Cărbune
On ianuarie 16, 2022 by admin
Cărbunele, un solid combustibil natural, este una dintre cele mai importante și mai abundente surse de energie din lume. De la introducerea sa în urmă cu 4.000 de ani ca și combustibil pentru încălzire și gătit, până la utilizarea sa în secolele al XIX-lea și al XX-lea pentru generarea de energie electrică și ca materie primă chimică , cărbunele, alături de petrol și gaze naturale, a rămas o sursă importantă de energie. Numai Statele Unite au 1,7 trilioane de tone scurte de resurse de cărbune identificate (depozite naturale) și suficiente rezerve recuperabile (cărbune care poate fi exploatat în vederea utilizării) pentru a-și satisface nevoile energetice până în anul 2225. Rezervele sale demonstrate includ 274 de miliarde de tone scurte pe care tehnologia existentă le poate recupera, reprezentând 25% din cele 1,08 trilioane de tone scurte de cărbune recuperabil din lume, și 508 miliarde de tone scurte de cărbune pe care tehnologia existentă le poate extrage în mod economic. Rezervele sale recuperabile conțin mai mult de două ori mai multă energie decât rezervele dovedite de petrol din Orientul Mijlociu. Aproximativ 100 de țări au rezerve recuperabile; 12 țări – printre care Canada, Republica Populară Chineză, Rusia, Polonia, Australia, Marea Britanie, Marea Britanie, Africa de Sud, Germania, India, Brazilia și Columbia – dețin cele mai mari rezerve.
Originea, compoziția și structura cărbunelui
Geologii cred că depozitele subterane de cărbune s-au format în urmă cu aproximativ 250-300 de milioane de ani, când o mare parte a Pământului era acoperită de mlaștini cu păduri și plante dese. Pe măsură ce plantele și copacii au murit, s-au scufundat sub suprafața umedă a Pământului, unde oxigenul insuficient a încetinit descompunerea lor și a dus la formarea turbei. Noi păduri și plante au înlocuit vegetația moartă, iar când noile păduri și plante au murit, s-au scufundat și ele în solul mlăștinos. Odată cu trecerea timpului și acumularea de căldură însoțitoare, straturile subterane
de vegetație moartă au început să se acumuleze, devenind strânse și comprimate, și au dat naștere la diferite tipuri de cărbune, fiecare cu o concentrație diferită de carbon: antracit, cărbune bituminos, cărbune subbituminos și lignit. Geologul englez William Hutton (1798-1860) a ajuns la această concluzie în 1833, când a constatat, prin examinare microscopică, că toate varietățile de cărbune conțin celule vegetale și sunt de origine vegetală, diferind doar prin vegetația care le compune. Datorită originii sale în materie vie străveche, cărbunele, ca și petrolul și gazele, este cunoscut ca fiind un combustibil fosil. Se găsește în filonii sau filoane în rocile sedimentare; formațiunile variază în grosime, cele din minele subterane având o grosime de 0,7-2,4 metri (2,5-8 picioare), iar cele din minele de suprafață, ca în vestul Statelor Unite, având uneori o grosime de 30,5 metri (100 de picioare).
Până în secolul al XX-lea, chimiștii știau foarte puțin despre compoziția și structura moleculară a diferitelor tipuri de cărbune și, până în anii 1920, încă mai credeau că cărbunele este format din carbon amestecat cu impurități care conțin hidrogen. Cele două metode pe care le foloseau pentru a analiza sau a separa cărbunele în componentele sale, distilarea distructivă (încălzirea în afara contactului cu aerul) și extracția cu solvenți (reacția cu diferiți solvenți organici, cum ar fi tetralina), au arătat doar că cărbunele conținea o cantitate semnificativă de carbon și procente mai mici de elemente hidrogen, oxigen, azot și sulf. Compușii anorganici, cum ar fi oxizii de aluminiu și siliciu, constituie cenușa. Prin distilare s-au obținut gudron, apă și gaze. Hidrogenul a fost componenta principală a gazelor eliberate, deși au fost prezenți amoniacul, gazele de monoxid și dioxid de carbon, benzenul și alți vapori de hidrocarburi. (Compoziția procentuală a unui cărbune bituminos este aproximativ: carbon , 75-90; hidrogen , 4,5-5,5; azot , 1-1,5; sulf , 1-2; oxigen, 5-20; cenușă, 2-10; și umiditate, 1-10). Începând cu anul 1910, echipe de cercetători sub conducerea lui Richard Wheeler de la Colegiul Imperial de Știință și Tehnologie din Londra, Friedrich Bergius (1884-1949) din Mannheim și Franz Fischer (1877-1938) din Mülheim au adus contribuții importante care au indicat prezența compușilor benzenoizi (asemănători benzenelor) în cărbune. Dar confirmarea structurii benzenoide a cărbunelui a venit abia în 1925, ca urmare a studiilor de extracție și oxidare a cărbunelui efectuate de William Bone (1890-1938) și de echipa sa de cercetare de la Imperial College. Acizii benzenici tri-, tetra- și alți acizi carboxilici superiori pe care aceștia i-au obținut ca produse de oxidare au indicat o preponderență a structurilor aromatice cu trei, patru și cinci inele benzenice fuzionate, precum și alte structuri cu un singur inel benzenic. Cele mai simple structuri erau alcătuite din opt sau zece atomi de carbon, iar structurile cu inele fuzionate conțineau cincisprezece sau douăzeci de atomi de carbon.
