Kivisüsi , pruunsüsi antratsiit (1)

Referaat
Kivisüsi, pruunsüsi ja antratsiit
Koostajad : Mathias Erik Tempel
Liis Viljak ( Andres)
Erich Jagomägis
Klass:11b
Õpetaja : Helgi Muoni
Tartu Kivilinna Gümnaasium 2008
Sissejuhatus
Tehakse vahet taastuvate ja mittetaastuvate kütuste vahel. Mittetaastuvad ehk fossiilsed kütused on geoloogilises minevikus elanud organismide jäänused: nafta , kivisüsi, põlevkivi jms. Need moodustusid miljoneid aastaid tagasi pikaajaliste ning eriliste geoloogiliste protsesside tulemusena. Nende varud on lõpliku suurusega, mittetaastuvad. Isegi turvas , mis kasvab n-ö meie silmade all, moodustub sedavõrd aeglaselt, et me ei saa seda nimetada taastuvaks maavaraks. Taastuvad kütused on näiteks puit ja nn biokütused – sõnnik, põhk jm jäätmed.
Kütused, v.a tuumakütus, on üksiti ka keemiatööstuse tooraine . Neist saadakse süsinikuühendeid mitmesuguste materjalide ( plastmassid , kunstkiud) tootmiseks. Kui nafta ja maagaas on tekkinud bakterite ja vetikate biomassist, siis sootuks erinevad lood on põlevkivi, turba, pruunsöe, kivisöe ja antratsiidiga. Need on moodustunud taimede tselluloosi ja ligniini keemiliste muundumiste tagajärjel. Kuna kütused on pärit elusorganismidest, sisaldavad nad peale süsivesinike veel teisigi lisandeid, nagu lämmastiku ja väävli ühendeid. Lisandite hulk on kütustel väga erinev. Suur väävlisisaldus toob kaasa suure keskkonnasaaste nende põletamisel. Lähemalt räägimegi kolmest fossiilsest kütusest – pruunsöest, kivisöest ja antratsiidist.
Pruunsüsi
Pruunsüsi on pruunikas must kütus ning taimse päritoluga ja märksa noorem kui kivisüsi. Selle kütteväärtus on tunduvalt madalam kui kivisöel. Päritolult on pruunsüsi turba ja kivisöe vaheline nn. siirdeaste.
Selle kütuse kütteväärtus on 4440 kcal /kg. Pruunsüsi ehk ligniit on kivisöe madalaim aste ja seda kasutatakse kütusena aurupõhistes elektrijaamades. Sel on suur orgaanilise aine sisaldus: mõnikord küündib see kuni 66-protsendini. Tuhaprotsent on väga kõrge võrreldes näiteks kivisöega. Lõppude lõpuks pole pruunsöel mingeid kindlaid aineprotsente, sest sõltuvalt asukohast, need varieeruvad.
Pruunsöe omadustest
Pruunsöe kuumustaluvus ulatub 10 kuni 20 MJ/kg. Kuna see on madala kütteväärtusega, siis pruunsöega on mõttetu kaubelda ning seda eksportida. Sellega ei kaubelda erinevalt kõrgemate kivisöe astmete kütustega. See on sageli põletatud elektrijaamades, mis on püstitatud kaevanduste lähedusse, nagu näiteks Austraalia Latrobe orus. CO2 emissioon pruunsöel töötavatel jaamadel on palju suurem kui näiteks kivisöel põhinevatel elektrijaamadel.
Pruunsöe kaevandamine
Pruunsütt kaevandatakse veel Lõuna-Aafrikas, Indias ja Venamaal . Suurim pruunsöe tootja on Latrobe Valley Austraalias. Selle toodang moodustab 20% kogu maailma pruunsöest ning 98.5% Austraalias kaevandatavast pruunsöest.
Pruunsöe kasutamine
Pruunsütt kasutatakse keemiatööstuse toorainena ning kasutatakse elektrijaamades. Kuna see kütus sisaldab hulganisti orgaanilisi aineid ning süsinikuprotsent on väiksem kui kivisöel, on selle tuhaprotsent kõrgem ja selle põlemisel eraldub õhku rohkem saasteaineid .
