Виды угля: какое топливо эффективней?

Уголь – это органическое вещество, которое образовалось из растительных остатков. Под воздействием давления и температур залежи торфа на протяжении целых веков превращались в породу. Сначала — в бурый уголь, затем — в каменный уголь, который трансформировался в антрацит.

На каждой стадии уголь меняет свои характерные свойства, которые напрямую влияют на его качество. В чём принципиальные отличия каждого вида?

Бурый уголь

Бурый уголь — самая молодая твёрдая горная порода, которая образовалась около 50 млн лет назад из торфа или лигнита. По своей сути, это «недозревший» каменный уголь.

Это полезное ископаемое получило своё название из-за цвета – оттенки варьируются от буро-рыжего до чёрного. Бурый уголь считается топливом низкой степени углефикации (метаморфизма). Он содержит в себе от 50% углерода, но также много летучих веществ, минеральных примесей и влаги, поэтому гораздо легче горит и даёт больше дыма и запаха гари.

В зависимости от влажности, бурый уголь делят на марки 1Б (влажность более 40%), 2Б (30-40%) и 3Б (до 30%). Выход летучих веществ у бурых углей составляет до 50%.

При продолжительном контакте с воздухом бурый уголь имеет свойство терять структуру и растрескиваться. Среди всех видов угля он считается самым некачественным топливом, так как выделяет куда меньше тепла: теплота сгорания составляет всего 4000 — 5500 ккал\кг.

Бурый уголь залегает на небольших глубинах (до 1 км), поэтому его гораздо легче и дешевле добывать. Однако в России как топливо он применяется намного реже, чем каменный уголь. Из-за низкой стоимости бурому углю всё же отдают предпочтение некоторые мелкие и частные котельные и ТЭЦ.

В России крупнейшие месторождения бурого угля располагаются в Канско-Ачинском бассейне (Красноярский край). В целом участок обладает запасами почти в

640 млрд т (около 140 млрд т пригодны для разработки открытыми способом).

Богато запасами бурого угля и единственное угольное месторождение в Алтае – Солтонское. Его прогнозируемые запасы составляют 250 млн т.

Около 2 трлн т бурого угля таит в себе Ленский угольный бассейн, расположенный на территории Якутии и Красноярского края. Кроме того, этот вид полезного ископаемого нередко залегает вместе с каменным углём – так, его также получают на месторождениях Минусинского и Кузнецкого угольных бассейнов.

Каменный уголь

Куда большую популярность в топливной энергетике имеет каменный уголь. Он намного старше бурого угля – возраст каменных отложений составляет порядка 350 млн лет. Каменный уголь куда более крепкое, твёрдое и тяжёлое полезное ископаемое, которое обычно залегает на глубинах от 2 км.

В этой горной породе чёрного цвета с матовым блеском содержится

75-95% углерода и при этом всего 5-6% влаги. За счёт высокой теплоты сгорания — около 5500-7500 ккал\кг — каменный уголь горит гораздо лучше, чем бурый.

По степени углефикации каменный уголь разделяют на множество разновидностей. Среди марок угля сегодня выделяют длиннопламенный (Д), газовый (Г), жирный (Ж), коксовый жирный (КЖ), коксовый (К), отощённый спекающийся (ОС), тощий (Т) и антрацит (А).

Все подвиды каменного угля отличаются степенью выхода летучих веществ, элементарным составом, теплотой сгорания, объёмным весом и выходом летучих веществ. Например, у каменных углей марок Г и Д выход летучих веществ составляет 30-50%, марок Т – 13%, А – 2-9%.

В тощих углях много углеродов, но мало летучих веществ и битумов. К газовым и жирным относятся угли с большим содержанием летучих веществ. А коксовые угли имеют наибольшую теплоту сгорания – свыше 8 тысяч ккал/кг.

Территория России изобилует количеством каменноугольных бассейнов, рассредоточенных в самых разных регионах. Главные «угольные» точки находятся в Минусинском, Кузнецком, Ленском, Тунгусском, Таймырском, Печорском, Южно-Якутском и Буреинском бассейнах.

Так, на территории Минусинского бассейна залегает около 2,7 млрд т каменного угля. А в Кузнецком угольном бассейне хранится порядка 61,6 млрд т разведанных запасов углей.

Также к крупнейшим месторождениям каменного угля причисляют Эльгинское месторождение в Якутии: его запасы составляют порядка 2,2 млрд т. Ещё одно месторождение – Элегестское (Тува) – обладает запасами в около 20 млрд т.

Антрацит

Наивысшей степенью углефикации обладает антрацит – конечная стадия сформирования угля. Все процессы гниения торфяных отложений завершены, каждый слой горной породы полностью спрессован, поэтому и вещества максимально сконцентрированы.

Антрацит легко отличить от других видов угля благодаря ярко выраженному чёрному цвету с металлическим блеском. Он обладает хорошей электропроводностью, имеет большую вязкость и практически не спекается.

Этот вид угля практически лишён влаги (не более 1-3%) и минеральных примесей, зато содержит много углерода (около 94%). Такие свойства обеспечивают очень высокую удельную теплоту сгорания — 8100-8350 ккал/кг. Выход летучих веществ колеблется от 3 до 4 %.

Чтобы поджечь антрацит, нужно постараться: он загорается только при температурах 600-700˚С, но в случае успеха не даёт дыма и горит почти без пламени (в отдельных случаях вообще без него). Кроме того, продукты сгорания данного топлива не имеют запаха.

В основном антрацит залегает на глубинах 6 км. Это довольно редкое полезное ископаемое: его доля среди мирового запаса угля составляет около 3%.

Россия занимает первое место по запасам антрацитов. Он залегает в следующих угольных бассейнах: Кузнецком, Таймырском, Грушевском, Тунгусском. Также эти полезные ископаемые обнаружены на Урале и в Магаданской области.

Как определить зольность?

Самой важной характеристикой угля является зольность – процентное содержание негорючего остатка (золы), образуемого из минеральных примесей топлива после его полного сгорания. С учётом зольности разработаны методы оценки эффективности обогащения угля, а также формируются цены на топливо.

Зольность измеряется в процентах от общей массы угля. Чем она выше, тем ниже теплота сгорания и, соответственно, качество угля. Поэтому именно зольность угля определяет его пригодность к использованию в качестве топлива. Так, уголь с 25-процентной зольностью относят к высокосортному, низкосортным считается уголь с показателем от 40%.

Определение зольности угля осуществляется одним стандартным методом: топливо полностью сжигают, потом проводят прокаливание зольного остатка до постоянной массы и непосредственно определяют её долю относительно изначальной массы топлива.

При сгорании углей проходит несколько этапов процесса превращения минеральных компонентов в золу. Все реакции проходят с разной скоростью и в разных температурных условиях. Масса и состав полученной золы разнятся в каждом отдельном озолении, поэтому точно определить зольность каждого вида угля в отдельности невозможно.

То же самое можно сказать и об остальных свойствах каменного, бурого угля или антрацита: они определяются целым рядом факторов, поэтому за основу берутся лишь усреднённые параметры.

Сжигание угля — свойства, характеристики

Свойства и характеристики угля

Уголь — это горючая осадочная порода растительного происхождения, состоящая в основном из углерода и ряда других химических элементов.

Состав угля зависит от возраста: самый молодой — бурый уголь (марка 1Б по свойствам ближе к древесине,

3Б — к каменному углю), затем идет каменный уголь, старше всех антрацит. По мере старения происходило концентрирование углерода и уменьшение содержания летучих составляющих, в частности, влаги. Так, бурый уголь имеет влажность 30–40%, более 50% летучих компонентов, у антрацита оба показателя составляют 5–7%.

Кроме основных компонентов, уголь содержит «породу»: различные негорючие золообразующие добавки. Наличие породы уменьшает удельную теплоту сгорания угля, увеличивает износ механизмов котла, затрудняет углеподготовку (дробление угля до нужной фракции). В зависимости от сорта и условий добычи зольность может различается очень сильно. Так, зольность кузбасского каменного угля 15-17%, бурого балахтинского (Красноярский край) менее 10%, но в России встречаются угли с зольностью до 30-35%.

Зола является вредным отходом, загрязняющим окружающую среду, и подлежит утилизации на специальных полигонах. Для удобства вывоза зольник в Термороботе сделан съемным, транспортабельным.

Есть также «зола уноса«, определяющая экологические показатели котла, ее количество учитывается при экологической экспертизе проекта котельной. Выброс пыли зависит от сорта угля, мощности и конструкции котла.

Важным показателем угля является температура плавления золы, зависящая от химического состава породы в конкретном угле, она определяет спекаемость (шлакование) угля в топке котла.

Есть еще один вредный компонент угля — сера. При сжигании серы образуются ее окислы, которые, взаимодействуя с водой, превращаются в серную кислоту. Она загрязняет окружающую среду и дает кислотный конденсат, разрушающий элементы котла. Содержание серы обычно находится в пределах 0,1-1%.

Основной показатель топлива — удельная теплота сгорания. В сертификатах указывают «

высшую» и «низшую» теплоту сгорания. При выборе угля и при оценке КПД котла следует обращать внимание на низшую теплоту, обозначаемую в сертификатах Q_i^r . У бурого угля ее значение составляет 3000-5000, у рядового каменного угля 5000-5500 ккал/кг. В справочниках можно встретить значение 7000 ккал/кг, это относятся к угольному концентрату («условное топливо»), на обычных угольных складах таким углем не торгуют.

Плотность угля — от 1 до 1,7 т/м³ в зависимости от содержания минеральных веществ, но в практических расчетах следует пользоваться «насыпной плотностью«. Для рекомендованного нами балахтинского угля 3Б она составляет 0,8 т/м³ (бункер котельной Терморобот-300 объемом 5 м³ вмещает 4 тонны угля). Насыпная плотность сортового каменного угля около 0,85 т/м³.

Как горит уголь

Уголь содержит 2 горючих компонента:

летучие вещества и твердый коксовый остаток. Конструкция котла должна обеспечить полное сжигание обоих компонентов угля. Механический или химический недожог очень сильно снижает КПД котла и его экологические показатели.

На первом этапе горения происходит газификация угля: из него выделяются летучие вещества; при достатке кислорода они быстро сгорают, давая длинное пламя. Затем выгорает коксовый остаток; интенсивность и температура его горения зависит от вида угля (бурый, каменный, антрацит): чем выше степень углефикации (самая высокая она у антрацита), тем выше температура воспламенения и теплота сгорания, но ниже интенсивность горения.

Уголь марок Б, Д, Г

Из-за высокого содержания летучих веществ такой уголь быстро разгорается и быстро сгорает. Уголь этих марок доступен и пригоден почти для всех видов котлов, но для полного сгорания этот уголь должен подаваться маленькими порциями, чтобы выделяющиеся летучие вещества успевали полностью соединяться с кислородом воздуха (так, в котлах Терморобот ТР-200, ТР-300 уголь подается почти непрерывно). Полное сгорание угля характеризуется желтым пламенем и прозрачными дымовыми газами; неполное сгорание летучих веществ дает багровое пламя и чёрный дым.

Уголь марок СС, Т, А

Разжечь такой уголь труднее; он горит долго и выделяет много тепла; его можно загружать большими партиями, так как в нем горит в основном коксовый остаток, нет массового выделения летучих веществ. Очень важен режим поддува: при недостатке воздуха горение происходит медленно, возможно угасание, либо, напротив, чрезмерное повышение температуры, приводящее к прогоранию котла. В Термороботе при использовании углей СС и Т резко (на 30-50%) снижается мощность котла, это следует учитывать при выборе мощности котла. Использование в Термороботе угля А (антрацита) не допускается.

Бурый или каменный: какая разница, чем топить ТЭЦ?

Чем лучше топить ТЭЦ, бурым или каменным углем? Дискуссии на эту тему бесконечны. Поэтому мы решили узнать, как образуется бурый и каменный уголь, а также по каким характеристикам угольные тепловые электростанции выбирают, какое топливо можно использовать на ТЭЦ?

Уголь — органическое вещество, которое образовалось под воздействием давления и температур из залежей торфа. Сначала торфяные останки трансформировались в бурый уголь, потом — в каменный, затем — в антрацит.

Схема трансформации торфа в уголь различных видов
Скачать

Если схему трансформации угля перевернуть, можно представить, как расположены угольные слои в разрезе. Но если это всего лишь разновидности одной горной породы, то есть ли разница для ТЭЦ, что сжигать? Конечно, есть.

  Скачать

Для любого углеродного топлива, в том числе угля,

важны такие характеристики, как доля углерода в его составе и количество тепла, которое выделится, когда он сгорит.

Несмотря на то что лучше всего горит каменный уголь, бурый уголь используют на ТЭЦ из-за пониженной зольности. Чем меньше золы образуется при горении угля, тем чище выбросы ТЭЦ в атмосферу
Скачать

Второй критерий, который определяет, какой уголь сжигать на ТЭЦ, — расстояние от места добычи, шахты или разреза, до ТЭЦ и способ его транспортировки. На все новосибирские ТЭЦ уголь попадает с добывающих предприятий напрямую в вагонах по железнодорожным путям.

Третий критерий — содержание влаги и характеристики угольной пыли. Чем больше влаги, тем больше усилий нужно, чтобы перемолоть уголь в пыль. Особенно в зимний период, потому что такой уголь сильнее смерзается в мороз, чем сухой, и ТЭЦ тратит больше топлива для испарения влаги из него. Характеристики угольной пыли необходимо знать, чтобы понять, не повредит ли она очистительное оборудование в ходе технологического процесса. В целом особенности угля (его марка и пр.) обязательно учитываются при выборе очистительного оборудования для ТЭЦ. И новосибирские тепловые электростанции в данном случае не исключение. 

Скачать

Бурый уголь — самый твердый и самый влажный вид угля. Он содержит 30–40% влаги. Он быстро окисляется и растрескивается на открытом воздухе, при этом теряет свою теплотворную способность. Чтобы предотвратить этот процесс, на ТЭЦ тщательно укатывают угольные кучи на складах, перекрывая доступ воздуха к внутренним слоям угля.

Из-за повышенного содержания кальция в буром угле зола и шлаки, которые образуются в процессе сжигания, формируют прочные отложения. А если продукты распада бурого угля контактируют с водой, то отложения образуются в два раза быстрее. Потому бурый уголь используют на ТЭЦ, где изначально было установлено оборудование для такого угля. В Новосибирске это — ТЭЦ-3 и ТЭЦ-5. На данных станциях дымовые газы от бурого угля очищают без применения воды — с помощью электрофильтров, а поверхности нагрева котлов — при помощи паровых аппаратов обдувки.

Карта месторождений бурого угля
Скачать

Каменный уголь более мягкий, в нем всего 5–6% влаги, еще в нем меньше кальция, а значит, почти нет отложений внутри котла. При контакте с водой ни шлаки, ни зола, ни взвеси дымовых газов не затвердевают, поэтому для очистки на станциях возможно использовать, например, очистительное оборудование на основе воды, эмульгаторы и скрубберы, а также выводы золы с помощью водных потоков. Такое оборудование установлено на новосибирских ТЭЦ-2 и ТЭЦ-4.

Карта крупнейших месторождений каменного угля
Скачать

Антрацит — заключительный этап формирования угольной породы, поэтому в нем максимально сконцентрированы различные вещества. Несмотря на самую высокую горючесть, он загорается только при температурах +600…+700 °С и имеет большую вязкость. К тому же стоимость антрацита крайне высока: он в сотню раз дороже, чем каменный уголь. Поэтому в качестве топлива для ТЭЦ он практически не используется.

Мы узнали, как формируется уголь, сравнили все стадии этого процесса. Но так и не ответили на вопрос: какой уголь лучше для работы ТЭЦ и экологии города? По нормам федеральных надзорных органов в области энергетики, согласно ГОСТам, на угольных ТЭЦ Сибири разрешено сжигать только определенные сорта каменного и бурого угля. Каждый из которых, кстати, имеет свои плюсы и минусы, они компенсируют друг друга. Поэтому не так важно, какой из разрешенных по ГОСТам вид угля сжигает ТЭЦ. Более значимый фактор, насколько успешно ТЭЦ очищает дымовые газы и обращается с продуктами сжигания угля. Например, электрофильтры, эмульгаторы и скрубберы новосибирских ТЭЦ имеют высокую степень очистки  дымовых газов — от 96,0 до 99,2%. 

Температура горения угля в котле и печи: свойства разных видов топлива

Теоретическая температура горения угля лежит в пределах 1000…2300 °С и зависит от ряда факторов – условий сжигания, удельной теплотворной способности, содержания влаги и так далее. Фактический нагрев по центру пламени, горящего в топке котла либо печки, редко превышает 1200 градусов. Но перед хозяином жилища вовсе не стоит задача накалить агрегат и трубы добела. Основная цель — эффективно использовать энергию ценного ископаемого, получая нужное количество теплоты в течение длительного периода.

Виды углей, применяемые для отопления

Образование черного топлива в недрах занимает от нескольких сотен тысяч до миллионов лет. Чем глубже и древнее месторождение, тем выше плотность и теплота сгорания угольной массы. Энергетическая ценность горючего зависит от одного показателя – процентного содержания чистого углерода в составе ископаемого.

Перечислим разновидности углей, сжигаемых в отопительных печах, в порядке возрастания калорийности:

1. Бурый уголь содержит до 70% углерода. Оставшиеся 30% – летучие вещества (связанный кислород, азот, водород) и примеси – сера, железо, фосфор, кремний и алюминий.
2. Более плотный каменный уголь на 82% состоит из углерода, остальное – примеси и влага.
3. Антрацит – самое древнее топливо, содержащее до 95% углерода.

При сгорании бурые угли выделяют наименьшее количество тепловой энергии

Справка. В этой цепочке не хватает первого и последнего звена. Сначала биомасса – растения и деревья – образует низкокалорийный торф, залегающий близко к поверхности и пригодный для производства брикет. Завершает цепочку природный графит, состоящий из чистейшего углерода.

Каменноугольное твердое топливо делится на виды и классы по физическим свойствам и размерам фракции. В зависимости от происхождения состав угля меняется, что влияет на его характеристики – температуру воспламенения и горения, теплотворную способность и зольность. Ниже в таблице представлена классификация каменных углей по содержанию летучих веществ, влаги и золы.

После добычи угольная смесь проходит калибровку – деление на фракции. Чем крупнее куски, тем выше цена энергоносителя и лучше происходит сжигание. Насколько отличаются и как обозначаются угли разной крупности, покажем в очередной таблице.

Примечание. Если кроме марки топлива необходимо указать крупность фракции, буквенный индекс приписывается к основному обозначению класса. Пример: ГО – газовый орех, АП – антрацит – плита. Маркировка бурой смеси ореха с мелочью – БОМ.

Мы не причисляем к общей классификации древесный уголь по нескольким причинам:

• горючее не является ископаемым, это продукт сухой переработки (перегонки) древесины;
• использование выжженного угля для обогрева жилища невыгодно экономически, дешевле купить обычных дров;
• данное топливо хорошо подходит для работы кузнечного горна, газогенератора либо сжигания в мангале.

Так выглядит горение длиннопламенной марки каменного угля

Температура воспламенения и другие параметры

Процесс горения угля – это химическая реакция окисления углерода, протекающая при высокой начальной температуре с интенсивным выделением теплоты. Теперь попроще: угольное топливо не может воспламениться подобно бумаге, для возгорания требуется предварительный нагрев до 370—700 °С в зависимости от марки горючего.

Ключевой момент. Эффективность сжигания угля в печи или бытовом твердотопливном котле характеризуется не максимальной температурой, а полнотой сгорания. Каждая молекула углерода соединяется с двумя частицами кислорода воздуха, образуя углекислый газ СО2. Процесс отражен в химической формуле.

Если ограничить количество поступающего кислорода (прикрыть поддувало, перевести ТТ-котел в режим тления), вместо СО2 образуется угарный горючий газ СО, выбрасываемый в дымоход, КПД горения существенно снизится. Чтобы добиться высокой эффективности, нужно обеспечить благоприятствующие условия:

1. Бурые угли воспламеняются при температуре +370 °С, каменные – 470 °С, антрациты – 700 градусов. Требуется предварительный нагрев отопительного агрегата с помощью дров (опилочных брикетов).
2. Воздух в топливник подается с избытком, коэффициент запаса составляет 1.3—1.5.
3. Горение поддерживается за счет высокой температуры раскаленного слоя углей, лежащих на колосниковой решетке. Важно обеспечить проход кислорода через всю толщу топлива, поскольку воздух движется через зольник благодаря естественной дымоходной тяге.

Замечание. Исключением являются самодельные печки типа «Бубафоня» и цилиндрические котлы верхнего горения, где воздух подается в топку сверху вниз.

Теоретическая температура сжигания и удельная теплоотдача различных видов топлива показана в сравнительной таблице. Заметно, что в идеальных условиях любое горючее выделит максимум теплоты при взаимодействии с нужным объемом воздуха.

На практике создать подобные условия нереально, поэтому воздух подается с некоторым избытком. Реальная температура горения бурых углей в обычном ТТ-котле лежит в пределах 700…800 °С, каменных пород и антрацитов – 800…1100 градусов.

Если переборщить с количеством кислорода, энергия начнет расходоваться на подогрев воздуха и попросту вылетать в трубу, КПД печи заметно упадет. Причем температура огня может достигать и 1500 °С. Процесс напоминает обычный костер – пламя большое, тепла мало. Пример эффективного сжигания каменного угля ретортной горелкой на автоматическом котле представлен в видеосюжете:

Отопление углем – практические советы

Полноценное сжигание угольного топлива требует особого подхода к вопросу. Задача – достичь максимального КПД источника тепла, не перегреть теплоноситель и не устроить пожар из-за слишком высокой температуры.

Антрацит — самый калорийный коксующийся уголь

Предлагаем учесть наши рекомендации по выбору оборудования:

1. Чисто дровяные котлы и стальные печки заводского изготовления нежелательно топить углями высокой калорийности – каменными и антрацитами. Мощная теплоотдача и сильный нагрев способен деформировать стенки топливника (обычно их делают толщиной 3 мм).
2. Для угольного отопления не годятся ТТ-котлы с водонаполненными колосниками. Из-за разницы температур раскаленный спекающийся слой намертво прилипает к трубам с водой, проход воздуха и дальнейшая очистка агрегата сильно затрудняется.
3. Если вы располагаете калиброванным каменным углем крупностью фракции 25—50 мм (по классификации – орех), лучшим выбором станет котел с автоматической подачей топлива. Агрегат оснащается ретортной горелкой и вентилятором, четко дозирующим нагнетание воздуха по команде электроники. Длительность непрерывной работы – до 7 суток.
4. Идеальный вариант – купить шахтный либо традиционный котел, рассчитанный на использование угольных пород. В теплогенераторе предусмотрены подвижные колосники, поворачиваемые внешней рукояткой. Приспособление помогает сбрасывать золу из топки в нижнюю камеру.
5. Отопители, оснащенные вентилятором или дымососом, удобнее и безопаснее котлов с механическими регуляторами на цепочке. При критическом росте температуры автоматика отключит подачу воздуха, а канал закроется заслонкой. Обычная крышка поддувала прилегает неплотно, кислород просачивается в камеру, медленное горение продолжается.
6. Топить открытый камин углем – занятие бесполезное. Много тепла не получите, только разведете в комнате грязь, появится неприятный запах.
7. В целях повышения безопасности очень желательно установить на котел дополнительный клапан теплового сброса. В случае перегрева и закипания элемент сбрасывает часть теплоносителя из котловой рубашки и одновременно заполняет ее холодной водопроводной водой.

К каждому типу угля нужно приноровиться. Незнакомое горючее лучше засыпать мелкими порциями, регулируя тягу шибером и наблюдая за ростом температуры. Когда вычислите все нюансы горения данной марки, заполняйте топливник на 2/3.

Важный момент, касающийся эксплуатации кирпичной печи с плитой. Ни в коем случае не открывайте конфорки после загрузки новой порции угля, пользуйтесь боковой дверцей. При недостатке кислорода топливо выделяет пиролизный газ, который выйдет наружу через отодвинутую конфорку.

Напоследок о сжигании угольной пыли

Мелкая фракция, остающаяся от рядового угля, тоже является полноценным топливом. Проблема заключается в загрузке – бо́льшая часть пыли сразу просыпается в зольник. Если загрузить ее поверх дров, перекрывается доступ кислорода, горение ухудшается. В подобных случаях можно применить 3 способа:

1. Дедовский. Каменноугольная пыль перемешивается с водой, делаются лепешки и высушиваются на солнце.
2. Брикетирование. Если вы располагаете большим количеством пыли, есть смысл изготовить либо заказать шнековый пресс для формования угольных брикетов в домашних условиях.
3. Добавить к мелкой фракции воды и загружать в топку в старых полиэтиленовых пакетах.

Последний способ – наиболее простой и быстрый в реализации. Вода добавляется к пыли в соотношении 1 : 10, субстанция тщательно перемешивается и раскладывается по пакетам. Котел разгоняется до рабочей температуры на дровах, затем в топку загружается 2—3 таких порции. Подробнее о методе рассказывается на видео:

Температура горения дров и угля — что горит лучше. Жми!

Определение вида топлива, необходимого для печи, зависит от множества факторов.

Одним из них является количество тепла, выделяемого при сгорании.

В качестве горючего материала используются уголь, древесина, торф, топливные брикеты.

 

Особенности разных видов топлива

Рассмотрим два основных, наиболее распространенных, вида твердотопливного сырья — дрова и уголь.

Дрова содержат значительное количество влаги, поэтому сначала происходит испарение влаги, на что потребуется определенное количество энергии. После испарения влаги начинается интенсивное горение дров, но, к сожалению, процесс длится недолго.

Поэтому, чтобы его поддерживать, требуется регулярное подкладывание дров в топку. Температура возгорания древесины составляет около 300°С.

По количеству выделяемого тепла и длительности горения уголь превосходит древесину. В зависимости от возраста ископаемого материала минерал подразделяется на виды:

• бурый;
• каменный;
• антрацит.

Состав топлива разных видов

Бурый уголь относится к молодым залежам, поэтому в нем содержится наибольшее количество влаги (от 20% до 40%), летучих веществ (до 50%) и небольшое количество углерода (от 50% до 70%). Температура горения у него выше, чем дерева, и составляет 350°С. Теплота сгорания — 3500 ккал/кг.

Наиболее распространенным видом топлива является каменный уголь. В нем содержится небольшое количество влаги (13-15%), а содержание горючего элемента углерода превышает 75%, в зависимости от сорта.

Средняя температура возгорания — 470°С. Летучих газов в каменном угле 40%. При сгорании выделяется 7000 ккал/кг.

К самым старым залежам твердотопливного ископаемого относится антрацит, залегающий на значительной глубине. В нем практически нет летучих газов (5-10%), а количество углерода варьируется в пределах 93-97%. Теплота сгорания находится в пределах от 8100 до 8350 ккал/кг.

[advice]Это интересно: температура горения берёзовых углей самая высокая — её достаточно для размягчения и ковки металла в кузнице. Её показатель — 1200-1300°С.[/advice]

Отдельно необходимо отметить древесный уголь. Его получают из древесины путем пиролиза — сжигания при высокой температуре без доступа кислорода. Готовый продукт отличается высоким содержанием углерода (от 70% до 90%). При сжигании древесного топлива выделяется около 7000 ккал/кг.

Об особенностях использования торфяных брикетов можно прочитать в данной статье: https://teplo.guru/kotly/torfyanyie-briketyi.html

Процесс горения

В зависимости от вида и сорта топливо делится на короткопламенное и длиннопламенное. К короткопламенным относится антрацит и кокс, древесный уголь.

При сжигании антрацит выделяет много тепла, но для его розжига требуется обеспечить высокую температуру более легко воспламеняемым топливом, например, дровами. Антрацит не выделяет дыма, горит без запаха, пламя у него низкое.

Длиннопламенные виды топлива сгорают за два этапа. Сначала выделяются летучие газы, которые сгорают над слоем угля в пространстве топки.

После выгорания газов начинает сгорать оставшееся топливо, превратившееся тем временем в кокс. Кокс горит на колосниках коротким пламенем. После выгорания углерода остается зола и шлаки.

Сжигание

Рассмотрим процесс сгорания топлива в обычной печке, которую используют для отопления частных домов. Она состоит из основных частей:

• топки;
• поддувала;
• дымохода с трубой.

Топка соединяется с поддувалом через специальную решетку (колосники), расположенные внизу топки. На колосники укладывается топливо, а из поддувала через колосники воздух поступает в топку.

Формулы горения

Температуры воспламенения разных видов топлива (нажмите для увеличения)

При загорании топлива (дрова, уголь) идет химическая реакция с выделением тепла.

Двуокись углерода вступает в реакцию с углеродом топлива в верхних слоях, образуя окись углерода.

На этом процесс горения не заканчивается, ведь поднимаясь вверх в топочном пространстве, окись углерода вступает в реакцию с кислородом из воздуха, приток которого происходит через поддувало или открытую дверцу топки.

Ее сгорание сопровождается синим пламенем и выделением тепла. Образующийся угарный газ (двуокись углерода) поступает в дымоход и улетает через трубу.

[warning]Полезно знать: когда над топливом исчезают голубые язычки пламени, тогда можно закрыть заслонку дымохода, чтобы тепло не уходило через трубу на улицу.[/warning]

Тление с минимальным притоком кислорода приведет к образованию неядовитой окиси углерода, давая равномерное тепло.

Применение

Основным использованием топлива является его сжигание для выделения тепла. Тепло используется не только для отопления частного дома и приготовления пищи, но и в промышленности для обеспечения технологических процессов, происходящих при высокой температуре.

В отличие от обычной печки, где процесс поступления кислорода и интенсивность горения слабо регулируется, в промышленных печах особое внимание уделяется контролю над подачей кислорода и поддержанием равномерной температуры горения.

Рассмотрим основную схему сгорания угля.

1. Идет нагревание топлива и испарение влаги.
2. С ростом температуры начинается процесс коксования с выделением летучих коксовых газов. Сгорая, он дает основное тепло.
3. Уголь превращается в кокс.
4. Процесс горения кокса сопровождается выделением тепла, достаточного для запуска коксования следующей порции топлива.

В промышленных котлах горение кокса разделяется по разным камерам от горения коксового газа. Это позволяет осуществлять приток кислорода для кокса и газа с разной интенсивностью, добиваясь необходимой скорости горения и поддержания необходимой температуры.

Использование древесного угля

Древесный уголь в быту используется для приготовления мяса на мангале.

Благодаря высокой температуре горения (около 700°С) и отсутствию пламени обеспечивается равномерный жар, достаточный для приготовления мяса без обугливания.

Также его применяют как топливо для каминов, приготовления пищи на небольших печах.

В промышленности его используют как восстановитель при производстве металла. Незаменим древесный уголь при производстве стекла, пластмасс, алюминия.

Изготовить древесный уголь возможно и самостоятельно. Подробности: https://teplo.guru/eko/drevesnyiy-ugol-svoimi-rukami.html

Использование бурого угля

Хотя температура горения и теплоотдача бурого ископаемого меньше, чем каменного, его также используют для отопления и приготовления пищи.

Это объясняется его низкой стоимостью.

Но более широко применяется бурый уголь для переработки и получения различных химических веществ: полукокса, горного воска, сажи, бензина.

Принцип работы и преимущество угольных котлов рассмотрены здесь: https://teplo.guru/kotly/tverdotoplivnye/ugolnye-kotly-otopleniya.html

О горении бурого угля смотрите следующее видео:

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Помни: уголь может самовозгораться!

Информация о материале

Опубликовано: 29 июля 2020

У каменного угля есть  серьезный минус — свойство самовозгораться. То есть воспламеняться в результате непрерывно развивающихся окислительных реакций в самом этом веществе. Чаще всего подобное случается возникают с измельченным, а также влажным углем.

Под самовозгоранием углей понимают их воспламенение в результате самонагревания. Главной причиной самовозгорания углей является адсорбция ими кислорода и повышение температуры за счет длительного протекания в угле химических реакций с образованием продуктов окисления, полуокисления и т.п.

На территории Славгородского района и города Славгород в июле текущего года произошло несколько  случаев самовозгорания угля.  При покупке угля следует у поставщика требовать сертификат качества.

