4.3: Вугілля

Last updated
Save as PDF

Page ID: 28780

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Вугілля - горюча чорна або буро-чорна осадова порода з великою кількістю вуглецю і вуглеводнів. Вугілля класифікується на чотири основні типи, або ранги залежно від типів та кількості присутнього вуглецю та кількості теплової енергії, яку може виробляти вугілля, включаючи антрацит, бітумний, суббітумний та бурий (найвищий до найнижчий ранг, зображений на малюнку\(\PageIndex{1}\)). Щоб ми використовували потенційну енергію, що зберігається у вугіллі, її спочатку потрібно видобувати з землі. Цей процес сам по собі використовує велику кількість ресурсів і має власний вплив на навколишнє середовище. Потім вугілля зазвичай піддається переробці, щоб зробити його придатним для використання на вугільних електростанціях. Нарешті, перероблене вугілля спалюється на цих електростанціях, а кінетична енергія, що виділяється при його згорянні, використовується для виробництва електроенергії або інших цілей. Ми розглянемо кожен з цих кроків окремо нижче.

Знімок екрана (41) .png — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Різні види вугілля. Зображення, отримані з Вікісховища.

4.3.1: Видобуток та переробка вугілля та виробництво електроенергії

Існує два основних способи видобутку вугілля: стрічковий і підземний видобуток. Смуговий або поверхневий видобуток використовує великі машини для видалення ґрунту та шарів гірських порід, відомих як розкривні навантаження, для оголення вугільних пластів. Він зазвичай використовується, коли вугілля менше 200 футів під землею. Видалення вершини гори - це форма поверхневого видобутку, де вершини гір підриваються динамітом і видаляються для доступу до вугільних пластів. Після закінчення видобутку порушену ділянку можна повторно засипати верхнім шаром грунту, а ділянку пересаджувати. Однак рельєф гори постійно змінений.

Підземна видобуток, яку іноді називають глибоким видобутком, використовується, коли вугілля знаходиться на кілька сотень футів нижче поверхні. Деякі підземні шахти глибиною тисячі футів і простягаються на милі. Шахтарі їздять на ліфтах по глибоких шахтних шахтах і їздять невеликими поїздами в довгих тунелі, щоб дістатися до вугілля. Шахтарі використовують великі машини, які викопують вугілля.

Після видобутку вугілля може перейти на збагачувальний завод, розташований поблизу гірничого майданчика, де його очищають та обробляють для видалення домішок, таких як гірські породи та бруд, зола, сірка та інші небажані матеріали. Цей процес збільшує кількість енергії, яку можна отримати з одиниці вугілля, відомої як його нагрівальна здатність.

Нарешті, видобуте і перероблене вугілля необхідно транспортувати. Транспортування може коштувати дорожче, ніж видобуток вугілля. Майже 70% вугілля, що доставляється в США, транспортується, принаймні частину своєї поїздки, поїздом. Вугілля також можна транспортувати баржею, судном або вантажівкою. Вугілля також можна подрібнити, змішати з водою, і направляти по шламопроводу. Іноді вугільні електростанції будують поблизу вугільних шахт, щоб знизити транспортні витрати.

Потрапивши на електростанції, вугілля спочатку подрібнюється в дрібний порошок, потім змішується з гарячим повітрям і продувається в піч, що дозволяє максимально повне згоряння і максимально можливе тепло. Очищена вода, що перекачується по трубах всередині котла, перетворюється в пар теплом від згоряння вугілля. Високий тиск пари, що штовхає на ряд гігантських лопатей турбіни, повертає вал турбіни. Вал турбіни з'єднаний з валом генератора, де магніти обертаються всередині дротяних котушок для отримання електроенергії. Після виконання своєї роботи в турбіні пар втягується в конденсатор, велику камеру в підвалі електростанції. На цьому важливому етапі мільйони галонів прохолодної води з сусіднього джерела (наприклад, річки чи озера) перекачуються через мережу трубок, що проходять через конденсатор. Прохолодна вода в трубках перетворює пар назад у воду, яку можна використовувати знову і знову в рослині. Охолоджуюча вода повертається до свого джерела без будь-яких забруднень, за винятком більш високої температури, ніж при першому видобутку з річки або озера. На малюнку\(\PageIndex{2}\) нижче представлена принципова схема, що показує типову компоновку вугільної електростанції. Ви також можете переглянути коротке відео віртуальної екскурсії вугільною електростанцією за вказаною нижче URL-адресою.

Віртуальний тур по вугільній електростанції https://www.youtube.com/watch?v=2IKECt4Y3RI

Знімок екрана (42) .png — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Схема типової вугільної електростанції парового циклу (виходячи зліва направо). Зображення американського органу долини Теннессі - Суспільне надбання. www.tva.com

4.3.2: Вплив видобутку та спалювання вугілля

Вплив видобутку вугілля на навколишнє середовище

Більшість вугілля, видобутого в Сполучених Штатах (близько 66%), надходить з поверхневих або смугових шахт, які залишають дуже помітні удари на поверхні. Операції з видобутку смуг, як правило, передбачають видалення ґрунтів, гірських порід та інших матеріалів для доступу до неглибоких родовищ вугілля і, отже, залишають постійні шрами на ландшафті. Це також передбачає знищення значної кількості лісів та інших екосистем, знищення природних середовищ існування та загрожує біорізноманіттю.

