Каменный уголь. Свойства, добыча и применение каменного угля
Каменный уголь - осадочная порода, которая образуется в земном пласте. Уголь - превосходное топливо. Считается, что это самый древний вид топлива, который использовали наши далекие предки.
Как образуется каменный уголь
Для образования угля необходимо огромное количество растительной массы. И лучше, если растения накапливаются в одном месте и не успевают разлагаться полностью. Идеальное место для этого - болота. Вода в них бедна кислородом, что препятствует жизнедеятельности бактерий.
В болотах накапливается растительная масса. Не успевая полностью сгнить, она спрессовывается следующими отложениями почвы. Так получается торф - исходный материал для угля. Следующие пласты почвы как бы запечатывают торф в земле. В результате он полностью лишается доступа кислорода и воды и превращается в угольный пласт. Процесс этот длительный. Так, большая часть современных запасов каменного угля образовались в эпоху палеозоя, т. е. более 300 млн. лет назад.
Характеристики и виды каменного угля
(Бурый уголь )
Химический состав угля зависит от его возраста.
Самый молодой вид - бурый уголь. Он залегает на глубине порядка 1 км. Воды в нем еще много - около 43%. Содержит большое количество летучих веществ. Хорошо воспламеняется и горит, но тепла дает мало.
Каменный уголь - этакий "середнячок" в этой классификации. Залегает он на глубинах до 3 км. Так как давление верхних пластов больше, то и содержание воды в каменном угле меньше - около 12%, летучих веществ - до 32%, зато углерода содержится от 75% до 95%. Он также легко воспламеняется, но горит лучше. А за счет малого количества влаги дает больше тепла.
Антрацит - более древняя порода. Залегает на глубинах порядка 5 км. В нем больше углерода и практически нет влаги. Антрацит - твердое топливо, плохо воспламеняется, зато удельная теплота сгорания самая высокая - до 7400 ккал/кг.
(Уголь антрацит )
Впрочем, антрацит - это не конечная стадия преобразования органического вещества. Попадая в более жесткие условия, уголь трансформируется в шунтит. При более высоких температурах получается графит. А испытывая сверхвысокое давление, уголь превращается в алмаз. Все эти вещества - от растения до алмаза - состоят из углерода, только молекулярная структура разная.
Помимо основных "ингредиентов" в состав угля часто входят различные "породы". Это примеси, которые не сгорают, а образуют шлак. Содержится в угле и сера, причем ее содержание обуславливается местом образования угля. При сгорании она взаимодействует с кислородом и образует серную кислоту. Чем меньше примеси в составе угля, тем выше ценится его сорт.
Месторождение каменного угля
Место залегания каменного угля называют угольным бассейном. В мире известно свыше 3,6 тысяч угольных бассейнов. Их площадь занимает около 15% территории земной суши. Самый большой процент залежей мирового запаса угля в США - 23%.На втором месте - Россия, 13%. Замыкает тройку стран-лидеров Китай - 11%. Самые крупные залежи угля в мире находятся в США. Это Аппалачский каменноугольный бассейн, чьи запасы превышают отметку в 1600 млрд. тонн.
В России самый большой угольной бассейн - Кузнецкий, что в Кемеровской области. Запасы Кузбасса составляют 640 млрд. тонн.
Перспективна разработка месторождений в Якутии (Эльгинское) и в Тыве (Элегестское).
Добыча каменного угля
В зависимости от глубины залегания угля применяют либо закрытый способ добычи, либо открытый.
Закрытый, или подземный метод добычи. Для этого метода строят шахтные стволы и штольни. Шахтные стволы строят, если глубина залегания угля 45 метров и выше. От нее ведут горизонтальный тоннель - штольню.
Существуют 2 системы закрытой добычи: камерно-столбовая и добыча длинными очистными забоями. Первая система менее экономична. Ее используют лишь в тех случаях, когда обнаруженные пласты мощные. Вторая система гораздо безопаснее и практичнее. Она позволяет извлекать до 80% породы и равномерно доставлять уголь на поверхность.