Во избежание случаев самовозгорания топлива следует неукоснительно соблюдать условия его хранения:

• защитить сухое место хранения угля от воздействия солнечных лучей, прикрыв его несгораемым материалом;
• не допускать загрязнения мест хранения угля древесными отходами;
• не размещать новый уголь вместе с прошлогодними остатками, нельзя перемешивать разные сорта;
• нельзя хранить уголь над подземными коммуникациями и сооружениями;
• складирование должно проводиться равномерно, послойно для ограничения доступа воздуха внутрь штабеля с углем;
• при длительном хранении штабель покрывают плотной коркой глины толщиной не менее 5 см, которую в летнее время необходимо опрыскивать 5-10-% раствором извести.

В летнее время внешними признаками очагов самовозгорания служат появление на поверхности угля невысыхающих влажных пятен (или исчезающих с восходом солнца), белых отметин, пропадающих с началом дождя, озолившихся кусков, искрение в ночное время.

При обнаружении очагов самовозгорания угля с температурой 60 градусов его необходимо перелопатить, складывая на свободном месте в отдельные штабеля высотой не более 50 сантиметров. Кроме того, нагретое топливо нужно удалить из куч, залить очаг горения водной 3-4-процентной суспензией гашеной извести.

Склонность угля к самовозгоранию зависит и от интенсивности притока кислорода из атмосферы воздуха, характера затрудненности отдачи тепла в окружающую среду. Если выделяющееся тепло не рассеивается с достаточной быстротой в окружающее пространство, то температура может достичь такого предела (80° — 90°С), что уголь загорится.

Как правильно топить печь углем

1. Бурый уголь легко узнать по коричневому цвету. Это «молодое» геологическое образование имеет низкую температуру горения за счет того, что содержит большое количество воды и летучих соединений. Уровень содержания влаги может достигать 30-40 %, а горючих углеродов — от 50 до 70 %.

   Температура горения бурого угля — 1900 °С

   Такое топливо нельзя хранить на открытом воздухе. Испарение воды приводит к снижению плотности материала — уголь превращается в золу. Чаще всего его применяют в подсобных хозяйствах, а также в качестве топлива для отопительного котла.

   Так, отопительный котел «Куппер КАРБО» предназначен для работы на твердом топливе. Устройство оснащено подвижной колосниковой решеткой, которая позволяет в рабочем режиме «встряхивать» угли, а в случае аварии угли сбрасываются в большой зольный ящик.

2. Лигнит, по сути, является разновидностью бурого угля. Это более мягкий по структуре материал, количество воды в котором может достигать 45 %. Используется на электростанциях, для домашнего применения не подходит.
3. Каменный уголь ценится как топливо и широко распространен. Формируется в более глубоких слоях земли под воздействием давления и высоких температур. Имеет темно-серый или черный цвет. Уровень влаги не превышает 12 %, а количество горючих веществ — от 75 %.

   Температура горения каменного угля — 2100°С

   Отлично подходит для отопительных печей. Удельная теплота его сгорания составляет примерно 5,5 тыс. ккал/кг.

4. Антрацит находится еще глубже в земле и по виду отличается от каменного угля металлическим блеском. Он более плотный и содержит до 97 % углерода, из-за чего отлично горит, но воспламеняется только при высокой температуре. Выделяет еще больше тепла при сгорании — до 9 тыс. ккал/кг. Характеризуется бездымным горением и не спекается.

   Температура горения антрацита — 2250°С

При покупке печи обязательно обратите внимание на рекомендации производителя: какой вид топлива лучше использовать для отопления. Также стоит узнать стоимость и возможности поставки угля для печи, в вашем регионе.

Для интенсивного горения такого топлива очень важен приток кислорода, для этого в печах и котлах «Теплодар» предусмотрена система циркуляции и дожигания воздуха.

Особенности конструкции печей для растопки углем

Прежде чем использовать для растопки уголь, важно убедиться, что ваша печь подходит для такого топлива.

Дело в том, что уголь сгорает при высокой температуре. В бытовых устройствах температура в топке может достигать 1000 °С, а в промышленных — более 2000 °С. Поэтому для угля следует выбирать печь с толстостенной топкой из металла, которая имеет высокую жаростойкость.

Для интенсивного горения такого топлива очень важен приток кислорода, для этого в печах и котлах «Теплодар» предусмотрена система циркуляции и дожигания воздуха. Также отопительное оборудование оснащают колосниковыми решетками из чугуна.

Этапы розжига

Теперь же поговорим о том как топить печь?

Правильная растопка печи позволяет равномерно нагреть помещение и при этом избежать опасных ситуаций. Рекомендуем следующую последовательность шагов:

1. На дно топочной камеры уложите листы бумаги, а на них — мелкие деревянные щепки.
2. Затем поместите поверх щепок крест-накрест просушенные дрова, оставляя просветы между поленьями. Обычно используют березовые дрова.
3. Нужно поджечь бумагу, затем закрыть дверцу топки и открыть зольник. Это позволит прогреть дымоходную трубу за счет естественного потока воздуха.
4. После того как поленья сгорят, на золу засыпьте мелкий уголь. Первая закладка должна иметь высоту примерно 15 см. Мелкие частицы загорятся от золы.
5. При увеличении тяги зольный отсек нужно закрыть и включить систему циркуляции воздуха, если она предусмотрена конструкцией.

Следующую закладку выполняйте только после полного сгорания первой. Когда топливо сгорит на 50 %, следует перемешать его кочергой — это необходимо для равномерного горения.

Полезные советы

Для эффективной и беспроблемной эксплуатации печи, работающей на угле, придерживайтесь ряда несложных правил:

1. Для разжигания угля нельзя использовать горючие жидкие смеси — керосин, бензин и др. Также запрещено применять хозяйственные отходы.
2. Во время растопки обязательно нужно следить за процессом и вовремя переходить к следующему этапу. Наблюдать за горением удобно через дверцу с жаропрочным стеклом. Многие печи «Теплодар» оснащены такой опцией.
3. Открытыми должны быть либо зольник, либо створка. Когда уголь и дрова горят, топочная камера должна быть закрытой.
4. Нормальный режим горения можно определить по цвету пламени — оно должно быть золотистым, а дым — прозрачным.

Кроме того, независимо от вида используемого твердого топлива, необходимо всегда следить за тягой в трубе. Чистить дымоход нужно 1-2 раза в месяц.

Для эффективной и беспроблемной эксплуатации печи, работающей на угле, придерживайтесь ряда несложных правил.

Возможные проблемы и способы их устранения

Основной проблемой, которая может возникнуть при топке углем, является задымленность.

Причин для этого может быть несколько:

• отсутствие тяги в дымоходе — засорение в трубе или в дымоотводящем отверстии;
• плохо утепленный дымоход;
• большое количество влаги в топливе, из-за чего дым становится влажным;
• трещины в корпусе печи.

В каждом отдельном случае нужно выявлять причину индивидуально. Лучше всего для этого обратиться к специалисту.

Другой вопрос — нужно ли ссыпать оставшиеся угли из печи после растопки? Ответ зависит от ситуации:

1. Если угли затухли и не дают языков пламени, то их смело можно оставлять в топливном отсеке. На следующий день вы быстрее растопите печь. При этом растопку лучше завершать за 1,5 часа до сна или до выхода из дома.
2. Если топливо не успело догореть, то следует пересыпать его в металлическую емкость и залить водой.

Другие проблемы могут возникнуть при неправильном монтаже печи и дымохода. Чтобы их избежать, рекомендуем внимательно изучить инструкцию к отопительному оборудованию и доверить установку печи мастеру.

Подготовка печи к первой растопке после летнего простоя

В теплое время года, а это, как минимум, 3-5 месяцев — отопительное оборудование не используется вообще. Важно понимать, что после такого перерыва сразу растапливать печь нельзя. Сначала нужно проверить всю систему и подготовить к работе:

1. Убедиться, что в корпусе печи нет трещин, дверца плотно прилегает при закрывании. В противном случае даже через минимальный зазор в жилое помещение могут проходить угарный газ и дым, опасные для человека.
2. Проверить дымоходную конструкцию, в частности, целостность швов и качество тяги. При необходимости прочистить трубу от сажи и посторонних предметов.
3. Убрать из зоны топки предметы, которые могут загореться. Все горючие жидкости и легковоспламеняющиеся предметы должны находиться на расстоянии не менее 0,5 м.
4. Следует почистить и топку печи, а также освободить зольник. Чтобы зола не пылила, можно сбрызнуть ее водой. Для чистки внутренних стенок используйте сухую тряпку.

В холодное время года, когда на улице мороз, растопить печь после перерыва может быть особенно сложно. В этом случае можно сначала прогреть топку промышленным феном. Также стоит соблюдать интервал между топками около 4-х часов.

Обязательно нужно проверить и качество топлива. Уголь должен быть плотным, не крошиться при нажатии. Пыль лучше отсеять, иначе в процессе горения может появиться неприятный запах.

Особенности топки углем банных печей

Использование угля для отопления бани позволяет сэкономить на топливе, кроме того уголь дольше горит.

Обычно в числе недостатков использования такого вида топлива для бани называют следующие:

• высокая температура стенок печи — опасность получить ожог;
• более длительный нагрев камней;
• риск быстрой деформации металлической конструкции.

Конструкторы компании «Теплодар» учли все эти особенности при разработке угольной печи для бани. Серия печей «Кузбасс» имеет толстостенную топку из металла 8 мм. Дополнительно можно установить вкладыши из конструкционной стали 4 мм, что позволяет увеличить жаропрочность. В случае прогорания вкладышей, вы всегда сможете купить новый комплект.

Ряд модификаций печей «Кузбасс» оснащен двумя каменками — открытой и закрытой, что ускоряет время прогрева камней. Также плюсом является то, что эти печи можно топить и дровами.

Чтобы выбрать угольную печь для бани или дома подходящей мощности, вы можете обратиться к специалистам «Теплодар» или изучить подробное описание в каталоге на сайте.

У тех, кто предпочитает использовать уголь для отопления, есть свои веские причины: это топливо имеет высокую теплоемкость и занимает меньше места при хранении по сравнению с дровами.

Соблюдение описанных правил эксплуатации и верный выбор печи обеспечит равномерный и безопасный прогрев помещения. Обязательно обращайте внимание на качество угля, приобретайте вид сырья, подходящий для вашей печи, и тщательно проверяйте целостность конструкции перед растопкой.

Как работает уголь | Союз обеспокоенных ученых

Уголь и контроль загрязнения

Часть существующих заводов и все новые предлагают некоторые технологии борьбы с загрязнением, чтобы уменьшить их выбросы, особенно диоксида серы и твердых частиц.

Общие методы борьбы с загрязнением включают скрубберы и фильтры. В скрубберах используется влажная суспензия известняка для поглощения загрязнений по мере их прохождения. Фильтры представляют собой наборы больших тканевых мешков, которые улавливают твердые частицы, проходящие через ткань.Более мелкие частицы с меньшей вероятностью абсорбируются и могут выбрасывать дымовую трубу в воздух.

Технология

IGCC дороже технологии пылевидного угля, но дает определенные экологические преимущества. В то время как современные средства контроля за загрязнением оксидов азота, диоксида серы и твердых частиц могут значительно снизить выбросы от пылеугольных электростанций (на 90-99 процентов), станции IGCC способны к еще большему сокращению.

