Geoscience Australian tärkeimpien haasteiden soveltaminen

Johdanto

kivihiili luokitellaan sedimenttikiveksi. Se on yleinen uusiutumaton polttoaine, jota käytetään pääasiassa sähkön tuotannossa. Se on fossiilinen polttoaine, koska se muodostuu kuolleesta kasviaineksesta. Hiilen laatu riippuu siitä, miten se muodostuu; kun orgaaniseen ainekseen kohdistuu suurempi lämpö ja paine, hiilipitoisuus kasvaa.

ominaisuudet

kivihiili on palava kiviaines, joka koostuu pääasiassa hiilestä sekä vaihtelevista määristä muita alkuaineita, lähinnä vedystä, rikistä, hapesta ja typestä. Kivihiili esiintyy kerrostumina, joita kutsutaan kivihiilikerroksiksi tai kivihiilisaumoiksi, joita on muiden sedimenttikivien välissä. Kivihiili on hieman vettä tiheämpää, mutta vähemmän tiheää kuin useimmat maankuoren kivilajit. Tiheys vaihtelee riippuen siitä, kuinka huokoista (täynnä reikiä) hiili on. Joskus huokosissa on kaasua, jota kutsutaan metaaniksi.

kivihiilen Ominaisuudet vaihtelevat sen mukaan, kuinka paljon kivihiilessä on hiiltä (kivihiililuokka). Musta hiili on niin sanottu värinsä vuoksi; sen kiilto vaihtelee kirkkaasta, kiiltävästä erittäin tylsään ja suhteellisen kovasta pehmeään. Termiä ”musta hiili” käytetään Australiassa viittaamaan antrasiittiin sekä bitumisiin ja puolibitumisiin hiiliin. Ruskohiiltä kutsutaan myös ruskohiileksi; se sisältää vähemmän hiiltä ja siten vähemmän kemiallista potentiaalienergiaa kuin musta hiili ja siinä on enemmän kosteutta.

Type of coal / material		muita nimiä	ominaisuudet	likimääräinen hiilipitoisuus (kuiva tuhkaton perusta)
turve					orgaaninen sedimentti. Sitä pidetään kivihiilen esiasteena.	Alle 60%
ruskohiili		ruskohiili		ruskohiili	on väriltään yleensä keltaista tai tummanruskeaa ja siinä voi olla puumaista tai tunnistettavia kasvirakenteita.	60-70%
Musta kivihiili	Puolibituminen kivihiili	Musta ruskohiili	tummanruskeasta mustaan. Se ei ole puumaisen näköinen ja siinä on usein vuorottelevat nauhat tylsää ja kirkasta materiaalia.	70-76%
	bituminen kivihiili	pehmeä kivihiili, höyryhiili tai kivihiili.	tiheää, yleensä mustaa, mutta joskus tummanruskeaa kiveä, jossa on usein tarkoin määriteltyjä kirkkaan ja tylsän materiaalin nauhoja. Tylsät nauhat voivat sisältää sedimenttisiä mineraalirakeita.	76-86%
	antrasiitti	kivihiili	kovempi, kiiltävän musta kivihiili. Se on kivihiilen korkein arvo eli hiilipitoisuus on korkein.	yli 86%

käyttää

ruskeaa ja mustaa hiiltä käytetään enimmäkseen voimalaitosten polttoaineena. Kivihiilen polttaminen tuottaa lämpöä, jota käytetään höyryn valmistukseen, joten kivihiiltä kutsutaan joskus lämpö-tai höyryhiileksi. Höyry pyörittää turbiineja tuottaakseen sähköä. Australiassa vuonna 2017 kivihiilellä tuotettiin noin 60 prosenttia maan sähköntarpeesta. Ruskohiilen käyttö voimantuotannossa on ongelmallista korkean vesipitoisuuden vuoksi. Se murenee helposti altistuessaan ilmalle, mikä vähentää sen arvoa polttoaineena ja vaatii erityistä varastointia. Sen tiedetään myös syttyneen itsestään palamaan. 1970-luvulta lähtien sähkön tuottamiseen käytetyn maakaasun määrä on kasvanut ja kivihiilen käyttö energiaksi on vähentynyt asteittain. Kasvihuonekaasujen määrä, joka syntyy polttamalla kaasua energiaksi, on paljon pienempi kuin kivihiilen polttamisen tuottama määrä.

tietyntyyppistä bitumipitoista kivihiiltä käytetään teräskoksin valmistukseen välttämättömänä raaka — aineena. Tällaista kivihiiltä kutsutaan myös metallurgiseksi (teräksenvalmistukseksi) kivihiileksi ja sitä jalostetaan koksin tuottamiseksi. Koksi on kova huokoinen aine, joka koostuu noin 90% hiilestä, se on elintärkeää teräksen valmistamiseksi, jota käytetään miljoonissa kohteissa, kuten autoissa, kuorma-autoissa, paloautoissa, jääkaapeissa ja silloissa.

kivihiiltä ja turvetta käytetään edelleen asuin-ja kaupalliseen lämmitykseen joissakin osissa maailmaa (esimerkiksi Irlannissa ja Suomessa). Kuivatussa muodossaan turve absorboi erittäin tehokkaasti polttoaine-ja öljyvuotoja maalla ja vedessä. Sitä käytetään myös maaperän hoitoaineena, jotta se pystyy pidättämään ja vapauttamaan hitaasti vettä.

kivihiili on myös tärkeä kevyiden aromaattisten hiilivetyjen lähde kemiallisessa synteesiteollisuudessa. Jos hiiltä kuumennetaan, syntyviä kaasuja ja tähteitä voidaan käyttää muovien, räjähteiden, väriaineiden, pikien, ammoniakin, lääkkeiden, aspiriinin, saippuan, desinfiointiaineen, pesuaineiden, nailonien, kosmetiikan, shampoon, hammastahnan, synteettisen kumin, lannoitteiden, sementin, tiilien ja laattojen valmistuksessa. Se on tärkeä ainesosa, jota käytetään suodattimissa veden ja ilman puhdistuksessa ja munuaisdialyysilaitteissa. Lisäksi hiilestä valmistetaan hiilikuitua, joka on erittäin vahva, kevyt materiaali, jota käytetään rakentamisessa, maastopyörissä ja tennismailoissa.

Jet, pienikokoinen ruskohiilen muoto, on joskus kiillotettu ja sitä on käytetty koristekivenä. Grafiitti, joka usein yhdistetään kivihiileen, on lähes kokonaan hiiltä; sitä käytetään enimmäkseen lyijykynissä ja jauhettuna voiteluaineena.

historia

varhaisin tunnustettu kivihiilen käyttö on peräisin Kiinan Shenyangin alueelta noin 4000 eaa, jossa mustasta ruskohiilestä veistettiin koristeita. Fushunin kaivoksen kivihiiltä Koillis-Kiinassa käytettiin kuparin sulattamiseen jo 1000 eaa. 1200-luvulla Kiinaan matkustanut italialainen Marco Polo kuvaili hiiltä ”mustiksi kiviksi … joka polttaa kuin tukit”, ja sanoi, että hiiltä oli niin paljon, että ihmiset voisivat ottaa kolme kuumaa kylpyä viikossa.

hiiltä käytettiin Britanniassa pronssikaudella (3000-2000 eaa) hautarovioissa (puurakennelma, jota käytettiin ruumiin polttamiseen).Roomalaiset kaivoivat hiiltä Englannissa ja Walesissa toisen vuosisadan loppuun mennessä. Todisteita kivihiilen kaupasta (ajoitettu noin vuoteen 200) on löydetty roomalaisesta siirtokunnasta läheltä Chesteriä ja Itä-Angliasta. Reininmaalla roomalaiset käyttivät bitumipitoisen kivihiilen esiintymiä rautamalmin sulattamiseen. Vuosina 1257-59 Newcastle upon Tynestä toimitettiin hiiltä Lontooseen Westminster Abbeyta rakentaneille sepille ja kalkin polttajille.

helposti saatavilla olevat kivihiililähteet olivat suurelta osin ehtyneet (tai eivät kyenneet vastaamaan kasvavaan kysyntään) 1200-luvulle tultaessa, jolloin kehitettiin maanalainen louhinta kuilulouhinnalla. Vaihtoehtoinen nimi oli ”pitcoal”, koska se tuli kaivoksista. Höyrykoneiden ottaessa vallan vesipyöristä teollisen vallankumouksen aikana laajamittainen Kaivostoiminta ja hiilen käyttö lisääntyivät. Vuonna 1700 viisi kuudesosaa maailman hiilestä louhittiin Britanniassa.

Australiassa musta hiili löydettiin ensimmäisen kerran Newcastlesta vuonna 1791 ja hiilen louhinta ja vienti aloitettiin vuonna 1799. Tämä varhainen hiilikaivostoiminta vaikutti merkittävästi eurooppalaisen asutuksen kehittymiseen Australiassa. Uudisasukkaiden leviäminen muualle Australiaan johti uusiin löytöihin. Mustan hiilen louhinta tapahtui Ipswich Queenslandin lähellä 1825, Cape Patersonissa Victoriassa 1826 ja Irwin Riverissä Länsi-Australiassa 1846. Tieto ruskohiilen olemassaolosta Victoriassa on peräisin vuodelta 1857 ja Yallourn North open-Cutin tuotanto alkoi vuonna 1889. Vuonna 1878 Tarongan eläintarhaan piti rakentaa maanalainen hiilikaivos, kunnes parlamentti pysäytti kaivosyhtiön. Sen sijaan balmainissa louhittiin hiiltä vuoteen 1931 asti.

muodostuma

kivihiili muodostuu sedimenttialtaissa. Sedimenttialtaat ovat alueita, joissa maa on vajoanut tai vajonnut alas. Sitten altaaseen virtaa vettä ja sedimenttejä, jotka täyttyvät sedimenttikerroksista. Australian Mustat hiilivarat vaihtelevat ikäluokaltaan permikaudelta Jurakaudelle (299-145 miljoonaa vuotta vanha), vaikka suurin osa on ikäluokaltaan Permikautta. Tänä aikana ilmasto oli Australiassa lämmin, ja Itä-Australia, mukaan lukien Sydneyn allas, oli suurten, mutkittelevien jokien, soiden, soiden ja soiden peitossa. Näihin ympäristöihin kerrostuneet sedimentit muodostivat lopulta kivilajeja, kuten liuskekiveä, hiekkakiveä ja hiiltä. Ruskohiili on muodostunut Australiassa myöhemmin kuin mustat hiilet. Ne ovat pääosin Paleogeenikautisia (66-23 miljoonaa vuotta vanhoja).

kivihiili on sedimenttikiveä, joka muodostuu, kun runsas kasviaines on sedimenttien peitossa ja materiaali kertyy nopeammin kuin se ehtii lahota. Päällä olevien sedimenttien paino tiivistää orgaaniset kerrokset nostaen lämpötilaa ja painetta, mikä johtaa fysikaalisiin ja kemiallisiin muutoksiin kasvimateriaalissa. Vettä, hiilidioksidia ja metaania syntyy ja poistuu, joten materiaali rikastuu asteittain hiileksi. Kasviaines muuttuu ajan myötä turpeeksi, minkä jälkeen se muuttuu ruskohiileksi, sitten puolibitumiseksi kivihiileksi, bitumipitoiseksi kivihiileksi ja lopuksi antrasiitiksi.

resurssit

Australialla on maailman neljänneksi suurin osuus hiilivarannoista. 1700-luvun lopulta lähtien Australiassa on louhittu noin 9100 miljoonaa tonnia mustaa hiiltä ja noin 2300 miljoonaa tonnia ruskohiiltä, ja teollisuus tarjoaa edelleen merkittäviä työpaikkoja, pääomainvestointeja sekä kansantaloudelle kotimaisia ja vientituloja.

mustan hiilen luonnonvaroja esiintyy Uudessa Etelä-Walesissa, Queenslandissa, Etelä-Australiassa, Tasmaniassa ja Länsi-Australiassa, mutta Uudessa Etelä-Walesissa ja Queenslandissa on suurin osa Australian tunnistetuista luonnonvaroista. Nämä kaksi valtiota ovat myös suurimpia kivihiilen tuottajia. Australian tärkeimmät mustaa hiiltä tuottavat altaat ovat Bowenin allas (Queensland) ja Sydneyn allas (Uusi Etelä-Wales). Paikallisesti merkittäviä mustan hiilen louhintatoimintoja ovat myös Collie Länsi-Australiassa sekä Fingal ja Kimbolton Tasmaniassa.

ruskohiiltä esiintyy Etelä-Australiassa, Länsi-Australiassa, Tasmaniassa, Queenslandissa ja Victoriassa. Gippslandin altaalla Victoriassa on huomattava maailmanluokan esiintymä, jossa saumat voivat olla jopa 330 metriä paksuja. Otwayn altaalla (Victoria), Murrayn altaalla (Victoria ja Etelä-Australia), North St Vincentsin altaalla (Etelä-Australia) ja Euclan altaalla (Länsi-Australia) on myös merkittäviä ruskohiilivaroja. Vähäisiä luonnonvaroja esiintyy Tasmanian Longfordin altaassa. Tällä hetkellä ruskohiiltä louhitaan vain Victoriassa, jossa Loy Yangin ja Yallournin avohakkuukaivokset toimittavat hiiltä läheisille voimalaitoksille. Maddingleyssä louhitaan myös ruskohiiltä maanparannusaineiden ja lannoitteiden tuottamiseksi. Muita viktoriaanisen ruskohiilen tuotteita ovat teollisuus-ja kotikäyttöön tarkoitetut briketit sekä vähätuhkaiset ja vähäsulfidiset nieriätuotteet.

kivihiili on vuosittaisella viennillään Australian suurimpia tavaravientejä. Vuonna 2016 kivihiilen vienti Australiasta suuntautui pääasiassa Japaniin, Intiaan, Euroopan unioniin, Korean tasavaltaan ja Taiwaniin; sen arvo oli noin 40 miljardia dollaria.

