Вугілля

Материал из Клуб Слідопитів

Текущая версия на 13:39, 8 октября 2024

Нагорода: Вугілля

Що таке вугілля?

Корисна копалина, осадова порода(переважно чорного або бурого кольору), що використовується як паливо, сировина для хімічних реакцій і для інших технічних і технологічних потреб. Вугілля в основному складається з вуглецю зі змінною кількістю інших елементів, головним чином водню, сірки, кисню та азоту. Утворилося вугілля з частин стародавніх рослин, що опинилися під землею, під великим тиском і без доступу кисню.

Прочитайте історію про потоп у Буття 6-8 розділах і пов’яжіть події, описані в цій історії, з тим, як утворилося вугілля. Як розповідь про потоп у книзі Буття порівнюється з іншими теоріями про утворення вугілля та обговоріть у малій групі групі припущення, які кожна теорія повинна зробити, і вашу думку щодо теорій.

Формування вугілля

Історію про потоп у перекладі Івана Огнієнка, можна прочитати, наприклад ось тут

Сучасні науковці, що дотримуються уніформіських поглядів, зараз мають теорію, що залишки стародавніх рослин тривалий час накопичувалися в низинах (болотах і ярах), утворюючи торфовища, які з плином часу опинялися під товстим шаром ґрунту, без кисню і під великим тиском, унаслідок чого органіка переставала гнити. Перебуваючи дуже довгий час під впливом цих чинників, рослини перетворилися на викопне вугілля. Відео, що грунтується на цих поглядах, можна переглянути на цьому відео(англ.). Але ця теорія має деякі вади

У книзі Буття описано, як великі маси води затопили всю землю, з чого можна зробити висновок, що частина тамтешньої рясної рослинності могла опинитися під великим шаром ґрунту, де і зазнала реакції, описаної сучасними вченими. У статтях за цим і цим посиланням можна ознайомитися з поглядом вчених-креационістів чому теорія утворення вугілля у болотах, в яких рослини пролежали мільйони років не дуже відповідає дійсності

Чому вугілля називають викопним паливом? Які є інші види викопного палива і чому важливо економити викопне паливо та досліджувати відновлювані джерела палива/енергії? Наскільки ваша місцева електрична компанія покладається на викопне паливо?

Вугілля, як і деякі інші види викопного палива на відміну від деревени чи соломи(які заготовляютья на поверхні і не є викопними видами палива) видобувається із землі.

Викопним паливом крім вугілля є нафта і природний газ. Так само можна згадати горючі сланці (сланцева нафта/газ) і торф.

Вчені роблять припущення, що викопне паливо має досить обмежені обсяги, через що бездумну розробку незабаром призведе до дефіциту. Відновлювані джерела енергії (сонячні/вітряні/гідро електростанції, біопаливо, мирний атом) допоможуть уникнути кризи.

Станом на вересень 2024 ситуація у структурі виробництва електроенергії із-за загарбницької війни росії дещо змінилася, але оновити данні зараз немає можливості

Структура виробництва елекстроенергії, за даними "Укренерго" станом на жовтень 2021

Електростанції України. Можливо, ця карта стане вам у нагоді, коли будете шукати ТЕС поруч з вами

Дайте визначення таких одиниць теплоти:

Британська теплова одиниця (BTU) (імперська система одиниць тепла)

Британська теплова одиниця (BTU) - це кількість тепла, необхідна для підвищення температури 1 фунта води на 1 градус Фаренгейта.

Кілоджоуль (кДж) (метрична система одиниць тепла)

Кілоджоуль - кратна одиниця від джоуля (кДж - де «к» - кіло, 10^3). Джоуль дорівнює роботі, що здійснюється силою в один ньютон при переміщенні маси на відстань одного метра в напрямку дії сили.

Перелічіть три основні способи використання вугілля сьогодні та три основні види використання вугілля протягом історії людства.

Використання вугілля у хімічній промисловості

Три способи використання вугілля сьогодні:

• Виробництво електроенергії. Вугілля спалюють на електростанціях, щоб нагрівати воду й обертати турбіни парою, що утворилася.
• Металургія. Вугілля використовується для виплавки чавуну і сталі. У доменних печах вугілля перетворюють на кокс, який служить відновником залізної руди.
• Хімічна промисловість. Вугілля переробляють у різні хімічні продукти, для виробництва таких продуктів, як пластмаси, добрива та інше.