Также проще и дешевле улавливать и удалять ртуть с завода IGCC, чем с завода по производству пылевидного угля, что стало все более важным после того, как ограничения по ртути вступили в силу в 2011 году [12].

В настоящее время коммерчески доступные технологии контроля, которые могут быть добавлены на угольные электростанции для снижения их выбросов CO2, являются дорогостоящими. Однако улавливание и хранение углерода (CCS) — это новая технология, которая может позволить операторам предприятий улавливать CO2, транспортировать его к месту «геологического связывания» и закачивать в землю для постоянного хранения.

Что касается улавливания углерода, IGCC имеет дополнительное преимущество перед технологией пылевидного угля. Поскольку его процесс газификации позволяет отделить и улавливать CO2 перед сжиганием , газ все еще находится в относительно концентрированной и находящейся под давлением форме.Установки, работающие на пылевидном угле, могут улавливать CO2 только после сжигания , когда он намного более разбавлен и его труднее отделить, что увеличивает затраты на внедрение CCS.

Предполагается, что технологии до и после сжигания улавливают от 85 до 95 процентов CO2 на заводе. Однако улавливание и сжатие CO2 — очень энергоемкий процесс, вызывающий значительное сокращение количества чистой энергии, которую может производить установка.

Ожидается, что современные методы улавливания CO2 из пылевидных угольных электростанций снизят выработку энергии станцией на четверть или более (при условии, что CCS встроен в исходный проект станции, а не добавлен в качестве модернизации, и в этом случае он уменьшит выходную мощность еще больше).

Несмотря на то, что потери мощности для заводов IGCC будут меньше, ожидается сокращение более чем на 15 процентов. С учетом вероятного дополнительного топлива, используемого для процесса удаления CO2, фактическое количество CO2, которого можно избежать на единицу электроэнергии, упадет до диапазона 80 или 90 процентов [13].

UCS поддерживает постоянные федеральные стимулы для исследований CCS, поскольку технология CSS будет играть важную роль в переходе к экологически чистой энергии будущего.

Сжигание угля, ископаемое топливо, загрязнение

В жаркий августовский день на юго-западе Индианы гигантская генерирующая станция Гибсона вышла из строя.Его пять котлов высотой 180 футов (54,9 метра) заглатывают 25 тонн (22,7 метрических тонны) угля каждую минуту, посылая паровой взрыв мощностью в тысячу градусов через турбины, которые вырабатывают более 3000 мегаватт электроэнергии, 50 процентов. больше, чем плотина Гувера. Система охлаждения завода изо всех сил пытается не отставать, и в диспетчерской издают звуки предупреждения, когда температура выхлопных газов повышается.

Но в такой день, как этот, когда кондиционеры гудят на Среднем Западе, а спрос на электроэнергию близок к рекордным уровням, невозможно.Гибсон, одна из крупнейших электростанций в стране, является опорой электроснабжения региона, выкачивая в сеть достаточно энергии для трех миллионов человек. Выйдя из душного завода в офисы с кондиционерами, Анджелина Протогер из Cinergy, коммунального предприятия в Цинциннати, владеющего Gibson, с благодарностью говорит: «Вот почему мы создаем всю эту мощность».

В следующий раз, когда вы включите кондиционер или вставите DVD, подумайте о таких местах, как Гибсон, и о грязном топливе, которое он потребляет со скоростью три поезда по 100 вагонов в день.Подобные угольные электростанции поставляют в США половину электроэнергии. Они также выделяют множество вредных веществ, включая диоксид серы — главную причину кислотных дождей — и ртуть. И они выделяют столько же разогревающего климат углекислого газа, сколько американские автомобили, грузовики, автобусы и самолеты вместе взятые.

Здесь и там, в небольших демонстрационных проектах, инженеры изучают технологии, которые могут превратить уголь в энергию без этих экологических затрат. Тем не менее, если в ближайшее время коммунальные предприятия не начнут строить такие станции — а их будет много, — в будущем, вероятно, будет гораздо больше традиционных станций, таких как Gibson.

Прожорное потребление электричества прошлым летом было всего лишь предварительным просмотром. По данным Министерства энергетики США, стремление американцев к большим домам, наряду с ростом населения на Западе и зависимым от кондиционирования воздуха Юго-Востоком, помогут поднять аппетит США к власти на треть в течение следующих 20 лет. А в развивающихся странах, особенно в Китае, потребности в электричестве будут расти еще быстрее, поскольку фабрики растут, а сотни миллионов людей покупают свои первые холодильники и телевизоры. Большая часть этого спроса, вероятно, будет удовлетворена за счет угля.

За последние 15 лет коммунальные предприятия США, которым необходимо было увеличить мощность, в основном строили заводы, сжигающие природный газ — относительно чистое топливо. Но почти утроение цен на природный газ за последние семь лет остановило многие газовые электростанции и затруднило новое строительство. Ни ядерная энергия, ни альтернативные источники, такие как ветер и солнце, похоже, не смогут удовлетворить спрос на электроэнергию.

Между тем, более четверти триллиона тонн угля лежит под ногами, от Аппалачей через Иллинойсский бассейн до Скалистых гор — этого достаточно, чтобы прослужить 250 лет при сегодняшних темпах потребления.Вы слышите это снова и снова: США — это угольная Саудовская Аравия. Около 40 угольных электростанций сейчас проектируются или строятся в США. Китай, также богатый углем, может построить несколько сотен к 2025 году.

Добыча угля в количестве, достаточном для удовлетворения этого растущего аппетита, отразится на землях и общинах. Из всех ископаемых видов топлива уголь выделяет больше всего углекислого газа на единицу энергии, поэтому его сжигание представляет собой дополнительную угрозу для глобального климата, который уже вызывает тревожное потепление. При активной поддержке правительства угольные компании сократили количество загрязняющих веществ, таких как диоксид серы и оксиды азота, установив такое оборудование, как скрубберы размером со здание и каталитические установки, расположенные за заводом Гибсон.Но углекислый газ, который вызывает глобальное потепление, просто попадает в трубы — почти два миллиарда тонн его ежегодно вырабатывается угольными электростанциями США. В течение следующих двух десятилетий эта сумма может вырасти на треть.

Нет простого способа уловить весь углекислый газ из традиционной угольной станции. «Прямо сейчас, если вы возьмете растение и установите на него устройство для улавливания углерода, вы потеряете 25 процентов энергии», — говорит Хулио Фридманн, изучающий управление углекислым газом в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса.Но новый тип электростанции может это изменить.

В ста милях (161 км) вверх по реке Вабаш от завода Гибсона находится небольшая электростанция, совсем не похожая на гигантские котлы и паровые турбины Гибсона. Этот напоминает нефтеперерабатывающий завод, все цистерны и серебристые трубы. Вместо сжигания угля завод на реке Вабаш химически превращает его в процесс, называемый газификацией угля.

Завод Wabash смешивает уголь или нефтяной кокс, напоминающий уголь остаток нефтеперерабатывающих заводов, с водой и чистым кислородом и закачивает его в высокий резервуар, где в результате реакции пламени смесь превращается в горючий газ.Другое оборудование удаляет серу и другие загрязняющие вещества из синтез-газа, как его называют, до того, как он будет сожжен в газовой турбине для производства электроэнергии.

Очистка несгоревшего синтез-газа дешевле и эффективнее, чем пытаться отсеивать загрязняющие вещества из выхлопных газов электростанции, как это делают скрубберы на таких заводах, как Gibson. «Эту электростанцию ​​называют самой чистой угольной электростанцией в мире», — говорит Стивен Вик, генеральный директор завода в Вабаше. «Мы очень гордимся этим отличием».

Синтез-газ можно обрабатывать даже для удаления углекислого газа.Завод Wabash не пойдет на этот шаг, но заводы будущего могут. По словам Вик, газификация угля «представляет собой технологию, предназначенную для полного удаления CO2». Углекислый газ можно закачивать глубоко под землю в истощенные нефтяные месторождения, старые угольные пласты или заполненную жидкостью породу, изолированную от атмосферы. И в качестве бонуса удаление углекислого газа из синтез-газа может оставить чистый водород, который может питать новое поколение экологически чистых автомобилей, а также вырабатывать электроэнергию.

Завод Wabash и аналогичный завод около Тампы, Флорида, были построены или отремонтированы на государственные деньги в середине 1990-х годов, чтобы продемонстрировать, что газификация является жизнеспособным источником электроэнергии.Проекты в Северной Дакоте, Канаде, Северном море и других местах проверяли другие части уравнения: улавливание углекислого газа и его улавливание под землей. Исследователи говорят, что им нужно больше знать о том, как ведет себя похороненный углекислый газ, чтобы быть уверенным, что он не просочится обратно — потенциальная угроза для климата или даже для людей. Но Фридманн говорит: «Для первого этапа у нас достаточно информации, чтобы сказать:« Это несложно. Мы знаем, как это сделать »».

Однако это не гарантия, что коммунальные предприятия примут технологию газификации.«Тот факт, что это доказано в Индиане и Флориде, не означает, что руководители сделают на это ставку в миллиард долларов», — говорит Уильям Розенберг из Гарвардской школы государственного управления им. Кеннеди. Две газификационные электростанции в США вдвое меньше большинства коммерческих электростанций и оказались менее надежными, чем традиционные электростанции. Кроме того, эта технология стоит на 20 процентов дороже. Самое главное, у компании мало стимулов брать на себя дополнительный риск и расходы, связанные с экологически чистыми технологиями: на данный момент U.Коммунальные предприятия S. могут свободно выделять столько углекислого газа, сколько им заблагорассудится.

Генеральный директор Cinergy Джеймс Роджерс, человек, отвечающий за Gibson и восемь других предприятий по выбросу углерода, говорит, что он ожидает, что ситуация изменится. «Я действительно верю, что у нас будет регулирование выбросов углерода в этой стране», — говорит он и хочет, чтобы его компания была готова. «Чем раньше мы приступим к работе, тем лучше. Я считаю, что очень важно, чтобы мы развили способность связывать углерод». Роджерс говорит, что он намеревается построить электростанцию ​​с газификацией в промышленных масштабах, способную улавливать углекислый газ, и несколько других компаний объявили о подобных планах.

Закон об энергии, принятый Конгрессом США в июле прошлого года, предлагает помощь в виде гарантий по кредитам и налоговых льгот для проектов газификации. «Это должно дать толчок развитию событий», — говорит Розенберг, который выступал за эти меры в своем выступлении перед Конгрессом. Опыт строительства и эксплуатации первых нескольких заводов должен снизить затраты и повысить надежность. И рано или поздно, говорит Роджерс, новые законы об окружающей среде, устанавливающие цену за выбросы углекислого газа, сделают чистые технологии гораздо более привлекательными.«Если стоимость углерода составляет 30 долларов за тонну, удивительно, какие виды технологий будут развиваться, чтобы позволить вам производить больше электроэнергии с меньшими выбросами».

Если он прав, однажды мы сможем охлаждать наши дома без включения термостата на всей планете.