Открытый метод применяют, когда уголь залегает неглубоко. Для начала проводят анализ твердости почвы, выясняют степень выветриваемости почвы и слоистость покрывающего слоя. Если грунт над пластами угля мягкий, достаточно использования бульдозеров и скреперов. Если верхний пласт толстый, то пригоняют экскаваторы и драглайны. Пролегающий над углем мощный слой твердой породы взрывают.
Применение каменного угля
Область использования каменного угля просто огромна.
Из угля добывают серу, ванадий, германий, цинк, свинец.
Сам уголь - превосходное топливо.
Используется в металлургии для выплавки железа, при производстве чугуна, стали.
Полученную после сжигания угля золу используют в производстве строительных материалов.
Из угля после его специальной обработки получают бензол и ксилол, которые используют в производстве лаков, красок, растворителей, линолеума.
Путем сжижения угля получают первоклассное жидкое топливо.
Уголь - сырье для получения графита. А также нафталина и еще ряда ароматических соединений.
В результате химической обработки каменного угля на сегодняшний день получают свыше 400 видов промышленных продуктов.
Россия занимает по разведанным запасам угля 3-е место в мире (182 млрд т), уступая США (445 млрд т) и Китаю (272 млрд т). На ее территории расположено 30% мировых запасов угля. Представлены каменные и бурые угли. Угольные ресурсы размещаются по территории страны неравномерно. На долю восточных районов приходится 93%, а на Европейскую часть – 7% всех запасов страны. Наиболее низкая себестоимость добычи углей в Восточной Сибири, наиболее высокая – в районах европейского Севера. Основными угольными бассейнами на территории России являются: Кузнецкий, Печорский, Канско-Ачинский, Южно-Якутский.
Кузнецкий бассейн находится на территории Кемеровской области. Площадь бассейна составляет 70 тыс. км2. Балансовые запасы угля составляют 600 млрд т. Угли бассейна имеют относительно невысокую зольность, низкое содержание серы, фосфора. По запасам мощности и качеству углей Кузнецкому бассейну принадлежит одно из первых мест среди угольных бассейнов мира. Основными потребителями кузнецких углей являются Урал, Центр, Поволжье.
Канско-Ачинский буроугольный бассейн расположен на территории Красноярского края Восточной Сибири и Кемеровской области Западной Сибири. Бассейн вытянут вдоль Транссибирской железнодорожной магистрали на 800 км. Угли бассейна имеют сравнительно невысокую зольность и теплотворную способность. Но угли содержат значительное количество влаги (до 48%), что приводит к их быстрому окислению, а также обладают способностью самовозгораться. Это делает их непригодными для длительного хранения и перевозки на дальние расстояния. В бассейне выявлены 24 месторождения, в том числе 11 крупнейших. Основные месторождения: Итатское (Кемеровская область), Березовское, Боготольское, Назаровское и Ирша-Бородинское (Красноярский край). Канско-Ачинские угли экономически выгодно использовать как топливо на электростанциях, строить которые следует вблизи добычи угля и передавать полученную электроэнергию.
Печорский угольный бассейн расположен на территории Республики Коми и Ненецкого автономного округа. Общая площадь составляет 100 тыс. км2. Балансовые запасы составляют 210 млрд т. Угли бассейна отличаются высоким качеством и теплотворной способностью. Около ½ запасов приходится на коксующиеся угли. Две трети всех запасов и основная часть добычи приходятся на Интинское, Воркутинское, Варгашорское месторождения. Основными потребителями углей бассейна являются европейская часть России и Урал.
Южно-Якутский угольный бассейн расположен на территории Республика Саха (Якутия). Балансовые запасы угля составляют 40 млрд т. Угли отличаются достаточно высоким качеством, в основном коксующиеся. Они характеризуются незначительным содержанием фосфора, низкосернистые. Наиболее крупные месторождения бассейна – Нерюнгринское и Чульмаканское. Используются угли в пределах Дальнего Востока.
Помимо угольных баз общероссийского значения, ресурсами углей располагают и отдельные регионы. Так, в Центральном регионе имеется Подмосковный буроугольный бассейн; на Северном Кавказе – Восточная часть Донецкого бассейна (Ростовская область); на Урале – Кизеловский, Челябинский, Южно-Уральский бассейны; в Восточной Сибири – Иркутский, Минусинский, Тунгусский; на Дальнем Востоке – Буреинский, Сучанский, Ленский бассейны.
