Surowce energetyczne: węgle kopalne (antracyt, węgiel kamienny i brunatny, torf), ropa naftowa, gaz ziemny

Kopaliny użyteczne to substancje pochodzenia nieorganicznego lub organicznego nagromadzone w skorupie ziemskiej, mające przy danym stanie techniki i technologii zastosowanie w gospodarce. Są wydobywane w kopalni (podziemnej, odkrywkowej) lub z otworu wiertniczego i wykorzystywane w stanie naturalnym lub po odpowiedniej obróbce bądź przeróbce. Pojęcie kopalin użytecznych zmienia się wraz z rozwojem cywilizacji. Uznanie danej skały czy minerału za kopalinę użyteczną jest zależne od potrzeb człowieka oraz od poziomu techniki i technologii. W zaraniu dziejów człowiek korzystał z bardzo nielicznych kopalin użytecznych, przede wszystkim z krzemienia. Stopniowo weszły w użycie metale rodzime, potem dopiero rudy metali. Dzięki rozwojowi nauki, techniki i technologii przeróbki wzrastają możliwości szerszego wykorzystania skał i minerałów, które stają się ważnymi kopalinami użytecznymi, np. rudy uranu (traktowane jako kopaliny użyteczne dopiero od kilkudziesięciu lat), boksyty, rudy zawierające pierwiastki śladowe (german, selen) i in.

W przeciwieństwie do kopalin użytecznych skały, które nie przedstawiają wartości gospodarczej, a pośród których lub z którymi występują w przyrodzie kopaliny użyteczne, noszą nazwę skał płonnych. Ta sama skała w jednym przypadku może być kopaliną użyteczną, w innym — skałą płonną; np. wapień przy wydobywaniu węgla jest uważany za skałę płonną, a jeżeli jest przedmiotem eksploatacji — za kopalinę użyteczną.

Ze względu na stan skupienia kopaliny użyteczne dzielą się na: stałe (np. węgle, rudy, sole), ciekłe (ropa naftowa, wody mineralne) i gazowe (gaz ziemny). W zależności od zastosowania w gospodarce najczęściej rozróżnia się; kopaliny użyteczne metaliczne, kopaliny użyteczne niemetaliczne oraz kopaliny użyteczne energetyczne, do których należą: węgiel kamienny i brunatny, torf, ropa naftowa, gaz ziemny i łupki bitumiczne. Nagromadzenie kopalin użytecznych w skorupie ziemskiej o wartości gospodarczej nosi nazwę złoża. Wydobyta ze złoża kopalina użyteczna jest surowcem mineralnym.

Moja praca dotyczyć będzie ostatniej z wymienionych wyżej grupy kopalin, a mianowicie surowców energetycznych.

Należące do nich węgle kopalne są jedną z odmian skał osadowych. Składają się głównie ze szczątków organizmów zwierzęcych, pierwotniaczych lub roślinnych albo też powstały przez wytrącenie się substancji mineralnych wskutek procesów życiowych tych organizmów. Nagromadzone szczątki organiczne mogą być scementowane węglanami, krzemionką lub spoiwem żelazistym. Takie skały nazywamy organogenicznymi i, oprócz węgli, należą do nich m.in. wapienie (rafowe, numulitowe i in.), kreda, diatomity, radiolaryty i fosforyty.

W skład węgli kopalnych wchodzą głównie pierwiastki: węgiel, wodór i tlen oraz azot i siarka. Zawierają one także substancje mineralne (krzemiany, siarczki,
węglany i in.), a także minimalne ilości pierwiastków tzw. rzadkich (m.in. german, gal, wanad, uran, arsen). W węglach kopalnych wyodrębnia się, dostrzegalne pod mikroskopem, podstawowe składniki o jednakowych cechach fizycznych, chemicznych i morfologicznych, zwanych maceratami. W zależności od procentowej zawartości pierwiastka węgla rozróżnia się następujące gatunki węgla kopalnego tworzące tzw. szereg węglowy: torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny, antracyt i szungit.