Почему уголь горит так долго? ›Спросите эксперта (ABC Science)

Лесные пожары, пылающие по всей Австралии этим долгим жарким летом, представляют особую опасность для районов, где добывается уголь.

В Моруэлле, штат Виктория, лесные пожары привели к возгоранию забоя угольного пласта в карьере, который снабжает электроэнергией близлежащую электростанцию. По словам профессора Дэвида Клиффа, эксперта по безопасности горных работ из Университета Квинсленда, такие угольные пожары потушить гораздо труднее, чем поджечь кустарники.

«В отличие от древесины, уголь, когда он нагревается, имеет огромную тепловую массу, которую очень трудно погасить. Этот викторианский бурый уголь — низкосортный уголь, геологически молодой и очень склонный к возгоранию.Это угольная шахта с толстым пластом, толщиной 30 метров и очень близкая к поверхности, поэтому все, что попадет в шахту, воспламенит пласт », — говорит Клифф.

Уголь состоит из углерода (от 60 до 90 процентов — более высокие сорта содержат больше углерода, чем более низкие сорта), водорода (6-7 процентов), кислорода, а также очень небольших количеств азота и серы.

Угольные пожары возникают в результате взаимодействия углерода, кислорода и тепла, которое, в свою очередь, выделяет окись углерода, двуокись углерода и дополнительное количество тепла для подпитки реакции.Между тем водород в угле превращается в водяной пар, азот в диоксид азота и серу в диоксид серы.

Хотя угольные пожары могут быть вызваны внешними источниками тепла, такими как лесные пожары и удары молний, ​​они также могут возникать спонтанно, когда уголь окисляется, говорит Клифф.

«Самовозгорание — это хорошо изученное явление. Уголь, и особенно бурый уголь, очень реактивен по отношению к кислороду и выделяет CO2, что создает тепло.наверх

Обычное явление

Угольные пожары, по его словам, довольно распространены.

«В Австралии, например, в среднем на одной подземной угольной шахте каждый год происходит крупный инцидент, связанный с самонагреванием угля, и вы обнаружите, что есть несколько открытых карьеров, которые сейчас будут бороться с самонагревающимся углем».

Шахтеры стараются свести к минимуму взаимодействие между воздухом и углем, чтобы отвести как можно больше тепла и снизить риск пожара.

«Открытые шахты распыляют воду, чтобы пласты оставались прохладными. Если уголь складывается, они часто накладывают покрытие поверх, чтобы не допустить попадания воздуха, и проектируют склады таким образом, чтобы ветер не дул в них слишком много воздуха и не приводил к образованию угля. окислить «.

В Виктории, говорит Клифф, уголь исторически не складировался, а добывался огромными машинами и отправлялся прямо на электростанции для сжигания.

«Им не нравится держать его. Если они это сделают, он высыхает и начинает реагировать.«

Уголь может гореть многие годы, если его будет достаточно, — говорит Клифф.

«В Австралии есть ряд мест, известных как« горящие горы », где есть старые подземные залежи угля и трещины на поверхности с выходящим из них дымом. Он будет гореть и продолжать гореть, и его может быть очень трудно потушить, потому что доступ к нему очень глубок «.

Он говорит, что как в Австралии, так и за рубежом есть пожары, которые все еще горят сотни, а иногда и тысячи лет.наверх

Опасности

Клифф говорит, что угольные пожары могут представлять целый ряд опасностей.

Наряду с углекислым газом и угарным газом, угольные пожары выделяют водяной пар, сажу, пыль и двуокись серы, которые довольно быстро рассеиваются, но могут стать серьезной проблемой для местного населения, в зависимости от того, насколько близко они находятся к пожару и от каких условий. погода как в то время.

Эффект более широкой картины — это значительный вклад в выбросы парниковых газов, эквивалентный выработке угольной электростанции.наверх

Вызов пожарных

Горящий пласт угля представляет собой серьезную проблему для пожарных.

«Чтобы потушить пожар, нужно охладить его и исключить доступ воздуха, но углекислый газ и пары угарного газа от такого большого пожара будут токсичными на близком расстоянии, а высокая температура будет невообразимой, поэтому вы не сможете получить пожарные слишком близко, — говорит Клифф.

«Вы должны начать с большого количества воды из водяных шлангов высокого давления с безопасного расстояния, и как только вы начнете снижать температуру, вы можете предпринять другие действия, чтобы попытаться ограничить доступ воздуха.

«В случае с этим викторианским пожаром это связано с очень большим количеством воды и, возможно, землей, если вы сможете получить к ней доступ».

Клифф говорит, что нынешние пожары вызваны исключительными обстоятельствами.

«Бурый уголь в Виктории добывают более ста лет, и обычно это делается очень безопасно. Только в этих экстремальных условиях, когда рядом с углем бушуют огромные лесные пожары, обычные меры безопасности не сработают.«

Лесные пожары также привели к возгоранию угольных пластов в том же районе в 2006 году.

Профессор Дэвид Клифф — директор Центра безопасности и здоровья в горнодобывающей промышленности Университета Квинсленда. У него интервью Энни Хэствелл.

Наука о том, что делает уголь таким грязным — Quartz

Вы читаете эксклюзивную статью Quartz, доступную для всех читателей в течение ограниченного времени. Чтобы разблокировать доступ ко всем Quartz, станьте участником.

Миру не терпится избавиться от потребности в угле. Без резкого сокращения использования угля мало шансов достичь целевых показателей выбросов парниковых газов и избежать самых катастрофических последствий изменения климата.

И устранение этого материала — это не только парниковые газы: при добыче угля и его последующем сжигании образуются другие токсины, загрязняющие наш воздух, воду и почву.

Почему уголь такой грязный? Чтобы понять это, нам нужно надеть лабораторные халаты и немного заняться химией.

Парниковая арифметика

Проблема парниковых газов относительно проста. Все ископаемые виды топлива состоят в основном из углерода и водорода. При сгорании углерод превращается в двуокись углерода, а водород — в воду. Каждая из этих реакций производит немного разное количество тепла.

C + O ₂ → CO ₂ выделяет 393 кДж тепла

H ₂ + 0.5 O ₂ → H ₂ O выделяет 242 кДж тепла

Больше всего нас беспокоит углекислый газ, парниковый газ, улавливающий солнечное тепло в нашей атмосфере. Это означает, что более качественное ископаемое топливо — то, которое будет производить наименьшее количество выбросов CO ₂ для выработки того же количества тепла — будет содержать много атомов водорода на каждый атом углерода.

В этой битве одержал победу природный газ.Он содержит в основном метан, простое химическое вещество с формулой CH ₄ . Это означает, что на каждый атом углерода приходится четыре атома водорода, максимум, который может вместить один атом углерода.

Химическая формула угля намного сложнее (как мы увидим позже). Это потому, что, в отличие от природного газа, уголь представляет собой смесь многих тысяч химических веществ. Но чтобы понять, как выделяется тепло, мы можем упростить формулу угля до CH (это один атом водорода на каждый атом углерода).

В результате уголь производит вдвое больше углекислого газа на единицу тепловой энергии по сравнению с природным газом.

Болотный старт

Помимо влияния парниковых газов на изменение климата, у угля есть и другие проблемы. Это связано с тем, как материал был сформирован.

«Уголь — это самое сложное твердое вещество, которое мы когда-либо находили и анализировали, — говорит Джонатан Мэтьюз, ученый-уголь из Университета Пенсильвании.

Много миллионов лет назад какое-то природное явление — может быть, наводнение, может быть, тайфун — похоронило огромные леса под водой. По мере того, как новые слои почвы откладывались на верхушках деревьев, лишая их воздуха, погребенная древесина медленно превращалась в торфяные болота.Накапливалось все больше и больше слоев наносов, увеличивая давление и температуру под ними, пока, наконец, болото не превратилось в уголь.

Я намеренно не понимаю «многие миллионы», потому что залежи угля в разных регионах могут иметь разный возраст. Уголь в Соединенных Штатах был создан в течение каменноугольного периода, который длился от 360 до 300 миллионов лет назад. С другой стороны, австралийский уголь образовался в пермский период, между 300 и 250 миллионами лет назад.

Так как уголь изначально образовывался из растений, он содержит в основном углерод, водород, кислород и азот. Уголь помог создать основанную на углероде отрасль химии, которую мы называем «органической химией». Когда уголь нагревают в отсутствие воздуха, его сложная смесь распадается на более простые формы. Эти химические вещества, такие как бензол, толуол, нафталин, антрацен и фенол, составляют основу духов, взрывчатых веществ и лекарств.

Растения также содержат множество других элементов из периодической таблицы в гораздо меньших количествах.Важно отметить, что во время своего образования уголь может поглощать и другие элементы, обнаруженные в окружающих его отложениях грязи или загрязненной воде. В зависимости от геологии региона типы и количество этих элементов варьируются; более половины периодической таблицы элементов было обнаружено в различных типах угля.

«Процесс образования угля усложняет процесс», — говорит Мэтьюз. «Вот почему почти каждый найденный уголь химически уникален».

При сжигании угля многие из этих элементов выбрасываются в атмосферу вместе с другими газами.Они могут путешествовать на многие мили, прежде чем попадут на растения или в почву, где они могут попасть в деревья или посевы и в конечном итоге быть съедены людьми. Некоторые из этих элементов также могут попадать в легкие человека, где ядовитые элементы, такие как олово, кадмий и ртуть, могут нанести реальный вред нервной, пищеварительной и иммунной системам.

Несмотря на правила, действующие в угольной промышленности, эти металлы часто попадают в окружающую среду. Более 40% всех выбросов ртути в США по-прежнему приходится на угольные электростанции.В 2014 году только в США в результате деятельности, связанной с углем, было выделено 40 тонн свинца, 30 тонн мышьяка и 4 тонны кадмия.

Smoggy end

Однако все эти химические загрязнители составляют лишь часть проблемы. Более заметным проявлением воздействия угля на окружающую среду является смог: результат химической реакции горения угля. Поскольку уголь представляет собой сложную смесь химических веществ, он горит не так чисто, как природный газ: не весь углерод и водород превращаются в двуокись углерода и воду.Вместо этого угольный дым содержит несгоревшие или полусгоревшие частицы углерода, оксида серы, оксидов азота и множество сложных органических молекул, образующихся в процессе сгорания.

У каждого из них есть свой способ причинения вреда. Давайте возьмем их по одному.

Сажа: Несгоревшие или полусгоревшие частицы угля можно отнести к категории сажи. Его внешний вид (и в значительной степени его химический состав) похож на сажу, содержащуюся в дымоходах камина: мелкий черный порошок.Сажа, которая может переносить любое количество перечисленных выше загрязнителей, вредна для легких. Но это еще более опасно, потому что он достаточно мал, чтобы попасть в кровоток при вдыхании. Это может даже оказаться в мозгу. Уголь и другое твердое топливо, используемое в домах, является основной причиной смертности от загрязнения воздуха в Индии. Известно, что в Индии сажа покрывает ледники, которые затемняют их, чтобы удерживать больше тепла от солнца и быстрее таять.

