Węgle

Węgle kopalne, skały osadowe powstałe w wyniku nagromadzenia i przeobrażenia materii roślinnej. Stanowią mieszaninę różnorodnych związków organicznych, w których skład wchodzą głównie: węgiel, wodór, tlen, siarka i azot, a także substancje mineralne (np. krzemiany, siarczki i inne) oraz pierwiastki rzadkie (m.in. arsen, uran, gal, german). W zależności od zawartości pierwiastka węgla wyróżnia się następujące gatunki węgli kopalnych, tworzących tzw. szereg węglowy: torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny, antracyt i szungit.
Torf, skała osadowa należąca do grupy skał organogenicznych. Stanowi produkt procesu torfienia polegającego na biochemicznych i strukturalnych przemianach obumarłych szczątków roślinności bagiennej (torfowiskowej), zachodzących w warunkach silnego uwilgotnienia i trwałej anaerobiozy (braku dostępu tlenu). W skład torfu wchodzą substancje organiczne (kwasy huminowe i ich związki, celuloza, hemiceluloza, lignina, bituminy) zawierające duże ilości węgla (ok. 60%) i azotu, a także substancje mineralne (krzemionka, żelazo, fosfor, wapń i in.). Wyróżnia się 2 podstawowe typy torfu: wysokie i niskie. W zależności od składu botanicznego masy torfowej w obrębie tych typów wydziela się inne rodzaje torfów, np. wśród torfów wysokich wyróżnia się: 1) torf mszarny wysoki - zbudowany z łodyg mchów torfowców, wełnianki i pędów wrzosowych, o barwie jasnobrunatnej lub żółtawej, 2) torf wrzosowiskowy - zbudowany głównie z pędów wrzosowych i wełnianki, o barwie ciemnobrunatnej, 3) torf bagnowy - zbudowany z mchów torfowców, z dużym udziałem kory i szyszek sosny, o barwie brunatnej.
Natomiast wśród torfów niskich wyróżnia się: 1) torf mechowiskowy - złożony głównie ze zbitej masy mchów torfowców, o barwie szarej, 2) torf turzycowiskowy - złożony z korzonków turzyc i często spotykanych kłączy trzcin, o barwie szarobrunatnej ciemniejącej na powietrzu, 3) torf olesowy - złożony z dużych kawałków kory i drewna olch i brzóz, o barwie od czerwonawej do ciemnobrązowej, 4) torf szuwarowy - złożony głównie z kłączy i łodyg trzcin, a także kłączy skrzypów i korzonków turzyc, o barwie od brunatnobrązowej do smolistoczarnej.
Torf posiada duże możliwości zatrzymywania wody. Pojemność wodna torfów wysokich wynosi 900-2500%, natomiast torfów niskich 300-700%. W Polsce torf jest szeroko rozpowszechniony, przy czym jego występowanie jest ściśle związane z torfowiskami. Największe złoża znajdują się na Pojezierzu Mazurskim i Pomorskim, Polesiu, Pobrzeżu Bałtyku i Orawie. Torf znajduje zastosowanie w medycynie (kąpiele borowinowe, preparaty torfowe, np. S. Tołpy), w rolnictwie i ogrodnictwie (produkcja nawozów torfowych i ziemi ogrodniczej oraz produkcja doniczek). Służy również jako opał w postaci torfu opałowego lub półkoksu torfowego.
Węgiel brunatny zawiera 65-78% pierwiastka węgla. Barwa jasnobrunatna, brązowa do czarnej. Rozróżnia się kilka odmian węgla brunatnego:
1) węgle twarde (subbitumiczne), charakteryzujące się dużą zwięzłością i kalorycznością (4165-5700 kcal/kg), wśród nich wyróżnia się węgle błyszczące (podobne do węgli kamiennych) oraz matowe, 2) węgle miękkie - mniej zwięzłe, po wysuszeniu łatwo rozsypujące się na małe kawałki, o niższej kaloryczności (poniżej 4165 kcal/kg), obejmujące węgle ziemiste i łupkowe, 3) węgle ksylitowe (węgle lignitowe, lignity),odznaczające się wyraźnie zachowaną strukturą drewna.
