FORMAREA CARBUNILOR CARACTERISTICILE CHIMICE, FIZICO-CHIMICE SI TEHNOLOGICE ALE CARBUNILOR

FORMAREA CARBUNILOR CARACTERISTICILE CHIMICE, FIZICO-CHIMICE SI TEHNOLOGICE ALE CARBUNILOR

1.     PROCESUL DE FORMARE AL CARBUNILOR

1.1.Materialul initial pentru formarea carbunilor.

Formarea zacamintelor de carbuni fosili s-a realizat prin descompunera chimica a masei vegetale si reconstituirea materialului sub actiunea diversilor factori care au actionat in cursul erelor geologice.

In afara de substanta necombustibila din plante care este variabila, plantele sunt constituite in general din 60-70% celuloza, 20-25% lignina si 4-5% proteine, grasimi, ceruri, rasini, etc. Asadar, celuloza si lignina reprezinta cea mai mare parte din materia prima initiala din care au luat nastere carbunii fosili huminici.

a.     CELULOZA constituie o buna parte din materialul vegetal fiind intim legata de alte substante ca lignina, rasini, grasimi si substante minerale. Celuloza are o structura macromoleculara iar formula ei aproape exacta este: (C₆H₁₀O₅)_n. Sub actiunea aerului, a luminii si a umezelii, celuloza sufera o descompunere care poate duce la distrugerea completa a masei organice. Concluzia este ca descompunerea celulozei este foarte rapida in prezenta aerului si mult mai greu in absenta aerului.

b.     LIGNINA este o combinatie aromatica macromoleculara amorfa ce insoteste celuloza, umpland spatiile din jurul fibrelor de celuloza, formand cu aceasta un agregat rigid. Caracteristic pentru lignina este ca ea este supusa in mai mica masura proceselor de fermentatie si de distrugere sub actiunea microorganismelor. La oxidare, lignina se transforma in acizi humici, iar prin distilare da gudroane bogate in fenoli. In procesul de formare al carbunilor, in turbarii, cantitatea de lignina scade procentual cu adancimea zacamantului.

c. SUBSTANTELE PROTEICE sunt componente ale protoplasmei celulei vii din plante si microorganisme si sunt principalul material carbogenerator. In prezenata aerului se transforma in gaze si aminoacizi, iar in absenta aerului in compusi macromoleculari si sub actiunea microorganismelor in grasimi. Azotul care exista in carbune isi are originea in albuminele din aceste substante.

d. GRASIMILE se afla in cantitate mica atat in plante superioare ca spori si seminte cat si in cele inferioare. Acestea in prezenta aerului se descompun total cu degajare de gaze, iar in absenta aerului se pot supune procesului de bitumizare.

e. CERURILE SI RASINILE sunt substante de protectie ale plantelor care pot suferi procese de transformare in absenta sau in prezenta aerului. Astfel, in absenta aerului unele rasini pot polimeriza dand nastere la chihlimbar. Ca o concluzie putem spune ca in prezenta aerului distrugerea componentilor plantelor este aproape totala, absenta aerului favorizand transformarea acestora in carbuni. Lignina si celuloza au rolul principal in procesul de formare al carbunilor.

1.2.          Formarea carbunilor.

Carbonificarea reprezinta evolutia fizico-chimica si biochimica suferita de un depozit vegetal care se transforma in carbune, fiind un proces de humificare care duce la imbogatirea cu C si reducerea continutului de O_2, H₂ si N₂ .

Factorii care au influentat carbonificarea sunt:

• Presiunea;
• Timpul;
• Temperatura;
• Conditii de reactii de dezagregare;
• Conditii de reactii de transformare chimica;
• Natura materialului vegetal;
• Conditiile climaterice;
• Relieful;
• Regimul geotectonic.

Carbunii fosili trebuie considerati ca un complex de compusi de carbon, continand hidrogen, oxigen, sulf si azot.

In timpul carbonificarii, substanta organica sufera o serie de procese fizico-chimica complexe, care se soldeaza cu imbogatirea in carbon si pierderea treptata a oxigenului, hidrogenului si azotului. Acumularea de depozite vegetale in care au avut loc transformari sub influenta umiditatii, aerului atmosferic si a organismelor s-a soldat cu formarea turbei si crearea de asa-zise turbarii.

In functie de schimbarile de clima se pot deosebi patru perioade principale de formare a carbunelui:

• Carbonifera;
• Permiana;
• Jurasico-cretacica;
• Tertiara.

1.3.          Metamorfismul.

Metamorfismul reprezinta transformarile suferite de depozitele sedimentare care s-au transformat in zacamintele actuale de carbuni, sub actiunea diversilor factori geologici. Metamorfismul poate fi de:

contact sau termic – huilele pana la antraciti s-au format la o temperatura de 160 – 350^oC, antracitii cu 90-95%C la o temperatura de 400-600 ^oC, iar intre 600-900 ^oC se formeaza superantracitii;

dinamo - metamorfism – sub actiunea fortelor tectonice care creeaza cute si presiuni ridicate in zacamant poate transforma carbunele brun in huila;

metamorfism regional – apasarea rocilor duce la formare de straturi care pot varia de la cativa cm la cativa metri si pot fi in pozitie orizontala sau verticala, inclinate sau chiar abrupte.

2.     PROPRIETATILE FIZICO-CHIMICE, CHIMICE SI TEHNOLOGICE ALE CARBUNILOR

2.1. Proprietatile fizico-chimice.

Caracteristicile fizico-chimice ale carbunilor depind de materialul genetic initial si de conditiile de carbonificare, deci de compozitia si structura lor chimica.

