Steenkool
On januari 16, 2022 by admin
Steenkool, een natuurlijk voorkomende brandbare vaste stof, is een van ’s werelds belangrijkste en meest overvloedige energiebronnen. Vanaf de introductie 4000 jaar geleden als brandstof voor verwarming en koken, tot het gebruik in de negentiende en twintigste eeuw voor het opwekken van elektriciteit en als chemische grondstof , is steenkool, samen met aardolie en aardgas, een belangrijke energiebron gebleven. De Verenigde Staten alleen al beschikken over 1,7 triljoen short tons aan geïdentificeerde steenkoolvoorraden (natuurlijke afzettingen) en voldoende winbare reserves (steenkool die kan worden ontwikkeld voor gebruik) om tot het jaar 2225 in de energiebehoeften te voorzien. De aangetoonde reserves omvatten 274 miljard korte ton die met de bestaande technologie kan worden gewonnen, d.w.z. 25% van de 1,08 triljoen korte ton kolen in de wereld die kan worden gewonnen, en 508 miljard korte ton kolen die met de bestaande technologie potentieel economisch kunnen worden gewonnen. De winbare reserves bevatten meer dan tweemaal de energie van de bewezen oliereserves van het Midden-Oosten. Ongeveer 100 landen hebben winbare reserves; 12 landen – waaronder Canada, de Volksrepubliek China, Rusland, Polen, Australië, Groot-Brittannië, Zuid-Afrika, Duitsland, India, Brazilië en Colombia – bezitten de grootste reserves.
Oorsprong, samenstelling en structuur van steenkool
Geologen geloven dat ondergrondse steenkoollagen zo’n 250-300 miljoen jaar geleden zijn ontstaan, toen een groot deel van de Aarde bedekt was met een dicht bos en plantengroei. Toen de planten en bomen stierven, zonken ze onder het natte oppervlak van de aarde, waar onvoldoende zuurstof hun verval vertraagde en leidde tot de vorming van turf. Nieuwe bossen en planten kwamen in de plaats van de dode vegetatie, en wanneer de nieuwe bossen en planten stierven, zonken zij ook weg in de moerassige grond. Met het verstrijken van de tijd en de daarmee gepaard gaande warmteontwikkeling ontstonden onderaardse lagen
van dode vegetatie begonnen zich op te hopen, werden dicht opeengepakt en samengeperst, en gaven aanleiding tot verschillende soorten steenkool, elk met een verschillende koolstofconcentratie: antraciet, bitumineuze steenkool, subbitumineuze steenkool, en bruinkool. Tot deze conclusie kwam de Engelse geoloog William Hutton (1798-1860) in 1833, toen hij door middel van microscopisch onderzoek vaststelde dat alle soorten steenkool plantencellen bevatten en van plantaardige oorsprong waren, en alleen verschilden in de vegetatie waaruit zij bestonden. Wegens zijn oorsprong in oude levende materie wordt steenkool, net als olie en gas, een fossiele brandstof genoemd. Het komt voor in naden of aders in sedimentaire gesteenten; formaties variëren in dikte, met die in ondergrondse mijnen 0,7-2,4 meter (2,5-8 voet) dik en die in oppervlaktemijnen, zoals in het westen van de Verenigde Staten, soms 30,5 meter (100 voet) dik.
Tot in de twintigste eeuw wisten scheikundigen heel weinig over de samenstelling en de moleculaire structuur van de verschillende soorten steenkool, en tot in de jaren twintig van de twintigste eeuw geloofden zij nog steeds dat steenkool bestond uit koolstof vermengd met waterstof bevattende onzuiverheden. Hun twee methoden om steenkool te analyseren of te scheiden in zijn bestanddelen, destructieve distillatie (verhitting buiten contact met de lucht) en solventextractie (reactie met verschillende organische oplosmiddelen zoals tetraline), toonden alleen aan dat steenkool een aanzienlijke hoeveelheid koolstof bevatte, en kleinere percentages van de elementen waterstof, zuurstof, stikstof en zwavel. Anorganische verbindingen zoals aluminium- en siliciumoxiden vormen de as. Distillatie leverde teer, water en gassen op. Waterstof was het voornaamste bestanddeel van de vrijgekomen gassen, hoewel ammoniak, koolmonoxide- en kooldioxidegassen, benzeen en andere koolwaterstofdampen aanwezig waren. (De procentuele samenstelling van een bitumineuze steenkool is ruwweg: koolstof, 75-90; waterstof, 4,5-5,5; stikstof, 1-1,5; zwavel, 1-2; zuurstof, 5-20; as, 2-10; en vocht, 1-10). Vanaf 1910 leverden onderzoeksteams onder leiding van Richard Wheeler aan het Imperial College of Science and Technology in Londen, Friedrich Bergius (1884-1949) in Mannheim en Franz Fischer (1877-1938) in Mülheim belangrijke bijdragen die wezen op de aanwezigheid van benzenoïde (benzeenachtige) verbindingen in steenkool. Maar de bevestiging van de benzeenstructuur van steenkool kwam pas in 1925, als gevolg van de steenkoolwinning en oxidatiestudies van William Bone (1890-1938) en zijn onderzoeksteam aan het Imperial College. De tri-, tetra-, en andere hogere carbonzuren van benzeen die zij als oxidatieproducten verkregen, wezen op een overwicht van aromatische structuren met drie-, vier-, en vijf-voudig vergroeide benzeenringen, en andere structuren met een enkele benzeenring. De eenvoudigste structuren bestonden uit acht of tien koolstofatomen, de gefuseerde-ring structuren bevatten vijftien of twintig koolstofatomen.
