Uhlí
On 16 ledna, 2022 by admin
Uhlí, přirozeně se vyskytující hořlavá pevná látka, je jedním z nejdůležitějších a nejbohatších zdrojů energie na světě. Od jeho zavedení před 4000 lety jako paliva pro vytápění a vaření až po jeho využití v devatenáctém a dvacátém století při výrobě elektřiny a jako chemické suroviny , zůstává uhlí spolu s ropou a zemním plynem důležitým zdrojem energie. Jen ve Spojených státech se nachází 1,7 bilionu krátkých tun zjištěných zásob uhlí (přírodních ložisek) a dostatek vytěžitelných zásob (uhlí, které lze zpracovat pro další využití), aby pokryly své energetické potřeby až do roku 2225. Jejich prokázané zásoby zahrnují 274 miliard krátkých tun, které mohou stávající technologie vytěžit, což představuje 25 % z 1,08 bilionu krátkých tun vytěžitelného uhlí na světě, a 508 miliard krátkých tun uhlí, které mohou stávající technologie potenciálně ekonomicky vytěžit. Jeho vytěžitelné zásoby obsahují více než dvojnásobek energie než prokázané zásoby ropy na Blízkém východě. Vytěžitelné zásoby má přibližně 100 zemí; největšími zásobami disponuje 12 zemí – mezi nimi Kanada, Čínská lidová republika, Rusko, Polsko, Austrálie, Velká Británie, Jihoafrická republika, Německo, Indie, Brazílie a Kolumbie.
Původ, složení a struktura uhlí
Geologové se domnívají, že podzemní ložiska uhlí vznikla asi před 250-300 miliony let, kdy byla většina Země pokryta bažinami s hustým lesním a rostlinným porostem. Jak rostliny a stromy odumíraly, klesaly pod vlhký zemský povrch, kde nedostatek kyslíku zpomaloval jejich rozklad a vedl ke vzniku rašeliny. Odumřelou vegetaci nahradily nové lesy a rostliny, a když nové lesy a rostliny odumřely, také se propadly do bažinaté půdy. Postupem času a s ním spojeným nárůstem tepla se podzemní vrstvy
odumřelé vegetace se začaly hromadit, těsnit a stlačovat a daly vzniknout různým druhům uhlí, z nichž každý má jinou koncentraci uhlíku: antracit, černé uhlí, subbituminózní uhlí a lignit. K tomuto závěru dospěl v roce 1833 anglický geolog William Hutton (1798-1860), když mikroskopickým zkoumáním zjistil, že všechny druhy uhlí obsahují rostlinné buňky a jsou rostlinného původu, liší se pouze vegetací, která je tvoří. Vzhledem ke svému původu v dávné živé hmotě je uhlí, stejně jako ropa a zemní plyn, označováno jako fosilní palivo. Vyskytuje se ve slojích nebo žilách v sedimentárních horninách; formace mají různou tloušťku, v hlubinných dolech 0,7-2,4 metru (2,5-8 stop) a v povrchových dolech, jako na západě Spojených států, někdy až 30,5 metru (100 stop).
Až do dvacátého století věděli chemici jen velmi málo o složení a molekulární struktuře různých druhů uhlí a ještě ve dvacátých letech 20. století se domnívali, že uhlí se skládá z uhlíku smíšeného s příměsemi obsahujícími vodík. Jejich dvě metody analýzy nebo rozdělení uhlí na jednotlivé složky, destruktivní destilace (zahřívání mimo kontakt se vzduchem) a extrakce rozpouštědlem (reakce s různými organickými rozpouštědly, např. tetralinem), ukázaly pouze to, že uhlí obsahuje značné množství uhlíku a menší procento prvků vodíku, kyslíku, dusíku a síry. Anorganické sloučeniny, jako jsou oxidy hliníku a křemíku, tvoří popel. Destilací vznikl dehet, voda a plyny. Hlavní složkou uvolňovaných plynů byl vodík, ačkoli byl přítomen amoniak, plynný oxid uhelnatý a oxid uhličitý, benzen a další uhlovodíkové páry. (Procentuální složení černého uhlí je zhruba následující: uhlík 75-90, vodík 4,5-5,5, dusík 1-1,5, síra 1-2, kyslík 5-20, popel 2-10 a vlhkost 1-10.) Od roku 1910 přinesly výzkumné týmy pod vedením Richarda Wheelera z Imperial College of Science and Technology v Londýně, Friedricha Bergiuse (1884-1949) v Mannheimu a Franze Fischera (1877-1938) v Mülheimu významné příspěvky, které poukázaly na přítomnost benzenoidních (benzenu podobných) sloučenin v uhlí. Potvrzení benzenoidní struktury uhlí však přišlo až v roce 1925 jako výsledek studií Williama Bonea (1890-1938) a jeho výzkumného týmu na Imperial College v oblasti extrakce a oxidace uhlí. Benzenové tri-, tetra- a další vyšší karboxylové kyseliny, které získali jako oxidační produkty, ukazovaly na převahu aromatických struktur s tří-, čtyř- a pětifúzními benzenovými kruhy a další struktury s jedním benzenovým kruhem. Nejjednodušší struktury se skládaly z osmi nebo deseti atomů uhlíku, struktury se sloučeným kruhem obsahovaly patnáct nebo dvacet atomů uhlíku.
