Наука і життя // Ілюстрації

Оптичні властивості твердих горючих копалин визначаються ступенем метаморфізму. Бурі і майже все кам'яне вугілля в тонких зрізах (шліфах) прозорі і під мікроскопом вивчаються в прохідному світлі.

У відбитому світлі можуть вивчатися вугілля і горючі сланці будь-яких стадій метаморфізму, а тому цей метод має відповідні переваги. У відбитому світлі, однак, колірна гамма досліджуваних вугілля і сланців скромніше - це відтінки сірого кольору.

Автор зі своїм учнем і співробітником - фізиком, кандидатом наук А. Л. Шпіцглузом - розробив метод обробки полірованій поверхні вугілля в низькочастотної аргоновой або кисневої плазмі, що дозволяє виявляти анатомічні деталі будови тканин вугіллі

<

>

Перше документальне свідчення систематичного використання вугілля в якості палива відноситься до Англії першої половини XIII століття. Промислова революція XVIII століття зробила вугілля в Великобританії основним джерелом енергії. Цю роль він зберіг до початку ХХ століття, коли на зміну йому прийшли нафту і природний газ. У 1900 році частка вугілля в загальному споживанні енергоресурсів становила 60%, в 1980-му - 27%, в 2000-му - 28%. Згідно з прогнозом, до 2020 року споживання вугілля знову збільшиться - до 32% і, ймовірно, далі буде зростати.

НАРОДЖЕННЯ ВУГІЛЛЯ

Живі організми зберігають свій біохімічний склад і форму тільки до тих пір, поки вони живі. Як тільки життя закінчується, вони негайно починають розкладатися. Причина цього, як встановив великий французький вчений Луї Пастер, - руйнівна діяльність мікроорганізмів, для яких органічна речовина стає місцем існування. Процеси розкладання (правильніше сказати - засвоєння) органічної речовини служать для бактерій джерелом енергії, що забезпечує їх життєдіяльність, і вуглецю для побудови тіла. Якщо немає природних факторів, що перешкоджають розкладанню, органічна речовина дуже швидко повністю знищується і від нього залишається лише невелика (кілька відсотків початкової маси) кількість міститься в ньому мінерального речовини. Що ж може запобігти повному розкладанню органічної речовини в природі?

Органічна речовина має шанси протистояти розкладанню, якщо його висушити (збезводнити). Відсутність вологи паралізує діяльність мікроорганізмів. Сухі рослинні і тваринні тканини зберігаються у викопному стані необмежено довго, чому є досить багато археологічних свідчень. Мумії фараонів збереглися до нашого часу завдяки не тільки мистецтву єгипетських жерців, а й сухого повітря всередині пірамід і гробниць. Ймовірно, так само зберігаються муміфіковані тіла ченців у Києво-Печерській лаврі.

Низькі (негативні) температури також перешкоджають розкладанню органічної речовини. Доказами в даному випадку можуть бути палеонтологічні знахідки - останки тварин і рослин у вічній мерзлоті. При температурах вічної мерзлоти зберігаються не тільки кістки, але і тіла тварин. Згадаймо, наприклад, знахідки мамонтів. Відомий «Березовський мамонт», виявлений мисливцями в стародавньому руслі річки Березівка ​​- притоки Колими, за розповідями учасників експедиції Петербурзької академії наук (1901-1902), зберігся настільки добре, що його м'ясом годували їздових собак.

Але найголовніша умова збереження органічних залишків - відсутність або дефіцит кисню. Справа в тому, що мікроорганізми, що використовують органічні речовини, є переважно аеробними, тобто можуть існувати тільки в середовищі з киснем. Там, де ця умова дотримується, вони ефективні і безжальні. У середовищах, де кисень відсутній або його мало, життєдіяльність аеробних бактерій неможлива. У цих випадках органічна речовина зберігається довго.

Обмежене вміст кисню підтримує водне середовище. У природних середовищах «безкисневі» умови виникають при похованні органічної речовини в товщі непроникних опадів (наприклад, в глинах) або у відкладеннях, що складаються з концентрованої маси органічної речовини (наприклад, в торфі або сапропелю).

