Węgle kopalne

Skorupa ziemska zawiera 0,14% węgla w postaci różnych związków np. węglanów , węgla w stanie wolnym :grafitu , diamentu oraz węgli kopalnych.
Węgle kopalne powstały przed milionami lat w odległych epokach geologicznych. Ziemię wówczas porastały bagniste lasy pełne gigantycznych roślin. Szczątki tych roślin: skrzypów, paproci, pni drzew , zalewane wodą i bagnami, przysypywane warstwą skał osadowych , odcięte od dostępu tlenu , poddawane działaniu podwyższonej temperatury i ciśnienia, ulegały przeobrażeniom, twardniejąc i zamieniając się w skałę. W ten sposób powstały pokłady węgla. 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.
Słowo „węgiel” w życiu codziennym odnosi się do surowców energetycznych : węgla kamiennego , brunatnego. Rodzaje węgli kopalnych różnią się miedzy sobą zawartością czystego pierwiastka węgla. Największą zawartość pierwiastka węgla , bo 92-94%, posiada antracyt , twarda odmiana węgla kopalnego o charakterystycznym połysku. Jest on bardzo wydajny ,ponieważ podczas spalania daje dużo ciepła i mało popiołu.

Węgiel kamienny to odmiana zawierająca około 87% pierwiastka węgla. Stosowany jest jako paliwo do ogrzewania np. w gospodarstwach domowych i w elektrociepłowniach. Spalanie węgla jest jednak szkodliwe dla środowiska, gdyż węgiel kamienny zawiera siarkę i podczas jego spalania wydziela się tlenek siarki(IV) , który zanieczyszcza powietrze.
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.

Typy węgla kamiennego:

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 schładzający wsad węglowy

Węgiel chudy mała zawartość części lotnych, brak lub słaba spiekalność, krótki płomień piece przemysłowe i domowe, generatory

Węgiel antracytowy mała zawartość części lotnych, brak zdolności spiekania paliwo specjalne

Antracyt bardzo mała zawartość części lotnych, brak zdolności spiekania paliwo specjalne

Węgiel brunatny zawiera około 70% pierwiastka węgla. Stosowany jest również jako paliwo, ale podczas spalania wydziela mniejszą ilość ciepła niż węgiel kamienny czy antracyt.

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.

Torf zawiera około 60% pierwiastka węgla. Ma barwę ciemnobrunatną. Powstaje ze zgniłych roślin i występuje najczęściej na dnie bagien. Znalazł zastosowanie jako opał, podściółka dla bydła, nawóz, jako materiał izolacyjny w budownictwie, a także w lecznictwie.

Węgiel poddaje się rozkładowi termicznemu bez dostępu powietrza. Proces ten to sucha destylacja – inaczej pirogenizacja lub piroliza. Podczas suchej destylacji węgla wydziela się gaz świetlny , woda pogazowa , smoła pogazowa oraz koks.

Koks to stały, porowaty , czarny produkt rozkładu termicznego węgla kamiennego, zawierający około 90% czystego pierwiastka węgla. Jest on zanieczyszczony niewielka ilością siarki i innymi substancjami. Stosuje się go głównie w hutnictwie oraz jako opał do ogrzewania mieszkań. Stosowanie koksu , a nie węgla kamiennego jest bardziej ekologiczne , gdyż koks zawiera mniej siarki.

Woda pogazowa zawiera wodę oraz amoniak ( NH3 ) i sole amonu ( głównie węglan amonu i związki organiczne)

Smoła pogazowa (węglowa) to czarna, mazista ciecz o intensywnym zapachu. Jest mieszanina wielu związków organicznych.

Gaz świetlny , zwany inaczej gazem koksowniczym , jest gazowym produktem termicznego rozkładu węgla kamiennego. Jest palny. Jego składniki to : wodór (60%) , tlenek węgla (CO), azot, gazowe związki organiczne – węglowodory ,amoniak, siarkowodór ( H2S ). Stosuje się go do otrzymywania amoniaku oraz w hutnictwie i w elektrociepłowniach jako opał.