Węgiel jako pierwiastek

Transkrypt

1 Węgiel jako pierwiastek Nazwa węgiel odnosi się do: a) pierwiastka C (carbon) b) paliwa kopalnego (coal) Pierwiastek węgiel występuje w szeregu alotropowych form, włączając: a) diament b) grafit

2 Występowanie pierwiastka węgla w przyrodzie a) w małych ilościach w stanie wolnym, głównie jako: grafit, diament b) głównie w stanie związanym: - węglany (CaCO 3, MgCO 3, i innych), - dwutlenek węgla w powietrzu, w wodzie - związkach organicznych, zalicza się do nich paliwa kopalne: gaz ziemny, ropa naftowa, węgiel i biomasa.

3 WĘGIEL

4 Pochodzenie węgla Pochodzenie węgla jest organiczne: naleŝy do biolitów (kaustobiolit) skał osadowych pochodzenia organicznego. Węgiel brunatny: przekrój przez ksylit

5 Powstawanie węgla Materia węglowa powstała z materiału roślinnego, który w procesie przemian ulegał wzbogacaniu w pierwiastek C. przemiany te określa się mianem uwęglenia. Proces uwęglenia substancji organicznej dzieli się na dwie fazy: biochemiczną i geochemiczną: materiał roślinny torf węgiel brunatny faza biochemiczna węgiel brunatny węgiel kamienny antracyt faza geochemiczna

6 Okresy powstawania węgla Węgiel kamienny Węgiel brunatny (twardy) Lignity (miękki) Torf przed mln lat przed 100 mln lat przed 70-2 mln lat od 2 mln lat do teraz

7 STRUKTURA WĘGLA

8 Petrografia węgla 1 Litotypy: witryn, klaryn, duryn i fuzyn (węgiel błyszczący, półbłyszczący, matowy i włóknisty) Mikrolitotypy (obserwowalne pod mikroskopem) Macerały: grupa witrynitu, grupa egzynitu, grupa inertynitu.

9 Litotypy węgiel błyszczący (witryn) charakteryzujący się intensywnym połyskiem i smolistoczarną barwą. Zawartość popiołu w węglu błyszczącym zmienna w zakresie 2 6 %. węgiel półbłyszczący (klaryn) charakteryzujący się obecnością naprzemianlegle ułoŝonych drobnych pasemek węgla matowego i błyszczącego. węgiel matowy (duryn) który, moŝe posiadać barwę szarą lub barwę brunatnoczarną. węgiel włóknisty (fuzyn) który, przypomina w duŝym stopniu węgiel drzewny. Charakteryzuje się duŝą kruchością i ścieralnością.

10 Podział makroskopowy Podział mikroskopowy Skały Litotypy Mikrolitotypy Grupa macerałów Macerały Submacerały Odmiany macerałów Kryptomacerał y Petrografia węg la2 Witryn (węgiel błyszczący) Klaryn (węgiel półbłyszczący) Witryt V Klaryt V+E Witrynetryt V+I Trimaceryt V+I+E Witrynit V Telinit Kolinit Witrodetrynit Telenit 1 Telenit 2 Telokolinit śelokolinit Desmokolinit Korpokolinit Kordaitotelinit Fungotelinit Ksylotelinit Lepidofitotelinit Sigillariotelinit Kryptotelinit Kryptokorpokolinit Wę giel Duryn (węgiel matowy) Fuzyn (węgiel włóknisty) Inertyt I Liptyt E DurytI+E Semifuzyt Fuzyt Egzynit (Liptynit) E (L) Sporynit Kutynit Rezynit Alginit Liptodetrynit Tenuisporynit Krassisporynit Mikrosporynit Makrosporynit Pila Alginit Reinschia Alginit Sklerotyt Karbargilit Karbankeryt Łupek palny Łupek palny Karbo mineryt Karbosilicyt Skała płonna Skała płonna Karbopiryt Karbopolimineryt Skała płonna Inertynit I Mikrynit Makrynit Semifuzynit Fuzynit Sklerotynit Inertodetrynit Pirofuzynit Degradofuzynit Fungosklerotynit Plektenchyminit Korposklerotynit Pseudokorposklerotynit Węgie l Węgiel sapropelowy Kennel Boghed

11 Petrografia węgla 3, macerały

12 WaŜniejsze składniki węgla Węgiel składa się z: - substancji organicznej (palnej), - substancji mineralnej, - wilgoci.