Підкреслимо, саме дефіцит кисню в концентрованих скупченнях великих мас органічної речовини визначає його можливість перетворитися в горюча корисна копалина: тверде - вугілля і горючі сланці, рідке - нафта або газоподібне - горючий газ. Такі перетворення геологи називають метаморфізмом (від грец. Metamorphoomai - піддаюся перетворенню). Вони йдуть протягом десятків і сотень мільйонів років в умовах високих тисків і температур в глибинах земної кори, куди органічна речовина потрапляє разом з іншими породами в результаті тектонічних процесів.

Органічне речовина вугілля і горючих сланців утворюється при поєднанні сприятливих умов: вологий теплий клімат, сильно зволожені ґрунти, вологолюбна і рясна рослинність. Подібні умови існують в торф'яних болотах і донних відкладах озер і морських лагун. У торф'яних болотах джерелом органічної речовини служать вищі рослини: трави, чагарники, дерева; в донних відкладеннях озер і лагун - переважно водорості. Болота, озера і лагуни - малорухливі водні середовища, тому в них органічна речовина залишається на місці загибелі і поховання, не переноситься, що не подрібнюється і не змішується з мінеральним матеріалом. Занурення земної кори при цьому - обов'язкова умова. Воно забезпечує накопичення великих мас органічної речовини, подальший перехід його в викопне стан і в кінцевому рахунку формування родовищ вугілля і сланців.

Товщина (геологи кажуть «потужність») утворюються в подібних умовах скупчень органічної речовини іноді величезна. Так, наприклад, вугільний пласт на родовищі Хат-Крік (Канада) має потужність 475 м (!). Це вказує на те, що перераховані вище сприятливі умови зберігалися тривалий час - мільйони років, протягом яких земна кора стійко опускалася зі швидкістю накопичення торфу. З іншого боку, окремі прошарки вугілля в осадових відкладеннях можуть мати потужність всього кілька сантиметрів. Це наслідок того, що сприятливі умови виникали лише на короткий час. Відзначимо, що найменш потужні вугільні пласти, які економічно доцільно розробляти, мають потужність 0,5-0,6 м, як, наприклад, в Донецькому басейні.

Які ж результати природних процесів, що забезпечують накопичення та збереження органічної речовини в земній корі?

За всю геологічну історію Землі на її поверхні збунтувався шар осадових порід середньої потужності близько 1 км. Приблизно 2% цього шару, тобто близько 20 м, - викопне органічне речовина. З цього шару на вугілля припадає 5 см, на нафту - близько 1 мм. Решта органічна речовина знаходиться в розсіяному стані, тобто його концентрація в породах становить десяті й соті частки відсотка, і воно не є корисною копалиною. Наведені цифри можна оцінити і по-іншому. Підраховано, що в породах земної кори міститься близько 3,8x1015 т органічної речовини. Загальна маса вугілля, яка представляє собою концентроване органічне речовина, становить приблизно 15x1012 т. З них достовірно розвідані і технічно доступні запаси вугілля рівні 1,5x1012 т. За весь час розробки вугільних родовищ вилучено з надр і використано 205 млрд т вугілля (за оцінками 2004 року). В даний час щорічно видобувається приблизно 5 млрд т. Таким чином, забезпеченість світової економіки вугіллям - понад 300 років. Для порівняння - забезпеченість нафтою оцінюється трохи більше ніж 50 років, природним газом - приблизно 70 років.

ЗАГАДКОВЕ СЛОВО «МАЦЕРАЛ»

Опис і походження компонентів, з яких складаються вугілля і горючі сланці, - частина науки про вугілля, звана петрологію. Початок цієї науки належить англійським палеоботаніком Мері Стопс в 1919 році, яка, вивчаючи вугілля під мікроскопом, виявила їх неоднорідність і назвала ці компоненти мацералов (лат. Macerare - размягчать). В даний час прийнято виділяти три основні групи мацералов: вітрінітом, інертініти і липтинитов. Всі вони являють собою фрагменти тіл вищих рослин, але перші два мацерала ведуть своє походження від тканин стовбурів дерев (деревини і серцевини) і стебел трав, а останній - від кори, оболонок суперечка і пилку, покривних тканин листя (кутикули), пробки, кори і смоли. Незважаючи на гадану загадковість назв мацералов, вони просто характеризують їх деякі властивості.

