Węgle kopalne, ropa naftowa, gaz ziemny - czyli surowce energetyczne

WĘGIEL BRUNATNY

Węgiel brunatny, jeden z węgli kopalnych, zawiera 65–78% pierwiastka węgla; ma barwę od jasnobrun. do czarnej. Rozróżnia się kilka odmian węgla brunatnego: węgle ksylitowe, zw. też węglami lignitowymi (lignitami), odznaczające się wyraźnie zachowaną strukturą drewna; węgle miękkie, do których należą węgle ziemiste, o nierównym przełamie, po wysuszeniu łatwo rozsypujące się na drobne kawałki, i węgle łupkowe, o wyraźnej podzielności warstwowej, po wysuszeniu mniej kruche od węgli ziemistych; węgle twarde , różnią się od innych odmian węgla brunatnego większą zwięzłością; rozróżnia się wśród nich węgle matowe, o przełamie muszlowym, i węgle błyszczące, zbliżone do węgli kamiennych.
Węgiel brunatny występuje gł. w utworach trzeciorzędu, niekiedy w utworach kredy, jury, triasu, a nawet karbonu. Główne złoża występują w Niemczech, Rosji, Czechach, USA, Kanadzie, Australia i Indiach. W Polsce najbogatsze złoża znajdują się w rejonie Turoszowa (Turoszowskie Zagłębie Węgla Brunatnego), Konina (Konińskie Zagłębie Węgla Brunatnego) i Bełchatowa (Bełchatowskie Zagłębie Węgla Brunatnego); węgiel brunatny występuje również na Dolnym Śląsku (m.in. okolice Legnicy, Ścinawy i in. Stosowany jest jako tani materiał opałowy gł. w postaci brykietów (z powodu dużej zawartości siarki — 4%, spalanie węgla brunatnego jest szkodliwe dla środowiska); Węgiel brunatny jest też używany jako podłoże, gł. w ogrodnictwie, a także jako czynnik użyźniający glebę.

WĘGIEL KAMIENNY

Węgle kamienne, jeden z węgli kopalnych, zawiera 78–92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt, zawierający do 97% węgla); czarny, zwarty, kruchy; paląc się daje długi, błyszczący płomień. Większość węgla kamiennego należy do węgli humusowych. Węgiel kamienny ma niejednorodną budowę; składa się z kilku składników (odmian) petrograf. różniących się połyskiem i twardością (witryn — węgiel błyszczący, klaryn — węgiel półbłyszczący, duryn — węgiel matowy i fuzyn — węgiel włóknisty), występujących w postaci pasemek w różnych proporcjach. Największe złoża występują w Federacji Ros. na Ukrainie, w USA, Kanadzie, Niemczech, Chinach, RPA, W. Brytanii, Polsce (Górnośląskie Zagłębie Węglowe, Lubel. Zagłębie Węglowe), Indiach, Australii.
Węgiel kamienny jest ważnym paliwem wykorzystywanym bezpośrednio (spalanie) lub po przeróbce chem. do celów energ., a także surowcem dla przemysłu chemicznego. Procesami technol. stosowanymi do chem. przeróbki węgla kamiennego są: odgazowanie węgla w wysokiej temp. (koksownictwo i gazownictwo), odgazowanie węgla w niskiej temperaturze (wytlewanie), zgazowanie oraz uwodornianie węgla; w wyniku tych procesów otrzymuje się: paliwa stałe, ciekłe i gazowe (np. koks, paliwa silnikowe, gazy opałowe) oraz półprodukty lub surowce dla przemysłu chem. (np. gaz syntezowy, smołę węglową, benzol). W zależności od przydatności węgla kamiennego do celów energ. i technol. opracowano różne klasyfikacje węgla kamiennego. Polska klasyfikacja rozróżnia 10 typów węgla kamiennego.

