Węgle kopalne
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.
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.
Rodzaje węgla kopalnego
Węgle kopalne powstały w dawnych epokach geologicznych na skutek przeobrażenia materii roślinnej. Zbudowane są z podstawowym elementów, zwanych macerałami, które maja jednakowe cechy fizyczne, chemiczne i morfologiczne.
W zależności od rodzaju materii roślinnej, można wyróżnić następujące rodzaje węgli kopalnych: humolity (węgle humusowe) najważniejsze gospodarczo i najbardziej rozpowszechnione, które powstały ze szczątków roślin lądowych, liptobiolity (węgle liptobiolitowe) będące nagromadzeniem żywiczno-woskowych składników roślin, sapropelity (węgle sapropelowe) powstałe z roślin wodnych, zwłaszcza glonów i są przeważnie cienkimi albo soczewkami w obrębie humolitów. Powstawanie węgli kopalnych można podzielić na dwa etapy: fazę biochemiczną - rozkład materii roślinnej przy udziale drobnoustrojów i wzbogacenie jej w pierwiastek węgiel i fazę geochemiczną -
w przeobrażonym materiale roślinnym, przykrytym skałami osadowymi (iłem, piaskiem) zachodzą reakcje chemiczne powodujące usunięcie składników lotnych i zachodzi koncentracja węgla.
Ze względu na zawartość pierwiastka węgla, węgle kopalne można podzielić na: węgiel kamienny, węgiel brunatny, szungit, antracyt i torf. Największą ilość pierwiastkowego węgla zawiera szungit (nawet do 98%). Jest to czarny, odporny na działanie czynników chemicznych rodzaj węgla kopalnego. Występuje on w Rosji, Kanadzie oraz Szwecji
i stosowany jest w budownictwie i przemyśle chemicznym. Nieco mniejszą ilość pierwiastka węgla zawiera antracyt (ok. 96%). Antracyt jest czarny i ma bardzo silny połysk półmetaliczny Jest dobrym przewodnikiem elektryczności. Stosowany jest jako paliwo (daje bardzo mało popiołu i wytwarza duże ilości ciepła) i do produkcji elektrod. Występuje na Ukrainie, w USA, Czechach i Chinach. Kolejnym rodzajem węgla kopalnego jest węgiel kamienny (zawartość węgla wynosi 78-92%). Węgiel kamienny nie jest jednorodny
i zbudowany jest z kilku odmian petrograficznych, które różnią się połyskiem oraz twardością. Odmianami tymi są: witryn - węgiel błyszczący, klaryn - węgiel półbłyszczący, duryn - węgiel matowy oraz fuzyn - węgiel włóknisty. Węgiel kamienny jest bardzo ważnym paliwem energetycznym i surowcem chemicznym Najczęściej wykorzystywana klasyfikacja, która uwzględnia właściwości technologiczne węgla kamiennego (zawartość części lotnych, spiekalność - zdolność węgla do przechodzenia w czasie ogrzewania w formę plastyczną
i tworzenia koksu, ciepło spalania i ciśnienie rozprężania), wyróżnia dziesięć rodzajów węgla kamiennego:
węgiel płomienny -ma dużą zawartość części lotnych, brak lub słabą zdolność spiekania oraz silnie świecący i długi płomień. Wykorzystywany jest do budowy pieców domowych, przemysłowych i generatorów.
węgiel gazowo-płomienny - cechuje się dużą zawartością części lotnych i średnią zdolnością spiekania. Znalazł zastosowanie przy budowie pieców domowych
i przemysłowych oraz uwodornianiu i wytlewaniu (niskotemperaturowe odgazowanie stałych paliw).
węgiel gazowy - duża wydajność smoły i gazu. Używany jest w wytlewaniu, gazownictwie i koksownictwie. Posiada znaczną spiekalność.
węgiel gazowo-koksowy - duża wydajność smoły i gazu. Ma dobrą spiekalność, średnie ciśnienie rozprężania i stosuje się go w koksownictwie i gazownictwie.
węgiel ortokoksowy - ma średnia zawartość części lotnych, dobrą spiekalność, duże ciśnienie rozprężania. Wykorzystywany jest w procesie produkcji koksu metalurgicznego.
węgiel metakoksowy - stosowany jest w produkcji koksu odlewniczego. Posiada duże ciśnienie rozprężania i dobrą spiekalność.
węgiel semikoksowy - wykorzystywany jest jako dodatek schładzający wsad węglowy. Ma on mała zawartość części lotnych, średnie ciśnienie rozprężania i słabą spiekalność.
węgiel chudy - brak lub bardzo słaba spiekalność, niewielka zawartość części lotnych
i krótki płomień. Znalazł zastosowanie w budowie pieców domowych, przemysłowych i generatorów.
węgiel antracytowy - ma małą zawartość części lotnych i nie posiada zdolności spiekania.
antracyt - bardzo niewielka ilość części lotnych i nie posiada zdolności spiekania. Stosowany jest podobnie jak węgiel antracytowy jako paliwo specjalne.