Klasifikace a využití uhlí
Evropští a američtí vědci v devatenáctém a na počátku dvacátého století navrhli několik systémů klasifikace uhlí. Nejstarší z nich, publikovaný v Paříži v roce 1837 Henri-Victorem Regnaultem (1810-1878), klasifikuje druhy uhlí podle jejich proximátní analýzy (stanovení složkových látek v procentech), tj. podle procentuálního obsahu vlhkosti, hořlaviny, pevného uhlíku a popela. V modifikované podobě je stále oblíbená u mnoha amerických uhelných vědců. Jiný široce rozšířený systém, zavedený v roce 1919 britskou vědkyní Marií Stopesovou (1880-1958), klasifikuje druhy uhlí podle jejich makroskopických složek: clarain (běžné světlé uhlí), vitrain (lesklé černé uhlí), durain (matné hrubé uhlí) a fusain, nazývaný také minerální uhlí (měkké práškovité uhlí). Jiný systém je založen na konečné analýze (stanovení složek chemických prvků v procentech) a klasifikuje druhy uhlí podle procentuálního zastoupení pevného uhlíku, vodíku, kyslíku a dusíku bez popela a síry. (Regnault rovněž zavedl konečnou analýzu ve svém článku z roku 1837.) Britský uhelný vědec Clarence A. Seyler vyvinul tento systém v letech 1899-1900 a značně jej rozšířil tak, aby zahrnoval velké množství britských a evropských uhlí. Konečně v roce 1929, kdy neexistoval žádný univerzální klasifikační systém, vypracovala skupina šedesáti amerických a kanadských uhelných vědců pracujících podle pokynů stanovených Americkou asociací pro standardy (ASA) a Americkou společností pro testování materiálů (ASTM) klasifikaci, která se v roce 1936 stala standardem. Od roku 1938 zůstala nezměněna.
Systém ASA-ASTM stanovil čtyři třídy nebo stupně uhlí – antracitové, bituminózní, subbituminózní a lignitové – na základě obsahu pevného uhlíku a výhřevnosti měřené v britských tepelných jednotkách na libru (Btu/lb). Antracit, černé černé uhlí, které hoří s malým plamenem a kouřem, má nejvyšší obsah pevného uhlíku, 86-98 %, a výhřevnost 13 500-15 600 Btu/lb (což odpovídá 14,2-16,5 milionu joulů/lb ). Je palivem pro komerční a domácí vytápění, pro výrobu elektřiny a pro železářský, ocelářský a další průmysl. Černé uhlí (nízko, středně a vysoce těkavé ), měkké uhlí, které při spalování produkuje kouř a popel, má 46-86 % obsahu pevného uhlíku a výhřevnost 11 000-15 000 Btu/lb (11,6-15,8 milionu joulů/lb). Je to celosvětově nejrozšířenější ekonomicky vytěžitelné uhlí a hlavní palivo spalované v elektrárnách poháněných parními turbínami. Některá živičná uhlí, známá jako metalurgická nebo koksovatelná uhlí, mají vlastnosti, které je činí vhodnými pro přeměnu na koks používaný při výrobě oceli. Subbituminózní uhlí má 46-60
procentní obsah pevného uhlíku a výhřevnost 8 300-13 000 Btu/lb (8,8-13,7 milionu joulů/lb). Čtvrtá třída, hnědé uhlí, měkké hnědočerné uhlí, má rovněž 46-60 procentní obsah pevného uhlíku, ale nejnižší výhřevnost, 5 500-8 300 Btu/lb (5,8-8,8 milionu joulů/lb). Hlavní využití obou tříd je výroba elektrické energie. Kromě výroby tepla a elektřiny je uhlí důležitým zdrojem surovin pro výrobu. Jeho destruktivní destilací (karbonizací) vznikají uhlovodíkové plyny a uhelný dehet, z nichž chemici syntetizují léky, barviva, plasty, rozpouštědla a řadu dalších organických chemikálií. Vysokotlaká hydrogenace nebo zkapalňování uhlí a nepřímé zkapalňování uhlí pomocí Fischer-Tropschových syntéz jsou rovněž potenciálními zdroji čistých kapalných paliv a maziv.