13 Substancja organiczna węgla Substancja organiczna to materia powstała w czasie wzrostu organizmów Ŝywych, a następnie obumarła uległa przemianom (uwęgleniu). Substancja organiczna składa się z następujących pierwiastków: C, H, O, S, N, P i innych pierwiastków w śladowych udziałach.

14 Chemiczna struktura substancji organicznej węgla Pierścienie benzenu

15 Zmiany struktury chemicznej węgla w procesie uwęglenia

16 Budowa węgla

17 KLASYFIKACJA WĘGLI

18 Klasyfikacja (przemysłowo-handlowa) węgli Potrzeba klasyfikacji węgli: - zróŝnicowanie palenisk kotłowych, - wymagania róŝnych technologii chemiczna, - rozpowszechnienie handlu węglem.

19 Podstawy klasyfikacji węgli 1. Pochodzenie węgla 2. Właściwości węgla Właściwości węgla określone wskaźnikami wg. PN. ciepło spalania (wg PN-81/G lub PN-ISO 1928:2002), wskaźnik wolnego wydymania (wg PN-81/G-04515), zawartość części lotnych w węglu (wg PN-G-04516:1998), wskaźniki dylatometryczne (PN-81/G-04517), zdolność spiekania (PN-81/G-04518).

20 Analiza węgla Analiza elementarna: - udział pierwiastków: C, H, O, S, N, P,... Analiza techniczna udziały w węglu: - wilgoci, - popiołu, - części lotnych. oraz: ciepło spalania i wartość opałowa.

21 Pochodzenie węgli a stopień uwęglenia Stopienia uwęglenia (udział pierwiastka C): Torf: Węgiel brunatny: Węgiel kamienny: Antracyt:

22 Znaczenie stanu węgla dla klasyfikacji Stany w jakich paliwo poddawane jest analizie: Stan analityczny lub powietrzno-suchy (a), gdy wilgoć w węglu jest w równowadze z wilgocią otoczenia, Stan suchy ( d lub wf), po suszeniu przez dwie ponad godziny w temperaturze o C, Stan suchy, bezpopiołowy (daf lub waf). Stan roboczy w którym paliwa jest uŝytkowane (r).

23 Przykład wartości A i Q i w stanach: roboczym (r), suchym (d) i suchymbezpopiołowym (daf) dla węgla brunatnego Wartość W r t A r Q r i A d Q d i Q daf i % % kj/kg % kj/kg kj/kg Min. 53,9 3, , Średnia 54,9 4, , Max. 56,0 5, ,

24 Przeliczanie wyników analiz składu paliwa Rodzaj przeliczenia Ze stanu Roboczy r Współczynnik przeliczenia na stan: Analityczny Roboczego r 1 r a Ze stanu analitycznego a Ze stanu suchego d Ze stanu daf r 1 W +W 1 r 1 W 1 r 1 W A 1 a r a 1 1 W W Suchy d 1 1 W 1 1 a 1 W a 1 W 1 a 1 W A 1 a r Suchy bezpopiołowy daf 1 r r 1 W A 1 a a 1 W A 1 1 d 1 A 1 A 1 d 1

25 Schematyczne rozróŝnienie stanów węgli karbonizat części lotne substancja organiczna popiół części rozkładu substancji mineralnej wilgoć higroskopijna w stanie powietrzno-suchym wilgoć przemijająca (powierzchniowa) subst. mineralna w węgiel w stanie suchym c + h + o + n + s + a + w = 1 węgiel w stanie powietrzno-suchym (stan analityczny) węgiel surowy (stan roboczy)

26 Podziały węgli W polskiej klasyfikacji węgle dzieli się na: grupy (klasy), typy, sortymenty.

27 Podział węgli na grupy (klasy) Grupę paliwa określa dwucyfrową liczbę xy: - pierwsza określa klasę ze względu na stopień uwęglenia, - druga miejsce paliwa w obrębie grupy: - x klasa, y - miejsce w klasie..