Витринитом утворені тканинами рослин, перетворених мікроорганізмами в водному середовищі боліт. Ці перетворення переводять рослинні тканини в органічний гель. Мацерал вітрини (від лат. Vitrum - скло) утворюється з основних тканин (деревини, серцевини) вищих рослин при їх розкладанні мікроорганізмами в водному середовищі торфу. В результаті виникає органічний гель. У вугіллі він має скляний блиск, звідси його назва. Інертініт отримав назву завдяки своїй хімічній інертності. Цей мацерал зовні і за хімічним складом нагадує звичайний деревне вугілля - він чорного кольору, м'який (маже руки), має волокнисту будову. Звідси інша його назва - фюзініт (франц. Fusain - сажистий).

Нарешті, ліптініт. Назва цього мацерала має «хімічне» походження. У його складі переважають органічні сполуки - ліпіди. До них відносяться жири, масла, жирні кислоти, воски та деякі інші сполуки, загальне властивість яких - здатність розчинятися в органічних розчинниках і нерозчинність у воді. Ліпіди надають рослинним тканинам стійкість проти бактерій, що пояснює їх високу концентрацію в покривних тканинах.

На відміну від вугілля горючі сланці утворилися в результаті геохімічних перетворень органічної речовини в донних відкладеннях озер і лагун, збагачених залишками водоростей - головного мацерала горючих сланців. Зміст органічної речовини в сланцях зазвичай кілька десятків відсотків, рідко - до 50-60%. Ресурси горючих сланців оцінюються в 450 трлн т. Оскільки найбільш перспективним напрямком промислового використання горючих сланців є отримання при нагріванні без доступу повітря так званої сланцевої смоли, близької за складом до нафти, ресурси сланців зазвичай оцінюються як ресурси смоли, яка може бути з них отримано. А це 24,6 трлн т. Відзначимо, що, за сучасними оцінками, ресурси самої нафти становлять 0,4 трлн т.

Крім органічних мацералов до складу будь-яких вугілля входять мінеральні компоненти. Найчастіше це глина, кварц, польові шпати, слюди, карбонати (кальцит), сульфіди заліза (пірит, марказит). Зміст мінеральних компонентів визначає зольність вугілля (відносну масу мінерального залишку, що залишається після спалювання) - найважливішу технічну характеристику палива.

Особливість викопного органічного речовини, в тому числі вугілля, горючих сланців і їх мацералов, - залежність їх фізичних і хімічних характеристик від ступеня метаморфізму. Метаморфізм - це зміна складу і структури гірських порід під впливом температури і тиску земних надр. Найбільш чутливий до змін температури і тиску складу органічної речовини. Тому за ступенем його зміни геологи оцінюють стадії метаморфізму вугілля і вміщають їх гірських порід.

Зміна вугілля при метаморфізмі рішучим чином змінює не тільки їх хімічні та фізичні, а й технологічні властивості. Вугілля ділять на буре і антрациту. Використовується також більш детальне поділ вугілля на марки. Для визначення марок вугілля введений особливий показник - вихід летючих речовин. При нагріванні без доступу повітря до температури 700-800˚C органічна речовина вугілля розкладається з утворенням газоподібних органічних сполук (летючих речовин). Маса які утворилися газоподібних продуктів залежить від ступеня метаморфізму. Тому вона служить індикатором стадії метаморфізму, яка і позначається як марка вугілля. Стадія метаморфізму (марка) визначає можливості використання вугілля в тих чи інших промислових технологіях.

ВУГІЛЛЯ В СВІТІ СУЧАСНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Енергетика. Велика частина видобутого в світі вугілля спалюється для одержання тепла або механічної енергії, що перетворюється в подальшому в електричну. В даний час на великих вугільних теплових електростанціях вугілля перед спалюванням подрібнюється до тонкого пилу і подається в топку через пальники разом з повітрям. Цим досягається найбільш повне спалювання палива.

