Для отопления домов издавна использовалась древесина, но чтобы постоянно поддерживать горение необходимо подкладывать поленья снова и снова. С развитием угледобывающей промышленности все больше людей стало использовать каменный уголь: он дает больше тепла, горит дольше. При правильной закладке печи порция угля, засыпанного в котел с вечера, будет поддерживать стабильную температуру всю ночь.
История образования каменного угля и его виды
Весь процесс образования угля можно разделить на два основных этапа: формирование торфа и собственно процесс углефикации – преобразования торфа в уголь.
Торф формировался на обширных покрытых водой пространствах из растительных остатков разной степени разложения. Часть растений перегнивала полностью до гелеобразного состояния, часть - сохраняла свое клеточное строение. Их остатки скапливались на дне водоемов, которые постепенно превращались в болота. Обязательное условие, необходимое для формирования торфа, - отсутствие кислорода. Под толщей воды кислорода было мало, при разложении остатков выделялся сероводород, метан и углекислота, которые способствовали затвердению остатков. Образовывался торф.
Но не все торфяники преобразовывались в уголь. Для процесса углефикации необходимо: высокое давление, высокая температура и большой промежуток времени. В зависимости от наличия этих условий и происходило или нет образование каменного угля. Сначала торф заносился осадочными породами, что увеличивало давление и повышало температуру внутри торфяного слоя. В таких условиях образовывался бурый уголь – первая ступень углефикации. В некоторых областях происходило смещение пластов, в результате которых пласты бурого угля опускались (некоторые из обнаруженных месторождений находятся на глубине более 6000 метров). Местами эти процессы сопровождались подъемом магмы и извержениями вулканов. Высокое давление, отсутствие кислорода и высокие температуры способствовали тому, что влаги и природных газов в буром угле становилось все меньше, углерода все больше. По мере вытеснения воды и газов, бурый уголь превращался в битуминозный, затем, при наличии высокой температуры, в антрацит. Основное отличие бурого угля от каменного: в буром угле содержится больше влаги и природных газов и меньше углерода, что влияет на количество выделяемого при горении тепла.
Сегодня возраст угольных залежей определяется по растительным остаткам. Самые древние датируются каменноугольным периодом (345-280 миллионов лет назад). В это период сформировалось большая часть угольных бассейнов северной Америки (восток и центр США), центра и запада Европы, юга Африки, Китая, Индии. В Евразии большая часть угольных месторождений формировалась в Пермский период, некоторая часть небольших угольных бассейнов в Европе датируется Триасовым периодом. Увеличивается активность углеобразования к концу Юрского периода и в Меловом. Примерно в это время были сформированы залежи на востоке Европы, в Скалистых горах Америки, в Индокитае и центре Азии. Позже формировались в основном бурые угли и залежи торфа.
Виды угля
Уголь классифицируют в зависимости от содержания влаги, природных газов и углерода. С повышение количества углерода повышается его теплотворная способность. Чем меньше влаги и летучих веществ (газов), тем лучше он переносит хранение и транспортировку.
Лигнит - уголь первой стадии углефикации. Он отличается от бурого угля меньшим количеством воды (45%) в составе и большим выделением тепла. Структуру имеет волокнистую, цвет - от коричневого до черного (более высокого качества). Чаще всего используется в энергетике (на теплоэлектростанциях) для отопления частных домов используется редко, так как плохо хранится и имеет невысокую теплотворную способность в обычных печах.
Суббитоминозный уголь - цвет черный, менее выраженная волокнистая структура, более высокая по сравнению с лигнитом теплотворность, меньшее содержание влаги (30%). При перевозке крошится, а на открытом воздухе выветривается. При сгорании выделяет 5-6 кВт/кг. Используется как в энергетике, так и в ЖКХ для отопления.
Битуминозный уголь отличается самой высокой теплотворной способностью, не теряет своих качеств при транспортировке и хранении. Выделяет при горении 7-9 кВт/кг тепла. Некоторые его виды используют для коксования.
Антрацит - уголь смоляно-черного цвета. Отличается самым высоким содержанием углеводорода. Его тяжело разжечь, но горит долго и без копоти, выделяет большое количество тепла (более 9 кВт/кг). Именно антрацит чаще других используется для отопления.
Какой уголь используют для отопления
В России и странах СНГ действует система, принятая еще в 1988 году. Классифицируют уголь согласно ГОСТ 25543-88, который подразделяется на 7 категорий. Для отопления используют только некоторые:
Длиннопламенный уголь (Д). Свое название получил благодаря длительному процессу горения с выделением большого количества тепла (5600-5800 ккал/кг). Для его розжига и горения не требуется специального обдува, потому длиннопламенные угли часто используются в бытовых котлах на твердом топливе. В зависимости от размеров бывает:
- ДПК - плитный крупный - размеры кусков 50-200 мм;
- ДПКО - плитный кулак-орех - размеры кусков 25-100 мм;
- ПО - орех - 26-50 мм;
- ДМ - мелкий - размеры 13-25 мм;
- ДС - семечка - 6-13 мм;
- ДР - рядовой - нет стандартных размеров.
Длиннопламенный уголь - оптимальный для отопления: пламя длинное (похожее «выдают» дрова), выделяется много тепла, разжигается и горит легко - для нормального горения достаточно естественной тяги. Относительно невысокая его стоимость в сочетании с отличными характеристиками и обусловили популярность этой марки угля. Его закупают не только для отопления частных домов, но и для котельных образовательный и медицинских учреждений. Причем используется топливо любой фракции: от крупных «К» до мелких «М».
Длиннопламенный газовый (ДГ). Отличается от марки Д большей теплотворной способностью. Используют для отопления частных домов все фракции: от «крупный» до «рядовой». Более требователен чем длиннопламенный к условиям хранения, т.к. более интенсивно выветривается.
Антрацит (А). Выделяет много тела, имеет малую зольность (зольный остаток 10%), горит долго и ровно, дым при горении - белый (все остальные марки «дают» черный дым). Несмотря на высокие показатели однозначно рекомендовать его для отопления частных домов нельзя: антрацит имеет высокую стоимость и его тяжело разжигать.
В некоторых случаях покупают тощие угли «Т», жирные «Ж» или слабоспекающиеся «СС». Остальные классы имеют преимущественно промышленное использование. Их используют в энергетике и металлургии, некоторые марки для коксования и обогащения. При выборе угля нужно обращать внимание не только на его характеристики, но и на стоимость доставки. Если в вашем регионе не продают длиннопламенный или антрацит, то скорее всего вам придется обходится тем, что представлен на рынке. Обращать внимание нужно и на рекомендации производителей вашего котла: в документах обычно указываются марки, под которые проектировалось оборудование. Их и нужно использовать.
Для повышения комфортности и в целях экономии многие предпочитают иметь несколько фракций: растапливать удобнее фракцией «орех» или «крупный», а на длительное горение засыпать «семечко». На самые холодные периоды запасают некоторое количество антрацита, который хоть и тяжело разжигается, но в разогретом котле горит долго и жарко.
Коксующий и обогащенный угли проходят специальную обработку для увеличения теплотворной способности. Используются эти виды в металлургии и энергетике. Для бытовых котлов такое топливо не подходит: из-за чрезмерно высокой температуры горения печь может разорвать.
Если послушать людей с опытом, то говорят, лучший эффект дает следующая последовательность засыпки топлива в котел: растопить длиннопламенным, затем засыпать антрацита фракции «орешек» - он долго горит вы дает много тепла, а на ночь печь добавить «семечки», которая будет гореть до утра.
