2.Твердое топливо. Классификация, основные свойства. Ископаемые угли

Перспективы развития угольной промышленности Украины. Одной из важнейших, актуальных отраслей топливно-энергетического комплекса Украины является угольная промышленность.

Актуальность функционирования угольной отрасли Украины обусловлена ее чрезвычайно важным местом в экономике нашего государства, ведь уголь выступает единым национальным энергоносителем, который способен обеспечить энергетическую безопасность и, как следствие, удовлетворить существующие потребности за счет собственных ресурсов. От его поставок зависит стабильность работы тепловых и гидроэлектростанций. Например, из всей Украины именно в Донбассе осуществляется добыча ценных коксующихся марок угля, что является значительным энергоресурсом в металлургическом производстве. Кроме этого, уголь также служит бытовым топливом. Украинский рынок угля в формате мирового энергетического рынка имеет критическое значение для экономики и выступает наиболее влиятельным фактором поддержания стабильности, экономического и социального развития.

Финансовая нестабильность большинства шахт, ухудшение горно-геологических условий ведения горных работ, а также разработка более продуктивных пластов угля активизировали вопрос о проведении реструктуризации угольной отрасли и разработки соответствующей программы. Реструктуризация – это сложный экономический процесс, направленный на осуществление как стратегических мероприятий, проводимых в рамках стратегического планирования и управления и закрепленных в долгосрочной программе развития отрасли, так и на выработку решений в рамках оперативного и тактического планирования, что позволит вернуть предприятия к эффективному функционированию и развитию путем санации предприятий.

В общих чертах реструктуризация предприятий угольной отрасли должна включать следующие стратегические действия:

1) строительство новых шахт и разрезов;

2) проведение реконструкции и технического переоснащения предприятий по добыче и переработке угля на основе прогрессивной техники и технологии и осуществления диверсификации угледобывающих регионов;

3) приостановить закрытие шахт, поскольку они закрываются неосмысленно и не отвечают основному условию закрытия шахт - отсутствие запасов угля;

4) создание межотраслевых комплексов, производящих конечную продукцию;

5) поддержка на необходимом финансовом уровне маломощных шахт, эксплуатация которых определена необходимой на период выхода отрасли из кризисного положения;

6) предоставление государственной помощи конкретным шахтам;

7) усиление целевого характера поддержки.

Таблица 8.2

Добыча угля Украиной по годам

Добыча каменного угля Украиной по годам (тыс. т)
Год	Добыча, тыс. т
2012	82 000
2011	61 800
2010	54 450
2009	54 800
2008	59 312
2007	58 800
2006	61 631
2005	60 400
2004	60 970
2003	79 300
2002	81 800
2001	83 400
2000	81 100
1996	75 400
1990	164 800

Чтобы смягчить последствия экономического кризиса в угольной отрасли необходимо принять следующие меры:

- Разработать перспективный топливно-энергетический баланс в потребности украинского угля с учетом уменьшения доли природного газа и увеличения доли угля, введение квот на импорт угля, увеличение использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и альтернативных видов топлива (Минэкономики Украины, Минэнергетики Украине, Минуглепром Украины);

- Разработать и внедрить организационно-экономический механизм реформирования рынков топливно-энергетических ресурсов с целью обеспечения конкурентного рынка каменного угля и повышения его качества (Минэкономики Украины, Минуглепром Украины);

- Усовершенствовать механизм государственного регулирования цен и тарифов в угольной отрасли с учетом экономического кризиса;

- Внести изменения и дополнения в программу «Украинский уголь», Концепцию развития угольной промышленности и Энергетическую концепцию до 2030 года с учетом особенностей их реализации в условиях экономического кризиса;

- Ускорить принятие Закона Украины «Об основах функционирования рынка угля».

Одним из основных направлений энергетической политики в государстве является формирование топливно-энергетического баланса (ТЭБ). Топливно-энергетический баланс страны – это система показателей, которая характеризирует существующие топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) в стране и их использование.