Kolejnym rodzajem węgla kopalnego jest węgiel brunatny, który posiada 65-78% pierwiastka węgla. Wyróżnia się kilka odmian węgla brunatnego: węgle ksylitowe (zwane też lignitami lub węglami lignitowymi), które posiadają wyraźnie zachowana strukturę drewna, węgle twarde (subbitumiczne), które posiadają dużą zwięzłość i kaloryczność, a także węgle miękkie, które łatwo rozsypują się po wysuszeniu, mają mniejszą kaloryczność i zaliczane są do nich węgle łupkowe oraz ziemiste. Spalanie węgla brunatnego jest szkodliwe dla środowiska, ponieważ zawiera on znaczne ilości siarki. Węgiel brunatny wykorzystywany jest jako tani materiał opałowy, surowiec chemiczny, w ogrodnictwie (jako podłoże oraz środek użyźniający glebę).
Najmniejsze ilości węgla pierwiastkowego zawiera torf (ok.60%). Jest to czarna albo brunatna skała osadowa, powstała z obumarłych roślin bagiennych. Torf znalazł zastosowanie w przemyśle, medycynie (jako borowina), ogrodnictwie (wyrób doniczek torfowo-ziemnych) i rolnictwie (w produkcji nawozu organicznego, ściółki torfowej).
Wysokotemperaturowy rozkład węgla, który zachodzi bez dostępu powietrza zwany jest pirolizą (pirogenizacją, suchą destylacją węgla). Produktami tego rozkładu są: koks, smoła pogazowa, woda pogazowa, gaz świetlny. Koks jest to stała, porowata substancja, która zawiera około 90% czystego węgla oraz wodę siarkę, małe ilości fosforu, składniki mineralne (popiół) i gazowe. W zależności od warunków otrzymywania i wyjściowego węgla otrzymuje się różne rodzaje koksu. Koks jest wykorzystywany jako materiał opałowy, a jego spalanie jest mniej szkodliwe dla środowiska niż spalanie węgla kamiennego, ponieważ koks zawiera mniejsze ilości siarki. W skład wody pogazowej wchodzi amoniak i sole amonu (przede wszystkim węglan amonu oraz związki organiczne). Smoła pogazowa jest czarną mazistą cieczą o charakterystycznym intensywnym zapachu. Stanowi ona mieszaninę wielu różnych związków organicznych. Gazowy produkt rozkładu węgla kamiennego to gaz świetlny (koksowniczy). W skład tego gazu wchodzi: wodór, azot, tlenek węgla, i związki organiczne. Jest on palny i wykorzystuje się go w elektrociepłowniach (jako opał), hutnictwie i procesach otrzymywania amoniaku.
Pirogenizacja
Pirogenizację inaczej nazywa się pirolizą lub suchą destylacją węgla. Jest to proces, polegający na ogrzewaniu węgla kopalnego do temperatury 1000oC bez dostępu powietrza,
w wyniku którego węgiel ten rozkłada się na:
- koks,
- smołę pogazową,
- wodę pogazową i gaz świetlny.
W przemyśle proces ten odbywa się w zakładach koksowniczych przy użyciu węgla kamiennego.
Koks zawiera około 90% czystego węgla, z niewielką domieszką siarki i innych substancji. Zastosowanie znajduje w hutnictwie i w ocieplaniu mieszkań - jako opał. Koks zawiera mniej siarki niż węgiel kamienny, dlatego stosowanie go jest bardziej ekologiczne.
Woda pogazowa jest cieczą, zawiera wodę, amoniak - NH3 i sole amonu (głównie węglan amonu - (NH4)2CO3, ale także związki organiczne). Jest produktem do otrzymywania amoniaku i siarczanu (VI) amonu - (NH4)2SO4.
Smoła pogazowa nazywana jest inaczej smołą węglową. Ta czarna, mazista ciecz ma intensywny zapach. Powstaje na skutek mieszania wielu związków organicznych: węglowodorów aromatycznych, fenoli, zasad pirydynowych i chinolinowych. Wykorzystuje się ją do otrzymywania paku oraz wielu związków organicznych (np. benzenu, toluenu, fenolu, acenaftenu).
Gaz świetlny, nazywany również gazem koksowniczym, jest palnym gazem, którego główne składniki to: wodór (60%), tlenek węgla (II), azot, węglowodory, amoniak, siarkowodór (H2S). Wykorzystuje się go w hutnictwie, w elektrociepłowniach (jako opał) i do otrzymywania amoniaku.
Wydobywany w kopalniach węgiel kamienny dzieli się na typy, sortymenty i klasy.
