Home Skały osadowe Nieklasyczna skała osadowa Węgiel kamienny

Węgiel kamienny

Węgiel jest nieklasyczna skała osadowa. Są to skamieniałe pozostałości roślin o palnej czerni i brązowo-czarnych odcieniach. Jego głównym pierwiastkiem jest węgiel, ale może zawierać również inne pierwiastki, takie jak wodór, siarka i tlen. W odróżnieniu od węgla minerały, nie ma ustalonego składu chemicznego i struktury krystalicznej. W zależności od rodzaju surowca roślinnego, różnego stopnia uwęglenia i obecności zanieczyszczeń powstają różne rodzaje węgla. Istnieją 4 uznane odmiany. Węgiel brunatny jest najniższym gatunkiem, najbardziej miękkim i najmniej zwęglonym. Węgiel subbitumiczny ma kolor od ciemnobrązowego do czarnego. Węgiel bitumiczny jest najpowszechniejszy i często jest spalany w celu wytworzenia ciepła. Antracyt jest najwyższej jakości i najbardziej przemienioną formą węgla. Zawiera najwyższy procent niskoemisyjnego węgla i byłby idealnym paliwem, gdyby nie stosunkowo mniej.

Węgiel wykorzystywany jest głównie jako paliwo. Węgiel był używany od tysięcy lat, ale jego prawdziwe wykorzystanie zaczęło się wraz z wynalezieniem silników parowych po rewolucji przemysłowej. Węgiel zapewnia dwie piąte światowej produkcji energii elektrycznej, a węgiel jest głównym paliwem w przemyśle żelazo i zakłady produkujące stal.

Imię pochodzenie: Słowo to pierwotnie miało staroangielską formę col od proto-germańskiego *kula(n), które przypuszczalnie pochodzi od praindoeuropejskiego rdzenia *g(e)u-lo- „żywy węgiel”.

Kolor: Czarny i brązowo-czarny

Twardość: Cmożna powiesić

Wielkość ziarna: Drobnoziarnisty

Zarządzanie: Nieklastyczny Skała osadowa

Klasyfikacja węgla

W miarę jak procesy geologiczne wywierają z czasem presję na martwy materiał biotyczny w sprzyjających warunkach, stopień lub porządek metamorfizmu sukcesywnie wzrasta w następujący sposób:

Węgiel brunatny, najniższy poziom węgla, najbardziej szkodliwego dla zdrowia, wykorzystywany jest niemal wyłącznie jako paliwo do wytwarzania energii elektrycznej

Odrzutowiec, zwarta forma węgla brunatnego, czasami polerowana; Górny paleolit ​​Węgiel dolnobitumiczny, którego właściwości wahają się od węgla brunatnego po węgiel bitumiczny, był używany przede wszystkim jako kamień ozdobny, ponieważ był używany jako paliwo do wytwarzania energii parowo-elektrycznej.

Bitumiczny węgiel, gęsta skała osadowa, zwykle czarna, ale czasami ciemnobrązowa, często z wyraźnie określonymi pasmami błyszczącego i matowego materiału. Stosowany jest przede wszystkim jako paliwo w produkcji energii parowo-elektrycznej oraz w produkcji koksu. W Wielkiej Brytanii jest on znany jako węgiel energetyczny i od dawna był używany do podnoszenia pary w lokomotywach parowych i statkach.

Antracyt, najwyższy gatunek węgla, jest twardszym, błyszczącym węglem kamiennym używanym głównie do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych i komercyjnych.

grafit jest trudny do zapalenia i nie jest powszechnie stosowany jako paliwo; najczęściej stosuje się go w ołówkach lub w proszku do smarowania.

Węgiel kanałowy (czasami nazywany „węglem świecowym”) to odmiana drobnoziarnistego węgla wysokiej jakości składającego się głównie z liptynitu ze znaczną zawartością wodoru.

