WĘGIEL
Występowanie węgla Węgiel, jako pierwiastek, występuje: a) w małych ilościach w stanie wolnym (grafit, diament) b) głównie w stanie związanym: - węglany (CaCO 3, MgCO 3, i innych), - dwutlenek węgla w powietrzu CO 2, - związkach organicznych, zalicza się do nich paliwa kopalne: gaz ziemny, ropa naftowa, węgiel i biomasa.
Pochodzenie węgla Pochodzenie węgla, jako paliwa, jest organiczne Przekrój przez węgiel brunatny
Powstawanie węgla Węgiel zalicza się do biolitów skał osadowych pochodzenia organicznego. Węgiel kamienny Węgiel brunatny Lignity Torf przed 300-200 mln lat przed 100 mln lat przed 70-2 mln lat od 2 mln lat do teraz Proces konwersji substancji roślinnej w substancję węglową nazywa się uwęgleniem i dzieli się na dwie fazy: biochemiczną i geochemiczną.
Powstawanie węgla materiał roślinny torf węgiel brunatny faza biochemiczna węgiel brunatny węgiel kamienny antracyt faza geochemiczna Z pracy Flaming F. Fradsena
Petrografia węgla Litotypy: witryn, klaryn, duryn i fuzyn (węgiel błyszczący, półbłyszczący, matowy i włóknisty) Mikrolitotypy (obserwowalne pod mikroskopem) Macerały: grupa witrynitu, grupa egzynitu, grupa inertynitu.
Petrografia węgla: macerały
Podstawowe składniki węgla Węgiel składa się z: - substancji organicznej (palnej), - substancji mineralnej (A), - wilgoci (M).
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.
Chemiczna struktura substancji organicznej węgla Pierścienie benzenu
Zmiany struktury chemicznej węgla w procesie uwęglenia
Budowa węgla
Klasyfikacja (przemysłowo-handlowa) węgli Potrzeba klasyfikacji węgli: - zróŝnicowanie palenisk kotłowych - wymagania róŝnych technologii chemiczna - rozpowszechnienie handlu węglem
Podstawy klasyfikacji węgli 1. Pochodzenie 2. Właściwości (parametry) Parametry węgla oznaczane wg. PN (analizy) ciepło spalania (wg PN-81/G-04513 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).
Standardowe analizy węgli Analiza elementarna: - udział pierwiastków: C, H, O, S, N, P,... Analiza techniczna udziały w węglu: - wilgoci, - popiołu, - części lotnych - ciepło spalania.
Pochodzenie węgli a stopień uwęglenia Według pochodzenia i stopienia uwęglenia (udział C): Torf: 52-60 Węgiel brunatny: 58-77 Węgiel kamienny: 76-93 Antracyt: 91-93 Grafit: 100
Stan węgla 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 105-110 o C, Stan suchy, bezpopiołowy (daf lub waf). Stan roboczy w którym paliwa jest uŝytkowane (r).
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
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)
Podziały węgli W polskiej klasyfikacji węgle dzieli się na: grupy (klasy), typy, sortymenty.
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.
Grupy (klasy) węgli Drewno: 01-09 Torf: 11-19 Węgle brunatne: 21-29 Węgle kamienne: 31-39 Antracyty: 41 i wyŝej Grafit: 50
Pomiary klasyfikacyjne Klasyfikacja węgli energetycznych Typ węgla Nazwa Wyró Ŝ-nik zawartość części lotnych V daf wg PN-81/ G-045516 zdolność spiekania RI wg PN-81/ G-4518 dylatacja b wg PN-81/ G-04517 wskaźnik wolnego wydymania SI wg PN-81/ G-04515 ciepło spalania Q daf wg PN-81/ G-04513 % % kj/kg Zastosowanie węgla Węgiel płomie nny Węgiel gazowo - płomie nny Węgiel gazowy 31.1 31.2 32.1 32.2 33 PowyŜej 28 PowyŜej 28 PowyŜej 28 poniŝej lub równe 5 powyŝej 5 do 20 powyŝej 20 do 40 powyŝej 40 do 55 nie normalizuj e się nie normalizuj e się poniŝej lub równe 31000 PowyŜej 31000 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
Składniki węgla: substancja organiczna Substancja organiczna składa się głównie z: - C i H, ponadto z: - O, S, N, i P oraz pierwiastków śladowych.