Разведанные запасы угля в России и мире велики. Залежи ископаемого бурого и каменного угля имеются в подавляющем большинстве стран земного шара, однако месторождения, обладающие коммерческим потенциалом, расположены лишь в 70-ти государствах.
Поэтому разработкой месторождений на данный момент занимается около пятидесяти стран. Учтем, что на долю бурого и каменного угля сегодня приходится менее трети мирового производства энергии, так что расходуется уголь гораздо медленнее, чем нефть и природный газ. Как следствие, о существующем на данный момент угольном резерве планеты делаются оптимистичные прогнозы – по предварительным данным, разведанные запасы угля исчерпаются не менее, чем через 155 лет, а это гораздо меньше, чем у , которые могут быть исчерпаны через 40-60 лет.
Наибольшая часть резервов каменного угля находится на территории США, России, Китая, Индии, ЮАР, Австралии, Казахстана и Украины. Залежи бурого угля, то они по большей части сосредоточены в США, России, Китае, Австралии, Украине, Бразилии и Германии.
Доказанные запасы ископаемого угля в России
В российских месторождениях сосредоточено около 19% всех существующих в мире запасов бурого и каменного угля. Но пригодны к разработке из них лишь порядка 5,5%. По приблизительным данным, это около 200 млрд. тонн. Проблема с российским углем в том, что большие залежи природных ископаемых находятся в области вечной мерзлоты, что делает их разработку пока технологически недоступной. Из суммарной цифры 70% приходится на бурый уголь.
Немалая доля российских запасов угля приходится на угольные бассейны. В первую очередь можно упомянуть Кузнецкий угольный бассейн, или Кузбасс, расположенный в юго-западной Сибири, в Кемеровской области, а также Минусинский бассейн, территориально расположенный в республике Хакасия. К числу наиболее перспективных угольных месторождений России также обычно относят Эльгинское в Якутии и Элегестское в Туве.
Ископаемый уголь в европейских странах
В большинстве европейских стран также имеются крупные месторождения угля. Самые большие разведанные запасы европейского каменного угля находятся в Украина, в Донецком каменноугольном бассейне, в Польше и Чехии. Украина обладает и крупнейшим месторождением бурого угля в Днепровском бассейне. Но самый крупный производитель бурого угля в Европе – это Германия, запасы которой сосредоточены в основном в Лаузицком, Среднегерманском и Нижнерейнском бассейнах.
Америка
Как уже было сказано, первое место по объему доказанных запасов угля в мире занимают Соединенные Штаты – на них приходится более 20% всех мировых запасов как бурого, так и каменного угля. Некоторые эксперты оценивают объем каменного угля, залегающего здесь, в 225 млрд. тонн. Главным и самым старым добывающим районом США является Аппалачский бассейн. Запасы бурого угля, принадлежащие США, еще больше. Они составляют более 460 млрд. тонн, и базируются в южных штатах и в районе Центрального Севера.
Помимо США довольно большими объемами ископаемого угля располагают также Канада, Бразилия, Колумбия и Венесуэла.
Запасы угля в Азии
Лидирующие позиции в списке мировых стран с наибольшими угольными запасами занимает Китай, на который наряду с Индией и Казахстаном приходятся наиболее значительные разведанные мировые запасы.
По объему залежей как бурого, так и каменного угля Китай находится на третьем месте. Богатыми на природные ископаемые можно назвать практически все области Китая, однако основные объемы угля приходятся на Северный, Северо-Восточный и Северо-Западный Китай Своеобразным центром угледобывающей промышленности является провинция Шаньси, в которой расположено более 30% всех его запасов.
Что касается Индии, то здесь можно найти вторые по объемам запасов залежи ископаемого каменного угля, Это бассейны Джхария, Ранигандж и Бокаро, являющиеся крупнейшими месторождениями, входящими в Дамодарский угольный бассейн.
