отдельных странах принимаются различные параметры свойств и состава углей. В России К. у. по комплексу параметров (показателю отражения витринита, сумме витринита и семивитринита – так называемых отощающих компонентов, выходу летучих веществ, степени спекаемости, коксуемости) подразделяются на марки, группы и подгруппы. По мере возрастания степени углефикации различают 6 марок углей (с последовательным увеличением содержания углерода от марки Д к марке T от 76 до 92%, уменьшением выхода летучих веществ c 42 до 7–12%): длиннопламенные (Д), газовые (Г), жирные (Ж), коксовые (К), отощённые спекающиеся (ОС), тощие (Т). В США, например, К. y. классифицируются по теплоте сгорания, содержанию связанного углерода и относительному содержанию летучих веществ, в Японии – по теплоте сгорания, так называемому топливному коэффициенту и крепости кокса или неспособности к коксованию.

    Образование К. y. характерно почти для всех геологических периодов – от девона до неогена (включительно), наиболее широко распространены они в отложениях карбона, перми, юры. Залегают К. y. в форме пластов и линзовидных залежей различной мощности (от долей метра до нескольких десятков и сотен метров) на разных глубинах (от выходов на поверхность до 2500 м и глубже).

    В России К. у., в том числе коксующиеся, содержатся в Кузнецком угольном бассейне, Печорском угольном бассейне, Южно-Якутском угольном бассейне, Иркутском угольном бассейне, Ленском угольном бассейне, Донецком угольном бассейне (в Ростовской области), Минусинском угольном бассейне, Тунгусском угольном бассейне, Зырянском угольном бассейне, а также в Улуг-Хемском, Буреинском, Таймырском, Партизанском, Раздольненском и Кизеловском угольных бассейнах и на ряде угольных месторождений Дальнего Востока.

    Наиболее известные разрабатываемые бассейны К. у. зарубежных стран: Шаньси, Датун (Китай), Аппалачский каменноугольный бассейн, Иллинойсский угольный бассейн (США), Сиднейский угольный бассейн, Боуэн (Австралия), Йоркширский, Ноттингемширский, Нортамберленд-Даремский, Южно-Уэльский угольный бассейн (Великобритания), Дамодарский угольный бассейн (Индия), Нижнерейнско-Вестфальский угольный бассейн (Рурский, Германия), Альберта (Канада), Карагандинский угольный бассейн, Экибастузский угольный бассейн (Казахстан), Витбанк (ЮАР), Донецкий, Львовско-Волынский угольный бассейн (Украина), Верхнесилезский каменноугольный бассейн, Зонгулдакский (Турция), Люблинский (Польша), Остравско-Карвинский угольный бассейн (Чехия).

    Мировые общие запасы каменных углей (87 стран, 2-я половина 2000-х гг.) составляют 3 трлн. т, подтверждённые – 600,1 млрд. т.

    Таблица. Страны с крупными запасами каменных углей (2-я половина 2000-х гг.; в порядке убывания общих запасов, млрд. т)

     Страна Общие запасыПодтверждённые запасы
     Китай858,162,4
     США568,3111,3
     Австралия271,238,6
     Великобритания230,40,2
     Индия196,090,1
     Германия125,60,2
     Россия 125,4 91,5
     Канада 115,4 3,5
     Казахстан 113,0 28,2
     ЮАР83,948,8
     Украина53,642,6
     Польша42,614,0
     Индонезия38,90,7
     Чили30,930,8
     Бразилия27,511,9
     Колумбия21,76,2
     Вьетнам20,00,2
     Ботсвана13,44,3
     КНДР 12,0 0,3
     Чехия 6,2 2,1
     Япония 4,2 0,4
     Венгрия3,20,2
     Иран3,02,0
     Пакистан3,00,7
     Нигерия2,80,02
     Свазиленд2,50,03
     Зимбабве 2,4 0,5
     Венесуэла 2,1 0,5
     Мексика 1,8 0,9
     Монголия 1,5 0,7
     Турция 1,5 0,3
     Перу1,41,0
     Нидерланды1,40,5
     Бангладеш1,30,5
     Румыния1,30,02
     Танзания1,20,2
     Бельгия1,10,4
     Новая Зеландия1,10,03
     Узбекистан 1,0 1,0
     Нигер 0,8 0,07
     Мозамбик 0,7 0,2
     Испания 0,6 0,2
     Малайзия 0,5 0,4
     Киргизия 0,4 0,2
     Аргентина 0,4 0,1

