WĘGIEL

Występowanie węgla

Węgiel, jako pierwiastek, występuje:

a) w małych ilościach w stanie wolnym (grafit, diament)

b) głównie w stanie związanym:

- węglany (CaCO3, MgCO3, i innych),

- dwutlenek węgla w powietrzu CO2,

- związkach organicznych, zalicza się do nich paliwa kopalne: gaz ziemny, ropa naftowa, węgiel i biomasa.

Pochodzenie węgla

• Pochodzenie węgla, jako paliwa, jest organicznePrzekrój przez węgiel brunatny

Powstawanie węgla

•Proces konwersji substancji roślinnej w substancję węglową nazywa się uwęgleniem i dzieli się na dwie fazy: biochemiczną i geochemiczną.

Węgiel kamienny przed 300-200 mln lat

Węgiel brunatny

Lignity

przed 100 mln lat

przed 70-2 mln lat

Torf od 2 mln lat do teraz

• Węgiel zalicza się do biolitów – skał osadowych pochodzenia organicznego.

Powstawanie węgla

Z pracy Flaming F. Fradsena

materiał roślinny – torf – węgiel brunatnyfaza biochemiczna

węgiel brunatny – węgiel kamienny – antracytfaza geochemiczna

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 organicznato materia powstała w czasie wzrostu organizmów Ŝywych, a następnie obumarła uległa przemianom (uwęgleniu).

Substancja organicznaskłada 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

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).

1. Pochodzenie

2. Właściwości (parametry)

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 oC,

� Stan suchy, bezpopiołowy (daf lub waf).

� Stan roboczy w którym paliwa jest uŜytkowane (r).

Przeliczanie wyników analiz składu paliwa

Współczynnik przeliczenia na stan:

Rodzaj

przeliczenia Roboczy r

Analityczny a

Suchy d

Suchy bezpopiołowy

daf

Ze stanu Roboczego r 1 ar WW −−1

1

rW−1

1

rr AW −−1

1

Ze stanu

analitycznego a 1

1 ar WW +− 1 aW−1

1

aa AW −−1

1

Ze stanu suchego d 1

1 rW−

1

1 aW− 1 dA−1

1

Ze stanu

daf 1

1 rr AW −−

1

1 aa AW −−

1

1 dA− 1

Schematyczne rozróŜnienie stanów węgli

substancja organiczna popiół

częś

ci r

ozkł

adu

subs

tanc

ji m

iner

alne

j

wil

goć

higr

osko

pijn

a w

stan

ie p

owie

trzn

o-su

chym

wilg

oć p

rzem

ijają

ca(p

owie

rzch

niow

a)

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)

karbonizat części lotne

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

Klasyfikacjawęgli energetycz-nych

Typ węgla

Pomiary klasyfikacyjne

Zastosowanie węgla

zawartość części lotnych

Vdaf

wg PN-81/G-045516

zdolność spiekania

RIwg PN-81/

G-4518

dylatacjab

wg PN-81/G-04517

wskaźnik wolnego

wydymania SI

wg PN-81/G-04515

ciepło spalania

Qdaf

wg PN-81/G-04513

Nazwa WyróŜ-nik

% % kJ/kg

Węgiel płomie

nny

31.1 Po-wyŜej

28

poniŜej lub równe 5

nie normalizuj

e się

nie normalizuj

e się

poniŜej lub

równe 31000

węgiel do celów energetycznych do wszystkich typów palenisk pyłowych; węgiel do czadnic

31.2 Po-wyŜej 31000

Węgiel gazowo

-płomie

nny

32.1

Po-wyŜej

28

powyŜej 5 do 20

nie norma-lizuje

się

Węgiel do celów energetycznych do wszystkich typów palenisk; węgiel do wytlewania i do czadnic

32.2 powyŜej 20 do 40

węgiel do celów energetycznych; do palenisk rusztowych, komorowych i wszystkich typów palenisk pyłowych; węgiel do wytlewania i do gazowni

Węgiel gazowy

33Po-

wyŜej28

powyŜej 40 do 55

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 oC substancja organiczna węgla rozkłada się na:

- części lotne,

- pozostałość koksową (karbonizat)

Analiza elementarna substancji organicznej

Paliwo C H O N + SZawartość części

lotnych, %

DrewnoTorfWęgiel brunatny

Węgiel kamienny

Antracyt

505870

82

94

65,55

5

3

4334,524

12

3

12

0,8

0,8

ślady

756550

35

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 oC, stan suchy (d))

Udział waŜniejszych pierwiastków w węglu

Węgiel C: 50-93%

Wodór H: 2-5%

Siarka S: 1-5 (11)%

w siarczkach (FeS2)

w siarczanach (CaSO4, FeSO4)

Charakterystyka polskich, energetycznych węgli kamiennych

Węgle kamienne: typy 31-33

Rodzaj węglaWartość opałowa

kJ/kg

Udział popiołu

%

Udział siarki

%

Udział wody

%

JaworznickiMikołowskiDąbrowsko-siemianowskiKatowicko-chorzowskiRybnickiLubelski

18 40020 10021 800

23 500

20 10018 850

20−242020

20

20−2725

1,25−1,51,50,6

0,8

0,7−1,31,2

16−20128

5

99

Węgle energetyczne (cd)

Charakterystyka polskich węgli kamiennych -energetycznych

Wu = 18-25 MJ/kg

A = 7-25%

S = 1,2%

N = 0,6-2,8%

Charakterystyka polskich, energetycznych węgli brunatnych

Węgle brunatne

Rodzaj węglaWartość opałowa

kJ/kg

Udział popiołu

%

Udział siarki

%

Udział wody

%

TuroszowskiKonińskiPątnowskiAdamowskiBełchatowski

8 4009 2009 2008 0008 800

12,2−205,8−6,3

10,69,810,6

0,600,25−0,35

0,780,250,60

42−5050−54

505050

Węgle energetyczne (cd)

Charakterystyka polskich węgli brunatnych

Wu = 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 1Węgiel kamienny

Zagłębia węgla kamiennego:

- górnośląskie,

- dolnośląskie

- lubelskie

Występowanie węgla w Polsce 2Węgiel kamienny

ZagłębieZasoby

udokumentowane, %Zasoby

perspektywiczne, %

GZWDZWLZW

88,211,10,7

43,756,10,3

Występowanie węgla w Polsce 3Węgiel brunatny

Zagłębia:

- adamowsko-konińskie

- bełchatowskie (Szczerców)

- turoszowskie

- sieniawskie.

Zasoby łączne: 40 mld Mg

Zasoby udokumentowane: 13-14 mld Mg

Zasoby operatywne; 3,5 mld Mg

Występowanie węgla w Polsce 4Węgiel brunatny

Zasoby i rezerwy węgla

PaliwoŚwiat

mld MgPolskamld Mg

Węgiel kamienny

rezerwy

zasoby

630

7000–14000

30

130

Węgiel brunatny

rezerwy

zasoby

250

880

12–13

30–40

ZuŜycie węgla

WęgielŚwiat

mld MgPolska mln Mg

Kamienny 3,7 100

Brunatny 0,944 62

Roczne zuŜycie węgla w Polsce i na świecie

Ceny węgla

Porównanie kosztów ogrzewania

Koszty wytwarzania energii Polsce