Szén
On január 16, 2022 by admin
A szén, a természetben előforduló éghető szilárd anyag, a világ egyik legfontosabb és leggazdagabb energiaforrása. A szén 4000 évvel ezelőtti bevezetésétől kezdve a fűtés és főzés tüzelőanyagaként, a XIX. és XX. századi villamosenergia-termelésben és vegyi alapanyagként való felhasználásáig a szén, a kőolajjal és a földgázzal együtt, fontos energiaforrás maradt. Csak az Egyesült Államokban 1,7 billió rövid tonna azonosított szénkészlet (természetes lelőhely) és elegendő kitermelhető tartalék (felhasználható szén) áll rendelkezésre ahhoz, hogy 2225-ig kielégítse energiaszükségletét. A kimutatott tartalékok között 274 milliárd rövid tonna olyan szén van, amelyet a meglévő technológia képes kitermelni, ami a világ 1,08 billió rövid tonna kitermelhető szénjének 25%-át jelenti, és 508 milliárd rövid tonna olyan szén, amelyet a meglévő technológia potenciálisan gazdaságosan kitermelhet. A kitermelhető tartalékok több mint kétszer annyi energiát tartalmaznak, mint a Közel-Kelet bizonyított kőolajkészletei. Mintegy 100 ország rendelkezik kitermelhető tartalékokkal; 12 ország – köztük Kanada, a Kínai Népköztársaság, Oroszország, Lengyelország, Ausztrália, Nagy-Britannia, Dél-Afrika, Németország, India, Brazília és Kolumbia – rendelkezik a legnagyobb tartalékokkal.
A szén eredete, összetétele és szerkezete
A geológusok úgy vélik, hogy a föld alatti szénlelőhelyek körülbelül 250-300 millió évvel ezelőtt keletkeztek, amikor a Föld nagy részét sűrű erdő és növényzet borította mocsár volt. Ahogy a növények és fák elpusztultak, a Föld nedves felszíne alá süllyedtek, ahol az elégtelen oxigén lassította a bomlásukat, és a tőzeg kialakulásához vezetett. Az elpusztult növényzet helyébe új erdők és növények léptek, és amikor az új erdők és növények elpusztultak, azok is a mocsaras talajba süllyedtek. Az idő múlásával és az ezzel járó hőképződéssel a föld alatti rétegek
elhalt növényzet kezdett felhalmozódni, sűrűvé és tömörré vált, és különböző szénfajták keletkeztek, amelyek mindegyike eltérő szénkoncentrációval rendelkezik: antracit, bitumenes szén, szubbitumenes szén és lignit. William Hutton (1798-1860) angol geológus 1833-ban jutott erre a következtetésre, amikor mikroszkópos vizsgálattal megállapította, hogy a szén minden fajtája növényi sejteket tartalmaz, növényi eredetű, és csak az őket alkotó növényzetben különbözik. Mivel ősi élő anyagból származik, a szenet – az olajhoz és a gázhoz hasonlóan – fosszilis tüzelőanyagnak nevezzük. A szén üledékes kőzetekben üregekben vagy erekben fordul elő; a képződmények vastagsága változó, a földalatti bányákban 0,7-2,4 méter vastag, míg a külszíni bányákban, mint például az Egyesült Államok nyugati részén, néha 30,5 méter vastag.
A huszadik századig a kémikusok nagyon keveset tudtak a különböző szénfajták összetételéről és molekuláris szerkezetéről, és még az 1920-as években is azt hitték, hogy a szén hidrogéntartalmú szennyeződésekkel kevert szénből áll. A szén elemzésére vagy összetevőire való szétválasztására szolgáló két módszerük, a destruktív desztilláció (levegővel való érintkezés nélküli hevítés) és az oldószeres extrakció (különböző szerves oldószerekkel, például tetralinnal való reakció) csak azt mutatta, hogy a szén jelentős mennyiségű szenet, és kisebb százalékban hidrogént, oxigént, nitrogént és ként tartalmaz. A hamut szervetlen vegyületek, például alumínium- és szilícium-oxidok alkotják. A desztilláció során kátrány, víz és gázok keletkeztek. A felszabaduló gázok fő összetevője a hidrogén volt, bár ammónia, szén-monoxid és szén-dioxid gázok, benzol és más szénhidrogéngőzök is jelen voltak. (A bitumenes szén százalékos összetétele nagyjából a következő: szén , 75-90; hidrogén , 4,5-5,5; nitrogén , 1-1,5; kén , 1-2; oxigén, 5-20; hamu, 2-10; és nedvesség, 1-10). 1910-től kezdődően a londoni Imperial College of Science and Technology Richard Wheeler, a mannheimi Friedrich Bergius (1884-1949) és a mülheimi Franz Fischer (1877-1938) vezetésével működő kutatócsoportok fontos hozzájárulásokat tettek, amelyek a szénben lévő benzoloid (benzolszerű) vegyületek jelenlétére utaltak. A szén benzoloid szerkezetének megerősítésére azonban csak 1925-ben került sor, William Bone (1890-1938) és kutatócsoportjának az Imperial College-ban végzett szénkitermelési és oxidációs vizsgálatai eredményeként. Az általuk oxidációs termékként nyert tri-, tetra- és más magasabb karbonsavakból származó benzolok az aromás szerkezetek túlsúlyát mutatták három-, négy- és ötfuzionált benzolgyűrűkkel, illetve más, egyetlen benzolgyűrűvel rendelkező szerkezetek túlsúlyát. A legegyszerűbb szerkezetek nyolc vagy tíz szénatomból álltak, a kondenzált gyűrűs szerkezetek tizenöt vagy húsz szénatomot tartalmaztak.
