Hiili

Kuva: Noraluca013

Kivihiili, luonnossa esiintyvä palava kiinteä aine, on maailman tärkeimpiä ja runsaimpia energianlähteitä. Siitä lähtien, kun hiili otettiin käyttöön 4000 vuotta sitten lämmitys- ja ruoanvalmistuspolttoaineena, sitä käytettiin 1800- ja 1900-luvuilla sähköntuotannossa ja kemian raaka-aineena , hiili on pysynyt öljyn ja maakaasun ohella tärkeänä energialähteenä. Pelkästään Yhdysvalloissa on 1,7 biljoonaa lyhyttä tonnia tunnistettuja hiilivaroja (luonnonesiintymiä) ja riittävästi hyödynnettävissä olevia varantoja (hiiltä, jota voidaan kehittää käytettäväksi) sen energiantarpeen tyydyttämiseksi vuoteen 2225 asti. Yhdysvaltojen osoitettuihin varantoihin kuuluu 274 miljardia lyhyttä tonnia hiiltä, jotka nykyisellä teknologialla voidaan ottaa talteen, mikä on 25 prosenttia maailman 1,08 biljoonan lyhyen tonnin hiilivarannosta, ja 508 miljardia lyhyttä tonnia hiiltä, jota nykyisellä teknologialla voidaan mahdollisesti louhia taloudellisesti. Sen hyödynnettävissä olevat varannot sisältävät yli kaksi kertaa enemmän energiaa kuin Lähi-idän todistetut öljyvarat. Noin 100 maalla on hyödynnettävissä olevia varantoja; suurimmat varannot omistaa 12 maata, muun muassa Kanada, Kiinan kansantasavalta, Venäjä, Puola, Australia, Iso-Britannia, Etelä-Afrikka, Saksa, Intia, Brasilia ja Kolumbia.

Hiilen alkuperä, koostumus ja rakenne

Geologit uskovat, että maanalaiset hiiliesiintymät muodostuivat noin 250-300 miljoonaa vuotta sitten, jolloin suuri osa maapallosta oli paksun metsä- ja kasvipeitteen peittämää suota. Kun kasvit ja puut kuolivat, ne vajosivat maapallon kostean pinnan alle, jossa riittämätön happi hidasti niiden hajoamista ja johti turpeen muodostumiseen. Uudet metsät ja kasvit korvasivat kuolleen kasvillisuuden, ja kun uudet metsät ja kasvit kuolivat, myös ne vajosivat suopohjaan. Ajan kuluessa ja siihen liittyvän lämmön lisääntymisen myötä maanalaiset kerrostumat

Kuva 1. Esimerkki hiilen rakenteesta.

kuolleesta kasvillisuudesta alkoi kerääntyä, ne pakkautuivat tiiviisti ja tiivistyivät ja synnyttivät erilaisia kivihiililajeja, joilla kullakin on erilainen hiilipitoisuus: antrasiittia, bitumihiiltä, subbitumihiiltä ja ruskohiiltä. Englantilainen geologi William Hutton (1798-1860) päätyi tähän johtopäätökseen vuonna 1833, kun hän havaitsi mikroskooppitutkimuksen avulla, että kaikki kivihiililajikkeet sisälsivät kasvisoluja ja olivat kasviperäisiä ja erosivat toisistaan vain koostumukseltaan kasvillisuuden perusteella. Koska hiili on peräisin muinaisesta elävästä aineesta, sitä kutsutaan öljyn ja kaasun tavoin fossiiliseksi polttoaineeksi. Se esiintyy sedimenttikivien saumoissa tai suonissa. Muodostumien paksuus vaihtelee, sillä maanalaisissa kaivoksissa esiintyvien saumojen paksuus on 0,7-2,4 metriä (2,5-8 jalkaa), kun taas maanpäällisissä kaivoksissa esiintyvien saumojen paksuus on joskus 30,5 metriä (100 jalkaa), kuten Länsi-Yhdysvalloissa.

