Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Уголь (ископаемый уголь) — осадочная порода, полезное ископаемое, ценнейший вид топлива и сырьё для химической, и не только, промышленности.
Международное название углерода происходит от лат. carb — «уголь».
Ископаемый уголь образовался из спор, частей эпидермия плаунов, папоротников и других древних растений (350—250 млн лет назад) — тощие угли, антрациты, коксующиеся, слабоспекающиеся, газовые, длинноплодные и др. подвиды углей. Затем был безуглистый период; затем сформировались бурые угли, сапропели, торфы под воздействием повышенных температур и без доступа кислорода, а ранее, до безуглистого периода, без наличия микроорганизмов[прояснить], перерабатывающих древесные остатки.
Уголь, после древесины, был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Сжигание одного килограмма этого вида топлива позволяет получить 3400—7200 ккал энергии[1]. В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, к 1970 году его доля упала до одной трети.
Уголь используется при производстве кокса, как материал для рисования, также из каменноугольной смолы получают анилиновые красители[2], фенолы, лекарственные препараты, креозот. Производимый из каменного угля каменноугольный кокс является высококалорийным топливом (практически чистый углерод по составу), пригодным для применения в доменном производстве для выплавки чугуна. Антрацит также используется в металлургии в качестве топлива, обладая большой удельной теплотой сгорания, близкой к каменноугольному коксу.
Содержание
Образование
В разное время и в разных местах в геологическом прошлом Земли существовали растения, части которых постепенно смывались в низины, формируя угленакопления. По мере того, как слой почвы над ними увеличивался, росло давление. Температура также поднималась по мере опускания. В таких условиях растительный материал был защищён от биодеградации и окисления. Поглощённый растениями углерод в огромных торфяниках в конечном итоге был покрыт и глубоко погребён отложениями. Под высоким давлением и высокой температурой мёртвая растительность постепенно преобразуется в уголь. Так как уголь состоит в основном из углерода, водорода и кислорода, процесс преобразования останков растительности в уголь называется карбонизацией. При этом уменьшается количество атомов водорода и кислорода в молекулах угля, возрастает количество углерода.
Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах, где стоячая вода, бедная кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой стадии процесса выделяющиеся кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает сапропель и торф — исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в уголь.
Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода (примерно 400 млн лет назад), накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей оценивается примерно в 300—350 млн лет[3]. Был безуглистый период, когда на около 50 млн лет прекратилось угленакопление.
В широких, неглубоких морях каменноугольного периода существовали идеальные условия для формирования угля, хотя известны угли из большинства геологических периодов. Исключением является угольный пробел в ходе Пермско-Триасового вымирания, где уголь является редкостью. Уголь, встречающийся в докембрийских слоях, которые предшествуют наземным растениям, как предполагается, возник из остатков водорослей.
В результате движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счёт эрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности. Образование относительно небольших угольных пластов иногда связано с областями земной поверхности, на площадь которых происходили разлитие объёмов битумных масс, как, например, в Хат-Крик[англ.] (Канада), суммарная мощность пакета угольных пластов достигает 450 м[4] и более метров.
Виды
Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля — битумные массы и в меньшей степени (не промышленные запасы) из органических остатков растительного происхождения. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа: бурые угли (лигниты), каменные угли, антрациты и графиты. В западных странах имеет место несколько иная классификация — лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.
По происхождению угли делятся на гумусовые (из остатков высших растений: древесины, листьев, стеблей и т. д.) и сапропелитовые угли (из остатков низших растений, главным образом водорослей)[5].
Антрацит
Антрацит — самый глубоко прогревавшийся при своём возникновении из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации, переходная форма от каменного угля к графиту. Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется для производства графитовых электродов и блоков для алюминиевой и др. промышленности. Имеет наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняется. Образуется из самого древнего каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.
Каменный уголь
По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.
Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75 % до 95 %. Содержат до 12 % влаги (3—4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания по сравнению с бурыми углями. Содержит до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняется. Образуется из бурого угля на глубинах порядка трёх километров.
Бурый уголь
Бурый уголь — твёрдый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65—70 % углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырьё. Содержит много воды (43 %), и поэтому имеет низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержит большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка одного километра.
