Zagrożenie środowiska naturalnego wywołane spalaniem węgla

Począwszy od rewolucji przemysłowej w Europie głównym źródłem energii dla przemysłu i energetyki był węgiel kamienny. W związku z tym zatruwanie środowiska naturalnego przez człowieka ma sięgającą kilka wieków tradycję. Działania człowieka oczywiście kompleksowo wpływają na środowisko naturalne, zatruwane jest powietrze, wody powierzchniowe i gruntowe, grunty oraz wszelkie inne organizmy żywe z człowiekiem włącznie. Duży udział w zanieczyszczaniu środowiska ma węgiel, przede wszystkim sam proces jego wydobycia jest już obciążeniem dla środowiska naturalnego, następnie proces spalania węgla dokłada swoje, na końcu poza gazami i pyłami które zanieczyszczają atmosferę, pozostają stałe produkty spalania, które w przypadku zastosowania węgla jako paliwa w przemyśle energetycznym i metalurgii, lądują na wielkich hałdach i lokalnie zatruwają całe ekosystemy. Żeby być sprawiedliwym należy również wspomnieć o gospodarstwach domowych korzystających z węgla jako źródła energii cieplnej, gdyż w niektórych rejonach ze względu na specyficzne położenie geograficzne potrafią one równie skutecznie jak zakłady przemysłu ciężkiego niszczyć i zanieczyszczać środowisko naturalne.

Nie potrzebna jest wiedza z ekologii i z chemii, żeby można stwierdzić, że głównym źródłem zanieczyszczenia powietrza są procesy spalania, w wyniku których do atmosfery dostaje się wiele szkodliwych substancji, takich jak np. dwutlenek siarki, tlenki azotu, węglowodory, tlenek węgla i dwutlenek węgla, dym oraz pyły, a nawet metale. Równie oczywisty jest fakt, że mimo wysiłków zmierzających do ograniczenia emisji szkodliwych substancji, problem zanieczyszczenia środowiska jest ciągle aktualny, głównie z powodu zwiększania się zużycia energii w świecie, a ponieważ około 90% energii jest uzyskiwane dzięki spalaniu paliw kopalnych i brak perspektyw na zmianę istniejącego stanu rzeczy warto przeanalizować problem od samego początku, czyli od odwrócenie tej proporcji w najbliższych dziesięcioleciach.

W związku z powyższym omawiając zagrożenia dla środowiska wynikające ze spalania węgla proponuję zacząć od samego początku czyli wydobycia i skupić się na następujących aspektach:

1. Wpływ wydobycia węgla na środowisko naturalne

Powszechnie znane jest zniszczenie terenów Górnego Śląska spowodowane działającymi tam kopalniami węgła, co prawda podstawowym problemem jest jego spalanie uważam, że warto krótko wspomnieć o samym wydobyciu. Na skutek wydobycia znacznie obniża się poziom wód gruntowych, powstają tzw. leje depresyjne, skutkiem samego wydobycia są zapadliska kopalniane, osiadanie gruntu i związane z tym pękanie ścian budynków, niszczenie dróg oraz linii kolejowych, ponadto występuje skażenie rzek zrzutami wód kopalnianych. W przypadku kopalń odkrywkowych, również tworzy się lej depresyjny, który jest przyczyną zaniku wód gruntowych w strefie przykopalnianej. Samo wydobycie surowców przez kopalnie powoduje powstawanie hałd, które zajmują duże obszary nie nadające się do życia zarówno dla flory jak i fauny. W okolicy kopalni całkowicie niszczone jest środowisko naturalne, głównie przez zasypywanie obszarów leśnych i nieużytków na rzecz składowisk odpadów, która ciągle wzrasta, czy też zniszczenie życia biologicznego na terenie wyrobisk kopalni odkrywkowych. Środowisko naturalne niszczone jest zanim powstanie kopalnia, gdyż aby je postawić należy wcześniej przygotować teren, a następnie proces się rozszerza w wyniku spalania kopalin.

2. Rodzaje węgla i zastosowanie ich w gospodarce

Główną rolę w przemyśle i energetyce odgrywa węgiel brunatny i kamienny oto ich krótka charakterystyka:
Węgiel brunatny to skała osadowa o zawartości węgla 62-75%. Ma on kilka odmian, między innymi: ksylitową, miękką i twardą. Jego wartość opałowa waha się od 7,5 do 21 MJ/kg. Jest używany głównie jako materiał opałowy i jako surowiec w przemyśle chemicznym. Ze względu na dużą wilgotność oraz niską kaloryczność transport jego jest nieopłacalny.
Węgiel kamienny to skała osadowa zawierająca 75-97% węgla. Ma czarną barwę, matowy połysk, żółto-brunatną rysę i twardość ok 5g/cm3. Jest on powszechnie stosowany jako paliwo. Jego wartość opałowa waha się od 16,7 do 29,3 MJ/kg. Ponadto węgiel kamienny jest istotnym surowcem w przemyśle chemicznym w wyniku jego przeróbki otrzymujemy paliwa: stałe, ciekłe i gazowe jak również surowce służące do dalszej produkcji chemicznej.

Węgiel kamienny ogólnie można podzielić na następujące typy:
- Węgiel płomienny – posiada dużą zawartość części lotnych, bardzo niewielka zdolność spiekania, długi i silnie świecący płomień. Głównym jego zastosowaniem są paleniska przemysłowe, generatory oraz opał domowy;
- Węgiel gazowo-płomienny – posiada również dużą zawartość części lotnych oraz średnią zdolność spiekania. Stosuje się go jako opał domowy i przemysłowy oraz do wytlewania i uwodorniania;
- Węgiel gazowy – duża wydajność gazu i smoły, znaczna spiekalność. Główne zastosowanie: gazownictwo, koksownictwo i wytlewanie;
- Węgiel gazowo-koksowy – dobra spiekalność, duża wydajność gazu i smoły, średnie ciśnienie rozprężania. Zastosowanie: gazownictwo i koksownictwo;
- Węgiel ortokoksowy to typowy węgiel koksowy, ma on wysokie ciśnienie rozprężania, średnią zawartość części lotnych i dobrą spiekalność. Stosuje się go w produkcji koksu metalurgicznego;
- Węgiel metakoksowy ma duże ciśnienie rozprężania i dobrą spiekalność. Stosuje się w produkcji koksu odlewniczego;
- Węgiel semikoksowy ma małą zawartość części lotnych i słaba zdolności spiekania, średnie ciśnienie rozprężania . Stosuję się w koksownictwie jako dodatek schudzający wsad węglowy;
- Węgiel chudy posiada małą zawartość części lotnych o brak zdolności spiekania oraz krótki płomień. Stosuje się w paleniskach przemysłowych, parowozach, generatorach i opale domowym;
- Węgiel antracytowy posiada małą zawartość części lotnych, brak zdolności spiekania. Stosuje się jako paliwo specjalne;
- Antracyt ma bardzo mała zawartość części lotnych, brak zdolności spiekania. Głownie stosuje się jako paliwo specjalne.

W naszym kraju węgiel brunatny występuje w rejonach Turoszowa, Konina, Bełchatowa. Legnicy. W tym rejonach działają elektrownie i elektrociepłownie opalane węglem brunatnym.
Węgiel kamienny wydobywany jest głównie na Górnym Śląsku, w ubiegłych latach wydobywany był również w okolicach Wałbrzycha. Z wymienionych typów węgla kamiennego pierwsze osiem wydobywanych jest na Śląsku, natomiast dwa ostatnie w Wałbrzychu.

3. Zanieczyszczenie środowiska w wyniku emisji spalin i popiołów do atmosfery;

Spalaniu węgla towarzyszy emisja pyłów i szkodliwych gazów. W przypadku braku urządzeń oczyszczających spalenie 1 mln ton węgla kamiennego średniej jakości powoduje emisję około 20 000 t pyłów, 35 000 t SO 2 , 6000 t NOx, a także 2 mln ton CO 2 , którego nie potrafimy się pozbyć. Poza tym na wysypiska trafia około 300 000 ton popiołów. W Polsce w 1994 roku spaliliśmy 108 mln ton węgla kamiennego, w tym 32 mln ton w piecach domowych oraz lokalnych kotłowniach; ponadto 66 mln ton węgla brunatnego, który jest źródłem kilkakrotnie większej ilości popiołów niż węgiel kamienny. O ile pyły usuwano w 97%, to całkowita redukcja szkodliwych gazów wynosiła tylko 25%, a w przypadku przemysłu paliwowo-energetycznego nie przekraczała 3%. Największym zagrożeniem środowiska jest emisja dwutlenku siarki i tlenków azotu powodująca kwaśne deszcze, które niszczą życie w akwenach, dewastują olbrzymie obszary lasów i powodują korozję konstrukcji metalowych i niszczenie budynków.

