Угольная промышленность

Угольная промышленность, занимается добычей и первичной переработкой (обогащением) каменного и бурого угля, и является самой крупной отраслью топливной промышленности по численности рабочих и стоимости производственных основных фондов.

Угольная промышленность является самой старой из всех отраслей топливно-энергетического комплекса в промышленно развитых странах, но остается одной из ведущих отраслей мировой энергетики, она лучше обеспечена ресурсами. Уголь используется и как топливо, и как сырье для химической промышленности. Мировые запасы угля составляют примерно 1 трлн т, из них около 66 % приходится на экономически развитые страны: США, страны СНГ, ФРГ, Австралию и др. По добыче угля лидируют следующие регионы: Азия, Западная Европа, страны СНГ. Ведущие страны - США, Китай, Польша, Россия, ФРГ, Украина, ЮАР, Казахстан и др. Крупнейшие угольные бассейны мира: Тунгусский, Ленский, Канско-Ачинский, Кузнецкий, Печорский - в России, Рурский - в ФРГ, Аппалачский и Западный - в США, Донецкий - в России и на Украине. Экономичной является разработка месторождений каменного и бурового угля открытым способом (карьерным).

Основными источниками энергии на сегодня являются геологические топливно-энергетические ресурсы: нефть, уголь, газ, горючие сланцы, торф, уран и т.д. На их долю приходится до 93% производимой в мире энергии. Оставшиеся 7% возмещаются использованием возобновляемых источников энергии, т.е. воды, солнца, ветра, биомассы и другой геотермики. Очевидно, что в этих условиях развитие мировой энергетики, его динамика и конъюнктура в значительной мере зависит от степени освоения человечеством геологических топливно-энергетических ресурсов.

В основе развития угольной промышленности лежат крупные запасы, которые могут обеспечивать добычу угля на протяжении 240 лет. Основные залежи каменного угля расположены в восточной части материка. Страна обладает самыми крупными в мире ресурсами высококачественных коксующихся углей. Месторождения энергетических углей отличаются очень благоприятными горно-геологическими условиями. Наиболее крупные месторождения, разрабатываемые в настоящее время, находятся в районе городов Ньюкасл и Литтоу в штате Новый Южный Уэльс и в окрестностях городов Коллинсвилл, Блэр-Атол, Блафф, Баралаба и Моура-Кианта в штате Квинсленд. Обнаружены крупные месторождения бурого угля в Кингстоне, на юго-востоке страны -- в Южной Австралии, в Эсперансе в Западной Австралии и в Розвейле в Тасмании. Старейшие угольные разработки находятся близ Ньюкасла (Новый Южный Уэльс), которые эксплуатируются с 1800 г. Почти 50% добычи в этом штате будут давать новые или рекон-струируемые шахты, которые должны быть введены в строй к 2012--2013 гг. Добыча будет смещаться на новые разрезы в районе г. Аппер-Хантер. Новые проекты уже осуществляются, в их числе разрез «Верфис-Крик» (1,5 млн т) и разрез «Каруна», ориентированные на экспорт. В Новом Южном Уэльсе на новые месторождения уже перемещено порядка 30 шахт и 28 разрезов.

В размещении отрасли сейчас происходят изменения, которые были характерны для США, Канады в 1980-е годы. По мере истощения месторождений в старых районах угледобычи происходят сдвиги в размещении отрасли в новые районы. Создание предприятий здесь происходит с применением новой техники и новых технологий. В таких районах совершается комплексное преобразование экономики, улучшается социальная обстановка, создается современная транспортная инфраструктура. Угольная промышленность становится локомотивом развития тех районов, где она является основным спонсором для социальных программ (в частности, для образовательных учреждений).

Основным потребителем угля в Австралии стала электроэнергетика, она потребляет 80% угля. Этот показатель в два раза выше среднемирового. По своей экологичности австралийские ТЭС превосходят аналогичные станции в других странах. Здесь углекислый газ после улавливания закачивается под землю, часто его закачивают в нефтяные скважины вместо воды для повышения давления в нефтяных пластах. Как правило, ТЭС размещаются в непосредственной близости от месторождений. Так, в штате Виктория у месторождения бурых углей строится новая ТЭС на чистых технологиях, у которой потребление воды для охлаждения снизится на 50%, а выбросы углекислого газа уменьшатся на треть по сравнению с существующими ТЭС.