ТЭБ Украины формируется за счет двух источников - импорта энергоносителей (43%) и их собственной добычи. Украина является энергодефицитной страной, которая на сегодня лишь на половину удовлетворяет свои потребности в топливе и энергии.

Украина обеспечена запасами угля на несколько сотен лет, поэтому он остается главным энергоносителем страны. Запасы же других энергоресурсов очень ограничены. Как отмечается в государственных аналитических материалах, доля угля в топливно-энергетическом балансе Украины составляет 28,8 % (мировой показатель — 28,6 %), природного газа — 44 % (мировой показатель - 23 %), нефти 9,6 % (мировой показатель - 37,5 %), атомной энергии — 13,3 % (мировой показатель - 6,5 %), гидроэнергии 1,6 %, (мировой показатель - 6,2 %). Большая доля природного газа в энергобалансе Украины свидетельствует о зависимости от импорта газа, поскольку своих значительных запасов газа страна не имеет. По объемам использования первичных энергоносителей уголь занимает третье место после нефти и природного газа и используется, прежде всего, в базовых секторах экономики.

ТЭБ Украины не соответствует существующим запасам в стране ТЭР и мировым тенденциям в использовании энергоносителей. Так в энергобалансе главное место среди ТЭР занимает газ, хотя запасы угля на одного человека в несколько раз превышают мировые. Так как сегодня широко используются современные технологии сжигания угля и средства очищения выбросов, то нет никаких оснований утверждать об экологическом несоответствии угля как топлива по сравнению с газом. Примером может послужить ТЭБ таких стран как Польша, Индия, Китай, где уровень использования угля составляет 66,4%, 51,2% и 67,3% соответственно.

На один доллар производимой продукции в Украине, согласно проведенному анализу расходуется 89 килограммов условного топлива. Это в три - пять раз больше, чем в развитых странах. В то же время зависимость страны от поставки топлива из других стран в последние годы составила 60%. Государство практически не уделяет внимания этой проблеме. Снижение уровня энергетической зависимости в первую очередь зависит от мероприятий по уменьшению доли общего импорта ТЭР, которое должно осуществляться за счет увеличения уровня и эффективности собственного производства ТЭР и за счет повышения эффективности их использования.

Опыт зарубежных стран показывает (страны ЕС, США и др.), что уровень энергетической зависимости можно уменьшить путем:

• увеличения добычи и потребления собственных ТЭР;

• повышение эффективности производства, транспортировки и потребления ТЭР;

• диверсификации импорта энергоносителей;

• управление энергетической зависимостью путем создания ситуации взаимозависимости и др.;

• диверсификации видов потребляемых ТЭР.

Все эти направления снижения энергетической зависимости непосредственно связаны с процессом формирования энергетического баланса, поэтому определение оптимальных ТЭР должно осуществляться с учетом снижения энергетической зависимости страны.

Среди добываемых органических топливных ресурсов на уголь приходится (зависимо от оценки) 65-90%. Исторически оно сыграло большую роль в мировом промышленном развитии. Уголь обеспечил энергетическую основу первой промышленной революции.

Угольная промышленность по объему добычи топлива в натуральном выражении занимает первое место среди остальных отраслей. Тут сосредаточена большинство работников и основных фондов топливной промышленности.

На протяжении последних десятилетий энергетическая система, собственно, - ее сырьевая база, характеризуется неустойчивостью. Это объясняется необоснованным приуменьшением роли угля как наиболее важной и стабильной по запасам сырья для производства энергии, и неоправданно завышенной роли нефти и газа. В последнее время во всех странах мира снова появилась тенденция возвращения к углю как к самому надежному энергосырью на ближайшее будущее.

Уголь оценивают по нескольким параметрам:

1. По глубине залегания. Уголь добывают открытым или закрытым (шахтовым) способами, - от этого зависит его себестоимость. В Украине открытым способом уголь добывается в Днепровском буроугольном бассейне. Каменный уголь открытого способа добычи относится к наиболее экономически выгодному виду топлива и его добыча растет.

