Elev : Suflea Claudiu AlexandruClasa a X-a MIEG

Colegiul National “Jean Monnet” Ploieşti

Proiect la

chimie :

Cărbuni

CĂRBUNELE

Cărbunele de pământ este o rocă foarte neobişnuită, din două motive. În primul rând, este formată din materii organice – ţesuturi odinioară vii – şi, în al doilea rând, spre deosebire de alte roci, arde şi degajă căldură.

Cărbunele a reprezentat primul combustibil utilizat în timpul revoluţiei industriale şi a jucat un rol foarte însemnat în dezvoltarea marilor ţări industrializate. Cărbunele conţine carbon (care-i conferă acea culoare neagră, caracteristică), sulf şi gaze inflamabile cum ar fi hidrogen, azot şi oxigen.

Originea cărbunelui

Cea mai mare parte a cărbunelui s-a format în urmă cu aproximativ 360-286 de milioane de ani într-o perioadă numită de geologi era carboniferă, tocmai datorită cantităţilor imense de cărbune care s-au format atunci. Acesta a luat naştere din pădurile tropicale preistorice, ce creşteau pe pământurile mlăştinoase. Pădurile se compuneau din arbori foarte diferiţi de cei care trăiesc în zilele noastre. Cea mai mare parte a lor erau arbori-ferigă giganţi. Existau de asemenea, şi arbori de coada-calului giganţi, dar şi multe alte plante mai mici. După moarte, ferigile uriaşe şi celelalte plante cădeau în apele mlăştinoase. Aceste ape erau foarte sărace în oxigenul care favorizează acţiunea bacteriei ce produce putrefacţia, astfel încât arborii ferigă au putrezit foarte încet şi s-au transformat în turbă, primul stadiu de formare al cărbunelui. În timpul formării turbei apare o degajare de gaz de mlaştină, numit gaz metan.

Pentru a se transforma în cărbune, turba trebuie să fie presată. Un strat de turbă cu o grosime între 10 şi 15 m va forma un strat de cărbune de doar 1m grosime. Primul stadiu al comprimării a avut loc în mlaştinile primitive, o dată cu depunerea unor straturi succesive de vegetaţie intrată în putrefacţie, comprimând straturile inferioare sub greutatea lor. În perioada carboniferă scoarţa Pământului a suferit o serie de transformări. În timpul uneia dintre aceste perioade, turba a fost acoperită cu nisip şi mâl. Stratul de pământ şi turbă au fost apoi îngropate sub mări pentru ca mai apoi să revină din nou la suprafaţă. În timp se formau noi mlaştini şi noi straturi de turbă. Acest proces, numit sedimentare ciclică, s-a produs de mai multe ori. În regiunile carbonifere există un număr de zăcăminte, situate unul deasupra celuilalt, cuprinse între straturile de rocă sedimentară. Unele straturi de cărbune au o grosime de doar câţiva milimetri, altele ating grosimi de câţiva metri.

Clasificarea cărbunilor

Există cinci categorii principale de cărbune. Tipurile acestora depind de gradul în care cărbunele s-a modificat în timp.

Turba este cel mai tanar carbune fosil, fiind rezultatul formelor initiale de decompunere a resturilor vegetale, formându-se şi astăzi ; are un continut de 25-60% de C si un continut ridicat de săruri

minerale; 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.

Lignitul este cel mai puţin modificat şi are cel mai mic conţinut de carbon, de aproximativ 30%. În timpul arderii acesta degajă mult fum şi relativ puţină căldură.

C ă rbunii bruni sunt rezultatul unui proces mai inaintat de incarbonizare a materialului vegetal; au un continut de 60-70% Carbon, ceea ce face ca puterea lor calorica sa fie mai ridicata; se utilizeaza, in general drept carbuni energetici.

