Лигнит (от латинского lignum , означающего «дерево»), часто называемый бурым углем , [1] представляет собой мягкую, коричневую, горючую , осадочную породу, образовавшуюся из естественно сжатого торфа . Он имеет содержание углерода около 25–35%, [1] [2] и считается углем низшего сорта из - за его относительно низкого содержания тепла . Когда его извлекают из земли, он содержит очень большое количество влаги , что частично объясняет его низкое содержание углерода. Лигнит добывается по всему миру и используется почти исключительно в качестве топлива для производства паровой электроэнергии .
При сгорании бурого угля выделяется меньше тепла по количеству выделяемого углекислого газа и серы, чем при сжигании других сортов угля. В результате бурый уголь является самым вредным для здоровья человека углем. [3] В зависимости от источника в буром угле могут присутствовать различные токсичные тяжелые металлы , в том числе природные радиоактивные материалы , которые остаются в летучей золе угля, образующейся в результате его сгорания, что еще больше увеличивает риск для здоровья. [4]
Лигнит имеет коричнево-черный цвет и содержание углерода 60–70 процентов в пересчете на сухое беззольное вещество. Однако его собственная влажность иногда достигает 75 процентов [1] , а зольность колеблется в пределах 6–19 процентов по сравнению с 6–12 процентами для битуминозного угля . [5] В результате содержание углерода в исходном состоянии (т.е. содержит как собственную влагу, так и минеральные вещества) обычно составляет всего 25-35 процентов. [2]
Энергетическая ценность бурого угля колеблется от 10 до 20 МДж/кг (9–17 миллионов БТЕ на короткую тонну ) на влажной, не содержащей минеральных веществ основе. Энергетическая ценность потребляемого в США бурого угля составляет в среднем 15 МДж/кг (13 миллионов БТЕ/тонну) в состоянии поставки. [6] Энергетическая ценность бурого угля, потребляемого в штате Виктория, Австралия, в среднем составляет 8,6 МДж/кг (8,2 миллиона БТЕ/тонну) в пересчете на сырую массу. [7]
Лигнит имеет высокое содержание летучих веществ, что позволяет легче преобразовать его в газ и жидкие нефтепродукты, чем угли более высокого качества. К сожалению, его высокое содержание влаги и склонность к самовозгоранию могут вызвать проблемы при транспортировке и хранении. Процессы удаления воды из бурого угля снижают риск самовозгорания до того же уровня, что и черный уголь, повышают теплотворную способность бурого угля до уровня топлива , эквивалентного черному углю , и значительно снижают профиль выбросов «уплотненного» бурого угля до уровня похож на большинство черных углей или лучше них. [8] Однако удаление влаги увеличивает стоимость конечного бурого топлива.
Лигнит быстро разлагается на воздухе. Этот процесс называется ослаблением или ослаблением . [9]
Большая часть бурого угля используется для производства электроэнергии. [2] Однако небольшие количества используются в сельском хозяйстве, в промышленности и даже, как реактивный самолет , в ювелирном деле. Его историческое использование в качестве топлива для отопления домов постоянно сокращалось и теперь имеет меньшее значение, чем его использование для производства электроэнергии.
Лигнит часто встречается в толстых пластах, расположенных вблизи поверхности, поэтому его добыча обходится недорого. Однако из-за своей низкой энергетической плотности , склонности к крошению и, как правило, высокого содержания влаги бурый уголь неэффективен для транспортировки и не пользуется широкой торговлей на мировом рынке по сравнению с более высокими сортами угля. [1] [7] Его часто сжигают на электростанциях рядом с шахтами, например, в австралийской долине Латроб , на заводе Luminant в Монтичелло и на заводе Мартин-Лейк в Техасе. Прежде всего из-за скрытого высокого содержания влаги и низкой энергетической плотности бурого угля, выбросы углекислого газа на традиционных электростанциях, работающих на буром угле, обычно намного выше на произведенный мегаватт-час, чем на сопоставимых электростанциях, работающих на каменном угле, с самой высокой в мире электростанцией. являлась австралийской электростанцией Хейзелвуд [10] до ее закрытия в марте 2017 года. [11] Эксплуатация традиционных электростанций по добыче бурого угля, особенно в сочетании с добычей полезных ископаемых , является политически спорной из-за экологических проблем. [12] [13]
Германская Демократическая Республика широко полагалась на бурый уголь, чтобы стать энергетически самодостаточной , и в конечном итоге получила 70% своих потребностей в энергии за счет бурого угля. [14] Лигнит также был важным сырьем для химической промышленности посредством процесса Бергиуса или синтеза Фишера-Тропша вместо нефти, [15] которую пришлось импортировать за твердую валюту после изменения политики Советского Союза в 1970-х годах, которая ранее поставляла нефть по ценам ниже рыночных. [16] Восточногерманские ученые даже перерабатывали бурый уголь в кокс , пригодный для металлургического использования ( высокотемпературный бурый кокс ), и большая часть железнодорожной сети зависела от бурого угля либо через паровые поезда , либо электрифицированные линии, в основном питаемые энергией, полученной из бурого угля. [16] Согласно таблице ниже, Восточная Германия была крупнейшим производителем бурого угля на протяжении большей части своего существования в качестве независимого государства.
