Камень зовут «черным алмазом» — горит, дарит тепло и свет, имеет (400) секретов как перевоплощаться в другие формы

Уголь называют «черным алмазом», как драгоценность —за неоценимую пользу человечеству. Черные камни были первыми, которые человек начал использовать в своей жизни для обогрева жилища. 

О ПОДАРКЕ ИЗ УГЛЕРОДА ОТ ПРИРОДЫ 

Современный мир ищет энергию, как тысячи лет тому назад искал ее древний мир. Источники энергии — основной нерв государственной жизни, залог развития страны и ее богатства.

В древности человек не умел владеть силами природы. Использовалась живая энергия, создаваемая людьми и животными. Десять рабов составляют одну лошадиную силу. Сейчас человечество использует энергию природы общей суммой в десятки миллиардов человеческих сил.

Миллионы лет в недрах Земли природа копила богатейшие запасы углерода в виде угля из остатков отмерших растений и животных. На дне крупных доисторических водоемов под действием сложных процессов творилось полезное богатство под именем Уголь.

Уголь активно используется и в нынешние времена, в топливно-энергетическом комплексе он состоит в первой тройке сырья наряду с нефтью и газом.  

ИСТОРИЯ РОЖДЕНИЯ ГОРЮЧЕГО КАМНЯ 

Ископаемые угли — топливо, созданное природой. Они состоят из остатков древних растений и битумных масс, которые подверглись целому ряду превращений в процессе опускания под землю на большие глубины.

Преобразование исходных веществ в эффективное топливо протекало при высоких температурах и в условиях дефицита кислорода под толщей земли. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода, накапливались остатки отмерших растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений) и животных.

В результате глубокого разложения органического вещества, без доступа кислорода, при высоких температурах, под воздействием бактерий и грибов растительные останки превращались (углефицировались) в торф — исходное сырье для образования угля. К ископаемым видам топлива относятся бурые и каменные угли, а также антрацит.

В зависимости от давления различных пород земной коры на толщи торфа формировались пласты угля:

• если толща осадков мощностью в 1 км оказывает давление на 20-метровый слой торфа, то получается пласт бурого угля толщиной 4 метра;
• если глубина погребения растительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра;
• на глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.

По оценкам ученых, возраст самого «молодого» слоя каменного угля составляет не менее 40 миллионов лет. Возраст самых древних образований оценивается примерно в 350 миллионов лет.

Залегают каменные угли в форме пластов и линзовидных залежей различной мощности (от долей метров до нескольких десятков и сотен метров) на разных глубинах (от выходов на поверхность до 2.500 м. и глубже). 

При современном уровне горной техники добыча каменного угля может производиться открытым способом до глубины 350 м.

На стадии превращения от бурых углей до антрацитов менялся химический состав, физические и технологические свойства органического вещества. При этом в горючей массе угля увеличивалось содержание углерода и одновременно уменьшалось количество кислорода, водорода, летучих веществ — улучшалось качество углей. 

ВИДЫ ПРИРОДНЫХ УГЛЕЙ И ИХ СВОЙСТВА 

Геологическая хронология образования твердых горючих полезных ископаемых представлена в таблице.

А). Бурый уголь – частично сформированная молодая порода бурого цвета, образовавшаяся из торфа, содержит 65-70% углерода. Залегает на глубине около 1 км. Низкая температура горения и невысокая теплоотдача.

Содержит много летучих примесей и повышенную влажность — до 40%. Воспламеняется при 250°С. Теплота сгорания составляет приблизительно 3600 ккал/кг. Температура горения достигает 1900 °С. Как энергоноситель в естественном виде уступает дровам, но устойчивым спросом пользуется брикетированное топливо. Бурый уголь в брикетах проходит специальную подготовку. За счет снижения влажности повышается его энергоэффективность. Теплоотдача топлива в брикетах достигает 5000 ккал/кг.

Залегание этих углей близко к поверхности, позволяет вести разработку открытым способом. Толщина пластов 10-60 м, на отдельных месторождениях мощность залежей 100-200 м.

Б). Каменный уголь — твёрдое горючее полезное ископаемое растительного происхождения, промежуточный между бурым углём и антрацитом. Порода плотная осадочная  чёрного, иногда cepo-чёрного цвета без блеска, дающая на фарфоровой пластинке чёрную черту. В органическом веществе содержится 75-92% углерода, 2,5-5,7% водорода, 1,5-15% кислорода, летучих примесей — до 30%, влаги не более 12%.

