Уголь — это полезное ископаемое, которое добывали еще в эпоху первых цивилизаций. Своего ключевого значения он достиг в XVIII веке с началом промышленной революции, дав энергию для массовых индустриальных преобразований. В наши дни все больше стран стремятся отказаться от использования угля, отмечая его негативное воздействие на окружающую среду, однако он все же остается важнейшим топливом для мировой энергетики и промышленности. В этой статье мы поговорим об основных свойствах и видах угля, разберем технологии добычи и оценим значимость этого ископаемого топлива в прошлом, современности и будущем.
Что такое уголь: краткая характеристика
Уголь — это осадочная порода, формирующаяся в пластах, которые называют угольными. Состав разных видов угля представлен органической и неорганической частями. Особенностью первой является высокая доля содержания углерода (C) — важнейшего горючего элемента. Обычно она варьируется от 65 до 97%, но может снижаться до 50%. В органическую часть состава угля, помимо углерода, входят и другие элементы:
- водород (H) — второй по важности горючий элемент, повышающий температуру сгорания;
- кислород (O) — снижает энергоемкость угля, входя в состав негорючих соединений;
- азот и сера (N и S) — нежелательные компоненты, образующие вредные выбросы оксидов азота(NOX) и диоксида серы (SO2).
Неорганическая часть состава угля представлена минералами, которые не только снижают эффективность горения, но и формируют вредные отходы — золу. При сгорании угля в атмосферу в том числе выбрасывается пыль диоксида кремния (SiO2) и оксида алюминия (Al2O3), способствующих развитию хронических заболеваний дыхательных путей.
Происхождение угля
Уголь начал формироваться в далеком геологическом прошлом Земли, охватывающем каменноугольный и пермский периоды, продолжавшиеся 359–252 млн лет назад. В то время нашу планету покрывала густая растительность, состоящая в основном из папоротников и хвощей. В низинах, где преобладала болотистая местность, ил и кислая вода существенно замедляли окисление и разложение отмиравших растений. По мере накопления органики из нее формировались торфяные болота с толстым слоем углеродосодержащих веществ.
Из-за геологических процессов, происходивших в течение миллионов лет, торфяники покрывались слоями осадочных пород. С увеличением глубины в недрах Земли росли температура и давление, благодаря которым торф терял воду (H2O), метан (CH4) и углекислый газ (CO2) и одновременно накапливал углерод. Именно от пиковых значений температуры и давления зависело, какой вид угля мог сформироваться.
Виды угля (антрацит, каменный, бурый)
- Антрацит — уголь высшего сорта, обладающий самой высокой энергоемкостью и содержащий от 86 до 97% углерода. Благодаря минимальному количеству примесей, при сгорании антрацит выделяет меньше дыма и летучих веществ, что также выгодно отличает его от других видов угля. Этот вид часто используют в отопительных системах, металлургии и производстве декоративных украшений.
- Каменный уголь — представляет собой переходную форму между бурым углем и антрацитом и обладает средней энергоемкостью. Обычно каменный уголь содержит около 85% углерода, но иногда доля возрастает до 92%. Отличить его от антрацита можно по матовому оттенку и обилию летучих веществ, которые облегчают воспламенение, но снижают температуру горения. Каменный уголь используют как топливо в теплоэлектроцентралях и как сырье в химической промышленности.
- Бурый уголь — промежуточная порода между торфом и углем чаще всего содержит менее 75% углерода. Это самый легковоспламеняемый, но наименее энергоэффективный вид угля. Бурый уголь плохо пригоден для длительного хранения и транспортировки, а потому чаще всего используется в качестве топлива для ТЭЦ в непосредственной близости от мест добычи.
Характеристики угля: основные физические и химические свойства
В зависимости от вида и марки ископаемого угля его цвет варьируется от глянцево-черного до серого и коричневого. Бурый уголь отличается высокой хрупкостью, тогда как антрацит — это весьма прочный материал, плотность которого достигает 1,7 г/см3, что сравнимо со строительным кирпичом. Бурый уголь обычно имеет рыхлую и волокнистую структуру, каменный — слоистую, а для антрацита характерна однородная кристаллическая структура.
Ключевым химическим свойством угля является теплота, выделяемая при сгорании. Она измеряется в мегаджоулях на килограмм сжигаемого вещества и может составлять от 15 до 37 МДж/кг. По этому показателю даже антрацит заметно уступает нефти, керосину, бензину, дизельному и газовому топливу, но благодаря доступной стоимости на рынке востребованность угля лишь возрастает.
Историческая роль угля
Вероятно, первыми в истории человечества добытчиками угля были древние китайцы. Уже в IV тысячелетии до нашей эры они извлекали его из пластов, выходящих на поверхность в руслах рек, и использовали для изготовления украшений. Открыв горючие свойства угля, в I тысячелетии до нашей эры в Древнем Китае начали строить шахты для добычи и использовать его как топливо в печах для выплавки меди.
Упоминание ископаемого угля содержится в трактате «О камнях», который древнегреческий философ и ученик Аристотеля Теофраст написал около 300 года до нашей эры. Он писал, что из земли добывают полезные ископаемые, которые горят как древесные угли и используются ремесленниками, работающими с металлами. В Римской империи уголь использовали для обогрева бань, военных крепостей и домов состоятельных граждан.
В Средневековье добыча и торговля углем развивалась, но не очень активно, и обеспечивала в основном нужды металлургии. В начале XIV века в Британии поняли, что угольный дым загрязняет воздух и вредит здоровью людей, что привело к массовым волнениям. В результате английский король Эдуард I издал указ, запрещающий использование угля и предписывающий возврат к традиционному древесному топливу. Впрочем, этот указ был отменен всего через несколько десятков лет, а плавильни переместили подальше от жилых районов.
Промышленная революция, начавшая свое распространение во второй половине XVIII века с ряда стран Европы и Северной Америки, а через сто лет постепенно докатившаяся до Японии, стала эпохой расцвета ископаемого угля. На месте мануфактур начали строить фабрики, оборудованные машинами с паровыми двигателями. Тепловая энергия, извлекаемая из угля, кардинально изменила сначала производственную, а затем и транспортную инфраструктуру. Паровозы и пароходы сделали путешествия по миру быстрее и безопаснее.
На стыке XIX и XX веков в развитых странах начали строить угольные электростанции. Поначалу они были небольшими и использовались исключительно для освещения улиц и домов, но уже совсем скоро угольная электроэнергия стала обеспечивать производственные предприятия. Вплоть до начала 1960-х годов на долю угля приходилось более половины всей мировой энергетики, после чего главным ископаемым топливом стала нефть.
Добыча угля
Основные месторождения угля
При оценке глобальных запасов угля международные геологические и горнодобывающие организации считают не его общее количество в земной коре, а лишь те объемы, которые могут быть выгодно извлечены с учетом актуальных экономических факторов. В общей сложности в составе пород заключено порядка 15 трлн тонн угля, однако человечеству в современных реалиях доступен всего лишь 1 трлн. Примерно две трети угля содержится в месторождениях на территориях 5 стран (в млрд тонн):
- США — 250,2;
- Россия — 160,3;
- Австралия — 147,4;
- Китай — 138,8;
- Индия — 101,4.
Технологии добычи угля
Если угольные месторождения залегают не глубже 100, а в редких отдельных случаях и 500 метров, специалисты прибегают к отрытому способу добычи, то есть разрабатывают карьеры или, как их еще называют, угольные разрезы. Чтобы получить доступ к пластам, как правило, проводят взрывные работы, отделяя пустые породы, а затем уголь начинают извлекать с помощью бурения.
Одна из серьезных проблем во время добычи заключается в том, что в угольных пластах, особенно в антрацитах, скапливается взрывоопасный метан. Для обеспечения безопасности работников пользуются методом гидроразрыва. Внутрь пластов закачивают воду, смешанную с песком и химикатами, что приводит к образованию трещин. Затем потоки газа отводят на безопасное расстояние или, если это экономически выгодно, направляют в трубопроводы.
Однако большинство угольных пластов залегают слишком глубоко, поэтому их извлекают подземным, или шахтным, способом. В процессе подготовки строятся вертикальные или наклонные шахтные стволы, предназначенные для спуска людей и оборудования, а также подъема полезного ископаемого по конвейеру. Для доступа к пластам прокладывают штреки и уклоны — горизонтальные и наклонные выработки, оборудованные системами вентиляции. Извлечение угля проводят 2 основными способами:
- механизированной отбойкой — комбайны постепенно срезают пласты;
- гидравлической отбойкой — мощная струя воды не только отделяет уголь, но и дробит его на небольшие куски.