Прочие
По составу и происхождению различают прочие разновидности углей: альгинит, альгогелит, альгоколлинит, аттросеминит, богхед, витрен, витринит, гагат, гелит, гелитит, гелитолит, гумит, гумолит, десмит, дюрен, дюрит, интертинит, кальгинит, кардиф, касьянит, каустобиолит, кеннель, кларен, коллинит, коллоальгинит, коллоальголит, коллосеминит, коллофюзинит, кольм, ксилен, ксилинит, ксилоаттрит, ксиловитрен, ксилодесмит, кульм, кутинит, лейптинит, лигнит, лигнитит, липоид, липоидолит, липоидотит, липтобиолит, литотип, лопинит, метаантрацит, микринит, микстогумитит, микстогумолит, микстонит, паренхит, полуантрацит, резинит, сапрогумолит, сапроколлит, сапропелит, семиантрацит, семивитринит, семиколлинит, семинит, семителинит, семифюзен, семифюзинит, склеротинит, споринит, спорополинит, суберинит, тальгинит, телинит, телломоальгинит, телоколлинит, телосименит, телофюзинит, ультрадюрен, ультракларен, феллинит, фитерал, фюзен, фюзенит, фюзенолит, фюзинит, фюзит, фюзитит, черемхит, экзинит, электроуголь, юмит и многие другие.
Добыча
Способы добычи угля зависят от глубины его залегания. Разработка ведётся открытым способом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта не превышает ста метров. Нередки и такие случаи, когда при всё большем углублении угольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторождения подземным способом. Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с уровня чуть более одной тысячи двухсот метров.
При обычной шахтной добыче около 40 % угля не извлекается. Применение новых методов шахтной добычи — длинный забой[англ.] — позволяет извлекать больше угля[6].
В угленосных отложениях наряду с углём содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырьё для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Например, некоторые угли обогащены германием.
Мировая добыча ископаемого угля[англ.] достигла максимальной отметки 8254,9 млн тонн в 2013 году.
В октябре 2021 года цена угля в КНР достигла 1982 юаней (приблизительно $302) за тонну в результате общемирового дефицита газа и угля[7].
Доказанные запасы
Уголь в России
Большинство исследователей сходится во мнении, что активные геологоразведочные работы в России начались на рубеже XVII—XVIII веков. Во время одного из походов Петра I залежи руды были обнаружены в окрестностях Донецкого бассейна. В 1700—1711 годах был учреждён Приказ рудокопных дел, в 1719-м — Берг-коллегия, которые руководили изучением недр страны[9]. Параллельно проходило строительство новых заводов, что стимулировало освоение Донецкого и Кузнецкого бассейнов[10][11][12][13].
Значительное влияние на развитие угольной отрасли оказало строительство Транссибирской железной дороги, что способствовало смещению угольных центров страны на восток. Уже в 1896 году добыча угля в России составляла 569 млн пудов (9,1 млн т), что делало страну шестой в мире[10][14][15][16]. К 1913 году показатель достиг 36,1 млн т, 80 % из которых составлял каменный уголь, 16,4 % — антрацит. После Октябрьской революции объёмы выработки угля вернулись к показателям конца XIX века. Добытых в 1922 году 11,3 млн т угля было недостаточно для бесперебойной работы промышленности. Однако курс на форсированную индустриализацию предусматривал увеличение угледобычи до 160—170 млн т в год к концу первой пятилетки в 1933-м[9][17].
В ходе Великой Отечественной войны после введения в эксплуатацию 167 шахт и 13 разрезов мощностью в 90 млн тонн производительность отрасли стабильно росла. В 1958 году страна впервые стала мировым лидером по объёмам добычи угля — 493,2 млн т. Через 30 лет угледобыча достигла своего пика составив — 771,8 млн т, что делало СССР третьей страной в мире после США и Китая[9][18][19].
Тем не менее, оборудование постепенно устаревало, безопасность труда не соответствовала новым стандартам, из-за чего в 1989 году начались забастовки шахтёров в Междуреченске. Реструктуризация отрасли и задержки с выплатами зарплаты в 1990-х годах привели ещё к большей стагнации угольной промышленности[20][21]. Однако правительство ещё удерживало цены на энергоресурс, так как их рост грозил удорожанием некоторой промышленной продукции до 17 раз. Субсидии на поддержание отрасли в 1992—1993 годах составили $5-6 млрд, хотя только 6,3 % предприятий сферы работали с прибылью, а оборудование у большинства сильно устарело[22][23][24][25]. Для модернизации отрасли власти планировали закрыть минимум 90 шахт, но были ликвидированы более 1800 предприятий[26]. Добыча в Подмосковье практически прекратилась, на Кузбассе и Дальнем Востоке — снизилась на 39 %, на Урале — наполовину[21][27]. Оживление мирового рынка к 2010-му способствовало восстановлению объёмов добычи в стране до 323 млн т, а на Кузбассе она впервые достигла 185 млн т[26][28][29].