Порядок растопки кирпичных печей рекомендуют другой: растапливают печь дровами, когда хорошо разгорится, засыпают «семечкой» или (поддувало и заслонку открыть для лучшего поступления кислорода). Если в семечке много пыли, ее можно смочить водой - так она разгорается легче. Когда жара в печи достаточно, можно использовать «кулак».
Что такое древесный уголь и для чего он используется
Древесный уголь используется людьми уже много тысяч лет назад: его находили при раскопках в поселениях пещерных людей. Вряд ли они изготавливали его сами, скорее собирали на пожарах или сохраняли остатки костров, но, видимо, знали о его свойствах и умели пользоваться.
Сегодня в нашей стране этот вид топлива используется большей частью для приготовления пищи: его используют в мангалах и барбекюшницах, подкладывают в костры. Иногда используют для каминов: горит он долго, выделяет много тепла (7800 ККл/кг), а дыма и копоти почти не образуется. Оставшаяся зола является отличным удобрением и используется для удобрения лесных угодий или сельскохозяйственных полей. Зола древесного угля применяется также для производства удобрений.
В промышленности древесный уголь используют для выплавки чугуна. Для производства тонны сплава требуется всего 0,5 тонны этого топлива. При этом чугун получает повышенную стойкость к коррозии и прочность. Как флюс используют каменный уголь при выплавке латуни, бронзы, меди, марганца, цинка и никеля. Из него изготавливают твердую смазку для машиностроения, используют для шлифовки в приборостроении и полиграфии и т.д. Из древесного угля изготавливают фильтры разного назначения.
Сегодня древесный уголь начинают рассматривать как альтернативу традиционному топливу: в отличие от каменного угля, нефти и газа он относится к возобновляемым материалам. Причем современные технологии позволяют получать древесный уголь даже из отходов промышленности: из опилок, трухи, кустарников и т.п. Из такого измельченного сырья формируют брикеты, которые дают в 1,5 раза больше тепла, чем обычный древесный уголь. При этом тепло выделяется более продолжительный промежуток времени и жар получается равномерный.
Как делают древесный уголь
До 20 века древесный уголь получали, сжигая древесину или кучах специальной формы. В них укладывали древесину, засыпали ее землей, поджигали через проделанные специальные отверстия. Такая технология общедоступна и по сегодняшний день используется в некоторых странах. Но имеет она малую эффективность: на 1 кг угля уходит до 12 кг древесины, к тому же невозможно контролировать качество получаемого древесного угля. Следующим этапом развития углежжения стало использование в земляных печах трубы. Такое усовершенствование подняло эффективность процесса: на килограмм уходило 8 кг леса.
В современных углевыжигательных аппаратах на килограмм продукта затрачивается 3-4кг сырья. При этом обращается большое внимание на экологичность процесса: при производстве древесного угля в атмосферу выделяется много дыма, сажи и вредных газов. Современные установки выделяемые газы улавливают, направляют в специальные камеры, где он используется для нагревания печи до температуры коксования.
Преобразование древесины в древесный уголь происходит в бескислородной атмосфере при высокой температуре (реакция пиролиза). Весь процесс поделен на три этапа:
- при 150 о С происходит удаление из древесины влаги;
- при 150-350 о С выделение газов и образование органических продуктов;
- при 350-550 о С отделяют смолы и неконденсируемые газы.
Согласно ГОСТу древесный уголь делят на несколько марок в зависимости от типа использованной древесины:
- А - твердолиственные породы;
- Б - твердо- и мягко- лиственные, хвойные породы (о ).
Марки Б и В - чаще всего это древесноугольные брикеты, на изготовление которых идут отходы деревоперерабатывающих предприятий. Это отличный вид биотоплива, который давно используется в Европе для отопления и даже на электростанциях: при их сгорании не образуются серные соединения (серы в древесном угле нет), а углеводород содержится в минимальных количествах. Используя технологии предков можно нажечь уголь для собственных нужд самостоятельно. .
Периоды накопления и активного использования ископаемого угля несоизмеримы с периодом существования человечества. Возраст угольных месторождений, накапливавшихся в течение миллионов лет, составляет десятки и сотни миллионов лет; активное использование угля началось менее 270 лет назад. При нынешних темпах угледобычи разведанных запасов угля хватит примерно на 500 лет.
Горючий камень – ископаемый каменный уголь – был известен еще в древности. Его примитивная добыча велась в древнем Китае и античной Греции, где он использовался как топливо. Древнеримские виллы отапливались углем месторождений Греции и Италии. Хотя древнегреческий философ Аристотель сравнивал некоторые свойства древесного и ископаемого угля, много веков бытовало мнение о минеральном происхождении ископаемых углей. Так, в 315 году до нашей эры ученик Аристотеля Теофраст называл их «горящими камнями» – «антраксом» (откуда и появилось название «антрацит»). В ХVI веке нашей эры врач и алхимик Парацельс рассматривал природные угли как «камни, измененные действием вулканического огня», а естествоиспытатель Агрикола (рис. 7.1) говорил, что каменный уголь – это отвердевшая нефть.
Русский ученый М.В. Ломоносов в своем трактате «О слоях земных» (1763) выдвинул гипотезу о происхождении ископаемого угля из торфа, а торфа – из скоплений остатков растений на дне болот. Органическое происхождение ископаемых углей было окончательно доказано лишь в ХIХ веке путем микроскопических исследований, обнаруживших в структуре угольного вещества обуглившиеся или частично разложившиеся остатки растительных тканей, зернышек смолы, семян, спор.
На всех континентах Земли и большинстве островов Мирового океана имеются месторождения угля. Открытие каждого из них имеет свою историю.
О добыче и использовании каменного угля в Украине имеются различные сведения. Так, при геологических исследованиях были обнаружены отвалы древней разработки угля в районе г. Бахмут (ныне г. Артемовск), свидетельствующие, что уже в IX–X вв. местное население добывало и использовало его в качестве топлива при производстве различных предметов быта.
В Западной Европе уголь стал использоваться позже. До XVII века для выплавки металла применялся исключительно древесный уголь. Бурное развитие металлургии в
Георг Агрикола (Agricola) (1494–1555), настоящая фамилия Бауэр (Bauer), – немецкий ученый в области геологии, горного дела и металлургии, естествоиспытатель. В 1527–1530 гг. он работал в Санкт-Иоахимстале (Богемия) врачем и аптекарем. Здесь он познакомился с горным пробирным анализом и техникой плавки, приобрел обширные познания в минералогии, геологии, горном деле и металлургии. В 1530 г. Г.Агрикола опубликовал свою первую написанную на латинском языке книгу «Берманнус. Разговор о горном деле», в которой речь шла преимущественно о горной добыче серебра и «опыте работы с минералами». В следующем научном труде Агриколы рассказывается в основном о разработке рудных месторождений, выплавке металлов, добыче соли и горных машинах. Эта монография, состоящая из 12 книг, вышла в свет в 1556 г., через несколько месяцев после его смерти, под названием «О горном деле и металлургии» (De re metallica, libri XII). Более двухсот лет этот труд по горному делу, богато иллюстрированный прекрасными рисунками (см., например, рис. 7.2) – почти три сотни гравюр на дереве, – был основным учебником для горняков и металлургов.
XVIII веке потребовало большого количества топлива, поэтому запасы промышленной древесины резко сокращались. Заменой древесному углю мог стать ископаемый уголь.
