Kul

Foto af: Noraluca013

Kul, et naturligt forekommende brændbart fast stof, er en af verdens vigtigste og mest rigelige energikilder. Siden kul blev indført for 4 000 år siden som brændsel til opvarmning og madlavning og siden det 19. og 20. århundredes anvendelse til elproduktion og som kemisk råvare har kul sammen med olie og naturgas været en vigtig energikilde. Alene USA har 1,7 billioner tons kulressourcer (naturlige forekomster) og tilstrækkelige genindvindelige reserver (kul, der kan udvikles til brug) til at dække landets energibehov indtil år 2225. De påviste reserver omfatter 274 milliarder korte tons, som den eksisterende teknologi kan indvinde, hvilket svarer til 25 % af verdens 1,08 billioner korte tons indvindingsegnet kul, og 508 milliarder korte tons kul, som den eksisterende teknologi potentielt kan udvinde økonomisk rentabelt. De udvindingsbare reserver indeholder mere end dobbelt så meget energi som Mellemøstens beviste oliereserver. Omkring 100 lande har udvindingsbare reserver; 12 lande – heriblandt Canada, Folkerepublikken Kina, Rusland, Polen, Australien, Storbritannien, Storbritannien, Sydafrika, Tyskland, Indien, Brasilien og Colombia – har de største reserver.

Kulets oprindelse, sammensætning og struktur

Geologer mener, at underjordiske kulforekomster blev dannet for ca. 250-300 millioner år siden, da en stor del af Jorden var sump dækket af tæt skov og plantevækst. Efterhånden som planterne og træerne døde, sank de ned under Jordens våde overflade, hvor utilstrækkelig ilt bremsede deres nedbrydning og førte til dannelsen af tørv. Nye skove og planteliv erstattede den døde vegetation, og da de nye skove og planter døde, sank de også ned i sumpbunden. Med tiden og den medfølgende varmeophobning opstod der underjordiske lag

Figur 1. Et eksempel på strukturen af kul.

af død vegetation begyndte at ophobe sig, blev tæt pakket og komprimeret og gav anledning til forskellige former for kul, hver med en anden kulstofkoncentration: antracit, bituminøst kul, subbituminøst kul og brunkul. Den engelske geolog William Hutton (1798-1860) nåede frem til denne konklusion i 1833, da han ved mikroskopisk undersøgelse fandt ud af, at alle kulsorter indeholdt planteceller og var af vegetabilsk oprindelse, og at de kun adskilte sig ved den vegetation, de var sammensat af. På grund af sin oprindelse i gammelt levende materiale er kul ligesom olie og gas kendt som et fossilt brændstof. Det forekommer i søm eller årer i sedimentære bjergarter; formationer varierer i tykkelse, idet de underjordiske miner har en tykkelse på 0,7-2,4 meter (2,5-8 fod), mens de overjordiske miner, som i det vestlige USA, undertiden har en tykkelse på 30,5 meter (100 fod).

Indtil det 20. århundrede vidste kemikere meget lidt om sammensætningen og den molekylære struktur af de forskellige slags kul, og så sent som i 1920’erne troede de stadig, at kul bestod af kul blandet med brintholdige urenheder. Deres to metoder til at analysere eller adskille kul i dets bestanddele, destruktiv destillation (opvarmning uden kontakt med luft) og opløsningsmiddelekstraktion (reaktion med forskellige organiske opløsningsmidler som f.eks. tetralin), viste kun, at kul indeholdt en betydelig mængde kulstof og mindre andele af grundstofferne hydrogen, oxygen, nitrogen og svovl. Aske består af uorganiske forbindelser som f.eks. aluminium- og siliciumoxider. Ved destillation fremkom tjære, vand og gasser. Hydrogen var den vigtigste komponent i de frigjorte gasser, selv om der også var ammoniak, kulilte og kuldioxid, benzen og andre kulbrintegasser til stede. (Sammensætningen af et bituminøst kul i procent er groft sagt: kulstof , 75-90; hydrogen , 4,5-5,5; nitrogen , 1-1,5; svovl , 1-2; oxygen, 5-20; aske, 2-10; og fugt, 1-10). Fra 1910 leverede forskergrupper under ledelse af Richard Wheeler ved Imperial College of Science and Technology i London, Friedrich Bergius (1884-1949) i Mannheim og Franz Fischer (1877-1938) i Mülheim vigtige bidrag, der viste tilstedeværelsen af benzenoidforbindelser (benzenlignende forbindelser) i kul. Men bekræftelsen af kuls benzenoidstruktur blev først bekræftet i 1925 som følge af William Bones (1890-1938) og hans forskerhold på Imperial College’s undersøgelser af kuludvinding og oxidation. De benzen-tri-, tetra- og andre højere carboxylsyrer, som de opnåede som oxidationsprodukter, viste en overvægt af aromatiske strukturer med tre-, fire- og femkondenserede benzenringe og andre strukturer med en enkelt benzenring. De enkleste strukturer bestod af otte eller ti kulstofatomer, mens de fusionerede ringstrukturer indeholdt femten eller tyve kulstofatomer.

