Каменный уголь

Каменный уголь — это твёрдое горючее полезное ископаемое осадочного происхождения, представляющее собой продукт глубокого метаморфизма остатков древних растений. Относится к группе каустобиолитов (горючих ископаемых органического происхождения) и является одним из основных видов ископаемого топлива, наряду с нефтью и природным газом. Каменный уголь занимает промежуточное положение между бурым углём и антрацитом по степени углефикации (метаморфизма) и содержанию углерода.

Происхождение и история

Образование

Каменный уголь образовался в палеозойскую эру, преимущественно в каменноугольный (карбон) и пермский периоды, около 300–360 миллионов лет назад. Исходным материалом послужили остатки высших растений — древовидных папоротников, плаунов, хвощей и первых голосеменных, накапливавшихся в болотистых лесах и прибрежных зонах. В условиях недостатка кислорода и высокой влажности растительная масса не разлагалась полностью, а превращалась в торф. Впоследствии торфяные слои перекрывались осадочными породами, под воздействием повышенного давления и температуры (метаморфизма) происходило обезвоживание, уплотнение и обогащение углеродом. В результате последовательно образовывались бурый уголь, затем каменный уголь и, при дальнейшем метаморфизме, антрацит.

История добычи и использования

Использование каменного угля человеком началось в древности. Первые упоминания о его применении в Китае относятся к IV веку до н. э. В Европе уголь начали добывать в XII–XIII веках в Англии, Шотландии и Бельгии. Массовое промышленное освоение началось в XVIII веке в связи с изобретением паровой машины и развитием металлургии. Каменный уголь стал основным источником энергии для паровозов, пароходов, заводов и электростанций. В XIX — первой половине XX века угольная промышленность была ведущей отраслью топливно-энергетического комплекса многих стран, включая Российскую империю, Великобританию, Германию и США. В России первая промышленная добыча угля началась в 1722 году на Донбассе (Лисичанский рудник). К концу XX века доля угля в мировом энергобалансе снизилась из-за конкуренции с нефтью и газом, однако он остаётся важным источником энергии, особенно в Китае, Индии, России и США.

Классификация и виды

По степени метаморфизма

Каменный уголь подразделяют на несколько технологических марок в зависимости от содержания углерода, выхода летучих веществ и спекаемости:

Длиннопламенный (Д) — низкая степень метаморфизма, высокий выход летучих веществ (более 35%), неспекающийся или слабоспекающийся. Используется в энергетике.
Газовый (Г) — средняя степень метаморфизма, выход летучих 28–35%, обладает спекаемостью. Применяется в коксохимии и энергетике.
Жирный (Ж) — повышенная спекаемость, выход летучих 20–28%. Основное сырьё для коксования.
Коксовый (К) — высокая спекаемость, выход летучих 18–25%. Ценный сорт для металлургии.
Отощённо-спекающийся (ОС) — пониженная спекаемость, выход летучих 14–22%.
Тощий (Т) — низкий выход летучих (8–18%), неспекающийся. Используется в энергетике.
Антрацит (А) — наивысшая степень углефикации, содержание углерода до 95–97%, выход летучих менее 8%. Горит без дыма, даёт высокую температуру. Применяется в металлургии, фильтрации воды, производстве электродов.

По размеру кусков

Плитный (П) — более 100 мм
Крупный (К) — 50–100 мм
Орех (О) — 25–50 мм
Мелкий (М) — 13–25 мм
Семечко (С) — 6–13 мм
Штыб (Ш) — менее 6 мм

Состав и свойства

Химический состав

Каменный уголь состоит из органической массы (углерод, водород, кислород, азот, сера) и минеральных примесей (зола). Типичный состав органической части (в процентах по массе):

Углерод: 75–92%
Водород: 4–6%
Кислород: 2–15%
Азот: 1–2%
Сера: 0,5–3%

Зольность варьируется от 5% до 40% и более. Влажность каменного угля обычно составляет 2–10%.

Физические свойства

Цвет: от чёрного до серовато-чёрного, иногда с металлическим блеском (антрацит).
Твёрдость по шкале Мооса: 2–3 (для антрацита — до 4).
Плотность: 1,2–1,5 г/см³.
Теплота сгорания: 24–35 МДж/кг (для антрацита до 36 МДж/кг).
Электропроводность: низкая, но антрацит обладает полупроводниковыми свойствами.

