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
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.
WĘGIEL
Pochodzenie węgla Pochodzenie węgla jest organiczne: naleŝy do biolitów (kaustobiolit) skał osadowych pochodzenia organicznego. Węgiel brunatny: przekrój przez ksylit
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
Okresy powstawania węgla Węgiel kamienny Węgiel brunatny (twardy) Lignity (miękki) Torf przed 300-200 mln lat przed 100 mln lat przed 70-2 mln lat od 2 mln lat do teraz
STRUKTURA WĘGLA
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.
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.
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
Petrografia węgla 3, macerały
WaŜniejsze składniki węgla Węgiel składa się z: - substancji organicznej (palnej), - substancji mineralnej, - wilgoci.
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 WĘGLI
Klasyfikacja (przemysłowo-handlowa) węgli Potrzeba klasyfikacji węgli: - zróŝnicowanie palenisk kotłowych, - wymagania róŝnych technologii chemiczna, - rozpowszechnienie handlu węglem.
Podstawy klasyfikacji węgli 1. Pochodzenie węgla 2. Właściwości węgla Właściwości węgla określone wskaźnikami wg. PN. 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).
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.
Pochodzenie węgli a stopień uwęglenia Stopienia uwęglenia (udział pierwiastka C): Torf: 52-60 Węgiel brunatny: 58-77 Węgiel kamienny: 76-93 Antracyt: 91-93.
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 105-110 o C, Stan suchy, bezpopiołowy (daf lub waf). Stan roboczy w którym paliwa jest uŝytkowane (r).
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 3,7 8756 8,3 22272 25268 Średnia 54,9 4,7 8949 10,3 22827 25454 Max. 56,0 5,7 9194 12,5 23334 26203
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 PowyŜej 28 poniŝej lub równe 5 nie normalizuj e się nie normalizuj e się poniŝej lub równe 31000 31.2 PowyŜej 31000 32.1 32.2 33 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
Sortymenty węgla
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
Młyn Hardgrove a Z pracy dr. W. Moronia
CHARAKTERYSTYKA WAśNIEJSZYCH SKŁADNIKÓW 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 paliw stałych 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
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%
Substancja mineralna zewnętrzna
Charakterystyka urobku węglowego
Wzbogacanie węgla
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.
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 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
Energetyczne węgle kamienne (cd) Podstawowe parametry polskich węgli energetycznych W u = 18-25 MJ/kg A = 7-25% S = 1,2% N = 0,6-2,8%
Charakterystyka polskich, energetycznych węgli brunatnych 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
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%
WYSTĘPOWANIE WĘGLA W POLSCE
Występowanie węgla kamiennego w Polsce 1 Zagłębia węgla kamiennego: - górnośląskie, - dolnośląskie - lubelskie
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
Występowanie węgla brunatnego w Polsce 1 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 brunatnego w Polsce 2
Występowanie węgla brunatnego w Polsce 3
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
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 0,944 64 Polski import/ eksport węgla kamiennego w 2008 r. Eksport Import 7 mln Mg 10 mln Mg
Zasoby i wydobycie węgla kamiennego w Polsce
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
Ceny węgla
Koszty wytwarzania energii Polsce