Gaz ziemny i węgiel kamienny jako naturalne źródło węglowodorów.

Grzegorz Wojciechowski

kl. III Zb

1:Co to są węglowodory:

WĘGLOWODORY, związki org. o cząsteczkach zbud. wyłącznie z atomów węgla i wodoru. Ogólnie dzieli się je na węglowodory acykliczne — łańcuchowe, zw. też alifatycznymi, i cykliczne — pierścieniowe, wśród których rozróżnia się alicykliczne i aromatyczne.

Węglowodory acykliczne to takie węglowodory, w których cząsteczkach atomy węgla są ze sobą połączone w otwarte łańcuchy proste lub rozgałęzione; mogą być nasycone, czyli zawierać tylko wiązania pojedyncze (alkany), lub nienasycone, np. mogą zawierać jedno wiązanie podwójne (alkeny), jedno wiązanie potrójne (alkiny) lub kilka wiązań nienasyconych (np. polieny).

W cząsteczkach węglowodorów alicyklicznych atomy węgla tworzą jeden lub więcej pierścieni nie będących pierścieniami związków aromatycznych (alicykliczne związki); podobnie jak węglowodory acykliczne mogą być nasycone (cykloalkany) lub nienasycone (np. cykloalkeny lub cykloalkiny), mogą zawierać związane z pierścieniem otwarte łańcuchy węglowodorowe zarówno nasycone, jak i nienasycone.

Cząsteczki węglowodorów aromatycznych (arenów) mają co najmniej jeden 6-członowy pierścień zawierający układ formalnie sprzężonych 3 wiązań podwójnych; najprostszym węglowodorem aromatycznym jest benzen; z pierścieniem mogą być związane podstawniki acykliczne lub alicykliczne. Pierścienie w cząsteczkach węglowodorów policyklicznych mogą się łączyć w rozmaity sposób.

Węglowodory stanowią jedną z największych grup związków organicznych. W warunkach normalnych występują jako gazy (np. początkowe węglowodory szeregu alkanów), ciecze (np. niższe węglowodory aromatyczne) lub ciała stałe (np. wyższe węglowodory aromatyczne); wszystkie węglowodory są palne, mają duże ciepło spalania. Węglowodory nasycone acykliczne i alicykliczne wykazują małą aktywność chem. i reakcje z ich udziałem (np. utlenianie, fluorowcowanie, nitrowanie, sulfonowanie) zachodzą na ogół w wysokich temperaturach. Bardziej czynne chemicznie są alkeny, które wykazują zdolność do reakcji przyłączania (np. fluorowców, wody, wodoru) oraz do polimeryzacji. Jeszcze większą aktywność chem. wykazują alkiny, które oprócz reakcji przyłączania ulegają reakcji podstawiania. Dla węglowodorów aromatycznych najbardziej typowe są reakcje podstawiania (np. fluorowcowanie, nitrowanie, sulfonowanie, alkilowanie i acylowanie).

Od wielu lat wiadomo, że emisja spalin samochodowych jest głównym źródłem dwutlenku węgla będącym najważniejszym z gazów cieplarnianych, tlenków azotu, które drażnią i uszkadzają drogi oddechowe, tlenku węgla oraz pyłów zawieszonych w powietrzu będących swego rodzaju platformą do przenoszenia metali ciężkich i innych niebezpiecznych związków. Nowsze badania przynoszą informacje na temat szkodliwości licznych węglowodorów, wydostających się wraz ze spalinami.
Wiele węglowodorów to gazy lub ciecze o dużej lotności. W naszym otoczeniu znajdują się przede wszystkim w postaci gazowej. Węglowodory to ogromna grupa związków o zróżnicowanej budowie. Te najprostsze w formie łańcuchów nazywane alifatycznymi, są najmniej szkodliwe. Kolejne bardziej niebezpieczne a jednocześnie o budowie pierścieniowej - węglowodory aromatyczne. Najgroźniejsze są węglowodory zbudowane z wielu pierścieni. Te ostatnie są silnie rakotwórcze. Wszystkie stają się z reguły jeszcze bardziej toksyczne po przyłączeniu grupy aminowej, nitrowej lub nitrozowej, co ma miejsce w sprzyjających warunkach.

Źródłem węglowodorów jest przede wszystkim ropa naft., gaz ziemny, węgiel kam. oraz brun., a także łupki bitumiczne i in. Węglowodory są stosowane m.in. jako paliwa silnikowe (benzyna, olej napędowy), do celów opałowych oraz jako podstawowy surowiec w przemyśle org. (do produkcji tworzyw sztucznych, kauczuku, środków ochrony roślin, leków, barwników i in.).

2: Gaz ziemny:

Gaz ziemny jest paliwem gazowym pochodzenia naturalnego. Powstawanie gazu ziemnego jest długotrwałym i bardzo złożonym procesem szacowanym na miliony lat istniało do niedawna wiele teorii jego powstania. Powstaje w wyniku analogicznych procesów jak ropa naftowa lub stanowi jeden z produktów uwęglania substancji roślinnej. Obecnie uważa się, że gaz ziemny powstał dzięki rozkładowi substancji organicznych, które zalegając na dużych głębokościach, zostały poddane działaniu wysokiego ciśnienia oraz temperatury. Jest mieszaniną węglowodorów gazowych (metanu CH4, etanu C2H6, propanu C3H8 itp.), ciekłych oraz zmiennych ilości azotu -N2, dwutlenku węgla CO2, siarkowodoru H2S, wodoru H2 i domieszek gazów szlachetnych (helu He, argonu Ar itp.). 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. Rozróżnia się gaz ziemny wulkaniczny, pochodzenia nieorganicznego, przeważnie niepalny, gaz ziemny błotny, będący produktem biologicznego rozkładu, składający się przede wszystkim z metanu, oraz gaz ziemny właściwy. Gaz ziemny właściwy występuje w podziemnych złożach, bardzo często razem z ropą naftową. Rozróżnia się:

*gaz ziemny suchy - zawierający najczęściej ok. 95% metanu, 2% etanu, 3% węglowodorów wyższych i innych gazów (siarkowodór, dwutlenek węgla, azot)

* 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)

W skorupie ziemskiej gaz ziemny występuje:

* swobodnie w postaci gazowej lub związany w stałych hydratach węglowodorów;

* w postaci rozpuszczonej ? w wodach podziemnych lub ropie naftowej.

Gaz ziemny w stanie naturalnym jest bezbarwny, bezwonny, palny (w powietrzu spala się on jasnoniebieskim płomieniem, przy czym wydzielają się duże ilości ciepła), lżejszy od powietrza. Aby mógł być wyczuwalny przez człowieka jest poddawany procesowi nawaniania, który nadaje mu poprzez zastosowanie odpowiedniego nawanniacza specyficzną woń.

W połączeniu z powietrzem w określonych stężeniach ( 5 % - 15 %) tworzy mieszaninę wybuchową. Po wydobyciu surowy gaz jest przeważnie zanieczyszczony ciałami stałymi (rozdrobniony piasek lub glina) i ciekłymi (resztki ropy naftowej ? węglowodory ciekłe i woda). Przed wprowadzeniem go do rurociągu przesyłowego poddawany jest oczyszczeniu. Gaz ziemny jest paliwem, które w odróżnieniu od innych konwencjonalnych surowców energetycznych praktycznie nie zanieczyszcza środowiska. Przy spalaniu gazu ziemnego wydzielają się znacznie mniejsze ilości dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, tlenków azotu niż przy innych nośnikach energii (takich jak; węgiel, koks, olej opałowy) z jednoczesnym brakiem stałych produktów spalania - sadzy i popiołu.

Walory gazu to łatwość i wygoda transportu (rurociągami), łatwość sterowania i automatyzacji procesu spalania oraz, co chyba najważniejsze, możliwość osiągnięcia wyższych wskaźników sprawności energetycznej w porównaniu z urządzeniami zasilanymi innymi paliwami.

W państwach, w których ogólna efektywność energetyczna (wyrażona ilością wyprodukowanych dóbr na jednostkę zużytej energii) jest wysoka, udział zużycia paliw gazowych w strukturze zużywanej energii jest z reguły znaczący. Polska powinna dążyć do zwiększenia udziału gazu w strukturze zużywanej w kraju energii pierwotnej.

Największe złoża gazu ziemnego występują w Rosji i USA, a także pod dnem Morza Północnego. Znaczne ilości gazu występują także pod dnem morskim u wybrzeży Ameryki Północnej (wschodnie wybrzeże), Brazylii, Indii (O. Indyjski) i Australii. W Polsce gaz ten występuje koło Jasła, Lubaczowa, Gorlic, Cieszyna i Sanoka.

Przeróbka gazu ziemnego może być prowadzona metodami:

*zachowawczą, polegającą na rozdziale mieszaniny węglowodorów na podstawie

różnych własności fizycznych na zespoły o charakterze produktu celowego pod względem technicznym ? i handlowym, (Oczywiście metodą zachowawczą można przerobić tylko "gaz mokry" rozdzielając go na zespoły)

*przetwórczą, zmieniającą strukturę chemiczną węglowodorów w celu otrzymania nowych produktów

Mieszaninę węglowodorów, która stanowi "gaz mokry", rozdziela się na trzy grupy

o charakterze produktów celowych:

* węglowodory czysto gazowe - metan (CH4) i etan (C2H6),

*węglowodory, które w temperaturze pokojowej i klimatycznej (od +40 do -30O C) można łatwo skroplić przez zastosowanie odpowiedniego ciśnienia - propan (C3H8) i butan (C4H10)

*węglowodory benzynowe - od pentanu (C5H12) w górę.

Gaz ziemny jest paliwem ekologicznym. Podczas jego wydobycia i transportu zachowywane są wszelkie warunki ochrony środowiska, a przy jego spalaniu emitowane są minimalne ilości szkodliwych zanieczyszczeń. Dzięki swej wysokiej kaloryczności gaz ziemny wykorzystywany jest jako źródło energii w gospodarstwach domowych. Służy do ogrzewania domów, podgrzewania wody użytkowej i gotowania posiłków. Dostarczany jest siecią gazociągów bezpośrednio do domu użytkownika niezawodnie, bez przerwy, przez cały rok. Nie wymaga magazynowania u odbiorcy. Gaz ziemny jest wyjątkowo wygodny w użytkowaniu. Gazowe urządzenia grzewcze nie wymagają praktycznie żadnej obsługi, wystarczy nastawić żądaną temperaturę.

Gaz ziemny wykorzystuje się do produkcji paliw, zarówno do użytku osób prywatnych jak i na skalę przemysłową, jako niezbędny składnik do produkcji detergentów, włókien sztucznych, farb, plastyku, oraz gumy syntetycznej. Z gazu ziemnego uzyskuje się około 20% wytwarzanej na Świecie energii. Na obszarach ubogich w złoża gazu człowiek sam nauczył się go otrzymywać.

Zastosowanie:

Gaz ziemny wykorzystuje się do produkcji paliw, zarówno do użytku osób prywatnych jak i na skalę przemysłową, jako niezbędny składnik do produkcji detergentów, włókien sztucznych, farb, plastyku, oraz gumy syntetycznej.
Na obszarach ubogich w złoża gazu człowiek sam nauczył się go otrzymywać.
W wyniku procesu odgazowywania węgla kamiennego w koksowniach powstaje gaz oraz koks.

Gaz ziemny jest “najbardziej komfortowym” paliwem dla wszelkich stacjonarnych urządzeń energetycznych takich jak np.: kotły (szczególnie małej mocy, ale i te duże, energetyczne), turbiny, suszarnie, przemysłowe piece grzewcze, kuchnie domowe. W niektórych względy technologiczne lub techniczne sprawiają, że innego paliwa niż gazowe po prostu nie da się zastosować. Tak jest np. przy produkcji żarówek lub
w przypadku turbin gazowych

3.Węgiel kamienny:

Pochodzenie

Węgiel jest skałą osadową pochodzenia organicznego - roślinnego. W wypadku nagromadzenia większej ilości drewna w jakimś basenie, pod wodą, ewentualnie zamulonego, zachodzą w nim przemiany, przy częściowym dostępie tlenu, a następnie w głębi skorupy ziemskiej, w wysokiej temp. i pod wysokim ciśnieniem. Prowadzą one do wzrostu zawartości pierwiastka węgla. Im dłużej lub intensywniej zachodzi proces uwęglania, tym bardziej wzrasta zawartość tego pierwiastka i podnosi się jakość węgla.

Węgiel kamienny należy do grupy węgli kopalnych, do których zalicza się również: torf, węgiel brunatny oraz antracyt. Węgiel jest mieszaniną pewnych związków organicznych, bardzo złożonych i skomplikowanych pod względem budowy. Węgiel kamienny zawiera (w procentach):


C 80 - 95

H2 4 - 5,5

O2 3 - 13

N2 1,4 - 1,8

S 0,3 - 0,7

popiół 3 - 11


Antracyt, będący najstarszym i najbardziej przetworzonym gatunkiem węgla kamiennego zawiera do 97% C i minimalne wartości innych pierwiastków. Węgiel brunatny i torf są znacznie młodsze, zawierają więc znacznie mniej C, a więcej wodoru, tlenu i azotu.

Występowanie:

Złoża węgla kamiennego występują na wszystkich kontynentach, są one jednak rozmieszczone bardzo nierównomiernie. Największe zagłębia występują w: Chinach (36%), USA (23%), Indiach (7%), Rosji (6%) i Australii (5%). Duże znaczenie w wydobyciu ma także Polska (3,6%). W 1995r. wydobyto 3787 mln ton węgla, tak więc na jednego mieszkańca przypadło 663 kg.

Węgiel a środowisko:

Spalaniu węgla towarzyszy emisja pyłów i szkodliwych gazów. W przypadku braku urządzeń oczyszczających spalenie 1 mln ton węgla kamiennego średniej jakości powoduje emisję około 20 000 t pyłów, 35 000 t SO2, 6000 t NOx, a także 2 mln ton CO2, którego nie potrafimy się pozbyć. Poza tym na wysypiska trafia około 300 000 ton popiołów.

Największym zagrożeniem środowiska jest emisja dwutlenku siarki i tlenków azotu powodująca kwaśne deszcze, które niszczą życie w akwenach, dewastują olbrzymie obszary lasów i powodują korozję konstrukcji metalowych i niszczenie budynków. Roczne straty z tego powodu w Europie sięgają wielu miliardów dolarów. Nie do oszacowania są ogromne straty spuścizny kulturalnej - zniszczone pomniki, rzeźby i budowle, w szczególności z piaskowca oraz marmuru.

Wydobycie 3 mln ton węgla spalanych rocznie w elektrowni o mocy 1000 MW(e) powoduje średnio śmierć 3 górników pod ziemią, a podczas jego transportu również zdarzają się wypadki śmiertelne. Według danych zebranych w różnych krajach szacuje się, że typowa elektrownia węglowa o mocy 1000 MW(e) powoduje przedwczesną śmierć 100-500 osób rocznie. Liczba zgonów zależy od wielu czynników, takich jak jakość spalanego węgla, stopień oczyszczania spalin, gęstość zaludnienia w pobliżu elektrowni i warunki meteorologiczne. W USA liczbę ofiar śmiertelnych energetyki węglowej ocenia się na 25000, a w Wielkiej Brytanii na 2000 rocznie.

Największe masowe zatrucia spalinami wydarzyły się w Dolinie Mozy (Belgia, 1952 r.), w Donora (Pensylwania, 1948 r.), w Londynie (1952 r.) oraz w Nowym Jorku (lata 1953, 1963, 1966). W Londynie w grudniu 1952 roku z powodu szczególnie niekorzystnych warunków meteorologicznych (inwersja temperatury), w ciągu kilku dni zmarło 3900 osób.

Przeróbka:

Do najważniejszych metod przeróbki węgla kamiennego należy koksowanie i zgazowanie.
Koksowanie polega na ogrzewaniu węgla bez dostępu powietrza do temp. 1000oC w tzw. bateriach koksowniczych. W tych warunkach węgiel ulega rozkładowi na cztery główne produkty: koks, wodę pogazową, smołę węglową i gaz koksowniczy.

Zgazowanie węgla polega na poddaniu go reakcji z mieszaniną przegrzanej pary wodnej i tlenu w wysokiej temp. Zachodzą wówczas różne procesy, z których najważniejsze to:

C + H2O -> CO + H2

2C + O2 -> 2CO

W wyniku zgazowania węgla powstaje gaz syntezowy czyli mieszanina tlenku węgla i wodoru. Z punktu widzenia otrzymywania tego gazu ważniejsza jest pierwsza reakcja, jednak jest ona procesem endotermicznym. Dlatego, w celu utrzymania właściwej temperatury stosuje się dodatek tlenu do pary wodnej, w skutek czego zachodzi też reakcja druga czyli egzotermiczna. Dobierając odpowiednio proporcje tlenu i pary wodnej można utrzymywać stałą temp. w reaktorze.
Obecnie bardziej ekonomiczne jest otrzymywanie gazu syntezowego z gazu ziemnego, ale w miarę wyczerpywania się jego złóż sytuacja ta może ulec zmianie.

Zastosowanie :

Węgiel kamiennych ma szereg zastosowań. Używa się go jako źródło energii, w medycynie oraz w przemyśle chemicznym, gdzie w wyniku przeróbki z węgla kamiennego powstaje wiele związków o różnych funkcjach.

Koks - to praktycznie czysty węgiel z niewielką domieszką popiołu. Charakteryzuje się specyficzną, porowatą strukturą i dużą wytrzymałością mechaniczną. Głównymi odbiorcami jest hutnictwo żelaza (składnik wsadu wielkopiecowego).

Woda pogazowa - zawiera amoniak powstały z rozkładu związków azotowych. Wykorzystywana jest do produkcji soli amonowych stosowanych jako nawozy sztuczne. Jednak w wyniku koksowania powstaje jej niezwykle mało w porównaniu z produkcją amoniaku syntetycznego.

Gaz koksowniczy - składa się głównie z wodoru, metanu i tlenku węgla, dzięki czemu ma wysoką wartość opałową. Jest on jednak zużywany głównie do ogrzewania baterii koksowniczych.

Smoła węglowa - ma największe znaczenie z punktu widzenia przemysłu chemicznego, gdyż jest ona złożoną mieszaniną kilku tysięcy związków, z których wydziela się ok. 20. Smołę przerabia się poprzez destylację frakcyjną, podobnie jak ropę naftową, jednak proces ten jest tu bardziej skomplikowany. Składnikami frakcji są: węglowodory aromatyczne (benzen, toluen oraz naftalen), fenole, pirydyna.

4:Przeróbka gazu ziemnego i węgla kamiennego:

Przeróbka gazu ziemnego może być prowadzona metodami:
1) zachowawczą, polegającą na rozdziale mieszaniny węglowodorów na podstawie
różnych własności fizycznych na zespoły o charakterze produktu celowego pod względem technicznym i handlowym,
2) przetwórczą , zmieniającą strukturę chemiczną węglowodorów w celu otrzymania nowych produktów
( Oczywiście metodą zachowawczą można przerobić tylko "gaz mokry" rozdzielając go na zespoły)
Mieszaninę węglowodorów, która stanowi "gaz mokry", rozdziela się na trzy grupy
o charakterze produktów celowych:
1) węglowodory czysto gazowe - metan (CH4) i etan (C2H6),
2) węglowodory, które w temperaturze pokojowej i klimatycznej (od +40 do -30O C) można łatwo skroplić przez zastosowanie odpowiedniego ciśnienia - propan (C3H8)
i butan (C4H10)
3) węglowodory benzynowe - od pentanu (C5H12) w górę.
Strona 1/3
1. Przeróbka zachowawcza "gazu mokrego" polega na wyosobnieniu z niego składników należących do drugiej i trzeciej grupy, czyli na tzw. "odgazolinowaniu".
Po odgazolinowaniu w gazie pozostają tylko składniki pierwszej grupy, natomiast składniki drugiej i trzeciej grupy dają tzw. "gaz płynny" i "gazolinę".

Istnieją trzy sposoby odgazolinowania:
1. adsorpcyjna
2. absorpcyjna
3. kompresyjna - (stosowana tylko gdy przeróbce podlega gaz bardzo bogaty
w węglowodory paliwowe).

Metoda adsorpcyjna wykorzystuje węgiel aktywny, który wciąga w swoje mikroskopijne pory drobiny węglowodorów. Aparaty służące do odgazolinowania, na drodze adsorpcyjnej, to naczynia cylindryczne stojące o pojemności 2 - 20m3 , które napełnia się węglem, układając go na sitach metalowych. (Naczynia te nazywamy adsorberami.) Jeżeli do adsorbera od dołu wprowadzimy "gaz mokry", to
w pierwszym stadium w porach węgla zostaną zatrzymane wszystkie węglowodory począwszy od metanu. Następnie przy dalszym ciągłym doprowadzaniu gazu cięższe węglowodory wypierają lżejsze, które przechodzą do wyższych warstw węgla, a w końcu uchodzą górą z adsorbera jako "gaz suchy".

Metoda absorpcyjna polega na pochłanianiu cięższych składników "gazu mokrego" przez tzw. olej, który stanowi wycięta frakcja oleju gazowego lub nafty, czasem ciężkiej benzyny. Olej pochłania węglowodory gazu tym łatwiej, im wyższą posiadają temperaturę wrzenia i im niższa jest prężność ich par. Węglowodory benzynowe
(od pentanu w górę) ulegają przy tym upłynnieniu. Propan i butan upłynnia się również, ale tylko gdy przy procesie absorpcji panuje odpowiednio zwiększone ciśnienie. Absorpcja odbywa się w wieżach zwanych absorpcyjnymi.
W wieży od góry spływa po kółkach olej i pochłania przeciskające się przez kapki węglowodory znajdujące się w fazie gazowej. Olej nasycony zaabsorbowanymi węglowodorami spływa na spód wieży. Gaz uwolniony od składników benzynowych, butanów i propanu opuszcza wieżę przez szczyt jako "gaz suchy", odgazolinowany. Przeróbka przetwórcza
Węglowodory gazu ziemnego od etanu w górę mogą być poddane odwodornieniu
i krakingowi, a uzyskane węglowodory nienasycone będą już surowcem dla szeregu procesów syntezy paliw, jak np. polimeryzacja ,lub też syntezy chemicznych produktów niepaliwnych, jak kauczuk i różne masy plastyczne.
Z gazu ziemnego uzyskuje się około 20% wytwarzanej na Świecie energii. Można go znaleźć przeważnie w sąsiedztwie ropy naftowej. Oba te cenne dla współczesnego człowieka surowce powstały w tym samym czasie, w podobnych warunkach.

Przeróbka węgla kamiennego:

Do najważniejszych metod przeróbki węgla kamiennego należy koksowanie i zgazowanie.
Koksowanie polega na ogrzewaniu węgla bez dostępu powietrza do temp. 1000oC w tzw. bateriach koksowniczych. W tych warunkach węgiel ulega rozkładowi na cztery główne produkty: koks, wodę pogazową, smołę węglową i gaz koksowniczy.
Zgazowanie węgla polega na poddaniu go reakcji z mieszaniną przegrzanej pary wodnej i tlenu w wysokiej temp. Zachodzą wówczas różne procesy, z których najważniejsze to:
C + H2O -> CO + H2
2C + O2 -> 2CO
W wyniku zgazowania węgla powstaje gaz syntezowy czyli mieszanina tlenku węgla i wodoru. Z punktu widzenia otrzymywania tego gazu ważniejsza jest pierwsza reakcja, jednak jest ona procesem endotermicznym. Dlatego, w celu utrzymania właściwej temperatury stosuje się dodatek tlenu do pary wodnej, w skutek czego zachodzi też reakcja druga czyli egzotermiczna. Dobierając odpowiednio proporcje tlenu i pary wodnej można utrzymywać stałą temp. w reaktorze.
Obecnie bardziej ekonomiczne jest otrzymywanie gazu syntezowego z gazu ziemnego, ale w miarę wyczerpywania się jego złóż sytuacja ta może ulec zmianie.
Grafit występuje w przyrodzie w postaci minerału. Na skalę techniczną grafit jest otrzymywany przez ogrzewanie antracytu. Grafit służy do wyrobu elektrod, tygli ogniotrwałych, ołówków, smarów, farb.

5:Znaczenie gospodarcze gazu ziemnego i węgla kamiennego:

Gaz ziemny: Program rozwoju gazownictwa jest ściśle związany z problemami ekologicznymi Polski, co wynika z bardzo wysokiego poziomu zanieczyszczenia spowodowanego
w dużym stopniu rodzajem stosowanych paliw i technologią ich spalania. Ponadto instytucje finansujące inwestycje związane z ochroną środowiska przeznaczają na gazyfikację i zmianę systemu ogrzewania z węgla na gaz ogromne środki.
Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej na realizację ok. 450 projektów związanych ze zmianą systemu ogrzewania i gazyfikację przeznaczył
w latach 1990-1995 kwotę ok. 180 mln zł., a Ekofundusz na realizację 24 tego typu inwestycji w latach 19993-1997 ok. 13 mln zł. Na zmianę ogrzewania z węglowego na gazowe Polska otrzymała ponadto grant Banku Światowego w wysokości 25 mln USD ze specjalnego funduszu GEF (Global Enviromental Facility - Fundusz Organizacji Narodów Zjednoczonych), którego rozdysponowaniem zajmuje się Bank Ochrony Środowiska S.A.
Na pomoc finansową mogą liczyć również nowo gazyfikowane regiony wiejskie. Europejski Fundusz Rozwoju Wsi Polskiej przeznaczył na ten cel znaczną część swoich środków. Istnieją też w Polsce i inne organizacje zajmujące się ochroną środowiska.
W 1990 roku ówczesny prezydent Stanów Zjednoczonych George Bush przebywający z oficjalną wizytą w Polsce odwiedził m.in. Kraków. Rezultatem tej wizyty była decyzja Kongresu USA o przyznaniu 20 mln dolarów na działania zmierzające do ograniczenia źródeł niskiej emisji. Dotacja ta zainicjowała utworzeniem w Krakowie rynku inwestycji polegających na zastąpieniu kotłowni węglowych gazowymi. Nad kierunkami i sposobem wydatkowania środków czuwa polsko-amerykański Komitet sterujący.
Zastosowanie gazu ziemnego w indywidualnych gospodarstwach domowych jest jedną z najbardziej efektywnych metod ograniczania emisji zanieczyszczeń powietrza. Spalanie gazu ziemnego nie powoduje powstawania tlenków siarki, uważanych za główną przyczynę kwaśnych deszczy. Zarówno emisja dwutlenku węgla, poważnej przyczyny efektu cieplarnianego, jak i emisje tlenków azotu są od 20% do 60% mniejsze niż emisje przy spalaniu oleju czy węgla. Wpływ zwiększenia zużycia gazu w gospodarce narodowej na zmniejszenie zanieczyszczenia Środowiska naturalnego analizowany był w 1992 r. przez ekspertów Banku Światowego, którzy w przedstawionym raporcie ocenili, że wzrost zużycia gazu
w Polsce do 27 mld m3 spowoduje zmniejszenie emisji zanieczyszczeń dwutlenku siarki o 640 tys. ton, pyłów o 250 tys. ton oraz tlenków azotu o 170 tys. ton.
Użytkowanie gazu ziemnego zamiast paliw stałych w gospodarstwach domowych jest wysoce korzystne pod względem sprawności energetycznej, komfortu użytkowania oraz ochrony środowiska. W zastosowaniach komunalno-bytowych przewidywania rosnącego zużycia z 5,4 mld m3 w 1996 do poziomu 9 mld m3
w 2010 r., mają swe podstawy w planowanej gazyfikacji kolejnych obszarów Polski.
Prognozowany rozwój gospodarczy Polski i rysujący się deficyt paliw pierwotnych oraz względy ekologiczne wymagają zmiany struktury zużycia energii pierwotnej i pociągają za sobą znaczny wzrost zapotrzebowania na gaz w gospodarce narodowej.
W wybranych gałęziach przemysłu szersze stosowanie gazu ziemnego towarzyszy procesom modernizacji technologicznej. Rosnące wymagania efektywności zużywania energii oraz kryteria ochrony Środowiska powodują, że w perspektywie kilkunastu lat przewidywane jest znaczne zwiększenie zużycia gazu zarówno
w procesach technologicznych, jak też w ciepłowniach przemysłowych. Ocenia się, że zapotrzebowanie na gaz w przemyśle wzrośnie w 2010 r. do poziomu 11-14 mld m3. W Polsce elektrownie i elektrociepłownie opalane są głównie węglem kamiennym i brunatnym. Powoli jednak gaz ziemny wchodzi do energetyki, głównie do kotłowni i ciepłowni w miejscowościach uzdrowiskowych, gdzie podstawowym walorem
i potrzebą jest zachowanie czystości środowiska naturalnego. Z tego względu przewiduje się wykorzystanie gazu ziemnego w blokach gazowych (turbiny gazowe) na produkcję energii elektrycznej na potrzeby szczytowe, jak również dla bloków elektroenergetycznych pracujących w podstawie (cykle kombinowane). Notowane rosnące potrzeby w tym zakresie dotyczą głównie modernizacji i rekonstrukcji elektrociepłowni miejskich czy osiedlowych. W regionach gęsto zamieszkanych i zabudowanych energetyka gazowa jest jedynym sposobem radykalnego zmniejszenia stanu zanieczyszczeń atmosfery i poprawy zdrowia ludności. Spełnienie wszystkich zobowiązań ekologicznych podjętych w ramach ONZ oraz wynikających z procesów integracyjnych z Unią Europejską wymagają nie tylko wielkich nakładów finansowych ale również wysiłków edukacyjnych, organizacyjnych jak i legislacyjnych. Proces ten na pewno będzie trwał długo ale wzrastająca ekologiczna świadomość społeczeństwa jako czynnika stymulującego pozwala na optymizm.

Węgiel kamienny: Górnictwo węgla kamiennego w Polsce przeżywa poważny kryzys. W praktyce można powiedzieć, że jest to już katastrofa górnicza, która będzie miała ogromny wpływ na kondycję całej gospodarki narodowej. Wpływ górnictwa węglowego na gospodarkę wynika z faktu, że węgiel kamienny jest surowcem wyjściowym do produkcji energii elektrycznej, energii cieplnej, koksu, a także jest niezbędnym paliwem stosowanym w innych przemysłach, jak : cementowanie i zakłady przemysłu materiałów budowlanych; cukrownie i zakłady przemysłu rolno-spożywczego; hutnictwo i zakłady przemysłu metalowego; ciepłownie zakładowe, komunalne, osiedlowe itp.

W 1997 roku w kraju wydobyto 137.13 mln ton węgla kamiennego, w tym 110.42 mln ton węgla energetycznego i 28.71 ton węgla koksowego. Przewżająca ilość węgla zużykowywana jest w kraju. Na eksport wysłano 17.64 mln ton węgla energetycznego i 12.66 węgla koksowego.
Prognozy zapotrzebowaniana węgiel w dłuższym horyzoncie czasowym, np. do 2020 roku są niejasne. Podawane są różne wielkości: węgiel energetyczny na potrzeby krajowe od 92.4 do 127.4 mln ton; węgiel koksowy na potrzeby krajowe od 9.4 do 11.4 mln ton. Przeprowadzona przez PARG WK S.A. ankietyacja odbiorców węgla dała jeszcze inne wyniki. W roku 2015 przewidziano zapotrzebowanie na węgiel energetyczny w wysokoci 71.04 mln ton, a na węgiel koksowy 12.73 mln ton. Te rozbieżności są wynikiem braku rzetelnie przeprowadzonego bilansu paliwowo-energetycznego.

Ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny jako naturalne źródło węglowodorów

Ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny jako naturalne źródło węglowodorów.

Węglowodory są to związki węgla z wodorem. Najbardziej użytecznymi węglowodorami w przyrodzie są ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny.

Ropa naftowa jest skomplikowaną mieszaniną węglowodorów (lotnych ciekłych i stałych) zawierających także niewielkie ilości (do 1%) związków organicznych tlenu (kwasy karboksylowe, fenole) siarki (tioalkohole i pochodne tiofenu) oraz azotu (azotowe związki heterocykliczne).

W temperaturze pokojowej ropa naftowa jest cieczą oleistą łatwo palną, najczęściej lżejszą od wody, źle przewodzącą prąd elektryczny. Barwa, zapach, lepkość, ciężar właściwy itp. zależą od pochodzenia ropy (sklasyfikowano kilka tysięcy gatunków).

Wydzielenie czystych węglowodorów z ropy naftowej odbywa się najczęściej za pomocą destylacji frakcyjnej; stosuje się także ekstrakcję za pomocą selektywnych rozpuszczalników oraz krystalizację.

W skład ropy naftowej wchodzą trzy grupy węglowodorów:

- alkany

- cykloalkany

- areny

Ropa naftowa nie zawiera w zasadzie alkenów i alkinów. W zależności od jej pochodzenia procentowy udział poszczególnych składników jest zróżnicowany.

W wyniku destylacji ropy naftowej uzyskuje się szereg frakcji wrzących w różnych zakresach temperatury. W miarę podwyższania temperatury ropy destylują z niej coraz to trudniej lotne składniki. Produktami są :

v eter naftowy C5 - C6 o temperaturze wrzenia 20 - 90°C stosowany jako rozpuszczalnik

v benzyna lekka C6 - C7 o temperaturze wrzenia 90 - 120°C stosowana także jako rozpuszczalnik

v benzyna ciężka C7 - C12 o temperaturze wrzenia 100 - 200°C stosowana jako paliwo w silnikach spalinowych

v nafta C12 - C18 o temperaturze wrzenia 170 - 270°C stosowana jako paliwo

v olej gazowy lekki >C18 o temperaturze wrzenia 230 - 300°C stosowany jako paliwo

v olej smarowy >C18 o temperaturze wrzenia powyżej 300°C i stosowany jako smar

v mazut czyli pozostałość jest surowcem do produkcji smaru, parafiny i asfaltu oraz surowcem w procesach krakowania stosowanych do otrzymywania benzyny.

Benzyna jest substancją ciekłą, bardzo lotną i łatwopalną o charakterystycznym zapachu. Pary benzyny z powietrzem tworzą mieszanki wybuchowe. Nierozpuszczalna w wodzie, natomiast dobrze rozpuszczalna w bezwodnym alkoholu - eterze, chloroformie, itp. Stosuje się ją głównie jako paliwo do silników, jako środek piorący i odtłuszczający, jako rozpuszczalnik tłuszczów farb i lakierów. Ponieważ rozwój motoryzacji pociąga za sobą coraz większe zapotrzebowanie na benzynę, wyższe frakcje ropy naftowej takie jak oleje i mazut, przerabiane są na benzynę w procesie krakingu. Proces ten polega na termicznej lub katalitycznej degradacji węglowodorów, pozwalającej na uzyskanie produktów o mniejszej masie cząsteczkowej. Benzyny krakowe różnią się od benzyn otrzymywanych na drodze zwykłej destylacji ropy naftowej większą zawartością alkenów i węglowodorów aromatycznych.

Kraking

Jeśli produkty destylacji ropy naftowej zawierające kilkanaście atomów węgla w cząsteczce, a wiec frakcje olejową, zostaną podgrzane do temperatury około 500°C to następuje rozerwanie wiązania pomiędzy atomami węgla. Długi łańcuch węglowodoru pęka, przy czym tworzą się niższe węglowodory. W praktyce możemy powiedzieć, że z oleju otrzymujemy benzynę. Z udziałem katalizatora kraking można przeprowadzić w temperaturach od 400 do 500°C.

Jako katalizatory w metodzie krakingu stosowane są krzemiany glinu, magnezu lub cyrkonu. Gazy krakowe stanowiące produkt uboczny krakingu stosuje się do produkcji paliw lotniczych i jako surowce chemiczne.

Reforming

Zmiany składu frakcji benzynowych w celu uszlachetnienia benzyn uzyskiwanych metodą destylacji ropy naftowej można uzyskać metoda reformingu, która polega na izomeryzacji i dehydrocyklizacji n-alkanów oraz odwodornieniu cykloalkanów do węglowodorów aromatycznych pod wpływem katalizatora platynowego. W ten sposób podnosi się liczbę oktanową benzyny nawet o 40 jednostek, a także uzyskuje się alkeny i areny.

Liczba oktanowa jest to wielkość określająca jakość benzyny (im wyższa liczba oktanowa tym benzyna jest lepsza). Benzyny uzyskane bezpośrednio przez destylację ropy naftowej mają liczbę oktanową od 50 do 76, benzyny z krakowania - 90, powstałe z reformingu - około 100. Liczbę oktanową benzyn można podnieść o 15 - 16 jednostek przez dodanie czteroetyloołowiu (powstaje etylina używana tylko jako paliwo - bardzo trująca) Następną frakcją po benzynie jest nafta, czyli przezroczysta, żółta ciecz niebieskawym połyskiem i charakterystycznym zapachem. Stosowana dawniej głównie do oświetlania (lampa naftowa), obecnie używana jako paliwo do silników wysokoprężnych lub odrzutowych i jako surowiec do otrzymywania benzyny metodą krakingu lub reformingu. Kolejna frakcja po nafcie to olej gazowy lekki (solarowy). Jest używany jako paliwo do silników wysokoprężnych Diesla - tańsze od benzyny, ponieważ nie wymaga przeróbki chemicznej. Cięższe frakcje olejowe (olej smarowy) służą do smarowania mechanizmów.



Drugim węglowodorem w przyrodzie jest Gaz Ziemny inaczej gaz mineralny. Występuje obok ropy naftowej jako tak zwany gaz mokry lub osobno w złożach jako gaz suchy. Głównym składnikiem gazu ziemnego mokrego jest metan, poza tym etan i kilka wyższych węglowodorów dających łatwo się skroplić. Podczas przeróbki "mokrych" gazów poddaje się tzw. Odbenzynowaniu - oddziela się benzynę od zawartych w nich węglowodorów niższych. W wyniku tego procesu otrzymuje się gazolinę oraz gaz suchy składający się głównie z metanu a oprócz tego zawierający etan, propan, i niewielkie ilości butanu. Gazolinę poddaj się stabilizacji i destylacji pod ciśnieniem oddzielając węglowodory lekkie - powstaje gaz płynny (propan-butan) i gazolina stabilizowana (pentany, heksany, heptany).