К этому времени относятся усиленные поиски месторождений ископаемого угля в различных странах. Интересна история начала потребления каменного угля в Вели
Начало развития Донбасса связано с прозорливостью Петра I, который обратил внимание на образцы местного угля во время Азовского похода в 1696 г. По преданию Петр I произнес: «Сей минерал, если не нам, то нашим потомкам зело полезен будет». В 1722 г. он подписал указ об учреждении Донецкого угольного бассейна. Интересно, что к концу XVII века уголь в европейской промышленности практически еще не применялся, а во всей английской угледобыче было занято не более 150 человек, так что решение Петра было гениальной догадкой.
кобритании. Как писала одна из английских газет сто лет тому назад: «Дело было в начале XIV столетия. Лондонские пивовары, кузнецы и слесари, видя все более возрастающую дороговизну дров, попробовали вместо них жечь каменный уголь, что оказалось и очень удобным, и очень выгодным. Но суеверные горожане сочли сжигание каменного угля делом нечестивым. Была подана особая петиция королю, и употребление каменного угля было воспрещено законом. Однако ввиду дороговизны дров многие тайно продолжали нарушать закон, так что горожане потребовали драконовских мер. Достоверно известно, что один нарушитель закона в Лондоне был казнен, но говорят, что таких случаев было много. Затем строгие законы были отменены, но еще долго против каменного угля было сильное предубеждение ввиду «зловонности этого вида топлива».
Против каменного угля особенно восстали дамы; многие лондонские дамы отказались являться в дома, которые отапливались не дровами, и не прикасались ни к одному блюду, если оно было приготовлено на каменном угле, считая такие кушанья нечистыми.
А ныне каменный уголь составляет силу и богатство Англии, неизбежное условие самой нынешней цивилизации».
Изменились времена и изменилось отношение англичан к углю, в результате чего появилась следующая традиция. У англичан (в особенности у шотландцев) в новогоднюю ночь первым, кто переступит порог дома, должен быть высокий черноволосый мужчина с серебряной монетой и кусочком угля. И тогда в доме в новом году никогда не будет недостатка в еде, всегда будет тепло и уютно.
В России промышленное применение каменного угля взамен древесного возникло в начале XVIII века. Первые достоверные сведения о поиске и разведке ископаемых углей в России относятся тоже к началу XVIII в.
При Петре I, уделявшем большое внимание развитию горного дела, были организованы специальные экспедиции в различные районы страны.
В Донецком бассейне залежи каменного угля были открыты в 1721 г. в районах Бахмута, Лисичанска, Шахты.
Между историками идет спор о первооткрывателях угля в Донбассе. Длительное время считалось, что первооткрывателем каменного угля в Донецком бассейне является Григорий Капустин (рис. 7.3), который в 1721 г. открыл месторождения в районе рек Дона, Курдючей и Осереди.
Однако, как свидетельствуют архивные материалы, в том же 1721 г. бахмутские солевары Никита Векрейский и Семен Чирков нашли в балке Скелеватой в 25 км от Бахмута каменный уголь и начали использовать его в кузницах. А в Лисичьей балке, где потом в 1796 г. вошла в действие первая в Донбассе шахта, открыл месторождение угля в декабре 1722 г. Николай Аврамов – один из руководителей черноморской горной экспедиции.
Григорий Григорьевич Капустин – подьячий села Даниловского, бывшего Костромского уезда. Обследовав районы Верхнего и Среднего Дона, Капустин произвел потом разведку угля в прибрежной полосе Северского Донца (рис. 7.4). Местные поселяне, преимущественно из запорожских казаков, рассказали ему, что они уже давно используют горючий камень в кузницах, и показали свои угольные копи. В начале января 1722 года Григорий Капустин докладывал об итогах экспедиции:
«Доносит Вам рудных дел подьячий Григорий Капустин, что мною вынуто из Донецкой земли уголье близ речки Кундрючья. Прошу принять и опробовать его в лаборатории».
Берг-коллегия, по заданию которой и осуществлялась экспедиция и в составе которой были в основном иностранцы, не отнесла открытие Капустина к числу имеющих промышленное значение.
Но вот в январе 1724 года Петр Первый получает донос Бахмутского управителя Никиты Вепрейского и капитана Семена Чиркова, в котором те сообщали, что на угле, добытом в окрестностях Лисьей балки, бахмутские мастеровые люди варят соль и делают различные кузнечные поковки, а жители близлежащих поселений используют горючий камень для отоплений жилищ.
Вот тогда вдогонку Григорию Капустину Берг-коллегия и направила срочную депешу, в которой изменялся очередной маршрут экспедиции и предписывалось побывать на берегах рек Северского Донца и Верхней Беленькой.
Испытывая недостатки в пище и деньгах, экспедиция Григория Капустина осенью 1724 года, преодолевая все трудности, изучила возле реки Беленькой, в Лисьей балке, невиданный до того пласт угля высотой в 1,14 метра. Это была «эврика» в угольных раскопках, которая удивила иностранных горных инженеров.
Сообщение Григория Капустина о найденных им залежах каменного угля в Донбассе в условиях дворянскокрепостной России не сразу стало основой для промышленной разработки богатых залежей на юге страны, хотя он настойчиво боролся за быстрейшее использование своих открытий.
Лишь через семьдесят лет в Лисьей балке была заложена первая шахта по добыче угля в Донбассе. Здесь, в Лисичанске, впервые началась промышленная разработка углей.
Экспедиции, направленные в другие районы России, сделали также ряд открытий. В 1721 г. было обнаружено угольное месторождение на реке Томь (Кузбасс). К этому же году относится открытие Подмосковного бассейна, а также месторождения в районе г. Кизел на Урале. В 1722–1723 гг. в петербургскую Берг-коллегию поступило много сообщений об угольных пластах в районах рек Дона и Днепра.
Огромное влияние на интенсивный поиск и освоение угольных месторождений оказало развитие металлургической промышленности во многих странах. В частности, освоение Донецкого бассейна тесно связано с постройкой Луганского чугунолитейного завода, перерабатывающего местные руды, который был введен в действие в 1799 г. Одновременно с началом сооружения завода были заложены каменноугольные разработки первично вблизи села Белого, а затем на более богатом месторождении на правом берегу Северского Донца в Лисичьей балке (г. Лисичанск). Лисичанский рудник оставался основным угледобывающим предприятием в Донбассе до конца 60-х годов XIX столетия, т.е. до начала строительства более крупных шахт в его центральных районах.
Сохранился указ Петра I от 7 декабря 1722 г.: «Для копания каменного угля и руд, которые объявил подъячий Капустин, из Берг-коллегии послать нарочного и в тех местах того каменного уголья и руд в глубину копать сажени на три и больше и, накопив пуд до пяти, привесть в Бергколлегию и опробовать».
Аналогично начинали осваиваться угольные месторождения в других угледобывающих странах.
Древние естествоиспытатели считали основным отличительным признаком ископаемых углей способность гореть. Поэтому хронология открытия угля человечеством связана с хронологией развития технологических процессов, в которых уголь используется прежде всего как топливо. Вероятно, первыми уголь в качестве топлива использовали древние китайцы: по некоторым сведениям, в одном из крупнейших угольных районов Китая Фуншуе его применяли для выплавки меди 3 тысячи лет тому назад. Известны китайские трактаты II века до н.э., где упоминается об использовании угля в производстве фарфора, для выпарки соляных растворов и др. По сообщениям знаменитого путешественника Марко Поло, посетившего Китай в 1310 г., уголь широко применялся в промышленности и для отопления. Примерно к этому же времени относятся упоминания об использовании угля как топлива в Англии и Германии и о закладке первых угольных шахт в Англии.
