Węgiel kamienny

Węgiel kamienny jest paliwem kopalnym pochodzenia organicznego. Powstał w wyniku powolnych przekształceń tkanek roślinnych, rozkładu przez mikroorganizmy w warunkach ograniczonego dostępu tlenu oraz działania wysokiej temperatury i ciśnienia panujących pod powierzchnią ziemi. Do powstania złóż węgla kamiennego przyczyniły się zmiany klimatyczne, jakie miały miejsce w permie. Wywołały one masowe wymieranie panującej wówczas roślinności. Drugim ważnym dla powstania węgla okresem był karbon. W ciepłym i wilgotnym klimacie rozwijały się, a następnie obumierały wielkie ilości roślin. Do dominujących gatunków należały wówczas między innymi ogromne widłaki, skrzypy, paprocie oraz prymitywne rośliny nagonasienne. Tkanki roślin rosnących na podmokłych terenach po obumarciu poddawane były powolnym procesom fermentacji beztlenowej. Przykrywane warstwami osadów w warunkach coraz wyższego ciśnienia i temperatury przekształcały się powoli w węgiel, którego złoża dzięki procesom górotwórczym zostały wyniesione bliżej powierzchni ziemi.

Węgiel kamienny zawiera 78-92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt zawierający do 97% węgla). Barwa czarna. Zwarty, kruchy. Przy spalaniu daje długi, błyszczący płomień. Węgiel kamienny należy do węgli humusowych, niejednorodnych w swej strukturze, stanowiących mieszaninę kilku odmian petrograficznych (różniących się twardością i połyskiem), tworzących pojedyncze pasma.

Należą do nich:
1) fuzyn - węgiel włóknisty,
2) duryn - węgiel matowy,
3) klaryn - węgiel półbłyszczący,
4) witryn - węgiel błyszczący.

Ze względu na zastosowanie rozróżnia się kilka typów technologicznych węgla kamiennego, określanych poprzez takie właściwości jak: spiekalność, zawartość składników lotnych, ciśnienie rozprężania i ciepło spalania.

Węgiel kamienny jest na świecie szeroko rozpowszechniony. Występuje głównie w utworach paleozoicznych (karbon, perm) i mezozoicznych.

Największe złoża: Rosja (Zagłębia: Peczorskie, Kuźnieckie, Tunguskie, Leńskie), Ukraina (Zagłębie Donieckie), Wielka Brytania (Zagłębia: Yorkshire, Durham, Derbyshire), Niemcy (Zagłębia Ruhry i Saary), USA, Kanada, Chiny, Australia, Indie i RPA. Wydobywany jest obecnie w 58 krajach.

W Polsce najbardziej zasobne złoża występują w utworach karbonu na Górnym Śląsku (Górnośląskie Zagłębie Węglowe) i Lubelszczyźnie (Lubelskie Zagłębie Węglowe), a także na Dolnym Śląsku (okolice Wałbrzycha i Nowej Rudy).

Przeróbka

Do najważniejszych metod przeróbki węgla kamiennego należy koksowanie i zgazowanie.

Koksowanie polega na ogrzewaniu węgla bez dostępu powietrza do temp. 1000oC w tzw. bateriach koksowniczych. W tych warunkach węgiel ulega rozkładowi na cztery główne produkty: koks, wodę pogazową, smołę węglową i gaz koksowniczy.

Zgazowanie węgla polega na poddaniu go reakcji z mieszaniną przegrzanej pary wodnej i tlenu w wysokiej temp. Zachodzą wówczas różne procesy, z których najważniejsze to:
C + H2O -> CO + H2
2C + O2 -> 2CO

W wyniku zgazowania węgla powstaje gaz syntezowy czyli mieszanina tlenku węgla i wodoru. Z punktu widzenia otrzymywania tego gazu ważniejsza jest pierwsza reakcja, jednak jest ona procesem endotermicznym. Dlatego, w celu utrzymania właściwej temperatury stosuje się dodatek tlenu do pary wodnej, w skutek czego zachodzi też reakcja druga czyli egzotermiczna. Dobierając odpowiednio proporcje tlenu i pary wodnej można utrzymywać stałą temp. w reaktorze.

Obecnie bardziej ekonomiczne jest otrzymywanie gazu syntezowego z gazu ziemnego, ale w miarę wyczerpywania się jego złóż sytuacja ta może ulec zmianie.

Zastosowanie

Węgiel kamiennych ma szereg zastosowań. Używa się go jako źródło energii, w medycynie oraz w przemyśle chemicznym, gdzie w wyniku przeróbki z węgla kamiennego powstaje wiele związków o różnych funkcjach.

Koks - to praktycznie czysty węgiel z niewielką domieszką popiołu. Charakteryzuje się specyficzną, porowatą strukturą i dużą wytrzymałością mechaniczną. Głównymi odbiorcami jest hutnictwo żelaza (składnik wsadu wielkopiecowego).

Woda pogazowa - zawiera amoniak powstały z rozkładu związków azotowych. Wykorzystywana jest do produkcji soli amonowych stosowanych jako nawozy sztuczne. Jednak w wyniku koksowania powstaje jej niezwykle mało w porównaniu z produkcją amoniaku syntetycznego.

Gaz koksowniczy - składa się głównie z wodoru, metanu i tlenku węgla, dzięki czemu ma wysoką wartość opałową. Jest on jednak zużywany głównie do ogrzewania baterii koksowniczych.

Smoła węglowa - ma największe znaczenie z punktu widzenia przemysłu chemicznego, gdyż jest ona złożoną mieszaniną kilku tysięcy związków, z których wydziela się ok. 20. Smołę przerabia się poprzez destylację frakcyjną, podobnie jak ropę naftową, jednak proces ten jest tu bardziej skomplikowany. Składnikami frakcji są: węglowodory aromatyczne (benzen, toluen oraz naftalen), fenole, pirydyna.

Gaz syntezowy - jest używany jako surowiec do wielu syntez chemicznych m.in. Do otrzymywania metanolu.

Węgiel kamienny jest najczęściej występującym surowcem energetycznym pochodzenia organicznego. W niektórych domach do dziś używa się do ogrzewania. Obecnie jednak większość węgla zużywana jest w przemyśle lub elektrowniach. Zanim zaczęto wydobywać na szeroką skalę gaz ziemny uzyskiwano go z węgla. Węgiel Kamienny zawdzięcza swoją popularność temu, iż w przeciwieństwie do innych skał pali się wydzielając dużo ciepła i dużo energii. Przerabia się go w procesie koksowania (suchej destylacji
węgla) czyli wysokotemperaturowego (około 1000C) odgazowywania w piecach koksowniczych bez dostępu powietrza. Proces ten prowadzi do powstania koksu, gazu koksowniczego, wody pogazowej i smoły pogazowej Substancja stała - tworzy szaroczarne, nieregularne bryły o budowie gąbczastej, składające się w 90% z węgla. Stosowany jako paliwo i reduktor w procesie wielkopiecowym (otrzymywanie stali z rud żelaza) oraz jako bezdymne paliwo do centralnego ogrzewania.

Węgiel a środowisko

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 SO2, 6000 t NOx, a także 2 mln ton CO2, którego nie potrafimy się pozbyć. Poza tym na wysypiska trafia około 300 000 ton popiołów.

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. Roczne straty z tego powodu w Europie sięgają wielu miliardów dolarów. Nie do oszacowania są ogromne straty spuścizny kulturalnej - zniszczone pomniki, rzeźby i budowle, w szczególności z piaskowca oraz marmuru.

Wydobycie 3 mln ton węgla spalanych rocznie w elektrowni o mocy 1000 MW(e) powoduje średnio śmierć 3 górników pod ziemią, a podczas jego transportu również zdarzają się wypadki śmiertelne. Według danych zebranych w różnych krajach szacuje się, że typowa elektrownia węglowa o mocy 1000 MW(e) powoduje przedwczesną śmierć 100-500 osób rocznie. Liczba zgonów zależy od wielu czynników, takich jak jakość spalanego węgla, stopień oczyszczania spalin, gęstość zaludnienia w pobliżu elektrowni i warunki meteorologiczne. W USA liczbę ofiar śmiertelnych energetyki węglowej ocenia się na 25000, a w Wielkiej Brytanii na 2000 rocznie.

Największe masowe zatrucia spalinami wydarzyły się w Dolinie Mozy (Belgia, 1952 r.), w Donora (Pensylwania, 1948 r.), w Londynie (1952 r.) oraz w Nowym Jorku (lata 1953, 1963, 1966). W Londynie w grudniu 1952 roku z powodu szczególnie niekorzystnych warunków meteorologicznych (inwersja temperatury), w ciągu kilku dni zmarło 3900 osób.