Kol
On januari 16, 2022 by admin
Kol, en naturligt förekommande brännbar fast substans, är en av världens viktigaste och mest rikliga energikällor. Från dess introduktion för 4 000 år sedan som bränsle för uppvärmning och matlagning till dess användning på 1800- och 1900-talet för att generera elektricitet och som kemisk råvara har kol, tillsammans med olja och naturgas, förblivit en viktig energikälla. Enbart Förenta staterna har 1,7 biljoner ton identifierade kolresurser (naturliga fyndigheter) och tillräckligt med utvinningsbara reserver (kol som kan utvecklas för användning) för att tillgodose landets energibehov fram till år 2225. De påvisade reserverna omfattar 274 miljarder ton som kan utvinnas med befintlig teknik, vilket motsvarar 25 procent av världens 1,08 biljoner ton utvinningsbart kol, och 508 miljarder ton kol som med befintlig teknik potentiellt kan brytas på ett ekonomiskt sätt. Dess utvinningsbara reserver innehåller mer än dubbelt så mycket energi som Mellanösterns bevisade oljereserver. Omkring 100 länder har utvinningsbara reserver. 12 länder – bland dem Kanada, Folkrepubliken Kina, Ryssland, Polen, Australien, Storbritannien, Sydafrika, Tyskland, Indien, Brasilien och Colombia – har de största reserverna.
Kolets ursprung, sammansättning och struktur
Geologer tror att underjordiska kolfyndigheter bildades för cirka 250-300 miljoner år sedan, när en stor del av jorden var ett träsk täckt av tät skog och växtlighet. När växterna och träden dog sjönk de ner under jordens våta yta, där otillräckligt syre bromsade deras nedbrytning och ledde till att torv bildades. Nya skogar och växter ersatte den döda växtligheten, och när de nya skogarna och växterna dog sjönk de också ner i sumpmarken. Med tiden och den medföljande värmeutvecklingen bildades underjordiska lager
av död växtlighet började ackumuleras, blev tätt packade och komprimerade och gav upphov till olika typer av kol, var och en med olika kolkoncentration: antracit, bituminöst kol, subbituminöst kol och brunkol. Den engelske geologen William Hutton (1798-1860) kom fram till denna slutsats 1833 när han genom mikroskopisk undersökning konstaterade att alla kolsorter innehöll växtceller och var av vegetabiliskt ursprung, och att de endast skiljde sig åt i fråga om den växtlighet som de bestod av. På grund av sitt ursprung i gammal levande materia är kol, liksom olja och gas, känt som ett fossilt bränsle. Det förekommer i sömmar eller ådror i sedimentära bergarter; formationerna varierar i tjocklek, där de i underjordiska gruvor är 0,7-2,4 meter tjocka och de i dagbrott, som i västra USA, ibland är 30,5 meter tjocka.
Fram till 1900-talet visste kemisterna mycket lite om sammansättningen och den molekylära strukturen hos de olika typerna av kol, och så sent som på 1920-talet trodde de fortfarande att kolet bestod av kol blandat med vätehaltiga föroreningar. Deras två metoder för att analysera eller separera kolet i dess beståndsdelar, destruktiv destillation (upphettning utan kontakt med luft) och lösningsmedelsextraktion (reaktion med olika organiska lösningsmedel som t.ex. tetralin), visade endast att kolet innehöll en stor mängd kol och mindre andelar av grundämnena väte, syre, kväve och svavel. Askan består av oorganiska föreningar som aluminium- och kiseloxider. Destillation gav tjära, vatten och gaser. Vätgas var den viktigaste beståndsdelen i de gaser som frigjordes, även om ammoniak, kolmonoxid- och koldioxidgaser, bensen och andra kolväteångor förekom. (Sammansättningen av ett bituminöst kol i procent är ungefär: kol , 75-90; väte , 4,5-5,5; kväve , 1-1,5; svavel , 1-2; syre, 5-20; aska, 2-10; och fukt, 1-10). Från och med 1910 gjorde forskargrupper under ledning av Richard Wheeler vid Imperial College of Science and Technology i London, Friedrich Bergius (1884-1949) i Mannheim och Franz Fischer (1877-1938) i Mülheim viktiga bidrag som visade på förekomsten av benzenoidföreningar (benzenliknande föreningar) i kol. Men bekräftelsen av kolets benzenoidstruktur kom först 1925, som ett resultat av William Bones (1890-1938) och hans forskargrupp vid Imperial College, som genomförde studier av kolutvinning och oxidation. De bensen tri-, tetra- och andra högre karboxylsyror som de fick fram som oxidationsprodukter visade på en övervikt av aromatiska strukturer med tre-, fyra- och femkondenserade bensenringar och andra strukturer med en enda bensenring. De enklaste strukturerna bestod av åtta eller tio kolatomer, medan de fusionerade ringstrukturerna innehöll femton eller tjugo kolatomer.
