UNIVERSITATEA "DUNREA DE JOS" DIN GALAI FACULTATEA DE METALURGIE I TIINA MATERIALELOR Specializarea: Ingineria Elaborrii Materialelor Metalice

UTILIZAREA CRBUNILOR N SCOPURI ENERGETICEndrumtor, Conf. Dr. Ing. Viorel Drgan

Absolvent

Galai

Cuprins

1. CAPITOLUL I INTRODUCERE

Dezvoltarea unei industrii energetice puternice este condiionat de existena unor surse de energie primar care s se caracterizeze prin: diversitate, accesibilitate, siguran, preuri stabile, asigurarea cantitilor dorite pe o perioad de timp ct mai mare. n raport cu aceste condiii, atenia industriei energetice se ndreapt spre o gam din ce n ce mai diversificat de surse de energie primar, cu particulariti din ce n ce mai diferite. Prin conversia realizat n instalaii specializate, aceste surse acoper cererea de energie electric i termic a societii. n mod convenional, sursele de energie primar sunt mprite n dou mari categorii: surse finite; surse regenerabile;

Sursele finite de energie primar se consider a fi limitate att n timp, ct i n spaiu. Ele sunt capabile s acopere nevoile societtii umane doar pentru o perioad de timp limitat. Mrimea acestei perioade de timp depinde de volumul rezervelor de energie primar la care are acces societatea uman. Cele mai importante surse finite de energie primar sunt combustibilii fosili i nucleari. Din punct de vedere al modului n care se definesc rezervele corespunztoare surselor finite de energie, se disting: Rezerva cert: reprezint cantitatea din respectivul combustibil existent n zcmnt, care a fost certificat prin msurtori i a crui exploatare este

2

considerat ca fiind rentabil n condiiile economice i de dezvoltare tehnologic corespunztoare unui anumit moment dat. Rezerva cert recuperabil: reprezint cota din rezervele certe care poate fi recuperat (extras din zcmnt), n condiiile economice i de dezvoltare tehnologic corespunztoare unui anumit moment dat. Rezerva adiional: reprezint cantitatea din respectivul combustibil, adiional n raport cu rezervele certe, care poate fi: certificat prin msurtori, dar a crei exploatare nu este rentabil pentru condiiile tehnologice i economice curente; rezultat n urma unor estimri care se refer att la poriuni neexploatate ale unor zcminte cunoscute, ct i la regiuni care ofer condiii geologice favorabile. Rezerva adiional recuperabil: reprezint cota din rezervele estimate posibil a fi recuperat n viitor. Se subliniaz faptul c volumul rezervelor certe, respectiv adiionale, este variabil n timp, el depinznd de dezvoltarea cunotinelor geologice, de variaia preului combustibililor si de progresul nregistrat n domeniul tehnologiei. De exemplu, scderea preului la o categorie de combustibili poate muta un zcmnt din zona rezervelor certe n cea a rezervelor adiionale, exploatarea lui devenind nerentabil din punct de vedere tehnico economic. Sursele regenerabile se refer la acele categorii de surse primare de energie care sunt generate n mod continuu de ctre sistemele naturale. Se disting urmtoarele categorii principale de surse regenerabile de energie: hidraulic, solar, eolian, geotermal, a mareelor, a valurilor si biomasa; ele se caracterizeaz prin: Potenialul teoretic brut: Reprezint energia care ar deveni disponibil prin conversia n energie util a tuturor fluxurilor naturale de energie regenerabil, cu o eficien de 100 %. Potenial tehnic: Reprezint cota din potenialul teoretic brut care poate fi convertit n energie util, innd seama de nivelul de dezvoltare tehnologic i de posibilitatea de utilizare a acesteia de ctre societatea uman (geografia uman).

3

Potenial economic: Reprezint cota din potenialul tehnic care poate fi convertit n energie util, n condiii de rentabilitate economic.