Подготовка угля
Добытый в шахте или разрезе уголь является сырым материалом, содержащим самые разные примеси. Поэтому после извлечения его грузят в карьерные самосвалы и отправляют на горно-обогатительные фабрики с целью получить качественный готовый к продаже продукт. Процесс подготовки ископаемого угля включает следующие основные этапы:
- Сортировка. Угольную массу необходимо разделить на фракции, отличающиеся друг от друга по размеру. Например, крупные фракции предназначаются для промышленных котлов, а более мелкие — для небольших топок. Для сортировки часто используют грохочение, при котором уголь просеивают через многоуровневые сита с разным размером ячеек.
- Обогащение. Чтобы снизить долю примесей и одновременно повысить содержание углерода, используют метод флотации. Для этого на уголь воздействуют пульпой — смесью воды с пенообразователями и гидрофобными реагентами. Частицы угля прилипают к образующимся пузырькам и всплывают на поверхность вместе с пеной.
- Сушка. Для выделения угля концентрат направляют в фильтр-прессы — устройства с камерами, обтянутыми фильтрующей тканью, предназначенные для быстрого разделения твердых и жидких материалов. Если после фильтр-прессов уголь все еще остается сырым, его помещают в сушильные барабаны и подают в них горячий воздух с дымовыми газами, ускоряющими забор влаги.
- Обработка. Этот этап является опциональным и зависит от предназначения готового материала. Например, бурый или каменный уголь могут покрывать маслами для снижения риска самовозгорания, увлажнения и образования пыли. Для сохранности антрацита в зимнее время к нему добавляют древесные опилки и соли, препятствующие смерзанию фракций.
Транспортировка и хранение угля
Затраты на логистику могут составлять от 25 до 55% конечной стоимости угля. Выбор способа транспортировки зависит от множества факторов, в том числе расстояния, маршрутов, объемов добычи, инфраструктурных и географических особенностей. Железнодорожный транспорт используют для транспортировки больших объемов угля на средние и дальние расстояния, а океанические баржи позволяют отправлять его на другие континенты. Тяжелая автомобильная техника — это наименее эффективный и самый дорогой способ транспортировки, который используют для доставки неподготовленного угля на обогатительные фабрики.
К хранению угля предъявляют множество самых разных требований, так как ошибки приводят к экономическим потерям из-за снижения качества продукта и наносят серьезный ущерб окружающей среде. Большие партии угля проблематично хранить в помещениях, поэтому для них готовят открытые площадки. В процессе подготовки необходимо выровнять местность, удалить растительность и мусор, а также создать дренажную систему для отвода дождевых и талых вод. Для защиты от влаги штабеля угля покрывают шлако-глиняными или полимерными эластичными составами, а при кратковременном хранении, как правило, обходятся брезентом.
Использование угля
По оценкам Международного энергетического агентства, в 2022 году 68% добытого угля было использовано для производства электроэнергии. На электростанциях его измельчают и сжигают в печах для нагрева котлов с водой. Водяной пар запускает вращение турбин, которые в свою очередь приводят в движение роторы генераторов, создающих электрический ток. Недостатком угольных электростанций является низкий КПД — около 40%. Для непрерывной работы 100-ваттной лампы накаливания в течение года требуется сжечь 325 килограммов угля.
Вторым ключевым потребителем угля является металлургия. Уголь с высоким содержанием углерода используют для производства кокса — основного вида топлива в доменных печах. Металлургический уголь обжигают при температуре около 1 000 °C, чтобы освободить его от летучих компонентов. Кокс не только поддерживает высокую температуру в печи, но и выполняет функцию восстановителя. Например, он забирает кислород у оксидов железа в процессе их преобразования в чугун.
Примерно 2% добываемого угля находит применение в химической промышленности. В процессе коксования образуются каменноугольные смолы, которые включают в состав лакокрасочных и полимерных материалов, а также удобрений. И конечно, нельзя не упомянуть о таком всем известном с детства препарате, как активированный уголь. При его производстве тщательно очищенный уголь подвергают воздействию горячего пара, в результате чего он приобретает пористую структуру и способность поглощать вредные вещества.