Kemistit tiesivät 1900-luvulle saakka hyvin vähän eri kivihiililajien koostumuksesta ja molekyylirakenteesta, ja vielä 1920-luvulla he uskoivat kivihiilen koostuvan hiilestä, johon on sekoittunut vetyä sisältäviä epäpuhtauksia. Heidän kaksi menetelmäänsä hiilen analysoimiseksi tai erottamiseksi komponentteihinsa, tuhoava tislaus (kuumentaminen ilman kanssa kosketuksiin joutumatta) ja liuotinuutto (reagoiminen erilaisten orgaanisten liuottimien, kuten tetraliinin, kanssa), osoittivat vain, että hiili sisälsi huomattavan määrän hiiltä ja pienempiä prosenttiosuuksia vetyä, happea, typpeä ja rikkiä. Epäorgaaniset yhdisteet, kuten alumiini- ja piioksidit, muodostavat tuhkan. Tislaus tuotti tervaa, vettä ja kaasuja. Vety oli vapautuneiden kaasujen pääkomponentti, vaikka ammoniakkia, hiilimonoksidi- ja hiilidioksidikaasuja, bentseeniä ja muita hiilivetyhöyryjä esiintyi. (Bitumipitoisen hiilen koostumus prosentteina on suurin piirtein seuraava: hiili 75-90, vety 4,5-5,5, typpi 1-1,5, rikki 1-2, happi 5-20, tuhka 2-10 ja kosteus 1-10). Vuodesta 1910 alkaen tutkimusryhmät Richard Wheelerin johdolla Imperial College of Science and Technology -yliopistossa Lontoossa, Friedrich Bergiuksen (1884-1949) johdolla Mannheimissa ja Franz Fischerin (1877-1938) johdolla Mülheimissa tekivät merkittäviä tutkimuksia, jotka osoittivat, että kivihiilessä esiintyy bentseeniyhdisteitä (bentseenin kaltaisia yhdisteitä). Kivihiilen bentseenirakenne vahvistettiin kuitenkin vasta vuonna 1925 William Bonen (1890-1938) ja hänen Imperial Collegessa toimivan tutkimusryhmänsä hiilen louhinta- ja hapettumistutkimusten tuloksena. Hapetustuotteina saadut bentseenitri-, tetra- ja muut korkeammat karboksyylihapot osoittivat, että aromaattiset rakenteet, joissa oli kolme, neljä ja viisi fuusioitunutta bentseenirengasta, ja muut rakenteet, joissa oli yksi bentseenirengas, olivat vallitsevia. Yksinkertaisimmat rakenteet koostuivat kahdeksasta tai kymmenestä hiiliatomista, fuusioidut rengasrakenteet sisälsivät viisitoista tai kaksikymmentä hiiliatomia.

Kivihiilen luokittelu ja käyttö

Eurooppalaiset ja amerikkalaiset tutkijat ehdottivat 1800-luvulla ja 1900-luvun alussa useita kivihiilen luokittelujärjestelmiä. Varhaisimmassa, Henri-Victor Regnault’n (1810-1878) Pariisissa vuonna 1837 julkaisemassa järjestelmässä kivihiilityypit luokitellaan niiden proksimaattisen analyysin (ainesosien määrittäminen prosentteina) eli kosteuden, palavan aineen, kiinteän hiilen ja tuhkan prosenttiosuuksien mukaan. Monet amerikkalaiset hiilitutkijat suosivat sitä edelleen muunneltuna. Toinen laajalti hyväksytty järjestelmä, jonka brittiläinen tutkija Marie Stopes (1880-1958) otti käyttöön vuonna 1919, luokittelee kivihiilen tyypit niiden makroskooppisten ainesosien mukaan: clarain (tavallinen kirkas kivihiili), vitrain (kiiltävä musta kivihiili), durain (tylsä karkea kivihiili) ja fusain, jota kutsutaan myös kivihiileksi (pehmeä jauhemainen kivihiili). Toinen järjestelmä perustuu perimmäiseen analyysiin (kemiallisten ainesosien määrittäminen prosentteina), jossa kivihiilityypit luokitellaan kiinteän hiilen, vedyn, hapen ja typen prosenttiosuuksien mukaan, lukuun ottamatta kuivaa tuhkaa ja rikkiä. (Regnault oli myös ottanut käyttöön perimmäisen analyysin vuonna 1837 julkaisemassaan artikkelissa.) Brittiläinen hiilitutkija Clarence A. Seyler kehitti tämän järjestelmän vuosina 1899-1900 ja laajensi sitä huomattavasti siten, että se kattaa suuren määrän brittiläisiä ja eurooppalaisia hiiliä. Koska yleismaailmallista luokitusjärjestelmää ei ollut olemassa, 60 amerikkalaisen ja kanadalaisen hiilitutkijan ryhmä, joka työskenteli American Standards Associationin (ASA) ja American Society for Testing Materialsin (ASTM) laatimien suuntaviivojen mukaisesti, kehitti vuonna 1929 luokituksen, josta tuli standardi vuonna 1936. Sitä ei ole tarkistettu vuodesta 1938 lähtien.

