Начало широкого применения угля в промышленности и быту относится еще к прошлому веку. В начале нынешнего века уголь, интенсивно вытесняя дрова, стал основным в энергетическом балансе, достигая в некоторых странах 70% и более от общего количества производимой энергии.
Основными статьями расхода угля до недавнего времени являлись прямое сжигание в системах индивидуального и коммунального отопления, в топках паровозов и пароходов, котлов электростанций, в промышленных печах. Значительная часть углей высокого Качества, так называемых коксующихся, перерабатывалась на металлургический кокс, используемый в доменном процессе при производстве чугуна. Вплоть до 30-х годов нашего века уголь достаточно широко использовался для производства искусственного газа — водяного или генераторного, и этот синтетический газ в то время был практически единственным видом бытового газа.
С момента появления на энергетическом рынке дешевой нефти, а затем и природного газа доля угля в энергетическом балансе страны начала падать. Во многих странах, обладающих большими запасами угля, например в США, добыча его попросту стала сокращаться. В Советском Союзе такого сокращения не было — добыча угля в течение всего времени неуклонно возрастала. Однако благодаря быстрому росту добычи нефти и газа относительная доля угля в топливно-энергетическом балансе страны также падала. Этот процесс несмотря на нефтяной кризис и призывы многих специалистов продолжается и теперь, хотя, как мы покажем ниже, ресурсы угля в мире намного превосходят ресурсы нефти и газа, вместе взятые.
Картина изменения относительной доли угля в энергетическом балансе США видна из рис. 2.1. Ряд специалистов видит в таком характере изменения доли угля во времени общую закономерность. По их мнению всякая технология в определенное время возникает, вытесняет существовавшую ранее, достигает своего расцвета, а затем уступает место новой, более совершенной. Но в современной энергетике мы столкнулись с положением, когда более совершенная технология добычи и использования нефти и газа, уже сильно потеснившая уголь на энергетической сцене, должна будет вновь уступить место использованию угля. Такое второе рождение угля, в необходимости которого сегодня никто не сомневается, определяется уже рассмотренным ранее быстрым исчерпанием запасов дешевых нефти и газа.
Уголь — чрезвычайно широкое понятие, объединяющее весьма различные природные полезные ископаемые, общим для которых является то, что они являются твердыми и содержат в своем составе достаточно большое количество углерода. Однако разные угли сильно отличаются по количеству и составу минеральной части (зольность некоторых углей достигает 40% и более), по влажности, по содержанию летучих органических веществ, по теплоте сгорания.
По степени обуглероживания различают наиболее молодые бурые угли и лигниты, которые на более поздних стадиях превращаются в каменные угли и антрациты.
Теплота сгорания бурых углей в расчете на рабочую массу составляет от 2000 до 5000 ккал/кг (8000— 21 000 кДж/кг), каменных — 4100—6900 ккал/кг и антрацитов — 5700—6500 ккал/кг. Бурые угли имеют высокую естественную влажность, достигающую 40%, и зольность до 50%. При большей зольности существующими методами уголь сжигать нельзя. Сжигать уголь значительно сложнее, чем газ или нефтепродукты. Для использования в мелких топках и печах пригодны только высококачественные угли с большой теплотой сгорания и достаточным выходом летучих. Низкосортные высокозольные угли можно сжигать только в мощных, хорошо оборудованных топках, в связи с чем такие угли преимущественно используются на крупных электростанциях.
Но дело не только в большей сложности организации процесса горения угля. При его использовании возникает много дополнительных проблем, связанных с воздействием на окружающую среду; например, электростанция мощностью 1 млн. кВт (а сегодня существуют и значительно более крупные ТЭС) сжигает в сутки около 20 000 т угля с теплотой сгорания 15 000 кДж/кг. Если зольность этого угля 30%, то это значит, что в сутки надо будет привести на станцию 20 000 т угля, а затем убрать с электростанции и где-то разместить около 6000 т шлака. Часть минеральной составляющей, несмотря на применяемые сегодня весьма совершенные фильтры, улетит в атмосферу в виде летучей золы.