Спалюються вугілля всіх марок. Справедливо вважається, однак, що спалювати слід тільки таке вугілля, який не може бути використаний в інших, більш «інтелектуальних» областях. При цьому він повинен мати зольність не більше 40-50% і вміст сірки не більше 3,0-3,5%. Справа в тому, що сірка знаходиться в куті найчастіше в складі сульфідів заліза FeS2. При високих температурах спалювання вони розкладаються з утворенням газоподібних оксидів сірки - SO2 і SO3. Ці сполуки в складі димових газів потрапляють в атмосферу і стають серйозним фактором забруднення природного середовища, особливо повітря. Оксиди сірки надзвичайно шкідливі для здоров'я людини, тому їх граничні концентрації строго нормуються (див. «Наука і життя» № 10, 2008 р.)

Термохімічна переробка. Головні продукти термохімічної переробки вулик - кокс, напівкокс, горючий газ і кам'яновугільна смола. На відміну від спалювання термохімічна переробка - процес, що відбувається при нагріванні вугілля без доступу повітря. Коли цей процес йде без додавання будь-яких спеціальних реагентів, він називається піролізом. До процесів цього типу відносяться коксування і напівкоксування.

Коксування. Мета процесу - отримання коксу для виплавки чавуну з залізовмісних руд. Роль коксу в металургійному процесі визначається здатністю вуглецю, що міститься в коксі (94-96%), відновлювати залізо, яке перебуває в руді в формі оксидів (Fe2O3, Fe3O4), до елементного стану. При цьому кокс одночасно і джерело тепла для нагріву руди до температури порядку 1000˚С.

Лише приблизно 10% видобутих в світі вугілля годяться в якості сировини для виробництва металургійного коксу - це кам'яне вугілля тільки певних «коксівних» марок, вони ж - найцінніші і дорогі вугілля. Світова ціна тонни коксівного вугілля (за даними 2006 року) - 40-50 дол. Для порівняння: енергетичного вугілля - 30-40 дол.

Полукоксованіє - процес термічної переробки, в результаті якого отримують напівкокс, смолу і газ. Полукоксованіє вугілля відомо з середини XVIII століття, коли його застосовували для отримання освітлювального масла, а пізніше - газу. Процес йде в спеціальних печах, без доступу повітря, при температурі 500-550˚С. Напівкокс використовується як високоякісне бездимний паливо і як відновник в деяких металургійних процесах. Смола, що представляє собою складну суміш органічних речовин, переробляється для одержання ряду хімічних продуктів, наприклад нафталіну, антрациту, фенолу і рідкого палива. Газ - сировина для хімічного синтезу і паливо.

Для полукоксования придатні буре вугілля, особливо збагачені мацералов групи липтинита.

Технологія використовується також для отримання сланцевої смоли з горючих сланців.

Гідрогенізація - процес, в ході якого відбувається переробка вугілля в рідкий продукт, близький за властивостями до природного нафти і тому іменується синтетичної нафтою. Сутність процесу полягає в тому, що при температурі 400-500˚С і тиску 10-20 МПа вугілля (бурі і нізкометаморфізованние кам'яні) переходять в рідкий стан. Водень вводиться в процес в складі спеціальних пастообразователей - продуктів переробки нафти або кам'яновугільної смоли. Насичення рідкого продукту воднем (лат. Hydrogenium) і дає процесу назву «гидрогенизация».

Зрідження вугілля виробляється за участю каталізаторів. Подальша переробка отриманих рідких продуктів в авіагас, бензин, дизельне паливо, різні хімікати відбувається за технологією переробки нафти.

Ще один спосіб отримання рідких продуктів з вугілля відомий як процес Фішера - Тропша. Перша його стадія - газифікація, тобто нагрівання вугілля без доступу повітря з отриманням так званого синтез-газу (СО + Н2). Потім синтез-газ перетворюють в суміш важких парафінів (синтетичні воски) при температурі 200 ˚ і тиску близько 20 атм у присутності каталізаторів. Далі важкі парафіни «облагороджують», отримуючи цілий ряд продуктів, головний з яких дизельне паливо.

Газифікація. Кінцева мета термічної переробки вугілля в даному випадку - отримання газоподібного продукту: вуглець вугілля переходить в основному в монооксид вуглецю (СО); розкладання органічної речовини дає молекулярний водень (Н2).

Пріваблівість газіфікації складається в возможности использование вугілля будь-якіх марок и вісокої зольності. Газ, отриманий термічною переробкою вугілля, застосовується як побутове паливо і вихідна сировина для деяких хімічних і металургійних технологій.