Nagu iga fossiilse kütuse kaevandamisel, rikub ka pruunsöe kaevandamine maastikku ning tekitab veerežiimis olulisi muutusi. Kaevandamise tagajärjel hävinevad ka taimede kasvualad ning loomade elukeskkonnad. Pruunsöe põletamisel eraldub õhku saasteaineid, sealhulgas lämmastikku ja väävli ühendeid.
Kivisüsi
Kivisüsi (ing. keeles - coal ) on taimse päritoluga, musta värvusega kivim , mis koosneb peamiselt süsinikust, vesinikust, hapnikust ning väävlist. Kivisüsi on tekkinud miljoneid aastaid tagasi soodes ürgsete taimede lasunditena, mis on hiljem kattunud mitmesuguste setetega. Kõrgendatud temperatuuri ja rõhu mõjul mattunud taimede jäänused muundusid füüsikaliselt ja keemiliselt, mille tulemusena tekkis kivisüsi.
Kivisüsi on kõige enam süsinikuühendeid (süsinikdioksiid CO2) tootev fossiilne kütus. See sisaldab väävlit 0.5 kuni 2%. Kivimi ainete sisaldus varieerub suuresti leiukohast sõltuvalt. Kivisöe kütteväärtus sõltub tema süsinikusisaldusest. Kivisöe kütteväärtus on kuni 36 MJ/kg.
Kivisöe tekkimine
Kivisöe lademed hakkasid moodustuma Devoni ajastul, suurim kivisöe tekkimine leidis aset Karboni ajastul umbes 350-280 miljonit aastat tagasi Põhjapoolkeral ja Karboni/Permi ajastul 350-225 miljonit aastat tagasi Lõunapoolkeral. Hilisem kivisöe tekkimine leidis aset Triase ajastust kuni Tertsiaari ajastuni (100-15 miljonit aastat tagasi maakera eri piirkondades nagu Põhja ja Lõuna-Ameerikas, Indoneesias ja Uus- Meremaal ).
Söe metamorfoos
Kivisöe eelkäija, turvas, muundus esmalt ligniidiks või pruunsöeks, mille süsiniku sisaldus on madalaim. Järgnevate miljonite aastate jooksul, temperatuuri ja rõhu suurenemise mõjul, toimusid ligniidis muutused, mille tulemusena tekkisid sub-bitumenossed kivisöed. Edasise temperatuuri ja rõhu mõjul muutusid kivisöed kõvemaks ja tekkisid bitumenossed kivisöed (ing.k - bituminous coals) ja antratsiit. Neid nimetatakse ka kõvadeks kivisüteks (ing.k - hard coal).
Selline metamorfoos või kivisöestumine turbast antratsiidiks kannab endas olulist kivisöe keemilisi ja füüsikaliste omaduste erinevust ning seda nimetatakse sageli ka kivisöe kvaliteediks (ing.k - rank of the coal).
Koks
Koks on tahke karbonaatne sade eraldatud madala tuhaga ning madala väävlisisaldusega kivisöest, millest ebastabiilsed moodustised eraldatakse termotöötlemisel ahjus kus ei esine hapnikku . Protseduur viiakse läbi kuumutades ainet 1000 kraadi juures .
Koksi kasutatkse tööstuses ja metallurgias .
Koks on halli värvi , tugeva ja poorse ehitusega. Selle kütteväärtus ulatub 29.6 Mj/kg kohta
Kivisöe liigid
Ligniit ja sub-bitumenossed kivisöed nimetatakse ka madala kvaliteediga kivisöeks (ing.k - low rank coal), nad on pehmemad, nende niiskuse sisaldus on suur, süsiniku sisaldus ja kütteväärtus madalam. Pruunsüsi on suure niiskuse- ja lendosade sisaldusega, kaotab õhu käes kiiresti mehhaanilise tugevuse ja kaldub isesüttimisele. Pruunsütt kasutatakse peamiselt elektrijaamade kütusena. Kõrgema kategooria kivisöed on kõvemad, nende süsiniku sisaldus on suurem, niiskuse sisaldus väiksem, nad on mustemat värvi ja nende kütteväärtus on kõrgem. Antratsiit on vanim kivisöe liik, mille süsiniku sisaldus on kuni 94%.