Ze względu na zastosowanie rozróżnia się także kilka typów technologicznych węgla brunatnego: a) węgiel energetyczny - wykorzystywany w elektrowniach cieplnych, o wartości opałowej powyżej 1500 kcal/kg i zawartości popiołu poniżej 40%, b) węgiel brykietowy, używany do produkcji brykietów, o wartości opałowej ponad 2000 kcal/kg i zawartości popiołu poniżej 15%, c) węgiel wytlewny, stosowany do produkcji prasmoły i paliw płynnych, zawierający w stanie suchym poniżej 20% popiołu, d) węgiel ekstrakcyjny, służący do otrzymywania wosku ekstrakcyjnego i bituminów, o zawartości w stanie suchym ponad 12% bituminów.
Węgiel brunatny jest szeroko rozpowszechniony na świecie. Występuje przede wszystkim w utworach trzeciorzędowych, niekiedy też w utworach kredy, jury i triasu, a także sporadycznie karbonu. Światowe złoża szacuje się na 524 mld t (1994), największe z nich występują na obszarach: Niemiec (Nadreńskie Zagłębie Węgla Brunatnego, Saskie Zagłębie Węglowe, Łużyckie Zagłębie Węglowe), Rosji (Zagłębie Kańsko-Aczyńskie, Podmoskiewskie Zagłębie Węglowe), Rumunii, Czech (Północnoczeskie Zagłębie Węglowe), USA, Kanady, Australii i Indii. W Polsce najbardziej zasobne złoża węgla brunatnego występują w utworach trzeciorzędowych (miocen) w rejonie Turoszowa (Turoszowskie Zagłębie Węgla Brunatnego), Bełchatowa (Bełchatowskie Zagłębie Węgla Brunatnego) i Konina (Konińskie Zagłębie Węgla Brunatnego), ponadto na Dolnym Śląsku (okolice Legnicy). Węgiel brunatny stosowany jest głównie jako opał (ze względu na dużą zawartość siarki - 3-4%, i wysoką popielność, do 40%, jego spalanie ma ujemny wpływ na środowisko). Stanowi także surowiec do chemicznych procesów wytlewania, uwodorniania i zgazowania węgla, stosowany także w ogrodnictwie (jako podłoże).
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.
Antracyt, twarda odmiana węgla kamiennego, o bardzo małej zawartości części lotnych i dużym cieple spalania. Antracyt zawiera ponad 92% pierwiastka węgla. Jest czarny, często z szarawym odcieniem, ma silny połysk, prawie metaliczny. Dobry przewodnik elektryczności. Nie ulega spiekaniu, nie wykazuje własności koksujących. Stosowany jako wysokogatunkowe paliwo specjalne oraz do wyrobu elektrod. Złoża antracytu znajdują się głównie na Ukrainie, w Federacji Rosyjskiej, USA, w Chinach, Wielkiej Brytanii, w Czechach. W Polsce w niewielkich ilościach występuje w Dolnośląskim Zagłębiu Węglowym.
Szungit, rodzaj bezpostaciowego węgla kopalnego o najwyższej zawartości pierwiastka węgla (do 98% masy). Pośredni między antracytem a grafitem. Zabarwienie czarne. Intensywnie błyszczący. Występuje w proterozoicznych osadach w okolicy miejscowości Szunga w północno-zachodniej Rosji (stąd nazwa), znany jest także z obszarów: Szwecji, Kanady i Indii. Stosowany w przemyśle chemicznym.
Złoża węgli kopalnych powstały w różnych epokach geologicznych, głównie w paleozoiku (karbon, perm) oraz trzeciorzędzie. Składnikiem tworzącym złoża była materia organiczna pochodząca z roślin. W karbonie były to głównie: olbrzymie widłaki (lepidodendrony, sygilarie), skrzypy (kalamity), ponadto paprocie nasienne i nagozalążkowe (kordaity), w permie - rośliny nagozalążkowe (miłorzębowe, benetyty, iglaste), w trzeciorzędzie - rośliny okrytozalążkowe. W zależności od rodzaju pierwotnej materii roślinnej wyróżnia się trzy podstawowe grupy węgli kopalnych: 1) węgle humusowe (humolity) - powstałe na torfowiskach ze szczątków flory lądowej, najbardziej w przyrodzie rozpowszechnione i najważniejsze pod względem gospodarczym, 2) węgle sapropelowe (sapropelity) - powstałe ze szczątków flory wodnej (głównie glonów), występujące zwykle jako przewarstwienia i soczewki wśród węgli humusowych, 3) węgle liptobiolitowe (liptobiolity) - powstałe przez akumulację żywiczno-woskowych składników roślin.
Przy powstawaniu węgli kopalnych wydziela się dwie fazy: biochemiczną - polegającą na rozkładzie substancji roślinnej w procesach hydrolizy i utleniania, przy udziale organizmów żywych (bakterie, grzyby), dzięki której dochodzi do wzbogacenia się materiału roślinnego w pierwiastek węgiel, oraz geochemiczną - kiedy na przeobrażoną materię przykrytą skałami osadowymi zaczynają oddziaływać wysokie ciśnienie i temperatura oraz rozpoczynają się procesy prowadzące do usunięcia składników lotnych (gazów) i koncentracji pierwiastka węgla.
Opisany proces uwęglania, odbywający się z różną intensywnością i w odmiennych warunkach geologicznych, doprowadza do powstawania różnych rodzajów węgli kopalnych. Obecnie węgle kopalne stanowią ważne źródło energii oraz surowca dla przemysłu chemicznego.
Pirogenizacja węgla (sucha destylacja) polega na termicznym rozkładzie węgla. W skutek ogrzewania węgla kopalnego powstaje:
1.Gaz świetlny - inaczej gaz koksowniczy; mieszanina H (60%) , CO, N, NH3, H2S - stosowany do otrzymywania amoniaku i niekiedy jako opał w elektrociepłowniach i hutnictwie.
2.Woda pogazowa - to także mieszanina H2O, NH3 oraz soli amonowych (głównie węglany)i innych zw. organicznych.
3.Koks - zawiera ok. 90% pierwiastka węgla - więcej niż węgiel kopalny i dlatego stosuje się go w hutnictwie i jako opał. Jest bardziej ekologiczny, gdyż zawiera znacznie mniej siarki niż węgiel kamienny.
4.Smoła pogazowa – czarna, mazista ciecz i mieszanina zw. organicznych.
Dwie główne teorie, tłumaczące pochodzenie złóż ropy naftowej powstały już w XIX wieku, wkrótce po jej odkryciu przez Łukasiewicza. Zdaniem zdecydowanej większości geologów ropa naftowa powstała jako produkt rozkładu mikroorganizmów, glonów i wymarłych zwierząt wodnych, które żyły na Ziemi w dawnych okresach geologicznych, miliony lat temu. Teorię tę sformułowali uczeni niemieccy: Engler i Hoefer i w roku 1877 polski uczony Bronisław Radziszewski.
Zupełnie inne przypuszczenie wysunął w wieku XIX rosyjski chemik Mendelejew, twórca układu okresowego pierwiastków. Mendelejew uważał, że powstała ona w reakcjach chemicznych węglików metali, wchodzących w skład jądra Ziemi z wodą. Reakcje te prowadziły rzekomo do powstania węglowodorów.
Współcześnie powszechnie przyjęta jest teoria Englera, Hoefera i Radziszewskiego, wywodząca pochodzenie ropy naftowej z dawnych morskich organizmów żywych.