ASA-ASTM-järjestelmässä vahvistettiin neljä kivihiililuokkaa tai -luokkaa – antrasiitti, bitumipitoinen, subbitumipitoinen ja ruskohiili – jotka perustuivat kiinteän hiilen pitoisuuteen ja lämpöarvoon, joka mitattiin brittiläisinä lämpöyksikköinä paunaa kohti (Btu/lb). Antrasiitti on kovaa mustaa kivihiiltä, joka palaa vähän liekkiä ja savua, ja sen kiintohiilipitoisuus on korkein, 86-98 prosenttia, ja lämpöarvo on 13 500-15 600 Btu/lb (vastaa 14,2-16,5 miljoonaa joulea/lb ). Sitä käytetään polttoaineena kaupallisessa ja kotitalouksien lämmityksessä, sähköntuotannossa sekä rauta-, teräs- ja muussa teollisuudessa. Bitumihiilen (matala-, keski- ja korkeahaihtuva hiili), pehmeän hiilen, joka poltettaessa tuottaa savua ja tuhkaa, kiinteän hiilen pitoisuus on 46-86 prosenttia ja lämpöarvo 11 000-15 000 Btu/lb (11,6-15,8 miljoonaa joulea/lb). Se on maailmanlaajuisesti runsain taloudellisesti hyödynnettävissä oleva hiili ja tärkein polttoaine, jota poltetaan höyryturbiinikäyttöisissä sähköntuotantolaitoksissa. Jotkin bitumipitoiset hiilet, jotka tunnetaan nimellä metallurgiset hiilet tai koksihiilet, soveltuvat ominaisuuksiltaan sellaisiksi, että ne voidaan muuntaa teräksenvalmistuksessa käytettäväksi koksiksi. Subbitumisella hiilellä on 46-60

Hiili on yksi maailman runsaimmista energialähteistä.

prosenttia kiinteää hiiltä ja sen lämpöarvo on 8300-13000 Btu/lb (8,8-13,7 miljoonaa joulea/lb). Neljännen luokan, ruskohiilen, pehmeän ruskehtavan mustan kivihiilen, kiinteän hiilen osuus on myös 46-60 prosenttia, mutta lämmitysarvo on alhaisin, 5 500-8 300 Btu/lb (5,8-8,8 miljoonaa joulea/lb). Molempien luokkien pääasiallinen käyttötarkoitus on sähköntuotanto. Lämmöntuotannon ja sähköntuotannon lisäksi hiili on tärkeä raaka-aineiden lähde teollisuudelle. Sen tuhoava tislaus (hiiltäminen) tuottaa hiilivetykaasuja ja kivihiilitervaa, joista kemistit ovat syntetisoineet lääkkeitä, väriaineita, muoveja, liuottimia ja lukuisia muita orgaanisia kemikaaleja. Kivihiilen vedyttäminen tai nesteyttäminen korkeassa paineessa ja kivihiilen epäsuora nesteyttäminen Fischer-Tropsch-synteesillä ovat myös mahdollisia puhtaasti palavien nestemäisten poltto- ja voiteluaineiden lähteitä.