Однако еще в конце XVII века размеры добычи и использования угля в Европе были ничтожны. Так, в угледобывающем районе Англии (Бристоль) на 70 шахтах работало всего 123 человека. Это было связано с тем, что, значительно превосходя дрова по теплоте сгорания и развиваемой температуре, уголь все же уступает им по ряду технологических характеристик – температуре воспламенения, содержанию серы – и, в отличие от сухих дров, дымит. Поэтому, пока лесов в Европе хватало, а плотность населения и уровень развития промышленности были невелики, предпочитали обходиться дровами для отопления, древесным дегтем и смолой как связующими и древесным углем как топливом и восстановителем руд в металлургии.
Считается, что начало использованию каменного угля в химико-технологическом направлении положили работы химика И.Бехера, который в 1681 г. получил патент на «новый метод изготовления кокса и смолы из торфа и каменного угля, никем никогда ранее не открытый и не примененный». Это была термообработка угля без доступа воздуха с отгонкой летучих и серы, превращавшая его в кокс. И.Бехер описывает свое изобретение так: «В Голландии имеется торф, в Англии каменный уголь, но и тот, и другой почти не употребляются для сжигания в доменных печах и для плавки. Я нашел путь, позволяющий превратить и тот, и другой в хорошее горючее, которое не только не дымит и не воняет, но и дает столь же сильный огонь, необходимый для плавки, как и древесный уголь… При этом достойно внимания: как шведы получают свою смолу из соснового дерева, так и я получил свою смолу в Англии из каменного угля, которая одинакова со шведской по качеству, и даже у некоторых углей выше ее. Я производил пробы как на дереве, так и на канатах, и смола показала себя вполне хорошей…» В том же XVII веке англичанин Д.Додлей проводил экспериментальные доменные плавки на ископаемом угле, но подробности осуществления процесса он держал в секрете и унес с собой в могилу.
Открытия И.Бехера и Д.Додлея при их жизни не получили распространения. А тем временем для обеспечения доменных печей и кузниц древесным углем хищнически истреблялись леса. В целях их сохранения английский парламент еще в 1558–1584 гг. издал ряд указов, ограничивающих рост и размещение металлургических предприятий. Тем не менее потребности в металле быстро увеличивались, и к началу XVII века множество лесов в Европе было полностью уничтожено. В промышленно более развитых странах – Англии, Германии, Голландии, Франции – дрова и древесный уголь стали буквально на вес золота, что резко тормозило развитие промышленности и вынудило интенсивно искать альтернативное топливо.
Первые достоверные сведения об организованных поисках и разведке полезных ископаемых, в частности углей, в России относятся к периоду царствования Петра I.
Указом Петра I в 1719 г. была организована Берг-коллегия (Берг-привилегия), которой поручалось руководство горной промышленностью страны и разведка полезных ископаемых. Берг-коллегия привлекла население «как собственных, так и на чужих землях искать, копать, плавить, варить и чистить всякие металлы... и всякие руды земли и каменья».
Первые статистические данные о добыче угля за 1796–1801 гг. свидетельствуют, что в эти годы было добыто 2,4 тыс. т, в 1810 г. – 2,5 и в 1820 г. – 4,1 тыс. т угля.
Еще в 1757 г. М.В. Ломоносов в своем «Слове о рождении металлов» высказал гипотезу о растительном происхождении углей и первый выдвинул идею о том, что каменный уголь образовался из торфа. Эта мысль позже легла в основу общепринятой теперь «теории превращений». Первая работа по изучению каменных углей под микроскопом принадлежит горному инженер-капитану Иваницкому (1842 г.), который писал: «Растительное происхождение каменного угля несомненно и почти можно считать доказанным. Оно основано на постепенностях перехода от торфа и бурого угля до самых кристаллических видов каменного угля и антрацита».
Начало промышленной революции в Европе вполне справедливо связывают с «открытием» ископаемого угля для использования в промышленности, произошедшем через 50–80 лет после открытий И. Бехера. В 1735 г. в Англии А. Дерби применяет уголь, а точнее, кокс, полученный выжигом каменного угля в так называемых «кучах», где примерно треть угля сжигалась и две трети превращались в кокс, в качестве топлива и восстановителя для выплавки металла в доменных печах. В 1763 г. Дж. Уатт в Англии, а через 20 лет после этого И. Ползунов в России изобретают паровую машину, где ископаемый уголь используется в качестве топлива. В том же 1763 г. французские металлурги Жара в Люттихе (Бельгия) и Жанзен в Саарской области строят первые коксовые батареи с производством металлургического кокса и улавливанием смолы коксования. Наконец, в 1792 г. англичанин В. Мэрдок не только повторил 180-летней давности опыты голландского естествоиспытателя Я.Б. ван Гальмонта по получению горючего газа из каменного угля, но и оборудовал газовым освещением свой дом в Редруте. Так определились основные направления использования ископаемого угля: топливо (для паровых котлов и бытовых нужд); топливо и восстановитель (кокс для выплавки металлов); сырье для получения жидких и газообразных продуктов, в свою очередь применяемых как топливо либо химическое сырье.
Ведущую роль в деле внедрения газового освещения в городах сыграл в начале XIX века англичанин Ф.-А. Ванзор. Пожалуй, ему легче было решать технические вопросы, чем преодолевать предрассудки общества. Так, известный английский писатель В.Скотт писал о Ванзоре: «Один сумасшедший предлагает осветить Лондон, – чем бы вы думали? Представьте себе – дымом…» Газеты пестрели заявлениями, что искусственное освещение нарушает божественные законы, по которым ночью должна быть тьма; что освещенные улицы будут способствовать росту пьянства, развращенности населения и простудных заболеваний (имелись в виду ночные гуляки); что при новом освещении будут пугаться лошади и обнаглеют воры… Несмотря на это, в 1812 г. английский парламент утвердил учреждение первой в мире «Лондонской и Вестминстерской компании для газового освещения и производства кокса», в 1816 г. был открыт первый газовый завод в США, в 1820 г. – во Франции, в 1835 г. – в России. В 1885 г. в Англии потреблялось около 2,5 млрд.м 3 светильного газа и ненамного меньше каменноугольного газа как домашнего топлива для приготовления пищи.
К началу XIX века развитие производства кокса для металлургии, с одной стороны, и светильного газа, с другой, еще более увеличило количество получаемой каменноугольной смолы и усилило работы по исследованию возможностей ее использования. В 1815 г. английский химик Аккум стал получать из смолы легкие масла – эссенции, нашедшие применение в качестве растворителей и заменителей древесного скипидара. В 1822 г. в Англии первый смолоперегонный завод начал производить легкую каменноугольную смолу – нафту – для пропитки непромокаемых тканей и плащей. В 1825 г. великий английский физик и химик М.Фарадей выделил из продуктов переработки угля бензол, чем заложил основу химии ароматических соединений. В 1842 г. русский химик Н.Н. Зинин открыл методы промышленного получения каменноугольного анилина – важного промежуточного продукта в синтезе искусственных красителей. Это открытие было практически использовано лишь в 1856 г., когда английский студент В.Перкин, обрабатывая анилин, получил первый искусственный органический краситель – мовеин – и быстро организовал у себя на родине производство целого ряда синтетических красителей.
Казалось бы, какое влияние на углехимию может иметь изобретение сетки накаливания в газовых светильниках? Но дело в том, что до этого бензол из сырого газа не извлекали: только его присутствие обеспечивало удовлетворительную яркость освещения. А после этого изобретения, позволившего использовать для освещения и «обедненный» бензолом газ, появилась возможность промышленного извлечения сырого бензола из каменноугольного газа. «Отцом» промышленного сырого бензола считают немца Брунка. Во многом благодаря ему за последнее десятилетие XIX века Германия увеличила производство сырого бензола при углепереработке в 50 раз.
В настоящее время мировая потребность в сыром бензоле и других жидких продуктах углехимии не перекрывается их производством из угля коксования и полукокосования. Поэтому ряд стран (Австрия, Эстония, Израиль и др.) получают их из своих горючих сланцев. Стоимость продуктов углехимии, получаемых из горючего сланца, в несколько раз превышает стоимость исходного сырья. Сланцевое масло содержит бензино-керосинную фракцию даже в большей доле, чем каменноугольная смола, в связи с чем, например, Австралия планирует в перспективе полностью заменить местным горючим сланцем привозную нефть.
В качестве топлива для энергетических установок уголь безраздельно господствовал вплоть до изобретения двигателей внутреннего сгорания, использующих продукты нефтепереработки и значительно более удобных для мобильной эксплуатации. К концу первой трети XX века уголь был не только полностью вытеснен нефтепродуктами из автои авиатранспорта, но и заметно уступил свои позиции на водном и железнодорожном транспорте. Однако в условиях нефтяной блокады, которой подверглась во время второй мировой войны Германия, а в послевоенные годы – ЮАР, уголь оказался сырьем, способным заменить жидкие моторные топлива. Синтетические жидкие топлива получали из угля путем гидрогенизации (прямого ожижения), пиролиза, газификации угля с последующим каталитическим синтезом Фишера-Тропша. Хотя по экономическим показателям синтетические топлива были дороже нефтяных и со снятием блокады их производство, как правило, прекращалось, постепенное исчерпание нефтяных запасов и устойчивый рост цен на нефтепродукты вынуждают продолжать разработки в данном направлении. В частности, в Украине наиболее благоприятны для производства синтез-топлив днепровские бурые угли, львовско-волынские сапропелиты и болтышские горючие сланцы.
Несмотря на все разнообразие направлений использования ископаемых углей, основными их потребителями и по сей день являются теплоэнергетика, металлургия, а в сельской местности и развивающихся странах – и жилищно-бытовой сектор. И чем больше росло потребление угля в указанных секторах, тем острее становилось противоречие между соотношением требуемых и получаемых марок углей, а также между выходом при добыче и потреблением сортовых фракций и несортовой угольной мелочи. Поэтому еще с конца XIX века интенсивно велся поиск методов устранения этих противоречий, и не без успеха.
Например, из всех марок углей коксующимися свойствами, т.е. способностью при нагревании без доступа воздуха не только отдавать летучие вещества и серу, но и спекаться в монолит с заданной пористостью и механическими свойствами, обладают лишь угли марок Ж (жирный) и К(коксовый), доля которых в общем объеме добычи относительно невелика и не обеспечивает потребности коксовых производств. Исследования характера и природы пластификации и последующего затвердевания углей, начатые в 20-х годах ХХ века Ф. Фишером и впоследствии развитые Г.Л.Стадниковым, Д. ван Кревеленом, Н.С. Грязновым, позволили не только создать стройную теорию пластификации, но и установить возможность получения коксующихся шихт (смесей) из углей меньшей (газовый, длиннопламенный газовый) и большей (отощенный спекающийся) степени метаморфизма, что почти вдвое расширило сырьевую базу производства металлургического кокса.
Из угля были получены отравляющие газы, столь ужасно проявившие себя на полях сражений первой мировой войны. Но на основе угля же, правда, сначала древесного, было изготовлено средство защиты от них. Лечебные качества древесного угля были описаны еще Гиппократом за 400 лет до н.э., но лишь в 1785 г. видный русский химик и фармацевт академик Т.Е. Ловиц показал, что они являются следствием его поглощающих, или адсорбционных, свойств. Ловиц не только заложил основы учения об адсорбции, но и эффективно применил древесный уголь для очистки и обесцвечивания сахарных сиропов и патоки, питьевой воды, сырой селитры и даже алкоголя.
В годы первой мировой войны русский профессор Н.Д. Зелинский изобрел способы активации древесного угля водяным паром и органическими веществами и успешно применил активированный уголь в противогазах. В настоящее время промышленность потребляет много тысяч тонн технических активированных углей, главным образом для очистки сточных вод. Эти технические адсорбенты получают путем активации уже не древесных, а ископаемых углей.
Слоевой метод сжигания угля, который был единственным для печей, каминов, паровых машин и ранних паровых котлов, требовал использования кускового угля (допускалась очень незначительная доля мелочи). Это связано с тем, что при естественной тяге между частицами угля в слое должно оставаться достаточно пространства для свободного доступа окислителя, а при форсированной тяге (дутье) мелкие частицы не должны выноситься из слоя. В период, когда уголь добывался вручную, необходимая доля кускового угля при добыче обеспечивалась шахтерами. При этом пласт выбирался не полностью, а производительность труда шахтеров была низкой. Вызванное ростом потребления увеличение добычи, ставшее возможным только при механизации шахт, резко повысило долю мелочи в объеме добываемых углей. Но сжигание твердого топлива, которое по своей крупности не соответствует оптимальным требованиям, снижает эффективность его использования на 15–20%, а в ряде случаев процесс горения вообще прекращается. В связи с этим возникла задача окусковывания (брикетирования) угольной мелочи для технологий, основанных на потреблении кускового (сортового) угля, и параллельно – задача развития технологий, где возможно использование угольной мелочи и пыли без их окусковывания.
Обычно брикетированию подвергают торф, бурые угли, отсевы каменных углей и антрацитов, мелкозернистый полукокс и кокс. Основными потребителями брикетов являются коммунально-бытовой сектор и коксовая промышленность. Исторически первыми возникли два способа производства брикетов механическим путем: без связующих веществ (за счет собственных связующих свойств торфа и бурых углей) при температуре 40–80°С и давлении прессования 80 МПа и более; с добавкой связующего вещества (нефтебитумов или каменноугольного пека), необходимого для обеспечения сцепления между частицами каменных углей, антрацитов, полукоксовой и коксовой мелочи, при температуре 80–100°С и давлении прессования 15–25 МПа.
История отечественного углебрикетного производства берет начало с середины XIX столетия. В 1870 г. в Одессе была сооружена первая фабрика, выпускавшая антрацитовые брикеты для судов торгового флота. В ХХ веке вводятся в эксплуатацию фабрики брикетирования антрацитовых штыбов в Донбассе (Моспинская, Донецкая и др.), а также крупные буроугольные брикетные фабрики на Александрийском месторождении бурых углей.
В последние десятилетия в мире активно развивается направление брикетирования с термообработкой исходной угольной мелочи или брикетов при температурах 400–500°С. Эти технологии позволяют получать так называемое «бездымное» бытовое топливо повышенной экологической чистоты (с пониженным содержанием серы и меньше коптящее при сжигании), а также формованный кокс, что еще более расширя
ет топливную базу коксовой промышленности.
Использование ископаемых углей в качестве топлива неизмеримо возросло с появлением паровых машин и, особенно, с появлением машин, способных преобразовывать тепловую энергию сжигания углей в электрическую (первые тепловые электростанции – ТЭС). На тепловых электростанциях тепловая энергия угля служит для выработки пара в котле, который вращает ротор паровой турбины, соединенный с ротором генератора электрической энергии – наиболее удобной для потребителя разновидности энергии. Первые ТЭС появились в конце XIX века (в 1882 г. – в Нью-Йорке, в 1883 г. – в Петербурге, в 1884 г. – в Берлине, в 1895 г. – в Киеве). Они были оснащены слоевыми топками, которые длительное время являлись основными устройствами для сжигания больших количеств топлива и широко применялись для котлов паропроизводительностью 20–30 т/ч. Однако, кроме ограничения масштаба и невысокого КПД, связанного с относительно низкой температурой дымовых газов, их основным недостатком было требование к подаче угля в виде кусков и ограничение доли мелочи, приводившей к большим уносам углерода из топочного объема.
Положение изменилось в конце 20-х годов ХХ века, когда в ряде стран были разработаны и внедрены топки для факельного сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии, что позволило вовлечь в топливную базу ТЭС угольную мелочь, в том числе повышенной зольности (до 25–30% – для антрацитов и тощих, до 30–40% – для каменных углей), землистые бурые угли, сланцы, а также повысить до 35–40% КПД энергоблоков. Таким образом, в настоящее время в энергетику направляются главным образом низкосортные угли и несортовая мелочь, что высвобождает сортовые угли для других видов использования.
Хотя пылеугольные, или камерные, топки на сегодня являются самыми распространенными в теплоэнергетике, они все больше вытесняются изобретенными в 60-е годы ХХ века в Германии топками с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС), также использующими угольную мелочь, однако имеющими ряд технологических и экологических преи
муществ. Котлоагрегаты с циркулирующим кипящим слоем отличаются низкими выбросами оксидов азота (за счет пониженной температуры процесса и организации внутритопочной восстановительной зоны) и серы (за счет внутритопочного связывания серы угля известняком), широким диапазоном регулирования нагрузки, а главное – пониженными требованиями к зольности угля, что позволяет использовать для сжигания не только высокозольные рядовые угли, но и отходы углеобогащения. Первый в Украине энергоблок с циркулирующим кипящим слоем электрической мощностью 210 МВт, использующий в качестве топлива антрацитовый шлам, вводится в эксплуатацию на Старобешевской ТЭС.
Стюарт E. Невинс, магистр наук.
Накопленные, уплотненные и переработанные растения образуют осадочную породу, которая называется углем. Уголь является не только источником огромного экономического значения, но и породой, которая обладает особой привлекательностью для студента, изучающего историю земли. Несмотря на то, что уголь образует менее одного процента всех осадочных пород земли, он имеет огромное значение для геологов, которые доверяют Библии. Именно уголь дает геологу-христианину одно из наиболее сильных геологических аргументов в пользу реальности глобального Ноевого Потопа.
Для того чтобы объяснить формирование угля, было предложено две теории. Популярная теория, которой придерживается большинство униформистских геологов, заключается в том, что растения, из которых состоит уголь, накапливались в огромных пресноводных болотах или торфяных болотах на протяжении многих тысяч лет. Эта первая теория, которая предполагает рост растительного материала в месте его обнаружения, называется автохтонной теорией .
Вторая теория предполагает, что угольные пласты накопились из растений, которые быстро перенеслись из других мест и отложились в условиях затопления. Эта вторая теория, согласно которой происходило перемещение растительного мусора, называется аллохтонной теорией .
Окаменелости в угле
Типы ископаемых растений, которые обнаруживаются в угле, очевидно, не подтверждают автохтонную теорию . Ископаемые деревья плауны (например, Lepidodendron и Sigillaria ) и гигантские папоротники (особенно Psaronius ), характерные для Пенсильванских угольных отложений, могли иметь некоторую экологическую устойчивость к болотистым условиям, тогда как другие ископаемые растения Пенсильванского бассейна (например, хвойное дерево Cordaites , гигантский хвощ зимующий Calamites , различные вымершие папоротникообразные голосеменные растения) в соответствии с их основной структурой должно быть предпочитали хорошо просушенные почвы, а не болота. Многие исследователи считают, что анатомическое строение ископаемых растений указывает на то, что они произрастали в тропических или субтропических климатических условиях (довод, который можно использовать против автохтонной теории), поскольку современные болота являются наиболее обширными и имеют самое глубокое накопление торфа в более прохладных климатических условий более высоких широт. Из-за увеличенной испарительной способности солнца, современные тропические и субтропические области наиболее бедны торфами.
В угле нередко встречаются морские ископаемые , такие как ископаемые рыбы, моллюски и брахиоподы (плеченогие). В угольных пластах обнаруживаются угольные шарики, представляющие собой округлые массы скомканных и невероятно хорошо сохранившихся растений, а также ископаемые животные (включая морских животных), которые имеют непосредственное отношение к этим угольным пластам. Небольшой морской кольчатый червь Spirorbis, как правило, обнаруживается прикрепленным к растениям углей Европы и Северной Америки, которые относятся к Каменноугольному периоду. Поскольку анатомическое строение ископаемых растений мало указывает на то, что они были приспособлены к морским болотам, залегание морских животных вместе с неморскими растениями свидетельствует о том, что смешивание произошло во время перемещения, что таким образом поддерживает модель аллохтонной теории.
Среди наиболее удивительных видов ископаемых, которые обнаруживаются в угольных слоях – вертикально залегающие стволы деревьев , которые перпендикулярно к напластованию часто пересекают десятки футов породы. Эти вертикальные деревья зачастую встречаются в пластах, которые связаны с угольными отложениями, а в редких случаях они обнаруживаются и в самом угле. В любом случае осадочные породы должны накапливаться быстро для того, чтобы покрыть деревья до того, как они испортятся и упадут.
Сколько необходимо времени для образования слоев осадочных пород? Взгляните на это десятиметровое окаменевшее дерево, одно из сотен обнаруживаемых в угольных шахтах Куквиля (штат Теннесси, США). Это деревоначинается в одном угольном слое, идет вверх через многочисленныеслои, и наконец заканчивается в другом угольном пласте. Подумайте вот о чем: что произошло бы с верхней частью дерева за тысячи лет, необходимых(согласно эволюции) для образования осадочных слоев и пластов угля? Очевидно, что образование осадочных слоев и пластов угля должно было бытькатастрофическим (быстрым), чтобы захоронить дерево в вертикальном положении до того, как оно сгниет и упадет. Такие «стоящие деревья» обнаруживаются в многочисленных местах на земле и на разных уровнях.Несмотря на свидетельства, долгие периоды времени (необходимые для эволюции), втискиваются между слоями, чему нет никаких свидетельств.
У кого-то может создаться впечатление, что эти деревья находятся в их первоначальном положении роста, но некоторые данные указывают на то, что это совсем не так, а даже наоборот. Некоторые деревья пересекают пласты по диагонали, а некоторые обнаруживаются вообще перевернутыми. Иногда, оказывается, что вертикально залегающие деревья пустили корни в положении роста в пластах, которые полностью пронизаны вторым вертикально расположенным деревом. Полые стволы ископаемых деревьев, как правило, заполнены осадочной породой, которая отличается от залегающих рядом окружающих горных пород. Применимая к описанным примерам логика указывает на перемещение этих стволов.
Ископаемые корни
Наиболее важным ископаемым, которое имеет прямое отношение к спорам по поводу происхождения угля, является стигмария - ископаемый корень или корневище. Стигмария чаще всего обнаруживается в пластах, которые залегают под угольными пластами и, как правило, имеет непосредственное отношение к вертикальным деревьям. Считалось, что стигмария , которую 140 лет назад исследовали Чарльз Лайель и Д.У. Доусон в угольной последовательности каменноугольного периода в Новой Шотландии, является однозначным доказательством того, что растение росло именно в этом месте.