Помимо вышеперечисленных регионов Европы, Азии и Америки, внушительным потенциалом в данной отрасли обладает ряд других стран. Нельзя не упомянуть о Южноафриканской Республике, занимающей 5-ое место в мире по объему каменноугольных запасов, Австралии (6-ое место по каменному и 4-ое – по бурому углю), Мадагаскаре (11-ое место по буроугольным запасам), Зимбабве, Пакистане, Новой Зеландии, Таиланде и других государствах.
Добыча угля имеет прямое отношение к тяжелой промышленности и металлургии – поэтому многие показатели, связанные с промышленным производством, находятся в зависимости от объемов и стоимости производимого угля. Но для игр на биржевых котировках и других прибыльных занятий на он вряд ли подходит.
С появлением и развитием альтернативных видов топлива, столь популярный в прошлом столетии каменный уголь, казалось бы, отошел на второй план, но тем не менее споры относительно будущего угольной промышленности не утихают и по сей день. Одни эксперты считают, что в ближайшие годы роль угля в мировой экономике будет неуклонно снижаться, другие утверждают, что через несколько десятилетий уголь станет не менее важным ресурсом, чем нефть. Чьи прогнозы оправдаются, давайте разбираться вместе.
Роль угля в промышленности
Больше половины добываемого в мире угля используется в том или ином виде в качестве топлива. Зачастую он сжигается на теплоэлектростанциях. Четверть добываемого сырья применяется в коксохимической промышленности, а полученный на заводах кокс используется для выплавки чугуна.
Уголь применяется при производстве более 400 всевозможных товаров. Из каменноугольной смолы и надсмольной воды получают бензол, аммиак, фенолы и другие соединения, которые используются в производстве красок, лаков, линолеума, резины. При глубокой переработке угля получают редкие металлы: цинк, свинец, молибден, германий.
Ценность имеет даже зола, которая образуется при сжигании угля. Она используется при изготовлении стройматериалов: керамики и глинозема.
Продукты, производимые из каменного угля
Классификация и разведанные запасы
Общие запасы угля на планете оцениваются в 860 млрд тонн. По прогнозам ученых человечеству хватит их на 200 лет. Это солидный срок, учитывая, что запасы нефти и газа должны истощиться гораздо раньше. Но уголь подразделяется на различные марки, ценность которых сильно отличается.
По области применения все марки можно разделить на две большие группы.
Энергетические
К ним относятся марки А (антрацит), Т (тощие), ДГ (длиннопламенные), Б (бурые) и СС (слабоспекающиеся). Чаще всего они используются в качестве топлива для теплоэлектростанций (ТЭЦ).
К примеру, запасы наиболее ценного сорта - антрацита, составляют в настоящий момент всего 1% от общих залежей. Эта марка отличается высокой теплоэффективностью и быстро сгорает, практически не выделяя дыма. Она применяется в очистительных сооружения, котельных, при производстве карбида, кремния, в алюминиевой промышленности.
Запасы бурого угля составляют более 50% от общего количества доказанных запасов, но его ценность, по сравнению с другими марками, невелика. В буром угле содержится большое количество воды, а содержание углеводородов в нем невелико. Поэтому эта марка применяется лишь в качестве топлива для небольших котельных. На теплоэлектростанциях бурый уголь используется лишь в составе смеси с более качественными марками.
Коксующиеся
К ним относятся марки Г (газовые), К (коксовые), Ж (жирные) и ОС (отощенно-спекающиеся). Они применяются преимущественно в металлургии для выплавки металлов и железной руды.
Стран, на территории которых находятся угольные месторождения, не так уж много. Из 860 миллиардов тонн мировых угольных запасов, 800 миллиардов находятся на территории 10 государств. Первые места по разведанным запасам занимают США, Россия и Китай. Значительными залежами этого сырья обладают Австралия, Индия, Германия, Украина, Казахстан, ЮАР и Сербия.
Статистика добычи каменного угля
Если посмотреть на динамику добычи угля по странам, станет очевидно, что добывающая промышленность в Европе неуклонно сокращается. Это связано с очень жестким экологическим законодательством стран-членов ЕС, а также постепенным истощением месторождений угля, залегающего на небольшой глубине.
