в чем измеряют уголь
Уголь
Уголь
У́голь — вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Международное название углерода происходит от лат. carbō («уголь»)
Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая в свою очередь способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией. В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, к 1970 году его доля упала до одной трети.
Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля — растительные остатки.
Содержание
Антрацит
Антрацит — самый древний из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации.
Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800-8350 ккал/кг).
Каменный уголь
Каменный уголь — осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Большинство залежей каменного угля было образовано в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, примерно 300—350 миллионов лет тому назад.
По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящие в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75% до 95%.
Бурый уголь
Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65—70 % углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье.
Образование угля
Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода, накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей оценивается примерно в 350 миллионов лет.
Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах, где стоячая вода, обеднённая кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой стадии процесса выделяемые в ходе его кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф — исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в уголь.
Под давлением наслоений осадков толщиной в 1 километр из 20-метрового слоя торфа 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 большей глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.
В результатах движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счёт эрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности.
Добыча угля
Способы добычи угля зависят от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при все большем углублении угольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторождения подземным способом. Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с уровня чуть более 1200 метров.
Доказанные запасы угля
| Страна | Каменный уголь | Бурый уголь | Всего | % |
|---|---|---|---|---|
| США | 111338 | 135305 | 246643 | 27,1 |
| Россия | 49088 | 107922 | 157010 | 17,3 |
| Китай | 62200 | 52300 | 114500 | 12,6 |
| Индия | 90085 | 2360 | 92445 | 10,2 |
| Австралийский Союз | 38600 | 39900 | 78500 | 8,6 |
| Южная Африка | 48750 | 0 | 48750 | 5,4 |
| Казахстан | 28151 | 3128 | 31279 | 3,4 |
| Украина | 16274 | 17879 | 34153 | 3,8 |
| Польша | 14000 | 0 | 14000 | 1,5 |
| Бразилия | 0 | 10113 | 10113 | 1,1 |
| Германия | 183 | 6556 | 6739 | 0,7 |
| Колумбия | 6230 | 381 | 6611 | 0,7 |
| Канада | 3471 | 3107 | 6578 | 0,7 |
| Чехия | 2094 | 3458 | 5552 | 0,6 |
| Индонезия | 740 | 4228 | 4968 | 0,5 |
| Турция | 278 | 3908 | 4186 | 0,5 |
| Мадагаскар | 198 | 3159 | 3357 | 0,4 |
| Пакистан | 0 | 3050 | 3050 | 0,3 |
| Болгария | 4 | 2183 | 2187 | 0,2 |
| Таиланд | 0 | 1354 | 1354 | 0,1 |
| Северная Корея | 300 | 300 | 600 | 0,1 |
| Новая Зеландия | 33 | 538 | 571 | 0,1 |
| Испания | 200 | 330 | 530 | 0,1 |
| Зимбабве | 502 | 0 | 502 | 0,1 |
| Румыния | 22 | 472 | 494 | 0,1 |
| Венесуэла | 479 | 0 | 479 | 0,1 |
| Всего | 478771 | 430293 | 909064 | 100,0 |
Уголь в России
Виды угля
В России в зависимости от стадии метаморфизма различают: бурые угли, каменные угли, антрациты и графиты. Интересно, что в западных странах имеет место несколько иная классификация: соответственно, лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты.
История добычи угля в России
Пётр I впервые познакомился с углём в 1696 году, возвращаясь из первого Азовского похода в районе нынешнего г. Шахты (до революции Александровск-Грушевск). Во время отдыха на берегу Кальмиуса царю показали кусок чёрного, хорошо горящего минерала. «Сей минерал, если не нам, то потомкам нашим зело полезен будет», — сказал Пётр I.
Рудознавец крепостной крестьянин Григорий Капустин в 1721 году открыл каменный уголь близ притока Северского Донца — реки Курдючьей и доказал его пригодность для использования в кузнечном и железоделательном производствах. В декабре 1722 года Петр I именным указом послал Капустина за пробами угля, а затем было предписано снаряжение специальных экспедиций для разведки угля и руды.