Istnieje kilka międzynarodowych norm dotyczących węgla. Klasyfikacja węgla zasadniczo opiera się na zawartości substancji lotnych. Jednak najważniejszym rozróżnieniem jest węgiel energetyczny (znany również jako węgiel energetyczny), który spala się w celu wytworzenia energii elektrycznej za pomocą pary; oraz węgiel metalurgiczny (znany również jako węgiel koksujący), który spala się w wysokiej temperaturze w celu wytworzenia stali.

Znaczenie historyczne

Węgiel odegrał ważną rolę w historii ludzkości i był wykorzystywany jako źródło paliwa od tysięcy lat. W starożytności węgiel był używany do podgrzewania i gotowania żywności oraz do ogrzewania. Podczas rewolucji przemysłowej węgiel stał się głównym źródłem energii do napędzania silników parowych i maszyn, co doprowadziło do znacznego postępu technologicznego w transporcie, produkcji i innych gałęziach przemysłu. Wykorzystanie węgla doprowadziło również do rozwoju górnictwa jako głównego przemysłu i pomogło pobudzić wzrost gospodarczy w wielu częściach świata. Jednakże wykorzystanie węgla wiąże się również ze znaczącym wpływem na środowisko, w tym zanieczyszczeniem powietrza i wody, i jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do zmiany klimatu. W rezultacie podejmowane są wysiłki na rzecz przejścia na czystsze źródła energii i zmniejszenia zależności od węgla.

Skład chemiczny

Węgiel składa się głównie z węgla, wodoru, tlenu, azotu i siarki. Dokładny skład węgla różni się w zależności od jego wieku i pochodzenia, ale ogólnie węgiel można podzielić na cztery główne typy w zależności od zawartości węgla: węgiel brunatny, subbitumiczny, bitumiczny i antracyt. Lignit jest najmłodszym rodzajem węgla i zawiera najmniejszą ilość węgla, natomiast antracyt jest najstarszym i ma największą zawartość węgla. Ogólnie rzecz biorąc, węgiel o wyższej zawartości węgla ma wyższą zawartość energii i spala się wydajniej. Węgiel zawiera również różne ilości minerałów, takich jak krzemionka, tlenek glinu, żelazo, wapń, sód i potas, które w przypadku spalania mogą wpływać na jego właściwości spalania i wpływ na środowisko.

Właściwości fizyczne

Węgiel ma różnorodne właściwości fizyczne, w tym:

  1. Kolor: Węgiel może mieć kolor od czarnego przez brązowy do szarawego.
  2. Twardość: Węgiel może mieć różną twardość od bardzo miękkiej i kruchej, jak grafit, do bardzo twardej, jak antracyt.
  3. Gęstość: Węgiel ma mniejszą gęstość niż wiele innych skały i minerały, dzięki czemu jest stosunkowo lekki.
  4. Porowatość: Węgiel może być bardzo porowaty, z małymi odstępami pomiędzy cząsteczkami węgla.
  5. Złamanie muszlowe: Węgiel często pęka w gładki, zakrzywiony wzór, zwany pękaniem muszlowym.
  6. Połysk: Węgiel ma połysk od matowego do błyszczącego, w zależności od rodzaju węgla.
  7. Smuga: Węgiel przy pocieraniu o biały, nieszkliwiony talerz porcelanowy pozostawia czarne lub ciemnobrązowe smugi.

Właściwości fizyczne węgla są ważne dla jego wydobycia, przetwarzania i wykorzystania. Na przykład twardość węgla może wpływać na rodzaj stosowanej metody wydobycia, podczas gdy porowatość i gęstość mogą wpływać na przetwarzanie i transport węgla.

Wydobycie i przeróbka węgla

Węgiel wydobywany jest zazwyczaj w kopalniach podziemnych lub odkrywkowych. Metody wydobycia podziemnego obejmują wydobycie komorowo-filarowe, ścianowe i odwrotne, natomiast metody wydobycia odkrywkowego obejmują wydobycie odkrywkowe, usuwanie wierzchołków gór i wydobycie odkrywkowe.

W metodzie wydobywania komorowego i filarowego tunele wkopuje się w pokład węgla, a filary węgla pozostawia się w celu podparcia stropu. W kopalniach ścianowych urabiana jest długa ściana węgla w jednym kawałku, a strop nad wyeksploatowanym obszarem za maszyną urabiającą zapada się. Wydobywanie odwrotne polega na usuwaniu filarów z wcześniej zaminowanego obszaru.

W górnictwie odkrywkowym usuwa się skałę i glebę, aby uzyskać dostęp do węgla. Proces ten można przeprowadzić metodą wydobycia odkrywkowego, podczas którego nadkład usuwa się pasami, lub metodą usuwania wierzchołków gór, podczas której usuwa się całe szczyty gór, aby uzyskać dostęp do węgla. Górnictwo odkrywkowe to kolejna technika wydobycia odkrywkowego, w której wydobywa się duży dół w celu wydobycia węgla.

Po wydobyciu węgiel jest poddawany obróbce w celu usunięcia zanieczyszczeń i przygotowania go do użycia. Przetwarzanie może obejmować kruszenie, przesiewanie i mycie w celu usunięcia skał i innych zanieczyszczeń, a także suszenie w celu zmniejszenia zawartości wilgoci w węglu. Węgiel można również poddać obróbce środkami chemicznymi w celu usunięcia siarki i innych zanieczyszczeń, co jest procesem znanym jako oczyszczanie węgla.

Techniki wydobywcze (górnictwo odkrywkowe i podziemne)

Wydobycie węgla można podzielić na dwie szerokie kategorie: wydobycie odkrywkowe i wydobycie podziemne.

Eksploatacja odkrywkowa polega na usuwaniu pokrywających ją skał, gleby i roślinności w celu odsłonięcia pokładu węgla. Odbywa się to zwykle za pomocą dużych maszyn, które usuwają nadkład (materiał znajdujący się nad pokładem węgla) warstwami. Istnieją różne metody wydobycia odkrywkowego, w tym wydobycie odkrywkowe, wydobycie ze szczytów górskich i wydobycie ścianowe. W górnictwie odkrywkowym nadkład usuwany jest długimi pasami, natomiast w górnictwie odkrywkowym nadkład usuwany jest w dużym wyrobisku. Wydobycie ze szczytu góry polega na usunięciu całego wierzchołka góra aby uzyskać dostęp do pokładów węgla, podczas gdy górnictwo ścianowe wykorzystuje się do wydobywania węgla z odsłoniętej pionowej ściany lub klifu.

Górnictwo podziemne polega na kopaniu tuneli lub szybów w ziemi, aby dotrzeć do pokładów węgla. Wyróżnia się dwa główne rodzaje górnictwa podziemnego: komorowo-filarowe oraz ścianowe. W przypadku wydobycia komorowego i filarowego pokład węgla wydobywa się w szeregu pomieszczeń, pozostawiając filary węgla podtrzymujące strop. W górnictwie ścianowym maszyna zwana kombajnem porusza się tam i z powrotem wzdłuż pokładu węgla, rozbijając węgiel i zrzucając go na przenośnik taśmowy. W miarę przesuwania się maszyny dach jest podtrzymywany przez podpory hydrauliczne.

Po wydobyciu węgiel można poddać obróbce w celu usunięcia zanieczyszczeń i przygotować do wykorzystania. Przetwarzanie może obejmować kruszenie, przesiewanie i przemywanie w celu usunięcia skał i innych materiałów zmieszanych z węglem. Węgiel można również poddać obróbce chemicznej w celu usunięcia siarki i innych zanieczyszczeń lub przekształcić go w paliwa ciekłe lub gazowe.

Metody przetwarzania (czyszczenie, kruszenie, sortowanie itp.)

Po wydobyciu węgla często trzeba go oczyścić i przetworzyć w celu usunięcia zanieczyszczeń i przygotowania do użycia. Dokładne stosowane metody przetwarzania mogą się różnić w zależności od rodzaju węgla i jego przeznaczenia.

