Как горит уголь
Свойства угля - физические, химические, основные - состав каменного угля и применение
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 Qir . 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.
Горение угля, как им топить, длительное сжигание
От качества угля зависит количество энергии, которую можно из него получить, а также время на обслуживание, количество получаемой золы, возможность им отапливать… Какой уголь лучше подойдет для домашнего отопления? Как его правильно сжигать, чтобы достигнуть максимума энергоотдачи и минимума забот?
Температура горения угля и другие характеристики
Часто спрашивают, — какая температура горения угля?, — хоть это значение мало на что влияет. Гораздо важнее другие параметры.
- теплотворность – количество выделяемого тепла с килограмма топлива, кВт/кг;
- зольность – количество золы которая останется после сжигания угля, % к общей массе. Она снизит общую теплотворность, нам придется вычищать ее с котла и утилизировать,
Также важно:
- Спекаемость – способность углей создавать спекшуюся золу, что очень вредно.
- Влажность, как внутрипластовая, так и привнесенная, — не мокрый ли уголь? Мокрый лучше сушить предварительно в естественных условиях, чем сжигать его в котле с потерей энергии, которая уйдет на испарение этой воды.
- Выход летучих, склонность к коксованию, — коксующиеся марки угля не подходят для отопления.
Подробней о зольности
Зольность бывает следующей.
- Внутрипластовая – это те минеральные примеси, «песок и камни», которые находятся внутри угольного пласта, в каждом кусочке угля, и их невозможно извлечь при обогащении. Хорошие угли имеют такую золу до 10%.
- Техническая – это горная порода, которая смешалась с углем при его добыче, в том числе и из больших породных пропластков внутри угольного пласта, и которую можно отделить от угля механическими методами при его обогащении. Подрубали шахтеры невзначай кровлю и почву пласта, — вот и лишние тонны, хоть зольность и повышена… Горная масса с шахты может быть и 35% зольности – совсем не подходит для домашнего сжигания.
Нужно иметь в виду, что подсыпка породы, значительно обогащает продающих уголь. Поэтому покупка угля — дело непростое. Нужно проверять топливо на наличие кусков породы, в том числе и присыпанных, непосредственно в вагоне, в автомобиле, до разгрузки. И отказываться от приобретения, если что…
Какая теплотворность у разных марок угля
Сколько мы сможем получить тепла от угля, достаточно ли его для обогрева дома?
Количество тепла в киловаттах, которое может выделяться из разных марок угля по сравнению с сухими дровами, приведена ниже, кВт/кг
- Дрова сухие – 4,0
- Угли бурые – 3,8 – 5,5
- Длиннопламенные – 6,0 -7,0
- Газовые и жирные — 7,5
- Отощенно-спекающиеся 7,0 – 7,4
- Тощаки – 7,4 – 8,0
- Антрациты – 7,8 – 9,5
В основном для домашних котлов подходят энергетические марки угля – тощие, антрациты и полуантрациты. Именно они меньше спекаются и образуют коксовые вещества, имеют минимум золы внутри пласта и лучшую теплотворность.
Помимо марки, нужно выбрать класс крупности угля.
В рекламных целя на упаковках продавец пишет лишь бы что…Класс крупности угля, почему не топят угольной пылью
Угольная пыль и угольный штыб наиболее дешевые, отлично горят, но только в специальных печах электростанций. Там они сгорают в облаке с мазутом и воздухом. А в котле, они просто запечатывают прохождение воздуха через них, поэтому горение внутри их слоя невозможно. Угольный штыб в печках не горит, разве что небольшими добавками, засыпанный поверх горящего угля.
- Топить можно семечкой, но она как правило, просыпается через колосниковые решетки всех котлов…
- Для домашнего отопления используется более дорогие фракции – орех и кулак.
- Плитный уголь еще дороже, но в домашних условиях его разбивают на более мелкие части.
В угольной золе остается много несгоревших элементов. Золу, после сжигания, рачительные хозяева просеивают на металлической решетке 5 мм, и все крупное недогоревшее отправляют обратно в котел вместе со свежей порцией.
Таким образом экономится 10 – 15% топлива.
Угольную пыль пробуют смачивать в лепешки, которые сушат, и в виде окатышей подают в котел.
Как правильно топить углем
Если в зону горения не додавать кислород, то вместо углекислого газа образуется угарный – CO, КПД от неполного сжигания уменьшается на 20 – 50%. Современные котлы обеспечивают подачу вторичного воздуха, для дожига СО и сажестых частиц при высокой температуре. Со старом же оборудованием, с печками, нужен практический навык по подаче воздуха поверх горящих углей для лучшего дожига и препятствия выброса несгоревших газов в атмосферу.
Подача большого количества первичного воздуха прямо в горящий уголь может сделать из котла кузнечный горн, повлечь за собой быстрое сгорание большой массы угля, резкое увеличение температуры выходящих газов до 1500 град и оплавление оборудования, воспламенение сажи в дымоходе, резкое падение КПД в несколько раз, из-за выноса энергии в трубу.
КПД угольного сгорания можно отслеживать по температуре исходящих газов, которая не должна повышаться.