Rozkład termiczny substancji organicznej Po podgrzaniu powyŝej 600 o C substancja organiczna węgla rozkłada się na: - części lotne, - pozostałość koksową (karbonizat)
Analiza elementarna substancji organicznej Paliwo C H O N + S Zawartość części lotnych, % Drewno Torf Węgiel brunatny 50 58 70 6 5,5 5 43 34,5 24 1 2 0,8 75 65 50 Węgiel kamienny 82 5 12 0,8 35 Antracyt 94 3 3 ślady 5
Składniki węgla: 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%
WaŜniejsze składniki substancji mineralnej węgla - krzemionka (kwarc), - minerały ilaste (kaolinit, ilit), - tlenki (np. tlenek Ŝelaza: hematyt) - węglany (kalcyt, dolomit) - siarczki i siarczany.
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 105-110 o C, stan suchy (d))
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 )
Charakterystyka polskich, energetycznych węgli kamiennych Węgle kamienne: typy 31-33 Rodzaj węgla Wartość opałowa kj/kg Udział popiołu % Udział siarki % Udział wody % Jaworznicki Mikołowski Dąbrowskosiemianowski Katowickochorzowski Rybnicki Lubelski 18 400 20 100 21 800 23 500 20 100 18 850 20 24 20 20 20 20 27 25 1,25 1,5 1,5 0,6 0,8 0,7 1,3 1,2 16 20 12 8 5 9 9
Węgle energetyczne (cd) Charakterystyka polskich węgli kamiennych - energetycznych W u = 18-25 MJ/kg A = 7-25% S = 1,2% N = 0,6-2,8%
Charakterystyka polskich, energetycznych węgli brunatnych Węgle brunatne Rodzaj węgla Wartość opałowa kj/kg Udział popiołu % Udział siarki % Udział wody % Turoszowski Koniński Pątnowski Adamowski Bełchatowski 8 400 9 200 9 200 8 000 8 800 12,2 20 5,8 6,3 10,6 9,8 10,6 0,60 0,25 0,35 0,78 0,25 0,60 42 50 50 54 50 50 50
Węgle energetyczne (cd) Charakterystyka 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%
Występowanie węgla w Polsce 1 Węgiel kamienny Zagłębia węgla kamiennego: - górnośląskie, - dolnośląskie - lubelskie
Występowanie węgla w Polsce 2 Węgiel kamienny Zagłębie Zasoby udokumentowane, % Zasoby perspektywiczne, % GZW DZW LZW 88,2 11,1 0,7 43,7 56,1 0,3
Występowanie węgla w Polsce 3 Węgiel brunatny Zagłębia: - adamowsko-konińskie - bełchatowskie (Szczerców) - turoszowskie - sieniawskie. Zasoby łączne: Zasoby udokumentowane: Zasoby operatywne; 40 mld Mg 13-14 mld Mg 3,5 mld Mg
Występowanie węgla w Polsce 4 Węgiel brunatny
Zasoby i rezerwy węgla Paliwo Świat mld Mg Polska mld Mg Węgiel kamienny rezerwy zasoby 630 7000 14000 30 130 Węgiel brunatny rezerwy zasoby 250 880 12 13 30 40
ZuŜycie węgla Roczne zuŝycie węgla w Polsce i na świecie Węgiel Świat mld Mg Polska mln Mg Kamienny 3,7 100 Brunatny 0,944 62
Ceny węgla
Porównanie kosztów ogrzewania
Koszty wytwarzania energii Polsce