VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Кузнецкий угольный бассейн является одним из самых крупных угольных месторождений мира. Поэтому разностороннее изучение угля представляет особый интерес для учащихся нашей области. Кроме того, 2017 год в Кузбассе объявлен годом 70-летия Дня шахтера, и нам показалось важным приобщиться к «угольной» теме.

Актуальность данной работы заключается в подробном описании формирования угольных запасов Кузнецкого бассейна и исследовании альтернативных способов использования угля, основанном на изучении данных научных статей.

Тема работы «Угли Кузбасса - формирование и альтернативные способы использования» обусловлена важностью изучения угля именно в нашей местности и возможностью поделиться новой информацией по данному вопросу.

Целью нашей работы является описание процесса формирования угля в нашем регионе и исследование возможных способов использования углей, отличных от широкоизвестных – например, в качестве топлива.

Задачи, поставленные перед нами, приведены ниже:

описать процессы образования угля в Кузбассе по периодам,

кратко рассмотреть историю открытия и освоения Кузнецкого бассейна,

используя литературные источники, а именно научные статьи, исследовать возможные способы альтернативного использования угля применимо к Кузбассу.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ УГЛЕЙ В КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Разнообразна, богата и величественна природа Западной Сибири. Ниже ледяных шапок и полей лежит горная тундра, ещё ниже альпийские луга, переходящие в горную тайгу. На крайнем ее юге высоко поднимаются Алтайские горы и хребты Западного Саяна. В северо-восточной части Горного Алтая она носит древнее название Алтын-таган, что значит «золотая тайга» (см. рис.1). В юго-восточной части Западной Сибири находится прославленный Кузбасс-индустриальное сердце Сибири. Тоже с разнообразной и богатой природой, свойственной югу Сибири.

Такое разнообразие природных зон и ландшафтов определяет различия в климате, гидрографии, почвенном покрове, растительном и животном мире между отдельными географическими районами области.

Самым большим богатством в Кемеровской области является залежи каменного угля. Разнообразны виды углей, которые отличаются друг от друга, их способом залегания. Для появления месторождения необходимо углубление и наличие органических веществ. Глубина залегания в Кузбассе колеблется от 5 до 7 км. Откуда возникли такие проемы?

История началась с дрейфа Индийского полуострова. Определяющие геологические процессы Индии начались 75 млн лет назад, когда индийский субконтинент, в то время являвшийся частью южного суперконтинента Гондваны, начал дрейфовать в северо-западном направлении через тогда ещё несуществовавший Индийский океан — процесс, который продолжался около 50 млн лет(см. рис. 2).

Последовавшее за этим столкновение субконтинента с Евразийской плитой привело к появлению Гималаев — самых высоких гор планеты, которые в настоящее время окружают Индию с севера и северо-востока. На бывшем морском дне, непосредственно к югу от появившихся Гималаев, в результате движения плит образовался огромный прогиб, который постепенно заполнился аллювием (аллю́вий (лат. alluviō — «нанос», «намыв») — несцементированные отложения постоянных водных потоков (рек, ручьев), состоящие из валун, гальки, песка, глины). и превратился в современную Индо-Гангскую равнину.

В результате движения Индийского полуострова в Кемеровской области появилась зона разряжения, в результате чего появились проемы. В процессе движения ледников, эти проемы были заполнены органическими и осадочными породами. Пример незаполненного проема -Телецкое озеро в Алтайском Крае [1].

Считается, что на протяжении сотен миллионов лет прошли три эпохи интенсивного угленакопления, оставившие более 130 пластов каменного и бурого угля. Первое проявление угленосности относится к среднему девону (около 360млн лет), практически на 100млн лет раньше, чем в любой другой точке Земного шара. Сверху залегают неугленосные отложения каменноугольного периода (около 300млн лет), когда Кузбасс был заливом моря. В нём накапливались карбонатные илы, развивались кораллы. Но впоследствии залив обмелел, на значительных площадях развились низменные заболоченные равнины. Результатом этого явилось накопление мощных угленосных комплексов конца пермского периода (около 250млн лет). Следующий слой триасовых отложений не имел угля. В начале юрского периода (около 180 млн лет) возобновилось погружение Кузнецкой котловины, в условиях тёплого влажного климата образовались речные и болотные осадки с мощными залежами торфа. Образование угленосной толщи юрского периода завершило угленакопление Кузбасского угля. В оставшиеся 130 млн лет особых геологических событий не происходило. Но под давлением горных пород, угленосная толща подвергалась деформации и была смята в складки. Общая площадь угленосных отложений составляет около 27 тыс. км²[2].