В 1722 году Берг-коллегия предложила В. И. Геннину, ведавшему уральскими и сибирскими заводами, «иметь старание о прииске каменного угля как и в прочих европейских государствах обходятся дабы оным лесам теми угольями было подспорье».
Группа С. Костылева в 1720—1721 годах вела поиски полезных ископаемых в северных предгорьях Алтая. В феврале 1722 года М. Волков сделал заявку на железную руду, найденную им в Томском уезде, и уголь, обнаруженный им в «горелой горе» в семи верстах от Верхотомского острога, на территории современного города Кемерово.
Становление угольной промышленности в России относится к первой четверти XIX в., когда уже были открыты основные угольные бассейны.
Динамику объёмов добычи ископаемого угля в Российской империи можно посмотреть здесь.
Запасы угля в России
В России сосредоточено 5,5 %(почему такая разница с процентом доказанных запасов угля на 2006 год?-потому что большая часть не пригодна к разработке-Сибирь и вечная мерзлота) мировых запасов угля, что составляет более 200 млрд тонн. Из них 70 % приходится на запасы бурого угля.
В России в 2004 году имелся дефицит коксующихся углей марок «Ж» и «К» в размере не менее 10 млн тонн (оценка ВУХИН), что связано с выбытием добывающих мощностей в Воркуте и Кузбассе.
Крупнейшие перспективные месторождения
Эльгинское месторождение (Саха). Принадлежит ОАО «Мечел». Наиболее перспективный объект для открытой разработки — находится на юго-востоке Республики Саха (Якутия) в 415 км к востоку от города Нерюнгри. Площадь месторождения 246 км². Месторождение представляет собой пологую брахисинклинальную асимметричную складку. Угленосны отложения верхней юры и нижнего мела. Основные угольные пласты приурочены к отложениям нерюнгринской (6 пластов мощностью 0,7-17 м) и ундыктанской (18 пластов мощностью также 0,7-17 м) свит. Большая часть ресурсов угля сосредоточена в четырёх пластах y4, y5, н15, н16 обычно сложного строения. Угли в основном полублестящие линзовидно-полосчатые с очень высоким содержанием наиболее ценного компонента — витринита (78-98 %). По степени метаморфизма угли относятся к III (жирной) стадии. Марка угля Ж, группа 2Ж. Угли средне- и высокозольные (15—24 %), малосернистые (0,2 %), малофосфористые (0,01 %), хорошо спекающиеся (Y = 28—37 мм), с высокой теплотой сгорания (28 МДж/кг). Эльгинский уголь можно обогатить до высших мировых стандартов и получить экспортный коксующийся уголь высокого качества. Месторождение представлено мощными (до 17 метров) пологими пластами с перекрывающими отложениями небольшой мощности (коэффициент вскрыши — около 3 куб м на тонну рядового угля), что очень выгодно для организации добычи открытым способом.
Крупнейшие российские производители угля
В 2004 году добыча составляла:
Крупнейшие угольные компании России
Крупнейшие производители угля (США)
В 2004 году добыча составляла:
Потребление угля
Потребление угля в млн тонн.
| Регион | 2001 | 2005 | Изменение |
|---|---|---|---|
| США | 1060 | 1567 | +47,8 % |
| Западная Европа | 574 | 463 | −19,3 % |
| Япония | 166 | 202 | +21,7 % |
| Страны бывшего СССР | 446 | 436 | −2,2 % |
| Китай | 1383 | 2757 | +99,3 % |
| Индия | 360 | 611 | +69,7 % |
| Остальной мир | 1274 | 1538 | +20,7 % |
| ВСЕГО | 5263 | 7574 | +43,9 % |
Применение угля
В Англии в 1735 году научились выплавлять чугун на коксе. Применение каменного угля многообразно. Он используется как бытовое, энергетическое топливо, сырье для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Очень перспективным является сжижение (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1т нефти расходуется 2-3т каменного угля, в период эмбарго ЮАР практически полностью обеспечивала себя топливом за счёт этой технологии. Из каменных углей получают искусственный графит.