В угле почти всегда содержится некоторое количество серы, а это значит, что в атмосферу будет выброшено соответствующее количество сернистого газа. Все это создает дополнительные осложнения при обратном переходе энергетики с чистых нефтяных и газовых топлив на уголь.
Как уже отмечалось, запасы угля на нашей планете весьма велики. По данным Н. В. Мельникова извлекаемые запасы угля ( коэффициент извлечения принят равным 25%) составляют 2900 млрд. т условного топлива, что в 3,5 раза превышает суммарные извлекаемые запасы нефти и газа. В [3] для извлекаемых ресурсов угля приводится значительно большая цифра — 7600 млрд. т угля, что соответствует около 5000 млрд. т условного топлива, если принять среднюю теплоту сгорания угля около 4500 ккал/кг. Большие цифры в [3] по сравнению с данными П. Депрерье объясняются тем, что в [3] коэффициент извлечения принят равным 50%.
Несмотря на внушительные цифры мировых запасов угля быстрое наращивание его добычи связано с большими трудностями. К 1975 г. мировая добыча угля превысила 3 млрд. т в год. В основном этот уголь добывается шахтным способом. Однако этот способ очень дорог, строительство новых шахт требует больших капиталовложений, условия труда в шахтах очень тяжелы. Все это не позволяет надеяться на то, что шахтная угледобыча позволит решить те задачи, которые возникнут завтра перед угольной промышленностью. Значительно более перспективна так называемая открытая добыча угля. В последнее время в Советском Союзе и в других странах открыты месторождения углей, чаще всего бурых, глубина залегания которых невелика, что позволяет разрабатывать их открытым способом. Эта разработка ведется следующим образом. Вначале на большой площади удаляется грунт, покрывающий угольный пласт. Эта работа выполняется мощными механизмами, например шагающими экскаваторами, которые за одну операцию могут вынуть более сотни кубометров грунта и переместить его на 100—150 м. Затем разрабатывается собственно угольный пласт. Экономические показатели открытого способа разработки угля в сильной степени зависят от так называемого коэффициента вскрыши — количества кубометров (или тонн) грунта, которое надо удалить, в расчете на 1 т добываемого угля. Очевидно, что чем меньше коэффициент вскрыши, т. е. чем меньше глубина залегания угля и чем больше толщина пласта угля, тем дешевле добываемый уголь.
По современным требованиям охраны окружающей среды после окончания разработки угля открытым способом добывающее предприятие должно провести необходимые работы по засыпке карьеров и восстановлению ландшафта. Стоимость этих работ входит как составляющая в стоимость добываемого угля, несколько удорожая его.
Мы уже отмечали, что угли с большим содержанием влаги и золы следует рассматривать в основном как энергетическое топливо. В то же время часть месторождений дешевых энергетических углей расположена в труднодоступных местностях, далеко от основных центров потребления энергии. Это относится, например, к советским восточносибирским углям. В связи с этим возникает вопрос, как правильно использовать эти угли. Перевозить их на большие расстояния даже относительно дешевым железнодорожным транспортом невыгодно, поскольку при этом перевозится до половины, а иногда и более, бесполезных веществ (золы, воды). Не всегда приемлем и другой путь — построить вблизи угольного месторождения мощные электростанции и полученную электроэнергию передавать по высоковольтным линиям электропередач. Может быть, более выгодной окажется комплексная энерготехнологическая переработка угля непосредственно на месте добычи. В таком энерготехнологическом комплексе уголь перерабатывается с получением полукокса — продукта, который рентабельно перевозить по железной дороге, а также жидких или газообразных синтетических топлив, ряда полезных продуктов типа ароматических веществ, смолы и т. п., и электроэнергии.
Такие энерготехнологические комплексы сейчас находятся в стадии полупромышленных испытаний. Их тип существенно зависит от конкретных условий данного угольного бассейна.