Klassificering och användning av kol
Europeiska och amerikanska forskare under 1800-talet och början av 1900-talet föreslog flera klassificeringssystem för kol. Det tidigaste, som publicerades i Paris 1837 av Henri-Victor Regnault (1810-1878), klassificerar koltyperna enligt deras proximala analys (bestämning av beståndsdelar i procent), det vill säga enligt deras procentandelar av fukt, brännbart material, fast kol och aska. Den föredras fortfarande, i modifierad form, av många amerikanska kolforskare. Ett annat allmänt accepterat system, som infördes 1919 av den brittiska vetenskapsmannen Marie Stopes (1880-1958), klassificerar koltyperna efter deras makroskopiska beståndsdelar: clarain (vanligt, ljust kol), vitrain (glänsande svart kol), durain (tråkigt, grovt kol) och fusain, som också kallas mineralkol (mjukt, pulveraktigt kol). Ett annat system bygger på slutanalys (bestämning av kemiska beståndsdelar i procent) och klassificerar koltyperna efter deras procentandelar av fast kol, väte, syre och kväve, exklusive torr aska och svavel. (Regnault hade också infört ultimat analys i sin artikel från 1837.) Den brittiske kolforskaren Clarence A. Seyler utvecklade detta system 1899-1900 och utvidgade det kraftigt för att inkludera ett stort antal brittiska och europeiska kolsorter. Slutligen, 1929, utan något universellt klassificeringssystem, utvecklade en grupp på sextio amerikanska och kanadensiska kolforskare som arbetade enligt riktlinjer som fastställts av American Standards Association (ASA) och American Society for Testing Materials (ASTM) en klassificering som blev standard 1936. Den har inte reviderats sedan 1938.
ASA-ASTM-systemet fastställde fyra kolklasser eller rangordningar – antracit, bituminös, subbituminös och lignit – baserade på innehåll av fast kol och värmevärde mätt i British thermal units per pund (Btu/lb). Antracit, ett hårt svart kol som brinner med liten flamma och rök, har det högsta innehållet av fast kol, 86-98 procent, och ett värmevärde på 13 500-15 600 Btu/lb (motsvarande 14,2-16,5 miljoner joule/lb ). Det är ett bränsle för uppvärmning av kommersiella lokaler och bostäder, för elproduktion samt för järn- och stålindustrin och andra industrier. Bituminöst kol (låg-, medel- och högflyktigt), ett mjukt kol som producerar rök och aska vid förbränning, har ett innehåll av 46-86 procent fast kol och ett värmevärde på 11 000-15 000 Btu/lb (11,6-15,8 miljoner joule/lb). Det är det vanligaste ekonomiskt utvinningsbara kolet i världen och det viktigaste bränslet som förbränns i ångturbindrivna elkraftverk. Vissa bituminösa kol, så kallade metallurgiska kolor eller kokskolor, har egenskaper som gör dem lämpliga för omvandling till koks som används vid ståltillverkning. Subbituminöst kol har en 46-60
procent fast kolhalt och ett värmevärde på 8 300-13 000 Btu/lb (8,8-13,7 miljoner joule/lb). Den fjärde klassen, brunkol, ett mjukt brunsvart kol, har också ett innehåll av 46-60 procent fast kol, men det lägsta värmevärdet, 5 500-8 300 Btu/lb (5,8-8,8 miljoner joule/lb). Båda klasserna används främst för elproduktion. Förutom att producera värme och elektricitet är kol en viktig råvarukälla för tillverkningsindustrin. Genom destruktiv destillation (karbonisering) framställs kolvätegaser och stenkolstjära som kemister har syntetiserat läkemedel, färgämnen, plaster, lösningsmedel och många andra organiska kemikalier ur. Högtryckshydrering eller -förvätskning av kol och indirekt förvätskning av kol med hjälp av Fischer-Tropsch-synteser är också potentiella källor till rena flytande bränslen och smörjmedel.