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ОСВОЕНИЯ КУЗНЕЦКОГО БАССЕЙНА

Первые рудники появились у народов Сибири в III тысячелетии до н.э. (добывали медные, золотые, серебряные, а позднее оловянные руды на юге Сибири). Археологические исследования показывают, что население нынешней Горной Шории еще в VI веке н.э. добывало руду, плавило железо и имело репутацию «кузнецов». Отсюда и пошло название «Земля Кузнецкая»[7,с.378]. В 1701г. в географическом атласе Сибири, составленном тобольским историком и географом С.У. Ремезовым, помещены «Чертеж земли Томского города» и «Чертеж земли Кузнецкого города» [6,с.128].Первые сведения об угленосности Кузбасса связаны с именем крепостного рудознатца М. Волкова, открывшего в 1721 месторождение каменного угля на берегу реки Томь, на месте современного города Кемерово. В феврале 1722 г. рудоискатели сами прибыли в Уктус, привезли образцы руд и угля. Их переслали в Петербург и там в берг-коллегии рассмотрели образцы угля и постановили: послать на место запрос "и о оном угле осведомить – невозможно ль оттуда водным путем к заводам или к рудным каким промыслам возить и о том репортовать". Был ли послан запрос и был ли получен ответ – неизвестно. Неизвестна и дальнейшая судьба М. Волкова, направленного из Уктуса на уральский Подволошный рудник. [14. с.304].

В 1842 геолог П. А. Чихачёв впервые оценил угленосность площади, выделив её как "Кузнецкий бассейн". Собрав и обобщив сведения о месторождениях угля, начиная от берегов рек Кондома, Мрас-Су и Уса на юге и Ини на севере, он составил первую геологическую карту угольного бассейна и предложил назвать его Кузнецким по имени города, находящегося в его южной части. П. А. Чихачев считал Кузнецкий бассейн "одним из крупнейших в мире хранилищ каменного угля". Первым, не считая местных крестьян, интерес к разработке кузнецкого угля и дальнейшему поиску его новых месторождений проявил известный уральский промышленник Акинфий Никитович Демидов, на что и получил разрешение в 1739 г. Однако А. Н. Демидова больше интересовала выплавка меди и серебра из алтайских руд[6,128].

Разработка углей в бассейне начата во 2-й половине 19 века. В 1851 недалеко от Гурьевского завода было создано первое угольное предприятие Кузбасса—"Бачатская копь". В связи с постройкой Транссибирской железнодорожной магистрали в 1890-х годах началась добыча угля на севере бассейна (город Анжеро-Судженск). Одна из первых шахт — "Судженская". Систематические геологические исследования бассейна начаты в 1914г. Геологами под руководством Л. И. Лутугина осуществлена геологическая съёмка, в 1926г. составлена первая геологическая карта Кузбасса в масштабе 1:500000.

В 1922-26 в Кемеровском районе существовала "Автономная индустриальная колония Кузбасса" с участием специалистов зарубежных стран. В связи со строительством Урало-Кузнецкого комбината начато интенсивное освоение бассейна (Анжерского, Кемеровского, Прокопьевско- Киселёвского, Ленинского, Беловского, Осинниковского, Араличевского районов). Добыча угля в бассейне выросла с 2,6 млн. т в 1927/28 до 21,4 млн. т в 1940. Удельный вес Кузбасса в общесоюзной добыче угля составил 13,8%. В Великую Отечественную войну 1941-45 добыча угля увеличилась в 1,3 раза, в том числе коксующихся в 2 раза. В 1943 в целях усиления внимания к Кузбассу комбинат "Кузбассуголь", находившийся в Новосибирске, был разделён на "Кемеровоуголь" (Кемерово) и "Кузбассуголь". Добыча угля возросла с 36,8 млн. т в 1950 до 141,1 млн. т в 1980. Осваиваются новые Томь-Усинский, Ерунаковский районы, входят в строй крупные шахты — "Полысаевская", "Распадская", разрезы—"Томь-Усинский", "Красногорский", "Междуреченский", имени 50-летия Октября. Добыча угля открытым способом составляла 0,9 млн. т в 1950; 15,5 млн. т в 1960; 44,5 млн. т в 1980 г.[4].