Polska zajmuje czołowe miejsce w Europie pod względem wielkości emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Głównymi przyczynami tak dużej emisji dwutlenku węgla są:
- produkcja energii elektrycznej i cieplnej niemal wyłącznie z węgla, który charakteryzuje się znacznie wyższymi współczynnikami emisji dwutlenku węgla w stosunku do gazu ziemnego i paliw ciekłych,
- nieefektywność systemu energetycznego i marnotrawstwo energii,
- struktura przemysłowa z dużym udziałem gałęzi najbardziej energochłonnych (przemysł wydobywczy i hutnictwo),
- duży udział ogrzewania indywidualnego zużywającego węgiel w sektorze mieszkaniowym.

W ciągu ostatnich 20 lat zanieczyszczenie atmosfery w Polsce osiągnęło poziom stawiający nasz kraj w rzędzie najbardziej zanieczyszczonych rejonów Europy. Główne zanieczyszczenia powietrza powodują: przemysł, gospodarstwa domowe oraz transport. Ze względu na to, że każde z zanieczyszczeń atmosfery ma określone źródło emisji i specyficzne metody jego zwalczania, to możemy je podzielić na:
- Pyłu;
- Dwutlenku siarki;
- Tlenków azotu (NO, NO2);
- Tlenków węgla (CO, CO2);
- Lotnych związków organicznych;
- Metali ciężkich.

Zanieczyszczenia te powstają w czasie procesów produkcyjnych, głównie przez spalanie węgla. Wydostając się z kominów fabrycznych, elektrowni, kotłowni lokalnych i pojedynczych budynków mieszkalnych rozchodzą się na zewnątrz w promieniu kilku a nawet kilkudziesięciu kilometrów w zależności od warunków terenowych.

Udział poszczególnych czynników w emisji szkodliwych gazów

Pyły powstają wszędzie tam, gdzie występuje tarcie, np. podczas ścierania jezdni i opon pojazdów mechanicznych. Powstawanie pyłów wiąże się z różnymi procesami produkcyjnymi jak: spalanie węgla kamiennego i brunatnego, produkcja cementu czy stali i metali nieżelaznych. Najpoważniejszym źródłem emisji pyłowych jest niewątpliwie przemysł paliwowo-energetyczny (ponad 50%), a zwłaszcza przemysł elektroenergetyczny i ciepłowniczy (46% wszystkich pyłów) oraz przemysł metalurgii żelaza i stali (9%). Negatywna działalność pyłów polega między innymi na:
- zamykaniu szparek oddechowych u roślin;
- ograniczaniu procesu fotosyntezy;
- powodowaniu licznych chorób układu oddechowego u człowieka i zwierząt, np. pylicy;
- wpływaniu na chemizm wody i gleb;
- toksycznym działaniu metali ciężkich na organizmy żywe.

Najgrubsze i najcięższe cząstki opadają blisko miejsca emisji, natomiast najlżejsze mogą pozostawać w atmosferze przez czas nieokreślony i w postaci aerozoli przedostawać się do dróg oddechowych człowieka i osiadać na wewnętrznych ściankach pęcherzyków płucnych.

W powietrzu miast jest wiele sadzy. Są to bardzo drobne cząstki węgla, które mają bardzo wielką powierzchnię w stosunku do masy. Pociąga to za sobą wielką aktywność i absorpcję różnych substancji ze środowiska. Cząsteczki sadzy niosą na sobie między innymi ciężkie węglowodory, wśród których nie brak rakotwórczych.

Działanie pyłów jest zróżnicowane, gdyż z jednej strony rozpraszają światło słoneczne skierowane do Ziemi zwiększając albedo, co powoduje ochłodzenie, a z drugiej strony absorpcja i reemisja promieniowania podczerwonego działa odwrotnie, powodując wzrost temperatury powierzchni kuli ziemskiej.

Wpływ pyłów na bilans cieplny Ziemi i na jej klimat jest tym większy, im większe jest ich stężenie w powietrzu atmosferycznym.

Cząsteczki pyłów są ośrodkami skraplania się pary wodnej. Pyły mogą także wpływać na reakcje chemiczne odbywające się w atmosferze.

Toksyczność pyłów zależy od średnicy ziaren, od składu chemicznego, a zwłaszcza od zawartości metali toksycznych, takich jak ołów, kadm, nikiel, miedź, cynk, chrom. Bardzo szkodliwy dla zdrowia jest tzw. pył zawiesinowy ze związkami Pb, Cd, Zn i węglowodorami wielopierścieniowymi.

Metale ciężkie są szkodliwe szczególnie dla ludzi, w mniejszym stopniu dla roślin. Ich toksyczne działanie na organizm człowieka jest różnorodne. Narządami wyjątkowo narażonymi na zatrucie są: mózg, nerki, wątroba, szpik kostny. Objawami zatrucia są najczęściej zaburzenia układów: krążenia, oddechowego i nerwowego. Szczególnie niebezpieczne jest rakotwórcze działanie metali ciężkich. Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) około 80% metali ciężkich przenika do organizmu człowieka drogą pokarmową, a 20% drogą oddechową. Mimo dużych możliwości adaptacji, organizmy żywe tylko do pewnych dawek nie reagują ujemnie na działanie szkodliwych czynników jakimi są metale ciężkie. Po przekroczeniu trudnych do określenia granic następuje zakłócenie procesów życiowych. Trzeba pamiętać, że każda ilość takich metali jak ołów, kadm czy rtęć jest szkodliwa dla zdrowia ze względu na kumulowanie się ich w organizmie.

Kadm, ołów, chrom, miedź i cynk należą do grupy pierwiastków niosących za sobą duże ryzyko zachwiania równowagi chemicznej w biosferze, gdyż posiadają one dużą zdolność kumulacji w środowisku. Zanieczyszczenie powietrza metalami ciężkimi jest szczególnie niebezpieczne ponieważ jego skutkiem jest wtórne zanieczyszczenie: gleby, wód i upraw.
W wyniku całkowitego spalenia paliwa mineralnego w komorze paleniskowej kotła energetycznego powstają spaliny zawierające: dwutlenek węgla (CO 2 ), parę wodną (H 2 O), azot (N2), dwutlenek siarki (SO2), trójtlenek siarki (SO3) oraz popiół. Ze składników tych toksycznymi są: SO2 , SO3 oraz częściowo popiół (pył) ze względu na zawartość w nim takich pierwiastków jak kadm, ołów, arsen.

Przy wysokiej temperaturze w jądrze płomienia komory paleniskowej elektrowni zachodzi częściowe utlenienie azotu z powietrza i azotu z paliwa, a w jego wyniku tworzenie się tlenków azotu. Tlenki azotu (NOx) nawet w minimalnych stężeniach w powietrzu działają drażniąco na organy układu oddechowego, niszczą urządzenia i materiały, przyczyniają się do powstawania smogów, pogarszają widoczność i ograniczają nasłonecznienie powierzchni Ziemi. Są one szkodliwe dla organizmów żywych, co stawia je zaraz za dwutlenkiem siarki SO 2 , jako najgroźniejsze zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego.

Na około połowie powierzchni naszego kraju występują stężenia SO 2 wyższe od 20 mg/m3 co może już powodować pierwszy stopień uszkodzenia lasów iglastych. Duże przekroczenia dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń pyłowych i gazowych występują również na terenach chronionych i specjalnie chronionych. W przypadku niezupełnego spalania w komorze paleniskowej, powstaje: tlenek węgla CO, sadza oraz rakotwórczy benzo-a-piren.

Spalanie paliw kopalnych spowodowało zwiększenie stężenia dwutlenku węgla w atmosferze ( rysunek powyżej) oraz podniesienie się temperatury powierzchni Ziemi (rysunek niżej).

Związki chemiczne takie jak tlenki siarki i azotu, uwolnione w wyniku spalania paliw kopalnych i drewna, reagują z parą wodną zawartą w powietrzu. W wyniku tej reakcji powstają kwasy siarkowy i azotowy, które z wodą deszczową powracają na powierzchnię Ziemi - są to tzw. kwaśne deszcze. Chmury mogą przenieść taki deszcz daleko od miejsca jego powstania.

Kwaśne deszcze powodują:
- obumieranie wielkich połaci lasów (szczególnie wrażliwe są lasy iglaste - a zwłaszcza jodła) - najbardziej dotknięte tą klęską są lasy Europy Wschodniej
- wymarcie ryb w jeziorach (w Skandynawii deszcze znad Wielkiej Brytanii zabiły ryby w 80% tamtejszych jezior)
- niszczenie zabytkowych posągów i budowli kamiennych
- rdzewienie metalowych konstrukcji, mostów, ogrodzeń
- zatruwanie wody pitnej
- spadek wydajności rolnictwa
- choroby płuc osób mieszkających w okolicy, gdzie często padają kwaśne deszcze.

Procesowi spalania węgla towarzyszą również związki organiczne emitowane w gazach spalinowych, są one szczególnie uciążliwe z uwagi na ich toksyczność miedzy innymi kancerogenność i skutki mutagenne. Wśród tych związków występują wysokowrzące wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) jest benzo(a)piren. WWA występują w postaci zaadsorbowanej na cząsteczkach pyłów oraz w formie gazowej tworzą również sadzę w czasie spalania paliw kopalnianych do atmosfery są uwalniane również nitro-WWA.
Zanieczyszczeniami pierwotnymi wywołanymi spalaniem węgla są węglowodory, tlenki azotu które są rakotwórcze, tlenek węgla i dwutlenek siarki są trujące. Dwutlenek siarki, tlenki azotu (głównie NO2)i węglowodory gromadzą się w atmosferze wchodzą w reakcję pod wpływem promieniowania słonecznego(powstaje smog). Oprócz ww związków toksycznych w wyniku spalania paliw powstaje CO2 , który nie jest związkiem toksycznym, ale powoduje efekt cieplarniany, na skutek, którego podnosi się temperatura Ziemi i następują zmiany klimatyczne. Gazem cieplarnianym jest także podtlenek azotu ( N2O), który długi czas zalega w atmosferze.

Efektem pierwotnym zanieczyszczeń są zanieczyszczenia wtórne czyli smog, który jest efektem utleniania spalonych węglowodorów, zainicjowane przez wolne rodniki hydroksylowe. Kolejne to kwaśne deszcze (SO2, NOx) oczyszczają atmosferę ziemska z tych toksycznych związków. Natomiast niszczą lasy i uprawy roślin. Dowiedziono natomiast, że wypłukują z gleby magnez, niszczą budowle z kamienia wapiennego oraz skał. Kolejne to wzrost temperatury ziemi i dziura ozonowa, która przyczynia się do obecności silniejszego promieniowania ultrafioletowego na powierzchni ziemi.

Bardzo przykre jest to, że człowiek sam będąc częścią natury w tak bestialski sposób ją niszczy, częściową winę za ten stan rzeczy ponosi model cywilizacji, w której żyjemy, jak również tempo rozwoju gospodarczego i związany z nim popyt na produkty, pożerającego olbrzymie ilości paliw naturalnych, przemysłu hutniczego oraz energetycznego i ciepłowniczego. Niechlubną rolę w tych gałęziach przemysłu odgrywa węgiel, jak wykazaliśmy jego stosowanie zagraża wszystkim organizmom żywym na naszej planecie zarówno bezpośrednio jak i pośrednio. W chwili obecnej coraz większą uwagę poświęca się odnawialnym źródłom energii oraz częściową eliminacją produktów przemysłu ciężkiego na rzecz materiałów uzyskiwanych z minimalnym uszczerbkiem dla środowiska naturalnego, szczególnie jest to widoczne w motoryzacji gdzie coraz częściej stal i aluminium zastępowane są materiałami ceramicznymi i włóknami węglowymi. Nie należy tutaj jednak popadać w zachwyt gdyż jeszcze dużo czasu minie zanim wyprą one tradycyjne materiały. Istotny jest również fakt, że produkty spalani węgla zatruwają Ziemię od bardzo wielu lat dopiero niedawno zaczęto ograniczać emisję szkodliwych związków jak również samo stosowanie węgla w sytuacjach gdy może on być zastąpiony innym źródłem energii. Problem zanieczyszczania środowiska w wyniku spalania węgla pozostanie niestety jeszcze długo aktualny, najgorsze jest jednak to, że zanieczyszczenie powietrza, gleby i wody może zostać zlikwidowane tylko wtedy kiedy nasza cywilizacja zniknie z powierzchni Ziemi i wymagać będzie bardzo długiego czasu. Swoją drogą jednak natura potrafi zadbać o siebie i kiedyś może wyeliminować homo sapiens, który już dzisiaj czasami nosi znamiona nowotworu dla całej natury ożywionej i nieożywionej.