Gaz płynny przechowywany jest w czerwonych butlach stalowych. Jest stosowany jako materiał opałowy w gospodarstwie domowym (tam gdzie nie ma jeszcze normalnej instalacji gazowej), w kuchenkach turystycznych i zapalniczkach, ponadto do cięcia, topnienie i spawania metali kolorowych oraz topienia szkła. Jest też nieocenionym oraz podstawowym surowcem w wielu zakładach chemicznych. Gaz suchy stosuje się jako paliwo, ale głównie jako surowiec w przemyśle chemicznym. Gazolina stabilizowana stosowana jest jako składnik podnoszący prężność par benzyny, a także jako rozpuszczalnik tłuszczów.



Wegiel kamienny jest najczęściej występującym surowcem energetycznym pochodzenia organicznego. W niektórych domach do dziś używa się go do ogrzewania. Obecnie jednak większość węgla zużywana jest w przemyśle lub elektrowniach. Zanim zaczęto wydobywać na szeroką skalę gaz ziemny uzyskiwano go z węgla. Węgiel Kamienny zawdzięcza swoją popularność temu, iż w przeciwieństwie do innych skał pali się wydzielając dużo ciepła i dużo energii. Przerabia się go w procesie koksowania (suchej destylacji węgla) czyli wysokotemperaturowego (około 1000°C) odgazowywania w piecach koksowniczych bez dostępu powietrza. Proces ten prowadzi do powstania koksu, gazu koksowniczego, wody pogazowej i smoły pogazowej

KOKS

Substancja stała - tworzy szaroczarne, nieregularne bryły o budowie gąbczastej, składające się w 90% z węgla. Stosowany jako paliwo i reduktor w procesie wielkopiecowym (otrzymywanie stali z rud żelaza) oraz jako bezdymne paliwo do centralnego ogrzewania.

WODA POGAZOWA - Stanowi mieszaninę zawierającą amoniak, sole amonowe ((NH4)CO3, NH4Cl, (NH4)2S, (NH4)2SO4, (NH4)2S2O3, NH4SCN), pirydynę, fenole i inne związki. Jest surowcem do otrzymywania amoniaku i siarczanu amonu.

smoła węglowa, smoła pogazowa - gęsta ciecz barwy czarnej o mazistej konsystencji. W skład smoły węglowej wchodzą głównie węglowodory aromatyczne, fenole, zasady pirydynowe i chinolinowe. Jest surowcem do otrzymywania paku oraz wielu związków organicznych (np. benzenu, toluenu, fenolu, acenaftenu. Gaz koksowniczy - zawiera m.in. H2, O2, N2, CO2, NH3, H2S, węglowodory nasycone (głównie metan a także etan, propan i butan), nienasycone (etylen, acetylen), aromatyczne (benzen, toluen). Jest on cennym surowcem chemicznym. Stosowany jest także jako paliwo - po uprzednim usunięciu z niego amoniaku, smoły pogazowej i węglowodorów aromatycznych. Podczas wstępnego chłodzenia gazu wraz ze smołą wykrapla się woda pogazowa, w której rozpuszcza się ok. 75% amoniaku, dlatego nazywa się ją wodą amoniakalną. Amoniak odzyskiwany z wody amoniakalnej ze względu na zanieczyszczenia używa się tylko do produkcji siarczanu (VI) amonu stosowanego jako nawóz sztuczny.

DODATKI:

Tabele i zestawienia gazu ziemnego:

Typ	Charakterystyka	Główne zastosowanie
Węgiel płomienny	duża zawartość części lotnych, brak lub słaba zdolność spiekania, długi, silnie świecący płomień	piece przemysłowe i domowe, generatory
Węgiel gazowo-płomienny	duża zawartość części lotnych, średnia zdolność spiekania	piece przemysłowe i domowe, wytlewanie, uwodornianie
Węgiel gazowy	duża wydajność gazu i smoły, znaczna spiekalność	gazownictwo, koksownictwo, wytlewanie
Węgiel gazowo-koksowy	duża wydajność gazu i smoły, dobra spiekalność, średnie ciśnienie rozprężania	gazownictwo, koksownictwo
Węgiel ortokoksowy	typowy węgiel koksowy, średnia zawartość części lotnych, dobra spiekalność, wysokie ciśnienie rozprężania	produkcja koksu metalurgicznego
Węgiel metakoksowy	dobra spiekalność, duże ciśnienie rozprężania	produkcja koksu odlewniczego
Węgiel semikoksowy	mała zawartość części lotnych, słaba spiekalność, średnie ciśnienie rozprężania	w koksownictwie jako dodatek schudzający wsad węglowy
Węgiel chudy	mała zawartość części lotnych, brak lub słaba spiekalność, krótki płomień	piece przemysłowe i domowe, generatory
Węgielantracytowy	mała zawartość części lotnych, brak zdolności spiekania	paliwo specjalne
Antracyt	bardzo mała zawartość części lotnych, brak zdolności spiekania	paliwo specjalne

Jakość gazu ziemnego dostarczonego do odbiorcy określają przepisy, a w szczególności Polska Norma (PN-87/C-96001). Zgodnie z Polską Normą jeden metr sześcienny gazu w warunkach normalnych określony jest jako ilość suchego gazu zawartego w objętości 1m³ przy temperaturze 0oC i pod ciśnieniem 101,3 kPa (760 mm Hg).

1. gaz ziemny wysokometanowy (GZ-50):

• ciepło spalania - 38,147 MJ/m³

• wartość opałowa - 34,43 MJ/m³

• skład:

• metan (CH4) - 98,14%

• etan, propan, butan - 0,91%

• azot (N2) - 0,84%

• dwutlenek węgla (CO2) - 0,11%

2. gaz ziemny zaazotowany (GZ-35):

• cieple spalania - 26 MJ/m³

• wartości opałowa - 25 MJ/m³

• skład:

• metan (CH4) - 69,4%

• azot (N2) - 29,21%

• dwutlenek węgla (CO2) i inne - 1,39%

---