Złoża węgla kopalnego powstały w różnych okresach geologicznych, największe — w karbonie i permie. Roślinnością węglotwórczą były: w karbonie — olbrzymie widłaki (lepidodendrony i sygilarie), skrzypy (gł. kalamity), paprocie nasienne, kordaity, w permie — gł. rośliny nagozalążkowe (zwłaszcza miłorzębowe, iglaste i benetyty), w trzeciorzędzie — rośliny okrytozalążkowe (np. sekwoje, topole). W zależności od rodzaju pierwotnej materii roślinnej rozróżnia się 3 podstawowe grupy węgla kopalnego:
- węgle humusowe (humolity), najbardziej w przyrodzie rozpowszechnione i najważniejsze pod względem gospodarczym, utworzone na torfowiskach ze szczątków flory lądowej,
- węgle sapropelowe (sapropelity), występujące w znacznie mniejszych ilościach (gł. w postaci cienkich ławic i soczewek wśród węgli humusowych), powstałe ze szczątków gł. flory wodnej (zwłaszcza glonów),
- węgle liptobiolitowe (liptobiolity), stanowiące nagromadzenie żywiczno - woskowych składników roślin, najbardziej odpornych na działanie czynników fizycznych i biochemicznych.

W tworzeniu się węgla kopalnego rozróżnia się 2 fazy: biochemiczną i geochemiczną. W fazie biochemicznej nagromadzony materiał roślinny ulegał rozkładowi przy współudziale drobnoustrojów (próchnienie, butwienie i torfienie lub gnicie), w wyniku czego wzbogacił się w pierwiastek węgiel. W fazie geochemicznej w przeobrażonej masie roślinnej, przykrytej skałami osadowymi (piaskiem, iłem), zachodziły reakcje chemiczne prowadzące do usunięcia składników lotnych i koncentracji pierwiastka węgla. Proces wzbogacania nagromadzonej masy roślinnej w pierwiastek węgiel, zwany uwęglaniem , odbywał się z różną intensywnością i decydował o powstaniu różnych rodzajów węgla kopalnego. Na intensywność procesu uwęglania duży wpływ miały: wysoka temperatura (zależnie od głębokości, na jaką została pogrążona nagromadzona materia roślinna lub od sąsiedztwa intruzji magmowej), czas trwania procesu oraz ciśnienie wywierane przez nadległe masy skalne. Powstawanie węgla było procesem długotrwałym. Obliczono teoretycznie, że na powstanie pokładu węgla o grubości 1 m potrzeba 1200 lat akumulacji materiału roślinnego.

Sucha destylacja to proces ogrzewania substancji bez dostępu powietrza. W wyniku takiego ogrzewania węgla kopalnego możemy otrzymać trzy rodzaje produktów:
- gazowe (gaz świetlny albo koksowniczy)
- ciekłe (woda pogazowa)
- stałe (koks)

Kolejny surowiec energetyczny to ropa naftowa. Jest to ciekła, naturalna mieszanina węglowodorów parafinowych (alkany), naftenowych (cykloalkany) i aromatycznych (areny). Zawiera także organiczne związki siarki, tlenu, azotu, związki metaloorganiczne oraz składniki mineralne: związki żelaza, krzemu, wanadu, sodu, niklu i innych metali. Ma barwę żółtobrunatną, zielonkawą lub czarną, bardzo rzadko bywa bezbarwna lub czerwonawa. Ze względu na typ związków chemicznych przeważających w ropie naftowej rozróżnia się najczęściej ropę bezparafinową, parafinową, naftenową, aromatyczną.