Jedną z powszechnych metod przetwarzania węgla jest proces znany jako „płukanie”, który polega na użyciu wody, środków chemicznych i sprzętu mechanicznego w celu oddzielenia węgla od zanieczyszczeń, takich jak skała, popiół i siarka. Węgiel jest kruszony i mieszany z wodą i chemikaliami w celu wytworzenia zawiesiny, która następnie przepuszczana jest przez szereg przesiewaczy i cyklonów w celu oddzielenia węgla od innych materiałów. Oddzielony węgiel jest następnie dalej przetwarzany w celu usunięcia wszelkich pozostałych zanieczyszczeń i sortowany według wielkości.

Inne metody przetwarzania mogą obejmować kruszenie i mielenie węgla w celu nadania go spalaniu lub innym zastosowaniom, a także procesy usuwania siarki i innych zanieczyszczeń z węgla. W zależności od zamierzonego zastosowania węgla mogą być również wymagane dodatkowe etapy przetwarzania, takie jak karbonizacja w celu wytworzenia koksu do zastosowania w procesie produkcji stali.

Skład węgla

Skład węgla można analizować na dwa sposoby. Pierwsza jest podawana jako analiza szczegółowa (wilgoć, substancje lotne, węgiel i popiół) lub analiza końcowa (popiół, węgiel, wodór, azot, tlen i siarka). Typowy węgiel bitumiczny może mieć końcową analizę w postaci suchej, bezpopiołowej masy zawierającej 84.4% węgla, 5.4% wodoru, 6

SKŁAD POPIOŁU, PROCENT WAGI
SiO
2
20-40
Al
2O
3
10-35
Fe
2O
3
5-35
CaO1-20
MgO0.3-4
TiO
2
0.5-2.5
Na
2OK
2O
1-4
SO
3
0.1-12

Formacja węgla

Proces przekształcania martwej roślinności w węgiel nazywa się uwęgleniem. W przeszłości geologicznej w różnych regionach występowały niskie tereny podmokłe i gęste lasy. Martwa roślinność na tych obszarach na ogół zaczęła ulegać biodegradacji i przekształcaniu pod wpływem błota i kwaśnej wody.

Spowodowało to uwięzienie węgla w ogromnych torfowiskach, które ostatecznie zostały głęboko zakopane przez osady. Następnie, przez miliony lat, ciepło i ciśnienie panujące w głębokim pochówku spowodowały utratę wody, metanu i dwutlenku węgla oraz zwiększoną zawartość węgla.

Gatunek produkowanego węgla zależał od maksymalnego osiągniętego ciśnienia i temperatury; Węgiel brunatny (zwany także „węglem brunatnym”) i subbitumiczny, węgiel bitumiczny czy antracyt (zwany także „węglem kamiennym” lub „węglem kamiennym”) produkowany w stosunkowo łagodnych warunkach produkowany jest wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia.

Spośród czynników związanych z zwęgleniem temperatura jest znacznie ważniejsza niż ciśnienie i czas zakopywania. Węgiel subbitumiczny może tworzyć się w temperaturach tak niskich jak 35 do 80 ° C (95 do 176 ° F), podczas gdy antracyt wymaga temperatury co najmniej 180 do 245 ° C (356 do 473 ° F).

Chociaż węgiel jest znany z większości okresów geologicznych, stanowi 90% całego węgla depozyty zostały zdeponowane w okresie karbonu i permu, co stanowi zaledwie 2% historii geologicznej Ziemi.

Występowanie węgla

Węgiel jest powszechnym źródłem energii i substancji chemicznych. Roślinności lądowe niezbędne do rozwoju węgla nie było obficie aż do okresu karbonu (358.9 mln do 298.9 mln lat temu), duże baseny osadowe zawierające skały karbońskie i młodsze znane są niemal na każdym kontynencie, łącznie z Antarktydą. Obecność dużych złóż węgla w regionach o klimacie obecnie arktycznym lub subarktycznym (takich jak Alaska i Syberia) wynika ze zmian klimatycznych i ruchów tektonicznych płyt skorupy ziemskiej, które przeniosły starsze masy kontynentalne nad powierzchnię Ziemi, czasami przez strefy subtropikalne, a nawet tropikalne . regiony. Na niektórych obszarach (takich jak Grenlandia i większość północnej Kanady) brakuje węgla, ponieważ znalezione tam skały pochodzą sprzed okresu karbonu, a regionom tym, zwanym tarczami kontynentalnymi, brakuje obfitej roślinności lądowej potrzebnej do tworzenia dużych złóż węgla.