Оксид серы: При высоких температурах внутри печи сера в угле и кислород в воздухе объединяются с образованием оксида серы, который вызывает раздражение при вдыхании.Когда он соединяется с водой, он образует серную кислоту, вызывая кислотный дождь. В 1960-х и 1970-х годах серные дожди были обычным явлением в США и других странах. С тех пор на большинстве электростанций требовалось установить оборудование, которое выводит выбросы серы из дымовой трубы, но некоторое количество серы все еще ускользает в атмосферу.

Оксиды азота: Как и сера, азот в угле соединяется с кислородом воздуха с образованием смеси оксидов азота. Это раздражители и могут вызвать респираторные заболевания, например пневмонию.Оксиды азота также химически активны, что означает, что они смешиваются с другими загрязнителями в атмосфере, создавая новые, такие как озон.

Летучие органические соединения (ЛОС): При добыче угля и сжигании угля выделяются вредные углеродные соединения, которые остаются в атмосфере в виде газов. Это то, с чем оксиды азота могут реагировать с образованием озона и других загрязнителей. Эти химические вещества вредны для людей, других животных и растений.

Окись углерода: Иногда вместо соединения углерода с кислородом с образованием углекислого газа он реагирует с образованием окиси углерода — ядовитого газа.

За прошедшие годы нормативные акты на угольных электростанциях помогли сократить некоторые из этих загрязнителей. Однако индийские угольные электростанции серьезно отстают. В 2015 году правительство установило крайний срок на 2017 год для электростанций по установке оборудования, которое сократит выбросы серы и азота. Лишь немногие электростанции уложились в срок, поэтому теперь правительство продлило его до 2022 года. Эта задержка, вероятно, приведет как минимум к 26 000 преждевременных смертей и потере многих миллионов рабочих дней каждый год.

Эти скрубберы уже установлены в более развитых странах, а некоторые из них даже идут дальше. Две угольные электростанции, одна в Канаде и одна в США, теперь улавливают большую часть производимого ими углекислого газа. В обоих случаях захваченный углекислый газ закачивается в землю для добычи нефти. Как только технология станет достаточно дешевой, эмитенты смогут просто закопать углекислый газ под землей без необходимости субсидировать процесс продажей нефти.

Тем не менее, никакое регулирование не сможет полностью устранить вредные выбросы при сжигании ископаемого топлива.Их вред можно будет оставить позади, только если мы перестанем извлекать их из земли.

Сжигание угля — Scientific American

Сила паровой машины заключается не в ее цилиндрах, балке, шатре и рычагах; нет, они применяют силу только с пользой. Сила, приводящая в движение двигатель, — это пар, а сила, производящая пар, — это химическое действие, заключающееся в сгорании топлива. Сжигание кажется очень простой операцией, но мы не знаем химического явления, более трудного для ясного объяснения.Он состоит из декомпозиции и перекомпоновки. Во-первых, уголь — это твердый углерод, тяжелое вещество, но если его химически соединить с кислородом, то в некоторых частях (CO2) он станет углекислым газом. Этот газ может быть образован только из углерода и кислорода в результате химического воздействия, которое мы отмечаем горением, как это проявляется в огне (мы не говорим о ферментации, медленном сгорании). Можно задать вопрос: «Какова причина возгорания?» Это важный вопрос, и, как и многие другие, его легче задать, чем ответить.Известно только то, что когда в топливе выделяется определенное количество теплоты из-за того, что его частицы меняют свое состояние и расположение, кислород атмосферы отделяется от азота, с которым он химически соединен, и соединяется с этими частицами углерода, образуя угольную кислоту. газ. Это действие называется горением. Возникновение большого тепла, говорят, что уголь разлагается им, и соединение углеродных частиц с кислородом — новый состав, образующий gM, который, как ни странно, гасит пламя и огонь, хотя он сам по себе является прямым продуктом огня.Тепло, генерируемое при сгорании, через латунные прутки и железные пластины оказывает аналогичное воздействие на воду и меняет ее состояние с воды на пар, который занимает в 1700 раз больше воды. Именно эта расширяющая сила — сочетание воды и тепла, т. Е. жизненная сила паровой машины. Достаточно много философии, которую нужно изучить при исследовании причин кипячения чайника, не считая извержения вулкана, и «информация, которую нужно получить», более практична и полезна.Поскольку углекислый газ образуется из (CO ‘), для образования этого газа требуется два фунта кислорода, чтобы насытить каждый фунт угля. Если при сжигании угля он не полностью насыщен кислородом, образуется газ, называемый оксидом углерода (CO), с добавлением одного фунта кислорода к одному из углерода, что не так эффективно, следовательно, происходит большая потеря тепла. Затем мы видим необходимость подачи топлива в состоянии горения, особенно когда «свежий уголь ставится в огонь с обильным запасом кислорода».Поскольку атмосфера состоит из 21 объема кислорода на 79 единиц азота, отсюда следует, что большое количество воздуха должно пройти через огонь, чтобы снабдить несколько фунтов угля достаточным количеством кислорода для идеального сгорания. На каждые два фунта кислорода, извлеченного из атмосферы, ровно 7 фунтов азота также должны пройти через огонь (азот — самый тяжелый газ), следовательно, девять фунтов воздуха должны пройти через огонь для идеального сгорания каждого фунта чистого углерода. каменный уголь. Итак, 100 кубических дюймов сэра весят 31 0117 гран, а 5 760 — гран — это 1 фунт, а 1 728 куб.дюймы образуют 1 кубический фут, отсюда следует, 5760X10 (J -: — 31 ‘0117 = (без десятичных знаков), что у нас 18 583 кубических дюйма, или более 10 кубических футов воздуха при весе 1 фунта, что составляет более 90 кубических футов воздуха, которые проходят через огонь для идеального сгорания одного фунта угля. В печах подсчитано, что около 200 кубических футов воздуха проходят через топливо для сжигания одного фунта угля. По этому мы видим, какое количество воздуха необходимо впускать в помещения в зимний период для полного сгорания топлива в печах и решетках.Он должен подаваться через щели, трещины или открытые швы, поскольку химически невозможно, чтобы огонь загорелся, если в него не будет поступать должное количество кислорода. Это причина того, что в закрытом помещении, когда мы кладем руку на любой шов возле окна, мы чувствуем удар. притока тока. Этот факт учит нас, насколько необходимо хорошо вентилируемые комнаты и почему большие комнаты здоровее маленьких. Как прекрасна наша атмосфера, которая действует как генератор, регенератор и проводник тепла и холода; собственный очиститель и реставратор.Ну Слн АртеБлан Уэллс. (Продолжение со стр. 98) ИНСТРУМЕНТЫ. В прилагаемом разрезе рисунки 1, 2 и 3 показывают высоту, план и сечение шнека. Резьбовое гнездо предназначено для ввинчивания в него стержней. Передний носик a предназначен для резки, а клапан b — для предотвращения выпадения материала, который разрезается, из шнека во время его обработки. поднят до устья канала ствола. На рисунках 4, 5 и 6 изображен аналогичный шнек большего размера; он не имеет винта, вкручиваемого в гнездо, как предыдущий, а вместо этого прикручен к промежуточному стержню.Рис. 7 и 8 — два вида небольшого шнека с продольной щелью и без клапана; ‘он используется в основном для просверливания глины и суглинка. В очень жесткой глине щель может быть очень широкой, в солёной — более узкой; При очень влажной почве это вообще недопустимо. Рис. 9, 10 и 11 показаны зубья S для прорезания камней, кремня и т. Д. этот инструмент отработан. вертикальным и круговым движением. -а Томас Проссер, К. Э … с улицы Платт № 28, этого «города», который снабжает трубами ответ, пригодный для артезианских скважин, выпустил небольшую брошюру на эту тему.Это просто, как говорится, февир вольных замечаний, брошенных вместе со ссылкой на произведения, в которых может быть найдена другая информация. Он цитирует выдержку из «Лондонского журнала механиков», который рекомендует метод доктора Потта по погружению железных труб для скважин большого диаметра, когда буровые материалы состоят из рыхлого песка или чего-то подобного. Этот процесс опускания труб происходит под действием атмосферного давления, при этом весь воздух вытягивается изнутри трубки воздушным насосом, когда он опускается с большой скоростью.Он защищен патентом в Соединенных Штатах, правопреемником которого является C. Pontez, C.E. Этот процесс проиллюстрирован на первой странице этого тома журнала Scientific American. Буровой инструмент должен всегда выкапывать или растачивать отверстие несколько шире трубы, чтобы он мог опускаться в нужное место по мере того, как опускание продолжается. Если бы скважина для воды проходила через холмистую скалу, цилиндры, возможно, не потребовали бы этого. быть солнечным, если бы не встретились прожилки воды !? выше основного питания.Когда нижнее водоснабжение полностью зависит от воды, не допускается, чтобы промежуточный пласт воды имел какое-либо сообщение с тем, что поднимается с самой низкой глубины; Поэтому необходимо, чтобы затопленные трубы были хорошо подогнаны, чтобы предотвратить какое-либо сообщение между нижним слоем воды и любым слоем, который может находиться над ним. Поверхностные воды также должны быть полностью перекрыты, и железные цилиндры Потта кажутся нам хорошим средством для этого. Обычный способ — залить камнем или кирпичом первые 30 или 50 земляные работы, лужа между внешними слоями кирпича с хорошей глиной и выполнение хороших швов с помощью гидравлического цемента.(Продолжение следует.)

Уголь и окружающая среда — Управление энергетической информации США (EIA)

Уголь — богатый источник топлива, производство и преобразование которого в полезную энергию относительно недороги. Однако производство и использование угля влияет на окружающую среду.

Влияние добычи угля

Открытые шахты (иногда называемые разрезами ) были источником около 62% угля, добытого в США в 2019 году.Эти горные работы удаляют почву и породу над угольными отложениями, или пласты или . Самые большие открытые шахты в Соединенных Штатах находятся в бассейне Паудер-Ривер в Вайоминге, где залежи угля находятся близко к поверхности и имеют толщину до 70 футов.

Удаление горных вершин и горные работы в долинах затронули большие площади Аппалачских гор в Западной Вирджинии и Кентукки. При таком виде добычи угля вершины гор снимаются с помощью взрывчатки. Эта техника меняет ландшафт, и ручьи иногда покрываются камнями и грязью.Вода, стекающая из этих заполненных долин, может содержать загрязняющие вещества, которые могут нанести вред водным животным, живущим ниже по течению. Хотя горная добыча существует с 1970-х годов, ее использование стало более распространенным и противоречивым, начиная с 1990-х годов.

Законодательство США требует, чтобы стоки пыли и воды с территорий, затронутых добычей угля, контролировались, а территория должна быть восстановлена ​​на , близка к исходному состоянию.

Подземные шахты обычно меньше влияют на ландшафт, чем карьерные.Однако земля над шахтными туннелями может обрушиться, и кислая вода может стекать из заброшенных подземных шахт.