Klassifikation og anvendelse af kul

Europæiske og amerikanske forskere i det nittende og tidlige tyvende århundrede foreslog flere klassificeringssystemer for kul. Det tidligste, der blev offentliggjort i Paris i 1837 af Henri-Victor Regnault (1810-1878), klassificerer kultyperne efter deres proximate analyse (bestemmelse af de enkelte bestanddele i procent), dvs. efter deres procentvise andel af fugt, brændbart stof, fast kulstof og aske. Denne metode anvendes stadig, i modificeret form, af mange amerikanske kulforskere. Et andet bredt anvendt system, der blev indført i 1919 af den britiske videnskabsmand Marie Stopes (1880-1958), klassificerer kultyperne efter deres makroskopiske bestanddele: clarain (almindeligt lyst kul), vitrain (blankt sort kul), durain (mat groft kul) og fusain, også kaldet mineralsk trækul (blødt pulverformigt kul). Et andet system er baseret på ultimativ analyse (bestemmelse af de kemiske grundstoffer i procent), hvor kultyperne klassificeres efter deres procentvise indhold af fast kulstof, hydrogen, oxygen og nitrogen, eksklusive tør aske og svovl. (Regnault havde også indført ultimativ analyse i sin artikel fra 1837.) Den britiske kulforsker Clarence A. Seyler udviklede dette system i 1899-1900 og udvidede det kraftigt til at omfatte et stort antal britiske og europæiske kultyper. Da der ikke fandtes noget universelt klassifikationssystem, udviklede en gruppe på 60 amerikanske og canadiske kulforskere, der arbejdede under retningslinjer fastsat af American Standards Association (ASA) og American Society for Testing Materials (ASTM), i 1929 endelig en klassifikation, som blev standard i 1936. Den er ikke blevet revideret siden 1938.

ASA-ASTM-systemet fastlagde fire kulklasser eller rækker – anthracit, bituminøst, subbituminøst og lignit – baseret på indholdet af fast kulstof og brændværdien målt i britiske varmeenheder pr. pund (Btu/lb). Antracit, et hårdt sort kul, der brænder med lidt flammer og røg, har det højeste indhold af fast kulstof, 86-98 %, og en brændværdi på 13.500-15.600 Btu/lb (svarende til 14,2-16,5 millioner joule/lb ). Det er et brændstof til opvarmning af erhvervsejendomme og boliger, til elproduktion og til jern- og stålindustrien og andre industrier. Bituminøst (lav-, mellem- og højtflydende) kul, et blødt kul, der producerer røg og aske ved forbrænding, har et indhold af 46-86 % fast kulstof og en brændværdi på 11.000-15.000 Btu/lb (11,6-15,8 mio. Joule/lb). Det er det mest udbredte økonomisk genindvindelige kul på verdensplan og det vigtigste brændsel, der brændes i dampturbine-drevne elværker. Nogle bituminøse kul, kendt som metallurgiske kul eller kokskul, har egenskaber, der gør dem egnede til at blive omdannet til koks til brug i stålfremstilling. Subbituminøse kul har en 46-60

Kul er en af verdens mest rigelige energikilder.