Воздуха должно быть столько, чтобы происходило полное сгорание топлива без СО и в тоже время не наблюдался рост температуры в дымоходе выше нормы. Как правило, современные угольные котлы умеют сжигать топливо нужным образом с максимальным КПД порядка 78%.
Как сделать длительное горение угля
Нормальное длительное горения с высоким КПД получается лучше на современном оборудовании. Но и на старых котла и печах, можно отыскать оптимальное примерное открытие нижних и верхних заслонок, чтобы обеспечить нормальную подачу воздуха поверх топлива, для дожига СО на теплообменнике.
Например, обычная старая угольная печка предусматривала такие регулировки:
- «поддувало закрыто»,
- «две верхние конфорки приоткрыты»,
— тогда порция угля тлеет – происходит длительное горение, но дожиг газов, как правило, полный.
В современных котлах за подобными режимами следит само оборудование.
Угольные котлы повышенной мощности (возможна большая загрузка) от известных производителей с подачей вторичного воздуха подойдут как дешевый и универсальный вариант домашнего отопления.
В них можно сделать длительное горение большой загрузки угля путем перераспределения подачи воздуха.
Автоматизированные котлы, сейчас все более популярны. У них длительность горения обеспечивается угольным бункером и постоянной подачей в зону горения малых порций. Причем оборудование не обязательно слишком дорогое. Котлы с бункером, из которого топливо подгружается под собственным весом имеют демократичную цену. Котлы со шнековой подачей подороже, но умеют немного больше. Таким образом бункер позволяет не беспокоиться ежесуточно по поводу подброски топлива. Горение же идет, как правило, малыми порциями, но с полной подачей воздуха без образования больших объемов СО – Европейские экологические требования к оборудованию.
В любом случае повышенную длительность горения угля обеспечит в первую очередь оборудование под большую загрузку, — в бункер или непосредственно в топку. На этом соображении и строится выбор котла под уголь.
Какой уголь выбрать
Уголь залегает в земной коре в виде пластов.
Каждый из них маркирован и имеет свои качественные характеристики. Но даже в одном пласте, но в разных районах, уголь может сильно отличаться по качеству – меняются степень метаморфизма, количество золы, летучие, сера, влажность…
Для энергетики наиболее ценны угли с высшей степенью метаморфизма, с наибольшим процентом углерода С в составе. Это Антрациты и близкие к ним, которым присвоены марки Полуантрациты и Тощие угли.
Лучшими для отопления окажутся угли, относящиеся к антрацитам и полуантрацитам с обогатительной фабрики, фракций орех и кулак.
По регионам добычи, — лучшие энергетические угли добывались ранее в Донбассе, но в последнее время добыча сильно уменьшена, и на рынке такие угли встретить сложно. Во всяком случае лучшими для домашнего отопления считались антрациты Донбасских пластов Н2 Ремовский, Н2-1 Подремовский, Н-8 Фоминской. Известен рекорд теплотворности килограмма угля, добытого в 70-е годы с пласта Фоминской со значением 9800 кВт/ч, — фактически чистый углерод…
Сейчас дешевле приобрести угли с Кузбаса и Экибастуза, несмотря на протяженную доставку.
Нужно спрашивать угли с энергетических пластов Кузбасса.
В купленном угле должно быть минимальное количество:
- штыба, пыли, которые практически не сжигаются и плохо влияют на процесс горения, заштыбовывая котел, ограничивая доступ кислорода к крупным кускам;
- породы – куски породы в угле – это брак обогащения или специальный подмесс на разных стадиях торговли.
Продавца лучше сразу предупредить о том, что вы откажетесь приобрести уголь со штыбом и породой. Заказывайте уголь фракций орех и кулак малой порцией, на проверку, как правило продавец имеет запас на весь сезон, и можно будет докупить топливо в случае его хорошего качества.
Как работает уголь | Союз обеспокоенных ученых
Уголь десятилетиями обеспечивал электроэнергию Соединенных Штатов. Он также является основным фактором глобального потепления и оказывает серьезное негативное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.
Но, несмотря на то, что в период с 1981 по 2008 год [1] производилось более половины электроэнергии в Соединенных Штатах [1], производство электроэнергии из угля сокращается — его в значительной степени заменяет другое ископаемое топливо, природный газ, а также альтернативные экологически чистые источники энергии, такие как ветер, солнце и электроэнергия.
энергоэффективность.
Длительное нагревание и давление помогают формировать различные виды угля.
Источник: Адаптировано из Университета Кентукки
.Как образуется уголь
Как образуется уголь
Уголь образуется, когда мертвое растительное вещество, погруженное в болотную среду, подвергается воздействию геологических сил тепла и давления на протяжении сотен миллионов лет. Со временем растительное вещество превращается из влажного низкоуглеродистого торфа в уголь, черную или коричневато-черную осадочную породу с высокой плотностью энергии и углерода.
Уголь сам по себе имеет широкий спектр свойств и может быть разделен на четыре основных типа или ранга: бурый уголь, полубитуминозный, битуминозный и антрацитовый – в порядке увеличения содержания углерода и энергии. Большая часть угля, сжигаемого на электростанциях США, представляет собой битуминозный или суббитуминозный уголь.
Пятый тип, называемый металлургическим (или «коксующимся») углем, используется для производства стали.
Все виды угля также содержат серу , которая при сгорании выделяет в воздух токсичные загрязнения. Содержание серы определяется условиями образования угля. Месторождения угля с низким содержанием серы развиваются в пресноводных средах; месторождения с высоким содержанием серы происходят из солоноватых болот или морской среды [1].
В Соединенных Штатах содержание серы в угле варьируется в зависимости от географического положения: большинство, хотя и не все, восточных углей содержат большое количество серы, а западные – намного меньше.
Шахта в Вайоминге.
Фото: Грег Гебель/CC BY-SA (Flickr)
Как добывают уголь
Как добывают уголь
В 2016 году в США было сожжено около 728 миллионов тонн угля, что достаточно для заполнения обычного железнодорожного вагона каждые 4 секунды [3]. На сектор электроэнергетики приходилось более 90 процентов всего угля, используемого в Соединенных Штатах, а остальное сжигается в промышленных и коммерческих целях.
Весь этот уголь поступает из шахт, которые находятся либо под землей, либо над землей («поверхность»). Обе формы несут серьезные экологические последствия, и обе считаются чрезвычайно опасными: подземная добыча полезных ископаемых остается одним из самых опасных занятий в Соединенных Штатах, ежегодно убивая десятки горняков.
Источник: Комиссия по ценным бумагам и биржам США
.Подавляющее большинство подземной добычи угля приходится на два доминирующих метода: «камерно-столбовая» и «лавная» добыча.
При камерной и столбовой разработке пласты угля частично вырабатываются, оставляя нетронутыми большие столбы угля, поддерживающие вышележащие слои породы. Закончив, горняки практикуют «отступную» добычу, извлекая как можно больше угля из оставшихся столбов, когда они идут в обратном направлении, позволяя кровле пласта обрушиться.
Источник: Комиссия по ценным бумагам и биржам США
.
Добыча длинными забоями включает прорубку длинных тоннелей в угольном пласте и удаление извлеченного угля ленточным конвейером. Пока горняки и техника перемещаются вдоль пласта, гидравлическая система поддержки временно удерживает скальный свод на месте.
В настоящее время как камерно-столбовая, так и лавная выемка ведутся очень мощными горными машинами, которые быстро вырубают уголь из забоя угольных пластов. Эти машины постепенно вытеснили менее производительные и более опасные методы, требующие периодического бурения угольного пласта и подрыва его взрывчаткой.
Открытая разработка применяется, когда угольные пласты расположены близко к поверхности. Он зависит от очень крупного оборудования и требует гораздо меньше рабочих на единицу угля.
Сначала с непосредственной поверхности удаляются растительность и почва. Большой промежуточный слой отложений и горных пород, называемый в отрасли «вскрывающей породой», затем взрывается и удаляется либо с помощью процесса, называемого «драглингом», либо большими грузовиками.
После обнажения нижележащий угольный пласт удаляется полосами и вывозится ленточным конвейером или грузовиком.
По закону владельцы открытых карьеров обязаны восстанавливать и заново засаживать затронутые участки, хотя успешно рекультивированные площади относительно невелики по сравнению с акрами вновь разрабатываемой земли [8].
Хотя добыча угля долгое время наносила ущерб окружающей среде, наиболее разрушительным методом добычи на сегодняшний день является относительно новый тип добычи открытым способом, называемый удалением вершин гор или MTR. В настоящее время практикуемый в южной части Западной Вирджинии, юго-западной Вирджинии и восточном Кентукки, MTR требует срезать все деревья с вершины горы и взорвать вершину на несколько сотен футов взрывчаткой.
Образовавшиеся обломки затем сбрасываются в соседние долины, засыпая ручьи и серьезно — и безвозвратно — воздействуя на местную окружающую среду.
Шахты по расчистке горных вершин оставляют после себя выровненные участки с настолько бедными почвами, что они могут поддерживать только экзотические травы, вытесняя разнообразные и экологически важные лесные экосистемы.
Воздействия включают потерю и фрагментацию экосистемы, повышенный риск местных наводнений и стоков, загрязнение местных ресурсов подземных вод и случайные несчастные случаи со смертельным исходом.
Только в Центральных Аппалачах угольные месторождения покрывают 48 000 квадратных километров (примерно 10,7 миллиона футбольных полей) горных вершин и долин Аппалачей, вытесняя существующие аппалачские леса и загрязняя или погребая более 4 процентов рек региона [15].
Карта угольных месторождений США.
Источник: ОВОС
Откуда берется уголь
Откуда берется уголь
Хотя в настоящее время уголь добывается в 25 штатах, основные источники угля в США очень сконцентрированы. В 2016 г. почти 58% всего добываемого в США угля приходилось всего на три штата — Кентукки, Западную Вирджинию и Вайоминг, на каждый из которых приходилось соответственно 6, 11 и 40% добычи угля в США [6].
