Кам"яне вугілля і його добування

Реферат на тему:

" Кам’яне вугілля і його добування" .

Практично неможливо встановити точну дату, але десятки тисяч років тому людина, вперше познайомився з вугіллям, став постійно стикатися з ним. Так, археологами знайдені доісторичні розробки покладів вугілля. Відомо, що з кам’яним вугіллям люди були знайомі в період древньої культури, але факти про його використання відсутні. Пізніше, у Римі, винайшли шляхи використання його, але лише в часи Аристотеля з’явився опис деяких інших властивостей вугілля, а в 315 р. до н.е. його учень описує вугілля як паливний матеріал і називає його «антраксом» (пізніше з’явилася назва «антрацит»).

Наука про генезис твердих пальних копалин на підставі численних фактів (виявлення у вугільних шарах відбитків листів, кори, стовбурів дерев і т.д., використання ізотопного методу аналізу) незаперечно довела й обґрунтувала теорію про їх органічне походження. Разом з тим складність природних процесів вуглеутворення і впливу на ці процеси таких факторів, як клімат, умови середовища відкладення, температура, тиск і ін., привели до виділення хімічних, мікробіологічних і геологічних аспектів теорії генезису. Дотепер немає єдиної думки про те, які компоненти органічних речовин є вихідним матеріалом при утворенні різного вугілля, немає єдиної схеми і його генетичних перетворень. Припускають, що загальна схема має вид:

Висловлювалися розуміння, що генезис твердих паливних копалин описується:

1. a)послідовно протікають стадіями 1>2>3>4>5>6.

2. b)перетворенням вихідного органічного матеріалу 1>2, 1>3>4>5>6 і 1>4>5>6.

Палеографічні умови геологічних епох визначали виникнення органічних речовин, їх розвиток, нагромадження і різні перетворення.

Відомо, що до складу рослин входить целюлоза, геміцеллюлоза, лігнін, смоли, віск, жири, білки, вуглеводи, пектинові речовини. Цілком імовірно, що сполука цих компонентів і їхнє співвідношення в древніх рослинах різного виду й у залежності від палеографічних умов геологічних епох перетерплював визначені зміни. Проте, численні дослідження дозволили установити, що роль різних частин сучасних рослин і механізму їхнього перетворення в умовах вуглефікації істотно не відрізняється від ролі рослин ранніх геологічних епох. У табл. 1 приведений елементна сполука основних компонентів рослин, що беруть участь у вуглеутворенні.

Таблиця 1. Елементна сполука вуглеутворюючих компонентів рослин (%).

До складу восків крім складних ефірів високомолекулярних жирних кислот і вищих алифатических спиртів входять кислоти С24 — С34, спирти С24 — С34 та іноді вуглеводи. Рослинні віски є твердими речовинами, здатними зберігати своя сполука і властивості не піддаватися змінам під дією мікроорганізмів. Завдяки їхній високій стійкості вони зустрічаються в незмінному стані в складі бурих вугіль.

Смоли складаються зі складних ефірів кислот з одноатомними спиртами. Завдяки ненасиченої поліізопреновій структурі вони здатні полімеризуватися й окислятися, що знижує їх розчинність, підвищує молекулярну масу, перетворює в неплавкі сполуки. Жири — складні ефіри високомолекулярних насичених і ненасичених кислот і гліцерину. Цікаво відзначити, що наземні вихідні сполуки містять ненасичені кислоти С18 — С22 і насичену кислоту С16, тоді як серед морських джерел вуглеутворення переважають неграничні кислоти С16 — С22. Жири легко гідролізуються, змінюються під впливом мікроорганізмів, нагрівання й ін., а неграничні кислоти — окисляються з утворенням полімерів.

Білки є високомолекулярними речовинами, що володіють колоїдними властивостями. Зміст їх у бактеріях, водоростях і деревних рослинах досягає відповідно 80, 25, 1 — 10%. Білки гідролізуються з виділенням амінокислот, що зв’язуються із вміщеними в рослинах моносахаридами.