    Главные угледобывающие страны (млрд. т; 2013, если не указан иной год): Китай (3,35), США (0,89), Индия (0,56), Австралия (0,54), Индонезия (0,44), Россия (0,28), ЮАР (0,26), Казахстан (0,11), Колумбия (0,1), Польша (0,077), Канада (0,059), Украина (0,045; 2014), Вьетнам (0,045), Великобритания (0,013), Германия (0,01; 2012). Главные экспортёры – Австралия, Индонезия, Россия, ЮАР, Китай, Колумбия, США, Вьетнам, Канада, Казахстан, Польша, Нидерланды; импортёры – Япония, Республика Корея, Тайвань, Великобритания, Индия, Германия, США, Россия, Италия, Испания, Канада, Нидерланды, Франция.

    Мировые геологические ресурсы К. у. (начало 2010-х гг.) оцениваются в 9,4 трлн. т; в России свыше 3 трлн. т, из них (трлн. т) свыше 1,7 длиннопламенных, а также около 0,5 газовых, 0,2 жирных, 0,35 коксовых, 0,25 отощённых спекающихся, 0,7 тощих. В начале 2010-х гг.  запасы К. у. в России составили 132,34 млрд. т, экспорт 130,4 млн. т, импорт 31,2 млн. т.

    К. y. используются как бытовое и энергетическое топливо, сырьё при производстве кокса и полукокса с получением большого количества химических продуктов (нафталин, фенолы, пек и др. ), на основе которых производят удобрения, пластмассы, синтетические волокна, лаки, краски и т. п. При переработке К. y. получают также активные угли, искусственные графиты и т. д.; в промышленных масштабах извлекается ванадий, германий и сера; разработаны методы получения галлия, молибдена, цинка, свинца. Перспективное направление использования К. y. – гидрирование углей для получения синтетического жидкого топлива, а также газификация углей.

    Уголь | Использование, типы, загрязнение и факты

    битуминозный уголь

    Смотреть все СМИ

    Ключевые люди:
    Э. Ф. Шумахер
    Фридрих Флик
    Уильям Стэнли Джевонс
    Похожие темы:
    добыча угля
    битуминозный уголь
    полубитуминозный уголь
    антрацит
    бурый уголь

    Просмотреть весь связанный контент →

    Сводка

    Прочтите краткий обзор этой темы

    уголь , одно из наиболее важных первичных ископаемых видов топлива, твердый богатый углеродом материал, обычно коричневого или черного цвета, чаще всего встречающийся в слоистых осадочных отложениях.

    Уголь определяется как содержащий более 50 процентов по массе (или 70 процентов по объему) углеродистого вещества, образующегося в результате уплотнения и затвердевания измененных растительных остатков, а именно торфяных отложений. Различные разновидности углей возникают из-за различий в видах растительного материала (тип угля), степени углефикации (марка угля) и диапазоне примесей (марка угля). Хотя большая часть углей залегает в слоистых осадочных отложениях, позднее эти отложения могут подвергаться воздействию повышенных температур и давлений, вызванных магматическими интрузиями или деформациями во время горообразования (т. е. процессов горообразования), что приводит к развитию антрацита и даже графита. Хотя концентрация углерода в земной коре не превышает 0,1 процента по массе, он необходим для жизни и является основным источником энергии человечества.

    В этой статье рассматриваются геологическое происхождение, структура и свойства угля, его использование на протяжении всей истории человечества и современное распространение в мире. Для обсуждения процесса добычи угля см. статью «Добыча угля». Для более полного рассмотрения процессов сжигания угля см. статью «Утилизация угля».

    История использования угля

    В древние времена

    Открытие использования огня помогло отличить людей от других животных. Первым топливом были в основном древесина (и полученный из нее древесный уголь), солома и высушенный навоз. Ссылки на раннее использование угля скудны. Аристотель говорил о «телах, в которых больше земли, чем дыма», и называл их «угольными субстанциями». (Следует отметить, что библейские ссылки на уголь относятся к древесному углю, а не к каменному углю.) Китайцы использовали уголь в коммерческих целях задолго до того, как он стал использоваться в Европе. Хотя достоверных данных нет, уголь из шахты Фушунь на северо-востоке Китая, возможно, использовался для выплавки меди еще в 1000 г. до н.э. Говорят, что камни, используемые в качестве топлива, производились в Китае во времена династии Хань (206 г. до н. э. – 220 г. н. э.).