ROPA NAFTOWA

Ropa naftowa, ciekła, naturalna mieszanina węglowodorów parafinowych (alkany), naftenowych (cykloalkany) i aromatycznych (areny); zawiera także org. związki siarki, tlenu, azotu, związki metaloorg. oraz składniki miner.: związki żelaza, krzemu, wanadu, sodu, niklu i innych metali; ma barwę żółtobrun., zielonkawą lub czarną, b. rzadko bywa bezb. lub czerwonawa; gęstość 0,73–0,99 g/cm3, wartość opałowa 38–48 MJ/kg. Głównym składnikiem lżejszych frakcji ropy naftowej są węglowodory parafinowe, węglowodory aromatyczne występują we wszystkich frakcjach ropy naftowej. Tlen w ropie naftowej występuje w kwasach naftenowych i tłuszczowych, fenolach, żywicach, asfaltach; azot — gł. w aminach cyklicznych i acyklicznych; siarka — w postaci siarkowodoru, sulfidów, disulfidów, tioli, a także jako rozpuszczalna siarka elementarna; zależnie od zawartości siarki ropę naftową dzieli się na: niskosiarkową (o zawartości siarki do 0,5%) i wysokosiarkową (powyżej 0,5%); zawartość siarki w niektórych gatunkach ropy naftowej dochodzi do 6%. Ze względu na typ związków chem. 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, A.D. Ross 1891, H. Moissan, N.A. Kudriawcew P.N. Kropotkin) zakładają, że ropa naftowa powstaje w wyniku reakcji chem. 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. Teorie o nieorg. pochodzeniu ropy naftowej nie znalazły wielu zwolenników. Przeważająca większość badaczy przyjmuje teorie o jej organicznym pochodzeniu (stworzone m.in. przez B. Radziszewskiego, K. Englera i H. Hfera, J.E. Hackforda, D. White'a), w myśl których ropa naftowa powstaje przez przeobrażenie szczątków roślinnych i zwierzęcych nagromadzonych wraz z drobnymi okruchami miner. w osadach mor.; czynnikami powodującymi przejście substancji org. 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 org. 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 geol.; osady i skały zawierające szczątki org. 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, zw. kolektorami; do najważniejszych z nich należą wapienie i dolomity, w których występuje prawie połowa geol. 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 geol. (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 geol. często występuje wiele złóż tworzących rozległe pola naftowe. Złoża ropy naftowej występują w utworach od kambru do trzeciorzędu, gł. w utworach mezozoicznych i trzeciorzędowych.
Ropę naftową i asfalt znano już kilka tys. lat temu, w starożytności ropę wykorzystywano m.in. do balsamowania ciał, oświetlania, w celach leczn. oraz w technice wojennej. W 2 poł. XIX w. nastąpił rozwój górnictwa naft.; 1854 Ignacy Łukasiewicz zbudował pierwszą kopalnię ropy naftowej w Bóbrce k. Krosna, gdzie ropę wydobywano w sztolni.
Za początek współcz. górnictwa naft. przyjmuje się wywiercenie 1859 pierwszego szybu naft. w USA (Pensylwania), w kilka lat później rozpoczęto eksploatację ropy naftowej w Rosji (Baku), Kanadzie i Rumunii, w końcu XIX w. w Indonezji i Iranie. Wydobycie ropy naftowej początkowo niewielkie (kilka tys. t w poł. XIX w.), przed II wojną świat. ponad 300 mln t. Szybki wzrost wydobycia był wynikiem rosnącego zapotrzebowania na ropę, spowodowanego coraz powszechniejszym zastosowaniem silnika spalinowego, jak również odkryciem nowych pól naft. w USA Wenezueli, Meksyku, ZSRR i innych krajach. Do poł. XX w. największymi producentami ropy naftowej były Stany Zjedn. Wenezuela, ZSRR, Meksyk i Rumunia.