Clasificarea și utilizările cărbunelui
Cercetătorii europeni și americani din secolul al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea au propus mai multe sisteme de clasificare a cărbunelui. Cel mai vechi, publicat la Paris în 1837 de Henri-Victor Regnault (1810-1878), clasifică tipurile de cărbune în funcție de analiza lor proximă (determinarea substanțelor componente, în procente), adică în funcție de procentele de umiditate, materie combustibilă, carbon fix și cenușă. Ea este încă preferată, într-o formă modificată, de mulți cercetători americani din domeniul cărbunelui. Un alt sistem adoptat pe scară largă, introdus în 1919 de cercetătorul britanic Marie Stopes (1880-1958), clasifică tipurile de cărbune în funcție de constituenții lor macroscopici: clarain (cărbune obișnuit și strălucitor), vitrain (cărbune negru lucios), durain (cărbune aspru și mat) și fusain, numit și cărbune mineral (cărbune moale și pulverulent). Un alt sistem se bazează pe analiza finală (determinarea elementelor chimice componente, în procente), clasificând tipurile de cărbune în funcție de procentele de carbon fix, hidrogen, oxigen și azot, fără cenușă uscată și sulf. (Regnault a introdus, de asemenea, analiza finală în lucrarea sa din 1837.) Cercetătorul britanic în domeniul cărbunelui, Clarence A. Seyler, a dezvoltat acest sistem în 1899-1900 și l-a extins foarte mult pentru a include un număr mare de cărbuni britanici și europeni. În cele din urmă, în 1929, în lipsa unui sistem universal de clasificare, un grup de șaizeci de cercetători americani și canadieni din domeniul cărbunelui, care au lucrat în conformitate cu liniile directoare stabilite de American Standards Association (ASA) și American Society for Testing Materials (ASTM), au elaborat o clasificare care a devenit standard în 1936. Aceasta a rămas nerevizuită din 1938.
Sistemul ASA-ASTM a stabilit patru clase sau ranguri de cărbune – antracit, bituminos, subbituminos și lignit – pe baza conținutului de carbon fix și a puterii calorifice măsurate în unități termice britanice pe livră (Btu/lb). Antracitele, un cărbune negru dur care arde cu puțină flacără și fum, are cel mai mare conținut de carbon fix, 86-98%, și o putere calorifică de 13.500-15.600 Btu/livră (echivalentul a 14,2-16,5 milioane de jouli/livră ). Furnizează combustibil pentru încălzirea comercială și a locuințelor, pentru generarea de energie electrică și pentru fier, oțel și alte industrii. Cărbunele bituminos (cu volatilitate scăzută, medie și ridicată ), un cărbune moale care produce fum și cenușă atunci când este ars, are un conținut de 46-86% de carbon fix și o putere de încălzire de 11.000-15.000 Btu/lb (11,6-15,8 milioane de jouli/lb). Este cel mai abundent cărbune recuperabil din punct de vedere economic la nivel mondial și principalul combustibil ars în centralele electrice alimentate cu turbine cu abur. Unii cărbuni bituminoși, cunoscuți sub numele de cărbuni metalurgici sau cărbuni cocsificabili, au proprietăți care îi fac potriviți pentru a fi transformați în cocs utilizat în fabricarea oțelului. Cărbunele subbituminos are o concentrație de 46-60
procente de conținut de carbon fix și o putere calorifică de 8.300-13.000 Btu/livră (8,8-13,7 milioane de jouli/livră). Cea de-a patra clasă, lignitul, un cărbune moale brun-negru, are, de asemenea, un conținut de 46-60 la sută de carbon fix, dar cea mai mică putere calorifică, 5.500-8.300 Btu/lb (5,8-8,8 milioane de jouli/lb). Producția de energie electrică este principala utilizare a ambelor clase. Pe lângă producerea de căldură și generarea de electricitate, cărbunele este o sursă importantă de materii prime pentru producție. Distilarea sa distructivă (carbonizarea) produce gaze de hidrocarburi și gudron de cărbune, din care chimiștii au sintetizat medicamente, coloranți, materiale plastice, solvenți și numeroase alte substanțe chimice organice. Hidrogenarea sau lichefierea la înaltă presiune a cărbunelui și lichefierea indirectă a cărbunelui prin sinteza Fischer-Tropsch sunt, de asemenea, surse potențiale de combustibili lichizi și lubrifianți cu ardere curată.
