Węgiel
On 16 stycznia, 2022 by admin
Węgiel, naturalnie występujące palne ciało stałe, jest jednym z najważniejszych i najbogatszych źródeł energii na świecie. Od jego wprowadzenia 4.000 lat temu jako paliwa do ogrzewania i gotowania, do jego dziewiętnasto- i dwudziestowiecznego zastosowania w produkcji energii elektrycznej i jako surowca chemicznego, węgiel, wraz z ropą naftową i gazem ziemnym, pozostał ważnym źródłem energii. Same Stany Zjednoczone posiadają 1,7 biliona ton zidentyfikowanych zasobów węgla (złóż naturalnych) oraz wystarczające rezerwy wydobywalne (węgiel, który może być zagospodarowany), aby zaspokoić swoje potrzeby energetyczne do roku 2225. Wykazane rezerwy obejmują 274 miliardy ton, które obecna technologia może wydobyć, co stanowi 25 procent z 1,08 biliona ton węgla możliwego do wydobycia na świecie, oraz 508 miliardów ton węgla, który obecna technologia może potencjalnie wydobyć w sposób ekonomiczny. Jego wydobywalne rezerwy zawierają ponad dwa razy więcej energii niż potwierdzone rezerwy ropy naftowej na Bliskim Wschodzie. Około 100 krajów posiada rezerwy nadające się do wydobycia; 12 krajów – wśród nich Kanada, Chińska Republika Ludowa, Rosja, Polska, Australia, Wielka Brytania, RPA, Niemcy, Indie, Brazylia i Kolumbia – posiada największe rezerwy.
Pochodzenie, skład i struktura węgla
Geolodzy uważają, że podziemne złoża węgla powstały około 250-300 milionów lat temu, kiedy duża część Ziemi była bagnem pokrytym gęstym lasem i wzrostem roślin. Gdy rośliny i drzewa obumarły, zapadły się pod wilgotną powierzchnię Ziemi, gdzie niewystarczająca ilość tlenu spowolniła ich rozkład i doprowadziła do powstania torfu. Nowe lasy i rośliny zastąpiły obumarłą roślinność, a gdy te nowe lasy i rośliny obumarły, również zapadły się w bagnistą ziemię. Wraz z upływem czasu i towarzyszącym mu nagromadzeniem ciepła, podziemne warstwy
martwej roślinności zaczęły się gromadzić, stając się ciasno upakowane i sprasowane, dając początek różnym rodzajom węgla, z których każdy charakteryzuje się inną koncentracją węgla: antracyt, węgiel bitumiczny, węgiel subbitumiczny i węgiel brunatny. Angielski geolog William Hutton (1798-1860) doszedł do tego wniosku w 1833 r., kiedy to dzięki badaniom mikroskopowym stwierdził, że wszystkie odmiany węgla zawierają komórki roślinne i są pochodzenia roślinnego, różniąc się jedynie roślinnością wchodzącą w ich skład. Ze względu na swoje pochodzenie z dawnej żywej materii, węgiel, podobnie jak ropa naftowa i gaz ziemny, jest znany jako paliwo kopalne. Występuje w pokładach lub żyłach w skałach osadowych; formacje różnią się grubością, z tymi w kopalniach podziemnych o grubości 0,7-2,4 metra (2,5-8 stóp) i tymi w kopalniach odkrywkowych, jak w zachodnich Stanach Zjednoczonych, czasami o grubości 30,5 metra (100 stóp).