2.По марочному составу и качеству. Уголь разделяется на каменный, бурый, коксовый, энергетический. В Украине на каменный уголь приходится 2/3 запасов.

Основным районом добычи каменного угля является Донецкий бассейн. Добывают уголь в 295 каменноугольных шахтах, из них 131 шахта с коксовым углем. Самым большим бассейном на Украине является Донбасс с запасами 240 млрд. т. Тут есть все марки угля: коксовый (половина запасов), антрацит, газовый. Донецкий уголь имеет высокую теплотворную способность и незначительную зольность. Зато себестоимость его сравнительно велика из-за большой глубины залегания пластов. Это снижает его конкурентоспособность.

Основными звеньями угледобычи шахтным способом является: шахта с комплексом наземных и подземных сооружений и энергосиловым хозяйством, углеобогатительная фабрика, транспортные коммуникации и водохозяйственные сооружения, районные энергетические центры, складские хозяйства, предприятия и организации непроизводственной сферы. С угольной промышленности прямо или непосредственно связана деятельность почти 40% городского населения Донецкой и Луганской областей.

Угольные шахты сосредоточены преимущественно в центральной и северной частях Донецкой и южной части Луганской области. Коксующиеся уголи добывают в центральной части Донецкой области в районе Енакиево, Макеевки, Горловки, Донецка, Красноармейска, Константиновки и других городов, а также в Краснодарском и Кадеевском районах Луганской области. В Антрацитовском, Лутугинском и Алчевском районах Луганской области добывают больше энергетического угля. Газ добывают преобладающе в Лисичанском районе.

Буроугольная промышленность Украины объединяет большие механизированные углеразрезы, шахты, углебрикетные фабрики, а также вспомогательные предприятия. В Украине уголь также добывается во Львовско-Волынском и Днепропетровском угольных бассейнах, но залежи тут небольшие.

Основными характеристиками, определяющими свойства и качество промышленного твердого топлива, являются теплота сгорания, содержание углерода и приме­сей, выход летучих веществ, спекаемость, плотность, прочность, размеры кусков и др. Твердое топливо в отличие от жидкого и газообразного отличается высоким содержанием внутреннего и внешнего балласта, который снижает его теплотворную способность. Тепловая ценность ископаемых углей — одного из важнейших видов промышленного топлива — определяется степенью углефикации или степенью разложения, так как конечным продуктом разложения растительных остатков является углерод, содержание которого в углях в зависимости от их возраста и месторождения находится в пределах от 55 до 97%. Теплота сгорания углерода около 8100 ккал/кг, или 34000 кДж/кг. Водород находится в углях в свободном состоянии и при сгорании выделяет тепло. Теплота сгорания водорода 34200 ккал/кг, или А43200 кДж/кг.

Основными видами ископаемых углей являются бурые, каменные и антрацит. Бирые угли — самые моло­дые продукты разложения исходных органических ве­ществ, содержат 55—78% углерода. Каменные игли и антрациты представляют собой продукты более раннего разложения растительных организмов и содержат соответственно 75—92% и 92—97% углерода.

Кислород, азот и сера, связанные с углеродом в различные соединения, образуют смолистые вещества, содержание которых определяется выходом летучих веществ. Летучие вещества выделяются при нагревании углей без доступа воздуха и разложении их органической и минеральной частей.

Выход летучих веществ для бурых и каменных углей определяется в процентах весовым методом, а для антрацитов — объемным методом и зависит от содержания углерода. Чем выше в угле содержание углерода, тем меньше в нем летучих веществ. Оставшийся нелетучий твердый остаток характеризует способность различных углей спекаться и образовывать кокс — ценное технологическое топливо, который может быть в порошкообразном, слипшемся, спекшемся, сплав­ленном и другом видах. Спекаемостью называется свойство некоторых видов углей при нагревании до 350—400°С переходить в пластическое состояние, а затем снова затвердевать, образуя прочный и пористый остаток—кокс с высоким содержанием углерода. Способность углей образовывать кокс высокого качества называется коксуемостью.