Добыча

Способы добычи

Открытый (карьерный) способ — применяется при залегании угольных пластов на глубине до 100–200 метров. Вскрышные породы удаляются, уголь извлекается экскаваторами, драглайнами и бульдозерами. Обеспечивает до 60–70% мировой добычи.
Подземный (шахтный) способ — используется при глубоком залегании (от 200 до 1500 метров). Сооружаются вертикальные или наклонные стволы, проходятся штреки и лавы. Добыча ведётся комбайнами, отбойными молотками или взрывным способом. Более трудоёмкий и опасный метод.

Крупнейшие угольные бассейны мира

Кузнецкий (Кузбасс) — Россия, крупнейший в стране, добыча около 250 млн тонн в год.
Донецкий (Донбасс) — Украина, Россия (Ростовская область), один из старейших.
Печорский — Россия (Республика Коми, Ненецкий АО).
Канско-Ачинский — Россия (бурый уголь, открытая добыча).
Аппалачский — США.
Рурский — Германия (закрыт в 2018 году).
Шаньси — Китай, крупнейший угольный регион мира.
Иллинойсский — США.
Верхнесилезский — Польша.

Крупнейшие страны-производители (2023 год)

Китай — около 4,7 млрд тонн
Индия — около 1,0 млрд тонн
Индонезия — около 0,8 млрд тонн
США — около 0,6 млрд тонн
Россия — около 0,4 млрд тонн
Австралия — около 0,4 млрд тонн

Применение

Энергетика

Основное направление использования — сжигание на тепловых электростанциях (ТЭС) для производства электроэнергии и тепла. На долю угля приходится около 35–40% мировой выработки электроэнергии. В России угольные ТЭС обеспечивают около 15–20% энергобаланса.

Металлургия

Каменный уголь коксующихся марок (Г, Ж, К, ОС) используется для производства кокса — основного топлива и восстановителя в доменном процессе получения чугуна. Коксование происходит в коксовых печах при температуре 900–1100 °C без доступа воздуха. Побочные продукты — коксовый газ, каменноугольная смола, бензол, аммиак — служат сырьём для химической промышленности.

Химическая промышленность

Из каменного угля получают:

Каменноугольную смолу (сырьё для фенолов, нафталина, креозота, пека)
Бензол, толуол, ксилолы (ароматические углеводороды)
Аммиак (для удобрений)
Серную кислоту
Активированный уголь (адсорбенты, фильтры)
Синтетические газы (гидрогенизация угля)

Прочие сферы

Бытовое отопление (в регионах без газификации)
Производство углеродных волокон и композитов
Изготовление чёрных красок, пигментов
Водоочистка (активированный уголь)

Экологические аспекты

Воздействие на окружающую среду

Добыча и сжигание каменного угля связаны с рядом экологических проблем:

Выбросы в атмосферу: при сжигании выделяются углекислый газ (CO₂), диоксид серы (SO₂), оксиды азота (NOₓ), твёрдые частицы (зола, сажа). Угольные ТЭС являются одним из крупнейших источников парниковых газов.
Кислотные дожди: соединения серы и азота, попадая в атмосферу, образуют кислоты, выпадающие с осадками.
Загрязнение вод: шахтные воды содержат взвешенные вещества, соли тяжёлых металлов, серную кислоту (кислотный дренаж).
Нарушение земель: открытые разработки приводят к уничтожению почвенного покрова, изменению ландшафта, оседанию грунта.
Радиационный фон: некоторые угли содержат примеси урана, тория и других радиоактивных элементов, что при сжигании приводит к выбросу радионуклидов.

Меры снижения вреда

Установка электрофильтров и скрубберов для очистки дымовых газов
Использование технологий «чистого угля» (газификация, сжигание в кипящем слое)
Улавливание и захоронение CO₂ (CCS — carbon capture and storage)
Рекультивация земель после закрытия карьеров и шахт
Переход на более экологичные виды топлива (природный газ, ВИЭ)

Интересные факты

Самая глубокая шахта по добыче каменного угля в России — «Комсомольская» (Воркута, глубина около 1100 м).
В 2023 году мировая добыча угля достигла рекордного уровня — около 8,7 млрд тонн.
Каменный уголь используется не только как топливо, но и как сырьё для производства синтетического жидкого топлива (технология Fischer-Tropsch).
В России около 30% балансовых запасов каменного угля сосредоточено в Кузбассе.
Антрацит, благодаря высокой теплотворной способности и низкому содержанию серы, считается наиболее качественным видом угля.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →