węgiel kamienny

Węgiel kamienny — skała osadowa pochodzenia organicznego zawierająca 75-97% węgla, powstała w wyniku stopniowego przeobrażenia rozkładających się szczątków prymitywnych roślin naczyniowych żyjących w karbonie (359-299 mln lat temu) pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia (tzw. uwęglenia). Węgiel kamienny jest zwięzłym i twardym ciałem stałym o dużej kruchości, posiadającym czarne lub ciemnobrązowe zabarwienie z matowym połyskiem. Nie rozpuszcza się w wodzie, pozbawiony jest smaku i zapachu. Węgiel kamienny jest palny; pali się długim i błyszczącym płomieniem. Cechuje się wysoką wartością opałową (25,1-35,6 MJ/kg). Wykorzystywany jest do wytwarzania energii elektrycznej, produkcji stali, tworzyw sztucznych, nawozów mineralnych, rozpuszczalników, barwników oraz leków.

Pochodzenie i występowanie węgla kamiennego

Pokłady węgla kamiennego powstały w wyniku stopniowego przeobrażenia szczątków roślin naczyniowych żyjących w karbonie (359-299 mln lat temu) pod wpływem długotrwałego oddziaływania wysokiej temperatury i ciśnienia (uwęglenia). Obumierające pnie drzewiastych widłaków, skrzypów i paproci gromadziły się pod wodą na rozległych obszarach bagiennych, gdzie ulegały częściowemu rozkładowi przy udziale bakterii beztlenowych, tworząc z czasem pokłady torfu. Wraz ze wzrostem poziomu mórz (tzw. transgresją) zachodzącym wielokrotnie w historii Ziemi szczątki roślinne pokrywane były kolejnymi warstwami osadów morskich. Pod wpływem rosnącej temperatury i ciśnienia ulegały one przez miliony lat licznym przemianom, skutkującym utratą wody i substancji lotnych, przy jednoczesnym wzroście zawartości węgla.

Pokłady węgla kamiennego występują powszechnie w obrębie różnych warstw skorupy ziemskiej, w szczególności w osadach pochodzących z ery paleozoicznej (z karbonu i permu);  w mniejszym stopniu obecne są również w osadach mezozoicznych (z triasu, jury i kredy) oraz kenozoicznych (z neogenu). Największe złoża węgla kamiennego znajdują się na obszarze Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej (Appalachy, region Wielkich Jezior) (220 mld ton), Chin (prowincje: Datong, Fushun i Shanxi) (131 mld ton), Indii (dorzecze Damodar) (96,5 mld ton), Australii (Nowa Południowa Walia) (71 mld ton) i Rosji (Ural, Syberia, Daleki Wschód) (70 mld ton). W Polsce złoża węgla kamiennego występują na Górnym Śląsku (Wyżyna Śląska) i na Lubelszczyźnie (Wyżyna Lubelska), a ich zasoby szacowane są na 20,5 mld ton.

Powstanie węgla kamiennego. Autor: VectorMine/shutterstock.com

Właściwości węgla kamiennego

Węgiel kamienny jest zwięzłym i twardym ciałem stałym o dużej kruchości, mającym czarne lub ciemnobrązowe zabarwienie z matowym połyskiem. Węgiel kamienny charakteryzuje się niejednorodną budową – w pokładach występuje w postaci naprzemiennie ułożonych pasm kilku składników petrograficznych (litotypów) różniących się połyskiem i twardością  – węgla błyszczącego (witrynu), węgla półbłyszczącego (klarynu), węgla matowego (durynu) i węgla włóknistego (fuzynu). Węgiel kamienny nie rozpuszcza się w wodzie; pozbawiony jest smaku i zapachu. Jest palny; pali się długim i błyszczącym płomieniem, tworząc lepką i miękką masę. Węgiel kamienny cechuje się wysoką wartością opałową (25,1-35,6 MJ/kg), która zależna jest w głównej mierze od jego składu chemicznego (m.in. zawartości popiołu, siarki, wilgotności).