Стоимость угля
Газификация угля
Данное направление утилизации угля связано с его так называемым «неэнергетическим» использованием. Речь идёт о переработке угля в другие виды топлива (например, в горючий газ, среднетемпературный кокс и др.), предшествующей или сопутствующей получению из него тепловой энергии. Например, в Германии в годы Второй мировой войны технологии газификации угля активно применялись для производства моторного топлива. В ЮАР на заводе SASOL с использованием технологии слоевой газификации под давлением, первые разработки которой были также выполнены в Германии в 30-40-е годы XX века, в настоящее время из бурого угля производится более 100 наименований продукции. (Данный процесс газификации известен также под названием «способ Lurgi».)
В СССР технологии газификации угля в частности активно разрабатывались в Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте по проблемам развития Канско-Ачинского угольного бассейна (КАТЭКНИИуголь) с целью повышения эффективности использования канско-ачинских бурых углей. Сотрудниками института был разработан ряд уникальных технологий переработки низкозольных бурых и каменных углей. Данные угли могут быть подвержены энерготехнологической переработке в такие ценные продукты, как среднетемпературный кокс, способный служить заменителем классическому коксу в ряде металлургических процессов, горючий газ, пригодный, например, для сжигания в газовых котлах в качестве заменителя природного газа, и синтез-газ, который может использоваться при производстве синтетических углеводородных топлив. Сжигание топлив, получаемых в результате энерготехнологической переработки угля, даёт существенный выигрыш в показателях вредных выбросов относительно сжигания исходного угля.
После развала СССР КАТЭКНИИуголь был ликвидирован, а сотрудники института, занимавшиеся разработкой технологий газификации угля, создали собственное предприятие. В 1996 году был построен завод по переработке угля в сорбент и горючий газ в г. Красноярске (Красноярский край, Россия). В основу завода легла запатентованная технология слоевой газификации угля с обращённым дутьём (или обращённый процесс слоевой газификации угля). Этот завод работает и в настоящее время. Ввиду исключительно низких (по сравнению с традиционными технологиями сжигания угля) показателей вредных выбросов он свободно располагается неподалёку от центра города. В дальнейшем на основе этой же технологии был построен также демонстрационный завод по производству бытовых брикетов в Монголии (2008 г.).
Ещё одной известной технологией газификации бурого угля, является энерготехнологическая переработка угля в среднетемпературный кокс и тепловую энергию в установке с псевдоожиженным (кипящим) слоем топлива. Важным преимуществом данной технологии является возможность её реализации путём реконструкции типовых угольных котлов. При этом сохраняется на прежнем уровне производительность котла по тепловой энергии. Подобный проект реконструкции типового котла реализован, например, на разрезе «Берёзовский» (Красноярский край, Россия). В сравнении с технологией слоевой газификации угля энерготехнологическая переработка угля в среднетемпературный кокс в псевдоожиженном слое отличается существенно более высокой (в 15-20 раз выше) производительностью. [3]
Сжижение угля
Уголь в качестве топлива
Роль угля в энергетическом балансе
В России в 2005 году доля угля в энергобалансе страны составляла около 18 процентов (в среднем по миру 39 %), в производстве электроэнергии — немногим более 20 процентов. Доля угля в топливном балансе РАО ЕЭС составила в 2005 году 26 %, а газа — 71 %. В связи с высокими мировыми ценами на газ российское правительство намеревается увеличить долю угля в топливном балансе РАО ЕЭС до 34 % к 2010 году.
Трудности использования угля в качестве энергетического топлива
Несмотря на происходящие экономические изменения, стоимость 1 тонны условного топлива (тут) на угле в большинстве случаев является самой низкой по сравнению с мазутом и газом. Основная трудность использования угля состоит в высоком уровне выбросов от сжигания угля — газообразных и твёрдых (зола). В большинстве развитых стран, включая Россию, действуют жёсткие требования по уровню выбросов, допустимых при сжигании угля. В странах ЕС используются жёсткие штрафные санкции к ТЭЦ, превышающим нормы (вплоть до 50 евро за каждый выработанный МВт*ч электроэнергии). Выходом из ситуации является использование различных фильтров (например, электрофильтров) в газоходах котлов, либо сжигание угля в виде водоугольных суспензий (Водоугольное топливо). В последнем случае из-за более низкой температуры горения угля существенно (до 70 %) снижаются выбросы оксидов NOx (температурный NOx). Зола, получаемая от сжигания угля, в ряде случаев может быть использована в строительной индустрии. Ещё в СССР были разработаны ГОСТы, предусматривающие добавку золы в шлакопортландцементы. Трудностью использования золы является то, что удаление золы происходит в большинстве случаев путём гидрозолоудаления, что затрудняет её погрузку для дальнейшей транспортировки и использования.