Toate sursele de energie menionate mai sus particip, ntr-o msur mai mare sau mai mic, la satisfacerea nevoilor energetice ale societii umane. Este foarte interesant s se analizeze evoluia n timp a disponibilului de energie primar n lume. Se poate constata c rezervele i producia evolueaz dependent de consum, de politica (investiiile) n domeniul prospeciunilor, de interesul marilor companii implicate i foarte mult de interesele politice i strategice ale rilor mari consumatoare de energie. Dac se urmrete aceast evoluie, se poate constata c secolul XX marcheaz trecerea de la dominaia puternic a crbunelui la penetrarea petrolului i gazelor naturale. Avantajele folosirii acestora a condus la diminuarea prospeciunilor miniere. Crizele energetice din 1973 i 1979, care n esen au fost crize petroliere, au relansat interesul pentru crbune. Concluziile evidente ale acestor mutaii impugn existena obligatorie a unei strategii naionale n acest domeniu, strategie care s impun o dezvoltare orientat spre mai multe forme de energie primar i pe realizarea unor stocuri strategice, tampon, care s preia fluctuaiile cauzate de crizele i perturbaiile economice i politice. n tabelul 1.1 este prezentat modul n care este acoperit cererea mondial de energie primar pentru anul 1997, respectiv 2020: Surs de energie primar Crbune Petrol Gaz natural Combustibili nucleari Energie hidraulic Alte surse regenerabile1 TOTAL Anul 1997 2 239 (26%) 3 444 (40%) 1 894 (22%) 603 (7%) 258 (3%) 172 (2%) 8 610 (100%) Anul 2020 3 247 (24%) 5 412 (40%) 3 517 (26%) 676 (5%) 271 (2%) 406 (3%) 13 529 (100%)

Tabelul 1.1: Modul de acoperire a cererii mondiale de energie primar, Mtep (%)

Crbunele este una din cele mai importante surse primare de energie, lui revenindu-i aproape 70 % din energia nglobat n rezervele certe de combustibili fosili. Crbunele care a constituit baza revoluiei industriale din secolul XIX, dup o perioad

1

Include urmtoarele categorii de energii regenerabile: geotermal, eolian, solar, a mareelor, avalurilor, biomasa, deeuri industriale i menajere

4

important de regres (1950 1980), revine ca o energie primar deosebit de important pentru viitor. El este vzut ca o resurs energetic cu valene pozitive, dar i negative: pozitive: contribuia sa la asigurarea siguranei n alimentare, i ca parte a diversificrii surselor de energie. negative: impactul asupra mediului. Dac impactul local asupra mediului poate i va fi diminuat prin msuri tehnologice i de reducere a suprafeelor afectate, impactul global al utilizrii crbunelui asupra emisiilor de gaze cu efect de ser provoac nc mare ngrijorare. n raport cu ceilali combustibili fosili crbunele are o serie de avantaje indiscutabile: Se gsete din abunden. Poate acoperi nevoile societi umane pe o period mare de timp, permind elaborarea unor strategii energetice pe termen lung. Este rspndit pe o arie geografic mult mai larg dect petrolul sau gazul natural. Preul este relativ stabil, fiind puin influenat de factori politici. Nu exist probleme majore privind transportul de la surs la consumator. Exist tehnologii mature din punct de vedere comercial care permit o utilizare curat a crbunelui, cu impact minim asupra mediului nconjurtor. Tabelele 1.2 i 1.3 prezint situaia rezervelor certe recuperabile, respective producia de crbune pe plan mondial, pentru anul 1999. Dup cum se poate observa, lund ca referin anul 1999, rezervele certe recuperabile de crbune pot satisface cererea mondial pentru aproximativ 225 de ani.