В 1950 году подземные шахты, большинство из которых находились в Аппалачах, добывали 421 миллион коротких тонн, или 75 процентов американского угля.
С тех пор добыча открытым способом обогнала подземную добычу, на долю которой в 2016 году приходилось 64 процента производства. В 2016 году крупнейшим источником угля в США был Вайоминг, большая часть которого поступала из огромного бассейна Паудер-Ривер [6].
Несмотря на то, что Вайоминг производит большую часть угля в стране, в 2016 году в штате работало всего 5 756 шахтеров, или 11 процентов от 51 79 шахтеров страны.5 шахтеров. Это отражает крупномасштабную деятельность карьеров, на которых требуется гораздо меньше сотрудников. Напротив, в Западной Вирджинии в 2016 году работал 11 561 горняк, или 22 процента от общего числа шахтеров в стране.
Хотя на этот переход повлияло снижение производственных затрат, повлияло и содержание серы в угле. Закон о чистом воздухе, особенно после принятия поправок в 1990 году, привел к переходу на уголь с низким содержанием серы в качестве одного из основных методов сокращения выбросов диоксида серы на угольных электростанциях. Поскольку преимущественно суббитуминозный уголь к западу от Миссисипи выделяет гораздо меньше серы на единицу энергии, эта тенденция благоприятствовала западным карьерам как доминирующему источнику новой добычи угля.
Это также увеличило использование добычи с удалением горных вершин в Центральных Аппалачах по тем же причинам - классический пример непредвиденных последствий.
Как перерабатывается уголь
Как перерабатывается уголь
Перед отправкой на большие расстояния уголь проходит процесс подготовки для снижения транспортных расходов и подготовки его к использованию на электростанциях. Подготовка обычно включает дробление угля и удаление тяжелых посторонних неугольных материалов.
Если уголь содержит большое количество серы или других примесей, его промывают водной или химической ванной, удаляя до 40 процентов неорганической серы из угля.
Не весь уголь готовится с использованием одного и того же процесса. Уголь с высоким содержанием серы обычно подвергается промывке в соответствии с экологическими нормами, в то время как уголь с низким содержанием серы часто измельчается и изменяется размер без промывки. К сожалению, загрязняющие вещества и неугольные материалы, удаляемые во время промывки, должны куда-то уходить и обычно остаются в больших прудах для сточных вод, известных как «шламовые» резервуары или водохранилища.
Только в Аппалачах насчитывается более 700 таких резервуаров, в которых хранятся сотни миллионов галлонов шахтных отходов. Загрязняющие вещества из этих резервуаров могут легко попадать в поверхностные и грунтовые воды; в крайних случаях дамбы, удерживающие эти водохранилища, могут разрушиться, затапливая местные водотоки и подвергая риску как дикую природу, так и живущие ниже по течению сообщества.
Объем отходов переработки угля может быть значительным; В 2010 г. 35-40% сырого угля, поступающего на типичные обогатительные фабрики, оставалось в виде отходов [11].
Около тридцати процентов движения грузовых поездов в США приходится на уголь.
Фото: Wsilver/CC BY (Flickr)
Как транспортируется уголь
Как транспортируется уголь
Поскольку уголь добывается только в нескольких регионах страны, его обычно необходимо транспортировать перед сжиганием на электростанции. Например, уголь из бассейна Паудер-Ривер в Вайоминге доставляется по железной дороге на электростанции даже в Джорджию.
Поезда перевозят примерно 70 процентов угля, перевозимого в США каждый год [9]. Баржи и грузовики перемещают еще 11 процентов, а остальные доставляются в основном трамваем, ленточным конвейером или пульпопроводом.
Чтобы дать представление о масштабе: на уголь приходится около одной трети всех грузовых поездов США. Эти поезда, а также грузовики и баржи работают на дизельном топливе — основном источнике токсинов в воздухе, оксида азота и сажи.
Распространенным методом снижения транспортных расходов является строительство электростанций, непосредственно прилегающих к шахтам, с использованием конвейерных лент для перемещения угля. Этим так называемым «шахтным устьям» требуются линии электропередач на большие расстояния.
В 2012 г. 37 штатов были нетто-импортерами угля, а 82% импортируемого угля приходилось всего на три штата (Вайоминг, Западная Вирджиния и Кентукки) [10]. Исследование UCS 2014 года показало, как импорт угля заставил эти 37 штатов отправить миллиарды долларов из штата вместо того, чтобы инвестировать деньги в местную экономику.
Как сжигается уголь
Как сжигается уголь
Почти все угольные электростанции, работающие сегодня, используют технологию «угольной пыли» (ПУ), которая включает измельчение угля, сжигание его для получения пара и прогон пара через турбину для генерировать электроэнергию.
Более новая технология, известная как комбинированный цикл интегрированной газификации (IGCC), преобразует уголь в газ, пропускает газ через турбину внутреннего сгорания для выработки электроэнергии и использует избыточное тепло от этого процесса для выработки дополнительной электроэнергии с помощью паровой турбины (отсюда термин «комбинированный цикл»).
В дополнение к двуокиси углерода, обсуждаемой ниже, все угольные электростанции производят следующие загрязняющие вещества:
- Двуокись серы, которая приводит к кислотным дождям. Сжигание угля является основным источником выбросов двуокиси серы в США.
- Оксиды азота, основные источники образования приземного озона (смога) и респираторных заболеваний.
- Твердые частицы (сажа), которые вызывают дымку и могут вызывать хронический бронхит, обострение астмы и преждевременную смерть (как двуокись серы, так и оксиды азота превращаются в твердые частицы в атмосфере).
- Ртуть, нейротоксин, который может загрязнять водные пути, делать рыбу небезопасной для употребления в пищу и вызывать врожденные дефекты. Как и в случае с двуокисью серы, сжигание угля является основным источником выбросов ртути в Соединенных Штатах.
- Углеводороды, окись углерода, летучие органические соединения (ЛОС), мышьяк, свинец, кадмий 8 и другие токсичные тяжелые металлы.
После сжигания угля оставшаяся зола и шлам часто выбрасываются на нефутерованные и неконтролируемые свалки и резервуары. Тяжелые металлы и токсичные вещества, содержащиеся в этих отходах, могут загрязнять источники питьевой воды и наносить ущерб местным экосистемам, а вышедшие из строя водохранилища могут затоплять угольные отходы в близлежащие районы.
Уголь и глобальное потепление
Уголь и глобальное потепление
Из многих рисков для окружающей среды и здоровья населения, связанных с углем, наиболее серьезным с точки зрения его универсальных и потенциально необратимых последствий является глобальное потепление.
Научное сообщество пришло к единому мнению, что климат Земли нагревается — с потенциально разрушительными последствиями в будущем — и что в значительной степени виновата деятельность человека, такая как сжигание ископаемого топлива и вырубка лесов.
Последствия глобального потепления включают повышение уровня тюленей и затопление прибрежных районов; более частые и интенсивные волны тепла; широкомасштабный экологический ущерб, включая, среди прочего, гибель лесов и исчезновение видов.
Электростанции, работающие на угле, являются крупнейшим источником выбросов CO2 в энергетическом секторе США, и в 2016 году на их долю приходилось 24 процента всех выбросов углекислого газа, связанных с энергетикой [14].
Китай, Индия и многие другие промышленно развитые страны полагаются на огромные запасы угля для производства электроэнергии. Несмотря на важные шаги по повышению энергоэффективности и инвестированию в возобновляемые источники энергии, Китай превзошел США по годовым выбросам CO2 и может значительно увеличить добычу угля.
Эти тенденции подчеркивают необходимость для Соединенных Штатов инвестировать в недорогие альтернативы углю и повышать их доступность на международном уровне.
Уголь и контроль за загрязнением
Уголь и контроль за загрязнением
Часть существующих и все новые заводы предлагают некоторые технологии контроля загрязнения для сокращения их выбросов, особенно двуокиси серы и твердых частиц.
Общие методы борьбы с загрязнением включают скрубберы и фильтры. Скрубберы используют влажную известняковую суспензию для поглощения загрязняющих веществ по мере их прохождения. Фильтры представляют собой наборы больших тканевых мешков, которые улавливают частицы, когда они проходят через ткань. Более мелкие частицы с меньшей вероятностью поглощаются и могут выходить из дымовой трубы в воздух.
Технология IGCC дороже, чем технология пылеугольного топлива, но имеет определенные экологические преимущества. В то время как современные средства контроля загрязнения оксидами азота, диоксидом серы и твердыми частицами могут значительно сократить выбросы пылеугольных электростанций (на 90–99 процентов), установки IGCC способны еще больше сократить выбросы.
Кроме того, проще и дешевле улавливать и утилизировать ртуть с установки IGCC, чем с установки по производству пылеугольного топлива, что приобрело все большее значение после того, как в 2011 году вступили в силу ограничения на использование ртути [12].
В настоящее время имеющиеся в продаже технологии управления, которые можно использовать на угольных электростанциях для сокращения выбросов CO2, стоят дорого. Однако улавливание и хранение углерода (CCS) — это новая технология, которая может позволить операторам установок улавливать CO2, транспортировать его на место «геологического связывания» и закачивать в землю для постоянного хранения.
Что касается улавливания углерода, IGCC имеет дополнительное преимущество перед технологией пылеугольного топлива. Поскольку процесс газификации позволяет отделять и улавливать CO2 перед сгоранием газ все еще находится в относительно концентрированной и сжатой форме. Пылеугольные установки могут улавливать CO2 только после сжигания , когда он гораздо более разбавлен и его труднее отделить, что увеличивает затраты на внедрение CCS.
Ожидается, что технологии предварительного и последующего сжигания будут улавливать от 85 до 95 процентов выбросов CO2 на предприятии. Однако улавливание и сжатие CO2 является очень энергоемким процессом, что приводит к значительному сокращению количества чистой энергии, которую завод может производить.
Ожидается, что современные методы улавливания CO2 на пылеугольных электростанциях снизят выработку энергии электростанцией на четверть или более (при условии, что CCS встроена в первоначальный проект электростанции, а не добавлена в качестве модернизации, и в этом случае это еще больше снизит выходную мощность).
Несмотря на то, что потери на выходе для установок IGCC будут меньше, все же ожидается снижение более чем на 15 процентов. Принимая во внимание вероятное дополнительное топливо, используемое для обеспечения процесса удаления CO2, фактическое количество CO2, которого удается избежать на единицу электроэнергии, упадет до 80 или 9.0-процентный диапазон [13].
UCS поддерживает постоянные федеральные стимулы для исследований CCS, поскольку технология CSS будет играть важную роль в переходе к чистой энергии в будущем.
Число шахтеров в США резко сократилось за двадцатый век.
Источник: Национальная горнодобывающая ассоциация и EIA
.Сообщества угольщиков
Сообщества угольщиков
Мужчины и женщины в касках, глубоко под землей, работающие для того, чтобы свет в США горел: этот образ врезался в наше национальное воображение. В какой-то момент в угледобывающей промышленности США работало много сотен тысяч человек, часто проживающих в сельских общинах, где добыча полезных ископаемых представляла наилучшие возможности для достойного и стабильного дохода.
Но благодаря механизации, повышению эффективности и переходу к менее трудоемкой открытой добыче, занятость в угольной промышленности сократилась на протяжении второй половины двадцатого века, хотя производство продолжало неуклонно расти.
Сегодня во всей угольной промышленности, включая шахты и электростанции, занято около 160 000 человек. Для масштаба солнечная промышленность обеспечивает 374 000 рабочих мест в США, причем большинство из этих людей — 261 000 — работают на солнечной энергии по крайней мере половину рабочего дня.
Если вы работаете шахтером или живете в шахтерском поселке, переход на новый уровень был трудным. Угольные шахты часто являются крупнейшими работодателями в местных сообществах, а иногда представляют собой наилучшую возможность обеспечить семью, не говоря уже о налоговой базе, которая поддерживает местные школы и службы.
Но цифры занятости не говорят всей истории. В угольных шахтах США погибло больше мужчин и женщин, чем всех жителей Соединенных Штатов, погибших во Вьетнаме, войне в Персидском заливе и войне в Ираке вместе взятых. Черные легкие, астма, рак и другие изнурительные состояния непропорционально сильно влияют на сообщества угольщиков; то же самое можно сказать и о неврологических расстройствах, проблемах развития у детей и других проблемах, вызванных загрязнением воздуха.
Будущее угля
Будущее угля
Уголь находится в упадке. В 2011 г. совокупная стоимость четырех ведущих угольных компаний составляла 34 млрд долл. США: к 2016 г. их стоимость оценивалась в 150 млн долл. США [18]. Поскольку двуокись углерода становится все более важной для регулирования и ограничения, а также при отсутствии успешных технологий улавливания и связывания углерода, добыча угля, вероятно, продолжит сокращаться.
Причины падения добычи угля структурные, а не циклические. Старение угольных электростанций, дешевая цена на природный газ, воздействие угля на окружающую среду и нормативные акты, направленные на смягчение этого воздействия, являются основными причинами. Ветряные и солнечные технологии также становятся все более конкурентоспособными по стоимости и будут продолжать вытеснять уголь на рынке.
Но даже при упадке угольной промышленности США по-прежнему прогнозируется, что они войдут в тройку крупнейших стран-потребителей угля, наряду с Китаем и Индией [22].
Учитывая настоятельную необходимость сокращения выбросов парниковых газов и учитывая огромный вклад угольной энергетики в эти выбросы, UCS стремится уменьшить зависимость страны от угля и одновременно инвестировать в угольные сообщества.
Снижение потребления угля уменьшит выбросы, и улучшат здоровье населения, снизят воздействие на окружающую среду и сделают экономику США более чистой и сильной.
Ссылки:
[1] Управление энергетической информации. 2016. Ежегодный энергетический обзор. Таблица 8.4b Потребление электроэнергии для производства по источникам энергии: сектор электроэнергетики, 1949-2011 гг.
[2] Управление энергетической информации. 2016. Какова выработка электроэнергии в США по источникам энергии?
[3] Управление энергетической информации. 12 июля 2016 г. Краткосрочный отчет о перспективах энергетики – Уголь
[4] Управление энергетической информации. 10 февраля 2016 г. Инвестиции в горнодобывающую и геологоразведочную деятельность США в 2015 г.
сократились на 35%
[5] Управление энергетической информации. 7 июля 2015 г. Добыча угля с использованием горных выемок сократилась на 62% с 2008 г.
[6] Управление энергетической информации. Ноябрь 2017 г. Годовой отчет по углю за 2016 г.
[7] Управление энергетической информации. 3 сентября 2015 г. Производительность труда шахтера в час растет по мере закрытия небольших угольных шахт
[8] Кеннеди, Брюс. Добыча полезных ископаемых. МСБ 1990, с. 68
[9] Управление энергетической информации. 26 января 2015 г. Добыча и транспортировка угля.
[10] Союз неравнодушных ученых. 2014. Burning Coal, Burning Cash: рейтинг штатов, импортирующих больше всего угля. 2014 Update
[11] Yoginder P.C. и П.Т. Бехум. 2014. Практика обращения с угольными отходами в США: обзор. Int J Coal Sci Technol (2014) 1: 163. https://doi.org/10.1007/s40789-014-0023-4.
[12] Агентство по охране окружающей среды. 2016. Регулирующие действия – Окончательные стандарты ртути и токсичных веществ в воздухе (MATS) для электростанций
[13] Агентство по охране окружающей среды.
10 июля 2015 г. Обзор литературы по технологии улавливания углерода
[14] Управление энергетической информации. 16 мая 2017 г. Каковы выбросы углекислого газа в США, связанные с энергетикой, по источникам и секторам? Ссылка: https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=75&t=11
[15] Агентство по охране окружающей среды. Март 2011 г. Влияние шахт на вершинах гор и насыпей долин на водные экосистемы угольных месторождений Центральных Аппалачей
[16] Министерство труда США. 2016. Правило о вдыхаемой пыли: исторический шаг вперед в усилиях по искоренению черной болезни легких
[17] Ассоциация американских железных дорог. 2016. Данные о грузовых железнодорожных перевозках. (630 млн т угля из общего объема 1720 млн т)
[18] Rhodium Group. 15 декабря 2017 г. Скрытая причина коллапса угля в Америке
[19] Управление энергетической информации. 2016. Обозреватель данных по углю — общее количество шахт по добыче угля, США, активные
[20] Управление энергетической информации.
1 марта 2016 г. Солнечная энергия, природный газ и ветер составляют большую часть прироста генерации в 2016 г.
[21] Гринтек Медиа. 13 августа 2015 г. Новые данные NREL предполагают, что ветер может заменить уголь в качестве основного источника выработки электроэнергии в стране
[22] Управление энергетической информации. 11 мая 2016 г. International Energy Outlook 2016 – Глава 4. Уголь
Связанные ресурсы
Сжигание угля, ископаемое топливо, загрязнение
Жарким августовским днем на юго-западе Индианы гигантская электростанция Gibson работает на полную мощность. Его пять котлов высотой 180 футов (54,9 метра) поглощают 25 тонн (22,7 метрических тонны) угля каждую минуту, направляя пар с температурой в тысячу градусов через турбины, которые производят более 3000 мегаватт электроэнергии, 50 процентов. больше, чем плотина Гувера. Система охлаждения завода изо всех сил старается не отставать, а в диспетчерской чирикают предупреждения о повышении температуры выхлопных газов.
Но в такой день нельзя отступать, когда кондиционеры гудят по всему Среднему Западу, а спрос на электроэнергию приближается к рекордному уровню. Gibson, одна из крупнейших электростанций в стране, является опорой электроснабжения региона, обеспечивая электроэнергией три миллиона человек. Выйдя из душного завода в кондиционированные офисы, Анджелина Протожер из Cinergy, коммунального предприятия в Цинциннати, которому принадлежит Gibson, с благодарностью говорит: «Вот почему мы производим всю эту мощность».
В следующий раз, когда вы включите кондиционер или включите DVD, подумайте о таких местах, как Gibson, и о грязном топливе, которое он потребляет из расчета три поезда по 100 вагонов в день. Электростанции, работающие на угле, подобные этой, обеспечивают Соединенные Штаты половиной электроэнергии. Они также выделяют смесь вредных веществ, в том числе двуокись серы — основную причину кислотных дождей — и ртуть. И они выбрасывают столько же согревающего климат углекислого газа, сколько американские автомобили, грузовики, автобусы и самолеты вместе взятые.
То здесь, то там, в небольших демонстрационных проектах, инженеры изучают технологии, которые могли бы превратить уголь в энергию без этих экологических затрат. Тем не менее, если коммунальные предприятия не начнут строить такие заводы в ближайшее время — а их будет много — в будущем, вероятно, будет гораздо больше традиционных станций, таких как Gibson.
Ненасытное потребление электричества прошлым летом было лишь предварительным просмотром. По данным Министерства энергетики, стремление американцев к большим домам, наряду с ростом населения на Западе и зависящим от кондиционеров Юго-Востоке, поможет увеличить аппетит США к энергии на треть в течение следующих 20 лет. А в развивающемся мире, особенно в Китае, потребности в электроэнергии будут расти еще быстрее, поскольку фабрики расцветают, а сотни миллионов людей покупают свои первые холодильники и телевизоры. Большая часть этого спроса, вероятно, будет удовлетворена за счет угля.
В течение последних 15 лет коммунальные предприятия США, нуждающиеся в увеличении мощности, в основном строили электростанции, работающие на природном газе, относительно чистом топливе. Но почти утроение цен на природный газ за последние семь лет привело к остановке многих газовых электростанций и затормозило новое строительство. Ни ядерная энергия, ни альтернативные источники, такие как ветер и солнечная энергия, вряд ли смогут удовлетворить спрос на электроэнергию.
Между тем, более четверти триллиона тонн угля лежит под ногами, от Аппалачей через бассейн Иллинойса до Скалистых гор — этого достаточно, чтобы продержаться 250 лет при сегодняшнем уровне потребления. Вы слышите это снова и снова: США — это угольная Саудовская Аравия. В настоящее время в США проектируется или строится около 40 угольных электростанций. Китай, также богатый углем, может построить несколько сотен к 2025 году9.0003
Добыча достаточного количества угля, чтобы удовлетворить этот растущий аппетит, нанесет ущерб землям и сообществам. Из всех ископаемых видов топлива уголь выделяет больше всего углекислого газа на единицу энергии, поэтому его сжигание представляет дополнительную угрозу глобальному климату, который уже вызывает тревогу. Благодаря настоянию правительства угольные предприятия сократили выбросы таких загрязняющих веществ, как двуокись серы и оксиды азота, установив такое оборудование, как скрубберы размером со здание и каталитические установки, расположенные за заводом Gibson. Но углекислый газ, вызывающий глобальное потепление, просто идет вверх по трубам — почти два миллиарда тонн его ежегодно выбрасываются на угольных электростанциях США. В течение следующих двух десятилетий эта сумма может вырасти на треть.
Нет простого способа уловить весь углекислый газ на традиционной угольной станции. «Прямо сейчас, если вы возьмете растение и наденете 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 изменить это.
В ста милях (161 км) вверх по реке Вабаш от завода Гибсона находится небольшая электростанция, которая совсем не похожа на гигантские котлы и паровые турбины Гибсона. Этот похож на нефтеперерабатывающий завод, сплошь баки и серебристые трубы. Вместо сжигания угля электростанция Wabash River химически преобразует его в процессе, называемом газификацией угля.
Завод Вабаш смешивает уголь или нефтяной кокс, похожий на уголь остаток нефтеперерабатывающих заводов, с водой и чистым кислородом и перекачивает его в высокий резервуар, где огненная реакция превращает смесь в горючий газ. Другое оборудование удаляет серу и другие загрязняющие вещества из так называемого синтез-газа, прежде чем он будет сожжен в газовой турбине для производства электроэнергии.
Очистка несгоревшего синтез-газа дешевле и эффективнее, чем попытки просеять загрязняющие вещества из выхлопных газов электростанции, как это делают скрубберы на заводах типа Gibson. «Эту электростанцию называют самой чистой угольной электростанцией в мире», — говорит Стивен Вик, генеральный менеджер объекта Wabash. «Мы очень гордимся этим отличием».
Синтез-газ можно даже перерабатывать, удаляя углекислый газ. Завод в Вабаше не пошел на этот шаг, но будущие заводы могли бы это сделать. Газификация угля, по словам Вика, «это технология, предназначенная для полного удаления CO2». Углекислый газ можно закачивать глубоко под землю, в истощенные нефтяные месторождения, старые угольные пласты или заполненные жидкостью породы, изолируя их от атмосферы. И в качестве бонуса удаление углекислого газа из синтетического газа может оставить чистый водород, который может питать новое поколение экологически чистых автомобилей, а также генерировать электроэнергию.
Завод Вабаш и аналогичный ему недалеко от 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 погребенный углекислый газ, чтобы быть уверенным, что он не просочится наружу, что представляет собой потенциальную угрозу для климата или даже людей. Но Фридманн говорит: «Для первого монтажа у нас достаточно информации, чтобы сказать: «Это не проблема. Мы знаем, как это сделать»»9.0003
Однако это не гарантирует, что коммунальные предприятия примут технологию газификации. «Тот факт, что это доказано в Индиане и Флориде, не означает, что руководители собираются делать на это ставку на миллиарды 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. Технология также стоит на целых 20 процентов больше. Самое главное, у компании мало стимулов брать на себя дополнительный риск и расходы на более чистые технологии: на данный момент коммунальные предприятия США могут свободно выбрасывать столько углекислого газа, сколько захотят.
Генеральный директор Cinergy Джеймс Роджерс, человек, отвечающий за Gibson и восемь других заводов по выбросу углерода, говорит, что ожидает, что это изменится. «Я верю, что в этой стране у нас будет регулирование выбросов углерода», — говорит он и хочет, чтобы его компания была готова. «Чем раньше мы приступим к работе, тем лучше. Я считаю очень важным, чтобы мы развили способность улавливать углерод». Роджерс говорит, что намерен построить промышленную газификационную электростанцию, способную улавливать углекислый газ, и несколько других компаний объявили о подобных планах.
Законопроект об энергетике, принятый в июле прошлого года Конгрессом США, предлагает помощь в виде кредитных гарантий и налоговых льгот для проектов газификации. «Это должно дать толчок делу», — говорит Розенберг, выступавший за эти меры в показаниях перед Конгрессом. Опыт строительства и эксплуатации первых нескольких станций должен снизить затраты и повысить надежность. И рано или поздно, говорит Роджерс, новые экологические законы, устанавливающие цену на выбросы двуокиси углерода, сделают чистые технологии гораздо более привлекательными. «Если стоимость углерода составляет 30 долларов за тонну, просто поразительно, какие технологии будут развиваться, чтобы вы могли производить больше электроэнергии с меньшими выбросами».