В последние годы снижается добыча этого сырья и в США. Это связано со снижением спроса на уголь, падением цен на природный газ и низкой рентабельностью большинства шахт. По прогнозам аналитиков такая тенденция сохранится и в следующие несколько лет. Крупные американские угледобывающие компании Patriot Coal и James River уже объявили о своем банкротстве. Большие убытки несет и крупнейшая американская угольная компания Arch Coal, занимающая второе место в мире по добыче. Ожидается, что до 2025 года будут ликвидированы 13% мощностей по добыче угля.
Устойчивый рост добычи в последние годы показывали лишь несколько стран, это государства Азиатско-Тихоокеанского региона - Китай, Индия, Индонезия, Австралия, а также Россия.
Рост добычи угля в странах Юго-Восточной Азии закономерен - в этом регионе продолжается промышленный бум, поэтому постоянно растет спрос на энергоносители. А так как в странах Азии и Тихоокеанского региона нет значительных запасов нефти, ставка на уголь вполне оправдана.
Ко всему прочему, большое влияние на добычу оказывает ослабление национальных валют некоторых стран. В 2015 году австралийский доллар упал по отношению к американской валюте до 5-летнего минимума. Это стимулирует добывающие компании наращивать производство, так как ослабление национальной валюты приводит к увеличению маржи.
Потребность мировой промышленности в каменном угле
В настоящий момент на Китай приходится половина мирового потребления угля, так как 70% процентов электроэнергии в стране вырабатывается на угольных ТЭЦ.
Естественно, такие объемы потребления ведут страну к экологической катастрофе: смог, висящий над некоторыми китайскими городами, вынуждает многих жителей не выходить на улицу без респираторов. По данным Организации по экономическому сотрудничеству загрязнение воздуха ежегодно приводит к смерти более миллиона китайских граждан.
Катастрофические последствия работы угольных шахт вынуждают правительство сокращать потребление этого сырья. В 2014 году оно уменьшилось по сравнению с предыдущим годом на 2,9%. Ожидается, что в ближайшие годы крупнейшие китайские компании сократят добычу угля на 10%. Кроме того, будут ликвидированы 2000 мелких угледобывающих компаний, большинство из которых в настоящий момент нерентабельны. Это подтвердил председатель Национальной ассоциации угольщиков Китая, который осенью 2014 года заявил, что убытки терпят более 70% компаний, работающих в этой сфере. А к 2020 году в 6 районах Пекина планируется запретить работу угольных предприятий.
В ряде других стран Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока спрос на уголь будет только расти, в частности, в Корее, Японии, Турции, Индии. Это связано с прогнозируемым экономическим ростом в этих государствах. Наибольшие перспективы уголь имеет в Индии, по прогнозам Мирового энергетического агентства эта страна уже к 2025 году выйдет на второе место в мире по его потреблению, потеснив США.
А вот в Соединенных Штатах, России и европейских странах потребность в угле постоянно снижается. Если посмотреть на статистику, становится понятно, что такая тенденция наблюдается уже не первый год.
Перспективы угольной отрасли в России
Добыча и экспорт угля - важная составляющая экономики России. Преимуществом российских угольных компаний является низкая себестоимость этого ресурса, что связано с неглубокими залежами угольных пластов (на многих российских месторождениях уголь до сих пор добывается открытым способом) и относительно дешевой электроэнергией. Несмотря на это, в ближайшие годы отрасль ждут тяжелые времена. Основная проблема угледобывающих компаний РФ - чрезвычайно дорогая логистика. В 2014 году средняя экспортная цена тонны Кузбасского угля составляла 76 долларов. При этом половину от этой суммы предприятиям приходилось тратить на транспортировку до дальневосточных портов, через которые сырье поставляется в страны Азиатско-Тихоокеанского региона. А ведь это далеко не единственная статья расходов угледобывающих предприятий.
Спасением для отрасли стала девальвация рубля, которая позволила получать дополнительные доходы предприятиям-экспортерам, ведь их валютная выручка в рублевом эквиваленте выросла почти в два раза. Но даже это - слабое утешение на фоне прогнозируемого падения спроса на уголь на мировых рынках и, соответственно, снижения цены на него.