Węgiel kamienny jest skałą osadową pochodzenia organicznego, składającą się z macerałów powstających w wyniku uwęglenia materiału roślinnego (np. tkanek roślinnych, zarodników, ziaren pyłku, żywic, wosków). Są one odpowiednikami minerałów w skałach nieorganicznych, nie mają jednak struktury krystalicznej i cechują się zróżnicowanym składem chemicznym.

Macerały tworzące węgiel kamienny obejmują trzy główne grupy:

• witrynity – macerały o wysokiej zawartości tlenu, powstałe w wyniku uwęglenia ścian komórkowych i tkanki drzewnej (ksylemu), stanowiące 50-90% węgla kamiennego, np. telinit, kolinit, witrodetrynit;
• inertynity – macerały o wysokiej zawartości węgla, powstałe w wyniku uwęglenia szczątków roślinnych podlegających silnemu utlenianiu podczas tworzenia się torfu; stanowiące 5-40% węgla kamiennego, np. makrynit, mikrynit, fuzynit, sklerotynit;
• liptynity – macerały o wysokiej zawartości wodoru, powstałe w wyniku uwęglenia kutikuli, pyłku, zarodników, żywic lub wosków, stanowiące 5-15% węgla kamiennego, np. kutynit, sporynit, rezynit, alginit.

Węgiel kamienny, ze względu na genezę, dzieli się na trzy główne rodzaje:

• węgiel humusowy, węgiel próchniczny (humolit) – utworzony ze szczątków roślin lądowych w procesie humifikacji zachodzącej na torfowiskach; składający się głównie z macerałów z grupy witrynitów i inertynitów;
• węgiel sapropelowy (sapropelit) – utworzony ze szczątków roślin wodnych (glonów) rozkładających się w warunkach beztlenowych (osadów sapropelowych); składający się głównie z macerałów z grupy liptynitów;
• węgiel liptobiolitowy (liptobiolit) – utworzony z żywic, wosków i substancji lipidowych (kwasów tłuszczowych) gromadzących się w osadach dennych zbiorników wodnych; składający się głównie z macerałów z grupy liptynitów.

Bryłki węgla kamiennego, fot. fotodestock/envato

Skład chemiczny węgla kamiennego:

• węgiel (C) – 75-97%,
• wodór (H) – 2-6%,
• tlen (O) – 1-18%,
• azot (N) – 0,5-2%,
• siarka (S) – 0,2-2%.

Struktura chemiczna węgla kamiennego. Źródło: real name: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Węgiel kamienny zawiera stosunkowo niewielką ilość węgla występującego w postaci wolnej (węgla pierwiastkowego) (10%); zdecydowana większość budującego go węgla współtworzy złożone, pierścieniowe związki organiczne z pozostałymi pierwiastkami. Węgiel kamienny, prócz składników organicznych, zawiera również domieszkę substancji mineralnych (popiołu) (do 40%), takich jak m.in. tlenki glinu (Al₂O₃), żelaza (Fe₂O₃), krzemu (SiO₂), sodu (Na₂O), potasu (K₂O), wapnia (CaO) i magnezu (MgO), oraz niewielką ilość wody (H₂O) (ok. 1-4%).

Wydobycie i przeróbka węgla kamiennego

Wydobycie węgla kamiennego na świecie odbywa się za pomocą dwóch głównych metod górniczych – metody odkrywkowej (powierzchniowej) i metody głębinowej (podziemnej). Metoda odkrywkowa, stosowana w przypadku płytko położonych złóż (np. w USA i Australii), polega na usuwaniu warstwy nadkładu (np. gleby, skał) pokrywającej pokłady węgla. Metoda ta cechuje się dużą wydajnością i niskim kosztem wydobycia, wywiera jednak niekorzystny wpływ na środowisko przyrodnicze (np. przekształcenia krajobrazu, degradacja wód i gleb). Metoda głębinowa, stosowana w przypadku złóż położonych na znacznej głębokości pod ziemią (np. w Europie i Azji), polega na wierceniu pionowych szybów i drążeniu poziomych chodników w celu dotarcia do pokładów węgla. Metoda ta cechuje się wysokimi kosztami wydobycia i mniejszym oddziaływaniem na środowisko. Może jednak wywoływać osiadanie gruntów, obniżenie poziomu wód gruntowych i wstrząsy sejsmiczne na terenach górniczych.