Удельная теплота сгорания веществ
| Вещество | Удельная теплота сгорания, MДж/кг |
|---|---|
| Порох | 2,9 — 5,0 |
| Торф | 8,1 |
| Дрова (березовые, сосновые) | 10,2 |
| Уголь бурый | 15,0 |
| Уголь каменный | 29,3 |
| Спирт этиловый | 25,0 |
| Метанол | 22,7 |
| Условное топливо | 29,31 (7000 ккал/кг) |
| Уголь древесный | 31,0 |
| Мазут | 39,2 |
| Нефть | 41,0 |
| Дизельное топливо | 42,7 |
| Керосин | 43 |
| Бензин | 44,0 |
| Этилен | 48,0 |
| Пропан | 47,54 |
| Метан | 50,1 |
| Водород | 120,9 |
Уголь в пищевой промышленности
Уголь зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е153, в качестве красителя.
Как измерить уголь с помощью лидара. Кейс EverScan
О том, как с помощью лидара измерить объем угля и чем перспективна эта технология в тяжелой промышленности
В 1971 году агентство NASA отправила в космос корабль Аполлон-15 в рамках программы по четвертой высадке людей на Луну. Кроме всего прочего, миссия была примечательна тем, что корабль оснастили технологией «лидар» — именно она помогла экипажу просканировать поверхность спутника Земли. Тогда это было не первым, но точно одним из самых примечательных использований этого метода сканирования. С тех пор его распространение только росло, и сейчас лидары используют в самых разных сферах — от сельского хозяйства до археологии.
Лидар (LiDAR, Light Identification Detection and Ranging) — технология, которая позволяет точно сканировать определенную поверхность, либо окружающую местность. Она работает следующим образом: лидар выпускает лазерные импульсы, которые обнаруживают объекты, а затем датчики определяют расстояние до них. Лидары используют для создания точных карт и схем, которые применяются в топографии, исследованиях космоса и для создания самоуправляемого транспорта.
Мы в EverScan активно применяем эту технологию: сканируем здания, заводы, сложные объекты вроде цистерн. Кроме этого, используем лидары в тяжелой промышленности, например, на горно-обогатительных комбинатах. Несколько месяцев назад к нам обратилась компания ДТЭК с предложением попробовать лидары для измерения объема угля на тепловой электростанции. Мы посчитали это интересной задачей. До этого у нас был опыт работы на горно-обогатительных комбинатах, и мы решили, что наши технологии помогут усовершенствовать процесс измерений на ТЭС.
С этим проектом мы подали заявку на участие в Energy Accelerator и прошли на программу. Во время участия в акселераторе мы обсуждали, как лучше подойти к задаче и как адаптировать наши технологии под нужды компании. В итоге EverScan выиграл акселератор. Результатом стала договоренность о пилотном измерении объемов угля на одной из станций.
Измерение угля с помощью лидаров
Всего у компании на складах находится около 100 000 тонн угля. Это большой объем, для измерения которого нужно специальное оборудование. Сейчас компания проводит измерения классическим способом — с помощью тахеометра или ГНСС оборудования. Процесс выглядит так: сотрудник станции, геодезист, перемещается с вешкой по штабелю — угольной насыпи— а в это время другой инженер с помощью тахеометра координирует характерные контуры штабеля. Метод позволяет сравнительно быстро и точно измерить объемы угля, но у него есть ряд недостатков. Во-первых, замеры получаются недостаточно точными, а во-вторых — на всю процедуру уходит много времени — от нескольких часов до полного дня. Тем более, в это время сотрудники находятся в рабочей зоне, а это небезопасно.
Пилотный проект проходил в августе на Ладыжинской ТЭС. От EverScan в процессе участвовало пять человек, от ДТЭК — несколько сотрудников инновационного офиса и представители станции. Для измерения мы использовали дрон, оснащенный лидаром.
