Ropa naftowa to mieszanina różnych węglowodorów. W węglowodorach stałych
rozpuszczone są węglowodory ciekłe i gazowe.
W skład ropy naftowej wchodzi wiele pierwiastków. Są to głównie niemetale, ale
znaleźć tam można także związki chemiczne i niewielkie ilości metali. Z ropy
naftowej
wyodrębniono około 600 związków, ale ich ilość szacuje się na kilka tysięcy.
Niemetale: węgiel(C), wodór(H), siarka(S), tlen(O), azot(N)
Związki chemiczne: chlorek sodu (NaCl), siarkowodór (H2S), amoniak (NH3),
woda(H2O), fenole, tioalkohole, związki heterocykliczne
Metale: nikiel(Ni), mangan(Mn), żelazo(Fe), chrom(Cr), sód(Na), rtęć(Hg)
Związki węglowodorowe, stanowiące około 98% składu ropy naftowej są bardzo zróżnicowane i
zawierają od 1 (metan - CH4) do ponad stu atomów węgla w cząsteczce. Można je podzielić na 3
grupy:
parafiny - związki węglowodorowe o różnej długości łańcuchów. Należące do nich alkany stanowią,
w zależności od pochodzenia i czasu powstania ropy od 30 do 80% jej zawartości. Te, które mają
powyżej 17 atomów węgla w cząsteczce są ciałami stałymi, pomiędzy 16 a 6 - cieczami, a 5 lub
mniej - gazami. Liczba atomów węgla w cząsteczkach parafin dochodzi do 40.
kwasy naftenowe - od parafinów różnią się tym, że łańcuchy węglowe w przypadku tych cząsteczek
nie są proste a pozamykane w pierścienie. Im więcej atomów węgla, tym większa gęstość
substancji
związki nienasycone - stanowią grupę węglowodorów, w których nie wszystkie atomy węgla
osiągnęły stan nasycenia łącząc się z poszczególnymi atomami swojego typu co najwyżej jednym
wiązaniem. Ważny i ciekawy jest fakt, że ropa nie zawiera alkanenów ani alkinów
Nie wszystkie składniki ropy naftowej są pożądane. Związki zawierające siarkę i chlor powodują
korozję urządzeń rafineryjnych. Z tego powodu pierwszą czynnością po wydobyciu ropy jest jej
odsiarczenie oraz usunięcie wody.
Do surowców pokrewnych zaliczymy gaz ziemny i gęstą, lepką substancję zwaną asfaltem, lub
inaczej - bitumenem.
Węglowodorom w ropie naftowej towarzyszą również inne związki organiczne, zawierające tlen,
azot i siarkę.
W zależności od zawartości siarki, klasyfikuje się ropę naftową na:
- niskosiarkowe - zawierające do 0,5% S,
- wysokosiarkowe - zawierające powyżej 0,5% siarki.
Ropa naftowa znajduje szerokie zastosowanie. Jest czystsza i
wydajniejsza niż węgiel, a w porównaniu z gazem - łatwiejsza do
transportowania. Czasem, podobnie jak węgiel nazywana jest czarnym
złotem. Wytwarza się z niej połowę energii wykorzystywanej na
świecie. Jako surowca energetycznego wytwarza się ropę w
transporcie, przemyśle i innych działach gospodarki.
Ropa naftowa wykorzystywana jest do produkcji wielu artykułów.
Bezpośrednio z ropy naftowej powstaje:
• asfalt,
• oleje napędowe,
• oleje i smary,
• nafta,
• różnego rodzaju benzyny.
Ropę naftową używa się do produkcji olejów silnikowych i smarów,
gdyż bez nich niemożliwe by było funkcjonowanie maszyn. Służy
również do produkcji całej gamy produktów, np. kosmetyków, leków,
barwników, materiałów wybuchowych, nawozów sztucznych, włókien
sztucznych (nylon), atramentu, środków owadobójczych, plastiku,
syntetycznego kauczuku (opony) itp.
Wykorzystuje fakt, że wrząca mieszanina ciekła wysyła parę o innym
składzie niż skład mieszaniny ciekłej.
Skraplając pary wydzielające się z wrzącej cieczy otrzymuje się
szereg frakcji destylatu o innym składzie niż skład cieczy
destylowanej. W celu uzyskania większej czystości (lepszego
oddzielenia) destylatu stosuje się proces wielokrotnej destylacji -
rektyfikację.
Pozwala to na uzyskanie frakcji różniący się temperaturą wrzenia o 1
- 2oC. W przypadku ropy naftowej temperatury wydzielania
odpowiednich frakcji wynoszą:
<110 o C dla gazów opałowych,
110oC dla benzyny i paliw silnikowych,
180oC dla nafty,
260oC dla olejów opałowych i
>340oC dla bitumów (smoła, asfalt, masy bitumiczne).
Wydajność destylacji we współczesnych rafineriach wynosi 100 000
baryłek (16 000 000 litrów) destylatu w ciągu doby.
Ropę naftową poddaje się przeróbce w rafineriach paliwowo - olejowych,
paliwowych oraz w rafineriach wytwarzających produkty specjalne. Technologia
przeróbki ropy naftowej w rafineriach paliwowo - olejowych opiera się na
zachowawczej metodzie przeróbki ropy polegającej na rozdziale ropy naftowej na
frakcje, bez chemicznej zmiany jej składników.
Rozdział ten uzyskuje się poddając ropę naftową destylacji pod ciśnieniem
atmosferycznym - dla frakcji wrzących do temperatury 300 - 350 oC i pod
ciśnieniem zmniejszonym (w celu uniknięcia rozkładu składników ropy naftowej) i
dla frakcji wrzących powyżej tej temperatury.
W nowocześnie urządzony rafineriach ropy naftowej stosuje się destylację ciągłą
w instalacjach tzw. rurowo-wieżowych (głównymi aparatami są piece rurowe i
kolumny destylacyjne, zw. wieżami — stąd nazwa, oraz wymienniki ciepła,
chłodnice, pompy).
Odwodnioną ropę naftową poddaje się stabilizacji (oddzielenie najlżejszych,
gazowych węglowodorów), ogrzewa w piecu (do temp. 350C) i wprowadza do
kolumny destylacyjnej atmosferycznej, w której następuje jej rozdzielenie
na : benzynę, naftę, olej napędowy (odprowadzane po ochłodzeniu do zbiorników
magazynowych) oraz mazut; mazut — po ogrzaniu — wprowadza się do kolumny
destylacyjnej próżniowej, z której odbiera się destylaty olejowe i gudron.
W celu uzyskania produktów handlowych otrzymane frakcje poddaje się
procesom uszlachetniającym, np. benzynę — odsiarczaniu, reformingowi, frakcje
olejowe — rafinacji (np. odparafinowaniu, odasfaltowaniu).
Wydobytą ropę transportuje się różnymi drogami do zakładów
przetwórczych - rafinerii. Współczesna rafineria produkuje wiele
różnorodnych wyrobów o rozmaitym przeznaczeniu i dlatego lokalizuje się
ją zazwyczaj w centrum zużycia produktów naftowych. Jej wielkość jest
uzależniona od możliwości wykorzystania istniejących zasobów ropy
Zdolność przerobowa małych rafinerii mieści się w granicach 0,5 - 3 mln
ton ropy rocznie, dużych - od 5 do 12 mln ton. W wypadku dużego
zapotrzebowania na ropę i jej produkty buduje się jeszcze większe, lub
kombinat składający się z kilku dużych zakładów przerobowych.
Rafinerie, zależnie od profilu produkcyjnego, możemy podzielić na trzy
typy:
• paliwowe: otrzymuje się w nich przede wszystkim paliwa silnikowe i olej
opałowy
• paliwowo - opałowe: produkty to głównie paliwa i oleje smarowe
• petrochemiczne: produkują węglowodorowe produkty do syntez
chemicznych: eten, propen, butadien, areny oraz benzynę
wysokooktanową i olej opałowy - w dużych kombinatach na miejscu
prowadzi się syntezy z uzyskanych produktów
W niektórych kombinatach otrzymuje się (po odpowiedniej
uszlachetniającej przeróbce frakcji naftowych) produkty specjalne,
m. in. benzynę ekstrakcyjną, lakową, oleje cylindrowe, oleje do
sprężarek i kondensatorów oraz lepiki.
W rafineriach rozpoczyna się proces przerobu ropy naftowej, zwany
destylacją frakcyjną lub restryfikacją. Wynalazcą tej metody był
Polski chemik, Ignacy Łukasiewicz. Pierwotnie przerób polegał
jedynie na rozdzieleniu cieczy na poszczególne frakcje i ich
oczyszczeniu - proces ten nazywamy przerobem płytkim (obejmuje
destylację ropy, prowadzącą do otrzymania benzyny i oleju
opałowego oraz rafinację - czyli ich odsiarczanie). Jednak w
dzisiejszych czasach metody tej nie stosuje się już prawie nigdzie -
nie prowadzi ona do pełnego wykorzystania ropy naftowej. Dzisiaj
ropę przerabia się głównie metodą pogłębioną, powtórnie
przetwarzając część oleju opałowego na wiele znacznie bardziej
wartościowych produktów m.in. benzynę, oleje napędowe, asfalty,
gazy płynne (których używamy potem w kuchni), oraz surowce
chemiczne.
Po wydobyciu ze złoża ropę odwadnia się, dzięki czemu zawartość
wody w niej zawartej maleje do około 0,5 - 1,5 %. Jednocześnie
obniżeniu ulega zawartość soli w ropie. Pozostałą po tych
czynnościach substancję poddaje się stabilizacji, czyli oddzieleniu z
niej najlżejszych, gazowych węglowodorów, a następnie ogrzewa
się w piecu do około 350oC. Oczyszczona i podgrzana ropa naftowa
przepływa do tzw. wież destylacyjnych wchodzących w skład
instalacji rurowo - wieżowych rafinerii. Ogrzana do wysokiej
temperatury i wpompowana do dolnej części wieży ropa zaczyna
się rozdzielać na pary i ciecze. Duże, ciężkie cząsteczki pod
wpływem gorąca zmieniają się w gęstą, lepką ciecz i pozostają na
dole wieży destylacyjnej. Z innych cząsteczek, zbudowanych z
mniejszej ilości atomów węgla, po ogrzaniu powstaje para, która w
miarę wznoszenia się w wieży z powrotem ochładza się i zmienia w
ciecz. W ten sposób, na kolejnych, umieszczonych coraz wyżej
półkach następuje skraplanie i przechodzenie w ciecz mniejszych i
lżejszych cząsteczek. Niektóre z nich docierają na szczyt jako gazy,
gdzie pod dodatkowym oczyszczeniu są zbierane w butlach.
Oto schemat kolejności, w jakiej wyodrębniają się kolejne destylaty
(pierwsza kropka symbolizuje wylot gazów a ostatnia najniższą
półkę) wraz z krótką charakterystyką:
• Eter naftowy - Frakcja nie ma nic wspólnego ze strukturą eterów.
Nazwa wzięła się faktu, iż pod względem lotności niezwykle
przypomina eter etylowy. Frakcja stanowi mieszaninę różnych
węglowodorów pięciowęglowych z niewielką domieszką
sześciowęglowych.
• Benzyna - Wyróżniamy kilka jej gatunków, w zależności od
przewagi konkretnego rodzaju związków węglowodorowych
(benzyny ekstrakcyjne, zwykłe i ciężkie). Temperatura wrzenia tej
frakcji wynosi 35-200oC.
• Nafta - Zawiera związki mające od 10 do 15 atomów węgla w
cząsteczce. Temperatura wrzenia to 150-340oC.
• Oleje - Temperatura wrzenia wynosi ok. 280-350oC. Z tej frakcji
wydzielamy oleje opałowe, napędowe i ciężkie. Oleje napędowe
(wykorzystywane w silnikach Diesla) są tańsze od benzyny, gdyż
nie musza być uszlachetniane.
• Mazut - Czarna, bardzo gęsta maź, stosowana jako paliwo oraz
substrat do produkcji asfaltu. Osadza się na dnie wieży
destylacyjnej.
Poprzestanie na powyższym stopniu wykorzystania byłoby wysoce
nieekonomiczne. Dlatego też po przerobie płytkim przystępuje się
do metody określanej słowem
KRAKING . Określenie to jest skrótową formą wyrażenia
"katalityczny kraking destylatów próżniowych". Pozwala ona na
"wyciśniecie" dodatkowych ilości benzyny, olejów i nafty z mniej
użytecznych produktów destylacji. Polega na rozbiciu długich
cząsteczek ciężkich węglowodorów na mniejsze, uzyskując
wspomniane wyżej substancje. Zachodzi to w zbiorniku, w którym
pod wysokim ciśnieniem ogrzewa się otrzymaną w pierwszej wieży
destylacyjnej naftę i oleje ciężkie. Pod wpływem silnego
ogrzewania następuje pękanie dużych cząsteczek na krótsze,
które - jak poprzednio ropę - kieruje się do kolejnej wieży
destylacyjnej. Następujący teraz proces jest powtórzeniem
poprzedniej destylacji. I tym razem w jej wyniku powstają gazy
(kierowane następnie do przeróbki chemicznej), benzyna
(stosowana później w silnikach) i oleje. Dzięki krakingowi z tony
ropy naftowej można otrzymać nie 100 a 400 kg benzyny.
Ropa naftowa, czyli olej skalny, jest najważniejszym surowcem
węglowodorowym do otrzymywania cennych produktów przemysłowych,
np. benzyny, nafty, olejów smarowych, parafiny.
Jest mieszaniną węglowodorów (alkanów, cykloalkanów, arenów: 80-90%),
kwasów karboksylowych, fenoli, tioalkoholi, pochodnych tiofenu,
azotowych związków heterocyklicznych, żywic, związków
metaloorganicznych. 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.
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).
Rafinacja
Zestaw procesów, które przekształcają ropę naftową w bardziej użyteczne
produkty. Rafinacja składa się z trzech głównych procesów - destylacji
frakcyjnej, krakingu i reformingu
Destylacja frakcyjna ropy naftowej
Proces stosowany do rozdzielenia ropy naftowej na frakcje według ich
temperatur wrzenia. Kolumna frakcjonująca jest bardzo gorąca na dole i staje
się coraz zimniejsza im bliżej wierzchołka. Wrząca ropa naftowa przechodzi
przez kolumnę jako para, tracąc ciepło w miarę wznoszenia. Gdy frakcja osiąga
półkę o temperaturze poniżej jej temperatury wrzenia, kondensuje na półce.
Jest potem zawracana rurami. Frakcje są destylowane ponownie, aby otrzymać
lepsze rozdzielenie.
Frakcja
Mieszanina cieczy o podobnych temperaturach wrzenia, otrzymywana w wyniku
destylacji frakcyjnej. Lekkie frakcje mają niskie temperatury wrzenia i krótkie
łańcuchy węglowodorów Frakcje ciężkie mają wyższe temperatury wrzenia i
dłuższe łańuchy.
Kraking
Reakcja rozpadu dłuższych łańcuchów alkanów na krótsze alkany i
alkeny Mniejsze alkany są stosowane jako benzyna. Kraking następuje na
skutek działania wysokiej temperatury lub ąąłkatalizatora (kraking
katalityczny).
C9H20 → C7H16 + C2H4
Opis:
Nonan (alkan) rozkłada się na heptan (alkan) i eten (alken).
Reforming
Proces, w którym otrzymuje się benzynę z lżejszych frakcji przez rozbicie
prostych łańcuchów alkanów" i przebudowanie ich w łańcuchy
rozgałęzione.
Benzyna lub ropa
Ciekła frakcja uzyskana z destylacji frakcyjnej. Składa się z alkanów
zawierających od 5 do 12 atomów węgla w cząsteczce i wrze w
przedziale temperatur 40-150oC.
Nafta
Ciekła frakcja uzyskiwana z destylacji frakcyjnej. Nafta składa się z
alkanów zawierających od 9 do 15 atomów węgla w cząsteczkach. Ma
temperaturę wrzenia w przedziale 150-250oC.
Olej napędowy (olej gazowy)
Ciekła frakcja otrzymywana w destylacji frakcyjnej. Składa się z
alkanów. zawierających 12-25 lub więcej atomów węgla w
cząsteczkach. Ma temperaturę wrzenia 250oC i wyższą.
Mazut
Olej pozostały po destylacji frakcyjnej. Składa się z "węglowodorów o
bardzo wysokich względnych masach cząsteczkowych; ich cząsteczki
zawierają do 40 atomów węgla. Jego temperatura wrzenia jest
wyższa niż 350oC. Część jest stosowana jako olej opałowy, reszta jest
rozdestylowywana na następujące substancje:
• Olej smarowy. Mieszanina nielotnych cieczy uzyskanych w
próżniowej destylacji mazutu.
• Parafina. Miękkie ciało stałe, które jest oddzielane od oleju
smarowego po destylacji mazutu po próżnią.
• Bitumin lub asfalt. Ciecz pozostała po destylacji mazutu po próżnią.
Jest smolista, czarna, półstała w temperaturze pokojowej.
Gaz ziemny jest paliwem gazowym pochodzenia naturalnego. Jest
mieszaniną węglowodorów gazowych ( metanu CH4 , etanu C2H6 ,
propanu C3H6 itp. ), ciekłych oraz zmiennych ilości azotu N2, dwutlenku
węgla CO2, siarkowodoru H2S, wodoru H2 i domieszek gazów
szlachetnych ( helu He, argonu Ar itp. ). Rozróżnia się gaz ziemny
wulkaniczny, pochodzenia nieorganicznego, przeważnie niepalny, g.z.
błotny, będący produktem biologicznego rozkładu, składający się przede
wszystkim
z metanu, oraz g.z. właściwy. Gaz ziemny właściwy występuje w
podziemnych złożach, bardzo często razem z ropą naftową. W zależności
od składu rozróżnia się gaz "chudy", zawierający do 99% metanu, gaz
"mokry", zawierający także węglowodory wyższe, oraz gaz "kwaśny",
silnie zanieczyszczony związkami siarki.
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, lżejszy od
powietrza. Aby mógł być wyczuwalny przez człowieka jest poddawany
procesowi nawaniania, który nadaje mu poprzez zastosowanie
odpowiedniego nawaniacza specyficzną woń.
W połączeniu z powietrzem w określonych stężeniach ( 5 % - 15 % ) tworzy
mieszaninę wybuchową ( zainicjowanie wybuchu może być spowodowane
jakąkolwiek iskrą ). 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 przeważnie towarzyszy pokładom ropy naftowej , ale również
występuje samodzielnie . Opinie na temat pochodzenia geologicznego gazu
ziemnego nie są
w pełni zgodne . Jedna z hipotez głosi , że jego pochodzenie geologiczne jest
identyczne jak pochodzenie złóż ropy naftowej . Taka sama jak dla ropy jest
również technika poszukiwań złóż gazu i wierceń . W złożach gaz znajduje się
pod znacznym ciśnieniem , to też sam wydobywa się odwiertem na
powierzchnię ziemi .
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 .
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.
Ropa naftowa i gaz ziemny występują w postaci podziemnych zbiorników
(złóż).
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.
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
Węgiel kamienny jest paliwem kopalnym pochodzenia organicznego. Powstał w
wyniku powolnych przekształceń tkanek roślinnych, rozkładu przez
mikroorganizmy w warunkach ograniczonego dostępu tlenu oraz działania
wysokiej temperatury i ciśnienia panujących pod powierzchnią ziemi. Do
powstania złóż węgla kamiennego przyczyniły się zmiany klimatyczne, jakie
miały miejsce w permie. Wywołały one masowe wymieranie panującej
wówczas roślinności. Drugim ważnym dla powstania węgla okresem był karbon.
W ciepłym i wilgotnym klimacie rozwijały się, a następnie obumierały wielkie
ilości roślin. Do dominujących gatunków należały wówczas między innymi
ogromne widłaki, skrzypy, paprocie oraz prymitywne rośliny nagonasienne.
Tkanki roślin rosnących na podmokłych terenach po obumarciu poddawane
były powolnym procesom fermentacji beztlenowej. Przykrywane warstwami
osadów w warunkach coraz wyższego ciśnienia i temperatury przekształcały
się powoli w węgiel, którego złoża dzięki procesom górotwórczym zostały
wyniesione bliżej powierzchni ziemi.
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.
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.
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.
Gaz syntezowy – jest używany jako surowiec do wielu syntez chemicznych
m.in. Do otrzymywania metanolu.
Węgiel kamienny jest najczęściej występującym surowcem
energetycznym pochodzenia organicznego. W niektórych domach do
dziś używa się 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 1000C) odgazowywania w
piecach koksowniczych bez dostępu powietrza. Proces ten prowadzi do
powstania koksu, gazu koksowniczego, wody pogazowej i smoły
pogazowej 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.