Tabelul 1.2: Rezerve certe recuperabile de crbune pe plan mondial, milioane tone, 1999

5

Tabelul 1.3: Producia de crbune pe plan mondial, milioane tone, 1999

Limitrile cele mai importante privind utilizarea crbunilor sunt provocate n special de puternicul impact pe care l au asupra mediului nconjurtor. Se amintesc n acest sens emisiile de pulberi, oxizi de sulf, oxizi de azot, dioxid de carbon. Pentru reducerea emisiilor aferente primelor trei categorii de noxe exist la ora actual tehnologii mature din punct de vedere comercial capabile s satisfac cele mai severe restricii. Din punct de vedere al dioxidului de carbon (care contribuie n mod substanial la amplificarea efectului de ser), crbunele se caracterizeaz prin cea mai ridicat emisie specific n raport cu cantitatea de cldur rezultat prin ardere (Figura 1.1). n consecina, n urmtoarele decenii eforturile vor fi ndreptate nspre dezvoltarea unor tehnologii performante, mature din punct de vedere comercial, care s asigure reinerea i sechestrarea dioxidului de carbon rezultat din arderea combustibililor fosili.

6

Figura 1.1. Emisia de

C O2 pentru 1 kWht rezultat din arderea combustibilului

Tehnologiile curate ale procesrii crbunelui sunt tot mai dezvoltate n Europa, n timp ce eficiena centralelor pe baz de crbune a ajuns deja la 47 % i urmrete s creasc pn la 50 %. Tehnologiile de captare a bioxidului de carbon din emisiile centralelor termice vor fi diponibile pe scar larg n urmtorii 10 ani. Costurile crbunelui curat vor rmne totui foarte ridicate n termeni de eficien economic, dar vor fi compensate prin aportul adus la sigurana n alimentare i la stabilitatea economic n cazul unor fluctuaii mari de preuri pe piaa resurselor energetice. Directivele privind calitatea aerului sunt cele care au impact important asupra utilizrii crbunelui: Directiva privind prevenirea i controlul integrat al polurii, este Directiva pe baza creia se face licenierea centralelor mari n Europa, sub aspectul proteciei mediului. Directiva centralelor de combustie mari Directiva cadru privind calitatea aerului, cu surorile ei pentru bioxid de

sulf, nitrii, suspensii, plumb, bioxid de carbon, ozon i benzen, precum i alte directive n lucru privind limitarea coninutului de metale grele (nichel, arsenic, cadmiu) n aer. Directiva privind plafonul naional de emisii (NEC), care limiteaz Directiva privind ozonul. valorile de bioxid de sulf, nitrai, hidrogen sulfurat i componente organice volatile. Problemele de mediu ale industriei crbunelui, care nu sunt direct legate de energie, sunt acoperite de directivele privitoare la staiile de epurare i la protecia apei. Dei controlul polurii aerului i politica de folosire a crbunelui nu merg n mod natural n aceeai direcie, ba chiar sunt contradictorii, va trebui totui s se ajung la un compromis, care s in seama i de alte obiective ale politicii de energie, n special cele referitoare la contribuia crbunelui la asigurarea resurselor i a competitivitii. Sunt sperane c noile tehnologii vor putea reduce cu pn la o treime emisiile datorate utilizrii crbunelui.

7

2. CAPITOLUL II GENERALITATI 2.1. FORMAREA CARBUNILOR Carbunii reprezinta un complex de substante organice si anorganice, care se gaseste in scoarta terestra in straturi sau lentile, cu grosimicare variaza de la cativa centimetri la cativa zeci de mteri. Fosilele descoperite in majoritatea zacamintelor, studiile effectuate in legatura cu structura microscopica si compozitia chimica a carbunilor, precum si cercetarile in legatura cu incercarile pentru reproducerea in laborator a proceselor care au avut loc cu milioane de ani in urma au demonstrat ca materialul genetic al carbunilor a fost de natura vegetala. Procesul de transformare a materialului vegetal in carbune - masa organica a plantelor este constituita din celuloza, hemiceluloza, zaharuri, grasimi, proteine si lignina substante macromoleculare cu grad diferit de polimerizare. Difernta C% H% O% Lemn 49 50 6 43 44 Huile 82 92 5,5 4,0 5,0 2,5 Tabel 2.1: Compozitia chimica a lemnului si a huilelor a intre compozitia consta carbon in si elementara a lemnului si cea carbunilor de continutul

oxigen (tabel 2.1), formarea carbunilor fiind un proces de eliminare a compusilor cu oxigen, insotit de cresterea continutului de carbon. Carbunii rezulta deci din procesul de