Уголь в мировой экономике
Лидером по добыче и потреблению угля является Китай, использующий более 4 млрд тонн в год. Эксперты отмечают, что с 2000 по 2024 год доля азиатских стран на угольном рынке выросла с 40 до 80%. Столь серьезный скачок обусловлен массовым строительством угольных электростанций в Индии, Индонезии, Филиппинах и Вьетнаме. Кроме того, на глобальный угольный дисбаланс влияет снижение спроса в странах Европы и Северной Америки, осуществляющих переход на возобновляемые источники энергии.
В России сфера угольного экспорта находится в процессе трансформации после введения санкций. Наша страна активно меняет угольные экспортные маршруты, переориентируя их на азиатские рынки. В период с 2023 по 2024 год ключевым партнером стал Китай, на долю которого пришлось более 40% всего экспорта. Внутреннее потребление угля в России составляет около 170 млн тонн, тогда как на экспорт идет 200 млн тонн.
Будущее угля
Будущее ископаемого угля неочевидно и является предметом дискуссий. Угольная промышленность подвергается жесткой критике из-за ущерба здоровью шахтеров и негативного воздействия на окружающую среду. Кроме того, уголь испытывает все более серьезную конкуренцию с другими полезными ископаемыми. Например, дешевеющий сланцевый газ снижает экономическую выгоду от разработки угольных месторождений. Также снижается стоимость солнечных панелей и ветряных турбин. Во многом будущее угля зависит от того, насколько быстро Китай и развивающиеся страны Азии будут переходить на возобновляемую энергию.
При этом компании, связанные с угольной отраслью, стремятся снизить уровень загрязнения, внедряя инновационные технологии. Многоэтапные технологии очистки позволяют удалять значительную часть диоксида серы из выхлопных газов на электростанциях, а химическая обработка — преобразовывать опасные оксиды азота в молекулярный азот, составляющий бо́льшую часть земной атмосферы, и воду. От скорости развития и распространения подобных технологий также зависит уровень спроса на уголь в ближайшем и отдаленном будущем.
Уголь в вопросах и ответах
Какие современные технологии добычи угля наиболее эффективны и безопасны?
Для повышения эффективности и безопасности добычи разрабатывают роботизированную и беспилотную технику и автономные системы экологического менеджмента, а также привлекают искусственный интеллект для проектирования шахт и разрезов.
Почему уголь остается главным энергоресурсом для развивающихся стран?
Уголь — это недорогой и сравнительно легко извлекаемый ресурс, для которого подготовлена обширная инфраструктура и логистические цепочки, поэтому его популярность в развивающихся странах остается стабильно высокой.
Как технологии улавливания CO₂ могут изменить будущее угольной энергетики?
Улавливая углекислый газ при сжигании угля, энергетические компании могут повысить экологичность производства электричества, что благоприятно скажется на восприятии всей сферы. Но кроме этого, необходимо решить проблему выбросов диоксида серы и оксидов азота.
Какие страны полностью откажутся от угля к 2030 году, а какие увеличат потребление?
По актуальным данным, только Германия планирует полный отказ от угля к 2030 году, тогда как остальные страны «Большой семерки» рассчитывают сделать это в 2035 году. Скорее всего, потребление угля увеличат развивающиеся страны Азии и Африки, в которых рост промышленности будет создавать дополнительную нагрузку на энергосистемы.
Может ли уголь стать сырьем для «зеленых» технологий будущего?
В традиционном понимании уголь не может использоваться для «зеленых» технологий, так как его сжигание провоцирует загрязнение атмосферы. Но при условии экологически безопасной добычи уголь вполне может послужить материалом для создания углеродных нановолокон и графеновых структур — важных элементов инновационных «зеленых» технологий.
***
Ископаемый уголь стал главным двигателем прогресса во время промышленной революции и поспособствовал развитию энергетического сектора во всем мире. Сегодня этот ресурс оказался на перепутье. С одной стороны, уголь остается фундаментальным ресурсом для электростанций и металлургических предприятий, а с другой — его активное использование противоречит тренду на снижение углеродного следа. Вероятно, эпоха угля как основного топлива цивилизации подходит к концу, однако будущее отрасли будет зависеть от ее способности адаптироваться к новым реалиям.
Автор текста Иван Стефанов
Изображение на обложке: Freepik