    Угольный пепел, найденный среди римских руин в Англии, свидетельствует о том, что римляне знали об использовании угля до 400 г. н.э. Первое документальное доказательство того, что уголь добывали в Европе, предоставил монах Рейньер из Льежа, который писал (около 1200 г.) о черной земле, очень похожей на древесный уголь, используемый мастерами по металлу. Многие упоминания о добыче угля в Англии и Шотландии, а также на европейском континенте стали появляться в трудах 13 века. Однако уголь использовался только в ограниченных масштабах до начала 18 века, когда Авраам Дарби из Англии и другие разработали методы использования в доменных печах и горнах кокса, сделанного из угля. Последовательные металлургические и инженерные разработки, в первую очередь изобретение Джеймсом Уаттом паровой машины, работающей на угле, породили почти ненасытный спрос на уголь.

    В Новом Свете

    До американской революции большая часть угля, используемого в американских колониях, поступала из Англии или Новой Шотландии. Однако нехватка военного времени и потребности производителей боеприпасов стимулировали небольшие американские угледобывающие предприятия, такие как в Вирджинии на реке Джеймс недалеко от Ричмонда. К началу 1830-х горнодобывающие компании появились вдоль рек Огайо, Иллинойс и Миссисипи, а также в районе Аппалачей. Как и в европейских странах, введение паровоза дало колоссальный импульс американской угольной промышленности. Продолжающееся расширение промышленной деятельности в США и Европе способствовало дальнейшему использованию угля.

    Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
    Подпишитесь сейчас

    Современное использование

    Уголь как источник энергии

    Уголь является богатым природным ресурсом, который можно использовать в качестве источника энергии, в качестве химического источника, из которого получают многочисленные синтетические соединения (например, красители, масла, воски, фармацевтические препараты). , и пестициды) могут быть получены и при производстве кокса для металлургических процессов. Уголь является основным источником энергии при производстве электроэнергии с использованием пара. Кроме того, при газификации и сжижении угля получают газообразное и жидкое топливо, которое можно легко транспортировать (например, по трубопроводу) и удобно хранить в резервуарах. После колоссального роста использования угля в начале 2000-х годов, который в основном был обусловлен ростом экономики Китая, мировое потребление угля достигло своего пика в 2012 году. С тех пор потребление угля неуклонно снижалось, что в значительной степени компенсировалось увеличением потребления природного газа.

    Конверсия

    В общем, уголь можно рассматривать как углеводород с дефицитом водорода с отношением водорода к углероду около 0,8 по сравнению с отношением жидких углеводородов около 2 (для пропана, этана, бутана и других форм природного газа). газ) и отношение газообразных углеводородов около 4 (для бензина). По этой причине любой процесс, используемый для преобразования угля в альтернативное топливо, должен включать водород (либо напрямую, либо в виде воды).

    Газификация относится к преобразованию угля в смесь газов, включая монооксид углерода, водород, метан и другие углеводороды, в зависимости от соответствующих условий. Газификация может осуществляться либо на месте, либо на перерабатывающих предприятиях. Газификация на месте осуществляется путем контролируемого неполного сжигания угольного пласта под землей с добавлением воздуха и пара. Газы удаляются и могут сжигаться для производства тепла или электроэнергии, или они могут использоваться в качестве синтез-газа при непрямом сжижении или производстве химикатов.

    Сжижение угля, т. е. любой процесс превращения угля в жидкие продукты, напоминающие сырую нефть, может быть прямым или непрямым (т. е. с использованием газообразных продуктов, полученных при разрушении химической структуры угля). Для сжижения используются четыре основных метода: (1) пиролиз и гидрокарбонатизация (уголь нагревают в отсутствие воздуха или в токе водорода), (2) экстракция растворителем (угольные углеводороды выборочно растворяются и добавляется водород для получения желаемого продукта). жидкости), 3) каталитическое сжижение (гидрирование происходит в присутствии катализатора, например хлорида цинка) и 4) непрямое сжижение (монооксид углерода и водород объединяют в присутствии катализатора).

    Угольная структура | SpringerLink

    1. ван Кревелен, Д.В. «Типология угля-химия-физика-конституция». Эльзевир, Амстердам, 1961 г.