Протягом історії людства:

• Опалення та приготування їжі. Вугілля стало другим паливом після дерева, яке використовувало людство.
• Парові машини і транспорт. Вугілля стало основним паливом для роботи парових машин на заводах і фабриках. Так само воно дозволило поліпшити транспортні можливості, ставши паливом для суден і локомотивів.
• Промислове виробництво. Вугілля стало чудовим мінералом для металургії, хімічної промисловості та виробництва енергії.

Перелічіть три переваги і три недоліки використання вугілля як палива.

Три переваги:

• Вугілля широко поширене і відносно легко видобувається.
• Низька вартість.
• Висока тепловіддача. Під час спалювання вугілля виділяється велика кількість енергії

Три недоліки:

• Забруднення навколишнього середовища. Викиди (гази, тверді частинки), вироблені під час використання вугілля, призводять до зміни клімату, погіршення якості повітря і кислотних дощів.
• Велика кількість відходів (зола, шлаки). Відходи, вироблені промисловістю, потребують безпечного зберігання та утилізації.
• Виснаження ресурсів. Джерела вугілля можуть виснажитися, а місця видобутку матимуть негативний вплив на екосистеми, розташовані поруч.

Перелічіть чотири основні екологічні наслідки використання вугілля. Якими методами це можна пом'якшити?

Чотири основні екологічні наслідки:

• Викиди парникових газів у навколишнє середовище під час видобутку і спалювання вугілля - і як наслідок пришвидшення глобального потепління.
• Забруднення середовища вугільним пилом в процесі видобутку чи складування - і як наслідок погіршення якості повітря і забруднення сільськогосподарських земель важкими металами.
• Викиди газів оксиду азоту і оксиду сірки - і як наслідок кислотні дощі.
• Після видобутку вугілля лишаються шахтні проходи. У покинутих шахтах відбувається підтоплення, що може призвести до засолення і деградації ґрунтів, до псування джерел питної води водою з затоплених шахт, а також зміни щільності ґрунтів і як результат просідання і зсуви ґрунту

Якими методами можна пом'якшити:

• Консервація шахт.
• Перехід на альтернативні джерела енергії.
• Обробка вугілля, для зменшення викидів двоокису сірки.
• Встановлення спеціальних фільтрів, для газів і частинок.
• Нові технології дають змогу вловлювати і зберігати вуглекислий газ під землею(прочитати про це можна, наприклаю, ось тут )

Опишіть принаймні три способи відкритого видобутку вугілля (на поверхні) та три методи закритого (підземного) видобутку вугілля. Дослідіть і визначте найближчий до вашого дому спосіб видобутку вугілля.

Способи видобутку вугілля

Відкритий видобуток:

• Гірнича виробка зі зносом вершини, є формою відкритого розроблення родовищ на вершині або вершинному хребті гори. Вугільні пласти видобуваються з гор шляхом видалення землі або розкривних порід над пластами. Цей процес вважається більш безпечним для гірників порівняно з підземним видобутком, оскільки доступ до вугільних пластів здійснюється зверху, а не під землею. У Сполучених Штатах цей спосіб видобутку вугілля використовують у горах Аппалачі на сході США. Для видалення до 120 м гори використовується вибухівка , щоб оголити підстилаючі вугільні пласти. Надлишки каменю та ґрунту скидаються в сусідні долини, так звані «засипання пустот» або «заповнення долин». Практика гірничої виробки зі сносом вершуин є доволі суперечливою. Незважаючи на те, що така практика має економічні вигоди, існує також занепокоєння щодо велечезного негативного впливу на навколишнє середовище та здоров’я людини.

• Траншейний або контурний видобуток передбачає видалення розкривних порід по краю пласту корисних копалин в горбистій місцевості, уступ, по якому йде розробка, зазвичай, повторює контур землі. Цей метод зазвичай залишає після себе тераси на схилах гір.

• Свердловинний спосіб або бурошнековий видобуток зазвичай відбувається у комбінації з траншейним методом, коли у стіні траншеї за допомогою бурошнекових кобайнів у стінці робляться горизонтальні проходи

• Вугільний розріз(кар'єр) зазвичай використовується велика техніка, така як драглайни, для зняття поверхневого шару ґрунту та видобутку вугілля.

Закритий:

• Штольнева шахта: Видобуток ведеться через горизонтальний тунель, що прокладається в бік/вздовж родовища.
• Похила шахта: Видобуток здійснюється через похилий тунель, що йде під землю до покладів.
• Шахта: Видобуток ведеться через шахтний стовбур, від якого відходить розгалуджена система гірничих виробок(штреків, просік), що веде до забою.