procent fast kulstofindhold og en brændværdi på 8.300-13.000 Btu/lb (8,8-13,7 mio. Joule/lb). Den fjerde klasse, brunkul, et blødt brunsort kul, har også et indhold af 46-60 % fast kulstof, men den laveste brændværdi, 5.500-8.300 Btu/lb (5,8-8,8 mio. Joule/lb). Elektricitetsproduktion er den vigtigste anvendelse af begge klasser. Ud over at producere varme og elektricitet er kul en vigtig kilde til råmaterialer til fremstillingsindustrien. Ved destruktiv destillation (karbonisering) produceres kulbrintegasser og stenkulstjære, som kemikere har syntetiseret lægemidler, farvestoffer, plast, opløsningsmidler og mange andre organiske kemikalier ud fra. Højtrykshydrogenering eller -likvefaktion af kul og indirekte likvefaktion af kul ved hjælp af Fischer-Tropsch-synteser er også potentielle kilder til rent brændende flydende brændstoffer og smøremidler.

Miljøproblemer

Den største ulempe ved at bruge kul som brændstof eller råmateriale er dets potentiale til at forurene miljøet både i forbindelse med produktion og forbrug. Dette er grunden til, at mange kulproducerende lande, som f.eks. USA, længe har haft love, der regulerer kulminedrift og fastsætter minimumsstandarder for både over- og underjordisk minedrift. Kulproduktion kræver minedrift i enten overjordiske (strip) eller underjordiske miner. Overjordisk minedrift efterlader gruber efter kuludvinding, og for at undgå jorderosion og et uskønt miljø skal operatørerne genvinde jorden, dvs. fylde gruberne op og genbeplante jorden. Surt minevand er det miljøproblem, der er forbundet med underjordisk minedrift. Vand, der siver ind i minerne og undertiden oversvømmer dem, og atmosfærisk ilt reagerer med pyrit (jernsulfid) i kulet, hvorved der dannes surt minevand. Når det pumpes ud af minen og ud i nærliggende floder, vandløb eller søer, forsurer minevandet dem. Ved at neutralisere minevandet med kalk og lade det bundfælde sig, hvorved tilstedeværelsen af jernpyrit reduceres, inden det frigives, kontrolleres den sure afvanding.

Kulforbrænding udleder svovldioxid og nitrogenoxider, som begge forårsager syreregn . Flere metoder vil fjerne eller reducere mængden af svovl i mange kul eller forhindre, at det frigives til atmosfæren. Ved at vaske kulet før afbrænding fjernes pyritisk svovl (svovl kombineret med jern eller andre grundstoffer). Afbrænding af kulet i en brænder af avanceret design, en såkaldt fluidized bed combustor, hvor kalksten, der tilsættes kulet, kombineres med svovl under forbrændingsprocessen, forhindrer dannelsen af svovldioxid. Ved at rense den røg, der frigives ved forbrændingen, fjernes svovldioxiden, inden den slipper ud i atmosfæren. I en scrubber sprøjter man kalksten og vand ind i røgen, så kalkstenen kan absorbere svovldioxid og fjerne det i form af et vådt slam. Forbedrede rene kulteknologier sprøjter tør kalksten ind i rørene fra værkets kedel og fjerner svovldioxid i form af et tørt pulver (CaSO 3 ) i stedet for et vådt slam. Skrubning fjerner ikke kvælstofoxider, men kulvask og hvirvelstrømsbrændere, der arbejder ved en lavere temperatur end ældre værkskedler, reducerer mængden af producerede kvælstofoxider og dermed den mængde, der udledes.

Rene kulteknologier og processer til omdannelse af kul til flydende brændstof har ført til renere forbrænding af kul og syntetiske flydende brændstoffer, men syreregn er fortsat et alvorligt problem på trods af samfundets anerkendelse af dets skadelige virkninger siden 1852. Den globale opvarmning som følge af udledningen af drivhusgasserne kuldioxid, metan og chlorfluorcarboner er et andet problem i forbindelse med kulforbrænding, som industrien og myndighederne stort set har ignoreret siden 1896, men det kan ikke længere undgås uden alvorlige langsigtede konsekvenser.

Konklusion

Kul er fortsat verdens mest rigelige fossile brændstof, og sammen med olie og naturgas vil det fortsat levere det meste af verdens energi. Men alle tre er begrænsede ressourcer, og samfundet bør forbruge dem klogt, ikke spildt, for at forlænge deres levetid og reducere deres skadelige emissioner. Bevarelse af fossile brændstoffer og udvikling af alternative energikilder som f.eks. sol- og vindkraft er vejen til en renere energifremtid for det globale samfund.