Huila (are în conţinutul său 75-90% Carbon) este cea mai răspândită şi degajă

cea mai mare cantitate de căldură. Acest cărbune are, de obicei, straturi alternante, întunecoase şi lucioase. Benzile lucioase erau la origine material lemnos, iar straturile întunecoase s-au format din rămăşiţele plantelor mai mici. Huila conţine şi un alt compus, mai puţin dur, asemănător cu mangalul: acesta face cărbunele să murdărească în timpul manipulării.

Antracitul este cărbunele superior. Se compune din 98% carbon şi este foarte greu se extras, dar este curat la manipulare. Arde cu o flacără foarte fierbinte şi degajă puţin fum, însă este foarte greu de aprins.

Utilizările cărbunelui

Cărbunele este utilizat cel mai des ca şi combustibil. Până nu demult o cantitate mare de cărbune era arsă pentru a încălzi locuinţele. În zilele noastre, cărbunele este ars pentru a genera electricitate sau în procese industriale. Înainte de exploatarea pe scară largă a gazelor naturale, unele ţări îşi produceau întreaga cantitate de gaze din cărbune. Ţările fără resurse de gaze naturale recurg încă la acest procedeu. Producerea gazelor din cărbune este asociată cu producerea cocsului,un combustibil esenţial în topirea şi turnarea metalelor. Pentru producerea cocsului, cărbunele este ars în cuptoare etanşe. Cărbunele nu arde din lipsa oxigenului, dar odată cu căldura se degajă amoniac, gudroane, gaze şi uleiuri uşor volatile lăsând în urmă un reziduu dur. Acesta este cocsul.

Cărbunele este şi materia primă pentru procese chimice. Amoniacul, gudroanele şi uleiurile uşor volatile rezultate din cocsificare sunt utilizate pentru realizarea altor produse, cum ar fi: vopsele pentru

ţesături, antiseptice, medicamente, parfumuri, fertilizatori, pesticide s-au chiar lac de unghii. Din cărbune se poate produce chiar şi zaharina.

Unde se găseşte cărbune?

Cărbunele este zăcământul cel mai bogat de combustilbil fosil. Rezervele mondiale cunsoscute sunt estimate a fi suficiente pentru mai mult de 200 de ani, la o rată de consum egal cu cea actuală şi mulţi experţi sunt de părere că există cam de 15 ori mai mult cărbune rămas nedescoperit. Trei ţări deţin două treimi din rezervele mondiale descoperite. SUA deţine 30%, Rusia şi Statele Aliate aproximativ 25%, iar China 10%. Restul rezervelor de cărbune sunt situate în Australia, Canada, Germania, India, Polonia, Africa de Sud şi Marea Britanie. În America de Sud doar 4 ţări – Argentina, Brazilia, Chile şi Columbia - deţin zăcăminte bogate de cărbune. Cea mai mare parte a cărbunelui este adânc îngropat sub pădurile tropicale unde este greu de exploatat. Dintre cele 52 de ţări africane, doar 8 exploatează: Africa de Sud şi Zimbabwue, cu cele mai mari zăcăminte, Algeria, Maroc, Mozambic, Nigeria, Tanzania şi Zair.

Viitorul cărbunelui

În vederea găsirii unei noi forme de energie, cărbunele este mult mai abundent decât combustibili mai ieftini: petrol sau gaze naturale. Probabil noi tehnologii vor face eficientă exploatarea zăcămintelor mai greu accesibile. Experţii consideră că prin tehnologiile actuale se poate exploata eficient doar aproximativ 12% din rezervele mondiale existente. Restul de zăcăminte ar putea fi folosit prin arderea cărbunelui din adâncime şi captarea gazului emanat. O altă metodă ar fi extragerea petrolului care ar putea înlocui rezervele aflate într-o continuă scădere. Mai multe ţări efectuează în prezent cercetări în acest sens.

Proprietăţile cărbunilor

1)Umiditatea

Combustibilii sunt materiale solide, lichide sau gazoase care ard usor,producand o mare cantitate de caldura.

Carburantii sunt combustibili lichizi intrebuintati la arderea in motoare cu combustie interna.