Environmentální problémy
Hlavní nevýhodou používání uhlí jako paliva nebo suroviny je jeho potenciál znečišťovat životní prostředí při výrobě i spotřebě. To je důvod, proč v mnoha zemích produkujících uhlí, například ve Spojených státech, již dlouho platí zákony, které regulují těžbu uhlí a stanovují minimální normy pro povrchovou i hlubinnou těžbu. Výroba uhlí vyžaduje těžbu buď v povrchových (povrchových), nebo hlubinných dolech. Při povrchové těžbě zůstávají po odstranění uhlí jámy, a aby se zabránilo erozi půdy a nevzhlednému prostředí, musí provozovatelé rekultivovat půdu, tj. jámy zasypat a znovu osázet půdou. Ekologickým problémem spojeným s hlubinnou těžbou je kyselá důlní voda. Voda, která proniká do dolů a někdy je zaplavuje, a atmosférický kyslík reagují s pyritem (sulfidem železa) v uhlí, čímž vznikají kyselé důlní vody. Při čerpání z dolu do blízkých řek, potoků nebo jezer je důlní voda okyseluje. Neutralizace důlních vod vápnem a jejich usazování, čímž se sníží přítomnost pyritu železa před jejich vypouštěním, kontroluje kyselý odtok.
Spalováním uhlí se uvolňuje oxid siřičitý a oxidy dusíku, které způsobují kyselé deště . Několik metod odstraní nebo sníží množství síry přítomné v mnoha uhlících nebo zabrání jejímu uvolňování do atmosféry. Promýváním uhlí před spalováním se odstraní pyritická síra (síra kombinovaná se železem nebo jinými prvky). Spalování uhlí v hořáku moderní konstrukce známém jako fluidní hořák, v němž se vápenec přidaný do uhlí v procesu spalování spojuje se sírou, zabraňuje vzniku oxidu siřičitého. Čištění kouře uvolněného při spalování odstraňuje oxid siřičitý dříve, než se dostane do atmosféry. Ve skruberu se do kouře rozprašuje vápenec a voda, což umožňuje vápenci absorbovat oxid siřičitý a odstranit jej ve formě mokrého kalu. Zdokonalené technologie čistého uhlí vstřikují suchý vápenec do potrubí vedoucího z kotle elektrárny a odstraňují oxid siřičitý ve formě suchého prášku (CaSO 3 ), nikoli mokrého kalu. Čištění neodstraňuje oxidy dusíku, ale praní uhlí a fluidní spalovací zařízení, která pracují při nižší teplotě než starší kotle elektrárny, snižují množství produkovaných oxidů dusíku, a tím i množství vypouštěných emisí.
Čisté uhelné technologie a procesy přeměny uhlí na kapalná paliva vedly k čistšímu spalování uhlí a syntetickým kapalným palivům, ale kyselé deště zůstávají vážným problémem, přestože si společnost uvědomuje jejich škodlivé účinky již od roku 1852. Globální oteplování v důsledku emisí skleníkových plynů, oxidu uhličitého, metanu a chlorfluoruhlovodíků , je dalším problémem spalování uhlí, který průmysl a vláda od roku 1896 z velké části ignorovaly, ale již se mu nelze vyhnout bez vážných dlouhodobých následků.
Závěr
Uhlí zůstává nejrozšířenějším fosilním palivem na světě a spolu s ropou a zemním plynem bude i nadále zajišťovat většinu světové energie. Všechny tři zdroje jsou však omezené a společnost by je měla spotřebovávat moudře, nikoli plýtvat, aby prodloužila jejich životnost a snížila jejich škodlivé emise. Šetření fosilních paliv a rozvoj alternativních zdrojů energie, jako je solární a větrná energie, jsou cestou k čistší energetické budoucnosti globální společnosti.
Napsat komentář