węgiel brunatny

Węgiel brunatny — skała osadowa pochodzenia organicznego zawierająca 58-78% węgla, powstała w trzeciorzędzie (ok. 20-50 mln lat temu) w wyniku stopniowego przeobrażenia materii roślinnej rozkładającej się bez dostępu powietrza (tzw. uwęglenia), stanowiąca formę przejściową pomiędzy torfem i węglem kamiennym. Węgiel brunatny jest miękkim i kruchym ciałem stałym o porowatej strukturze, charakteryzującym się wysoką wilgotnością i barwą od jasnobrunatnej do czarnej. Jest palny, spala się jasnym i kopcącym płomieniem; jego wartość opałowa wynosi 5-21 MJ/kg. Węgiel brunatny wykorzystywany jest głównie do wytwarzania energii elektrycznej i energii cieplnej; jest również cennym surowcem do produkcji benzyny, olejów, wosków, nawozów mineralnych, tworzyw sztucznych oraz włókien syntetycznych.

Pochodzenie i występowanie węgla brunatnego

Pokłady węgla brunatnego powstały w trzeciorzędzie (ok. 20-50 mln lat temu) w wyniku stopniowego przeobrażenia szczątków roślinnych pod wpływem oddziaływania czynników biologicznych, geologicznych i biochemicznych (tzw. uwęglenia). Obumierające pnie cyprysów błotnych, drzew mamutowych, świerków lub sosen gromadziły się pod wodą na obszarach bagiennych, gdzie ulegały rozkładowi bez dostępu powietrza, tworząc grube pokłady torfu. Wraz z upływem czasu torf, pokrywany kolejnymi warstwami gromadzących się osadów, ulegał stopniowemu zagęszczaniu i degradacji biochemicznej (humifikacji). Pod wpływem rosnącej temperatury i ciśnienia oraz odziaływania kwasów huminowych wzrasta zawartość węgla w materii roślinnej, co skutkuje przekształceniem się torfu w złoża węgla brunatnego.

Węgiel brunatny stanowi formę przejściową w procesie przekształcania torfu w węgiel kamienny. Autor: Zaporizhzhia vector/shutterstock.com

Węgiel brunatny występuje w obrębie różnych warstw skorupy ziemskiej, w głównej mierze w osadach pochodzących z ery kenozoicznej (z trzeciorzędu); jednak złoża tego surowca są również obecne w osadach mezozoicznych (z triasu, jury, kredy) i paleozoicznych (z karbonu). Największe złoża węgla brunatnego występują na obszarze Rosji (zachodnia Syberia, Daleki Wschód) (90,73 mld ton), Australii (Gippsland) (76,5 mld ton), Niemiec (Nadrenia Północna-Westfalia, Saksonia) (36,1 mld ton) i Stanów Zjednoczonych (Dakota Północna (30 mld ton). Złoża węgla brunatnego w Polsce występują w środkowej i zachodniej części kraju – na Niżu Polskim (okolice Bełchatowa, Konina, Adamowa), na Pogórzu Zachodniosudeckim (okolice Turoszowa) i na Dolnym Śląsku (okolice Legnicy), a ich zasoby szacowane są na 5,94 mld ton.

Właściwości fizyczne i skład chemiczny węgla brunatnego

Węgiel brunatny jest miękkim i kruchym ciałem stałym mającym jasnobrunatne, brunatne bądź czarne zabarwienie z matowym lub błyszczącym połyskiem. Posiada luźną i porowatą strukturę, dzięki czemu wykazuje dużą zdolność do pochłaniania wilgoci z otoczenia. Węgiel brunatny występuje w pokładach w postaci kilku odmian petrograficznych (tzw. litotypów) zróżnicowanych pod względem składu i cech strukturalnych, m.in. ksylitu, detrytu i fuzynu. Węgiel brunatny jest nierozpuszczalny w wodzie, nie posiada smaku ani zapachu. Jest palny; spala się jasnym i kopcącym płomieniem. Ma niewielką wartość opałową (5-21 MJ/kg), co wynika z wysokiej wilgotności oraz dużej zawartości zanieczyszczeń (np. popiołu i siarki).

Bryłka węgla brunatnego, fot. njnightsky/envato

Węgiel brunatny jest skałą osadową pochodzenia organicznego, będącą formą przejściową między torfem i węglem kamiennym. Składa się ona z macerałów tworzących się w procesie uwęglenia materii organicznej (np. tkanek roślinnych, żywic, wosków). Macerały stanowią odpowiedniki minerałów budujących skały nieorganiczne; nie posiadają jednak struktury krystalicznej i wykazują zróżnicowany skład chemiczny w zależności od swego pochodzenia.

Macerały tworzące węgiel brunatny zaliczane są do trzech głównych grup:

• huminity – macerały o wysokiej zawartości tlenu, powstałe wskutek przekształcenia tkanek roślinnych bogatych w ligninę, celulozę i garbniki; stanowiące 75,2-86% węgla brunatnego; np. humotelinit, humodetrynit, humokolinit;
• liptynity – macerały o wysokiej zawartości wodoru, powstałe wskutek przekształcenia kutikuli, pyłku, zarodników, żywic lub wosków, stanowiące 7% węgla brunatnego, np. kutynit, sporynit, rezynit, alginit, suberynit, liptodetrynit;
• inertynity – macerały o wysokiej zawartości węgla, powstałe wskutek przekształcenia materii roślinnej podlegającej silnemu utlenianiu podczas formowania się torfu; stanowiące 3,6% węgla brunatnego, np. fuzynit, makrynit, sklerotynit, inertodetrynit.