Ropa naftowa jest mieszaniną węglowodorów, w skład której głównie wchodzą parafiny (alkany), cykloparafiny (cykloalkany), olefiny (alkeny) i węglowodory aromatyczne. Pozostałość, do około 20% stanowią związki organiczne zawierające tlen, azot lub siarkę, a także sole nieorganiczne i woda. Przeróbka zasiarczonej ropy jest bardzo uciążliwa z powodu korozji aparatury. Ropa naftowa ma zmienny skład chemiczny. Zależy on od miejsca jej występowania. Ze względu na rodzaj ropy naftowej (tak zwane wskaźniki strukturalne i technologiczne, zależne od jej składu chemicznego) upowszechnił się jej podział na siedem klas i dwanaście grup, zaproponowany w Rumunii. Skład ropy naftowej jest zmienny i zależy od miejsca wydobycia. Głównymi zanieczyszczeniami są nieorganiczne sole i woda. Ropa naftowa jest przerabiana metodami: destylacji frakcyjnej (destylacja), rafinacji, ekstrakcji selektywnymi rozpuszczalnikami (np. glikolem dietylowym), krystalizacji i in. Surowa ropa naftowa nie ma obecnie praktycznego zastosowania. Aby otrzymać z niej wartościowe produkty, które mają przemysłowe zastosowanie, rozdziela się ją na poszczególne frakcje przy zastosowaniu metod fizycznych. Po usunięciu zanieczyszczeń mechanicznych procesy rozdziału pozwalają usunąć wodę i rozpuszczone w niej sole, a także organiczne związki siarki, pewne związki azotu i metale ciężkie. Sole zanieczyszczające ropę, to głównie chlorek sodu, NaCl i chlorek potasu, KCl a także chlorek magnezu, MgCl2. Rodzaj soli obecnych w ropie zależy od jej pochodzenia. Aby przeprowadzić odsalanie dodaje się do ropy deemulgator i podgrzewa wstępnie, co powoduje częściowe rozdzielenie emulsji ropnej na część organiczną i roztwór soli. Całkowite rozdzielenie obu faz następuje w elektrodehydratorze w podwyższonej temperaturze i pod ciśnieniem. Elektrodehydrator zaopatrzony jest w elektrody. Pod wpływem wysokiego napięcia elektrycznego emulsja ropna rozdzielona zostaje na roztwór soli i odsoloną ropę, odprowadzaną w górnej części zbiornika.
Najważniejszą za stosowanych metod oczyszczania jest destylacja frakcyjna (frakcjonowana), w której wykorzystuje się różnice temperatur wrzenia poszczególnych składników. Pozwala ona rozdzielić ropę na frakcje, czyli grupy związków organicznych mających zbliżone własności. W procesie tym wykorzystuje się różnice w temperaturach wrzenia poszczególnych węglowodorów i innych związków organicznych. Po wstępnym oczyszczeniu, odwodnieniu i odsoleniu ropa ogrzewana jest w wymiennikach ciepła i następnie ulega rozdziałowi na frakcje w kolumnie destylacyjnej (wieży) pod ciśnieniem atmosferycznym. Produktami destylacji są: gaz rafineryjny, benzyna lekka i ciężka, nafta, oleje napędowe, smary, mazut i asfalt. Każdy z produktów destylacji można rozdzielić dalej.
Surowa ropa naftowa wydobywana ze złoża jest cieczą barwy zwykle ciemnobrunatnej o ostrym zapachu, nierozpuszczalną w wodzie. Ropa naftowa ma gęstość większą od 0,79 g/cm3, zwykle mniejszą od gęstości wody. Jest ona cieczą palną. W zależności od pochodzenia jej barwa i inne własności mogą się zmieniać. Rozróżnia się cztery klasy ropy - A, B, C i D o różnych własnościach.
Z ropy naftowej otrzymuje się: eter naftowy, ligroinę, benzynę, naftę, oleje mineralne, mazut oraz surowce dla przemysłu chemicznego, np. benzen, toluen, ksyleny (hydrokraking, kraking, reforming katalityczny).
Szacuje się, że największe zasoby ropy naftowej występują w basenie Zatoki Perskiej - ok. 67% wszystkich rezerw, głównie w prowincji Al-Hasa w Arabii Saudyjskiej, w prowincji Chuzestan w Iranie, w okolicach Mna'al-Ahmad w Kuwejcie, w rejonie Kirkuk w Iraku oraz w rejonie Abu Zab w Zjednoczonych Emiratach Arabskich.