Видалення вершини гори, крайня форма видобутку смуг, вплинула на великі площі Аппалачських гір у Західній Вірджинії та Кентуккі. Вершини гір видаляються за допомогою комбінації вибухових речовин та гірничодобувного обладнання, а матеріал відкладається в довколишні долини. Ця техніка не тільки змінює ландшафт (рис.\(\PageIndex{3}\)), але впливає на здоров'я та якість сусідніх потоків, відкладаючи гірські породи, бруд та забруднювачі, які можуть завдати шкоди водній дикій природі. Хоча видобуток гірських вершин існує з 1970-х років, його використання стало більш поширеним і суперечливим починаючи з 1990-х років. Закони США вимагають, щоб пил і стік води з районів, постраждалих від операцій з видобутку вугілля, контролювався, а також щоб територія була рекультивована та повернута до початкового стану.

Знімок екрана (43) .png — Малюнок\(\PageIndex{3}\): А) Смугова шахта для бурого вугілля в Гарцвайлері поблизу Кельна, Німеччина. Зображення з Вікісховища https://commons.wikimedia.org/wiki/F...strip.mine.jpg B) Видалення вершини гори в Юніс WV, фото Ростона, отримане з https://commons.wikimedia.org/wiki/F...niceblast3.JPG

Одним з найбільших впливів на навколишнє середовище підземних видобутків може бути метановий газ, який необхідно вентилювати з шахт, щоб зробити шахти безпечним місцем для роботи. Метан - це парниковий газ, що означає, що він підсилює парниковий ефект, що виникає в природі в нашій атмосфері, і сприяє глобальному потеплінню та глобальним змінам клімату. Його потенціал глобального потепління, або відносна здатність виробляти парниковий ефект, вище, ніж у вуглекислого газу (див. Розділ 7). Інші наслідки підземної видобутку включають обвал землі над шахтними тунелями та злив кислої води з покинутих шахт у сусідні потоки. Кисла вода знижує рН (в результаті чого підвищується кислотність), що згубно впливає на водні організми. Цей дренаж кислотних шахт - це вплив на навколишнє середовище, пов'язане як з підземним видобутком, так і з стрі

Вплив спалювання вугілля на навколишнє середовище та здоров'я людини

У Сполучених Штатах і більшій частині світу більша частина споживаного вугілля використовується як паливо для виробництва електроенергії. Спалювання вугілля виробляє такі викиди, як діоксид сірки (SO ₂) і оксиди азоту (NO _x), які пов'язані з кислотними дощами (докладніше про це в розділі 6). Вуглекислий газ (CO ₂), ще один викид в результаті спалювання вугілля, є основним парниковим газом, який пов'язаний з глобальним потеплінням (див. Розділ 7).

Зола (включаючи золу і золу) - це залишок, що утворюється при спалюванні вугілля на електростанціях. У минулому летюча зола виділялася в повітря через димову трубу, де це сприяло забрудненню повітря твердими частинами (див. Розділ 6). Закони тепер вимагають, що значна частина золи тепер повинна бути захоплена пристроями контролю забруднення, як скрубери. У Сполучених Штатах зола, як правило, зберігається на вугільних електростанціях або розміщується на звалищах. Забруднення, вилуговування із зольних сховищ та звалищ у ґрунтові води та розрив кількох великих відходів золи є екологічними проблемами.

Спалювання вугілля виробляє викиди, які також впливають на здоров'я людини. Викиди, такі як діоксид сірки (SO ₂), оксиди азоту (NO _x) та частинки сприяють респіраторним захворюванням. Частинки також сприяють стану серед вугільників та інших вугільних робітників, відомих як пневмоконіоз вугільників (CWP) або чорна хвороба легенів, яка виникає внаслідок тривалого впливу вугільного пилу. Вдихається вугільний пил поступово накопичується в легенях і не може бути виведений організмом; це призводить до запалення, фіброзу, а в гірших випадках - загибелі тканин (некрозу).

Вугілля є найбільшим джерелом ртуті, а також джерелом інших важких металів, багато з яких були пов'язані як з неврологічними проблемами, так і з проблемами розвитку у людей та інших тварин. Концентрації ртуті в повітрі зазвичай низькі і не викликають прямого занепокоєння. Однак, коли ртуть потрапляє у воду безпосередньо або через осадження з повітря, біологічні процеси перетворюють її на метилртуть, високотоксичну хімічну речовину, яка накопичується в рибі та тварині (включаючи людей), які їдять рибу.

4.3.3: Зменшення впливу використання вугілля на навколишнє середовище

Такі правила, як Закон про чисте повітря та Закон про чисту воду, вимагають від промисловості зменшення забруднюючих речовин, що викидаються у повітря та воду. Нижче наведено деякі дії, які були вжиті для зменшення негативного впливу вугілля на здоров'я людини та навколишнього середовища:

Чиста вугільна технологія: Промисловість знайшла кілька способів зменшити сірку, NO _x та інші домішки з вугілля перед спалюванням.
Споживачі вугілля перейшли в бік більшого використання вугілля з низьким вмістом сірки.
Електростанції використовують скрубери для очищення SO ₂, NO _x, твердих частинок та ртуті від диму, перш ніж він покине свої димові труби. Крім того, промисловість та уряд США співпрацювали над розробкою технологій, які роблять вугілля більш енергоефективним, тому менше потрібно спалювати.
Ведуться дослідження щодо викидів вуглекислого газу при спалюванні вугілля. Вловлювання та секвестрація вуглецю відокремлює CO ₂ від джерел викидів і відновлює його в концентрованому потоці. Потім СО ₂ може бути секвестрований, який поміщає CO ₂ у сховище, можливо, під землею, де він залишатиметься постійно (див. Розділ 7)
Повторне використання та переробка також можуть зменшити вплив вугілля на навколишнє середовище. Земля, яка раніше використовувалася для видобутку вугілля, може бути рекультивована та використана для аеропортів, звалищ та полів для гольфу. Відходи, захоплені скруберами, можуть бути використані для виробництва таких продуктів, як цемент і синтетичний гіпс для стінових плит.