Obecnie najbogatszym obszarem roponośnym w świecie jest region Zat. Perskiej; w utworach mezozoicznych platformy arab., szelfie zatoki oraz osadach mezozoicznych i trzeciorzędowych gór Zagros występuje ok. 65% świat. rezerw ropy naftowej. Z państw położonych nad Zat. Perską największe zasoby ma Arabia Saudyjska; b. duże zasoby ropy naftowej posiadają również: Irak , Kuwejt, Zjedn. Emiraty Arabskie i Iran ponadto ropa naftowa występuje w Katarze, Bahrajnie i Omanie. W Afryce ważnymi obszarami roponośnymi są pn. Sahara i wybrzeża Zat. Gwinejskiej; kraje afryk. o największych zasobach ropy to: Libia , Nigeria i Algieria. Do najzasobniejszych regionów roponośnych Ameryki należy strefa Zat. Meksykańskiej i M. Karaibskiego, obejmująca złoża USA na Niz. Zatokowej i w szelfie Zat. Meksykańskiej, Meksyku i Wenezueli, i Kolumbii; inne ważniejsze pola naft. znajdują się w stanach: pn. Alaska, Kansas i Oklahoma w USA oraz w prow. Alberta w Kanadzie; największe rezerwy ropy naftowej w Ameryce posiadają: Wenezuela Meksyk i USA. W Eurazji (bez regionu Zat. Perskiej) b. duże rezerwy ropy naftowej ma Rosja, której szczególnie zasobne złoża występują na Niz. Zachodniosyberyjskiej i w regionie wołżańsko-uralskim, zw. Drugim Baku; znacznymi zasobami ropy dysponują Chiny Indonezja i Indie, a spośród krajów zachodnioeur. — Norwegia i W. Brytania, eksploatujące złoża podmor. na M. Północnym
Polska, podobnie jak większość krajów eur., posiada b. małe zasoby ropy naftowej eksploatowane od poł. XIX w. złoża w Krośnieńsko-Jasielskim Zagłębiu Naftowym zostały prawie wyczerpane; niewielkie złoża występują w utworach trzeciorzędowych zapadliska przedkarpackiego (m.in. Grobla k. Bochni), większe i bardziej wydajne znajdują się w pn.-zach. części kraju, na Pobrzeżu Bałtyckim (Kamień Pomorski), gdzie ropa występuje w skałach wieku permskiego oraz w szelfie M. Bałtyckiego, na pn. od przyl. Rozewie.
Ropa naftowa jest jednym z gł. towarów w handlu świat.; eksport obejmuje prawie połowę wydobywanej ropy (1991 — 1,4 mld t). Największymi dostawcami ropy naftowej są kraje rozwijające się, zrzeszone w Organizacji Krajów Eksportujących Ropę Naftową (OPEC); ok. 80–90% wydobywanej ropy naftowej przeznaczają one na eksport, a wpływy w wywozu tego surowca stanowią w tych krajach do 70–90% wartości eksportu. Około 50% dostarczanej na rynek świat. ropy pochodzi z krajów Bliskiego Wsch., gł. z Arabii Saudyjskiej (ponad 23% świat. eksportu), Iranu, Zjedn. Emiratów Arab., Kuwejtu; do 1990 (wojna nad Zatoką Perską) dużym eksporterem był również Irak. Ważnymi eksporterami ropy naftowej są także Nigeria, Libia, Wenezuela, a z państw nie należących do OPEC — Meksyk, Norwegia, Rosja i W. Brytania. Głównymi odbiorcami ropy naftowej są kraje Europy Zach. (zwł. Francja, Włochy, Holandia, Niemcy i Hiszpania), Japonia i USA, których wydobycie nie pokrywa zapotrzebowania krajowego; dużymi importerami są Singapur i Korea Pd.; ropę naftową importują również wszystkie kraje środk. i wsch. Europy (bez Rosji), większość krajów pd. i wsch. Azji, Afryki oraz Ameryki Środk. i Południowej. Import ropy naftowej przez kraje rozwinięte do pocz. lat 70. charakteryzował się dużą dynamiką wzrostu w związku z niskimi cenami ropy USA oraz intensywnym rozwojem przemysłu refineryjnego i petrochem. w tych krajach.
Większość wydobywanej w świecie ropy naftowej jest przetwarzana w krajach wysoko rozwiniętych, gł. w USA, państwach Europy Zach. i Japonii.
Powszechne wykorzystanie ropy naftowej w gospodarce świat. przyczyniło się do rozwoju transportu rurociągowego i mor., przemysłu stoczniowego. Gęsta sieć rurociągów, dostarczających ropę naftową do rafinerii z ośr. wydobycia bądź portów dowozowych, powstała w USA , Europie Zach., Rosji a także w krajach OPEC. Transport rurociągowy jest intensywnie rozbudowywany zwł. na Bliskim Wsch. Do transportu mor. ropy wykorzystuje się tankowce. Na gł. szlakach transportu ropy naftowej, zwł. u pd. i zach. wybrzeży Europy, często dochodzi do skażenia morza w wyniku katastrof tankowców i wycieków ropy.