В 2014 году около 12 процентов энергии Германии и, в частности, 27 процентов электроэнергии в Германии приходилось на электростанции, работающие на буром угле, [17] тогда как в 2014 году в Греции бурый уголь обеспечивал около 50 процентов ее потребностей в электроэнергии. Германия объявила о планах по поэтапному отказу от бурого угля не позднее 2038 года. [18] [19] [20] [21] Греция подтвердила, что последняя угольная электростанция будет закрыта в 2025 году после давления со стороны Европейского Союза [22] и планирует активно инвестировать в возобновляемые источники энергии . [23]
Лигнит использовался и используется в качестве замены или в сочетании с дровами для отопления домов. Для этого его обычно прессуют в брикеты . [24] [25] Из-за запаха, который он выделяет при сжигании, бурый уголь часто рассматривался как топливо для бедных людей по сравнению с более дорогим каменным углем. В Германии брикеты по-прежнему легко доступны конечным потребителям в магазинах товаров для дома и супермаркетах. [26] [27] [28] [29]
Экологично бурый уголь используется в сельском хозяйстве. Лигнит может иметь ценность в качестве экологически безопасного удобрения для почвы , улучшая катионный обмен и доступность фосфора в почвах, одновременно снижая доступность тяжелых металлов [30] [31] и может превосходить коммерческие гуматы калия. [32] Летучая зола бурого угля, образующаяся при сжигании лигнита на электростанциях, также может быть ценной в качестве удобрения для почвы. [33] Однако тщательные исследования долгосрочных преимуществ продуктов из бурого угля в сельском хозяйстве отсутствуют. [34]
Лигнит также может использоваться для выращивания и распространения микробов биологической борьбы , подавляющих вредителей растений. Углерод увеличивает содержание органических веществ в почве , а микробы биологического контроля обеспечивают альтернативу химическим пестицидам. [35]
Леонардит — это кондиционер для почвы, богатый гуминовыми кислотами , который образуется в результате естественного окисления при контакте бурого угля с воздухом. [36] Этот процесс можно воспроизвести искусственно в больших масштабах. [37] Менее зрелый ксилоидный (древесный) лигнит также содержит большое количество гуминовой кислоты. [38]
В результате реакции с четвертичным амином образуется продукт, называемый бурым углем, обработанным амином (ATL), который используется в буровых растворах для уменьшения потерь жидкости во время бурения. [39]
Лигнит может потенциально использоваться в качестве промышленного адсорбента . Эксперименты показывают, что его адсорбция метиленового синего находится в пределах диапазона активированных углей, используемых в настоящее время в промышленности. [40]
Гагат — это форма бурого угля, которая использовалась в качестве драгоценного камня. [41] Самые ранние реактивные артефакты датируются 10 000 г. до н. э. [42] и гагат широко использовался в ожерельях и других украшениях в Британии от неолита до конца Римской Британии . [43] Джет пережил краткое возрождение в викторианской Британии . [44]
Лигнит начинается как скопление частично разложившегося растительного материала или торфа. Торф легче всего накапливается в районах с достаточной влажностью, медленным оседанием поверхности суши и отсутствием воздействия рек или океанов. В остальном торфяные болота встречаются в самых разных климатических и географических условиях. В этих условиях территория остается насыщенной водой, которая покрывает отмерший растительный материал и защищает его от разложения кислородом воздуха. Анаэробные бактерии могут продолжать разлагать торф, но этот процесс протекает медленно, особенно в кислой воде. Как только торф оказывается погребенным под другими отложениями, биологическая деградация практически прекращается, а дальнейшие изменения происходят в результате повышения температуры и давления в результате захоронения. [45]
Лигнит образуется из торфа, не подвергшегося глубокому захоронению и нагреву. Он образуется при температуре ниже 100 ° C (212 ° F), [1] в основном в результате биохимического разложения. Сюда относится гумификация, при которой микроорганизмы извлекают из торфа углеводороды и образуются гуминовые кислоты. Гуминовые кислоты делают среду более кислой, что замедляет скорость дальнейшего разложения бактерий. Гумификация бурого угля еще не завершена и завершается только тогда, когда уголь достигает полубитуминозного состояния. [46] Наиболее характерным химическим изменением органического вещества при образовании бурого угля является резкое уменьшение числа функциональных групп C=O и COR. [47]