Węgiel brunatny, ze względu sposób powstania (rodzaj materii roślinnej podlegającej procesowi uwęglenia), dzieli się na:

• węgiel humusowy (humolit) – utworzony ze szczątków roślinności lądowej w procesie humifikacji zachodzącej na torfowiskach; składający się głównie z macerałów z grupy huminitów i inertynitów;
• węgiel sapropelowy (sapropelit) – utworzony ze szczątków roślin wodnych (glonów) ulegających rozkładowi w warunkach beztlenowych (tzw. osadów sapropelowych); składający się głównie z macerałów z grupy liptynitów:
• węgiel liptobiolitowy (liptobiolit) – utworzony z żywic, wosków i substancji lipidowych (kwasów tłuszczowych) akumulujących się w osadach dennych zbiorników wodnych; składający się głównie z macerałów z grupy liptynitów.

Skład chemiczny węgla brunatnego:

• węgiel (C) – 58-78%,
• tlen (O) – 30%,
• wodór (H) – 6%,
• siarka (S) – 0,6-6%,
• azot (N) – 1-3%.

Węgiel brunatny zawiera w swym składzie liczne związki organiczne powstające w procesie uwęglenia materii roślinnej, jak m.in. kwasy huminowe, huminy, bituminy, celuloza, lignina, woski roślinne i substancje żywiczne. Węgiel brunatny charakteryzuje się wysoką zawartością wilgoci (50-60%) i stosunkowo dużym udziałem substancji mineralnych (popiołu) (do 50%), jak m.in. tlenki krzemu (SiO₂), glinu (Al₂O₃), żelaza (Fe₂O₃), wapnia (CaO) i magnezu (MgO).

Fragment struktury chemicznej węgla brunatnego, źródło: By W.H. Orem, U.S. Geological Survey – https://pubs.usgs.gov/circ/c1143/c1143.pdf, Public Domain, Link

Wydobycie i przeróbka węgla brunatnego

Eksploatacja złóż węgla brunatnego na świecie odbywa się głownie z wykorzystaniem metody odkrywkowej (powierzchniowej) polegającej na mechanicznym usuwaniu warstw nadkładu pokrywających głębiej położone pokłady węgla (np. ziemi). Metoda odkrywkowa umożliwia szybkie i efektywne pozyskiwanie surowca, jednak jej stosowanie wywiera negatywny wpływ na środowisko, przyczyniając się m.in. do silnego przekształcenia krajobrazu bądź degradacji  środowiska. Znacznie zadziej stosowaną metodą eksploatacji węgla brunatnego jest metoda głębinowa (podziemna) polegająca na drążeniu korytarzy w celu dotarcia do złóż położonych  głęboko pod ziemią. Metoda głębinowa wykorzystywana jest głównie do wydobywania złóż węgla występujących w starszych formacjach geologicznych (np. formacjach karbońskich).

Węgiel brunatny po wydobyciu ze złoża poddawany jest następnie procesom przeróbki, których głównym celem jest pozyskanie produktów o wyższej wartości użytkowej:

• półkoksowanie (wytlewanie) węgla brunatnego – proces niskotemperaturowego odgazowania węgla brunatnego polegający na ogrzewaniu surowca w temperaturze  600-700°C bez dostępu powietrza; prowadzony w celu otrzymania półkoksu, gazów wytlewnych, smoły węglowej i wody wytlewnej (fenolowej);
• zgazowanie węgla brunatnego – proces przetwarzania węgla brunatnego w gaz generatorowy (powietrzny) (mieszanina CO i N₂) i gaz syntezowy (wodny) (mieszanina CO i H₂) w wysokiej temperaturze pod wpływem czynnika zgazowującego (np. pary wodnej, tlenu, dwutlenku węgla).

Węgiel brunatny często poddawany jest procesom uszlachetniania mającym na celu poprawę jego właściwości użytkowych, głównie przez redukcję wilgoci i zwiększenie wartości opałowej oraz ułatwienie transportu. Uszlachetnianie węgla brunatnego odbywa się z wykorzystaniem rozdrabniania (kruszenia), brykietowania i suszenia (na wolnym powietrzu lub w suszarniach).

Kopalnia odkrywkowa węgla brunatnego, fot. EwaStudio/envato

Zastosowania węgla brunatnego

Węgiel brunatny jest ważnym surowcem energetycznym wykorzystywanym do produkcji energii elektrycznej i energii cieplnej w elektrowniach i elektrociepłowniach. Stosowany jest również jako paliwo w komunalnych i przemysłowych instalacjach grzewczych (np. w postaci brykietów). Jest ważnym surowcem chemicznym do produkcji paliw płynnych i gazowych, nawozów organiczno-mineralnych, tworzyw sztucznych, włókien syntetycznych i barwników. Wykorzystywany jest również w budownictwie do produkcji płyt i materiałów izolacyjnych.

Szereg rozlicznych zastosowań mają także produkty powstające w procesie przeróbki węgla brunatnego. Półkoks wykorzystywany jest jako paliwo oraz jako surowiec do wytwarzania gazu syntezowego (wodnego), karbidu i cementu. Frakcje olejowe smoły węglowej używane są do produkcji rozpuszczalników, farb, lakierów, barwników syntetycznych oraz materiałów wybuchowych. Gaz generatorowy (powietrzny) i gaz syntezowy (wodny) są powszechnie wykorzystywane w przemyśle chemicznym do otrzymywania metanolu, etanolu i amoniaku.

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. Organic Chemistry, Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren, Oxford University Press, 2012.
6. Geografia 2. Podręcznik do szkół ponadpodstawowych – zakres rozszerzony, Sławomir Kurek, Wydawnictwo Operon, Gdynia 2020.
7. Encyklopedia Geograficzna Świata, tom IX Ziemia, Zdzisława Otałęga (red. nacz.), Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1997.