Istnieją 2 grupy teorii dotyczących pochodzenia ropy naftowej. Teorie o jej nieorganicznym pochodzeniu (których twórcami są m.in. D.I. Mendelejew 1877, A.D. Ross 1891, H. Moissan 1896, N.A. Kudriawcew 1951, P.N. Kropotkin 1955) zakładają, że ropa naftowa powstaje w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w głębi Ziemi, np. wskutek działania wody na węgliki metali ciężkich, w następstwie polimeryzacji gazów wydzielających się z jądra Ziemi. Niektóre z tych teorii wiążą powstanie ropy naftowej z magmami zasadowymi. Jednak poglądy o takim pochodzeniu ropy naftowej nie znalazły wielu zwolenników. Przeważająca większość badaczy przyjmuje opinie o jej organicznym pochodzeniu (stworzone m.in. przez B. Radziszewskiego 1877, K. Englera i H. Hfera 1890, J.E. Hackforda 1932, D. White'a 1935), w myśl których ropa naftowa powstaje przez przeobrażenie szczątków roślinnych i zwierzęcych nagromadzonych wraz z drobnymi okruchami mineralnymi w osadach morskich. Czynnikami powodującymi przejście substancji organicznej w bituminy (ropa naftowa, gaz ziemny, asfalt i ozokeryt) są: środowisko redukujące, odpowiednie — temperatura i ciśnienie, działalność bakterii, oddziaływanie pierwiastków promieniotwórczych i in. Głównym produktem przeobrażeń substancji orgganicznych jest kerogen, z którego pod wpływem procesów diagenezy i metamorfizmu powstaje ropa naftowa (i gaz ziemny). Powstawanie i nagromadzenie ropy naftowej jest związane z istnieniem sedymentacyjnych basenów ropo - i gazonośnych, wykazujących tendencję do obniżania się w stosunku do sąsiednich obszarów, zazwyczaj przez kilka okresów geologicznych. Osady i skały zawierające szczątki organiczne mogły w trakcie osiadania osiągnąć strefy, w których temperatura i ciśnienie umożliwiły przekształcenie ich w składniki ropy naftowej. Pod względem tektonicznym rozróżnia się m.in. baseny śródplatformowe, śródfałdowe, fałdowo - platformowe oraz przyoceaniczne platformowe. Skałami macierzystymi ropy naftowej mogą być skały ilaste lub węglanowe, zawierające powyżej 0,5% kerogenu. Pod wpływem ciśnienia warstw stopniowo nagromadzających się w nadkładzie skały macierzystej i in. czynników (zmiany temperatury, ruchy górotwórcze) ropa naftowa może uwalniać się z miejsc gdzie powstawała, migrować i nagromadzać w skałach porowatych lub silnie spękanych, zwanych kolektorami. Do najważniejszych z nich należą wapienie i dolomity, w których występuje prawie połowa geologicznych zasobów ropy naftowej, a także osady piaszczyste, piaskowce i łupki. Powstanie złoża ropy naftowej (nagromadzenie ropy w warstwie przepuszczalnej wraz z towarzyszącym jej gazem ziemnym, a często i wodą) jest uwarunkowane występowaniem odpowiednich struktur geologicznych (antyklina, monoklina, uskok, wysad solny), umożliwiających zatrzymanie ropy w kolektorze przez warstwy nieprzepuszczalne (tzw. ekran), którymi są przeważnie iły, łupki ilaste, margle, kwarcyty. W antyklinach i in. strukturach geologicznych często występuje wiele złóż tworzących rozległe pola naftowe. Złoża ropy naftowej występują w utworach od kambru do trzeciorzędu, gł. w utworach mezozoicznych (ponad 50% odkrytych złóż) i trzeciorzędowych (ok. 25%).

Ropę naftową można poddać procesowi przeróbki w celu otrzymania z niej różnych produktów. Do najważniejszych z nich należą:
- paliwa - gaz płynny, benzyna samochodowa i lotnicza, nafta, olej napędowy, oleje opałowe;
- oleje smarowe;
- gacz parafinowy, z którego otrzymuje się parafinę;
- asfalty i koks naftowy;
- smary stałe.