GAZ ZIEMNY

Gaz ziemny, mieszanina węglowodorów — najlżejszych homologów metanu — oraz (w zmiennych ilościach) azotu, dwutlenku węgla, siarkowodoru, gazów szlachetnych. Występuje gł. w porowatych piaskach, piaskowcach, wapieniach i dolomitach, niekiedy także w szczelinach skał magmowych. Zazwyczaj towarzyszy złożom ropy naft. lub węgla kam., tworzy także samodzielne złoża. Powstaje w wyniku analogicznych procesów jak ropa naft. lub stanowi jeden z produktów uwęglania substancji roślinnej. Rozróżnia się: gaz ziemny suchy, zawierający najczęściej ok. 95% metanu, 2% etanu, 3% węglowodorów wyższych i innych gazów (siarkowodór, dwutlenek węgla, azot), oraz gaz ziemny mokry, w którym występuje najczęściej ok. 80% metanu, 6,5% etanu, 6% propanu, 4% butanu, 3,5% pentanu oraz węglowodory wyższe; z mokrego gazu ziemnego wyodrębnia się węglowodory w postaci gazu płynnego oraz gazoliny. Gaz ziemny jest cennym surowcem w produkcji sadzy, gazu syntezowego oraz jest stosowany jako paliwo. Wartość opałowa: 35,2 · 106–62,8 · 106 J/m3 (8400–15 000 kcal/m3). W Polsce występuje gł. na Podkarpaciu, w środk. części Niz. Południowowielkopolskiej (k. Ostrowa Wielkopolskiego) i na Pomorzu Zachodnim.

TORF

Torf, skała osadowa barwy brun. lub czarnej; masa org.-miner. powstała z obumarłej roślinności bagiennej (torfowiskowej) w wyniku zachodzących w niej biochem. procesów torfienia, przebiegających w warunkach nadmiernej wilgotności przy słabym dostępie powietrza; proces torfienia jest powolnym, częściowym rozkładem, który powoduje wzbogacenie roślinnej materii org. w węgiel, azot i części niepalne; wzrost stopnia rozkładu torfu, zachodzący z biegiem czasu, przyczynia się do zwiększania w nim zawartości humusu; w skład substancji organicznej torfu wchodzą bituminy, kwasy huminowe i ich sole, hemiceluloza, celuloza, lignina i in.; masa organiczna torfu zawiera ok. 60% węgla; w związkach mineralnych torfu, których ilość nie przekracza 50%, występuje gł. krzemionka, wapń, żelazo, potas, fosfor i mikroelementy; zawartość wody w złożu torfowym (torfowisko) nie odwodnionym wynosi 84–96%; w zależności od dominującego gat. szczątków roślin występujących w torfie ustala się jego nazwę, np. torf turzycowy, trzcinowy, mszysty, drzewny, torfowcowy; torf może wchłonąć wielką ilość wody. Torf jest użytkowany jako gleba (torfowe gleby) i jako kopalina; wydobyty ze złoża, jako kopalina, jest stosowany w rolnictwie, przemyśle i medycynie (borowina); w rolnictwie np. do produkcji nawozów org. (torfowe nawozy), ściółki torfowej, używanej także w ogrodnictwie, do wyrobu doniczek torfowo-ziemnych i in.; użytkowanie przemysłowe torfu obejmuje m.in. produkcję półkoksu torfowego, wosku torfowego i torfu opałowego.