На 2020 год Министерство энергетики отчитывалось о 275,5 млрд т угольных запасов в 146 разведанных месторождениях. Однако российские производители разрабатывали только 17 % из них, так как добыча зачастую была невыгодна из-за суровых климатических условий и низкого качества продукта. Территориально крупнейшим бассейном является Канско-Ачинский (более 80 % буроугольных запасов страны). Крупнейшими месторождениями являются Бородинское, Березовское и Назаровское, заключающее 22 млрд т запасов угля. К другим крупным угольным базам относятся Абанское (30,6 млрд т), Итатское (19,4 млрд т), Урюпское (16,9 млрд т) и Барандатское (16,3 млрд т) месторождения. Крупнейшим по объёмам руды является Кузнецкий бассейн (70 млрд т), запасы которого отличаются высоким качеством. Руда Печорского бассейна преимущество каменная (40 %) с глубоким залеганием пластов. В Донецком бассейне расположены крупнейшие залежи антрацитов, но глубина их залегания превышает 1 км, а мощность пластов незначительна[30].
В 2020 году объёмы угледобычи в стране достигли 402,1 млн т, большую часть из них вырабатывали открытым способом. До 2035 года правительство планировало освоение новых месторождений в Якутии, Тыве, Хакасии, Забайкальском крае, Амурской и Кемеровской областях. Предположительно это обеспечит рост производительности угледобывающих предприятий до 485—668 млн т[31][32].
Тем не менее, развитие угледобычи влечёт ухудшение экологической ситуации и здоровья граждан. На 2021-й год ситуацию в профильных регионах уже называли катастрофической. Например, в некоторых городах Кемеровской области угольные разрезы находятся на расстоянии нескольких метров от жилых домов, необработанные отвалы приводят к подземным пожарам, а содержание вредных веществ в атмосфере может превышать норму в 7—11 раз[33][26][34][35]. Большая часть шахтного метана не улавливается, о чём свидетельствуют обнаруженные спутниками канадской компании GHGSat утечки на шахте Распадская в Кемеровской области — почти 90 тонн метана каждый час (764 тыс. т в год)[36][37][38].
Уже в 2012-м каждый второй российский шахтёр страдал минимум двумя профессиональными заболеваниями[39]. С наращиванием добычи росла и нагрузка на здравоохранение: только в Хакасии за 2010—2020 годы смертность от онкологических заболеваний выросла на 14,2 %. Наиболее распространены в регионах добычи рак лёгкого, трахеи и бронхов[40]. Аналогично в Кемеровской области в 2009—2018 годы смертность от злокачественных новообразований выросла на 4,5 %[41][42]. Уровень профессиональной заболеваемости в регионе в 2021 году превышал общероссийский в 8,8 раза. Смертность от болезней органов дыхания составляла 62 на 100 тысяч человек, против 39,5 в среднем по стране[43][44][45].
Уголь в Европе
Правительства европейских стран планируют снизить вред здоровью населения и экологии за счёт ликвидации угольных электростанций к 2040 году и полного отказа от использования угля к 2050-му. Хотя в 1990—2021 годах страны значительно сократили добычу каменного угля (с 277 до 57 млн т), на 2018-й год регион оставался крупнейшим в мире производителем бурого угля[46][47][48]. Добыча велась в таких странах ЕС, как Польша, Германия, Чехия, Болгария, Венгрия, Греция, Румыния, Словакия, Словения. Всего сектор обеспечивал 230 тыс. рабочих мест[49][50]. Именно высокая занятость в угольной промышленности составляла одну из главных сложностей в процессе перехода к безуглеродной экономике. Обеспечить трансформацию на социальном уровне был призван «Механизм справедливого перехода» (англ. Just Transition Fund), главной целью которого стала поддержка работников закрывающихся угольных шахт и электростанций, обеспечение профессиональной переподготовки[51][52][53]. Фонд планировал распределить 19,2 млрд евро на помощь бедным европейским странам, зависимым от дешёвого энергоресурса[54][55].