У колишні часи горючий газ застосовувався для вуличного освітлення. У романах Ч. Діккенса та інших авторів тих часів часто згадується «газовий світло». У XIX столітті природний газ ще не видобувався і світильний отримували газифікацією вугілля.

У 1888 році Д. І. Менделєєв запропонував спалювати вугілля в його природному заляганні в надрах без вилучення на поверхню. Нагрівання без доступу або при дефіциті повітря в надрах призводить до термічного розкладання вугілля, утворення газоподібних горючих компонентів, які можуть бути виведені на поверхню за технологією розробки та експлуатації природних газових родовищ. Однак ця блискуча ідея не реалізована досі - труднощі підтримки рівномірного горіння вугільних пластів в надрах досі стоїть на перешкоді до впровадження підземної газифікації.

«Вугільні» історії

● Історія «винаходи» коксу налічує дві сотні років. Задовго до промислової революції в Англії розроблялися багаті поклади кам'яного вугілля, який використовувався майже винятково для опалення будинків. Плавка руди проводилася на деревному вугіллі. В остаточному підсумку це стало гальмом для виробництва заліза, так як плавка вимагала величезної кількості дров: на переробку однієї тонни руди - майже 40 кубометрів. У зв'язку з зростаючим виробництвом заліза виникла загроза знищення лісів. Країна змушена була ввозити метал з-за кордону, головним чином з Росії та Швеції. Спроби застосувати для виплавки заліза викопний кам'яне вугілля довгий час були безуспішними. Тільки в 1735 році заводчик Абрагам Дербі після багаторічних дослідів знайшов спосіб виплавляти чавун, використовуючи коксівне кам'яне угль. Однак остаточно проблема заміни деревного вугілля кам'яним була вирішена значно пізніше, коли знайшли спосіб використання викопного вугілля для перетворення чавуну в залізо і сталь. Спроби замінити кокс в металургії будь-яким іншим матеріалом до сих пір не мають успіху. Існує, правда, електрохімічний спосіб відновлення заліза, який, однак, має обмежене застосування. Тому для багатьох країн проблема коксу залишається актуальною. Прикладом може бути Японія, потужна металургія якої базується на привізній коксівне вугілля, здебільшого з Південно-Якутського і Кузнецького вугільних басейнів Росії.

● Історія появи штучного рідкого палива почалася з появою автомобілів, переходом флоту на мазут і нафту, авіації - на бензин. Країнам, які не мають власних нафтових родовищ, довелося зайнятися розробкою технологій отримання штучного моторного палива. Німецькі інженери Франц Фішер і Генріх Тропш розробили таку технологію, названу їх іменами. Перед Другою світовою війною в Німеччині було побудовано 9 заводів з виробництва синтетичного рідкого палива. Під час війни продукцією цих заводів забезпечувалися механізовані частини вермахту. У повоєнний час дешева близькосхідна нафту істотно знизила інтерес до штучного палива всюди, крім Південно-Африканської Республіки (ПАР). Не маючи власних джерел нафти і перебуваючи в міжнародній ізоляції в зв'язку з панівною в країні ідеологією расового апартеїду, уряд закупило пакет технологій виробництва штучного рідкого палива - спочатку на основі вугілля, а пізніше на основі природного газу. У 1950 році в ПАР була заснована компанія «Sasol», яка до 1990-х років залишалася монополістом у цій галузі. Нафтова криза початку 1990-х років відродив інтерес до проблеми синтетичного рідкого палива, що призвело до вдосконалення технологій синтезу і розробці нових каталізаторів процесу.

література

Голіцин М. В., Проніна Н. В., Баженова О. К. та ін. Вугілля, нафта і газ - світові ресурси, видобуток, використання. Геологія вугільних родовищ // Міжвузівський науковий тематичний збірник. Вип. 16. - Єкатеринбург: Изд-во Уральського держ. гірничого ун-ту, 2006. - С. 23-38.

Петрологические атлас викопного органічного речовини Росії / Гл. ред. О. В. Петров. - СПб .: Изд-во ВСЕГЕИ, 2006. - 604 с.

Кізільштейн Л. Я. Геохімія і термохімія вугілля. - Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовського ун-ту, 2006. - 288 с.

Осадчий А. Удар з-під землі // Наука і життя, 2010, № 7.