Бурый уголь: свойства, применение и экологические риски.

Введение

Мягкая, коричневая, горючая, осадочная порода.

Лигнит (от латинского lignum, что означает «дерево»), часто называемый бурым углем, считается углем самой низкой категории из-за его относительно низкого теплообразования. При добыче он содержит очень высокое содержание влаги, что частично объясняет его низкое содержание углерода. Лигнит добывается по всему миру и почти исключительно используется в качестве топлива для производства электроэнергии на паровых электростанциях. Сжигание лигнита выделяет меньше тепла на единицу выброшенного углекислого газа и серы, чем сжигание других марок угля. В результате лигнит является наиболее опасным для здоровья человека. В зависимости от источника, лигнит может содержать различные токсичные тяжелые металлы, включая природные радиоактивные материалы, которые остаются в золе-уносе, образующейся при его сжигании, что дополнительно увеличивает риски для здоровья.

Характеристики

Лигнит имеет коричнево-чёрный цвет и содержит 60–70% углерода в пересчёте на сухое вещество без золы. Однако его естественная влажность может достигать 75%, а содержание золы варьируется от 6 до 19%, по сравнению с 6–12% у каменного угля. В результате, содержание углерода в исходном состоянии (то есть, с учётом естественной влажности и минеральных веществ) обычно составляет всего 25–35%. Энергетическая ценность лигнита, потребляемого в штате Виктория (Австралия), в среднем составляет 8,6 МДж/кг (8,2 млн БТЕ/тонну) в пересчёте на чистую влажность. Лигнит содержит большое количество летучих веществ, что облегчает его переработку в газ и жидкие нефтепродукты по сравнению с углями более высокой степени метаморфизма. Высокая влажность и склонность к самовозгоранию могут создавать проблемы при транспортировке и хранении. Процессы, удаляющие воду из бурого угля, снижают риск самовозгорания до уровня, сопоставимого с чёрным углем, повышают теплотворную способность бурого угля до уровня, эквивалентного чёрному углю, и значительно снижают объём выбросов при использовании «уплотнённого» бурого угля до уровня, аналогичного или даже превосходящего показатели большинства чёрных углей. Однако удаление влаги увеличивает стоимость конечного лигнитного топлива. Лигнит быстро разрушается при контакте с воздухом. Этот процесс называется выветриванием или расслоением. до его закрытия в марте 2017 года. Эксплуатация традиционных электростанций, работающих на буром угле, особенно в сочетании с открытой добычей, вызывает политические споры из-за экологических проблем. Германская Демократическая Республика в значительной степени зависела от лигнита для достижения энергетической самодостаточности и в конечном итоге получала 70% своей энергии из этого угля. Лигнит также являлся важным сырьём для химической промышленности, используемым в процессах Бергиуса или синтезе Фишера-Тропша вместо нефти, которую приходилось импортировать за валюту после изменения политики Советского Союза в 1970-х годах, который ранее поставлял нефть по ценам ниже рыночных. Восточногерманские учёные даже научились перерабатывать лигнит в кокс, пригодный для металлургических целей (высокотемпературный лигнитный кокс), и большая часть железнодорожной сети зависела от лигнита либо через паровые поезда, либо через электрифицированные линии, в основном питаемые электроэнергией, полученной из лигнита. В то время как в 2014 году в Греции лигнит обеспечивал около 50% её потребностей в электроэнергии. Германия объявила о планах полного отказа от использования лигнита к 2038 году. Греция подтвердила, что последняя угольная электростанция будет закрыта в 2025 году после давления со стороны Европейского Союза, и планирует активно инвестировать в возобновляемые источники энергии.

Lignite is brownish black in color and has a carbon content of 60–70 percent on a dry ash free basis. However, its inherent moisture content is sometimes as high as 75 percent and its ash content ranges from 6–19 percent, compared with 6–12 percent for bituminous coal. As a result, its carbon content on the as received basis (i. e., containing both inherent moisture and mineral matter) is typically just 25 35 percent. The energy content of lignite consumed in Victoria, Australia, averages 8.6 MJ/kg (8.2 million BTU/ton) on a net wet basis. Lignite has a high content of volatile matter which makes it easier to convert into gas and liquid petroleum products than higher ranking coals. Its high moisture content and susceptibility to spontaneous combustion can cause problems in transportation and storage. Processes which remove water from brown coal reduce the risk of spontaneous combustion to the same level as black coal, increase the calorific value of brown coal to a black coal equivalent fuel, and significantly reduce the emissions profile of 'densified' brown coal to a level similar to or better than most black coals. However, removing the moisture increases the cost of the final lignite fuel. Lignite rapidly degrades when exposed to air. This process is called slacking or slackening. until its closure in March 2017. The operation of traditional brown coal plants, particularly in combination with strip mining, is politically contentious due to environmental concerns. The German Democratic Republic relied extensively on lignite to become energy self sufficient, and eventually obtained 70% of its energy requirements from lignite. Lignite was also an important chemical industry feedstock via Bergius process or Fischer Tropsch synthesis in lieu of petroleum, which had to be imported for hard currency following a change in policy by the Soviet Union in the 1970s, which had previously delivered petroleum at below market rates. East German scientists even converted lignite into coke suitable for metallurgical uses (high temperature lignite coke) and much of the railway network was dependent on lignite either through steam trains or electrified lines mostly fed with lignite derived power. while in 2014 in Greece, lignite provided about 50 percent of its power needs. Germany has announced plans to phase out lignite by 2038 at the latest. Greece has confirmed that the last coal plant will be shut in 2025 after receiving pressure from the European Union and plans to heavily invest in renewable energy.

Отопление дома

Лигнит использовался и используется как замена или в сочетании с дровами для отопления жилых помещений. Обычно его прессуют в брикеты для этих целей. Из-за запаха, выделяемого при сгорании, лигнит часто считался топливом для малоимущих по сравнению с более дорогим каменным углем. В Германии брикеты до сих пор легко доступны конечным потребителям в магазинах хозяйственных товаров и супермаркетах.

В сельском хозяйстве

Экологически полезное применение лигнита возможно в сельском хозяйстве. Лигнит может представлять ценность как экологически безопасный улучшитель почвы, повышая катионный обмен и доступность фосфора в почвах, одновременно снижая доступность тяжелых металлов, и может быть эффективнее коммерческих гуматов калия. Зола, образующаяся при сжигании лигнита на электростанциях, также может быть ценным улучшителем почвы и удобрением. Однако, не хватает серьезных исследований долгосрочных преимуществ использования продуктов на основе лигнита в сельском хозяйстве. Лигнит также может использоваться для культивирования и распространения микроорганизмов биологической защиты, подавляющих вредителей растений. Углерод увеличивает содержание органических веществ в почве, а микроорганизмы биологической защиты предоставляют альтернативу химическим пестицидам. Леонардит – это кондиционер почвы, богатый гуминовыми кислотами, который образуется в результате естественного окисления лигнита при контакте с воздухом. Этот процесс можно воспроизвести искусственно в больших масштабах. Менее созревший ксилоидный (древовидный) лигнит также содержит высокое количество гуминовых кислот.

В качестве промышленного адсорбента

Лигнит может иметь потенциальное применение в качестве промышленного адсорбента. Эксперименты показывают, что его адсорбция метиленового синего соответствует диапазону значений, достигаемых промышленно используемыми активированными углями.

В ювелирных изделиях

Джет – это разновидность бурого угля, который использовался как поделочный камень. Самые ранние изделия из джета датируются 10 000 годом до нашей эры, а в Британии джет широко применялся для изготовления ожерелий и других украшений с эпохи неолита и до конца римского периода. Джет пережил кратковременный ренессанс в викторианской Британии.

Геология

Лигнит начинается с накопления частично разложившегося растительного материала, или торфа. Торф наиболее легко накапливается в районах с обильным увлажнением, медленным оседанием земной поверхности и отсутствием нарушений со стороны рек или океанов. Торфяные болота встречаются в самых разных климатических и географических условиях. В этих условиях территория остается насыщенной водой, которая покрывает мертвый растительный материал и защищает его от разложения атмосферным кислородом. Анаэробные бактерии могут продолжать разлагать торф, но этот процесс протекает медленно, особенно в кислой воде. Как только торф оказывается погребенным под другими отложениями, биологическое разложение практически прекращается, а дальнейшие изменения происходят в результате повышения температуры и давления при захоронении. Лигнит образуется из торфа, который не подвергся глубокому захоронению и нагреву. Он формируется при температурах ниже. Наиболее характерным химическим изменением органического материала в процессе образования лигнита является резкое уменьшение количества функциональных групп C=O и C-O-R. Месторождения лигнита, как правило, моложе углей более высокой категории, причем большинство из них образовалось в третичный период. Нормативные акты в Соединенных Штатах и других странах требуют восстановления земель, подвергшихся открытой разработке, до их первоначальной продуктивности после завершения добычи. Добыча лигнита открытым способом в Соединенных Штатах начинается с бурения для определения размеров подземных пластов. Почвенный слой и подпочва должны быть надлежащим образом удалены и использованы для рекультивации ранее разработанных участков или сохранены для последующей рекультивации. Удаление вскрышных пород экскаваторами и грузовиками подготавливает площадку для удаления вскрышных пород драглайном, чтобы вскрыть пласты лигнита. Они измельчаются с помощью специально оборудованных тракторов (рыхление угля), а затем загружаются в самосвалы с помощью фронтальных погрузчиков. После удаления лигнита рекультивация включает в себя выравнивание отвалов до максимально возможного приближения к первоначальной поверхности земли (Приблизительный исходный контур, или AOC). Восстанавливаются подпочва и почвенный слой, а земля заново засевается различными травами. В Северной Дакоте горнодобывающая компания обязана предоставить гарантию на срок не менее десяти лет после окончания добычи, чтобы гарантировать полное восстановление земель.

Lignite begins as an accumulation of partially decayed plant material, or peat. Peat accumulates most readily in areas where there is ample moisture, slow subsidence of the land surface, and lack of disturbance by rivers or oceans. Peat swamps are otherwise found in a wide variety of climates and geographical settings. Under these conditions, the area remains saturated with water, which covers dead plant material and protects it from degradation by atmospheric oxygen. Anaerobic bacteria may continue to degrade the peat, but this process is slow, particularly in acid water. Once the peat is buried by other sediments, biological degradation essentially comes to a halt, and further changes are a result of increased temperature and pressure from burial. Lignite forms from peat that has not experienced deep burial and heating. It forms at temperatures below , The most characteristic chemical change in the organic material during formation of lignite is the sharp reduction in the number of C=O and C O R functional groups. Lignite deposits are typically younger than higher ranked coals, with the majority of them having formed during the Tertiary period. Regulations in the United States and other countries require that land that is surface mined must be restored to its original productivity once mining is complete. Strip mining of lignite in the United States begins with drilling to establish the extent of the subsurface beds. Topsoil and subsoil must be properly removed and either used to reclaim previously mined out areas or stored for future reclamation. Excavator and truck overburden removal prepares the area for dragline overburden removal to expose the lignite beds. These are broken up using specially equipped tractors (coal ripping) and then loaded into bottom dump trucks using front loaders. Once the lignite is removed, restoration involves grading the mine spoil to as close an approximation as practical of the original ground surface (Approximate Original Contour or AOC). Subsoil and topsoil are restored and the land reseeded with various grasses. In North Dakota, a performance bond is held against the mining company for at least ten years after the end of mining operations to guarantee that the land has been restored to full productivity.

Австралия

В долине Латроуб в штате Виктория (Австралия) содержится оценочное количество в 65 миллиардов тонн бурого угля. Это месторождение эквивалентно 25 процентам известных мировых запасов. Толщина угольных пластов достигает [укажите единицу измерения, если она есть в оригинале, например, метров], при этом наличие нескольких пластов часто обеспечивает практически непрерывную мощность бурого угля до [укажите единицу измерения, если она есть в оригинале, например, метров]. Пласты покрыты небольшим слоем пустой породы.

Северная Америка

Крупнейшие месторождения лигнита в Северной Америке – это лигниты побережья Мексиканского залива и Форт-Юнионское месторождение лигнита. Лигниты побережья Мексиканского залива залегают полосой, протянувшейся от Техаса до Алабамы, приблизительно параллельно побережью Мексиканского залива. Форт-Юнионское месторождение лигнита простирается от Северной Дакоты до Саскачевана. Оба месторождения являются важными источниками лигнита для коммерческой добычи.