Австралия свой экспортный потенциал не может полностью реализовать из-за недостаточной пропускной способности железных дорог и морских портов. Крупными потребителями австралийского угля стали Япония (около половины австралийского экспорта), Республика Корея, Тайвань. Китай приобрел лицензии на право проведения геологоразведочных работ в стране.

Россия, устойчиво занимает в последние годы пятое место, в советские времена по добыче угля она занимала третье место. Это произошло как вследствие падения добычи, начавшегося во второй половине 1990-х, так и из-за роста добычи угля в странах, которые стали его крупными экспортерами. Максимум добычи был достигнут в 1988 г. -- 426 млн т. В 2007 г. добыто 314 млн т.

Россия обладает большими запасами угля, второе место в мире. Прогнозные ресурсы еще более значительны ввиду малой изученности большей части территории Сибири и Дальнего Востока. Основные месторождения, разрабатываемые в настоящее время, находятся в границах следующих угольных бассейнов: Печорский, Восточный Донбасс, Канско-Ачинский, Кузнецкий, Южно-Якутский. В Сибири находится большое число месторождений с огромными запасами углей различного качества, в т.ч. гигантский Ленский бассейн, освоение которых затруднено из-за их неблагоприятного экономико-географического положения. Федеральное значение имеют Кузнецкий и Канско-Ачинский бассейны, поставляющие уголь в 68 регионов России. Региональное значение имеют Донецкий и Печорский бассейны, обеспечивающие Европейскую часть и частично Урал.

Кризис в угольной промышленности России начался в 1960-е годы после перестройки ТЭБ страны в пользу углеводородного топлива. К моменту распада СССР производительность в угледобыче была в 4 ра-за ниже, чем в США. Необходимость модернизации и ре-структуризации стала очевидной. Главной целью реформ стало повышение эффективности отрасли до уровня, который позволил бы значительно снизить или совсем отказаться от государственных субсидий. На реформирование отрасли отводилось 12--15 лет против 20--30 лет согласно мировому опыту. Трудности в проведении реформы заключались в следующем. Большинство предприятий угольной промышленности имели градообразующее значение. Они давали 70--90% бюджетных поступлений и на них работало больше половины самодеятельного населения городов и поселков. В случаях сокращения числа занятых в добыче и переработке угля в шахтерских поселениях уровень безработицы многократно возрастал, т.к. слаборазвитая социальная инфраструктура не могла обеспечить освободившихся шахтеров рабочими местами. Если в Австралии, США и др. западных странах доля занятых в социальной сфере и производствах, не связанных с добычей угля, составляет в таких населенных пунктах примерно 70%, то в России -- всего 30--40%. На рост безработицы оказал большое влияние такой фактор, как низкий уровень предпринимательской активности населения, не желающего или не имеющего возможности заниматься собственным бизнесом. Положение усугублялось высокой долей пенсионеров (40--50%) в шахтерских городах (работающие в угледобыче имеют право на льготный выход на пенсию). Высокий престиж шахтерской профессии в советское время, с одной стороны, мешал проведению реформ: большинство шахтеров не хотели смены профессии; с другой стороны, этот же фактор способствовал трудовой миграции: более трети шахтеров были готовы сменить место жительства и переехать в те города, где имелись перспективные предприятия угольной промышленности.

Перестройка отрасли началась во второй половине 1990-х. В 70 шахтах с ежегодной добычей 20--23 млн т добывался уголь, относящийся к некондиционным маркам по международным параметрам. Для их закрытия была разработана специальная программа. Более половины эксплуатируемых шахт имели возраст свыше 40 лет, только 18 предприятий -- относительно новые, работающие не более 20 лет.

Кризис в отрасли имел следующие последствия: практически прекратил свое существование шахтерский район Подмосковного угольного бассейна; на 39% снизилась добыча в Кузбассе и на Дальнем Востоке, на половину уменьшилась добыча на Урале. В этот же период началось строительство 11 новых шахт и 15 разрезов в Кузбассе, Ростовской и Амурской областях, в Приморье и Бурятии. В результате реформ увеличилась доля угля, добываемого открытым способом, с 65 до 70--80%, реконструкции подверглось свыше 100 действующих предприятий, повысилась безопасность труда. Производительность труда выросла на 80% в шахтах и почти в 2 раза на открытых разработках.

1. Введение

Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник ресурсов, однако в течение очень длительного времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в конце прошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя внимание ученых. В первой половине нынешнего века эти изменения нарастали и в настоящее время лавиной обрушились на человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий своей жизни, человек постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о последствиях. При таком подходе большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто ядовитых или непригодных для утилизации. Это создает угрозу и существованию биосферы, и самого человека.

Среди весьма серьезных проблем экологического плана наибольшее беспокойство вызывает нарастающее загрязнение воздушного бассейна Земли примесями, имеющими антропогенную природу. Атмосферный воздух является основной средой деятельности биосферы, в том числе человека. В период промышленной и научно-технической революции увеличился объем эмиссии в атмосферу газов и аэрозолей антропогенного происхождения. По ориентировочным данным ежегодно в атмосферу поступают сотни миллионов тонн оксидов серы, азота, галогенопроизводных и других соединений. Основными источниками атмосферных загрязнений являются энергетические установки, в которых используется минеральное топливо, предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, авиационный и автомобильный транспорт.

2. Термин «кислотные дожди»

Термином «кислотные дожди» называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды (средний рН для дождевой воды равняется 5.6). Выделяющиеся в процессе человеческой деятельности двуокись серы (SO2) и окислы азота (NОx) трансформируются в атмосфере земли в кислотообразующие частицы. Эти частицы вступают в реакцию с водой атмосферы, превращая ее в растворы кислот, которые и понижают рН дождевой воды. Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом. Его внимание привлек викторианский смог в Манчестере. И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже никто не сомневается, что кислотные дожди являются одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности. Кроме того кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как двуокись углерода (СО2), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота (CO2 + H2O -> H2CO3). Тогда как в идеале рН дождевой воды равняется 5.6-5.7, в реальной жизни показатель кислотности (рН) дождевой воды в одной местности может отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это, прежде всего, зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота.

Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксид серы (SO2) и различными оксидами азота (NOх). Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций, а также при сжигании угля и древесины. Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю.

Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и еще во многих странах земного шара.

Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы - озера, реки, заливы, пруды - повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Водяные растения лучше всего растут в воде со значениями рН между 7 и 9.2. С увеличением кислотности (показатели рН удаляются влево от точки отсчета 7) водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоема пищи. При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Когда кислотность повышается до рН 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон - крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Когда кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых.

Кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне. Он также уничтожает растительность на суше. Ученые считают, что хотя до сегодняшнего дня механизм до конца еще не изучен, сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов.

3. Соединения серы и  азота в атмосфере

Основной причиной образования кислотных осадков в атмосфере является выброс соединений серы и азота. Эти соединения, имея за собой природное или антропогенное происхождение, взаимодействуют в атмосфере с различными веществами и превращаются в серную и азотную кислоты. Эти кислоты вместе с осадками выпадают на поверхность земли нанося при этом вред природе и человеку.

• Виды соединений серы

К наиболее важным соединениям серы, находящимся в атмосфере, относятся двуокись серы (оксид серы (IV)), оксисульфид (сероокись углерода), сероуглерод, сероводород и диметилсульфид. Последние четыре соединения вследствие сильного окислительного действия атмосферы легко превращаются в двуокись серы или в серную кислоту (сульфаты). Под влиянием деятельности человека более всего изменяется содержание двуокиси серы.

В сильно загрязненных районах уровень двуокиси серы может в 1000 и даже в десятки тысяч раз превысить естественную границу значений на суше и в океане. Концентрация других соединений серы, обычно образующихся из естественных источников, более или менее одинакова вблизи поверхности земли. Среди соединений серы, находящихся в твердом и жидком состоянии, принимаются в расчет только серная кислота и сульфаты (сульфат и гидросульфат аммония), а также морская соль.

• Источники соединений серы

Соединения серы, как мы уже упоминалось, частично попадают в атмосферу естественным путем, а частично антропогенным. Поверхность суши, как и поверхность океанов и морей, играет роль естественного источника. Обычно деятельность человека ограничивается сушей, поэтому мы можем учитывать загрязнение серой только на этой территории.

Существуют три основных источника естественной эмиссии серы:

1. Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует газообразные соединения. Вместе с тем определенные анаэробные бактерии извлекают из сульфатов, растворенных в естественных водах, кислород, в результате чего образуются сернистые газообразные соединения.

Из указанных веществ сначала в атмосфере был обнаружен сероводород, а затем с развитием измерительных приборов и способов отбора проб воздуха удалось выделить ряд органических газообразных соединений серы. Наиболее важными источниками этих газов являются болота, зоны приливов и отливов у береговой линии морей, устья рек и некоторые почвы, содержащие большое количество органических веществ.

Поверхность моря также может содержать значительные количества сероводорода. В его возникновении принимают участие морские водоросли.

Можно предположить, что выделение серы биологическим путем не превышает 30-40 млн. т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.

2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой - тропосферу, а при отдельных, большой силы извержениях наблюдается увеличение концентрации соединений серы и в более высоких слоях - в стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает около 2 млн. т. серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы же извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.

3. В результате деятельности  человека в атмосферу попадают  значительные количества соединений  серы, главным образом в виде  ее двуокиси. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание серы (несколько процентов) в угле достаточно велико (особенно в буром угле). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии.

Содержание серы в неочищенной нефти также достаточно велико в зависимости от места происхождения (0,1-2%). При сгорании нефтяных продуктов сернистого газа образуется значительно меньше, чем при сгорании угля.

Источниками образования двуокиси серы могут быть также отдельные отрасли промышленности, главным образом металлургическая, а также предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. На транспорте загрязнение соединениями серы относительно незначительно, там в первую очередь необходимо считаться с оксидами азота.

Таким образом, ежегодно в результате деятельности человека в атмосферу попадает 60-70 млн. т. серы в виде двуокиси серы. Сравнение естественных и антропогенных выбросов соединений серы показывает, что человек загрязняет атмосферу газообразными соединениями серы в 3-4 раза больше, чем это происходит в природе. К тому же эти соединения концентрируются в районах с развитой промышленностью, где антропогенные выбросы в несколько раз превышают естественные, т.е. главным образом в Европе и Северной Америке.

• Химические превращения соединений серы

Сера входит в состав в не полностью окисленной форме (степень окисления ее равна 4). Если соединения серы находятся в воздухе в течение достаточно длительного времени, то под действием содержащихся в воздухе окислителей они превращаются в серную кислоту или сульфаты.

Рассмотрим в первую очередь наиболее значительное с точки зрения кислотных дождей веществ - двуокись серы. Реакции двуокиси серы могут протекать как в гомогенной среде, так и в гомогенной.

Одной из гомогенных реакций является взаимодействие молекулы двуокиси серы с фотоном в видимой области спектра, относительно близкой к ультрафиолетовой области. В результате этого процесса возникают так называемые активированные молекулы, которые располагают избыточной энергией по сравнению с основным состоянием. Активированные молекулы двуокиси серы в отличие от «нормальных» молекул могут вступать в химическое взаимодействие с находящимся в воздухе в довольно больших количествах молекулярным кислородом.

Образовавшийся триоксид серы, взаимодействуя с атмосферной водой, очень быстро превращается в серную кислоту, поэтому при обычных атмосферных условиях триокись серы не содержится в воздухе в значительных количествах. В гомогенной среде двуокись серы может вступить во взаимодействие с атомарным кислородом, также с образованием триокиси серы.

Эта реакция протекает в тех средах, где имеется относительно высокое содержание двуокиси азота, которая также под действием света выделяет атомарный кислород.

В последние годы было установлено, что описанные выше механизмы превращения двуокиси серы в атмосфере не имеют превалирующего значения, так как реакции протекают главным образом при участии свободных радикалов.

Свободные радикалы, возникающие при фотохимических процессах, содержат непарный электрон, благодаря чему они обладают повышенной реакционноспособностью.

В результате реакции образуются молекулы серной кислоты, которые в воздухе или на поверхности аэрозольных частиц быстро конденсируются.

Превращение двуокиси серы может осуществляться и в гетерогенной среде. Под гетерогенным превращением понимается химическая реакция, которая происходит не в газовой фазе, а в каплях или на поверхности частиц, находящихся в атмосфере.

Кроме двуокиси серы в атмосфере можно обнаружить значительное количество других природных соединений серы, которые в конечном счете окисляются до серной кислоты. В их превращении важную роль играют образовавшиеся фотохимическим путем свободные радикалы и атомы. Конечные продукты играют определенную роль в антропогенной кислотной седиментации.

• Виды соединений азота

В состав атмосферы входит ряд азотсодержащих микровеществ, но в кислотной седиментации участвуют только два из них: окись и двуокись азота, которые в результате протекающих в атмосфере реакций образуют азотистую кислоту.

Окись азота под действием окислителей (например, озона) или различных свободных радикалов преобразуется в двуокись азота:

- (окись азота + радикал пероксида водорода = двуокись азота + радикал гидроксила);

- (окись азота + озон = двуокись  азота + молекулярный кислород).

Итак, можно предположить, что окисью азота можно пренебречь вследствие указанных окислительных процессов. Однако это не совсем так, что объясняется двумя причинами. Первая заключается в том, что выброс оксидов азота в значительной степени происходит в форме окиси азота. С другой стороны, в непосредственной близости от источников загрязнения количество окиси азота превышает количество двуокиси азота. Это соотношение увеличивается в сторону двуокиси азота по мере приближения к территориям, непосредственно не подверженным загрязнению. Например, в безусловно чистом воздухе над поверхностью океана часть окиси азота составляет всего несколько процентов от двуокиси азота. Кислотную среду в атмосфере создает также азотная кислота, образующаяся из оксидов азота. Если находящаяся в воздухе азотная кислота нейтрализуется, то образуется азотнокислая соль, которая обычно присутствует в атмосфере в виде аэрозолей. Это относится также к солям аммония, которые получаются в результате взаимодействий аммиака с какой-либо кислотой.

• Источники соединений азота

Эти источники могут быть как естественными, так и антропогенными.

Наиболее важные естественные источники:

- Почвенная эмиссия оксидов  азота. В процессе деятельности  живущих в почве денитрифицирующих  бактерий из нитратов высвобождаются  оксиды азота.

Согласно современным данным ежегодно во всем мире образуется 8 млн. т оксидов азота.

- Грозовые разряды. Во  время электрических разрядов  в атмосфере из-за очень высокой  температуры и перехода в плазменное  состояние молекулярные азот  и кислород в воздухе соединяются  в оксиды азота. В состоянии  плазмы атомы и молекулы ионизируются  и легко вступают в химическую  реакцию. Общее количество образовавшихся  таким способом оксидов азота  составляет 8 млн. т в год.

- Горение биомассы. Этот  источник может быть как естественным, так и искусственным. Наибольшее  количество биомассы сгорает  в результате выжигания леса (с  целью получения производственных  площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух  поступает 12 млн т оксидов азота  в год.

Прочие источники естественных выбросов оксидов азота менее значительны и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах.

Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн. т оксидов азота.

Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т.д.). Во время горения в результате возникновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотсодержащих веществ.

Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн. т оксидов азота. Значительным источником оксидов азота также является транспорт.

В целом количества естественных и искусственных выбросов приблизительно одинаковы, однако последние, так же как и выбросы соединений серы, сосредоточены на ограниченных территориях Земли.

Необходимо упомянуть, однако, что количество выбросов оксидов азота из года в год растет в отличие от эмиссии двуокиси серы, поэтому соединения азота играют огромную роль в образовании кислотных осадков.

• Химические превращения соединений азота

Наиболее распространенным соединением азота, входящим в состав выбросов, является окись азота, который при взаимодействии с кислородом воздуха образует двуокись азота. Последний в результате реакции с радикалом гидроксида превращается в азотную кислоту. Полученная таким образом азотная кислота может долгое время оставаться в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Другими словами, азотная кислота обладает большей летучестью, чем серная. Пары азотной кислоты могут быть поглощены капельками облаков, осадков или частицами аэрозоля.

4. Кислотная седиментация (кислотные дожди)