8

carbonificare imbogatire in carbon a materialului genetic de natura vegetala. Prcesul de carbonificare se desfasoara in mai multe etape. Intr-o prima etapa au loc, sub influenta oxigenului si a microorganismelor, procese de descompunere a materialului genetic de natura vegetala. Din substante macromoleculare cu masa moleculara intre 10.000 si 150.000 se formeaza compusi cu masa moleculara de aproximativ 1.400. Acest proces de descompunere inceteaza cand dispare sursa exteroara de oxigen (aer, apa curgatoare), datorita acoperirii materialului genetic cu mal, cu un strat impermeabil de argila sau cu apa statatoare, ca urmare a miscarilor lente ale scoartei terestre sau ca urmare a unor schimbari in cursul apelor, a formarii de lacuri tectonice etc. Urmatoarea etapa in procesul carbonificarii este caracterizarea prin actiunea microorganismelor anaerobe, care consuma oxigenul continut in structura moleculara a produselor de descompunere formate in prima etapa, ducand la regruparea structurilor moleculare. Scufundarea zacamantului de material genetic provocata de miscarile scoartei terestre este la un momentdat insotita de cresterea temperaturii provocate de presiunea stratelor invecinate. Microorganismele nu suporta noile conditii, iar procesul de carbonificare trece intr-un alt stadiu, caracterizat prin desfasurarea unor reactii chimice accelerate de factori geologici. Acesta este stadiul metamorfismului termic si dinamic. Temperatura in zacamant poate ajunge pana la 200C, iar presiunea stratelor de roci inconjuratoare, la mii de atmosfere. In aceste conditii au avut loc reactii de descompunere

si de polimerizare insotite de degajari de

C O2 , H O , CH2

4

, care au dus in final,

dupa circa 250 milioane de ani, la formarea substantelor extrem de complexe ce alcatuiesc masa organica a carbunilor.

9

Procesul de carbonificare este deci un proces continuu, desfasurat, in decursul a sute de milioane de ani, in doua stadii caracteristice: stadiul biologic (actiunea microorganismelor aerobe si anaerobe) si stadiul de metamorfism geochimic. Intr-un zacamant de grosime mare pot fi gasite, la diferite adancimi, toate tipurile de carbune, cu conditia ca straturile sa nu fi fost deplasate, curbate sau chiar rasturnate de miscari ale scoartei terestre. Varsta carbunilor intr-un astfel de zacamant este prezentat in tabelul 2.2, din care rezulta in ce intervale de timp se formeaza carbunii si calitatile lor tehnologice. 2.2. COMPOZITIA CARBUNILOR In principiu, toti carbunii se compun din C, H si O si mai putin N si S. Asa cum reiese din tabelul 6, continutul de C creste odata cu crestere gradului de incarbonizare, de la circa 65 % la carbunele brun moale, pana la peste 91 % la antracit.Tipul de carbune Carbune brun moale Carbune brun tare Carbune brun lucios Carbune cu flacara Carbune cu flacara lunga Carbune de gaz Apa [%] 63 55 40 30 10 8 84 4 2,5 2,5 1,2 MV [%] 60 50 50 47 47 43 45 40 40 35 35 28 C [%] 65 70 70 73 72 75 75 81 81 85 85 87,5 H [%] 85 85 7 5,5 6,6 5,8 5,8 5,6 5,6 5 O [%] 30 -18 25 16 18 12 > 9,8 9,8 7,3 7,3 4,5

10

Carbune gras Carbune de forja Carbune slab Antracit

1,2 0,8