ЧТО ДЕЛАЮТ ИЗ УГЛЯ?

Мы, конечно, знаем, что каменный уголь используется в качестве топлива, как в быту, так и в промышленности. Каменный уголь был первым ископаемым материалом, который люди стали использовать как топливо. Первые упоминания о каменном угле датированы четвертым веком до нашей эры. В Древней Греции его использовали в кузнечном деле, в средневековом Китае – для нагрева воды и отопления помещений. Именно уголь позволил совершить промышленную революцию. В XIX веке много угля использовалось для транспорта. В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии. Однако к 1970 г. его доля упала до одной трети: уголь в качестве топлива потеснили другие источники энергии, в частности, нефть и газ. Кстати... Уголь - это далеко не самое лучшее топливо. Он имеет большой недостаток: от его сжигания образуется очень много выбросов, как газообразных, так и твердых (зола), загрязняющих окружающую среду. В большинстве развитых стран действуют жёсткие требования по уровню выбросов, допустимых при сжигании угля. Снижения выбросов добиваются путем использования различных фильтров.

Каменный уголь — одно из самых необходимых человеку полезных ископаемых. Его тепло обогревает наши дома, даёт энергию пароходам, превращается в электричество в турбинах электростанций. Без угля нельзя выплавить металл из руды и приготовить цемент.
Из угля делают жидкое топливо, смазочные масла, краски, чернила, пластмассы. Уголь ничем не пахнет, а из него приготавливают духи и разные пахучие сиропы для конфет и пирожных. Уголь совсем непрозрачный, а из него производят самое лучшее стекло — лёгкое, крепкое, чистое. Из угля можно добыть даже витамины (см. рис.3)[15].

А ещё из угля делают удобрения, от которых лучше плодоносит земля и растут фрукты, овощи, пшеница и рожь. Для восстановления и повышения плодородия почвы и увеличения в ней запасов гумуса используют смеси органических и минеральных удобрений. Однако, учитывая дефицитность и высокую стоимость традиционных удобрений, представляют интерес новые, доступные источники органического материала и разработка на их основе дешевых комплексных удобрений. Одним из решения данного вопроса представляется создание гуминно-минеральных удобрений на основе бурого угля, являющегося дешевым сырьем. Эффективность такого удобрения обусловливается наличием полного комплекса питательных элементов для стимуляции роста и развития растений и улучшения физико-химических и биологических свойств почвы. Разработана технология получения комплексных гумино-минеральных удобрений из доступного и дешевого бурого угля[16, с.165].

Однако этим применение угля не ограничивается. Каменный уголь - это ценное сырье для химической и металлургической промышленности. В угольной промышленности используется коксование угля. Коксохимические заводы потребляют до 1/4 от добываемого угля. Коксование - это процесс переработки каменного угля нагреванием до 950-1050°С без доступа кислорода. При разложении угля образуются твёрдый продукт — кокс и летучие продукты - коксовый газ. Кокс составляет 75-78% от массы угля. Он используется в металлургической промышленности для выплавки чугуна, а также как топливо. Коксовый газ составляет 25% от массы перерабатываемого угля. Летучие продукты, которые образуются при коксовании угля, конденсируют водяным паром, в результате чего выделяют каменноугольную смолу и надсмольную воду. Каменноугольная смола составляет 3-4% от массы угля и является сложной смесью органических веществ. В настоящее время ученые идентифицировали только 60% компонентов смолы, а это более 500 веществ! Из смолы получают нафталин, антрацен, фенантрен, фенолы, лекарственные препараты, синтетические красители, взрывчатые вещества, косметику и каменноугольные масла. Из надсмольной воды (она составляет 9-12% от массы угля) отгонкой с паром выделяют аммиак, фенолы, пиридиновые основания. Из непредельных соединений, содержащихся в сыром бензоле, получают кумароновые смолы, использующиеся для производства лаков, красок, линолеума и в резиновой промышленности. Зола от сжигания углей, отходы добычи и переработки используются в производстве стройматериалов, керамики, огнеупорного сырья, глинозема, абразивов. В общей сложности, путем переработки каменного угля можно получить более 400 различных продуктов, стоимость которых в 20-25 раз выше стоимости самого угля, а побочные продукты, получаемые на коксохимических заводах, превосходят стоимость самого кокса.