Majoritatea substantelor solide, deci si carburantii, au proprietatea de a retine apa sub diverse forme.

2)Puterea calorică

Cea mai importanta caracteristica a unui combustibil este puterea calorifica care reprezinta cantitatea de caldura care se degaja la arderea completa a 1 kilogram de combustibil solid sau lichid sau a 1 metru cub combustibil gazos (in conditii normale de temperatura si presiune).

Cărbunii se pot clasifica în funcţie de utilizare ( după destinaţie ) în:

cărbuni energetici

- folositi in industria energica (termocentrale), in transporturi si pt uzul casnic;

cărbuni metalurgici( cocsifiabili ) - folositi pentru obtinerea cocsului necesar industriei metalurgice

2)Prelucrarea (cocsificare)

Asa cum sunt scosi din mina, carbuni nu pot fi folositi direct ca sursa de energie si nici ca materie prima pentru industria cocschimica, deoarece au o granulatie neomogena si de cele mai multe ori au un continut ridicat de umiditate si steril( substante minerale care in urma arderii carbunelui se transforma in cenusa ) ceea ce diminueaza calitatile lor .

De aceea inainte de a fi trimisi la consumatori , carbunii sunt supusi operatiilor de sortare, inlaturare a sterilului si uscare

3)Cocsificarea carbunelui

Procesul de fabricare a cocsului se numeste cocsificare şi se realizeaza prin încălzirea cărbunelui în absenţa aerului la temperaturi de aproximativ 1000 grade Celsius . Acest proces este numit uneori impropriu " distilare uscata a carbunilor".

Produse obţinute la distilarea uscată a cărbunilor fosili

In procesul de cocsificare datorită temperaturii ridicate substanţele din compozitia cărbunelui se descompun termic şi se degajă sub formă de gaze si vapori, rămânând un reziduu (cocsul) mai bogat in carbon decat cărbunii supuşi cocsificarii (96-98%C)

Până la 3000 C din carbune se degajă vapori de apă, oxid şi dioxid de carbon, hidrogen, hidrocarburi usoare, compusi cu sulf, acid cianhidric, amoniac; intre 350 si 450C, cărbunele

se înmoaie şi din acest moment încep să se degaje cantitaţi mari de gaze şi vapori ai substanţelor de descompunere.

Degajarea abundentă a acestor produse determină umflarea cărbunelui, fenomen care înceteaza la 500C.

Continuându-se încălzirea pana la 10000 C, degajarea gazelor se face lent, iar în final rezultă produsul solid numit cocs.

Gazele si vaporii sunt captate si răcite în instalaţii speciale pentru condensarea produselor lichide (ape amoniacale si gudroane) şi pentru separarea acestora din gaze.Cocsul este produsul principal rezultat la cocsificare; se foloseşte, în special, în furnale pentru obţinerea fontei din minereuri de fier; din 100 kg cărbune se obtine aproximativ 60-70 kg cocs, iar din rest gudroane si gaze; la prelucrarea gudroanelor se separa diferiţi produşi (naftalină, antracen, fenol etc.) care sunt folosiţi ca materie primă în industria chimică organică.

Combustibil

- în metalurgie

-pentru generatoare de gaz

Absorbant

Bogat în hidrocarburiaromatice

Bogat în hidrocarburi saturate CO, CO2, H2, CH4 , C6H6

C2H4, H2 , HCN, C6H5-CH3, NH3

- Ulei uşor benzen, toluen, (80-

100oC) xilen, tiofen

- Ulei mediu (170-230oC) fenoli, crezoli

- Ulei greu (230-270oC) naftalină

- Ulei verde (270-360oC) antracen, fenantracen

combustibilFabricareaîngrăşămintelor

- Benzine- Petrol lampant- Motorine- Smoală

APE AMONIACALE

GAZE DE COCSERIE

COCSGUDRON GREUGUDRON PRIMARGAZE DE COCSERIE APĂ 54G321