Węgiel kamienny wydobywany ze złóż metodą odkrywkową lub głębinową jest następnie poddawany procesowi przeróbki w celu otrzymania produktów o wyższej wartości użytkowej (np. koksu, gazu koksowniczego, smoły węglowej, wody pogazowej, gazu generatorowego).

Główne metody przeróbki węgla kamiennego obejmują:

• półkoksowanie (wytlewanie) węgla kamiennego – proces niskotemperaturowego odgazowania węgla kamiennego polegający na ogrzewaniu surowca w temperaturze 500°C bez dostępu powietrza; w wyniku procesu otrzymywane są produkty ciekłe (smoła wytlewna), gazowe (gaz wytlewny) i stałe (półkoks);
• koksowanie węgla kamiennego – proces wysokotemperaturowego odgazowania węgla kamiennego polegający na ogrzewaniu surowca w temperaturze ok. 1000°C bez dostępu powietrza; w wyniku procesu otrzymywane są produkty stałe (koks), gazowe (gaz koksowniczy) i ciekłe (smoła węglowa, woda pogazowa);
• zgazowanie węgla kamiennego – przetwarzanie węgla kamiennego w gaz generatorowy (mieszanina CO i N₂) i gaz wodny (mieszanina CO i H₂) w wysokiej temperaturze przy udziale czynnika zgazowującego (np. pary wodnej, tlenu, dwutlenku węgla).

Upłynnianie (uwodornienie) węgla kamiennego jest metodą przetwarzania węgla na paliwa płynne (np. benzynę, olej napędowy) w wyniku reakcji tego surowca z wodorem zachodzącej w obecności katalizatora w warunkach wysokiej temperatury (450°C) i ciśnienia (70 MPa). Metoda ta nie jest obecnie stosowana na skalę przemysłową ze względu na wysokie koszty, stosunkowo niską wydajność procesu i efektywne pozyskiwanie tych paliw z ropy naftowej.

Kopalnia głębinowa węgla kamiennego. Autor: BlueRingMedia/shutterstock.com

Zastosowania węgla kamiennego

Węgiel kamienny jest cennym paliwem kopalnym wykorzystywanym głównie w przemyśle energetycznym do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Jest surowcem niezbędnym dla przemysłu chemicznego, farmaceutycznego i kosmetycznego, gdzie znajduje zastosowanie w produkcji różnych związków chemicznych, np. tworzyw sztucznych, nawozów mineralnych, rozpuszczalników, barwników, leków (np. węgla leczniczego) i kosmetyków (np. past do zębów, maseczek oczyszczających). Węgiel kamienny wykorzystywany jest również do produkcji węgla aktywnego stosowanego w filtrach do oczyszczania wody i powietrza.

Liczne zastosowania mają takżę produkty powstające podczas przeróbki węgla kamiennego. Koks wykorzystywany jest głównie w procesach hutniczych do wytopu żelaza i produkcji stali, służy jako paliwo w kotłach grzewczych i odlewniach metali. Frakcje olejowe smoły węglowej (bogate w węglowodory aromatyczne) są ważnymi surowcami do produkcji rozpuszczalników, barwników, leków, substancji zapachowych, materiałów wybuchowych i pestycydów. Woda pogazowa ma zastosowanie w produkcji nawozów sztucznych (np. saletry amonowej). Gaz generatorowy i gaz wodny wykorzystywane są do produkcji metanolu, etanolu i amoniaku.

Zasada działania elektrowni węglowej. Autor: Dimitrios Karamitros/shutterstock.com

Bibliografia:

1. Chemia organiczna, John McMurry, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.
2. Chemistry³. Introducing inorganic, organic and physical chemistry, Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price, Oxford University Press, 2017.
3. Nowoczesne kompendium chemii, K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.
4. Biologia Campbella, Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson, Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020.
5. Historia ewolucji, Steve Parker (red.), Arkady, Warszawa 2017.
6. Encyklopedia Geograficzna Świata, tom IX Ziemia, Zdzisława Otałęga (red. nacz.), Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1997.
7. Geografia 2. Podręcznik do szkół ponadpodstawowych – zakres rozszerzony, Sławomir Kurek, Wydawnictwo Operon, Gdynia 2020.