Месторождения бурого угля обычно моложе, чем угли более высокого ранга, причем большинство из них образовалось в третичный период. [1]
Лигнит часто встречается в мощных пластах, расположенных вблизи поверхности. [1] [7] Их добыча с использованием различных форм открытой добычи обходится недорого , хотя это может привести к серьезному ущербу для окружающей среды. [48] Законодательные акты США и других стран требуют, чтобы земля, добытая открытым способом, после завершения добычи была восстановлена до первоначальной продуктивности. [49]
Добыча бурого угля в Соединенных Штатах начинается с бурения для определения размеров подземных пластов. Верхний слой почвы и недра должны быть надлежащим образом удалены и либо использованы для рекультивации ранее выработанных территорий, либо сохранены для будущей рекультивации. Удаление вскрышных пород с помощью экскаватора и грузовика подготавливает территорию для удаления вскрышных пород драглайном , чтобы обнажить пласты бурого угля. Их дробят с помощью специально оборудованных тракторов ( разрыхление угля ) и затем загружают в нижние самосвалы с помощью фронтальных погрузчиков . [50]
После удаления бурого угля восстановление включает в себя сортировку горных пород до максимально близкого приближения к исходной поверхности земли (приблизительный исходный контур или AOC). Недра и верхний слой почвы восстанавливаются, земля засеивается различными травами. В Северной Дакоте горнодобывающей компании предоставляется гарантия исполнения обязательств в течение как минимум десяти лет после окончания горнодобывающих работ, чтобы гарантировать, что земля будет восстановлена до полной продуктивности. [49] Залог (не обязателен в этой форме) для рекультивации шахт требуется в США в соответствии с Законом о контроле за добычей полезных ископаемых и рекультивацией 1977 года . [51]
Долина Латроб в Виктории , Австралия , содержит оценочные запасы около 65 миллиардов тонн бурого угля. [55] Месторождение эквивалентно 25 процентам известных мировых запасов. Толщина угольных пластов достигает 98 метров, при этом несколько угольных пластов часто дают практически непрерывную толщину бурого угля до 230 метров. Пласты перекрыты очень небольшим количеством вскрышных пород (от 10 до 20 метров). [55]
Партнерство под руководством Kawasaki Heavy Industries при поддержке правительств Японии и Австралии начало извлекать водород из бурого угля. Сжиженный водород будет отправляться на транспортере Suiso Frontier в Японию. [56]
Крупнейшими месторождениями бурого угля в Северной Америке являются лигниты на побережье Мексиканского залива и месторождение бурого угля Форт-Юнион. Лигниты побережья Мексиканского залива расположены в полосе, проходящей от Техаса до Алабамы , примерно параллельно побережью Мексиканского залива. Месторождение бурого угля Форт-Юнион простирается от Северной Дакоты до Саскачевана . Оба являются важными коммерческими источниками бурого угля. [9]
Лигнит можно разделить на два типа. Первая форма — это ксилоидный бурый уголь или ископаемая древесина , а вторая форма — компактный бурый уголь или совершенный бурый уголь.
Хотя ксилоидный лигнит иногда может иметь прочность и внешний вид обычной древесины, можно видеть, что горючая древесная ткань претерпела большие изменения. При растирании он превращается в мелкий порошок , а под действием слабого раствора поташа дает значительное количество гуминовой кислоты . [38] Леонардит — это окисленная форма бурого угля, которая также содержит высокий уровень гуминовой кислоты. [57]
Гагат — это закаленная, похожая на драгоценный камень форма бурого угля, используемая в различных типах ювелирных изделий. [41]
Германия является крупнейшим производителем бурого угля, [58] за ней следуют Китай , Россия и США . [59] На долю лигнита в 2019 году пришлось 8% всей добычи угля в США. [2]
{{cite web}}
: Отсутствует или пусто |title=
( помощь )Германия была крупнейшим производителем бурого угля в мире с момента начала промышленной добычи бурого угля.
Это по-прежнему так, за ним следуют Китай, Россия и США.
Более мягкий и влажный лигнит (также называемый бурым или мягким углем) имеет более низкую теплоту сгорания, чем каменный уголь, и его можно добывать только открытым способом.
При сжигании он выделяет больше CO2, чем каменный уголь.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )