Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

15.6: Вугілля - вуглецева порода віків

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    20453

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

    Цілі навчання
    • Опишіть вугілля і його переробку.
    • Перерахуйте продукти спалювання вугілля, що сприяє забрудненню.

    Вугілля - це складний твердий матеріал, отриманий переважно з рослин, які загинули і були поховані сотні мільйонів років тому і згодом піддавалися впливу високих температур і тиску. Це 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 лігніт (від найвищого до найнижчого рейтингу, зображено на малюнку\(\PageIndex{1}\).

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

    Існує чотири різних класи вугілля (табл.\(\PageIndex{1}\)); їх вміст водню та кисню залежать від тривалості поховання вугілля та тиску та температур, яким воно піддавалося. Найбільш поширеною формою в США є бітумне вугілля, що має високий вміст сірки через наявність дрібних частинок піриту (FeS 2). Згоряння вугілля виділяє сірку в FeS 2 як SO 2, який є основним фактором кислотних дощів.

    Таблиця\(\PageIndex{1}\) Властивості різних видів вугілля.
    Тип % вуглецю Водень: Вуглець Моль Співвідношення % кисню % сірки Депозити в США
    антрацит 92 0.5 3 1 Пенсільванія, Нью-Йорк
    бітумні 80 0.6 8 5 Аппалачія, Середній Захід, Юта
    суббітумний 77 0.9 16 1 Скелясті гори
    буре вугілля 71 1.0 23 1 Монтана

    Торф, попередник вугілля, - це частково загнилі залишки рослин, які ростуть на болотистих ділянках. Його видаляють з землі у вигляді мокрих цегли бруду, які не будуть горіти, поки не будуть висохлі. Якби торф'яне болото було закопано під багатьма шарами осаду протягом декількох мільйонів років, торф з часом може бути стиснутий і нагрітий настільки, щоб стати бурим вугіллям, найнижчим сортом вугілля; враховуючи достатню кількість часу та тепла, буре вугілля в кінцевому підсумку стане антрацитом, набагато кращим паливом.

    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. 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 електростанції

    Відео Віртуальний \(\PageIndex{1}\)тур на вугільній електростанції

    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

    Глобальний вуглецевий цикл

    Малюнок\(\PageIndex{3}\) ілюструє глобальний вуглецевий цикл, розподіл і потік вуглецю на Землі. Зазвичай доля атмосферного CO 2 полягає в тому, щоб (1) розчинятися в океанах і врешті-решт випасти в осад як карбонатні породи, або (2) бути прийняті рослинами. Швидкість поглинання СО 2 океаном обмежена його площею поверхні і швидкістю розчинення газів, які приблизно постійні. Швидкість поглинання CO 2 рослинами, що становить близько 60 мільярдів метричних тонн вуглецю на рік, частково залежить від того, скільки земної поверхні покрито рослинністю. На жаль, швидка вирубка лісів для сільського господарства зменшує загальну кількість рослинності, і близько 60 мільярдів метричних тонн вуглецю щорічно виділяється як СО 2 від дихання тварин та гниття рослин. Кількість вуглецю, що виділяється як CO 2 щороку при спалюванні викопного палива, оцінюється приблизно 5,5 мільярда метричних тонн. Чистий результат - система, яка трохи виходить з рівноваги, відчуваючи повільне, але стійке зростання атмосферних рівнів CO 2. В результаті середній рівень CO 2 збільшився приблизно на 30% з 1850 року.

    \(\PageIndex{3}\)Малюнок Глобальний вуглецевий цикл.

    Велика частина вуглецю Землі знаходиться в земній корі, де він зберігається у вигляді карбонату кальцію і магнію в осадових породах. Океани також містять великий резервуар вуглецю, насамперед як бікарбонатний іон (HCO 3 −). Зелені рослини споживають близько 60 мільярдів метричних тонн вуглецю на рік, як CO 2 під час фотосинтезу, і приблизно така ж кількість вуглецю виділяється як СО 2 щорічно від дихання та гниття тварин і рослин. При спалюванні викопного палива виділяється близько 5,5 мільярдів метричних тонн вуглецю на рік у вигляді CO 2.

    Забруднення від спалювання вугілля

    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 13). Спалювання вугілля класифікується як неповне згоряння, так як при реакції вуглецю (у вугіллі) з киснем утворюється крім вуглекислого газу чадний газ і/або вуглець (сажа).

    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.

    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.

    • Проводяться 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 CO 2 може бути секвестрований, який поміщає CO 2 в сховище, можливо, під землею, де він залишиться постійно.

    • 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.

    Резюме

    • Вугілля - це складний твердий матеріал, отриманий переважно з рослин, які загинули і були поховані сотні мільйонів років тому і згодом піддавалися впливу високих температур і тиску.
    • Вугілля класифікується на чотири основні типи, залежно від типів та кількості присутнього вуглецю та кількості теплової енергії, яку може виробляти вугілля, включаючи антрацит, бітумний, суббітумний та бурий.
    • Описано переробку вугілля, а також вплив його використання на навколишнє середовище та здоров'я.
    • Ведуться дослідження та впроваджуються різні підходи (технологія чистого вугілля, використання низькосірчаного вугілля, використання скруберів тощо) для зменшення впливу використання вугілля на навколишнє середовище.

    Дописувачі та атрибуція

    Лібретекст: Вступ до науки про навколишнє середовище (Zendher et al.)

    Лібретекст: Загальна хімія (Петруччі та ін.)

    Енн Марі Гельменстін, доктор філософії «Що таке реакція горіння?» Думка Ко, www.thoughtco.com/згоряння реакції-604030.