Indeling en gebruik van steenkool
Europese en Amerikaanse onderzoekers in de negentiende en het begin van de twintigste eeuw stelden verschillende steenkoolclassificatiesystemen voor. Het eerste, in 1837 in Parijs gepubliceerd door Henri-Victor Regnault (1810-1878), classificeert steenkoolsoorten volgens hun proximale analyse (bepaling van de samenstellende bestanddelen, in percentages), d.w.z. volgens hun percentages vocht, brandbare stof, vaste koolstof, en as. Dit systeem wordt, in gewijzigde vorm, nog steeds gehanteerd door veel Amerikaanse kolenwetenschappers. Een ander algemeen aanvaard systeem, dat in 1919 werd ingevoerd door de Britse wetenschapper Marie Stopes (1880-1958), deelt steenkoolsoorten in naar hun macroscopische bestanddelen: clarain (gewone heldere steenkool), vitrain (zwarte glanzende steenkool), durain (doffe ruwe steenkool), en fusain, ook wel minerale houtskool genoemd (zachte poedervormige steenkool). Een ander systeem is gebaseerd op de uiteindelijke analyse (bepaling van de samenstellende chemische elementen, in percentages), waarbij de steenkoolsoorten worden ingedeeld naar het percentage vaste koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof, exclusief droge as en zwavel. (Regnault had in 1837 ook de ultieme analyse geïntroduceerd.) De Britse steenkoolwetenschapper Clarence A. Seyler ontwikkelde dit systeem in 1899-1900 en breidde het sterk uit tot een groot aantal Britse en Europese steenkoolsoorten. Tenslotte, in 1929, zonder universeel classificatiesysteem, ontwikkelde een groep van zestig Amerikaanse en Canadese kolenwetenschappers, werkend volgens richtlijnen opgesteld door de American Standards Association (ASA) en de American Society for Testing Materials (ASTM), een classificatie die in 1936 de standaard werd. Zij is sinds 1938 niet meer herzien.
Het ASA-ASTM systeem stelde vier steenkoolklassen of rangen vast – antraciet, bitumineus, subbitumineus, en bruinkool op basis van het vaste-koolstofgehalte en de verbrandingswaarde gemeten in Britse thermische eenheden per pond (Btu/lb). Antraciet, een harde zwarte steenkool die met weinig vlam en rook brandt, heeft het hoogste gehalte aan vaste koolstof, 86-98%, en een verbrandingswaarde van 13.500-15.600 Btu/lb (gelijk aan 14,2-16,5 miljoen joule/lb). Het is een brandstof voor commerciële verwarming en woningverwarming, voor elektriciteitsopwekking, en voor de ijzer-, staal- en andere industrieën. Bitumineuze steenkool (laag-, middel- en hoogvluchtig), een zachte steenkool die rook en as produceert bij verbranding, heeft een vast koolstofgehalte van 46-86% en een verbrandingswaarde van 11.000-15.000 Btu/lb (11,6-15,8 miljoen joule/lb). Het is wereldwijd de meest voorkomende economisch winbare steenkool en de belangrijkste brandstof die wordt verbrand in door stoomturbines aangedreven elektriciteitscentrales. Sommige bitumineuze kolen, bekend als metallurgische kolen of cokeskolen, hebben eigenschappen die ze geschikt maken voor omzetting in cokes die bij de staalproductie wordt gebruikt. Subbitumineuze steenkool heeft een 46-60
procent vast koolstofgehalte en een verbrandingswaarde van 8.300-13.000 Btu/lb (8,8-13,7 miljoen joule/lb). De vierde klasse, bruinkool, een zachte bruinzwarte steenkool, heeft ook een vastkoolgehalte van 46-60 procent, maar de laagste stookwaarde, 5.500-8.300 Btu/lb (5,8-8,8 miljoen joule/lb). Elektriciteitsproductie is het belangrijkste gebruik van beide klassen. Naast de productie van warmte en elektriciteit is steenkool een belangrijke bron van grondstoffen voor de verwerkende industrie. Destructieve distillatie (carbonisatie) levert koolwaterstofgassen en koolteer op, waaruit chemici geneesmiddelen, kleurstoffen, kunststoffen, oplosmiddelen en talrijke andere organische chemicaliën hebben gesynthetiseerd. De hydrogenering of liquefactie van steenkool onder hoge druk en de indirecte liquefactie van steenkool met behulp van Fischer-Tropsch-synthesen zijn ook potentiële bronnen van schoonbrandende vloeibare brandstoffen en smeermiddelen.