Proprietatile fizice ale carbunilor pot fi grupate in:

• Proprietati mecanice – greutate specifica, plasticitate, elasticitate, duritate, friabilitate, macinabilitate, spartura, textura, structura, incluziuni minerale, proprietati de curgere, etc.
• Proprietati optice – culoare, luciu, capacitatea de reflexie–refractie si de absorbtie–difractie.
• Proprietati magnetice si electrice – conductibilitate electrica, si constanta dielectrica, diamagnetism, rezonanta paramagnetica.
• Proprietati termice – conductivitate termica, caldura specifica, etc.

2.1.1. Proprietatile fizico- mecanice ale carbunilor:

• Greutatea specifica – depinde de compozitia lor petrografica, de gradul de carbonificare, de substantele minerale continute, de umiditate si de natura carbunilor. Greutatea specifica creste odata cu gradul de carbonificare, adica cu % de C. Carbunii humici au o gr.sp. mai mare de 1,2 g/cm³, iar cei sapropelici de 1,1 g/cm³.
• Elasticitatea si plasticitatea – carbunii tineri, turbe si carbuni bruni pamantosi au insusiri plastice. Pe masura ce gradul de carbonificare creste ei devin mai elastici iar plasticizarea lor este anulata. La huile nu se pot realiza deformari plastice decat in conditii speciale, ele fiind foarte elastice.
• Duritatea – reprezinta rezistenta la compresiune a carbunilor si este maxima la durit si minima la fuzit, (durit, fuzit, clarit si vitrit sunt principalii componenti petrografici ai masei carbunoase).
• Friabilitatea – este rezistenta la degradare granulometrica ce se determina in instalatii mecanice in care carbunii se supun sfarmarii in anumite conditii.
• Macinabilitatea – capacitatea de macinare sau macinabilitatea se determina printr-o incercare de macinare in moara sau toba standardizata. Macinabilitatea depinde de umiditate, % de substante organice si gradul de carbonificare.
• Spartura, textura si structura mecanica – pot fi scoicoasa, fibroasa, foioasa, aschioasa, granulata sau neregulata. In stratul de carbune se gasesc incliziuni minerale de argila, pirita, calcita, aragonita sau chiar elemente rare.
• Curgerea – este influentata de unghiul de taluz natural, coeficientul de mobilitate sau de frecare.
• Proprietatile optice – culoarea variaza de la bruna la neagra. Culoarea carbunilor, inchiderea spre negru, depinde de gradul de carbonificare. De asemenea capacitatea de reflectie si de refractie a luminii creste odata cu gradul de carbonificare. Utilizarea razelor X a aratat ca nu putem considera carbunii ca materiale amorfe deoarece acestia au o structura ce creste in complexitate odata cu gradul de carbonificare.
• Proprietatile electrice si magnetice – carbunii pot fi considerati izolatori nepolari, iar constanta dielectrica variaza cu gradul de carbonificare si este minima la 87% C, la huilele cocsificabile deci, conductibilitatea electrica este maxima la acest procent de C.
• Proprietatile termice – reprezinta o importanta deosebita d.p.d.v. al cocsificarii deoarece intervin in procesul industrial de prelucrare. Cele mai importante proprietati si constante termice sunt:
• coductivitatea termica Λ, kcal/m *h*gr;
• difuzivitatea termica    c, kcal/kg*gr;
• caldura specifica    a, m²/h.

2.1.2. Proprietatile chimice ale carbunilor:

Oxireactivitatea carbunilor, combustia – Oxireactivitatea reprezinta capacitatea carbunilor de a reactiona cu oxigenul. Carbunii au capacitate de oxidare cu atat mai mare cu cat sunt mai tineri, adica cu cat stadiul de carbonificare este mai putin avansat. Arderea propriu-zisa a carbunilor se desfasoara de la o anumita temperatura numita temperatura de aprindere. Aceasta este cu atat mai ridicata cu cat gradul de carbonificare este mai avansat. In carbune masa combustibila (C,H,O,S, N) este cea care participa la ardere, iar sterilul nu arde. La ardere carbunii degaja caldura, reactia de oxidare fiind exoterma.

Puterea calorifica – reprezinta cantitatea de caldura degajata la arderea a 1 kg de carbune si se noteaza cu Q (kcal/kg). Putera calorifica poate fi superioara – Q_S sau inferioara – Q_i, iar diferenta dintre ele reprezinta cantitatea de caldura necesara vaporizarii apei rezultata din ardere si din umiditatea combustibilului. Putera calorifica a masei combustibile dintr-un carbune creste odata cu gradul de carbonificare, iar % de steril si de apa scade aceasta putere.

Reactivitatea cocsului fata de dioxidul de carbon – se foloseste la stabilirea calitatii si a domeniilor de utilizare a cosurilor metalurgice. Reactivitatea cocsului se exprima valoric prin coeficientul de viteza al reactiei de gazificare a cocsului in conditii de lucru stabilite.

Actiunea altor factori chimici la tratarea carbunilor cu acizi se produce dizolvarea unei parti din steril reducandu-se % de cenusa. Reactivitatea chimica este cu atat mai mare cu cat gradul de carbonificare este mai mic. Tratarea carbunilor tineri cu hidroxizi alcalini sau carbonati alcalini permite extragerea acizilor humici. Reactivii organici pot extrage din carbuni bitumene, rasini, ceruri, care depind de tipul de solvent folosit.

3.     PROPRIETATILE TEHNOLOGICE ALE CARBUNILOR COCSIFICABILI

EXEMPLE DE HUILE COCSIFICABILE: