1. Jak powstały złoża węgla?
2. Podział węgla kopalnego.
3. Zastosowanie węgla kopalnego.
4. Jak powstała ropa naftowa i gaz ziemny?
5. Zastosowanie ropy naftowej i gazu ziemnego.
6. Ogólne informacje:
- Węgle kopalne.
- Węgiel brunatny.
- Węgiel kamienny.
- Ropa naftowa.
- Gaz ziemny.
- Torf.
- Koks.
- Smoła węglowa.
Węgiel jest pierwiastkiem najczęściej występującym w przyrodzie. Węgiel (carbon) jest to niemetal o liczbie atomowej równej 6, masie atomowej równej 12,01. Pierwiastek ten należy do IV grupy układu okresowego. Należy do grupy węglowców, jest niemetalem. Sublimuje bez stopnienia w temperaturze 3653oC. W temperaturze pokojowej jest chemicznie nieaktywny. Węgiel jest jednym z najważniejszych pierwiastków w przyrodzie jako podstawowy składnik organizmów żywych. Historia wydobycia węgla liczy już ponad półtora wieku, a w 1993 r. jego łączna produkcja osiągnęła 3655 mln ton. Natomiast łączne wydobycie do 1980 r. ocenia się na 140 mld ton, przy czym 60% jego ogólnej produkcji spala się w elektrowniach, 25% przetwarza w koksowniach, 15% w postaci bezpośredniej zużywa przemysł i ludność. Pierwsza kopalnia węgla powstała w 1113r. w południowych Niemczech w Aachen. Jest ciałem stałym, z grupy węglowców, niemetalem, nie rozpuszcza się w wodzie, kwasach i zasadach. Związki węgla są głównym źródłem energetycznym człowieka.
1. Jak powstały złoża węgla?
Węgiel kamienny: Większość złóż węgla formowała się od 360 do 28 mln lat temu. Węgiel powstał na bagnistych obszarach, które w tamtych czasach porastały wilgotne lasy tropikalne. Szczątki obumarłych roślin opadły na dno bagnistych jeziorzysk lub lagun, gdzie z powodu małej ilości tlenu i odpowiednich bakterii rozkładały się bardzo powoli. W pierwszej fazie rozkładu gnijące rośliny zmieniły się w torf. Procesowi temu towarzyszyło wydzielanie metanu (stąd duże jego ilości znajdują się przy pokładach węgla kamiennego). Torf nie jest w stanie samoistnie przekształcić się w węgiel. Jego pokłady muszą najpierw zostać poddane odpowiedniemu ciśnieniu. Pierwsze zgniatanie złóż torfu odbywa się pod ciężarem wciąż narastającej ilości obumarłych roślin. Z warstwy torfu o grubości od 10 do 15 m może powstać jednometrowa warstwa węgla. Po zapełnieniu bagna przez substancję roślinną, na złoża torfu osadzały się warstwy piasku i mułu. Następnie teren obniżał się, a wody morskie lub jeziorne ponownie go zalewały, dzięki czemu dochodziło do kolejnego etapu akumulacji roślinnej. Cykl ten powtarzał się wielokrotnie, dlatego mówimy, że węgiel kamienny powstał w procesie sedymentacji cyklicznej. Doprowadziła ona do powstania licznych, oddzielonych od siebie innymi skałami osadowymi, pokładów węgla. Ich grubość różni się znacznie i wynosi od kilku mm do kilku metrów.
2. Podział węgli kopalnych.
Węgle kopalne to węgiel kamienny (około 88% pierwiastka C), węgiel brunatny (65-72%), szungit (99%), antracyt (96%) i torf (60%). Pokłady węgla powstały ze szczątek roślinnych w wyniku bituminizacji.
Węgiel kamienny jest surowcem dzięki któremu zapoczątkowano produkcję energii na wielką skalę i co za tym idzie, rewolucję przemysłową. Jego kaloryczność waha się w zakresie 5000-7500 kcal/kg w zależności od zawartości C. Zasoby węgla kamiennego szacuje się na kilka bilionów ton, większość na półkuli północnej. Największe eksploatowane złoża znajdują się w Chinach, USA, Rosji i krajach WNP, Indiach, Australii i RPA. W drugiej połowie XX w. węgiel przestał być głównym źródłem energii w krajach wysoko rozwiniętych na rzecz tańszej ropy naftowej, gazu ziemnego i tzw. źródeł alternatywnych oraz dlatego, że podczas spalania węgla wydziela się dużo szkodliwego związku SO3.
W wyniku koksowania (inaczej sucha destylacja węgla lub pirogenizacja, piroliza) otrzymuje się koks, gaz koksowniczy, smołę pogazową i wodę pogazową. Proces polega na ogrzewaniu węgla kamiennego w piecach C bez dostępu powietrza.koksowniczych do temp około 1000
Koks jest stały, porowaty i czarny. Zawiera w około 90% pierwiastek C, jest zanieczyszczony niewielkimi ilościami siarki i innymi substancjami. Stosowany jest głównie w hutnictwie (reduktor w procesie wielkopiecowym) oraz jako bezdymne paliwo do centralnego ogrzewania. Jest mniej szkodliwy dla środowiska od węgla kamiennego z uwagi na mniejszą zawartość siarki.
Gaz koksowniczy, inaczej zwany świetlnym, składa się z H2, O2, N2, CO2, N3H, H2S, węglowodorów nasyconych, nienasyconych (m.in. etylen, acetylen) oraz aromatycznych (benzen, toluen itd.). Stosowany jest jako surowiec w przemyśle chemicznymi i jako paliwo (po usunięciu amoniaku, smoły pogazowej, węglowodorów aromatycznych). W skutek wstępnego chłodzenia gazu wraz ze smołą wykrapla się woda pogazowa. Zawiera ona wodę oraz amoniak i sole amonowe (głównie węglan amonowy), nazywana też jest wodą amoniakalną, bo rozpuszcza się w niej w 75% amoniak.
Smoła pogazowa to czarna, mazista ciecz o intensywnym zapachu. Zawiera m.in. benzen i jego homologi, naftalen i dużo innych związków aromatycznych. Poddaje się ją destylacji frakcyjnej, w wyniku czego otrzymuje się około 40 związków chemicznych.
Węgiel brunatny jest znacznie mniej kaloryczny – 1500-3000 kcal/kg. Najczęściej wykorzystywany jest blisko miejsca wydobycia w elektrowniach, gdyż nie opłaca się go transportować z powodu kruchości i dużej zawartości wody. Wydobywa się go głównie w Niemczech, Rosji, Czechach, USA, Bułgarii, Grecji, Słowenii, Bośni i Hercegowinie oraz w Polsce.
Szungit ma najwyższą zawartość węgla wśród węgli kopalnych. Jest czarny i błyszczący. Wykazuje odporność na działanie czynników chemicznych.
Antracyt jest wysokogatunkowym paliwem, stosowany jest również do wyrobu elektrod. Złoża obu wyżej wymienionych węgli kopalnych występują rzadko i zostały już w znacznej mierze wyeksploatowane
Torf ma barwę ciemnobrunatną. Występuje najczęściej na dnie bagien, powstaje ze zgniłych roślin. Znajduje zastosowanie jako opał, podściółka dla bydła, nawóz, materiał izolacyjny w budownictwie oraz także w lecznictwie (np. słynne preparaty prof. Tołpy i inne, rzekomo zapobiegające rakowi).
3. Zastosowanie węgli kopalnych.
WĘGIEL KAMIENNY: Węgiel jest niezastąpiony głównie w przemyśle energetycznym oraz w starych, ogrzewanych nim gospodarstwach. Nim zaczęto wydobywać gaz ziemny, otrzymywano go właśnie z węgla. Przemysłowi chemicznemu również oddaje nieocenione usługi, służąc do produkcji kosmetyków i pestycydów. Wykorzystywane są też produkty przetwarzania węgla - ze smoły węglowej wytwarza się materiały wybuchowe, rozpuszczalniki, leki, aromaty do ciast, tłuszcze i środki pielęgnacyjne, wykorzystuje się również odzyskany z węgla amoniak.
4. Jak powstała ropa naftowa i gaz ziemny?
Ropa naftowa: Niektórzy naukowcy są zdanie, iż ropa jest pochodzenia nieorganicznego i powstała w wyniku przemian w jądrze Ziemi. Jednak znaczna większość zakłada inną, bardziej prawdopodobną hipotezę:
Procesy, które doprowadziły do powstania paliw kopalnych zachodziły miliony lat temu. Większość złóż północnej i środkowej części Morza Północnego powstała z glonów i bakterii, które zostały pogrzebane pod mułem i iłem na dnie morza w okresie jurajskim (144-213 mln lat temu). Przykryta warstwą mułu materia organiczna stopniowo rozkładała się i zamieniała w ropę pod wpływem wysokiej temperatury i tego samego, ogromnego ciśnienia, które zamieniało ił i muł w litą skałę. Ropa naftowa i gaz ziemny występują prawie wyłącznie w skałach osadowych, głównie piaskowcach, których porowatości i szczeliny mogą być nasycone ropą i gazem, czyli mogą stać się kolektorem węglowodorów. Aby mogło powstać złoże ropy naftowej lub gazu ziemnego, musi istnieć warstwa skał nieprzepuszczalnych przykrywającą skałę przepuszczalną. Dzięki temu ropa może gromadzić się w strukturze zwanej pułapką.
GAZ ZIEMNY jest to gaz pochodzenia organicznego bądź nieorganicznego. Rozróżnia się gaz ziemny wulkaniczny, pochodzenia nieorganicznego, przeważnie niepalny, g.z. błotny, będący produktem biologicznego rozkładu, składający się przede wszystkim z metanu, oraz g.z. właściwy. Gaz ziemny właściwy występuje w podziemnych złożach, bardzo często razem z ropą naftową. Zależnie od pochodzenia gaz ziemny stanowi mieszaninę homologów od metanu do pentanu, związków siarki, CO2, O2, H2, N2, He. W zależności od składu rozróżnia się gaz "chudy", zawierający do 99% metany, gaz "mokry", zawierający także węglowodory wyższe, oraz gaz "kwaśny", silnie zanieczyszczony związkami siarki. Gaz ziemny jest paliwem pochodzenia naturalnego, występującym w przyrodzie albo oddzielnie, albo łącznie z ropą naftową. Mimo, że nie wszystkie szczegóły dotyczące powstawania złóż gazu są wyjaśnione, można z całą pewnością stwierdzić, że powstał — podobnie jak ropa naftowa — w wyniku przemian szczątków organizmów żywych w węglowodory. Złoża gazu ziemnego można podzielić na udokumentowane, których wskaźnik wystarczalności ocenia się na około 50 lat oraz wstępnie ocenione, które (według dzisiejszej wiedzy) ocenia się na około 150 lat. Dane te pozwalają z optymizmem patrzeć na przyszłość gazu ziemnego jako paliwa energetycznego. W Polsce złoża gazu odkryto m.in. w rejonie Karpat (gaz wysokometanowy) oraz na Niżu Polskim (gaz zaazotowany) — łącznie udokumentowanych jest ok. 80 złóż, z czego eksploatuje się 30. Udokumentowane zasoby gazu w Polsce szacuje się na 150 mld m3. Roczne wydobycie gazu polskiego to ok. 4 mld m3 rocznie.
6. Zastosowanie ropy naftowej i gazu ziemnego.
ROPA NAFTOWA: Ropę naftową wykorzystuje się już od dawna, używana była m.in. do balsamowania zwłok, robienia pochodni, leków, a także jako środek zapalający w