W zależności od rodzaju ropy naftowej oraz produktów, jakie mają być z niej otrzymywane, stosuje się odpowiednie technologie przeróbki ropy naftowej. Ropę naftową poddaje się przeróbce w rafineriach paliwowych, paliwowo - olejowych oraz w rafineriach petrochemicznych. W rafineriach paliwowo - olejowych stosuje się tzw. zachowawczą metodę przeróbki ropy, polegającą na rozdziale ropy naftowej na frakcje, bez chemicznej zmiany jej składników. Z ropy naftowej, poddanej destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym, otrzymuje się frakcje wrzące do temperatury 300–350C, a pod ciśnieniem zmniejszonym (w celu uniknięcia rozkładu składników ropy naft.) — frakcje wrzące powyżej tej temperatury. Destylację prowadzi się w instalacjach tzw. rurowo - wieżowych (gł. aparatami są piece rurowe i kolumny destylacyjne, zwane wieżami — stąd nazwa, oraz wymienniki ciepła, chłodnice, pompy). Odwodnioną ropę naft. poddaje się stabilizacji (oddzielenie najlżejszych, gazowych węglowodorów), ogrzewa w piecu (do temp. 350C) i wprowadza do kolumny destylacyjnej atmosferycznej, w której następuje jej rozdzielenie na: benzynę, naftę, olej napędowy (odprowadzane po ochłodzeniu do zbiorników magazynowych) oraz mazut. Mazut — po ogrzaniu — wprowadza się do kolumny destylacyjnej próżniowej, z której odbiera się destylaty olejowe i gudron. W celu uzyskania produktów handlowych otrzymane frakcje poddaje się procesom uszlachetniającym, np. benzynę — odsiarczaniu, reformingowi, frakcje olejowe — rafinacji (np. odparafinowaniu, odasfaltowaniu). W rafineriach paliwowych i petrochemicznych niektóre frakcje otrzymane w wyniku destylacji ropy poddaje się tzw. procesom destruktywnym. W rafineriach paliwowych prowadzi się gł. katalityczny kraking destylatów próżniowych (średnich i ciężkich) oraz koksowanie mazutu. Uzyskuje się w ten sposób duże ilości wysokooktanowych benzyn silnikowych i oleju napędowego. W rafineriach nastawionych na uzyskiwanie surowców do syntez organicznych (etenu, propenu, butadienu, benzenu, toluenu) podstawowym procesem destruktywnym jest piroliza lekkich frakcji naftowych, prowadzi się też kraking katalityczny cięższych frakcji uzyskanych w wyniku destylacji atmosferycznej.

Gaz ziemny, kolejny po ropie naftowej surowiec energetyczny, to mieszanina węglowodorów — najlżejszych homologów metanu — oraz (w zmiennych ilościach) azotu, dwutlenku węgla, siarkowodoru, gazów szlachetnych. Występuje głównie w porowatych piaskach, piaskowcach, wapieniach i dolomitach, niekiedy także w szczelinach skał magmowych. Zazwyczaj towarzyszy złożom ropy naftowej lub węgla kamiennego, tworzy także samodzielne złoża. Powstaje w wyniku analogicznych procesów jak ropa naftowa lub stanowi jeden z produktów uwęglania substancji roślinnej.

Surowce takie jak ropa naftowa i gaz ziemny mają wiele zastosowań. Dzięki ropie możemy otrzymać m.in.: kauczuk syntetyczny, smary stałe, oleje silnikowe, wazelinę, naftę, oleje napędowe, rozpuszczalniki, parafinę a także leki. Szczególne znaczenie ma produkcja benzyny, niezbędnej przy dzisiejszym rozwoju motoryzacji. Natomiast gaz ziemny jest cennym surowcem w produkcji sadzy, gazu syntezowego oraz jest stosowany jako paliwo.

Bez istnienia surowców opisanych w mojej pracy życie współczesnego człowieka wyglądałoby zupełnie inaczej. Powinniśmy nie zapominać o tym, że wiele ich zasobów po prostu się wyczerpuje, jak również o tym, że eksploatacja skarbów ziemi powoduje szkody w środowisku. Dlatego należy szukać bezpiecznych dla środowiska technologii, zakładać coraz to lepsze filtry i równocześnie poszukiwać nowych źródeł energii.