Разновидностью твердого ископаемого топлива являются горючие сланцы, образовавшиеся при разложении без доступа воздуха морских растительных и животных организмов. Они содержат ценную органическую массу (до 75% С и до 10% Н), имеют высокий выход летучих веществ (до 60%) и служат сырьем для химической переработки. Высокая зольность (до 60%) и влажность (до 20%) горючих сланцев снижают их тепловую ценность, поэтому они используются в основном в качестве местного топлива. К естественному твердому топливу относится и торф — продукт разложения различных остатков болотных растений, содержащий около 60% С и до 6% Н. Торф вырабатывается в виде торфяных брикетов, крошки или кускового торфа и применяется как местное топливо. В качестве твердого топлива используются также древесина и отходы сельскохозяй­ственного производства. Органическая часть древесины содержит около 50%.. С и до 6% Н. Однако в топливном балансе страны удельный вес древесины и отходов сельскохозяйственного производства незначителен.

Каменные угли в зависимости от выхода летучих веществ и характеристики нелетучего остатка (королька) классифицируются по маркам.

Угли с наибольшим выходом летучих веществ (37% и более) получили название длиннопламенных (условное обозначение (Д), с наименьшим (менее 9%)—тощих (Т), а остальные — газовые (Г), жирные (Ж), коксовые (К) и отощенные спекающиеся (ОС) — заняли промежуточное значение. Хорошо спекаются угли марок Ж и К, слабее — газовые и отощенные спекающиеся угли; бурые и длиннопламенные, большинство тощих углей, а также антрациты и полуантрациты не спекаются.

Качество углей во многом зависит от содержания минеральных примесей, в состав которых входят карбонаты кальция и магния, гипс, серный колчедан и др., а также влаги. Минеральные примеси и влага снижают теплоту сгорания топлива, ухудшают качество и затрудняют условия его сжигания. При сжигании топлива несгоревшие минеральные примеси образуют золу. Зольность углей определяют озолением навески топлива в муфельной печи и последующим прокаливанием остатка до постоянной массы (в процентах к массе топлив заложенного в муфель). Содержание балласта снижается с повышением степени углефикации топлива.

Плотность угля — это отношение его массы к массе такого же объема воды при температуре 20°С. Плотность бурых углей 1,1—1,5, а каменных и антрацитов 1,6—1,7. Насыпная плотность угля представляет собой отношение массы топлива в насыпном состоянии к его объему. Этот показатель зависит от гранулометрического состава угля, содержания минеральных примесей и влаги и для различных видов углей составляет 0,8—1,3 т/м³. Насыпной плотностью углей пользуются при расчетах складских помещений, определении массы угля в бункерах, вагонах, штабелях и др. Прочность углей — важное механическое свойство и зависит от их фракционного состава. Наибольшей прочностью обладают длиннопламенные газовые угли и антрациты, наименьшей — жирные, коксовые, тощие и бурые угли. Прочность устанавливают разрушением пробы угля крупностью 13—100 мм во вращающемся закрытом барабане с последующим определением массы кусков крупностью более 13 мм в процентах от первоначальной массы. По размерам кусков бурые и каменные угли, а также антрациты подразделяются на соответствующие классы

Чем крупнее куски, тем меньше содержание примесей и выше качество угля.

2. Условия поставки, хранения и транспортирования твердого топлива

Ископаемые угли поставляются потребителям непосредственно из шахт, разрезов или обогатительных фабрик партиями, которые сопровождаются единым документом о качестве. В документе содержатся наименование предприятия-поставщика, вид, марка и класс угля, номер партии и транспортной единицы, а также показатели качества продукции, нормируемые соответствующими стандартами. Перед погрузкой на транспорт отделы техническогоконтроля предприятий угольной промышленности оценивают качественные показатели поставляемых углей.

Основными видами транспорта для перевозки ископаемых углей является железнодорожный. На основании внешнего осомотра угля, погруженного в железнодорожные вагоны, устанавливают отсутствие капель воды из вогонов (в противном случае уголь к отправке не допускается) ,соответствие угля данного класса по крупности,содержанию мелочи, минеральных и других примесей требованиям. При необходимости, для характеристики этих показателей углей, отбирают контрольные пробы. Расчеты за топливо по кочеству проводятся на основании данных лабораторных испытаний согласно установленным показателям зольности, теплоты сгорания, содержания влаги, серы и других характеристик, предусмотренных стандартами или договорами поставок .

Необходимые запасы угля должны храниться на специально оборудованных складах , исключающих снижение их свойств и качества .При длительном хранении на открытых складах уголь выветривается, снижается его масса и теплота сгорания, изменяется гранулометрический состав, повышается склонность к самонагреванию и к самовозгоранию. Поэтому, для обеспечения правильного хранения углей необходимо соблюдать определенные требования. Строительство складов под угли должно осуществляться с учетом необходимых обьемов хранения, проведения работ по приемке, хранению и использованию углей, а также требований техники безопасности и охраны труда. Площадка для строительства склада должна быть сухой и незаболоченной, по возможности находиться вблизи железнодорожных магистралей. Хранилища должны оборудоваться необходимым наружным освещением, противопожарными водопроводами и средствами пожаротушения.

Каменные угли и антрациты обладают высокой прочностью, плотностью и меньше разрушаются при хранении и перевозках на большие расстояния, тогда как бурые угли при перевозках растрескиваются и измельчаются, а повышенное содержание в них балласта и воды снижает эфективностьперевозок этих углей на большие расстояния, уменьшает подвижность их частиц, затрудняет проведение погрузочно-разгрузочных операций.

Продолжительность хранения углей определяется их склонностью к окислению и самовозгоранию. Все ископаемые угли по их склонности к окислению и самовозгоранию делятся на четыре группы (I,II, III, IV), для которых определены различные предельно допустимые сроки хранения.

Наиболее устойчивые к окислению антрациты и полуантрациты (группа I) имеют предельный срок хранения 24-36 месяцев, устойчивые к окислению каменные угли (марок Г, К и др.) отнесены к группе II и могут храниться в течение 18 месяцев, а каменные угли средней устойчивости к окислению отнесены к группе III и могут храниться 12 месяцев. К группе IV отнесены каменные угли неустойчивые, с повышенной активностью к окислению (марок Д и Г, несортированные) и бурые угли. Срок их хранения 4-6 месяцев.

Склонность углей к окислению и самовозгоранию определяет также высоту укладываемого штабеля при хранении. Для углей группы I высота штабеля не ограничена, группы II - установлена не более Юм, группы III - не более 6 м и для углей группы IV - не более 5 м.

На складах должно быть обеспечено раздельное хранение углей по видам, маркам, сортам, классам, содержанию влаги и срокам хранения. Каждый штабель должен иметь табличку с указанием массы, марки и класса угля, содержания влаги и примесей, а также времени начала и окончания комплектования.

Для предупреждения окисления и самовозгорания углей, особенно IV группы, осуществляют послойное и поверхностное уплотнение их в штабеле или вносят в бурые и неустойчивые каменные угли ингибиторы - антиокислители в виде растворов, эмульсий и др.

Один из эффективных способов сохранения свойств и качества углей - покрытие поверхности штабеля такими составами, как суспензия извести, хлористый кальций и натрий, жидкое стекло и т.д. Окисление углей при хранении в штабелях контролируется измерением температуры.

При самосогревании углей в штабеле до температуры более 40°С принимаются меры по ликвидации очагов окисления: дополнительное уплотнение, удаление самонагревшихся участков штабеля, заливка очагов битумно-глинистыми растворами, расформирование штабеля и использование угля и др.

Брикетирование является эффективным способом хранения, транспортированная и использования несортовой угольной пыли, особенно бурых углей, так как при этом значительно повышается механическая прочность топлива.