Вся съемка с набором контрольных пикетов проходила удаленно с безопасного места без вхождения в зону склада.
Полученные данные мы обработали в специальном программном обеспечении и затем выдали готовый результат — полную модель склада в виде облака точек, очищенную от техногенных объектов, а также непосредственно замеры объемов угля. Дополнительно мы предоставили ортофотоплан и аэросъемку, чтобы понимать как выглядел склад в момент замеров.
Почему мы решили использовать лидар? Главное преимущество технологии заключается в точности измерений. Используя классический способ, геодезист с одного гектара собирает около 100 замеров. У лидарного сканирования этот показатель куда выше — от 80 до 120 измерений с каждого квадратного метра. Технология предоставляет очень плотную, правильной формы модель штабеля, благодаря чему объем вычисляется максимально точно.
Здесь нужно обратить внимание на важный момент. Сейчас точность измерений на электростанциях оценивается по специальной методике, которая была принята в 2003 году. Правда, она уже не учитывает текущий уровень технологического прогресса и ситуации на рынке, соответственно, мы в EverScan сомневаемся, нужно ли оценивать лидарные вычисления с помощью этого норматива. В нашей практике разница между одновременными классическими и лидарными замерами могла составлять 5-8% а иногда больше 10%.
Мы видим, что в классических замерах не учитывается полезный объем, который находится у основания штабеля. Кроме этого, специалисты используют немного устаревшие данные по базовой поверхности склада. Все эти моменты влияют на конечные исчисления, а соответственно и показатели. Важно учитывать, что 1% угля на складе — это сотни тысяч долларов, которые могут просто не посчитать. Лидарная съемка помогает избежать этих моментов.
Отдельно стоит упомянуть о связке дрона с лидаром. Мы могли бы использовать наземное лазерное сканирование, но тогда бы вся процедура затянулась по времени. Комбинация дрона с лидаром и специальным ПО позволяет максимально быстро произвести объем территории: за 15-25 минут мы способны обработать 40-100 гектар. Сейчас это самый быстрый способ сбора информации с поверхности.
Ключевой момент — быстрая камеральная обработка данных. За 30-40 мин мы получаем предварительные данные об объеме, а в течение 2-4 часов — подготавливаем полноценный отчет об объемах угля на складах. Соответственно, весь процесс занимает меньше рабочего дня. Мы работаем на шести станциях — снять и замерить объем угля на них мы можем за шесть дней.
По сравнению с классическим способом разница чувствительна. Как я упоминал выше, измерения с помощью теодолита занимают несколько часов, и это без учета того, что затем полученные данные нужно проанализировать и определить конкретные показатели.
У лидарной съемки есть еще несколько преимуществ. Во-первых, благодаря дрону бригада не присутствует на территории склада, а соответственно, процесс выходит более безопасным. Кроме этого, сейчас разные станции используют разные формы отчетов. Результаты с лидаров предоставляются в едином унифицированном виде, которые можно сравнивать друг с другом.
Мы в EverScan считаем технологию крайне перспективной, и результаты работы с ДТЭК это только подтверждают. Наши партнеры также остались довольны итогами и предложили нам контракт на ежеквартальное измерение объемов угля. Теперь они могут использовать оба способа для проведения замеров, чтобы получать более точные результаты.
В мире уже активно используют лидарную съемку на горно-обогатительных комбинатах и также начинают применять ее на ТЭС. В Украине наш кейс с ДТЭК стал первым случаем, когда компания применила технологию именно для измерения угля. И мы уверены, что в дальнейшем таких кейсов будет больше.
Подобные замеры компании могут проводить в двух форматах. Первый — полноценно интегрировать процедуру в бизнес-процессы, а второй — привлекать внешних специалистов на конкретные замеры. Мы предполагаем, что в краткосрочной перспективе спросом будет пользоваться именно второй вариант. Полноценно интегрировать лидарные технологии в работу ТЭС — перспективное решение, но сейчас это долгий процесс: многое зависит от законодательной базы и норм работы каждой станции.
В любом случае, наш кейс показал — лидар позволяет более быстро и точно измерить большие объемы угля на ТЭС. Уверены, что в будущем технология будет неотъемлемой частью работы электростанций.