Resurse Naturale

Carbunii

Cărbunele este o rocă sedimentară de culoare brun - neagră cu proprietăţi combustibile formată prin (carbonizare) îmbogăţirea în carbon (în condiţiile lipsei oxigenului) a resturilor unor plante din epocile geologice. Procesul de incarbonizare a plantelor preistorice s-a produs cu milioane de ani în urmă, prin două procese mai importante:

1. faza biochimică produsă de bacterii şi ciuperci care transformă celuloza şi lignina din plante;

2. faza geochimică, faza propriu zisă de incarbonizare, care se produce la temperaturi şi presiuni ridicate formându-se într-un timp îndelungat huila şi antracitul. Acest proces are ca rezultat o îmbogăţire de peste 50 % din volum în carbon.

Datorită energiei termice ridicate degajate prin ardere huila mai poartă numele de aurul negru.

Formare

Materia iniţială de bază din care ia naştere cărbunele sunt resturi de plante fosile, care constau mai ales din feriga uriaşă (Pteridopsida sau Polypodiopsida) care în urmă cu 400 de milioane de ani alcătuia adevărate păduri, azi feriga are între 9000 şi 12000 de varietăţi.

După moartea lor aceste plante se scufundau în mlaştină unde fiind izolate de aerul atmosferic urmează o serie de procese anaerobe, în primele faze se formează turba.

Prin migraţia mărilor aceste mlaştini au fost acoperite cu sedimente, creându-se temperaturi şi presiuni ridicate, care intensifică procesele de incarbonizare, presiunea elimină apa din turbă astfel ia naştere cărbunele brun.

Dacă aceste presiuni mari persistă mai departe se continuă eliminarea apei din cărbunele brun rezultând cărbunii cu cea mai mare putere calorifică, huila şi în final antracitul care este în acelaşi timp şi cărbunele cel mai vechi. La antracit procentul de carbon ajunge la 90 - 96 %.

Zăcămintele de huilă s-au format cu cca. 280 - 345 milioane de ani în urmă, constituind azi una dintre principalele resurse energetice ale globului. Cărbunele brun este un cărbune mai tânăr formându-se în peroada terţiară în urmă cu 2,5 - 65 milioane de ani.

Compoziţie

În tehnică, compoziţia cărbunilor se exprimă parţial în elemente chimice, carbon (C), hidrogen (H), azot (N), oxigen (O) şi sulf (S), parţial în substanţe ca masa minerală (A - de:Asche, en:ash) şi umiditatea (W - de:Wasser, en:water).

Compoziţia se poate exprima ca:

- masă organică, care conţine C, H, N, O şi S din combinaţiile organice;

- masă combustibilă (en:DAF - dry, ash free), care conţine şi S din combinaţiile minerale (pirite), care arde şi el, adică tot ce arde - ceea ce nu arde (masa minerală plus umiditatea) este balastul;

- masă anhidră, care conţine şi masa minerală, adică tot, mai puţin apa;

- masa uscată la aer (masa pentru analiză), care conţine şi umiditatea de constituţie şi cea higroscopică, compoziţie folosită în determinările de laborator, fiind stabilă;

- masa iniţială (en:raw), care conţine şi umiditatea de îmbibaţie, adică compoziţia cărbunelui introdus în focare.

În timpul încălzirii, din cărbune se degajă gaze combustibile, numite materii volatile. Cu cât se degajă mai multe materii volatile, cu atât cărbunele se aprinde mai uşor.

Prin aprindere şi ardere cărbunele degajă căldură. Cantitatea de căldură eliberată prin arderea completă a unui kilogram de combustibil (aici cărbune) este puterea calorifică (sau căldura de ardere) a combustibilului, care în SI se exprimă în MJ/kg. În practică, utilă este puterea calorifică inferioară (Qi).

Clasificarea cărbunilor din România

În România cărbunii se clasifică conform STAS.

Turba este cel mai tânăr cărbune, din Neogen, formându-se şi astăzi. Conţine 52 - 62 % carbon în masa combustibilă, iar prin încălzire degajă foarte multe materii volatile. În momentul extracţiei ea conţine 75 - 80 % umiditate, ca urmare trebuie uscată, stare în care are o putere calorifică de 12 - 20 MJ/kg. Turba uscată şi brichetată se foloseşte drept combustibil casnic. De asemenea, ea se poate folosi ca material filtrant sau ca îngrăşământ.

Cărbunele brun este un cărbune mai vechi, din Paleogen. Conţine 60 - 78 % carbon în masa combustibilă, iar prin încălzire degajă multe materii volatile. În momentul extracţiei conţine 30 - 45 % umiditate. Are o putere calorifică de 6 - 18 MJ/kg (uzual 7 - 9 MJ/kg). Este mult folosit, în special lignitul, care se găseşte în cantităţi mari, de exemplu în România în bazinul Olteniei, în scopuri energetice, fiind combustibilul clasic în termocentralele pe bază de cărbune.

Cărbunele brun huilos este un cărbune specific României, are aspect de huilă, însă putere calorifică sub 20 MJ/kg, ca urmare nu poate fi considerat huilă. Este folosit în scopuri energetice.

Huila este un cărbune vechi, datând din Cretacic şi Jurasic. Conţine 75 - 92 % carbon în masa combustibilă, iar prin încălzire degajă suficiente materii volatile pentru aprindere. În momentul extracţiei conţine 1 - 5 % umiditate. Are o putere calorifică de 20 - 29 MJ/kg. Este cel mai preţios cărbune. Huilele cu flacără lungă (numele vine de la durata degajării volatilelor, care ard cu flacără vizibilă) şi de gaz (numele vine tot de la cantitatea volatilelor) nu cocsifică, ca urmare se folosesc în scopuri energetice. Huila de cocs şi parţial cea grasă (în amestec cu cea de cocs) cocsifică, ca urmare este folosită la producerea cocsului, valorificare mult mai valoroasă decât prin ardere. Huilele slabă şi antracitoasă au puţine volatile, sunt greu de ars.

Antracitul este cel mai vechi cărbune, datând din Jurasic. Conţine 92 - 98 % carbon în masa combustibilă, dar aproape deloc materii volatile, ceea ce îl face foarte dificil de aprins. Aprinderea trebuie făcută cu un combustibil de suport, care să-l aducă la temperatura de 800 °C, temperatura de aprindere a carbonului. În momentul extracţiei conţine 3 - 12 % umiditate. Are o putere calorifică de 20 - 25 MJ/kg. Datorită aprinderii dificile este puţin folosit în energetică, fiind folosit în industria chimică la producerea electrozilor.

În concluzie, cărbunele se foloseşte:

- Drept combustibil, atât casnic, cât şi în producerea de curent electric produs cu ajutorul turbinelor din termocentrale. Prin ardere cărbunele eliberează căldură şi produce gaze de ardere ca dioxid de carbon, dioxid de sulf şi vapori de apă. In anul 2003 24,4 % din energia primară produsă pe glob şi 40,1 % din energia electrică era produsă pe bază de cărbune, cu ponderea însemnată a huilei şi lignitului. Termocentralele moderne au redus substanţial emisiile de gaze nocive rezultate din arderea cărbunilor.

- Ca materie primă în industria chimică şi în metalurgie. O importanţă mare o prezintă cocsul care este folosit drept combustibil în încălzire (înlocuitor al gazelor naturale) şi de asemenea ca reducător al minereurilor feroase în furnale.