Как же из угля получают такие разнообразные продукты? Это достигается сложной переработкой. Путь, который проходят нефть и уголь, прежде чем превратиться в те или иные предметы, например в бензин, зубную щетку или в автомобильные шины, очень длинный и сложный. Основными недостатками известных технологий химической переработки углей, по сравнению с технологиями нефтепереработки и нефтехимии, являются относительно низкая производительность и жесткие условия их осуществления (высокие температура и давление). Для устранения указанных недостатков в углепереработке все шире применяются катализаторы и новые каталитические процессы, позволяющие получать из угля разнообразные продукты топливного и химического назначения[8, с.148].

В настоящее время перспективным направлением рационального использования твердых горючих ископаемых является их комплексная переработка, в результате которой наиболее полно извлекаются входящие в них органические и минеральные компоненты. К таким технологиям можно отнести производство аглопорита(аглопорит (англ. aggloporite, нем. aggloporit) — искусственный пористый заполнитель для бетонов) из глинистого сырья с использованием различных отходов промышленности, особенно топливосодержащих (топливные шлаки, золы, отходы добычи сланцев, угля) [3, с.83].

Кроме того, разработаны способы получения углеродных адсорбентов из дешевых бурых углей. Такие адсорбенты имеют широчайшую область применения:от химической, нефтегазовой и пищевой промышленности до очистки питьевой воды и газовых выбросов[5,с.93].

Из каменного угля при переработке в промышленных масштабах извлекают такие редкие металлы, как ванадий, германий, галлий, молибден, цинк, свинец, а также серу. Комплексное освоение минерально-сырьевой базы (МСБ) месторождений становится одним из главных направлений переработки минерального сырья. В последние годы исследовательские и технологические работы по извлечению ценных и утилизации токсичных элементов весьма существенно развиваются в ряде зарубежных стран - США, Канаде, Австралии, Болгарии, Польше, Франции, а также в России. Учеными по максимумам содержаний выявлены 28 - 30 химических элементов в кузнецких углях, которые могут быть оценены как металлоносные по Al, Sc, Ti, Fe, Y, Nb, сумме РЗЭ, Та, Аи и другим. Общая сумма стоимости объектов металлопромышленных содержаний в углях выше стоимости самих углей в 150 раз. Поэтому перспективы глубокой переработки кузнецких углей, их отходов добычи переработки и потребления являются экономически благоприятными[10,с.79].

Извлечение ценных цветных и редких металлов возможно из углей и из золо-шлаковых отвалов энергетических предприятий. Переработка золо-шлаковых отходов на промышленном производстве может дать от одного до нескольких десятков тонн редких металлов в год. Следовательно, попутные полезные компоненты углей Кузбасса можно считать перспективной местной минерально-сырьевой базой ряда ценных металлов (галлия, германия, ванадия, вольфрама, скандия), обеспечивающих часть потребности промышленности Кемеровской области и Сибирского региона, а также перспективными для экспорта. С учетом относительно невысоких содержаний большинства цветных и редких металлов в углях практический интерес представляет извлечение ценных цветных и редких металлов из золо-шлаковых отвалов ТЭС, где их запасы могут составить тысячи т, десятки тысяч т и более. Ценные металлы можно также извлекать из зол уноса, где их содержание в 2–3 раза выше, чем в золоотвалах. Например, с помощью выщелачивания можно извлекать золото, литий, ванадий, вольфрам, иттрий, редкоземельные и др. элементы. Так, из золо-шлаковых отходов энергетических бурых углей извлекается до 40–67% титана, 45–77% бериллия, 70–87% меди, 50–81% марганца, 74– 84% мышьяка, 48–60% ванадия и 62–83% галлия[12,с.163].

Бензин из... угля? Но ничего удивительного здесь нет. Нефть и уголь (как и другие горючие полезные ископаемые — торф, сланцы, природный газ) состоят в основном из соединений углерода и водорода. Поэтому один и тот же продукт, например бензин, можно получить и из нефти и из угля, но только способы его получения будут, конечно, различаться. В настоящее время мировое сообщество осознало необходимость поиска новых энергохимических источников в связи с приближающимся исчерпанием нефтяных ресурсов нашей планеты. Поэтому наряду с поиском альтернативных источников топлива и энергии заслуживают особого внимания вопросы использования ресурсов угля, как потенциального источника углеводородов, химических продуктов и водорода. Разумеется, уголь – продукт природы, запасы которого также небезграничны, однако в переходный период от эры углеводородного топлива к альтернативным его источникам (биомасса, водород и др.), по мнению многих специалистов, уголь может сыграть решающую роль в мировой топливноэнергохимической системе. Технологии переработки угля в синтетическое жидкое топливо (СЖТ) были разработаны еще в начале XX в. и успешно эксплуатировались, например, уже в 1930–1940е гг. в Германии. Однако в последующем открытие новых нефтяных месторождений, развитие нефтедобычи и нефтепереработки привели к тому, что СЖТ из угля не смогло конкурировать с аналогичной продукцией из нефти. Отличительной особенностью разрабатываемых на настоящем этапе развития науки и техники технологий переработки угля является необходимость снижения выбросов в атмосферу углекислого газа. Такие технологии за рубежом получили название CCT (Clean Coal Technology) . В последние годы во многих странах (Австралии, Великобритании, США, Германии, Испании, Индонезии, Колумбии, КНР, Пакистане, и Японии) ведутся научноисследовательские и опытнопромышленные работы по совершенствованию технологий и улучшению техникоэкономических показателей отдельных стадий процессов переработки угля и продуктов его ожижения. Достижения в области новых технологий переработки углей обсуждаются на форумах международного уровня. Получение СЖТ из угля включает следующие основные стадии: удаление золы, превращение твердого органического вещества в жидкое, обогащение его водородом и удаление кислорода, азота и серы в виде Н2О, NH3 и Н2S. Промышленное распространение получили следующие технологии переработки углей: пиролиз, гидрогенизация и газификация[9,с.122].

Помимо запасов высококачественных каменных углей в Кузбассе имеются месторождения энергетически низкосортных твердых топлив. Данные виды горючих ископаемых относятся к сапропелитовому типу органического вещества и в отличие от гумусовых каменных углей при термическом воздействии (пиролиз, термическое растворение) дают высокий выход жидких углеводородных продуктов, которые при соответствующей переработке могут быть использованы в качестве моторных топлив, смазочных материалов, связующего материала для дорожного строительства и брикетирования отсевов каменных углей. Разработана технологическая схема комплексной переработки твердых топлив и помимо сланцевого масла позволяет получать тепловую энергию и сырье для производства строительных материалов. Кроме того на территории Кузбасса скапливается огромное количество отработанных автомобильных шин и других резинотехнических изделий, которые при соответствующей организации сбора и доставки могут перерабатываться в жидкие углеводородные фракции совместно с сапромикситовым углем и горючим сланцем[11,с.28].

В связи с возрастающими требованиями к защите окружающей среды возникают проблемы транспортирования и использования угля с целью получения энергии. В связи с этим привлекает внимание новый вид суспензионного топлива из угля – водоугольное топливо (ВУТ), которое является смесью тонкоизмельченного угля с водой (водоугольная суспензия - ВУС). В конечном итоге, получение и применение водоугольного топлива должно обеспечить снижение стоимости вырабатываемой электрической или тепловой энергии и экологической нагрузки на окружающую среду.