Ближайшие 2–3 года, по прогнозам аналитиков, станут нелегкими для российской угольной отрасли. Планируемая газификация ряда регионов, в частности Приморья, станет причиной падения спроса на это сырье на внутреннем рынке. И единственным выходом для угольных компаний станет увеличение добычи и экспорт сырья за рубеж. По мнению губернатора Кузбасса Амана Тулеева увеличение экспорта угля в условиях падающего спроса абсолютно обосновано, в противном случае российские компании рискуют потерять занятые ниши на мировых рынках.
Количество неблагоприятных факторов для угледобывающей промышленности РФ велико: высокие расходы на транспортировку сырья по территории России, удорожание оборудования из-за девальвации рубля, сложности с привлечением инвестиций в условиях санкций, падение спроса и цен на уголь на мировых рынках. Поэтому для угольных предприятий жизненно важной задачей становится снижение издержек при добыче и транспортировке сырья, а также развитие технологий по обогащению и переработке угля. Определенный прогресс в этой сфере уже достигнут: в 2000 году обогащалось лишь 40% добываемого угля, а в настоящий момент его доля возросла до 72%.
Динамика цен и прогноз на будущее
По прогнозам аналитиков в 2015 году мировые цены на энергетический уголь будут снижаться. По оценке австралийского инвестбанка Macquarie цена упадет до 57 долларов за тонну. Небольшой рост прогнозируется лишь в 2016 году - до 67 долларов за тонну. Снижение цен наблюдалось и в предыдущие годы: в 2013–2014 годах цена тонны энергетического угля упала с 90 до 79 долларов. Такая же тенденция наблюдалась и с ценами на коксующиеся угли: стоимость одной тонны в течение 2013–2014 годов упала со 160 до 125 долларов.
График мировых цен на уголь
Пик угля пройден?
Международное энергетическое агентство составило три прогноза угольной отрасли на ближайшие несколько десятилетий:
- Потребление угля будет неуклонно расти и к 2035 году увеличится на 70%.
- Спрос на уголь резко упадет уже к 2020 году из-за жестких экологических требований большинства развитых стран.
- Пик потребления угля придется на 2020 год, и далее спрос на этот ресурс будет неуклонно снижаться.
Пока наиболее вероятным выглядит последний прогноз. Экологические проблемы, связанные с добычей угля, и снижение цен на газ становятся для большинства стран достаточными аргументами в пользу уменьшения потребления этого ресурса. Прогнозируемый рост потребления в Индии и ряде других азиатских государств не может компенсировать снижение потребности в угле в Европе, Китае, России и США.
«Спасательный круг» для угольной отрасли
По сравнению с нефтью и газом, каменный уголь - недорогое сырье, поэтому большинство угледобывающих компаний работают с невысокой маржей. Единственный выход для предприятий этой отрасли - использование технологий по глубокой переработке угля, которые позволяют многократно увеличить прибыльность бизнеса.
Жесткие экологические стандарты в некоторых случаях могут стать не препятствием, а стимулом для развития добычи угля. В киотском протоколе установлены квоты на выбросы в атмосферу метана - газа, который присутствует в шахтах. Утилизация метана стала прибыльным бизнесом для многих предприятий, которые снижают уровень выбросов на шахтах, а затем продают свои квоты другим компаниям. Прибыль от таких проектов исчисляется десятками миллионов долларов.
Еще одна перспективная технология - газификация угля, которая активно развивается в Китае. Планируется, что до 2020 года в стране будет произведено 50 миллиардов тонн синтез-газа , что эквивалентно 25 миллиардам тонн природного газа, с учетом разницы в теплотворности. Причем по официальным данным себестоимость производства миллиона тепловых единиц синтез-газа почти вдвое дешевле стоимости миллиона тепловых единиц импортируемого в страну природного топлива. Возлагают надежды на синтез-газ и на Украине - в 2014 году он был включен украинским Минфином в список 8 альтернативных источников замещения импортного газа.
Уголь может заменить даже нефть: в настоящий момент в ЮАР функционируют несколько заводов, которые производят моторное топливо из угля. Подобные технологии используются достаточно давно. ЮАР начала развивать производство синтетических видов топлива еще в 80-е годы 20 века, когда санкции западных стран препятствовали импорту нефтепродуктов.