Другими механизмами, способствующими трансформации европейского энергетического сектора, являются: введение и повышение квот на выброс CO2, создание механизмов помощи в реструктуризации экономики, снижение себестоимости ветряной и солнечной энергии, сотрудничество с локальными профсоюзами, владельцами угольных компаний и другими заинтересованными сторонами[56][53][57]. Введение этих мер позволило в 2015—2020 годах снижать объёмы добычи в среднем на 3 % ежегодно. На конец этого периода показатель составлял 480 млн тонн[58][59]. Если в 1990-м бурый уголь добывали в 13 странах региона (671 млн тонн), то к 2021 году основная добыча приходилась на 6 из них: из 277 млн тонн 46 % обеспечивала Германия, Польша — 19 %, Чехия — 11 %, Болгария — 10 %, Румыния — 6 %, Греция — 4 %, остальные — только 3 %. Такие страны, как Испания, Хорватия, Италия, Франция и Австрия за этот период полностью отказались от разработки бурого угля[60][61][62].
В начале 2020-х годов себестоимость угольной энергии оставалась сравнительно ниже, чем у выработанной на газе или возобновляемых источниках. И уголь всё ещё обеспечивал около одной пятой энергетического баланса стран ЕС[48][49][51][50]. Ежегодное потребление угля в пересчёте на душу населения составляло 1,2 т, что было выше общемирового уровня (1 т). Так, в 2018-м на этом виде топлива было выработано 592 ТВтч, общая мощность каменноугольных электростанций достигала 99 ГВт, буроугольных — 52 ГВт[47][63]. Тем не менее, половина из действовавших в 1990-х годах угольных электростанций была уже закрыта или имела установленную дату ликвидации[59]. Всего страны ЕС использовали в 2020-м в 144 млн т каменного угля (на 63 % меньше, чем тремя декадами ранее), в 2021 году — 160 млн т промпродукта. К основным потребителям относились Польша (41 %) и Германия (23 %), тогда как Франция, Нидерланды, Италия и Чехия расходовали по 3—6 %. Расход бурого угля в эти же годы составлял около 240 млн тонн и 277 млн тонн, основная доля которого приходилась на Германию, Польшу, Чехию, Болгарию, Румынию и Грецию[61].
Так как добыча угля в регионе сокращается быстрее, чем его потребление, страны региона сильно зависят от импорта энергоресурса: к 2020 году местные угледобывающие предприятия обеспечивали только 39 % потребности региона. Греция, Люксембург, Хорватия, Румыния, Кипр, Бельгия и Швеция импортировали больше необходимого для работы угольных электростанций, чтобы обеспечить чрезвычайный запас. Крупнейшим поставщиком региона являлась Россия, которая обеспечивала до 56 %[49][60][64][47]. С началом вторжения России на Украину в феврале 2022 года цены на все энергоресурсы начали расти. По сравнению с газом использование угля оставалось выгодным, даже с учётом квот на выбросы углекислого газа. Первые два месяца конфликта европейские страны продолжали импортировать российский уголь, но под общественным давлением политики высказались за отказ от российского угля[65][66][67]. Сократить зависимость региона был призван пятый пакет антироссийских санкций, который ввёл запрет на закупку энергоносителей[68][69]. Европейские страны были вынуждены искать новых поставщиков и наращивать собственную добычу: на апрель 2022-го производство угля в пяти крупнейших европейских странах-производителях выросло на 27 % по сравнению с аналогичным периодом прошлого года[66]. Изменения в энергетическом секторе заставили общественность опасаться, что экологические цели властей не будут соблюдены, хотя политики заявляли о своих намерениях выполнить свои юридические обязательства по сокращению выбросов парниковых газов к 2030 году на 55 % по сравнению с 1990-м[70][71][72].
Мировой рынок угля
По данным на 2017 год, уголь занимал 16 место[73] в мировой торговле, по объёму стоимости. Общий объём рынка оценен в 122 млрд долл. США
Крупнейшими экспортерами выступили:
- Австралия 39 % ($47 млрд долл. США)
- Индонезия 16 % ($18,9 млрд долл. США)
- Россия 13 % ($16,1 млрд долл. США)
- США 8,7 % ($10,6 млрд долл. США)
- Колумбия 6,3 % ($7,63 млрд долл. США)
- ЮАР 5,1 % ($6,23 млрд долл. США)
Крупнейшими импортерами выступили:
- Япония 16 % ($19,5 млрд долл. США)
- Индия 16 % ($19,4 млрд долл. США)
- Китай 15 % ($17,8 млрд долл. США)
- Южная Корея 11 % ($13,3 млрд долл. США)
- другие страны Азии ($5,68 млрд долл. США)
Крупнейшие производители угля (США):
|
|
.JPG){kind=link}