Целюлоза (С6Н10О5) відноситься до класу вуглеводів з регулярною лінійною структурою, має складну сполуку і молекулярну масу від десятків тисяч до декількох мільйонів. Будучи дуже стійкою до впливу тисків і температури, целюлоза порівняно легко піддається впливу ферментів. Геміцелюлози є вуглеводними сполуками, що легко піддаються гідролізу і розчиняються в кислотах і лугах. Це гетерополісахариди, що утворять при гідролізі у відмінності від целюлози не глюкозу, а манозу, фруктозу, галактозу й уронові кислоти.

Пектинові речовини підвищують механічну міцність стінок рослинних кліток, вони складаються з залишків D-галактуронової кислоти, здатних легко гідролізуватися мінеральними кислотами. Карбоксильні групи в цих залишках знаходяться у виді солей магнію і кальцію, а також у виді метилових ефірів. Міцність кліток вищих рослин пояснюється також присутністю в їх сполуці лігніну, що у відмінності від целюлози не піддається гідролізу, стійкий до впливу хімічних реагентів, нерозчинимих у воді й органічних розчинниках. Лігнін є полімером нерегулярної будови, до складу якого входять ароматичні і жирноароматичні фрагменти. Кисень присутній у виді карбоксильних і гідроксильних груп, ароматичні ядра містять метокси-групи і зв’язані між собою пропільними групами. Молекулярна маса лігніну коливається від 700 до 6000, його висока хімічна стійкість обумовлена нагромадженням гумінових кислот.

Таким чином, можна припускати, що в результаті процесів вуглеутворення з’являються хімічно стійкі компоненти, а менш стійкі беруть участь у цих процесах як напівпродукти розпаду.

Болота є найбільш сприятливими місцями для нагромадження і переробки органічних продуктів у торф. Заболочування водойм відбувається різними шляхами, і залежить від рельєфу дна і берегів, проточності води і т.д. Як у тропічної, так і в помірних зонах болота поділяються на верхівкові і низинні. Верхівкові утворяться за умови перевищення кількості річних атмосферних опадів над обсягом випару і характеризується недоліком живильних речовин для рослин. Низинні болота мають положисті береги, що заросли очеретом і очеретами, покриті що плавають і підвідними рослинами. Їхнє походження зв’язане зі зниженням рельєфу і вони поширені в основному в північних областях. При помірному кліматі річний приріст торфу в низинних болотах складає 0,5 — 1,0 мм, а на верхівкових 1 — 2 мм.

Вугільні шари характеризуються наступними основними характеристиками:

1. 1.Тип відкладень: автохтонний (autos — сам, chtnon — земля) утвориться на місці відмирання первинних організмів, аллохтоний — з переміщених органічних залишків і характеризується підвищеним змістом у вугіллях мінеральних домішок.

2. 2.Умови відкладення. Сполука і властивості вугілля залежать від умов відкладення торфу в прісноводних, озерних чи солонуватих морських водах. При впливі морської води в бітумінозних вугіллях підвищується зміст сірі, азоту, водню, летучих. Вапняні води сприяють зменшенню кислотності торфу. В аеробних умовах спільна дія кисню і кальцію прискорює розкладання. Більшість збагачених кальціїв вугіль відрізняється високим змістом сірки і піриту, що порозумівається високою активністю бактерій.

3. 3.У залежності від змісту живильних речовин болота підрозділяються на евтрофні, мезотрофні й оліготрофні. Низинні болота, що харчуються насиченими живильними речовинами підземними водами, є евтрофні, їх рослинність більш пишна і різноманітна. Верхові болота оліготрофні, у них утвориться кислий торф із низьким змістом мінеральних речовин, і відповідно вугілля з малою кількістю золи.

