Въглища: образуване, видове, енергетика и въздействие върху климата

Научете всичко за въглищата: образуване, видове, енергетика и въздействие върху климата — употреба, емисии, кокс и алтернативи за по-чисто бъдеще.

Въглищата са твърда скала, която може да бъде изгаряна като твърдо изкопаемо гориво. Състои се предимно от въглерод, но съдържа и водород, сяра, кислород и азот. Той е седиментна скала, образувана от торф, под натиска на скали, положени по-късно отгоре.

Торфът, а оттам и въглищата, се образуват от останките на растения, които са живели преди милиони години в тропически влажни зони, като тези от късния карбонски период (Пенсилвания). Също така от дървесина, нагрята в безвъздушно пространство, могат да се получат дървени въглища, които приличат на въглища.

Въглищата могат да се изгарят за получаване на енергия или топлина. Около две трети от добиваните днес въглища се изгарят в електроцентрали за производство на електроенергия. Подобно на петрола, когато въглищата се изгарят, въглеродът им се съединява с кислорода във въздуха и се образува голямо количество въглероден диоксид, който причинява изменението на климата. Поради това и други замърсявания на въздуха от въглищата повечето държави се насочват към нови източници на енергия, като например слънчевата енергия. Но в някои части на света, например в Китай, все още се строят нови електроцентрали на въглища.

Въглищата могат да бъдат изпечени (нагряти до висока температура на място, където няма кислород), за да се получи кокс. Коксът може да се използва при топенето за намаляване на съдържанието на металите в рудите.

Образуване и геоложки процеси

Процесът на въглеобразуване започва с натрупване на органични растителни остатъци в блатисти (анаеробни) условия, където разлагането е бавно. С течение на време торфът се погребва под наслагвания от седиментни скали, увеличава се налягането и температурата и органичната материя се трансформира в по-високо въглеродно тяло — лигнит, суббитуминозни и битуминозни въглища, а при по-интензивна метаморфоза — в антрацит. Този процес може да отнеме десетки до стотици милиони години.

Видове въглища и техните свойства

• Торф — първично събрание на частично разложена растителна материя; има ниска калоричност и висока влажност.
• Лигнит (млад въглен) — тъмнокафяв, с по-ниска енергийна плътност и високо съдържание на влага; използва се предимно за местна енергетика.
• Суббитуминозни и битуминозни въглища — имат по-високо съдържание на въглерод и калоричност; битуминозните са най-широко използвани за електропроизводство и промишлени процеси.
• Антрацит — най-високо метаморфизиран вид, с високо съдържание на въглерод, малко примеси и голяма енергийна плътност.

Ключови показатели за качеството на въглищата са калоричната стойност (kJ/kg или kcal/kg), съдържанието на влага, летливите вещества, сярата и пепелта. Високата сяра води до по-големи емисии на SO2 при изгаряне, което изисква мерки за обезопасяване.

Енергетика и приложения

Въглищата се използват основно за:

• Производство на електроенергия в електроцентрали (прахово изгаряне, флуидифицирани легла и др.).
• Промишлено топлоподаване (парни котли, топлоцентрали).
• Производство на кокс за стоманодобив — коксът служи като редуктор и гориво в доменните пещи.
• Други индустриални процеси (циментова индустрия, химическа синтеза на въглеродни продукти).

За по-ефективно и чисто използване се прилагат технологии като супер-критични и ултрасупер-критични котли, както и газификация на въглищата (IGCC — integrated gasification combined cycle), които повишават КПД и намаляват емисиите на въглерод и замърсители.

Въздействие върху здравето и климата

Изгарянето на въглища отделя значителни количества парникови газове, предимно CO2, което допринася за глобалното затопляне. Освен това при изгарянето се отделят:

• Сярови оксиди (SO2) — водят до киселинни дъждове и увреждане на екосистеми.
• Азотни оксиди (NOx) — допринасят за образуването на озон при земната повърхност и регенериране на смог.
• Фини прахови частици (PM2.5 и PM10) — причиняват респираторни и сърдечно-съдови заболявания.
• Живачен и други тежки метали — опасни за човешкото здраве и биосферата.
• Метан (CH4) — отделян при добива, силен парников газ.