Метан, образующийся в угольных месторождениях, может взорваться, если он концентрируется в подземных выработках. Этот метан угольных пластов необходимо выпускать из шахт, чтобы сделать шахты более безопасными для работы. В 2018 году выбросы метана от добычи угля и заброшенных угольных шахт составили около 11% от общих выбросов метана в США и около 1% от общих выбросов парниковых газов в США (исходя из потенциала глобального потепления).Некоторые шахты улавливают и используют или продают метан угольных пластов, добытый в шахтах.

Выбросы от сжигания угля

• Двуокись серы (SO2), вызывающая кислотные дожди и респираторные заболевания
• Оксиды азота (NOx), способствующие возникновению смога и респираторных заболеваний
• Твердые частицы, способствующие возникновению смога, дымки, респираторных заболеваний и болезней легких
• Диоксид углерода (CO2), который является основным парниковым газом, образующимся при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа)
• Ртуть и другие тяжелые металлы, которые были связаны как с неврологическими нарушениями, так и с нарушениями развития у людей и других животных
• Летучая зола и зольный остаток, которые образуются при сжигании угля на электростанциях

В прошлом летучая зола выбрасывалась в воздух через дымовую трубу, но теперь законы требуют, чтобы большая часть выбросов летучей золы улавливалась устройствами контроля загрязнения.В Соединенных Штатах летучая зола и зольный остаток обычно хранятся рядом с электростанциями или на свалках. Выщелачивание загрязняющих веществ из хранилищ угольной золы и свалок в грунтовые воды, а также разорвавшиеся несколько крупных накопителей угольной золы представляют собой экологическую проблему.

Снижение воздействия угля на окружающую среду

Закон о чистом воздухе и Закон о чистой воде требуют от предприятий сокращения выбросов загрязняющих веществ в воздух и воду.

Угольная промышленность нашла несколько способов уменьшить содержание серы и других примесей в угле.Промышленность также нашла более эффективные способы очистки угля после его добычи, и некоторые потребители угля используют уголь с низким содержанием серы.

На электростанциях

используется оборудование для обессеривания дымовых газов, также известное как скрубберы , для очистки дыма от серы до того, как он покинет дымовые трубы. Кроме того, угольная промышленность и правительство США сотрудничали в разработке технологий, которые могут удалять примеси из угля или повышать энергоэффективность угля, что снижает количество сжигаемого угля на единицу произведенной полезной энергии.

Оборудование, предназначенное в основном для уменьшения выбросов SO2, NOx и твердых частиц, также может использоваться для сокращения выбросов ртути из некоторых видов угля. Ученые также работают над новыми способами сокращения выбросов ртути на угольных электростанциях.

В настоящее время проводятся исследования по снижению выбросов углекислого газа при сжигании угля. Один из методов — это улавливание углерода , при котором CO2 отделяется от источников выбросов и улавливается в концентрированном потоке. Затем CO2 можно закачать под землю для постоянного хранения или секвестрации .

Повторное использование и рециркуляция также могут снизить воздействие добычи и использования угля на окружающую среду. Земли, которые ранее использовались для добычи угля, могут быть восстановлены и использованы под аэропорты, свалки и поля для гольфа. Отходы, улавливаемые скрубберами, могут использоваться для производства таких продуктов, как цемент и синтетический гипс для стеновых плит.

Последнее обновление: 1 декабря 2020 г.

Burning Coal — обзор

Газификация угля

В качестве альтернативы сжиганию угля на воздухе для выработки тепла и увеличения количества пара для питания паровой турбины можно преобразовать уголь в горючий газ.Затем его можно сжечь на газотурбинной электростанции или, в зависимости от состава газа, использовать в качестве топлива для топливного элемента.

Производство газа из угля имеет долгую историю, и городской газ, мощная смесь водорода, метана и окиси углерода, обычно использовался в качестве домашнего топлива до тех пор, пока природный газ не стал широко доступным. Одна из форм городского газа производится просто путем нагревания угля в отсутствие воздуха, удаления его летучих компонентов и оставления почти чистой формы углерода, называемой коксом.Кокс используется в металлургических процессах, таких как производство чугуна, и первоначально заменял древесный уголь.

Современные процессы газификации обычно включают более сложную реакцию, чем простое нагревание угля. Эти современные процессы обычно требуют частичного сжигания угля в смеси пара с воздухом или кислородом, часто с последующей реакцией с водяным паром для получения газа, богатого водородом. При частичном сжигании используется некоторая теплотворная способность угля для управления общим процессом газификации, поэтому при этом теряется определенное количество энергии.

Современный интерес к технологиям газификации основан на возможности спроектировать эффективную угольную электростанцию ​​на базе газогенератора. Уголь сначала превращается в горючий газ, затем очищается, и газ сжигается в газовой турбине. Отработанное тепло как от газификатора, так и от выхлопа газовой турбины используется для подъема пара, который приводит в действие паровую турбину. Установка этого типа, называемая установкой с комбинированным циклом интегрированной газификации (IGCC), может достигать КПД около 40%. Также можно спроектировать установку IGCC, в которой весь производимый углекислый газ улавливается, а не выбрасывается в атмосферу.Эта конфигурация обсуждается ниже.

Существует ряд различных конструкций газификаторов, которые были разработаны для современных газификационных установок. Самый простой — это газификатор с неподвижным слоем, емкость для газификации, в которую топливо подается сверху, а зола удаляется снизу. Воздух также нагнетается снизу емкости — этот тип газогенератора называется восходящим или противоточным газификатором — в то время как горючий газ удаляется по направлению к верхней части емкости. В альтернативном газификаторе с нисходящей тягой используется впрыск пара-воздуха / кислорода с боковых сторон резервуара, в то время как газообразный продукт удаляется снизу.

Более сложной альтернативой газификатору с неподвижным слоем является газификатор с псевдоожиженным слоем, в котором процесс газификации происходит в реакторе BFB. Как уже отмечалось выше, это эффективный способ стимулирования реакций между твердыми частицами и газами. Эти газификаторы особенно эффективны, когда остатки процесса газификации являются коррозионными, поскольку псевдоожиженный слой удерживает золу и остатки от стенок корпуса реактора.

Также были разработаны два других газификатора.Газогенератор с увлеченным потоком в некоторых отношениях похож на горелку для пылеугольного топлива. Пылевидное топливо, смешанное с паром и кислородом, быстро сгорает в камере сгорания. Сжигание происходит при более высокой температуре, чем в газогенераторе с неподвижным или псевдоожиженным слоем. Наконец, в плазменном газификаторе используется чрезвычайно высокотемпературная электрическая дуга для газификации твердых материалов. Хотя этот тип газификатора применим к углю, он разрабатывается в основном для утилизации твердых отходов.

Хотя существует ряд сложных процессов, которые происходят во время газификации угля, общий процесс можно рассматривать как сжигание угля в восстановительных условиях (ограниченном кислородом) в присутствии водяного пара.Основные протекающие реакции — это горение углерода:

C + O2 = CO2

, частичное сжигание углерода:

2C + O2 = 2CO

и реакция водяного газа:

C + h3O = CO + h3

Реакция проводится примерно с 20% кислорода, необходимого для полной реакции углерода. Образуется некоторое количество углекислого газа, но его количество ограничено. Реакции сгорания и частичного сгорания углерода являются экзотермическими, и выделяемая ими энергия обеспечивает движущую силу реакции водяного газа.Другие реакции, которые могут иметь место, включают реакцию метанирования:

C + 2h3 = Ch5

и реакцию Будуара:

C + CO2 = 2CO

В результате всех этих реакций образуется газ, который в основном представляет собой смесь окиси углерода и водорода с небольшим количеством углекислого газа и небольшим количеством метана. Этот газ называется синтез-газом или синтез-газом и используется в качестве сырья для различных промышленных процессов. Однако, поскольку основные компоненты горючие, их также можно сжечь в газовой турбине.Газ будет производиться в смеси с азотом, если в газогенераторе будет использоваться воздух, а не кислород. Газификаторы воздуха, как правило, производят газ с более низкой теплотворной способностью, чем газификаторы кислорода, а для современных установок IGCC обычно предпочтительна газификация кислородом.

Условия в реакторе газификации резко снижаются, поэтому любая сера, присутствующая в угле, превращается в сероводород или карбонилсульфид. Оба вещества легко удаляются из газовой смеси и могут быть преобразованы либо в чистую серу, либо в серную кислоту для промышленного использования.Восстановительные условия означают, что образование оксида азота также сводится к минимуму.

В процессе газификации можно перейти на следующую стадию за счет реакции синтез-газа на катализаторе с большим количеством пара. Этот процесс, называемый реакцией конверсии воды, превращает монооксид углерода в синтез-газе в смесь водорода и диоксида углерода посредством реакции:

CO + h3O = CO2 + h3

Любой присутствующий метан также будет преобразован в водород и углерод. диоксид. Конечный газ теперь представляет собой смесь диоксида углерода и водорода с некоторыми примесями.Относительно просто разделить два основных компонента, водород и диоксид углерода, что позволяет хранить последний вдали от атмосферы и оставлять водород в качестве основного продукта. Водород можно сжигать в газовой турбине или в топливном элементе для выработки электроэнергии.

Если газификация предназначена для подачи топлива на электростанцию ​​IGCC, газ должен быть сначала тщательно очищен от любых твердых частиц и примесей, которые могут повредить газовую турбину. Чтобы очистка газа была энергоэффективной, ее необходимо проводить при высокой температуре, при которой газ выходит из газогенератора.В противном случае в процессе будет потеряна энергия.

После очистки газ используется в качестве топлива для газотурбинного генератора, который обеспечивает электрическую мощность. Горячие выхлопные газы на выходе из газовой турбины затем проходят через парогенератор с рекуперацией тепла, который отбирает оставшееся полезное тепло для подъема пара, с помощью которого приводится в действие паровая турбина. Установка этого типа является более сложной, чем большинство других типов установок сжигания угля, поскольку для нее требуется установка кислорода в дополнение к газификатору, очистке газа и элементам генерации газовых и паровых турбин.Поперечное сечение установки IGCC показано на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3. Поперечное сечение электростанции с комбинированным циклом газификации (IGCC).

Источник: Изображение любезно предоставлено Министерством энергетики США.

В Европе, США, Китае и Японии существует ограниченное количество крупных заводов IGCC, работающих на угле. Номинальная выходная мощность колеблется от 250 МВт до 620 МВт. Один завод в Чешской Республике сжигает бурый уголь, другие сжигают смесь битуминозного угля и нефтяного кокса, пылевидного угля и остатков асфальтобетонных заводов.Типичный КПД составляет около 39–41%, исходя из более низкой теплотворной способности (теплотворной способности) топлива, хотя считается возможным КПД до 46%. Однако все действующие в настоящее время заводы являются, по сути, демонстрационными, и полномасштабного коммерческого внедрения технологии не было. Стоимость остается на преграде. Другой фактор — доступность установки, которая, как представляется, ниже, чем для установок с более традиционными конфигурациями.

No related posts.