Miljöproblem
Den största nackdelen med att använda kol som bränsle eller råvara är dess potential att förorena miljön vid både produktion och konsumtion. Detta är anledningen till att många kolproducerande länder, t.ex. USA, sedan länge har lagar som reglerar kolbrytning och fastställer miniminormer för både yt- och underjordsbrytning. Kolproduktion kräver brytning i antingen yt- eller underjordsgruvor. Vid ytbrytning uppstår gropar när kolet avlägsnas, och för att förhindra jorderosion och en ful miljö måste operatörerna återställa marken, det vill säga fylla igen groparna och återplantera jorden. Surt gruvvatten är det miljöproblem som är förknippat med underjordisk gruvdrift. Vatten som sipprar in i gruvorna och ibland översvämmar dem, och atmosfäriskt syre reagerar med pyrit (järnsulfid) i kolet och ger upphov till surt gruvvatten. När gruvvattnet pumpas ut ur gruvan och hamnar i närliggande floder, bäckar eller sjöar försurar det dem. Genom att neutralisera gruvvattnet med kalk och låta det sedimentera, vilket minskar förekomsten av järnpyrit innan det släpps ut, kan man kontrollera den sura dräneringen.
Kolförbränning avger svaveldioxid och kväveoxider, som båda orsakar surt regn . Flera metoder avlägsnar eller minskar mängden svavel som finns i många kol eller förhindrar att det släpps ut i atmosfären. Genom att tvätta kolet före förbränning avlägsnas pyritiskt svavel (svavel i kombination med järn eller andra element). Förbränning av kolet i en avancerad brännare, en s.k. fluidiserad bäddbrännare, där kalksten som tillsätts till kolet förenas med svavel i förbränningsprocessen, förhindrar att svaveldioxid bildas. Genom att tvätta den rök som frigörs vid förbränningen avlägsnas svaveldioxiden innan den når ut i atmosfären. I en skrubber sprutas kalksten och vatten in i röken så att kalkstenen kan absorbera svaveldioxid och avlägsna den i form av ett vått slam. Förbättrad teknik för rent kol sprutar in torr kalksten i rören som leder från anläggningens panna och avlägsnar svaveldioxid i form av ett torrt pulver (CaSO 3 ) i stället för ett vått slam. Skrubbning avlägsnar inte kväveoxider, men koltvätt och förbränningsanläggningar med fluidiserad bädd som arbetar vid en lägre temperatur än äldre kraftverkspannor minskar den mängd kväveoxider som produceras och därmed den mängd som släpps ut.
Ren kolteknik och omvandlingsprocesser från kol till vätska har lett till renare brinnande kol och syntetiska flytande bränslen, men surt regn förblir ett allvarligt problem trots att samhället sedan 1852 har insett dess skadliga effekter. Den globala uppvärmningen till följd av utsläpp av växthusgaserna koldioxid, metan och klorfluorkarboner är ett annat kolförbränningsproblem som industrin och myndigheterna i stort sett har ignorerat sedan 1896, men som inte längre kan undvikas utan allvarliga långsiktiga konsekvenser.
Slutsats
Kol är fortfarande världens mest rikliga fossila bränsle, och tillsammans med olja och naturgas kommer det att fortsätta att stå för merparten av världens energi. Men alla tre är ändliga resurser, och samhället bör förbruka dem klokt, inte slösaktigt, för att förlänga deras livslängd och minska deras skadliga utsläpp. Bevarande av fossila bränslen och utveckling av alternativa energikällor, som sol- och vindkraft, är vägar till ett globalt samhälles renare energiframtid.
Lämna ett svar