28 Grupy (klasy) węgli Drewno: Torf: Węgle brunatne: Węgle kamienne: Antracyty: 41 i wyŝej Grafit: 50

29 Pomiary klasyfikacyjne Klasyfikacja węgli energetycznych Typ węgla Nazwa Wyró Ŝ-nik zawartość części lotnych V daf wg PN-81/ G zdolność spiekania RI wg PN-81/ G-4518 dylatacja b wg PN-81/ G wskaźnik wolnego wydymania SI wg PN-81/ G ciepło spalania Q daf wg PN-81/ G % % kj/kg Zastosowanie węgla Węgiel płomie nny Węgiel gazowo - płomie nny Węgiel gazowy 31.1 PowyŜej 28 poniŝej lub równe 5 nie normalizuj e się nie normalizuj e się poniŝej lub równe PowyŜej PowyŜej 28 PowyŜej 28 powyŝej 5 do 20 powyŝej 20 do 40 powyŝej 40 do 55 nie normalizuje się węgiel do celów energetycznych do wszystkich typów palenisk pyłowych; węgiel do czadnic Węgiel do celów energetycznych do wszystkich typów palenisk; węgiel do wytlewania i do czadnic węgiel do celów energetycznych; do palenisk rusztowych, komorowych i wszystkich typów palenisk pyłowych; węgiel do wytlewania i do gazowni węgiel do celów energetycznych; do palenisk rusztowych i wszystkich typów palenisk pyłowych; węgiel do pieców przemysłowych o szczególnych wymaganiach; węgiel do gazowni i do mieszanki do produkcji koksu w koksowniach

30 Sortymenty węgla

31 Podatność przemiałowa węgla Podatność przemiałowa jest to parametr moŝliwości rozdrabniania węgli. ZaleŜna od składu petrograficznego węgla, składu substancji mineralnej oraz stopnia metamorfizmu węgla. W energetyce zawodowej najbardziej rozpowszechnioną metodą określania przemiałowości jest test Hardgrove a. Polega on na mieleniu frakcji 0,6 1,18 mm w młynie Hardgrove a. Miarą podatności przemiałowej metody jest ilość uzyskanej frakcji ziarnowej < 0,75 mm z 50 g próbki węgla poddanej mieleniu ze stałym nakładem energetycznym. Z pracy dr. W. Moronia

32 Młyn Hardgrove a Z pracy dr. W. Moronia

33 CHARAKTERYSTYKA WAśNIEJSZYCH SKŁADNIKÓW WĘGLA

34 Substancja organiczna Substancja organiczna składa się głównie z: - C i H, ponadto z: - O, S, N, i P oraz pierwiastków śladowych.

35 Rozkład termiczny substancji organicznej Po podgrzaniu powyŝej 600 o C substancja organiczna węgla rozkłada się na: - części lotne, - pozostałość koksową (karbonizat)

36 Analiza elementarna substancji organicznej paliw stałych Paliwo C H O N + S Zawartość części lotnych, % Drewno Torf Węgiel brunatny , , , Węgiel kamienny ,8 35 Antracyt ślady 5

37 Substancja mineralna Dzieli się na: - wewnętrzną (pochodzącą z substancji węglotwórczej) - zewnętrzną (skała płonna, i naniesione: piasek i glina) Udział substancji mineralnej w węglu: 2-60%

38 Substancja mineralna zewnętrzna

39 Charakterystyka urobku węglowego

40 Wzbogacanie węgla

41 Składniki substancji mineralnej węgla Składniki: - krzemionka (kwarc SiO 2 ), - minerały ilaste (kaolinit, ilit), - tlenki (np. hematyt FeO 2 ) - węglany (kalcyt CaCO 3, dolomit) - siarczki FeS 2 piryt i siarczany CaSO 4 anhydryt.