Проведенные исследования показывают возможность получения высококонцентрированных водоугольных суспензий из угольных шламов Кузбасса, приемлемых для прямого сжигания в вихревых топках котлоагрегатов[13,с.71].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За многие миллионы лет природа накопила богатейшие запасы углерода в виде угля, нефти и природного газа. Сейчас эти ископаемые виды топлива используются человечеством для получения энергии и продуктов химической переработки. В конце XIX–начале XX века большинство продуктов органической химии производилось из каменных углей. По мере увеличения добычи нефти химические вещества угольного происхождения начали вытесняться продуктами нефтехимического синтеза, производимыми более простыми и менее энергоемкими методами. Однако оценка разведанных мировых запасов различных видов ископаемого органического сырья приводит к выводу о том, что месторождения нефти и газа будут в значительной степени исчерпаны уже в XXI в. Запасов же угля должно хватить на ближайшие несколько сот лет. Таким образом, уголь выступает в качестве «моста в будущее» мировой цивилизации, обеспечивая плавный переход от ископаемого органического сырья к новым источникам энергии – солнечной, ядерной и др. И это очень важно для такого угольного края, как Кузбасс!

В ходе работы мы рассмотрели процессы формирования угольных пластов в Кузбассе и на основании данных научных источников указали возможные способы альтернативного использования кузнецкого угля.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

Александров Ю.В. Происхождение углей в Кемеровской области. Электронный ресурс:http://nsportal.ru/vuz/geologo-mineralogicheskie-nauki/library/2015/04/30/proishozhdenie-ugley-v-kemerovskoy-oblasti

Википедия. Электронный ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/Кузнецкий_угольный_бассейн

Воронова Н. П., Лесун Б. В. Комплексное использование местных видов топлива в производстве пористых строительных материалов//Энергетика.Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ.-2014.-№4

Горная энциклопедия. Электронный ресурс: сhttp://www.mining-enc.ru/k/kuzneckij-ugolnyj-bassejn/

Данилов О.С.,Михеев В.А. Получение порошковых углеродных адсорбентов из бурого угля Кангаласского месторождения.//Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал).-2007.-№11.

ДерюшевА.В., Першин В.В.,Масаев Ю.А. Открытие и освоение Кузнецкого каменноугольного бассейна//Вестник КузГТУ.-2007.-№3.

История Кузбасса. Ч. I-II / Под ред. В. В. Банникова .– Кемерово: Кемеров. кн. изд-во, 1967 .

Ковалев С. Г. и др. Ресурсная база и нетрадиционные способы использования бурых углей Южно-Уральского бассейна//Башкирский химический журнал.-2008.-том №15.-№3.

Николаева С. В., Латыпова Ф. Н.,Шавшукова С. Ю. Современные процессы переработки угля//Башкирский химический журнал.-2009.-том №16.-№3.

Нифантов Б. Ф., Заостровский А.Н., Занина О.П. Кузнецкие угли, промышленные отходы добычи и потребления углей - новая минерально-сырьевая база для извлечения ценных металлов и минеральной продукции// Вестник КузГТУ.-2005.-№6.

Патраков Ю.Ф. Альтернативные ресурсы углеводородного сырья Кузбасса//Горный информационно-аналитический бюллетень.-2009.-том №7.-№12.

Салихов В.А. Перспективы извлечения ценных цветных и редких металлов из золо-шлаковых отвалов энергетических предприятий Кемеровской области.//Вестник Томского Государственного университета.-2009.-№327.

Солодов Г.А. и др. Утилизация угольных шламов Кузбасса в виде высококонцентрированных суспензий.// Вестник КузГТУ.-2003.-№6.

Угольная промышленность Кузбасса 1721–1996/отв. редактор К. А. Заболотская, Администрация Кемеровской области, КемГУ.– Кемерово: Кемеров. кн. Изд-во, 1997.

Что получают из угля и нефти. Электронный ресурс: http://www.bolshoyvopros.ru/questions/634483-chto-poluchajut-iz-uglja-i-nefti.html

ШульгинА.А. Комплексное исследование гумино-минеральных удобрений, получаемых на основе переработки бурых углей//Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал).-2007.-№7.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Рис.1. Физическая карта Западной Сибири

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рис.2. Схема образования современных материков

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рис.3. Продукты переработки каменного угля