Температура горения в идеальных условиях достигает 2100°С, но в отопительной печи топливо сжигается максимум при 1000°С. Теплоотдача топлива составляет 7000 ккал/кг. Для воспламенения требуется нагрев до 400°С.

Каменноугольный энергоноситель чаще остальных применяется для обогрева жилых домов и зданий иного назначения.

Этот вид топлива не реагируют со слабыми щелочами ни в обычных условиях, ни под давлением. Битумы в угле представлены соединениями ароматической структуры. В них не обнаружены жирные кислоты и сложные эфиры. 

В). Антрацит — самое древнее твердое ископаемое топливо, которое практически не содержит влаги и летучих примесей, в составе отсутствуют битумы и другие углеводородные соединения. Максимальное содержание углерода — до 98%. Блеск полуметаллический, с коричневатым отблеском. Плотность 1.3-1.4 г/см³. Возраст таких пластов превышает 280 млн. лет, а глубина залегания достигает 6 км. 

Удельная теплоотдача топлива 8500 ккал/кг. В идеальных условиях сгорает при 2250°С. Воспламеняется с трудом — при температуре не менее 600°С,  сгорает голубым бездымным пламенем, дает много тепла. Применяется как промышленное топливо. Помимо высокой теплоотдачи к преимуществам антрацита относится низкая зольность и мало дымность.

ПРИМЕНЕНИЕ КАМЕННОГО УГЛЯ 

В качестве топлива уголь использовали еще за 3000 лет до нашей эры. Масштабная добыча началась во время промышленной революции. За все время черный уголь доказал свою полезность, и по-прежнему остается перспективным ископаемым.

В КАКИХ ОБЛАСТЯХ ЧЕРНЫЙ КАМЕНЬ НЕЗАМЕНИМ

К главным направлениям использования угля относятся:

1. Топливная промышленность — как бытовое  и энергетическое топливо, на тепловых станциях служит для получения электрической энергии;
2. Металлургия — перегонкой угля получают кокс для выплавки чугуна. Незаменимое топливо для работы металло-литейных предприятий; 
3. Химическая промышленность — из продуктов переработки угля используют пек, нафталин, фенол — основа для производства лаков, красок и пластмассы, в промышленных масштабах извлекают ванадий, германий, серу, галлий, молибден, цинк, свинец. 
4. Сельское хозяйство — из продуктов распада производят азотные удобрения для аграрной деятельности;
5. Транспортная сфера — для обслуживании железнодорожного транспорта и в дорожном строительстве.
6. Строительные материалы — зола от сжигания углей, отходы добычи и переработки используются в производстве стройматериалов (керамики, огнеупорного сырья, глинозема, абразивов). 

СЕКРЕТЫ ПЕРЕХОДА КАМНЯ В ДРУГИЕ ФОРМЫ

Благодаря переработке каменного угля методом коксования стало  возможно его применение практически во всех областях промышленности.   

Путем переработки в общей сложности можно получить более 400 наименований различных продуктов, стоимость которых, по сравнению, со стоимостью самого угля, возрастает в 20-25 раз, а побочные вещества, получаемые на коксохимических заводах, превосходят стоимость самого кокса.

При сухой перегонке угля путём нагревания в специальных коксовых печах без доступа воздуха до температуры 1000 °С в нем происходят изменения. Первоначально содержавшиеся в каменном угле вещества распадаются на газообразные, жидкие и твердые субстанции, которые отличаются от  состава сырья. К ним относятся:

А), Кокс —твердое пористое вещество серого цвета применяют для выплавки чугуна (доменный кокс), служит как топливо и восстановитель железной руды; в химической промышленности и цветной металлургии; 

Б). Коксовый газ — после ряда технологических операций по очистке от аммиака, сероводорода и цианистых соединений извлекают чистые товарные продукты: бензол, толуол, ксилолы и др.

Из непредельных соединений, содержащихся в сыром бензоле, получают кумароновые смолы, используют как основу для производства лаков, красок, линолеума и в резиновой промышленности.

Из коксового газа выделяют водород для синтеза аммиака, который затем используют для получения азотных удобрений, а также метан, бензол, толуол, сульфат аммония, этилен.