Ympäristönäkökohdat

Suurin haitta kivihiilen käyttämisestä polttoaineena tai raaka-aineena on sen potentiaalinen ympäristöhaitta sekä tuotannossa että kulutuksessa. Tästä syystä monissa hiiltä tuottavissa maissa, kuten Yhdysvalloissa, on jo pitkään ollut lakeja, jotka säätelevät hiilen louhintaa ja asettavat vähimmäisvaatimukset sekä pinta- että maanalaiselle louhinnalle. Kivihiilen tuotanto edellyttää louhintaa joko maanpäällisissä (strip) tai maanalaisissa kaivoksissa. Pintakaivostoiminnan harjoittajien on maaperän eroosion ja ruman ympäristön estämiseksi kunnostettava maa eli täytettävä kuopat ja istutettava maaperä uudelleen. Happamat kaivosvedet ovat maanalaiseen kaivostoimintaan liittyvä ympäristöongelma. Kaivoksiin suotautuva vesi, joka joskus tulvii kaivoksiin, ja ilmakehän happi reagoivat hiilen sisältämän pyriitin (rautasulfidi) kanssa, jolloin syntyy hapanta kaivosvettä. Kun kaivoksesta pumpataan vettä läheisiin jokiin, puroihin tai järviin, kaivosvesi happamoittaa niitä. Kaivosveden neutraloiminen kalkilla ja sen antaminen laskeutua, jolloin rautapyriitin määrä vähenee ennen sen vapauttamista, hillitsee hapanta valuntaa.

Hiilen poltossa syntyy rikkidioksidia ja typen oksideja, jotka molemmat aiheuttavat happamia sateita . Useat menetelmät poistavat tai vähentävät monissa hiilissä olevan rikin määrää tai estävät sen vapautumisen ilmakehään. Hiilen pesu ennen polttoa poistaa pyriittirikiä (rautaan tai muihin alkuaineisiin yhdistettyä rikkiä). Hiilen polttaminen kehittyneessä polttimessa eli leijukerrospolttimessa, jossa hiileen lisätty kalkkikivi yhdistyy rikin kanssa palamisprosessissa, estää rikkidioksidin muodostumisen. Poltossa vapautuvan savun pesu poistaa rikkidioksidin ennen sen pääsyä ilmakehään. Pesurissa kalkkikiven ja veden ruiskuttaminen savuun saa kalkkikiven sitomaan rikkidioksidia ja poistamaan sen märkänä lietteenä. Parannetut puhtaan hiilen teknologiat ruiskuttavat kuivaa kalkkikiveä laitoksen kattilasta lähteviin putkiin ja poistavat rikkidioksidin kuivana jauheena (CaSO 3 ) märän lietteen sijasta. Pesu ei poista typen oksideja, mutta hiilen pesu ja leijukerrospolttimet, jotka toimivat alhaisemmassa lämpötilassa kuin laitoksen vanhemmat kattilat, vähentävät tuotettujen typen oksidien määrää ja siten myös päästöjen määrää.

Puhtaat hiiliteknologiat ja hiilen muuntamisprosessit nestemäisiksi ovat johtaneet puhtaammin palaviin hiiliin ja synteettisiin nestemäisiin polttoaineisiin, mutta happosateet ovat edelleen vakava ongelma huolimatta siitä, että yhteiskunta on vuodesta 1852 lähtien tunnustanut niiden haitalliset vaikutukset. Kasvihuonekaasujen, hiilidioksidin, metaanin ja kloorifluorihiilivetyjen, päästöistä johtuva ilmaston lämpeneminen on toinen hiilenpolton ongelma, jonka teollisuus ja hallitus ovat pitkälti jättäneet huomiotta vuodesta 1896 lähtien, mutta sitä ei voida enää välttää ilman vakavia pitkän aikavälin seurauksia.

Johtopäätökset

Kivihiili on edelleen maailman runsain fossiilinen polttoaine, ja öljyn ja maakaasun ohella se tuottaa jatkossakin suurimman osan maailman energiasta. Kaikki kolme ovat kuitenkin rajallisia luonnonvaroja, ja yhteiskunnan tulisi käyttää niitä viisaasti, ei tuhlailevasti, jotta niiden käyttöikää voitaisiin pidentää ja vähentää niiden haitallisia päästöjä. Fossiilisten polttoaineiden säästäminen ja vaihtoehtoisten energiamuotojen, kuten aurinko- ja tuulivoiman, kehittäminen ovat väyliä kohti globaalin yhteiskunnan puhtaampaa energiatulevaisuutta.