Milieuoverwegingen
Het grootste nadeel van het gebruik van steenkool als brandstof of grondstof is het potentieel om het milieu te verontreinigen, zowel bij de productie als bij het verbruik. Dit is de reden waarom veel steenkoolproducerende landen, zoals de Verenigde Staten, al lang wetten hebben die de steenkoolwinning reguleren en minimumnormen stellen voor zowel bovengrondse als ondergrondse mijnbouw. Voor de productie van steenkool is mijnbouw vereist in ofwel bovengrondse (strip) ofwel ondergrondse mijnen. Bij bovengrondse mijnbouw blijven na het verwijderen van de steenkool kuilen achter en om bodemerosie en een lelijke omgeving te voorkomen, moeten exploitanten het land saneren, d.w.z. de kuilen opvullen en de grond opnieuw beplanten. Zuur mijnwater is het milieuprobleem dat samenhangt met ondergrondse mijnbouw. Water dat in de mijnen sijpelt en deze soms overstroomt, en zuurstof uit de atmosfeer reageren met pyriet (ijzersulfide) in de steenkool, waardoor zuur mijnwater ontstaat. Wanneer het mijnwater uit de mijn wordt gepompt en in nabijgelegen rivieren, beken of meren terechtkomt, verzuurt het deze. Door het mijnwater te neutraliseren met kalk en het te laten bezinken, waardoor de aanwezigheid van ijzerpyriet wordt verminderd voordat het wordt geloosd, wordt de zure drainage onder controle gehouden.
De verbranding van steenkool stoot zwaveldioxide en stikstofoxiden uit, die beide zure regen veroorzaken. Verscheidene methoden zullen de hoeveelheid zwavel die aanwezig is in veel kolen verwijderen of verminderen of voorkomen dat het vrijkomt in de atmosfeer. Door de steenkool vóór de verbranding te wassen, wordt pyritische zwavel (zwavel gecombineerd met ijzer of andere elementen) verwijderd. Het verbranden van de kolen in een geavanceerde brander, een zogeheten wervelbedverbrander, waarin de aan de kolen toegevoegde kalksteen zich tijdens het verbrandingsproces met de zwavel verbindt, voorkomt de vorming van zwaveldioxide. Door de rook die bij de verbranding vrijkomt te wassen, wordt het zwaveldioxide verwijderd voordat het in de atmosfeer terechtkomt. In een gaswasser wordt kalksteen en water in de rook gesproeid, zodat de kalksteen zwaveldioxide kan absorberen en verwijderen in de vorm van een nat slib. Verbeterde schone kolentechnologieën injecteren droge kalksteen in de pijpen die uit de ketel van de centrale komen en verwijderen zwaveldioxide als een droog poeder (CaSO 3 ) in plaats van een nat slib. Schrobben verwijdert geen stikstofoxiden, maar kolenwassen en wervelbedverbranders die bij een lagere temperatuur werken dan oudere ketels van centrales, verminderen de hoeveelheid geproduceerde stikstofoxiden en daarmee de uitgestoten hoeveelheid.
Schone kolentechnologieën en omzettingsprocessen van kolen in vloeistoffen hebben geleid tot schoner brandende kolen en synthetische vloeibare brandstoffen, maar zure regen blijft een ernstig probleem, ondanks het feit dat de samenleving al sinds 1852 de schadelijke effecten ervan erkent. De opwarming van de aarde als gevolg van de uitstoot van broeikasgassen, kooldioxide, methaan en chloorfluorkoolwaterstoffen , is een ander probleem bij de verbranding van steenkool dat de industrie en de overheid sinds 1896 grotendeels hebben genegeerd, maar het kan niet langer worden vermeden zonder ernstige gevolgen op lange termijn.
Conclusie
Steenkool blijft ’s werelds meest overvloedige fossiele brandstof, en samen met aardolie en aardgas zal het het grootste deel van ’s werelds energie blijven leveren. Maar alle drie zijn het eindige hulpbronnen, en de maatschappij moet ze verstandig gebruiken, niet verkwistend, om hun levensduur te verlengen en hun schadelijke uitstoot te verminderen. Het behoud van fossiele brandstoffen en de ontwikkeling van alternatieve energiebronnen, zoals zonne- en windenergie, zijn de wegen naar een schonere energietoekomst voor de wereldmaatschappij.
Geef een antwoord