Charakterystyka i właściwości węgla

Wiele właściwości węgla różni się w zależności od takich czynników, jak jego skład i obecność substancji mineralnych. Opracowano różne techniki badania właściwości węgla. Należą do nich dyfrakcja promieni rentgenowskich, skaningowa i transmisyjna mikroskopia elektronowa, spektrofotometria w podczerwieni, spektroskopia mas, chromatografia gazowa, analiza termiczna oraz analiza elektryczna, analiza termiczna oraz pomiary elektryczne, optyczne i magnetyczne.

Intensywność

Znajomość właściwości fizycznych węgla jest ważna przy jego przygotowaniu i wykorzystaniu. Na przykład gęstość węgla mieści się w zakresie od około 1.1 do około 1.5 megagramów na metr sześcienny, czyli gramów na centymetr sześcienny. Węgiel jest nieco gęstszy od wody i znacznie mniej gęsty niż większość skał i materii mineralnej. Różnice gęstości umożliwiają poprawę jakości węgla poprzez usunięcie większości substancji skalnych i cząstek bogatych w siarczki poprzez separację ciężkich cieczy. 

Porowatość

Gęstość węgla jest częściowo kontrolowana przez obecność porów, które utrzymują się podczas zwęglania. Wielkość porów i rozkład porów są trudne do zmierzenia; jednakże wydaje się, że pory mają trzy zakresy wielkości:

(1) makropory (o średnicy większej niż 50 nanometrów),

(2) mezopory (o średnicy od 2 do 50 nanometrów) oraz

(3) mikropory (średnica poniżej 2 nanometrów).

(Jeden nanometr równa się 10-9 metrów.) Większość efektywnej powierzchni węgla – około 200 metrów kwadratowych na gram – znajduje się w porach węgla, a nie na zewnętrznej powierzchni kawałka węgla. Obecność przestrzeni porów jest ważna w produkcji koksu, zgazowaniu, upłynnianiu i produkcji węgla o dużej powierzchni w celu oczyszczania wody i gazów. Ze względów bezpieczeństwa w porach węgla mogą znajdować się znaczne ilości zaadsorbowanego metanu, który w trakcie prac wydobywczych może wydzielać się i tworzyć z powietrzem mieszaniny wybuchowe. Ryzyko wybuchu można zmniejszyć poprzez odpowiednią wentylację lub wcześniejsze usunięcie metanu z pokładów węgla podczas wydobycia.

Odblask

Ważną właściwością węgla jest jego odblaskowość (lub odblaskowość), czyli zdolność do odbijania światła. Odbicie mierzy się świecąc monochromatyczną wiązką światła (o długości fali 546 nanometrów) na wypolerowaną powierzchnię macerałów witrynitowych w próbce węgla drzewnego i mierząc procent odbitego światła za pomocą fotometru. Stosuje się witrynit, gdyż jego współczynnik odbicia zmienia się stopniowo wraz ze wzrostem stopnia. Odbicia fuzynitu są bardzo duże ze względu na pochodzenie węgla, a liptynity mają tendencję do zanikania w coraz większym stopniu. Chociaż odbijana jest bardzo niewielka część padającego światła (od kilku dziesiątych procenta do 12 procent), wartość ta rośnie wraz ze stopniami i można ją wykorzystać do klasyfikacji większości węgli bez pomiaru procentowej zawartości substancji lotnych.

Inne cechy

Inne właściwości, takie jak twardość, ścieralność, temperatura topnienia popiołu i wskaźnik swobodnego pęcznienia (wizualny pomiar wielkości pęcznienia występującego podczas ogrzewania próbki węgla w zamkniętym tyglu) mogą mieć wpływ na wydobycie i przeróbkę węgla. a także sposób wykorzystania węgla. Twardość i szlifowalność określają rodzaje sprzętu używanego do wydobycia, kruszenia i mielenia, a także ilość energii zużywanej podczas ich operacji. Temperatura topnienia popiołu wpływa na konstrukcję pieca i warunki pracy. Wskaźnik swobodnego pęcznienia dostarcza wstępnych informacji o przydatności węgla do produkcji koksu.