Preocupări legate de mediu
Principalul dezavantaj al utilizării cărbunelui ca și combustibil sau materie primă este potențialul său de a polua mediul atât la producție, cât și la consum. Acesta este motivul pentru care multe țări producătoare de cărbune, cum ar fi Statele Unite, au de mult timp legi care reglementează extracția cărbunelui și stabilesc standarde minime atât pentru extracția la suprafață, cât și pentru cea subterană. Producția de cărbune presupune exploatarea în mine de suprafață (benzi) sau subterane. Exploatarea minieră de suprafață lasă gropi la îndepărtarea cărbunelui, iar pentru a preveni eroziunea solului și un mediu inestetic, operatorii trebuie să recupereze terenul, adică să umple gropile și să replanteze solul. Apa minieră acidă este problema de mediu asociată cu mineritul subteran. Apa care se infiltrează în mine, uneori inundându-le, și oxigenul atmosferic reacționează cu pirita (sulfură de fier) din cărbune, producând apă acidă de mină. Atunci când este pompată din mină și vărsată în râurile, pârâurile sau lacurile din apropiere, apa de mină le acidifică. Neutralizarea apei de mină cu var și lăsarea acesteia să se decanteze, reducând astfel prezența piritei de fier înainte de a fi eliberată, controlează drenajul acid.
Arderea cărbunelui emite dioxid de sulf și oxizi de azot, care provoacă ploi acide . Mai multe metode vor elimina sau reduce cantitatea de sulf prezentă în mulți cărbuni sau vor preveni eliberarea acestuia în atmosferă. Spălarea cărbunelui înainte de ardere îndepărtează sulful piritic (sulf combinat cu fier sau alte elemente). Arderea cărbunelui într-un arzător de concepție avansată, cunoscut sub numele de arzător cu pat fluidizat, în care calcarul adăugat la cărbune se combină cu sulful în procesul de ardere, previne formarea dioxidului de sulf. Prin spălarea fumului degajat în timpul arderii se elimină dioxidul de sulf înainte ca acesta să ajungă în atmosferă. Într-un spălător, pulverizarea calcarului și a apei în fum permite calcarului să absoarbă dioxidul de sulf și să îl elimine sub forma unui nămol umed. Tehnologiile îmbunătățite de cărbune curat injectează calcar uscat în conductele care pleacă de la cazanul centralei și elimină dioxidul de sulf sub formă de pulbere uscată (CaSO 3 ), mai degrabă decât sub formă de nămol umed. Epurarea nu elimină oxizii de azot, dar spălarea cărbunelui și arzătoarele cu pat fluidizat, care funcționează la o temperatură mai scăzută decât cazanele centralei mai vechi, reduc cantitatea de oxizi de azot produsă și, prin urmare, cantitatea emisă.
Tehnologiile curate ale cărbunelui și procesele de conversie a cărbunelui în lichid au condus la cărbuni cu ardere mai curată și la combustibili lichizi sintetici, dar ploile acide rămân o problemă gravă, în ciuda recunoașterii de către societate a efectelor sale dăunătoare încă din 1852. Încălzirea globală rezultată din emisiile de gaze cu efect de seră, dioxid de carbon, metan și clorofluorocarburi , este o altă problemă legată de arderea cărbunelui pe care industria și guvernul au ignorat-o în mare măsură din 1896, dar nu mai poate fi evitată fără consecințe grave pe termen lung.
Concluzie
Cărbunele rămâne cel mai abundent combustibil fosil din lume și, împreună cu petrolul și gazele naturale, va continua să furnizeze cea mai mare parte a energiei din lume. Dar toate trei sunt resurse finite, iar societatea ar trebui să le consume cu înțelepciune, nu să le risipească, pentru a le prelungi durata de viață și a reduce emisiile nocive. Conservarea combustibililor fosili și dezvoltarea energiilor alternative, cum ar fi energia solară și eoliană, sunt căi către un viitor energetic mai curat al societății globale.
Lasă un răspuns