Kivisöe kasutamisest
Kivisütt hakati kasutama 1600 aastatel esimeste aurumasinate kütusena. Elektri tootmisel kivisüsi põletatakse suurtes tolmpõletus või keevkiht kateldes. Kivisöe kütteväärtus on kõrge ja tema põletamine lihtne. Umbes 37% maailma elektrienergiast on toodetud kivisöest. Näiteks 91% kivisütt kasutatakse USA-s elektrienergia saamiseks ja 51% elektrienergiast USA-s saadakse kivisöest.
Kasutatakse elektrijaamades ja katlamajades, koksisöena metallurgias ja keemiatööstuse toorainena. See on fossiilsetest kütustest ainus, millega kaubeldakse maailmaturul.
Gaasistumine
Tõusvad maagaasi ja nafta hinnad juhivad aina rohkem tähelepanu tehnoloogiatele mis lubavad muuta kivisütt tahkest olekust gaasilisse ja vedelasse olekusse .
Kivisöe gaasistumine lagundab kivisütt osakesteks , tihti peale allutades seda suurele temperatuurile ja rõhule, kasutades veeauru ja kindlat kogust hapnikku . Tulemusel tekib süsinik monoksiidi (CO) ja vesiniku segu .
Vanasti muundati kivisüsi gaasilisse olekusse, mida juhiti tarbijatele ahjukütmiseks ja toidu valmistamiseks . Tänapäeval asendab seda maagaas mida peetakse ohutumaks. Lõuna-Aafrika kasutab gaasistunud kivisütt kuna nendel on naftasaaduste puudus.
Kivisüsi saab olla muundatud vedelaks kütuseks nagu diisel ja bensiin . Protsessis kasutatakse katalüüse mis moodustavad süsivesinikke mida hiljem töödeldakse vedelkütusteks .
Kõik selliste vedelkütuste valmistamisprotsessid vabastavad süsinik dioksiidi palju rohkem kui vedelkütuste valmistamine petrooliumist . Kuid plaanitakse ka vedeldamis projekte ,süsinik dioksiidi sekvesteerimine peab ära hoidma väärgaaside sattumist atmosfääri . Kuid selline protsess on aga kallim.
Kivisüsi kui elektritootja
Kolmekümne viimase aasta jooksul on elektri tootmisel kivisöe osatähtsus püsinud samal tasemel, 38-39 %, mis tähendab tema tarbimise absoluutväärtuse suurt tõusu, kuna selle aja jooksul on elektri toodang kasvanud ligi 3 korda. Samal ajal vedelkütuste osakaal elektri tootmisel on langenud 25 %-lt 7 %-le, veeenergia osakaal langenud 21 %-lt 16 %-le. Tõusnud on aga maagaasi osakaal elektri tootmisel 12 %-lt 19 %-le ja tuumaenergia osakaal 3,5 %-lt 16,5%-le.
Kütteväärtus
Kivisöe kütteväärtus on 24 MJ/kg .
Kui seda välja tuua kilowatt tundides siis see oleks 6.67 kWh/kg. Kivisöe elektrijaamade termodünaamilisuse efektiivsus on 30 % .See tähendab et 30 % kogu energiast õnnestub muundada elektriks . Seega kivisöel baseeruvad elektrijaamad toodavad 2kWh elektrit igalt kilogrammilt põletatud kivisöest.
Näiteks , 100 wattine arvuti vajab 876 kWh (100w * 24h* 365)= 876kWh. Muundades selle energia kivisöe massiks same 438 kilogrammi kivisütt. Nii palju on vaja kivisütt selleks et üks 100 wattine arvuti saaks töödata aasta ringselt . Kuid peab ka arvestama juhtme takistusega ja ka energia muundumisega soojuseks juhtmetes ja paljudest teistest faktoritest.
Kuna kivisüsi koosneb vähemalt 50 % süsinikust siis 1 kilo kivisütt sisaldab vähemalt 0.5 kg süsinikku , mis on 1/24 kmol. See reageerib hapnikuga atmosfääris põlemise protsessis moodustades süsinikdioksiidi , mille mass on 44 kg/kmol. 1/24 kmol CO2 tekib igast kilost kivisütt. 1/24 kmol * 44kg/kmol ~1.83kg . Kuna elektrijaamade termodünaamiline efektiivsus on 30% siis ~2 kWh /kg (kivisüsi) energiat toodetakse . Seega energia tootmis ja heitgaaside tekkimise suhe on 0.915 kg CO2 /kWh. Samas kui petrooliumi energia ja heitgaasi suhe on 890g CO2/kWh ja maagaasil on 600g CO2/kWh. See näitab milline fossiilne kütus on loodussõbralikum.