Lisää hiilivaroja ja tuotantoa koskevia tietoja ja Australian tunnistettuja mineraalivaroja.

kaivostoiminta

Australiassa lähes 80% kivihiilestä tuotetaan avolouhoksista, toisin kuin muualla maailmassa, jossa avolouhoksen osuus kivihiilen tuotannosta on vain 40%. Avolouhinta on mahdollista, koska hiilisaumat ovat lähellä pintaa. Tällainen kaivostoiminta on halvempaa kuin maanalainen louhinta ja mahdollistaa jopa 90-prosenttisen resurssin hyödyntämisen. Monet ruskohiilikerrokset sijaitsevat lähellä maanpintaa ja voivat olla satojen metrien paksuisia, joten ne voidaan louhia helposti ja edullisesti. Ensinnäkin pintamaa poistetaan ja varastoidaan käytettäväksi myöhemmin häiriintyneen maan kunnostamisessa. Kivihiiltä peittävä pintakivi (ns.overburden) räjäytetään sitten räjähteillä ja poistetaan kaivinkoneilla. Peittämätön hiili puolestaan räjäytetään kerrosten hajottamiseksi ja lastataan suuriin kuorma-autoihin, joihin mahtuu jopa 300 tonnia materiaalia. Kivihiili kuljetetaan käsittelylaitokseen, jossa epäpuhtaudet poistetaan.

kivihiili, joka on syvemmällä kuin muutama sata metriä pinnan alla, on louhittava liian maanalaisilla louhintamenetelmillä. Osa kivihiilestä louhitaan Bord and Pillar-menetelmällä. Tässä kone leikkaa jatkuvasti hiiltä. Se tunneloi hiilisaumojen läpi jättäen kattopulteilla Tuetut pilarit kannattelemaan kattoa. Vaihtoehtona on longwall mining, jossa käytetään suurta leikkuuterää hiilikerroksen halkaisemiseen hiilisauman poistamiseksi. Tämän jälkeen kivihiili kuljetetaan pinnalle liukuhihnalla. Kivihiilen louhinnan jälkeen kone puretaan ja siirretään kaivoksen toiseen osaan, jolloin katto sortuu perässä.

tekniikan kehitys on johtanut automatisoitujen pitkämuurikaivosjärjestelmien käyttöönottoon. Lisäksi osa kaivosyhtiöistä käyttää kuljettamattomia rekkoja, junia ja lennokkeja turvallisuuden parantamiseen ja tiedon keräämiseen.

jalostus

mustaa kivihiiltä voidaan käyttää ilman jalostusta, mutta se yleensä murskataan, seulotaan ja lajitellaan asiakkaiden tarpeiden mukaan. Joskus se myös pestään poistaa jätemineraaleja, jotka eivät pala. Tämä parantaa laatua ja vähentää tuhkan tuotantoa, kun hiiltä poltetaan. Hiilen pesemiseksi se laitetaan säiliöihin nesteillä ja kemikaaleilla, jotka auttavat ottamaan talteen lisää hiiltä sen kelluessa pintaan. Tämän jälkeen hiili jätetään kuivumaan. Se tallennetaan koon mukaan ja voidaan sekoittaa jälleen asiakkaan vaatimusten mukaan. Sieltä se varastoidaan tai varastoidaan säiliöihin, jotka ovat valmiina maantie-tai rautatiekuljetuksia varten.

heikkolaatuista kivihiiltä, kuten puolibitumista tai ruskohiiltä, voidaan jalostaa kosteuden ja muiden epäpuhtauksien poistamiseksi. Tämä lisää hiilen tehokkuutta polttoaineena ja vähentää kasvihuonekaasujen ja muiden epäpuhtauksien päästöjä, kun hiiltä poltetaan. Victoriassa ruskohiiltä parannetaan Kylmäprosessilla. Mekaanisella leikkurilla kivihiili murskataan pieniksi hiukkasiksi, jolloin hiilen huokosissa (koloissa) oleva vesi vapautuu. Prosessi tuottaa tiheämpää kivihiiltä pellettimuodossa.