      Google ученый

    2. Нивел, Р.К. в «Структура угля» под ред. (Горбати, М.Л. и Оучи, К.), Серия достижений в области химии (192), ACS, Вашингтон, 1981, стр. 1.

      Перекрёстная ссылка

      Google ученый

    3. Майерс, Р.А. в «Структура угля» (ред. Майерс, Р.А.) Academic Press, Нью-Йорк, 1982, 1

      Google ученый

    4. Граймс, В. Р. в «Углеведении». ред. (Горбатый М.Л., Ларсен Дж.В. и Вендер И.), Academic Press, Нью-Йорк, 1982, 1, 28.

      Google ученый

    5. Тинг, Ф.К. в «Структура угля» (ред. Майерс, Р.А.) Academic Press, Нью-Йорк, 1982, с. 8.

      Google ученый

    6. Маковски, М-Т, Microsc Acta. 77, 1975, 114.

      Google ученый

    7. Рентон, Дж.Дж. в «Структура угля» (ред. Майерс, Р.А.) Academic Press, Нью-Йорк, 1982, стр. 283.

      Google ученый

    8. Дженкинс Р.Г. и П.Л. Уокер-младший в «Аналитических методах для угля и угольных продуктов», (Ed. Karr, C. Jr.) Academic Press, Нью-Йорк, 1978, Vol. 2, стр. 265.

      Google ученый

    9. Вонг, Дж., К.Л. Спиро, Д. Х. Майлотт, Ф. В. Литл и Р. Б. Григор. Материалы Международной конференции по угольным наукам, Дюссельдорф, 1981 г., стр. 362.

      Google ученый

    10. Хирш, П.Б. проц. Рой. соц. A226(1954), 143 и в «Рез. конф. по науке об использовании угля», Институт топлива, Лондон, 1958 г., A29–A33.

      Google ученый

    11. Питт, Г.Дж. в «Уголь и современная углепереработка. Введение». (Под редакцией Питта Г.Дж. и Миллуорда Г.Р.) Academic Press, Лондон, 19.79 стр. 27.

      Google ученый

    12. Махаджан, О.П. и П.Л. Уокер-младший в «Аналитических методах для угля и угольных продуктов» (Ed. Karr, C. Jr.) Academic Press, 1978, Vol. 1 стр.125

      Google ученый

    13. Sing, K.W.S., Pure Appl. хим. 54, (1982), 2201.

      CrossRef

      Google ученый

    14. «>

      Хейс, Д., Дж.В. Патрик и А. Уокер, Fuel 55, 1976, 297.

      КАС

      Google ученый

    15. Дэвидсон Р.М. в «Науке об угле» (ред. Горбатый. М.Л. Ларсен, Дж. В. и Вендер, И.) Academic Press, Нью-Йорк, 1982, 1, 83.

      Google ученый

    16. Грейнджер, Л. и Дж. Гибсон, «Утилизация угля: технология, экономика и политика», Грэм и Тротман, Лондон, 1981, с. 28.

      Google ученый

    17. Блом, Л., Л. Эдельхаузен и Д.В. Ван Кревелен, Топливо, 36, 1957, 135.

      CAS

      Google ученый

    18. Кронауер, округ Колумбия и Р.Г. Руберто, Отчет EPRI AF-913, Пало-Альто, Калифорния, 1979 г.

      Google ученый

    19. Лиотта, Р. и Г. Бронс, Дж. Ам. хим. Soc., 103, 1981, 1735.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    20. Аттар, А. и У.Х. Коркоран. Инд.Инж. хим. Произв. Рез. Дев. 16(2), 1977, 168.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    21. Аттар, А. и Г.Г. Хендриксон в «Структуре угля» (ред. Майерс, Р.А.). Academic Press, Нью-Йорк, 1982, стр. 132.

      Google ученый

    22. Снейп, CE, Ph.D. Диссертация, Университет Лидса, 1982 г.

      Google ученый

    23. Хереди Л.А., А.Е. Костио и М.Б. Нойворт, Топливо, 44, 1965, 125.

      CAS

      Google ученый

    24. Хереди, Л.А. и М.Б. Нойворт, Топливо 41, 1962, 221.

      CAS

      Google ученый

    25. «>

      Оучи, К., К. Имута и Ю. Ямасита, Топливо, 44, 1965, 29 и 205.