4. 4.Життєдіяльність бактерій залежить від кислотності торфу. Торф верхівкових боліт має рН = 3,3 — 4,6, а низинних 4,8 — 6,5. Ступінь кислотності залежить від припливу води, типу підстави болота, надходження кисню і концентрації гумінових кислот. Бактерії добре розвиваються при рН = 7,0 — 7,5, тому чим кисліше торф, тим менше в ньому бактерій і краще зберігається структура вихідних рослин.

5. 5.Температура торфу. Розкладання торфу залежить від температури, тому що в теплі бактерії виявляють підвищену активність. Так при 35 — 40 0С бактерії розкладають целюлозу з найбільшою швидкістю.

6. 6.Окислювально-відновний потенціал. Життєдіяльність бактерій залежить від потенціалу. Процеси перетворення залишків органічних сполук при вільному доступі кисню (аеробні умови) і води аналогічні повільному горінню і називаються тлінням. Гуміфікація (перегнивання) характеризується недостатнім доступом повітря (анаеробні умови) і вологи. Цей процес приводить до нагромадження завугільнородженого залишку (гумусу), частина якого може розчинятися у воді. Перетворення органічних речовин в умовах надлишку вологи і відсутності кисню широко поширено в природі і називається оторфениемвоно приводить до появи твердих гумусових продуктів. Утворення сапропелів з водоростей і планктону протікає під час відсутності кисню під шаром води (відбудовні реакції) і відомо як процеси гниття, чи гнильного шумування.

Перетворення органічних речовин у торф відбувається в результаті хімічних реакцій, що протікають, і діяльності бактерій, тому називається біохімічної вуглефікації. Перетворення торфу через стадію бурих вугіль в антрацити називається вуглефікацією. Ступінь вуглефікації характеризується ущільненням (підвищенням щільності), зміною змісту З, ПРО, Н и вихід летучих. Процес вуглефікації прискорюється з ростом температури і глибина його залежить від часутиск сповільнює хімічні реакції, що протікають при цьому.

Кам’яне вугілля, як і нафта, не індивідуальна речовина. До його складу входять вільний вуглець (до 10%), органічні речовини, що містять Карбон, Гідроген, Оксиген, Сульфур, Нітроген, мінеральні речовини (вони залишаються у вигляді шлаку після спалювання вугілля).

Вам відомо, що вугілля використовується як паливо, але не меншого значення надається хімічній переробці вугілля з метою вилучення величезної кількості цінних речовин.

Унаслідок нагрівання до 10 000С без доступу повітря вугілля перетворюється на кокс. Цей продукт на 96−98% складається з вуглецю. Основна галузь його застосування — металургія.

Разом із коксом утворюються коксовий газ і камяновугільна смола, що є багатим джерелом різноманітних речовин, — з неї їх виділено близько 500. Перегонкою і хімічною обробкою кам’яновугільної смоли добувають ароматичні вуглеводні: толуол, нафталін, феноли, інші цінні речовини.

Кам’яновугільна смола і коксовий газ перероблюються на коксохімічних заводах.

У розвитку синтетичної органічної хімії кам’яновугільна смола відіграла особливу роль. Як джерело хімічних сполук кам’яне вугілля почало використовуватись раніше, ніж нафта і природний газ. На основі продуктів, виділених із кам’яновугільної смоли, виникли цілі галузі хімічної промисловості - виробництво синтетичних барвників, лікарських препаратів, засобів захисту рослин, вибухових речовин тощо.

Обсяг світового ринку кам’яного вугілля наближається зараз до 500 млн.т. Основними імпортерами виступають країни Західної Європи (близько 160 млн. т) і Азіатсько-Тихоокеанського регіону (більше 200 млн. т, у т.ч. Японія — 130 млн. т, Південна Корея — близько 50 млн. т і Тайвань — близько 20 млн. т). Ведучими експортерами виступають Австралія, США, ПАР, Колумбія, Венесуела, Індонезія, Канада, Китай, Польща і Росія. Постачаннями з цих держав забезпечується зараз більш 90% світових імпортних потреб.