Do XX wieku chemicy wiedzieli bardzo niewiele o składzie i strukturze molekularnej różnych rodzajów węgla, i tak późno, jak w latach dwudziestych, nadal wierzyli, że węgiel składa się z węgla zmieszanego z zanieczyszczeniami zawierającymi wodór. Ich dwie metody analizy lub rozdzielania węgla na składniki, destylacja destrukcyjna (ogrzewanie bez kontaktu z powietrzem) i ekstrakcja rozpuszczalnikowa (reakcja z różnymi rozpuszczalnikami organicznymi, takimi jak tetralina), wykazały jedynie, że węgiel zawierał znaczną ilość węgla i mniejszą ilość wodoru, tlenu, azotu i siarki. Popiół stanowią związki nieorganiczne, takie jak tlenki glinu i krzemu. W wyniku destylacji otrzymano smołę, wodę i gazy. Głównym składnikiem uwalnianych gazów był wodór, choć obecne były również amoniak, tlenek i dwutlenek węgla, benzen i inne opary węglowodorów. (Skład procentowy węgla bitumicznego to w przybliżeniu: węgiel, 75-90; wodór, 4,5-5,5; azot, 1-1,5; siarka, 1-2; tlen, 5-20; popiół, 2-10; i wilgoć, 1-10). Począwszy od 1910 roku, zespoły badawcze pod kierunkiem Richarda Wheelera z Imperial College of Science and Technology w Londynie, Friedricha Bergiusa (1884-1949) w Mannheim oraz Franza Fischera (1877-1938) w Mülheim wniosły istotny wkład, który wskazał na obecność związków benzenoidowych (benzenopodobnych) w węglu. Jednak potwierdzenie struktury benzenoidowej węgla nastąpiło dopiero w 1925 r., w wyniku badań nad wydobyciem i utlenianiem węgla prowadzonych przez Williama Bone’a (1890-1938) i jego zespół badawczy w Imperial College. Benzen tri-, tetra- i inne wyższe kwasy karboksylowe, które otrzymali jako produkty utleniania, wskazywały na przewagę struktur aromatycznych z trzema, czterema i pięcioma pierścieniami benzenowymi, a także innych struktur z pojedynczym pierścieniem benzenowym. Najprostsze struktury składały się z ośmiu lub dziesięciu atomów węgla, struktury ze stopionymi pierścieniami zawierały piętnaście lub dwadzieścia atomów węgla.
Klasyfikacja i zastosowania węgla
Europejscy i amerykańscy badacze w XIX i na początku XX wieku zaproponowali kilka systemów klasyfikacji węgla. Najwcześniejszy z nich, opublikowany w Paryżu w 1837 r. przez Henri-Victora Regnaulta (1810-1878), klasyfikuje rodzaje węgla według ich analizy przybliżonej (określenie substancji składowych w procentach), to znaczy według procentowej zawartości wilgoci, substancji palnych, węgla stałego i popiołu. System ten jest nadal preferowany, w zmodyfikowanej formie, przez wielu amerykańskich naukowców zajmujących się węglem. Inny powszechnie przyjęty system, wprowadzony w 1919 r. przez brytyjską naukowiec Marie Stopes (1880-1958), klasyfikuje rodzaje węgla według ich makroskopowych składników: clarain (zwykły jasny węgiel), vitrain (błyszczący czarny węgiel), durain (matowy szorstki węgiel) oraz fusain, zwany również mineralnym węglem drzewnym (miękki sproszkowany węgiel). Jeszcze inny system opiera się na analizie końcowej (określenie składników chemicznych w procentach), klasyfikując rodzaje węgla według zawartości procentowej węgla stałego, wodoru, tlenu i azotu, bez suchego popiołu i siarki. (Regnault również wprowadził analizę końcową w swojej pracy z 1837 r.) Brytyjski badacz węgla Clarence A. Seyler rozwinął ten system w latach 1899-1900 i znacznie go rozszerzył, obejmując nim dużą liczbę węgli brytyjskich i europejskich. Wreszcie w 1929 r., nie dysponując żadnym uniwersalnym systemem klasyfikacji, grupa sześćdziesięciu amerykańskich i kanadyjskich naukowców zajmujących się węglem, pracując zgodnie z wytycznymi American Standards Association (ASA) oraz American Society for Testing Materials (ASTM), opracowała klasyfikację, która w 1936 r. stała się standardem. Pozostała ona niezmieniona od 1938 roku.
procent zawartości węgla stałego i wartość opałową 8 300-13 000 Btu/lb (8,8-13,7 mln dżuli/lb). Czwarta klasa, węgiel brunatny, miękki węgiel brunatno-czarny, ma również 46-60 procentową zawartość węgla stałego, ale najniższą wartość opałową, 5 500-8 300 Btu/lb (5,8-8,8 mln dżuli/lb). Głównym zastosowaniem obu klas jest wytwarzanie energii elektrycznej. Oprócz produkcji ciepła i energii elektrycznej, węgiel jest ważnym źródłem surowców dla przemysłu wytwórczego. W wyniku jego destrukcyjnej destylacji (karbonizacji) powstają gazy węglowodorowe i smoła węglowa, z których chemicy syntetyzują leki, barwniki, tworzywa sztuczne, rozpuszczalniki i wiele innych organicznych substancji chemicznych. Wysokociśnieniowe uwodornienie lub upłynnienie węgla oraz pośrednie upłynnienie węgla przy użyciu syntez Fischera-Tropscha są również potencjalnymi źródłami czystych spalanych paliw płynnych i smarów.