Здравните и екологични ефекти включват увеличена смъртност от белодробни и сърдечни заболявания, замърсяване на води и почви чрез пепел и отлагания, както и дългосрочни климатични промени.

Добив, икономика и глобални тенденции

Добивът на въглища включва открит рудник (повърхностен) и галерии (подземен добив). Откритият добив е по-евтин, но нанася големи промени в ландшафта и екосистемите. След експлоатация се прилагат мерки за рекултивация и възстановяване на терени.

Глобално най-големи производители и потребители на въглища са държави като Китай, Индия, САЩ, Австралия, Русия и др. Въпреки че в много развити икономики потреблението на въглища намалява заради конкуренцията от газ и възобновяеми източници и политиките за декарбонизация, в някои региони въглищата продължават да бъдат важен енергиен ресурс.

Технологии за намаляване на емисиите и алтернативи

• Филтриране и почистване на димни газове: електростатични филтри, торбични филтри, десулфуризация на димни газове (FGD) за премахване на SO2.
• Увеличаване на ефективността: супер-критични котли и комбинирани цикли за по-малко гориво за единица електроенергия.
• Газификация и синтетични горива: конвертиране на въглища в газ или течни горива с възможности за по-ефективно почистване.
• Улавяне и съхранение на въглерод (CCS): технологии за улавяне на CO2 от комини и негово геологично съхранение; все още скъпи и в процес на развитие и внедряване.
• Енергийна трансформация: преминаване към възобновяеми енергии (слънце, вятър, хидро), енергийна ефективност и електрификация на отрасли.

Рекултивация, безопасност и социални аспекти

Рекултивацията след добив включва оформяне на терена, възстановяване на почвен слой и засаждане на растителност; при добрите практики се намалят ерозията и замърсяването на водите. Подземният добив носи рискове за здравето и безопасността на миньорите (обрушвания, газове); повърхностният добив по правило води до големи визуални и екологични промени.

Заключение

Въглищата имат дълга роля в индустриалното развитие и енергетиката, но също така представляват основен източник на парникови газове и локални замърсители. Текущите тенденции сочат към намаляване на употребата им в много части на света, благодарение на растяща рентабилност на възобновяемите източници, по-строги екологични изисквания и развитието на алтернативни технологии. Въпреки това в краткосрочен и средносрочен план въглищата ще продължат да играят роля в енергийния микс на някои държави, докато се намират икономически и технологични решения за по-чиста употреба и справяне с емисиите.

История

Въглищата са най-важното гориво на индустриалната революция. През 20-ти век въглищата са важна част от железопътните превози в Обединеното кралство, като формират по-голямата част от обема на товарните превози на няколко компании. В началото на XXI век повечето електроцентрали на въглища в Обединеното кралство и няколко други държави бяха затворени с цел намаляване на емисиите на парникови газове.

Британските въглищни находища през XIX век.

Различни видове въглища и как се образуват

При подходящи условия растителният материал се трансформира стъпка по стъпка в

1. Торфът все още не е въглища.
2. Лигнитите (кафявите въглища) са най-мръсните въглища, съдържат около 60-70% въглерод и се използват като гориво за производство на електроенергия. Джетът е компактна форма на лигнита, която понякога се полира и отдавна се използва като декоративен камък.
3. Суббитуминозните въглища се използват като гориво за производство на електроенергия с пара. Освен това те са източник на леки ароматни въглеводороди за индустрията за химически синтез.
4. Битуминозните въглища са плътна скала, черна, но понякога и тъмнокафява. Това са сравнително меки въглища, които се чупят и изгарят лесно и бързо. Използват се като гориво в електроцентралите, за топлинни и енергийни приложения в производството, за ковашко производство и за производство на кокс.
5. Някога въглищата са били широко използвани като гориво за парните локомотиви. В тази си специализирана употреба те понякога са известни като морски въглища в САЩ. Малките парни въглища (сухи малки парни ядки или DSSN) са били използвани като гориво за отопление на вода за битови нужди.
6. Антрацитът е по-твърд, лъскав, черен въглен. Той гори по-дълго и се използва главно за отопление на жилищни и търговски помещения.
7. Графитът е труден за изгаряне и не се използва толкова често като гориво. Той все още се използва в моливи, смесени с глина. Когато е на прах, може да се използва като смазка.