      CAS

      Google ученый

    26. Оучи, К., Топливо 46, 1967, 319.

      CAS

      Google ученый

    27. Хереди, Л.А. в «Структура угля» Достижения в области химии 192 (Эд. Ларсен Дж.В.) ACS, Вашингтон, 1981, с. 179.

      Перекрестная ссылка

      Google ученый

    28. Хупер Р.Дж. и Д.Г. Эванс, ACS Div. of Fuel Chem., 24, 1979, 131.

      CAS

      Google ученый

    29. Штернберг, Х.В., К.Л. Делле Донн, П. Пантажес, Э.К. Морони и Р.Э. Маркби, Топливо, 50. 1971, 432.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    30. Штернберг, Х.В. и К.Л. Делле Донн, Топливо, 53, 1974, 172.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    31. Игнасиак Б.С. и M. Gawlak, Fuel, 56, 1977, 216.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    32. Вачовска Х., Топливо, 58, 1979, 99.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    33. Stock, LM in «Coal Structure» Eds. (Горбатый, М.Л., Ларсен, Дж.В. и Вендер, И.), Academic Press, Нью-Йорк, 1982, Vol. 1, с. 161.

      Google ученый

    34. Игнасиак, Б.С., Д. Карсон и М. Гавлак, Fuel 58, 1979, 833.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    35. Хаяцу Р., Р.Э. Винанс, Р.Г. Скотт и М.Х. Studier, Fuel, 57, 1978, 541.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    36. «>

      Хаяцу Р., Р.Э. Винанс, Р.Г. Скотт и Р.Л. Макбет, Fuel, 60, 1981, 158.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    37. Хаяцу Р., Р.Г. Скотт, Р.Л. Макбет, Л.Дж. Бэзил, Э.Х. Аппельман и Р.Е. Винанс. Труды междунар. Конференция по угольной науке, Дюссельдорф, 1981, 139.

      Google ученый

    38. Винанс Р.Э., Р. Хаяцу, Р.Л. Макбет, Р.Г. Скотт, Л.Г. Мур и М.Х. Исследователь «Структуры угля» Достижения в области химии 192. (Эд. Ларсен, Дж. В.) ACS Washington 1980, p. 161.

      Перекрестная ссылка

      Google ученый

    39. Дено, Северная Каролина, Б.А. Грейггер и Дж.Г. Страуд, Fuel 57, 1978, 455.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    40. Дено, Северная Каролина, Б.А. Грейггер, А.Д. Джонс, В. Д. Раткицкий, Д.Д. Уайтхерст и Т.О. Митчелл, Топливо, 59, 1980, 701.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    41. Чакрабэтти, С.К. и Х.О. Кречмер, Топливо 53, 1974, 132.

      CrossRef

      Google ученый

    42. Mayo, F.R., Fuel, 54, 1975, 273.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    43. Мейо, Ф.Р. и N.A. Kirschen, Fuel, 58, 1979, 698.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    44. Аксель, Т., М.Л. Горбатый, П.С. Маа и Р. Х. Шлосберг, Fuel 58, (1979), 228.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    45. Оучи, К., Ю. Хирано, М. Макабе и Х. Ито, Fuel 59, 1980, 751.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    46. «>

      Оучи, К. и М. Макабе, Fuel, 58, 1979, 43–47.

      Перекрёстная ссылка

      Google ученый

    47. Фридман С., М.Л. Кауфман, В. А. Штайнер и И. Вендер, Топливо, 40, 1961, 33.

      CAS

      Google ученый

    48. Регель, Л., И. Вендер и Р. Раймонд, Fuel 43, 1964, 229.

      CAS

      Google ученый

    49. Реткофски, Х.Л., в «Науке об угле» (ред. Горбати, М.Л., Ларсен, Дж.В. и Вендер, И.) Academic Press, Нью-Йорк, 1982, том. 1. с. 43.

      Google ученый

    50. Герштейн, Б. К., П. Дюбуа Мерфи и Л. М. Райан в «Структура угля» (ред. Майерс, Р. А.) Academic Press, Нью-Йорк, 1982, с. 87.

      Google ученый

    51. Герштейн, Б.К., Л.М. Райан и П. Д. Мерфи в «Структуре угля» (ред. Горбати, М.Л. и Оучи, К.). Успехи в химии, серия 19.2, ACS, Вашингтон, 1981, с. 13.