Kivisöe eeliseks on tema lai levik, ohutus transpordil, ladustamisel ja kasutamisel . Kivisöe suured varud lubavad garanteerida tarnekindluse konkurentsivõimeliste ja stabiilsete hindadega. Seepärast loetakse söe kasutamist energia tootmisel majanduslikuks.
Tehnoloogia
Kuna, nagu enne mainitud , kivisüsi on kõige enam süsinikuühendeid (süsinikdioksiid CO2) tootev fossiilne kütus. Ju sisaldab ka väävlit 0.5 kuni 2%. Kaasaaegsed kivisöe kasutamise puhtad tehnoloogiad ( clean coal technologies) lubavad kivisöe keskkonnasõbralikku kasutamist. Suitsugaaside desulfuriseerimise (väävlipuhastuse) seadmed on juba 10-15 aastat kasutusel ja ennast õigustanud. Samuti töötavad efektiivselt suitsugaasidest tahkete osakeste püüdmiseks kasutatavad elektrifiltrid.
Kasutamisel tulenevad probleemid
Probleemiks on kujunenud kasvuhoonegaaside (CO2) emissiooni vähendamine. Kui kolmkümmend aastat tagasi paisati õhku 15,7 milj. tonni CO2 siis nüüd juba 24,1 milj. tonni. Selles on OECD riikide osa nimetatud ajaperioodi jooksul vähenenud 65,9 %-lt 52,1 %-le, kuid Hiina osakaal on kasvanud 5,7 %-lt 13,7 %-le ja ülejäänud Aasia riigid 3,0 %-lt 9,4 %-le.
Küllalt suure osa CO2 emissioonist moodustab transpordi heitgaasidest tulenev. Viimase 10 aasta jooksul on Euroopa Liidu liikmesmaade transpordist tulenev kasvuhoonegaaside emissioon suurenenud 22 % ja autode arvu suurenemise tõttu võib ta 2010 aastaks kasvada 34 protsendini.
Kaevandamise kahjumõjud.
Kivisöe kaevandamine põhjustab erinevaid kahjulikke tegureid. Kui kivisöe pinnas on lahtikaevatud, siis rauasulfiid läheb kontakti vee ja õhuga tekitades väävelhapet. Sellega vesi voolab maapõue. Kui vihm sajab sorteerimisjääkidele , hapete tekkemine jätkub vaatamata kas kaevandus töötab või mitte. Seda protsessi nimetatakse kaevanduse hapete drenaaziks. Happed võivad liikuda põhjavetega veekogudesse hävitades loodust.
1930.aastate lõpuks Ameerika kivisöe kaevandused tekitasid 2.3 miljonit tonni väävelhapet aastas.
Kivisöe tulekahjud .
Maailmas on sadu kivisöetulekahjusid. Need mis põlevad maa all on raske märgata ja paljusi ei saa kustutada . Need tulekahjud võivad põhjustada maapinna vajumist. Põlemisel tekkivad heitgaasid on elule ohtlikud. Kui gaasid vabanevad maapinna peale, võivad need tekitada pinnapealseid tulekahjusid. Kivisüsi võib süttida iseenesest või kokkupuutudes tulega . Taimede põlemisel ( suvisel ajal ) võivad süttida ka naaber kivisöe allikad. Hiinas põleb aastas 109 miljonit tonni kivisütt väljaheites 200 miljonit tonni süsinikdioksiidi . See moodustab 2-3 % kogu maailmas väljaheidetud süsinikdioksiidist fossiilsetest kütustest aastas. Kuid see on ka samapalju kui eraldavad heitgaase kõik autod USA-s .
Antratsiit
Antratsiit on kõva, kompaktne variatsioon mineraalsest söest, mil on suur läige. Tal on kivisüsidest suurim süsinikusisaldus ja vähim arv ebapuhtaid ühendeid.
Omadused
Antratsiitsüsi on kõrgeim metamorfses järjestuses, milles süsiniku protsent jääb 92% ja 98% vahele. See mõiste on omistatud neile sütele, mis ei anna tõrvaseid või teisi süsivesinike aure kui neid kuumutada alla nende süttimistemperatuuri. Antratsiit ei sütti kergesti ja põleb väikese sinise, ilma suitsuta, leegiga .
Teised terminid, mida antratsiidi kohta kasutatakse, on kivisüsi, raske süsi, sinine süsi, pime süsi, Kilkenny süsi, kaarnasüsi ja must teemant .
Antratsiidi kasutamine
Edela-Walesis põletati keskajast või varemastki, antratsiiti koduseks kütteks.
Tänapäevane antratsiiditoomise maht on kuskil 5 millioni tonni kandis aastas. Antratsiidi peamised kasutusalad tänapäeval on käsi-küttega ahjudes või automaatsetes kütteahjudes. See toodab suurt energiat oma massi kohta ja põleb puhtalt, väikese tahmaga, tehes selle ideaalseks küttematerjaliks.
Antratsiidi kõrge väärtus muudab selle takistavalt kalliks elektrijaamades kasutamiseks. Teised kasutusalad hõlmavad peeni raasukesi, mida kasutatakse filtrikeskkonnas.
Töötlemine
Antratsiiti töödeldakse erinevate suurustega tükkideks. Suurem süsi tuuakse kaevandusest välja ja aetakse läbi hammastega rullide, et vähendada kühme ja süsi väiksemateks tükkideks saada. Väiksed tükid eraldatakse erinevate suuruste järgi, kasutades selleks astmelisi sõelu, mis on kahanevasse järjestusse pandud. Suuruste järgi eraldamine on vajalik erinevate ahjude jaoks.
Kaevandamine
Suurimad antratsiidiväljad USA-s on Kirde-Pennsylvanias, seda kutsutakse Coal Region -iks, kus on 7 billionit lühikest tonni (6.4 petagrammi) kaevandatavat reservi. Alaska 3 billioni lühikese tonniseid antratsiidivälju pole kunagi kaevandatud. Kivimit on leitud ka Kanadast ja Peruust.
Elektri tootmine söest
Söest elektri saamiseks peab läbima palju etappe, keerukaid protsesse ja reaktsioone. Püüame aga lihtsalt seletada, kuidas see teoreetiliselt käib.
Süsi juhitakse silokonteinrisse, kus söeosakesed purustatakse. Purustatud söeosakesed viiakse põletusahju, kust põlemisel eralduvad süsihappegaas ning teised gaasid. Gaasid juhitakse ülevalasuvatesse torudesse ning generaatorini. Aur paneb generaatori tööle. Samal ajal liiguvad põletusahjust muud ohtlikud jääkained maa alla konteinritesse, kust need hiljem juhitakse biotiikidesse. Põletusahju ja generaatori töölepanemisaur eraldatakse korstende kaudu. Et kogu kupatus õhku ei lendaks, on hädavajalik jahutussüsteem. Kui generaator genereeris soojusenergiast mehaanilise ja seejärel elektrienergia, siis nüüd viiakse elekter kõrgpingeliinide näol jaotusjaamadesse. Jaotusjaamades pinge ühtlustatakse madalamaks elektrienergiaks ning see elekter jagatakse juba majapidamistesse.
Kokkuvõte
Pikka aega oli kivisüsi industriaalühiskonna olulisim kaevandatav kütus, kuid XX sajandi algusest peale hakkas nafta teda järk-järgult välja tõrjuma. Praegu on nafta ja maagaas kogu maailma energiamajanduse ja samuti keemiatööstuse aluseks.
Rääkides veel kivisöe ning eriti pruunsöe kasutamist elektri tootmisel, siis soodustab see endiselt ja suurel määral keskkonnasaastet ning muutusi ühiskonnas. Näiteks võib tuua Hirschfeldes tehtud tolmu settimise mõõtmise pruunsöe kasutusala läheduses, mille tulemused ilmselgelt olid üllatavalt kõrged. Fossiilsete kütuste vähemaksjäämine soodustab ka riikidevahelisi pingeid.
Kasutatud kirjandus.
http://en.wikipedia.org/wiki/Coal