A szén osztályozása és felhasználása
A XIX. században és a XX. század elején európai és amerikai kutatók több szénosztályozási rendszert javasoltak. A legkorábbi, amelyet 1837-ben Henri-Victor Regnault (1810-1878) publikált Párizsban, a szénfajtákat a proximátanalízis (az alkotóanyagok meghatározása, százalékos arányban), azaz a nedvesség, az éghető anyag, a kötött szén és a hamu százalékos aránya alapján osztályozza. Ezt a módszert – módosított formában – még mindig sok amerikai szénkutató részesíti előnyben. Egy másik, széles körben elfogadott rendszer, amelyet 1919-ben Marie Stopes (1880-1958) brit tudós vezetett be, a szénfajtákat makroszkopikus összetevőik alapján osztályozza: clarain (közönséges fényes szén), vitrain (fényes fekete szén), durain (tompa durva szén) és fusain, más néven ásványi szén (puha porszerű szén). Egy másik rendszer a végső analízisen (az alkotó kémiai elemek százalékos meghatározása) alapul, és a szénfajtákat a kötött szén, hidrogén, oxigén és nitrogén százalékos aránya szerint osztályozza, a száraz hamu és a kén nélkül. (Regnault 1837-es munkájában szintén bevezette a végső analízist.) Clarence A. Seyler brit szénkutató 1899-1900-ban fejlesztette ki ezt a rendszert, és nagymértékben kiterjesztette a brit és európai szén nagyszámú fajtájára. Végül 1929-ben, mivel nem volt egyetemes osztályozási rendszer, egy hatvan amerikai és kanadai szénkutatóból álló csoport, amely az Amerikai Szabványügyi Szövetség (ASA) és az Amerikai Anyagvizsgáló Társaság (ASTM) által meghatározott irányelvek alapján dolgozott, kidolgozott egy osztályozást, amely 1936-ban vált szabványossá. Ez 1938 óta nem került felülvizsgálatra.
Az ASA-ASTM rendszer négy szénosztályt vagy rangsort állapított meg – antracit, bitumenes, szubbitumenes és lignit – a kötött széntartalom és a fontonkénti brit hőegységben (Btu/lb) mért fűtőérték alapján. Az antracit, egy kemény feketeszén, amely kevés lánggal és füsttel ég, a legmagasabb, 86-98 százalékos fix széntartalommal és 13 500-15 600 Btu/lb (ami 14,2-16,5 millió joule/lb-nek felel meg) fűtőértékkel rendelkezik. Tüzelőanyagot szolgáltat kereskedelmi és otthoni fűtéshez, villamosenergia-termeléshez, valamint a vas-, acél- és más iparágak számára. A bitumenes (alacsony, közepes és magas illékonyságú ) szén, egy lágy szén, amely égetéskor füstöt és hamut termel, 46-86 százalékos fix széntartalommal és 11 000-15 000 Btu/lb (11,6-15,8 millió joule/lb) fűtőértékkel rendelkezik. Világszerte a legnagyobb mennyiségben előforduló, gazdaságosan kitermelhető szén, és a gőzturbinás villamosenergia-termelő erőművekben elégetett fő tüzelőanyag. Néhány bitumenes szén, az úgynevezett kohászati vagy kokszoló szén olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek alkalmassá teszik az acélgyártásban használt koksszá történő átalakításra. A szubbitumenes szén 46-60
százalékos kötött széntartalommal és 8300-13000 Btu/lb (8,8-13,7 millió joule/lb) fűtőértékkel rendelkezik. A negyedik osztály, a lignit, egy lágy barnás-fekete szén, szintén 46-60 százalékos fix széntartalommal, de a legalacsonyabb fűtőértékkel, 5500-8300 Btu/lb (5,8-8,8 millió joule/lb). Mindkét osztály fő felhasználási területe a villamosenergia-termelés. A hőtermelés és a villamosenergia-termelés mellett a szén fontos nyersanyagforrás a gyártás számára. Romboló desztillációja (elszenesítése) során szénhidrogéngázok és kőszénkátrány keletkezik, amelyekből a vegyészek gyógyszereket, színezékeket, műanyagokat, oldószereket és számos más szerves vegyi anyagot szintetizáltak. A szén nagynyomású hidrogénezése vagy cseppfolyósítása és a szén közvetett cseppfolyósítása a Fischer-Tropsch-szintézisek segítségével szintén potenciális forrása a tiszta égésű folyékony üzemanyagoknak és kenőanyagoknak.