Обикновено се смята, че диамантът е крайният резултат от този процес, но това не е вярно. Диамантът е въглерод, но не се образува от въглища.

Въглищата съдържат примеси. Конкретните примеси определят употребата. Коксуващите се въглища съдържат малко пепел, сяра или фосфор. Те биха развалили желязото, произведено в доменната пещ.

Пласт битуминозни въглища на брега на морето в Нова Скотия

Екологични проблеми

При изгарянето на въглища се отделя почти една трета повече въглероден диоксид за единица енергия в сравнение с петрола и 80% повече в сравнение с природния газ. Почти половината от въглеродния диоксид, отделян от хората, се дължи на изгарянето на въглища, така че те са най-голямата единична причина за глобалното затопляне. Въглищата допринасят за киселинните дъждове и смога, особено когато се изгарят без скрубери. При изгарянето на въглища се отделят токсични химикали, включително сажди, живак и въглероден оксид, които допринасят за заболявания като рак и астма както при хората, така и при дивите животни. Добивът на въглища, особено добивът в планините, може да увреди големи площи земя и да унищожи естествени местообитания. По-високите класове въглища горят по-чисто от по-ниските класове, въпреки че все още замърсяват повече от другите горива. В допълнение към замърсяването на въздуха при изгарянето на въглища се образува токсична въглищна пепел, която може да причини замърсяване на водите, ако случайно бъде изпусната в околната среда. По света има няколко подземни минни пожара. При тези подземни пожари във въздуха се отделя токсичен дим, а също така може да се стигне до срутване на земята над тях. Град Сентралия, Пенсилвания, беше евакуиран и сега е изоставен поради подземен пожар във въглищна мина.

Смъртни случаи и заболявания от замърсяване

Трудно е да се дадат точни данни за въздействието на въглищата върху здравето. Твърди се, че заради въглищата всяка година над 800 000 души умират преждевременно и милиони се разболяват. Въгледобивните работници често получават пневмокониоза (чернодробна болест) от излагане на въглищен прах.

Изгарянето на въглища води до голямо замърсяване на въздуха

Протести срещу въглищата

Противопоставянето на замърсяването с въглища е една от основните причини за възникването на съвременното екологично движение през XIX век.

Протест срещу увреждането на Големия бариерен риф, причинено от изменението на климата в Австралия


Дървени къщички за протест срещу изсичането на част от гората Хамбах за откритата мина Хамбах в Германия: след което изсичането е спряно през 2018 г.

Връх на въглищата

Пик на въглищата означава годината, в която се добиват или изгарят най-много въглища. Много страни вече са преминали своя пик на въгледобива, например Германия през 1985 г. и САЩ през 2008 г. Сега тези страни добиват и изгарят по-малко въглища. Но Китай все още добива много въглища и помага на няколко държави, като Пакистан, да добиват повече въглища и да строят повече електроцентрали на въглища. Така че пиковата година за въглищата в света може би е отминала.

Потребление на въглища в света

Въпроси и отговори

В: Какво представляват въглищата?

В: Как се образуват въглищата?

Въпрос: Какви са някои приложения на въглищата?

Въпрос: Какви са отрицателните ефекти, свързани с изгарянето на въглища?

Въпрос: Отказват ли се държавите от използването на въглища като източник на енергия?

Търсене по буква