Gaz ziemny, powstały w wyniku rozkładu szczątków organizmów żywych, gromadzi się głęboko pod ziemią. Wypełnia on drobne szczeliny materiałów porowatych (piaski i wapienie) wywierając na skały bardzo duże ciśnienie. Towarzyszy zwykle złożom ropy naftowej, ale występuje również w złożach niezależnych. Jest mieszaniną lekkich węglowodorów(głównie metanu - powyżej 75% i etanu), zawiera jako domieszki: azot, helowce, tlen, dwutlenek węgla, siarkowodór, dwusiarczek węgla. Wartość opałowa to 35000-63000 kJ/m3.Gaz ziemny jest stosowany do celów grzewczych, jako paliwo w silnikach i kuchenkach gazowych. Jest bardzo ważnym surowcem w przemyśle chemicznym.

Alternatywne źródła energii
Energia elektryczna odgrywająca najważniejszą rolę w przemyśle i gospodarce wytwarzana jest głównie w elektrowniach cieplnych, wodnych, jądrowych i wiatrowych. Elektrownie cieplne wytwarzają ponad 60% światowej produkcji energii elektrycznej. W odróżnieniu od elektrowni cieplnych elektrownie wodne nie zanieczyszczają środowiska naturalnego, więc np. je uważamy za alternatywne źródła energii. Elektrownie wodne wymagają odpowiedniego ukształtowania terenu i znacznego potencjału wód, a także poniesienie dużych kosztów związanych z budową zapór wodnych. Jednak elektrownie wodne są znacznie tańsze niż cieplne i pod względem ekologicznych są lepsze od cieplnych oraz mogą pracować w różnych porach roku. Elektrownie wodne dostarczają 21% ogółu energii elektrycznej na świecie.
Wyczerpanie złóż surowców energetycznych oraz kryzysy naftowe spowodowały, że świat poszukuje alternatywnych źródeł energii. Rosnące koszty produkcji energii oraz ryzyko wyczerpania się zasobów energetycznych są motorem poszukiwań alternatywnych źródeł energii. W pierwszej kolejności zwrócono się ku najstarszym, znanym od wieków rozwiązaniom. Należy do niej wykorzystanie siły wiatru i Słońca.
Elektrownie wiatrowe mają moc około 200 kW. Zaletą tego typu elektrowni jest to, że jest ona przyjazna dla środowiska.
W niewielkim stopniu jest wykorzystywana energia słoneczna. Możliwości jej wykorzystania stanowią przeszkody technologiczne. Baterie słoneczne o mocy 1000 MW musiałyby mieć powierzchnię 104 m2. Należy przy tym pamiętać, że najwięcej dni słonecznych w roku mają obszary położone w niskich szerokościach geograficznych. Z wyżej wymienionych powodów baterie słoneczne są popularne tylko w gospodarstwach domowych i w małych gospodarstwach rolnych. Umieszczone na dachach budynków podgrzewają wodę lub są wykorzystywane do suszenia ziarna lub pasz.
W gospodarstwach domowych lub rolniczych od lat wykorzystuje się zasoby geotermiczne, czyli energię gorących źródeł i gejzerów. Wody termalne na głębokości 250-600m mogą osiągnąć temperaturę rzędu 3000 C.
Do nowatorskich, ale zyskujących sobie coraz większą popularność pomysłów należy zaliczyć wykorzystanie do produkcji energii odpadów komunalnych, przemysłowych i organicznych. Te ostatnie wykorzystuje się do produkcji oleju opałowego, bądź też doi produkcji tzw. "biogazu".
Do przyszłości należy projekt wykorzystujący różnicę temperatury wody morskiej. W strefach klimatu gorącego temperatura wody przy powierzchni może wynosić ponad 300 C, podczas gdy na dużych głębokościach spada do 3-40 C. Stworzenie zamkniętego obiegu wody pomiędzy warstwami o różnej temperaturze pozwoliłoby uzyskać parę wodną napędzającą generatory. Również w fazie eksperymentu jest projekt wykorzystania wody morskiej jako surowca do produkcji wodoru- paliwa w reakcji fuzji wodorowej. Jak widać w dziedzinie energetyki jest jeszcze dużo do zrobienia.