Obawy środowiskowe
Główną wadą wykorzystania węgla jako paliwa lub surowca jest jego potencjał do zanieczyszczania środowiska zarówno w produkcji, jak i konsumpcji. Jest to powód, dla którego wiele krajów produkujących węgiel, takich jak Stany Zjednoczone, od dawna mają prawa, które regulują wydobycie węgla i ustalają minimalne standardy zarówno dla powierzchni i podziemnego górnictwa. Produkcja węgla wymaga wydobycia w kopalniach powierzchniowych (odkrywkowych) lub podziemnych. Aby zapobiec erozji gleby i nieestetycznemu wyglądowi otoczenia, operatorzy muszą rekultywować teren, tzn. zasypywać wyrobiska i przesadzać glebę. Kwaśne wody kopalniane to problem środowiskowy związany z górnictwem podziemnym. Woda, która przesiąka do kopalni, czasami je zalewając, oraz tlen atmosferyczny wchodzą w reakcję z pirytem (siarczkiem żelaza) w węglu, tworząc kwaśne wody kopalniane. Po wypompowaniu z kopalni do pobliskich rzek, strumieni lub jezior, woda kopalniana zakwasza je. Neutralizacja wody kopalnianej wapnem i pozwolenie na jej osiadanie, redukując w ten sposób obecność pirytu żelaznego przed jej uwolnieniem, kontroluje kwaśny drenaż.
Spalanie węgla emituje dwutlenek siarki i tlenki azotu, z których oba powodują kwaśne deszcze . Kilka metod będzie usunąć lub zmniejszyć ilość siarki obecnej w wielu węgli lub zapobiec jego uwolnienie do atmosfery. Płukanie węgla przed spaleniem usuwa siarkę pirytową (siarka połączona z żelazem lub innymi pierwiastkami). Spalanie węgla w palniku o zaawansowanej konstrukcji, znanym jako palnik fluidalny, w którym wapień dodany do węgla łączy się z siarką w procesie spalania, zapobiega powstawaniu dwutlenku siarki. Oczyszczanie dymu uwalnianego podczas spalania usuwa dwutlenek siarki, zanim przedostanie się on do atmosfery. W skruberze, rozpylanie wapienia i wody w dymie umożliwia wapieniowi absorbowanie dwutlenku siarki i usuwanie go w postaci mokrego osadu. Udoskonalone technologie czystego węgla wstrzykują suchy wapień do rur prowadzących z kotła elektrowni i usuwają dwutlenek siarki w postaci suchego proszku (CaSO 3 ), a nie mokrego osadu. Oczyszczanie nie usuwa tlenków azotu, ale płukanie węgla i paleniska fluidalne, które działają w niższej temperaturze niż starsze kotły elektrowni, zmniejszają ilość wytwarzanych tlenków azotu, a tym samym ilość emitowanych zanieczyszczeń.
Czyste technologie węglowe i procesy konwersji węgla w ciecz doprowadziły do czystszego spalania węgla i syntetycznych paliw płynnych, ale kwaśne deszcze pozostają poważnym problemem, pomimo uznania przez społeczeństwo ich szkodliwych skutków od 1852 roku. Globalne ocieplenie wynikające z emisji gazów cieplarnianych, dwutlenku węgla, metanu i chlorofluorowęglowodorów, jest kolejnym problemem związanym ze spalaniem węgla, który przemysł i rząd w dużej mierze ignorowały od 1896 roku, ale nie można go już uniknąć bez poważnych długoterminowych konsekwencji.
Wnioski
Węgiel pozostaje najbardziej obfitym paliwem kopalnym na świecie, i wraz z ropą naftową i gazem ziemnym, będzie nadal dostarczać większość światowej energii. Jednak wszystkie trzy są ograniczonymi zasobami i społeczeństwo powinno zużywać je mądrze, a nie marnotrawnie, aby przedłużyć ich żywotność i zmniejszyć ich szkodliwe emisje. Ochrona paliw kopalnych i rozwój alternatywnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, są drogami do czystszej przyszłości energetycznej globalnego społeczeństwa.
Dodaj komentarz