За прогнозами Міністерства енергетики США світова торгівля вугіллям у майбутні 20 років збільшиться приблизно на 25%, однак конкуренція на даному ринку залишиться досить гострою. Обсяг світового ринку енергетичного вугілля за 1990;2010 р. може зрости в два рази, тоді як загальні імпортні потреби ринку коксівного вугілля збільшаться не більш, ніж на 5%.

По оцінках експертів, частка вугілля в структурі світового паливно-енергетичного балансу складає близько 27%. Основними її галузями-споживачами є металургія й електроенергетика. З використанням вугілля виробляється приблизно 44% усієї світової електроенергії.

Більше 80% вугільних запасів зосереджено в Північній Америці, Азіатсько-Тихоокеанському регіоні і країнах СНД. При цьому дев’ята частина світових запасів вугілля зосереджена в Китаї, шоста частина — у Росії. Запаси вугілля в Казахстані складають 35,8 млрд. т. чи 3,6% світових запасів.

Запаси вугілля на території України зосереджені в основному в трьох басейнах: Донецькому, Львівсько-Волинському та Дніпров­ському. В загальних запасах вугілля в Україні (117,1 млрд. т) найвища питома вага належить Донецькому басейну — 87,0% (101,9 млрд. т), Львівсько-Волинському та Дніпровському — відповідно 2,0% (2,3 млрд. т) та 3,5% (4,1 млрд. т).

Крім того, запаси вугілля є на території Харківської і Полтавської областей — 8,7 млрд. т та Закарпатської вугленосної площі - 0,2 млрд. т. Із загальних запасів 42,5 млрд. т віднесено до прогноз­них ресурсів.

Запаси вугілля в Україні цілком достатні для задоволення влас­них потреб і забезпечення експортних поставок. Однак складні гірничо-геологічні та технологічні умови розробки вугільних ро­довищ України, в першу чергу Донбасу, суттєво впливають на економічну ефективність виробництва у вугільній промисловості.

геологічні запаси вугілля в Донецькому басейні зосереджені переважно в тонких і надто тонких пластах потужністю до 1,2 м. Середня глибина розробки родовищ наближається до 700 м, а максимальна — становить 1400 м. На горизонтах понад 600 м функціонує майже 60% шахт, на част­ку яких припадає понад половини всього видобутого вугілля. Пласти, які вважаються небезпечними щодо раптових викидів вугілля і газу, характерні для 40% шахт.

Умови розробки вугільних пластів Львівсько-Волинського і Дніпровського басейнів більш сприятливі. Максимальна глибина розробки пластів Львівсько-Волинського басейну становить 550 м, а потужність пластів вугілля — від 1 до 1,5 м. Небезпека рапто­вих викидів вугілля і газу майже відсутня. Разом з тим зольність видобутого вугілля (47,6%) значно перевищує аналогічний пока­зник в Донбасі (36,2%) і до того ж запаси вугілля досить обмеже­ні (2,0% усіх запасів вугілля України).

Список літератури.

1. 1.Химия и переработка угля/ Под ред. д-ра х. н. проф. В. Г. Липовича. — М.: Химия, 1988. — 336с.: ил.

2. 2.Химическая технология твёрдых горючих ископаемых: Уч-к для вузов/ Под ред. Г. Н. Макарова и Г. Д. Харламповича. — М.: Химия, 1986. — 496 с.: ил.

3. 3.Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза: Учебник для вузов 4-е изд., перераб. доп. — М. Химия, 1988. — 592 с.: ил.

4. 4.Тукмаков Д. «Вугільна галузь сьогодні». Газета «Завтра». № 7(376), 13.02.2003.

5. 5.Чедвик Дж. Світова вугільна промисловість. Переклад статті - Гребєнщиков В. П. Журнал вугілля. № 12, 2002.