Környezetvédelmi aggályok
A szén üzemanyagként vagy nyersanyagként való felhasználásának legnagyobb hátránya, hogy mind a termelés, mind a fogyasztás során szennyezheti a környezetet. Ez az oka annak, hogy sok széntermelő országban, például az Egyesült Államokban, már régóta vannak olyan törvények, amelyek szabályozzák a szénbányászatot, és minimumkövetelményeket határoznak meg mind a külszíni, mind a föld alatti bányászatra. A széntermeléshez vagy külszíni (külszíni), vagy földalatti bányákban kell bányászni. A külszíni bányászat a szén eltávolításakor gödröket hagy maga után, és a talajerózió és a csúnya környezet elkerülése érdekében az üzemeltetőknek helyre kell állítaniuk a földet, azaz fel kell tölteniük a gödröket és újra kell ültetniük a talajt. A savas bányavíz a földalatti bányászathoz kapcsolódó környezeti probléma. A bányákba beszivárgó víz, amely néha elárasztja azokat, és a légköri oxigén reakcióba lép a szénben lévő pirit (vas-szulfid) piritjével, és savas bányavizet eredményez. A bányából a közeli folyókba, patakokba vagy tavakba szivattyúzva a bányavíz savasítja azokat. A bányavíz mésszel történő semlegesítése és ülepedni hagyása, ami csökkenti a vaspirit jelenlétét a kibocsátás előtt, szabályozza a savas lefolyást.
A szén elégetése kén-dioxidot és nitrogén-oxidokat bocsát ki, amelyek mindkettő savas esőt okoz . Számos módszer eltávolítja vagy csökkenti a sok szénben jelen lévő kén mennyiségét, vagy megakadályozza a légkörbe való kibocsátását. A szén égetés előtti mosása eltávolítja a pirit-ként (vaszal vagy más elemekkel kombinált kén). A szén elégetése egy korszerű kialakítású, fluidágyas égetőben, amelyben a szénhez adott mészkő az égési folyamat során egyesül a kénnel, megakadályozza a kén-dioxid képződését. Az égés során felszabaduló füst tisztítása eltávolítja a kén-dioxidot, mielőtt az a légkörbe kerülne. A mosóban a füstbe mészkövet és vizet permetezve a mészkő elnyeli a kén-dioxidot, és nedves iszap formájában eltávolítja azt. A továbbfejlesztett tiszta széntechnológiák száraz mészkövet fecskendeznek az erőmű kazánjából kivezető csövekbe, és nedves iszap helyett száraz por (CaSO 3 ) formájában távolítják el a kén-dioxidot. A mosás nem távolítja el a nitrogén-oxidokat, de a szénmosás és a fluidágyas tüzelőberendezések, amelyek alacsonyabb hőmérsékleten működnek, mint a régebbi erőművi kazánok, csökkentik a keletkező nitrogén-oxidok mennyiségét és így a kibocsátott mennyiséget is.
A tiszta széntechnológiák és a szénből folyadékká alakítási eljárások tisztább égésű szenet és szintetikus folyékony tüzelőanyagokat eredményeztek, de a savas eső továbbra is komoly probléma annak ellenére, hogy a társadalom 1852 óta felismerte káros hatásait. Az üvegházhatású gázok, a szén-dioxid, a metán és a klór-fluorozott szénhidrogének kibocsátásából eredő globális felmelegedés egy másik szénégetési probléma, amelyet az ipar és a kormányzat 1896 óta nagyrészt figyelmen kívül hagyott, de már nem lehet elkerülni súlyos hosszú távú következmények nélkül.
Következtetés
A szén továbbra is a világ leggazdagabb fosszilis tüzelőanyaga, és a kőolajjal és a földgázzal együtt továbbra is ez fogja biztosítani a világ energiájának nagy részét. De mindhárom véges erőforrás, és a társadalomnak bölcsen, nem pedig pazarlóan kell fogyasztania őket, hogy meghosszabbítsa élettartamukat és csökkentse káros kibocsátásukat. A fosszilis tüzelőanyagok megőrzése és az alternatív energiák, például a nap- és szélenergia fejlesztése a globális társadalom tisztább energetikai jövőjéhez vezető út.
Vélemény, hozzászólás?