Węgiel kamienny - rodzaje, złoża, przetwarzanie i zastosowanie

Węgiel, carboneum, C, pierwiastek chemiczny należący do grupy IV A w układzie okresowym. Liczba atomowa 6, masa atomowa 12,0. Znanych jest 12 izotopów węgla, w tym 2 trwałe.

W przyrodzie występuje w stanie wolnym, ponadto w licznych związkach chemicznych w organizmach roślinnych i zwierzęcych, węglach kopalnych, ropie naftowej, gazie ziemnym, minerałach, atmosferze.

Węgiel kamienny, jeden z węgli kopalnych. Jego skała zawiera 78-92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt zawierający do 97% węgla) 2,5 - 5,5% z wodoru, 2,5 - 18% z tlenu, z Siarki, azotu i innych składników mineralnych w mniejszej ilości, oraz z wody (1 - 8%). Jest barwy czarnej, 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 (powstały w takich epokach jak karbon, perm) i mezozoicznych.

Jego wartość opałowa wacha się od 16,7 do 29,3 MJ/kg.

Typy węgla kamiennego

Węgiel kamienny jest najcenniejszym surowcem energetyczno - chemicznym pochodzenia naturalnego. Powstał z martwych szczątków roślin w wyniku złożonych przemian biochemicznych, geofizycznych i geochemicznych w okresie karbonu, permu i trzeciorzędu. Rozróżnia się cztery rodzaje skał węglowych (makrolitypy): węgiel błyszczący, w. półbłyszczący, w. matowy i w. włóknisty.

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.

Złoża węgla kamiennego

Zasoby węgla kamiennego ocenia się na 330 * 1010 t, co stanowi ok. 80% dostępnych zasobów paliw kopalnych.

Największe pokłady węgla kamiennego występują w:
- 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.

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). Polskie zasoby węgla ocenia się na ok. 100 mld t, jego obecne wydobycie wynosi 100 - 120 mln ton rocznie, co stanowi drugie miejsce w Europie. Węgiel kamienny występuje w postaci warstw (pokładów) zalegających na głębokości od kilkunastu do kilku tysięcy metrów.

Wydobywanie

Przy poszukiwaniu tych surowców stosuje się trzy metody: grawimetryczną i magnetyczną, polegające na mierzeniu różnic siły grawitacji oraz magnetyzmu ziemskiego, oraz metodę sejsmiczną, polegającą na wywoływaniu fal sejsmicznych poprzez detonacje małych ładunków wybuchowych i ich analizie. Wykryte anomalie pozwalają na określenie prawdopodobnego obszaru występowania surowca. Po zlokalizowaniu złoża buduje się szyby lub platformy wiertnicze

Węgiel kamienny, jako surowiec stały, nie wydostaje się samoczynnie na powierzchnię ziemi. Metoda wydobycia węgla zależy od głębokości zalegania jego pokładów. Wyróżnia się dwa podstawowe typy kopalni: podziemne i odkrywkowe. Kopalnie podziemne - jest to system tuneli przecinających złoże. Najgłębsze kopalnie znajdują się w RPA (3500 m głębokości). Metoda odkrywkowa polega na stopniowym odkrywaniu wierzchnich warstw pokrywających pokład węgla i stosowana jest w przypadku zalegania węgla na niewielkiej głębokości. Kopalnie odkrywkowe stanowią duże zagrożenie dla środowiska, ze względu na nieodwracalne zmiany terenu, jakie powoduje ta metoda wydobycia.

Przetwarzanie

Jedną z głównych metod przetwarzania węgla jest jego pirogenizacja - prażenie wydobytego węgla bez dostępu powietrza. W procesie tym z węgla uchodzą szkodliwe metale, lekkie oleje, związki amoniaku i woda. Powstały koks jest wspaniałym materiałem energetycznym. Wykorzystuje się także produkty uboczne pirogenizacji - smołę węglową i gaz koksowniczy.

Zastosowanie

Węgiel stosowany jest przede wszystkim jako opał. Stanowi także surowiec wykorzystywany w procesach chemicznych: wytlewania, uwodorniania i zgazowania węgla, w wyniku których otrzymuje się różnego rodzaju paliwa oraz produkty dla innych dziedzin przemysłu chemicznego (m.in. koks, gazy opałowe, paliwa silnikowe, benzol, smołę węglową i inne).

Węgiel kamienny wykorzystuje się głównie jako surowiec energetyczny w elektrowniach węglowych, elektrociepłowniach i systemach ogrzewania. Duże ilości węgla są zużywane w przemyśle do opalania pieców hutniczych. Do niedawna stanowił on podstawowy surowiec energetyczny, w chwili obecnej jego znacznie maleje na rzecz gazu ziemnego i energii jądrowej.