В). Каменноугольная смола — образуется при охлаждении летучих продуктов до 25-75^оС. Смола подвергается фракционной перегонке, в результате чего получают несколько фракций масел. В зависимости от температуры кипения масел в них содержатся:

— ароматические углеводороды (бензол, толуол, кислоты); 

— фенолы, нафталин; антрацен, фенантрен; нафталин и его гомологи; 

Г). Надсмольная вода, выделяется после образования смолы, является  важным источником получения аммиака. 

ПОЛУЧЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ТОПЛИВ ИЗ УГЛЯ  

Неуклонное истощение природных запасов и неизбежный рост цен на топливо привели к тому, что одним из перспективных направлений широкого использования низкосортных углей является получение из них синтетических газовых и жидких топлив. Производство синтетических топлив получается экологически намного безопаснее.  Они могут быть в разных видах:

• твердые — облагороженные или улучшенные топлива типа «чистый уголь», угольные брикеты, полукокс, термоуголь, автоклавированный уголь; 
• жидкие — котельное топливо (заменитель нефтяного мазута), моторные топлива и метанол;
• газообразные — представляют собой топливный газ, «заменитель природного газа» и синтез-газ.

Повышенная  экологическая чистота получается в результате:

— удаления из исходного угля вредных примесей, таких как сера и минеральные примеси;

—для «чистого угля» снижение выбросов SО₂ и твердых частиц при сжигании, повышение теплотворной способности по сравнению с исходным углем;

— брикетирование угольной мелочи для коммунально-бытовых целей. В некоторых случаях в брикеты вводят специальные химические добавки, снижающие выход смол, сажи, серы и других вредных продуктов при сжигании;

— повышение качества бурых углей достигается путем их облагораживания при пиролизе или обработке перегретым паром;

— замена природного газа на топливный — снижает содержание СО и токсичность, что позволяет широко применять этот газ в бытовых целях. 

СОВРЕМЕННАЯ АЛХИМИЯ

Попытки древних алхимиков превратить свинец в золото так и не увенчались успехом. Русские «алхимики» через 15 лет исследований нашли коммерчески выгодный способ получения золота из угля — пусть и совсем не большими порциями.

Ученые перехватили мельчайшие частицы золота во время горения. Для исключения потерь драгоценного металла дым,  образующийся при сгорании, проходит стократную систему очистки через фильтр. Осадок вымывается водой, а золото задерживается фильтром.

Из каждой тонны сжигаемого угля добывается 0,5 грамма золота. Стоимость такого объема драгоценного металла составит около 19 долларов.

Для реализации необычной технологии в действие, недалеко от реки Амур идет строительство предприятия. Ученые планируют использовать муниципальные котельные, которые сжигают от 8 до 10 тысяч тонн угля в сезон, а это потенциальные 10 килограмм золота. 

Процесс совершенствуется, исследователи верят, что смогут в будущем добывать один грамм золота из тонны угля.

ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ

А). За счет угля производится около 40% мировой электроэнергии.

Б). На первом месте по запасам угля находится США с 263 миллиардами тонн угля. На втором Россия — 173 миллиарда тонн. Третье место по добыче угля занимает Китай. Примерно 70% всей электроэнергии Китай получает за счет каменного угля. 

В). Алмаз и уголь твердые формы углерода. Алмаз — десятый (и последний) по твердости, согласно шкале Мооса, а уголь бурый – 1-2 (легко царапается ногтем), каменный – 2-2,5 (царапается ногтем и медью), антрацит – 3,5 (царапается медью, легко царапается ножом).

Г). Первая угольная шахта была открыта в Нидерландах в 1113 году. Функционирует — запасы данного месторождения еще не исчерпаны.

Д). Самые интересные находки в слоях угля – это стволы деревьев, которые залегают вертикально. Они часто пересекают большие толщи пород перпендикулярно к напластованию угля.

Е).  Для производства 1т нефти расходуется 2—3т каменного угля. В период эмбарго ЮАР практически полностью обеспечивала себя топливом за счёт сжижения (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива.

Ж). 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. 

З). В Германии в годы Второй мировой войны технологии газификации угля активно применялись для производства моторного топлива.

И). На основе углерода разрабатываются топливные элементы для космических кораблей.

К). Учеными (ФИАН) создан прототип быстродействующего лазерного спектрометра — чувствительность детектирования до 320 микросекунд. Предсказывает взрывы, выбросы метана в шахтах и другие катастрофические явления.