Podstawą podziału węgla na typy są naturalne cechy, charakteryzujące jego przydatność technologiczną.
Węgiel płomienny - typ 31.1 i 31.2 - Węgiel niespiekający, o zdolności spiekania RI najwyżej 5. Przydatny dla wszystkich typów kotłów i palenisk.
Węgiel gazowo-płomienny - typ 32.1 - Węgiel nieznacznie spiekający, o zdolności spiekania RI powyżej 5 do 20. Przydatny dla wszystkich typów kotłów i palenisk.
W przypadku zdolności spiekania RI bliskiej 20 może jednak sprawiać pewne problemy
w kotłach z konwencjonalnymi palnikami retortowymi.
Węgiel gazowo-płomienny - typ 32.2 - Węgiel słabo spiekający, o zdolności spiekania RI powyżej 20 do 40. Może być stosowany tylko w kotłach z palnikami retortowymi II-ej generacji.
Węgiel gazowy - typ 33 - Węgiel średnio spiekający, o zdolności spiekania RI powyżej 40 do 55. Może być stosowany tylko w kotłach z palnikami retortowymi II-ej generacji.
Węgiel gazowo-koksowy - typ 34.1 i 34.2 - Węgiel silnie spiekający, wykorzystywany do produkcji koksu. Nie nadaje się dla urządzeń grzewczych małej mocy ze względu na zbyt duże zdolności spiekania.
Węgiel ortokoksowy - typ 35.1, 35.2A i 35.2B oraz węgiel metakoksowy - typ 36 - Węgiel średnio lub silnie spiekający, wykorzystywany do produkcji koksu. Nie nadaje się dla urządzeń grzewczych małej mocy ze względu na zbyt duże zdolności spiekania oraz wysokie ciśnienie rozprężania.
Węgiel semikoksowy - typ 37.1 i 37.2 oraz węgiel chudy - typ 38 - Węgiel niespiekający, o zdolności spiekania RI najwyżej 5, wykorzystywany do produkcji koksu. Przydatny dla wszystkich typów kotłów i palenisk. W krajowej bazie węglowej węgle tego typu nie występują.
Węgiel antracytowy - typ 41, antracyt - typ 42 oraz metaantracyt - typ 43 - Węgiel niespiekający, o zdolności spiekania RI poniżej 5. Ze względu na bardzo niską zawartość części lotnych (poniżej 14% w stanie suchym bezpopiołowym) wymaga stosowania specjalnych konstrukcji palenisk. W krajowej bazie węglowej węgle tego typu nie występują.
Podstawą podziału węgla kamiennego na sortymenty są graniczne wielkości ziaren węgla. Podział węgla kamiennego na sortymenty ma istotne znaczenie technologiczne - konstrukcje kotłów dostosowane są do poszczególnych sortymentów węgla.
Sortymenty grube:
Kęsy - Ks - uziarnienie ponad 125mm
Kostka I - Ko I - uziarnienie 200-125mm
Kostka II - Ko II - uziarnienie 125-63mm
Kostka - Ko - uziarnienie 200-63mm
Orzech I - O I - uziarnienie 80-40mm
Orzech II - O II - uziarnienie 50-25mm
Orzech - O - uziarnienie 80-25mm
Sortymenty średnie:
Groszek I - Gk I - uziarnienie 31,5-16mm
Groszek II - Gk II - uziarnienie 20-8mm
Groszek - Gk - uziarnienie 31,5-8mm
Sortymenty miałowe:
Miał I - M I - uziarnienie do 31,5mm
Miał II - M II - uziarnienie do 20mm lub do 10mm.
Podstawą podziału węgla na klasy są: wartość opałowa w stanie roboczym, zawartość popiołu w węglu w stanie roboczym oraz zawartość siarki w węglu w stanie roboczym. Podstawowym wyznacznikiem klasy węgla, decydującym o jego wartości energetycznej, jest wartość opałowa.
Wartość opałowa jest miarą ilości zawartej w węglu energii chemicznej, możliwej do przekształcenia w ciepło w procesie spalania. Jednostką wartości opałowej jest 1kJ/kg (kilodżul/kilogram). Wielkość wartości opałowej zależy przede wszystkim od zawartości w węglu wilgoci i popiołu, w mniejszym stopniu - od typu węgla. Kwalifikowane paliwa węglowe powinny wykazywać wartość opałową w stanie roboczym co najmniej 24.000kJ/kg.
Klasę węgla oznacza się za pomocą 3-członowego symbolu, np. klasa 28-07-06 oznacza węgiel o wartości opałowej co najmniej 28.000kJ/kg, zawartości popiołu najwyżej 7%
i zawartości siarki najwyżej 0,6%: klasa 19-14-11 oznacza węgiel o wartości opałowej co najmniej 19.000kJ/kg, zawartości popiołu najwyżej 14% i zawartości siarki najwyżej 1,1%.
3