Gospodarcze i społeczne znaczenie węgla

Węgiel jest ważnym zasobem naturalnym, który odegrał znaczącą rolę w rozwoju współczesnego świata. Jego znaczenie gospodarcze i społeczne można dostrzec w kilku obszarach:

  1. Produkcja energii: Węgiel jest jednym z głównych źródeł energii wykorzystywanej do wytwarzania energii. Jest spalany w elektrowniach w celu wytworzenia energii elektrycznej, która jest wykorzystywana do zasilania domów, przedsiębiorstw i gałęzi przemysłu.
  2. Produkcja stali: Węgiel jest również kluczowym składnikiem w produkcji stali. Po podgrzaniu węgiel uwalnia węgiel, który służy do redukcji Ruda żelaza prasować. Żelazo to jest następnie wykorzystywane do produkcji stali, która jest niezbędnym materiałem w budownictwie, infrastrukturze i wielu innych zastosowaniach.
  3. Tworzenie miejsc pracy: Wydobycie i przetwarzanie węgla tworzy miejsca pracy i przyczynia się do rozwoju lokalnej gospodarki w wielu krajach. Przemysł zatrudnia dużą liczbę osób, w tym górników, inżynierów, geologów i innych specjalistów.
  4. Transport: Węgiel jest często transportowany na duże odległości koleją lub statkiem, aby dotrzeć do miejsca przeznaczenia, co może stworzyć miejsca pracy i przyczynić się do gospodarki obszarów, przez które przepływa.
  5. Niedroga energia: Węgiel jest często tańszym źródłem energii w porównaniu z innymi źródłami, co może pomóc konsumentom i przedsiębiorstwom utrzymać niskie koszty energii.
  6. Produkty chemiczne: Węgiel jest również wykorzystywany jako surowiec do produkcji szeregu produktów chemicznych, w tym tworzyw sztucznych, włókien syntetycznych, nawozów i innych chemikaliów.

Jednakże wykorzystanie węgla ma również znaczący wpływ na środowisko, w tym emisję gazów cieplarnianych i innych substancji zanieczyszczających powietrze, a także negatywny wpływ na jakość wody i użytkowanie gruntów. Wpływ ten należy dokładnie rozważyć przy każdej ocenie gospodarczego i społecznego znaczenia węgla.

Podsumowanie kluczowych punktów

Oto kilka kluczowych punktów na temat węgla:

  • Węgiel to paliwo kopalne powstające z pozostałości starożytnych roślin, które żyły miliony lat temu.
  • Istnieją cztery główne rodzaje węgla: brunatny, subbitumiczny, bitumiczny i antracyt, każdy o innych właściwościach i zastosowaniach.
  • Węgiel jest obfitym i stosunkowo tanim źródłem energii, co czyni go ważnym paliwem w energetyce, ciepłownictwie i procesach przemysłowych.
  • Wydobycie węgla może mieć znaczący wpływ na środowisko i społeczeństwo, w tym naruszanie gruntów, zanieczyszczenie wody i zagrożenie dla zdrowia pracowników i pobliskich społeczności.
  • Podejmowane są wysiłki mające na celu opracowanie czystszych technologii węglowych, takich jak wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla, aby zmniejszyć wpływ wykorzystania węgla na środowisko.

Referencje

  • Bonewitz, R. (2012). Skały i minerały. wydanie 2. Londyn: Wydawnictwo DK.
  • Kopp, OC (2020, 13 listopada). węgiel. Encyklopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/coal-fossil-fuel
  • Współautorzy Wikipedii. (2021, 26 października). Węgiel. W Wikipedii, Wolnej Encyklopedii. Pobrano 09:57, 1 listopada 2021 r., z https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Coal&oldid=1051971849