42 Składniki węgla: wilgoć (5-60%) Składa się z: - wilgoci przemijającej(nie jest związana z substancją organiczną, moŝe być usunięta przez suszenie w temperaturze pokojowej stan powietrzno-suchy lub analityczny (a)) - wilgoć higroskopijnej (jest związana z substancją organiczną, moŝna ją usunąć z węgla podgrzewając go do temperatury o C, stan suchy (d))

43 Udział waŝniejszych pierwiastków w węglu Węgiel C: 50-93% Wodór H: 2-5% Siarka S: 1-5 (11)% w siarczkach (FeS 2 ) w siarczanach (CaSO 4, FeSO 4 )

44 Charakterystyka polskich, energetycznych węgli kamiennych Węgle kamienne: typy Rodzaj węgla Wartość opałowa kj/kg Udział popiołu % Udział siarki % Udział wody % Jaworznicki Mikołowski Dąbrowskosiemianowski Katowickochorzowski Rybnicki Lubelski ,25 1,5 1,5 0,6 0,8 0,7 1,3 1,

45 Energetyczne węgle kamienne (cd) Podstawowe parametry polskich węgli energetycznych W u = MJ/kg A = 7-25% S = 1,2% N = 0,6-2,8%

46 Charakterystyka polskich, energetycznych węgli brunatnych Rodzaj węgla Wartość opałowa kj/kg Udział popiołu % Udział siarki % Udział wody % Turoszowski Koniński Pątnowski Adamowski Bełchatowski ,2 20 5,8 6,3 10,6 9,8 10,6 0,60 0,25 0,35 0,78 0,25 0,

47 Energetyczne węgle brunatne Podstawowe parametry polskich węgli brunatnych W u = 5,6-11,7 (średnio 8,5) MJ/kg A = 4-25 (średnio 12,0)% S = 0,2-1,7 (średnio 0,7)% N = 0,6-2,0%

48 WYSTĘPOWANIE WĘGLA W POLSCE

49 Występowanie węgla kamiennego w Polsce 1 Zagłębia węgla kamiennego: - górnośląskie, - dolnośląskie - lubelskie

50 Występowanie węgla kamiennego w Polsce 2 Zagłębie Zasoby udokumentowane, % Zasoby perspektywiczne, % GZW DZW LZW 88,2 11,1 0,7 43,7 56,1 0,3

51 Występowanie węgla brunatnego w Polsce 1 Zagłębia: - adamowsko-konińskie - bełchatowskie (Szczerców) - turoszowskie - sieniawskie. Zasoby łączne: Zasoby udokumentowane: Zasoby operatywne; 40 mld Mg mld Mg 3,5 mld Mg

52 Występowanie węgla brunatnego w Polsce 2

53 Występowanie węgla brunatnego w Polsce 3

54 Zasoby i rezerwy węgla Paliwo Świat mld Mg Polska mld Mg Węgiel kamienny rezerwy zasoby Węgiel brunatny rezerwy zasoby

55 Wydobycie, eksport/import węgla Roczne wydobycie węgla w Polsce i na świecie Węgiel Świat mld Mg Polska mln Mg Kamienny 4,2 84 (2009) Brunatny 0, Polski import/ eksport węgla kamiennego w 2008 r. Eksport Import 7 mln Mg 10 mln Mg

56 Zasoby i wydobycie węgla kamiennego w Polsce

57 ZuŜycie węgla w Polsce Wyszczególnienie Węgiel kamienny Wielkość, mld Mg Wydobycie Import 80,4 2,7 ZuŜycie: - wytwarzanie innych nośników energii - zuŝycie bezpośrednie - eksport 62,0 20,0 23,0 Węgiel brunatny Wydobycie węgla brunatnego wynosiło ok.58,2 mln Mg w 2002 r. i zostało prawie w całości wykorzystane jako paliwo w elektrowniach systemowych

58 Ceny węgla

59 Koszty wytwarzania energii Polsce