KOKS

Koks, substancja stała, porowata, składająca się gł. z pierwiastka węgla, zawierająca ponadto składniki miner. (do 12% popiołu), wodę (5–10%), siarkę (do 1%), ślady fosforu oraz niewielkie ilości składników gazowych. Koks otrzymuje się w wyniku odgazowania gł. węgla kam. oraz gudronu i paku. W zależności od użytego węgla i warunków odgazowania otrzymuje się różne gatunki koksu. Do najważniejszych należy koks otrzymywany z najlepszych gat. węgla koksowego, tzw. koks hutniczy (metalurgiczny), stosowany gł. do redukcji tlenków zawartych w rudach (najczęściej do przeróbki surówki wielkopiecowej), jak również jako paliwo w procesie wielkopiecowym; koks ten ma dużą wartość opałową (ok. 29 MJ/kg, tj. 7000 kcal/kg), dużą wytrzymałość mechaniczną. Koks opałowy, wytwarzany z gorszych gat. węgla niż koks hutniczy, jest używany gł. jako paliwo do pieców centr. ogrzewania. Koks generatorowy, wytwarzany z węgla kam. lub brun., stosowany do produkcji gazu generatorowego, odznacza się dużą wytrzymałością na ścieranie. Koks karbidowy, odznaczający się małą zawartością popiołu, jest stosowany jako surowiec do produkcji karbidu w piecach elektrycznych. Koks używa się ponadto w przemyśle chem. do wypalania wapna, cementu itp. W Polsce produkuje się tzw. koks formowany, otrzymywany w wyniku zmieszania miału węgla niekoksowego i półkoksu z dodatkiem lepiszcza (frakcje destylacji prasmoły i smoły); z otrzymanej masy sporządza się brykiety, które następnie utwardza się, działając na nie mieszaniną powietrza i gazów spalinowych w temp. 200–300C; koks formowany jest stosowany jako paliwo w odlewnictwie oraz do pieców centr. ogrzewania. Do koksu zalicza się też koks pakowy, otrzymywany z paku węglowego pochodzącego z przerobu smoły węglowej, oraz koks naftowy — produkt odgazowania gudronu.

SMOŁA WĘGLOWA

Smoła węglowa, ciemnobrun. lub czarna, mazista ciecz o charakterystycznym zapachu, otrzymywana w procesach przeróbki węgla kamiennego. Skład chemiczny smoły węglowej zależy od sposobu przeróbki; w procesie wytlewania otrzymuje się tzw. smołę niskotemperaturową (smoła wytlewna), w procesach koksowniczych i gazowniczych powstaje tzw. smoła wysokotemperaturowa, o większej niż w smole niskotemperaturowej zawartości węglowodorów aromatycznych i heterocyklicznych oraz ich pochodnych; do najważniejszych składników smoły wysokotemperaturowej należą: naftalen, antracen, benzen, fenole, zasady pirydynowe; przeróbka smoły wysokotemperaturowej polega na jej destylacji, w wyniku której otrzymuje się gł. oleje: karbolowy i naftalenowy oraz pak; z produktów przeróbki smoły węglowej wyodrębnia się wiele cennych surowców do produkcji m.in. barwników, tworzyw sztucznych, środków ochrony roślin lub też stosuje się je do otrzymywania olejów smołowych, smół preparowanych oraz lepiku.