      Перекрёстная ссылка

      Google ученый

    52. Пагмайр, Р.Дж., В.Р. Вулфенден, К.Л. Мейн, Дж. Карас и Д.М. Грант, в «Химия и характеристика угольных мацералов», под ред. (Винанс, Р.Э. и Креллинг, Дж.К.), Серия симпозиумов ACS 252, ACS Вашингтон, 1984, с. 79.

      Перекрёстная ссылка

      Google ученый

    53. Хагаман, Э.В. и М.К. Вуди, Топливо 61, 1982, 53.

      Перекрестная ссылка
      КАС

      Google ученый

    54. Kuehn, D.W., A. Davis and P.C. Художник в «Химии и характеристике угольных мацералов», под ред. (Винанс, Р.Э. и Креллинг, Дж.К.), Серия симпозиумов ACS 252, ACS, Вашингтон, 1984, с. 99.

      Перекрёстная ссылка

      Google ученый

    55. «>

      Художник, П.К., Р.В. Снайдер, М. Старсиник, М.М. Коулман, Д.В. Кюн и А. Дэвис, Прикладная спектроскопия, 35, 19.81, 475.

      КАС

      Google ученый

    56. Бартл, К.Д., М.Дж. Маллиган, Н. Тейлор, Т.Г. Martin and CE Snape, Fuel, 63, 1984, 1556.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    57. Бодзек, Д. и А. Марцек, Топливо, 60, 1981, 47.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    58. Давен, П.Х., Топливо, 39, 1960, 147.

      КАС

      Google ученый

    59. Хилл, Г.Р. и Л.Б. Лион, Индиана, инж. Chem., 54, 1962, 37.

      CrossRef

      Google ученый

    60. Ладнер, В.Р., Гибсон, Дж., Дж.Инст.Фьюэл, 51, 1978, 67

      Google ученый

    61. «>

      Wiser, W.H., «Материалы конференции Исследовательского института электроэнергетики по угольному катализу», Пало-Альто, Калифорния 1973, с. 3.

      Google ученый

    62. Соломон, П. Р. в «Новых достижениях в углехимии» (ред. Блауштайн Б. Д., Бократ Б. К. и Фрейдман С.), Серия симпозиумов ACS 169, 1981, с. 61.

      Google ученый

    63. Спиро, К.Л. и П.Г. Коски, Топливо, 61, 1982, 1080.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    64. Шинн Дж. Х., Fuel, 63, 1984, 1187.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    65. Аксель, Т., М.Л. Горбатый, П.С. Маа и Р. Х. Шлосберг, Prepr. Уголь хим. Практикум, 1976, КОНФ-760885, статья 12, с. 165.

      Google ученый

    66. «>

      Чакрабарти, С.К. и Н. Берковиц, Fuel, 53, 1974, 240.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    67. Маржец А., М. Юзва, К. Бетлей и М. Собковяк. Топливный процесс. Технол. 2, 1979, 35.

      КАС

      Google ученый

    68. Гивен, П.Х., в «Науке об угле» (ред., Горбати, М.Л., Ларсен, Дж.В. и Вендер, И.), Academic Press, New York, 3, 1984, 63.

      Google ученый

    69. Грин Т., Дж. Ковач, Д. Бреннер и Дж.В. Ларсен, «Структура угля», (Ред. Майерс, Р.А.) Academic Press, 19.82, с. 199.

      Google ученый

    70. Ларсен, Дж.В. и Дж. Ковач в «Органической химии угля», (под редакцией Ларсена Дж. В.) ACS Symposium Series 71, ACS, Washington, 1978, 36.

      CrossRef

      Google ученый

    71. «>

      Калкинс, В., Ам. хим. Отд. Топливо. хим. Препр. 28 (5), 1983, 85.

      CAS

      Google ученый

    72. Marzec, A. and W. Kisielow, Fuel, 62, 1983, 977.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    73. Флори, П.Дж., «Принципы химии полимеров», Корнельский ун-т. Нажимать. Итака, Нью-Йорк, 1953 г.

      Google ученый

    74. Шелига, Дж. и А. Марцек, Топливо, 62, 1983, 1229.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый

    75. Холл, П. Дж. и Х. Марш, Топливо, (в печати).

      Google ученый

    76. Larsen, J.W., and D. Lee, Fuel, 64, 1985, 981.

      CrossRef
      КАС

      Google ученый