Обговоріть три основні небезпеки підземного видобутку вугілля та те, що робиться для їх зменшення.

• Підземні пожежі
• Обвали, падіння каміння зі стелі або зі стінок проїжджої частини
• Вибухи метану та вугільного пилу

Заходи щодо зменшення ймовірності виникнення подібних ситуацій:

1 Підземні пожежі:

• Встановлення систем пожежогасіння
• Постійний моніторинг температури та газів у шахті.
• Ізоляція ділянок, схильних до самозаймання вугілля.
• Використання негорючих матеріалів для кріплення та обладнання.
• Регулярне видалення та зрошення вугільного пилу.

2 Падіння каменю зі стелі або зі стінок проїжджої частини:

• Застосування кріплення (горизонтального і вертикального) для зміцнення стін і стель.
• Регулярні огляди стану кріплення і гірських порід.
• Використання анкерних болтів і сітки для додаткового утримання каменів.
• Контроль і моніторинг сейсмічної активності.

3 Вибухи метану та вугільного пилу:

• Ефективна вентиляція для видалення метану та вугільного пилу з шахти.
• Постійний моніторинг концентрації метану та вугільного пилу.
• Використання пиловловлювачів і системи пилопригнічення.
• Застосування вибухобезпечних електричних і механічних пристроїв.
• Регулярна дегазація вугільних пластів.

Зберіть фотографії або зразки та вмійте ідентифікувати чотири*** основні види вугілля:

Буре вугілля

Буре вугілля — тверде викопне вугілля, що утворилося з торфу, містить 65-70 % вуглецю. Колір вугілля коливається від світло-коричньового до практично чорного; якщо провести вугіллям по світлій поверхні, він залишить у ньому буру риску. Структура матеріалу щільна, часто помітні елементи рослин або деревини. Блиск у нього найчастіше матовий, міцність середня або низька, злам раковистий (у формі дрібних хвиль, нагадує морську раковину), землистий (схожий на грудку землі).Утворюється з відмерлих органічних решток під тиском осадкових порід і дією підвищеної температури на глибинах близько 1 км. Тому його щільність нижче, ніж в інших видів, всього 1200-1500 кг/м3.

Містить багато води (43 %), і тому має низьку теплоту згоряння(теплота згоряння бурого виду вугілля - до 24 МДж, або 4000-5500 ккал). При спалюванні виділяється багато летких речовин(яких містить до 50 %), паливо димить і залишає великий обсяг золи(зольність матеріалу сягає 25-40%).

Після обробки гідроксидом натрію (каустичною содою) буре вугілля дає темно-коричневу рідину.

У бурому вугіллі зустрічаються такі рідкісні елементи як уран та германій. Існують способи їх отримання з цієї породи.

Буре вугілля погано зберігається. На відкритому повітрі він окислюється та втрачає вологу. Тому через кілька місяців він стає менш міцним, розсипається на дрібні шматки чи пил.

Використовують буре вугілля в основному для опалення. На ньому працюють деякі ТЕЦ. Якість його нижча, ніж у кам'яного вугілля чи антрациту, але споживачів приваблює ціна. Застосовується буре вугілля і в хімічній промисловості для одержання рідкого палива, деяких органічних речовин. Завдяки наявності деяких макрокомпонентів, цей матеріал використовують як сировину для отримання смол, воску, ароматичних сполук (бензолів).

Буре вугілля

Буре вугілля

Вугілля антрацит

Антрацит — це викопне вугілля, що при своєму виникненні прогрівалося найглибше, вугілля найвищої міри вуглефікації. Характеризується великою густиною і блиском. Містить 95 % вуглецю. Має найбільшу теплоту згоряння серед інших видів вугілля, але погано спалахує. Як ввадають деякі вченні, утворюється з кам'яного вугілля при підвищенні тиску й температури на глибинах близько 6 кілометрів.

Залягає антрацит великий глибинах від 1000 м до 3000-4000 м. Тому видобувається він закритим способом. Лише окремих родовищах його пласти перебувають близько до поверхні. Найчастіше родовища антрациту зустрічаються в районах, які зазнавали значних рухів земної кори, таких як відроги гірських хребтів. На долю антрациту припадає лише 3% серед усіх світових запасів вугілля. Найбільше їх у Китаї

На вигляд це порода чорного або чорно-сірого кольору із яскравим металевим блиском. У антрациту високі щільність (1500-1700 кг/м3) та в'язкість, низька спекаємість (здатність переходити в пластичний стан при нагріванні без доступу кисню). Він проводить електричний струм та притягується магнітом.

Найбільше антрацит цінується за його енергетичні властивості. Його найвища теплота згоряння 35-40 МДж (8000-9000 ккал), у менш калорійних сортів - 6800-8350 ккал/кг. При спалюванні матеріал не димить, практично не дає полум'я та неприємного запаху. Вихід летких речовин у нього вбирається у 8% (частіше 3-4%), вологість лише 1-3%.

Основна сфера застосування антрациту – енергетика (паливо для ТЕЦ). Матеріалом надвисокої якості замінюють кокс у доменних печах. З антрациту виготовляють фільтри, електроди, порошок у вугільних мікрофонах.

Антрацит

Антрацит

Суббітумінозне вугілля *

Бітумінозне вугілля **

Кам'яне вугілля — осадова порода, що є продуктом глибокого розкладу решток рослин (дерев'янистих папоротей, хвощів і плаунів, а також перших голонасінних рослин). За рівнем метаморфізму він займає середнє положення між бурим та антрацитом.

Кам'яне вугілля – це чорна матова або блискуча порода з раковистим зламом. Якщо провести кам'яним вугіллям по світлій поверхні, він залишить на ній чорний слід. Структура у матеріалу однорідна, шарувата. Іноді всередині зустрічаються останки рослин, що обвуглилися. Під мікроскопом у породі можна побачити спори і кутикулу рослин.

У кам'яному куті менше парафінів (вісків) та смол, ніж у бурому. Більшість органічних сполук матеріалу мають циклічну структуру. Кам'яне вугілля різниться співвідношенням своїх компонентів, що визначає їхню теплоту згоряння. Низка органічних з'єднань, які входять до складу кам'яного вугілля, має канцерогенні властивості.

Уміст вуглецю в кам'яному вугіллі, залежно від його сорту, становить від 75 % до 95 %. Містить до 12 % вологи (3-4 % внутрішньої; тобто вологість низька), тому має вищу теплоту згоряння порівняно з бурим вугіллям. Містить летких речовин може коливатися від 8% до 48%, завдяки чому непогано спалахує. Показник найвищої теплоти згоряння – 30-37 МДж, або 7000-8800 ккал. Зольність – від 2% до 40%. Реакція нейтральна, вугілля не реагує із слабкими розчинами лугів.

Розташовані вони на глибині від 500 м-коду до 3 км, хоча зустрічаються пласти і на поверхні. Добувають вугілля переважно закритим способом і рідше – відкритим.

Головні галузі застосування кам'яного різновиду – енергетика та металургія. Його закуповують як паливо для ТЕЦ, приватних будинків та котелень. Незначна частина застосовується у хімічній промисловості, фармацевтиці, для виготовлення фільтрів.

Кам'яне вугілля

Бітумізованне кам'яне вугілля

Знати характеристики кожного з чотирьох*** основних видів вугілля, зокрема: відсоток вуглецю; колірна гамма і особливості зовнішнього вигляду; де використовується; теплова здатність або питома телота згоряння; райони видобутку; та інші цікаві факти.

Отримайте хоча б один зразок вугілля.

Окрім шахт і ТЕС/ТЕЦ вугілля можна спробувати знайти в котельнях, що працюють на вугіллі. Також можна замовити через інтернет, але навряд чи вам отримання цієї нагороди потрібен цілий мішок вугілля

Проведіть спостереження і запишіть якомога більше щодо зразків, які у вас є, включаючи колір, твердість, блискучисть, шаруватість тощо.

Щодо характеристик при описі вашого зразку вам допоможе пошуковий запит "фізико-механічні властивості гірських порід"

Використовуючи отримані знання, визначте тип вугілля.

Спробуйте запалити шматок вугілля запальничкою або сірником. Наскільки легко можна запалити зразок(и) порівняно з іншими горючими матеріалами?

За легендою втомленний походом чоловік вирішив розвести багаття, іскра якого потрапила на камінь, що зненацька розгорівся і став випромінювати тепло. Але пам'ятайте, що до широкого застосування рідини для розпалювання вугілля, газових пальників чи електрофенів для розпалювання вугілля використовувалися вже розпалене вогнище на дровах

Подрібніть матеріал у порошок і повторіть дослід. Які були результати?

Виконайте одну з таких дій:

Відвідайте вугільну шахту та обговоріть те, що ви дізналися.

Не в справжній вугільній шахті, але в майже повноцінній копії ви можете побувати відвідавши одну із локацій ВДНГ або так званний "павільйон №13". Наступними доступними місцями може бути :

• вугільна шахта «Гвідо» з трьома рівнями для відвідуватів музею: 170, 320, 355 метрів(Забже, Польша)
• музей у Бельгії, неподалік міста Льєж
• вугільну шахту «Цольферайн» (Німеччина)

Є ще ресторація "Копальня кави" у Львові, але це, всеж, трохи не те

Відвідайте музей вугільної промисловості та проведіть обговорення в групі того, що ви дізналися.

Про музей історії розвитку вугільної промисловості Лисичанського кам'яновугільного району можна прочитати за наведеним посиланням. Але станом на вересень 2024 Лисичанськ все ще окупований російськими окупаційними військами (((

Найближчий музей у цій галузі, мабуть це Німецький музей гірничої справи (Deutsches Bergbaumuseum, DBM) у м. Бохум (Німеччина)

Якщо поблизу немає вугільної шахти чи музею, подивіться відео про видобуток вугілля та обговоріть у групі те, що ви дізналися.

В Ютьюбі є безліч відео на цю тему, наприклад ось це або це або ось цей(але тільки для тих хто розуміє англійську) чи може якесь інше, що сподобалося вам

Вивчіть напам’ять Римлян 8:28. Обговоріть, як погані події у вашому житті або в житті когось із ваших знайомих стали "паливом" для кращих речей, приблизно так само, як повінь у книзі Буття створила вугілля.

"І занємо, що тим, хто любить Бога, хто покликаний за Його волею ве діє на добро." Римлянам 8й розділ 28й вірш

Історію з життя не розкжемо, але притчу, щоб почати дискусію по цій темі... Отже, слухайте

В одного африканського короля був близький друг, з яким він разом виріс. Цей друг, розглядаючи будь-яку подію, яка будь-коли траплялася в його житті, нехай вона була добра чи погана, мав звичку говорити: «Це добре!» Якось король був на полюванні. Друг короля готував і заряджав рушниці для монарха. Вочевидь, він зробив щось невірно, готуючи одну з рушниць. Коли король узяв у свого друга рушницю і вистрілив із неї, у нього відірвало великий палець руки. І як завжди друг короля сказав: «Це добре!». На це король з люттю відповів: "Ні, це не добре!" — і наказав відправити свого друга до в'язниці.

Минуло близько року, король полював у районі, в якому, як він гадав було майже абсолютно безпечно. Але канібали, що мешкали у тій місцині, взяли його в полон і привели до свого села разом з рештою бранців. Вони зв'язали йому руки, натягли купу дров, встановили стовп і прив'язали короля до стовпа. Коли вони підійшли ближче, щоб розвести вогонь - вони помітили, що у короля не вистачає великого пальця на руці. Через свої забобони вони ніколи не їли того, хто мав якусь ваду у тілі. Розв'язавши короля, вони його відпустили. Повернувшись додому, він згадав той випадок, коли він втратив пальець, і відчув докори сумління за своє поводження з другом. Він одразу пішов у в'язницю, щоб поговорити з ним.

- Ти мав рацію, - сказав він, - це було добре, що я залишився без пальця. І він розповів усе, що тільки-но з ним сталося. І я дуже шкодую, що посадив тебе до в'язниці, це було з мого боку погано.

- Ні, - сказав його друг, - це добре!

— Що ти кажеш? Хіба це добре, що я посадив свого друга на цілий рік у в'язницю?

— Якби я не був у в'язниці, то був би там з тобою.

Примітки перекладача:

* в Україні суббітумізоване вугілля, на відміну від США не виділяють в окремий клас, а віднсять до бурого вугілля

** аналогічна ситуація і з бітумізованним вугіллям - в нашій класифікації його відносять до кам'яного вугілля і приблизно відповідає українським маркам коксівного вугілля Ж, К, П

*** як зазначалося раніше, в нашій класифікації розрізняють три види вугілля: антрацит, кам'яне і буре

ПОДЯКА

Даніїлу Дуденко, який дуже старався при підготовці відповідей по цій нагороді

А також Чумаку Антону за технічне оформленя і редагування