Многие современные геологи продолжают настойчиво утверждать, что стигмария представляет собой корень, который образовался именно в этом месте, и который уходит в почву, залегающую ниже угольного болота. Угольная последовательность Новой Шотландии была недавно исследована заново Н.A. Рупке, который обнаружил четыре довода в пользу аллохтонного происхождения стигмарии , полученных на основании исследования осадочных отложений. Обнаруживаемое ископаемые, как правило, обломочное и редко прикреплено к стволу – это указывает на предпочтительную ориентировку его горизонтальной оси, которая создалась в результате действия течения. Кроме того, ствол заполнен осадочной породой, которая не похожа на окружающую ствол породу, и он часто обнаруживается на многих горизонтах в пластах, которые полностью пронизаны вертикальными деревьями. Исследование Рупке подвергло серьезным сомнениям популярное автохтонное объяснение других пластов, в которых обнаруживаются стигмарии .
Циклотемы
Уголь обычно залегает в последовательности осадочных пород, которая называется циклотемой . Идеализированная Пенсильванская циклотема может иметь пласты, которые отложились в следующем восходящем порядке: песчаник, глинистый сланец, известняк, подстилающая глина, уголь, глинистый сланец, известняк, глинистый сланец. В типичной циклотеме , как правило, отсутствует один из составляющих пластов. На каждом участке циклотемы каждый цикл отложения обычно повторяется десятки раз, и каждое отложение залегает на предыдущем отложении. В Иллинойсе находится пятьдесят последовательно расположенных циклов, и более ста таких циклов залегает в Западной Вирджинии.
Несмотря на то, что угольный пласт, формирующий часть типичной циклотемы , обычно довольно тонкий (как правило, толщиной от одного дюйма до нескольких футов) латеральное расположение угля имеет невероятные размеры . В одном из проведенных современных стратиграфических исследований4 было проведено соотношение между угольными месторождениями: Броукен Эрроу (штат Оклахома), Кроуберг (штат Миссури), Вайтбрест (штат Айова), Колчестер намбер 2 (штат Иллинойс), Коал IIIa (штат Индиана), Шультцтаун (Западный Кентукки), Принцесс намбер 6 (Восточный Кентукки), и Лоуер Киттаннинг (штаты Огайо и Пенсильвания). Все они образуют один, огромный угольный пласт, который простирается на сотню тысяч квадратных километров в центральной и восточной части Соединенных Штатов. Ни одно современное болото не имеет такую площадь, которая бы хоть чуть-чуть приближалась к размерам Пенсильванских угольных залежей.
Если автохтонная модель образования угля верна, то должны были преобладать очень необычные обстоятельства. Вся территория, часто включающая десятки тысяч квадратных километров, должна была бы одновременно подняться над уровнем моря для того, чтобы произошло накопление болота, а затем она должна была бы опуститься для того, чтобы её затопил океан. Если ископаемые леса поднялись бы слишком высоко над уровнем моря, болото и его антисептическая вода, необходимая для накопления торфа, просто бы испарилась. Если во время накопления торфа в болото вторглось бы море, морские условия уничтожили бы растения и другие осадочные отложения, и торф не отложился бы. Тогда, в соответствии с популярной моделью, формирование толстого угольного пласта указывало бы на сохранение невероятного баланса на протяжении многих тысяч лет между скоростью накопления торфа и повышением уровня моря. Такая ситуация кажется наиболее неправдоподобной, особенно если вспомнить, что циклотема повторяется в вертикальном разрезе сотни раз или даже больше. А может эти циклы лучше всего можно объяснить как накопление, которое происходило во время последовательного повышения и отступления вод потопа?
Глинистый сланец
Когда речь заходит о циклотеме, наибольший интерес вызывает подстилающая глина. Подстилающая глина представляет собой мягкий слой глины, который не расположен в виде пластов и часто залегает под угольным пластом. Многие геологи считают, что это - ископаемая почва, на которой существовало болото. Присутствие подстилающей глины, особенно когда в ней обнаруживаются стигмарии , часто интерпретируется, как достаточно доказательство автохтонного происхождения углеобразующих растений.
Однако недавно проведенное исследование подвергло сомнению интерпретацию подстилающей глины, как ископаемой почвы. Никакие характеристики почвы, которые были бы подобны характеристикам современной почвы, не были обнаружены в подстилающей глине . Некоторые минералы, обнаруженные в подстилающей почве не относятся к типам минералов, которые должны были бы обнаруживаться в почве. Наоборот подстилающие глины, как правило, имеют ритмическую слоистость (на самом дне расположен более крупный зернистый материал) и признаки образования глинистых хлопьев. Это простые характеристики осадочных пород, которые образовывались бы в любом слое, который накапливался в воде.
Многие угольные слои не залегают на подстилающих глинах, и всякие признаки существования почвы отсутствуют. В некоторых случаях угольные пласты залегают на граните, аспидном сланце, известняке, конгломерате или других породах, которые непохожи на почву . Подстилающая глина без расположенного сверху угольного пласта встречается часто, как и подстилающая глина часто залегает сверху угольного пласта. Отсутствие распознаваемых почв ниже пластов угля указывает на то, что здесь не мог расти никакой тип буйной растительности и подтверждает идею о том, что углеобразующие растения были сюда перемещены.
Структура угля
Изучение микроскопического строения и структуры торфа и угля помогает понять происхождение угля. A. Д. Коен был инициатором сравнительного структурного исследования современных автохтонных торфов, образованных из мангровых деревьев и редкого современного аллохтонного прибрежного торфа из южной Флориды. Большинство автохтонных торфов содержали растительные фрагменты, которые имели неупорядоченную ориентацию с преобладающим матриксом более мелкого материала, тогда как аллохтонный торф имел ориентацию, образованную потоками воды с вытянутыми осями растительных фрагментов, которые были расположены, как правило, параллельно к береговой поверхности с характерным отсутствием более мелкого матрикса. Плохо отсортированный растительный мусор в автохтонных торфах имел крупную структуру благодаря переплетенной массе корней, тогда как автохтонный торф обладал характерной микрослоистостью благодаря отсутствию вросших корней.
Проводя это исследование, Коен отметил: "В ходе исследования аллохтонного торфа была выявлена одна особенность, которая заключалась в том, что вертикальные срезы этого материала, сделанные с помощью микротома, выглядели больше похожими на тонкие срезы Каменноугольного угля, чем любой исследуемый автохтонный образец" . Коен обратил внимание на то, что характеристики этого автохтонного торфа (ориентация вытянутых фрагментов, отсортированная зернистая структура с общим отсутствием более мелкого матрикса, микрослоистость с отсутствием спутанной корневой структуры) также являются характеристиками углей Каменноугольного периода !
Глыбы в угле
Одной из наиболее впечатляющих внешних особенностей угля является наличие в нем крупных глыб. На протяжении более ста лет эти крупные глыбы обнаруживаются в угольных пластах по всему миру. П.Х. Прайс провел исследование, в котором изучил крупные глыбы угольного месторождения Сьюелл, которое находится в Западной Вирджинии. Средний вес 40 собранных глыб составлял 12 фунтов, а самый крупный булыжник весил 161 фунт. Многие булыжники представляли собой вулканическую или метаморфическую породу, в отличие от всех других обнажений пород в Западной Вирджинии . Прайс предположил, что крупные глыбы могли вплестись в корни деревьев и перенестись сюда издалека. Таким образом, наличие в угле крупных глыб поддерживает аллохтонную модель.
Углефикация
Споры относительно природы процесса превращения торфа в уголь ведутся на протяжении многих лет. Одна существующая теория предполагает, что именно время является основным фактором в процессе углефикации. Однако эта теория утратила свою популярность, потому что было установлено, что со временем не происходит никакого систематического повышения метаморфической стадии угля. Существует несколько явных несоответствий: лигниты, которые являются самой низшей стадией метаморфизма, залегают в некоторых самых древних углесодержащих пластах, тогда как антрациты, представляющие самую высшую степень метаморфизма угля, залегают в молодых пластах.
Вторая теория относительно процесса превращения торфа в уголь предполагает, что основным фактором в процессе метаморфизма угля является давление . Однако данная теория опровергается многочисленными геологическими примерами, в которых стадия метаморфизма угля не увеличивается в сильно деформированных и складчатых пластах. Более того, лабораторные эксперименты показывают, что увеличение давления фактически может замедлить химическое превращение торфа в уголь.
Третья теория (на сегодня наиболее популярная) предполагает, что самым важным фактором в процессе метаморфизма угля является температура . Геологические примеры (вулканические интрузии в угольных пластах и подземные пожары на шахтах) показывают, что повышенная температура может вызвать углефикацию. Лабораторные эксперименты также были достаточно успешными в подтверждении этой теории. В результате одного проведенного эксперимента с использованием процесса быстрого нагревания всего за несколько минут было образовано вещество, напоминающее антрацит, при этом большая часть тепла была образована в результате преобразования целлюлозного материала. Таким образом, метаморфизм угля не требует миллионов лет воздействия тепла и давления – он может быть образован в результате быстрого нагревания.
Заключение
Мы видим, что множество подтверждающих доказательств решительно доказывают истинность аллохтонной теории и подтверждают накопление множественных угольных слоев во время Ноевого Потопа. Вертикально залегающие ископаемые деревья внутри угольных слоев подтверждают быстрое накопление растительных остатков. Морские животные и наземные (а не растущие и обитающие в болоте) растения, обнаруживаемые в угле, подразумевают их перемещение. Микроструктура многих угольных пластов имеет определенную ориентацию частиц, структуру отсортированных зерен и микрослоистость, что указывает на перемещение (а не на рост в месте залегания) растительного материала. Присутствующие в угле большие глыбы свидетельствуют о процессах перемещения. Отсутствие почвы под многими угольными пластами подтверждают тот факт, что углеобразующие растения плыли по течению. Уголь, как было показано, образует систематические и типичные порции циклотем , которые явно, как и другие породы, отложились водой. Эксперименты по исследованию изменения растительного материала показывают, что для образования напоминающего уголь антрацита вовсе не нужны миллионы лет – он может образовываться быстро под действием тепла.
Ссылки
*Профессор геологии и археологии из Колледжа Христианского наследия, Эль-Каджон, Калифорния.
Чтобы превратить торф в каменный уголь, требуется много времени. Слои торфа постепенно накапливались в торфяных болотах, а сверху зарастала все большим количеством растений. На глубине сложные соединения, находящиеся в разлагающихся растениях, распадаются на все более простые. Их частично растворяет и уносит вода, а часть их переходит в газообразное состояние, образуя метан и углекислый газ. Бактерии и разнообразные грибки, населяющие все болота и торфяники, также играют немаловажную роль в образовании угля, так как способствуют быстрому разложению растительных тканей. Со временем в процессе таких изменений в торфе начинает накапливаться углерод, как наиболее стойкое вещество. С течением времени углерода в торфе становится все больше.
Важным условием при накоплении в торфе углерода является отсутствие доступа кислорода. В противном случае углерод, соединившись с кислородом, превратился бы в углекислый газ и улетучился. Слои торфа, преобразующиеся в каменный уголь, изолируются вначале от воздуха и содержащегося в нем кислорода водой, их покрывающей, а сверху вновь возникающими слоями торфа из гниющего слоя растений и растущими на них новыми зарослями.
Стадии каменного угля
Первая стадия - это лигнит, рыхлый уголь бурого цвета, наиболее похожий на торф, не самого древнего происхождения. Ясно просматриваются в нем остатки растений, особенно древесины, так как она разлагается дольше. Лигнит образуется в современных торфяных болотах средней полосы, и состоит из камыша, осоки, торфяного мха. Древесный торф, который образуется в субтропической полосе, например, на болотах Флориды в США, очень похож на ископаемый лигнит.
Бурый уголь создается при более сильном разложении и изменении растительных остатков. Его цвет черный или темно-бурый, в нем реже встречаются остатки древесины, а остатков растений нет вовсе, он крепче лигнита. При горении бурый уголь выделяет намного больше тепла, так как углеродистых соединений в нем больше. Со временем бурый уголь превращается в каменный уголь, но не всегда. Процесс преобразования происходит только в том случае, если слой бурого угля опустится в более глубокие пласты земной коры, когда происходит процесс горообразования. Чтобы превратить бурый уголь в каменный или в антрацит, нужна очень высокая температура земных недр и большое давление.
В каменном угле останки растений и древесины можно найти только под микроскопом, он блестит, тяжел и крепок почти как камень. Черный и уголь под названием антрацит содержит наибольшее количество углерода. Этот уголь ценится выше всего, так как при сгорании дает больше всего тепла.
«Как образовался каменный уголь» краткое сообщение, изложенное в этой статье, поможет Вам подготовиться к занятию и расширить область своих знаний на эту тему.
Сообщение «Как образовался каменный уголь»
Каменный уголь являет собой невосстановимое исчерпаемое твердое полезное ископаемое, используемое человеком для получения тепла в процессе его сжигания. Он относится к горным осадочным породам.
Что нужно для образования каменного угля?
Во-первых, большое количество времени. Когда из растений на дне болот образуется торф, то возникают химические соединения: растения распадаются, частично растворяются или превращаются в метан, углекислый газ.
Во-вторых, всевозможные грибки и бактерии. Благодаря им происходит разложение растительной ткани. Торф начинает накапливать стойкое вещество под названием углерод, которого становиться со временем все больше.
В-третьих, отсутствие кислорода. Если бы он накапливался в торфе, то каменный уголь не смог бы образоваться и просто улетучился.
Как образуется каменный уголь в природе?
Залежи каменного угля образовались из огромного количества растительной массы. Идеальные условия – когда все эти растения накопились в одном месте и не успели полностью разложиться. Болота подходят для этого процесса как нельзя лучше: вода бедная на кислород и поэтому жизнедеятельность бактерий приостанавливается.
После того как растительная масса накопилась в болотах, она, не успев полностью сгнить, спрессовывается отложениями почвы. Так образовывается исходный материал угля – торф. Пласты почвы запечатывают его в земле без доступа кислорода и воды. Со временем торф превращается в пласт угля. Данный процесс длительный – значительная часть запасов каменного угля образовалась больше 300 млн. лет назад.
И чем дольше по времени уголь залегает в пластах земли, тем сильнее ископаемое подвергается действию и давлению глубинного жара. В болотах, где накапливается торф, с водой попадают песок, глина и растворенные вещества, которые откладываются в угле. Данные примеси дают прослои в полезном ископаемом, разделяя его на слои. При очищении угля от них остается одна зола.
Выделяют несколько видов угля — каменный уголь, бурый уголь, лигнит, богхед, антрацит. Сегодня в мире насчитывается 3,6 тысяч угольных бассейнов, которые занимают 15% земной суши. Наибольший процент мирового запаса ископаемого принадлежит США (23%), второе место заняла Россия (13%), а третье – Китай (11%).
Надеемся, что доклад «Как образовался каменный уголь» помог Вам подготовиться к занятию. А дополнить сообщение на тему «Как образовался каменный уголь», Вы можете через форму комментариев.