ZACAMINTE DE CARBUNI

ZACAMINTE DE CARBUNI

Carbunii sunt roci organogene caustobiolitice, compacte si stratificate, formate din material vegetal acumulat in conditii speciale si supus, in decursul timpului geologic, unui complex proces de transformari fizico-chimice, in lipsa oxigenului, denumit carbonificare si de bituminizare (in cazul bitumolitelor).

In constitutia lor intra componenti organogeni si minerali. Componentii organogeni formeaza masa combustibila, care este constituita din: C (59-96%), H (1-12%), O (2-12%) si N (>3%), precum si din mici cantitati de S si P. Ei provin din tesuturile vegetale ale plantelor care prin metamorfism au generat carbunii. Componentii minerali formeaza fractiunea incombustibila si sunt reprezentati prin diverse minerale anorganice (cuart, oxizi si hodroxizi, silicati, carbonati si sulfati de Al, Fe, Ca, Mg, K si Na) pe langa care mai apar cantitati variabile de apa. Unele zacaminte prezinta concentratii de Be, Ni, Co, V, U, Ga, Ge, Y si alte elemente, dintre care unele (U, Ge, V) in cantitati recuperabile. Toti acesti componenti minerali reprezinta substante anorganice depuse concomitent cu masa vegetala in fostele turbarii sau prin diageneza ulterioara.. Potentialul energetic este exprimat prin puterea calorica.

Fractiunea incombustibila formeaza cenusa carbunilor. Continutul de cenusa, pe langa faptul ca scade proportional puterea calorifica, genereaza in procesul combustiei o serie de dificultati tehnologice si ecologice. Principalele aspecte negative tehnologice sunt: scaderea vitezei de aprindere, obturarea gratarelor in cazul cenusilor usor fuzibile si arderea incompleta cu diminuarea corespunzatoare a randamentelor, coroziunea tevilor schimbatorilor de caldura, scaderea randamentelor cazanelor si costuri mai ridicate cu cca. 80% decat la instalatiile care functioneaza cu combustibili lichizi (ex. pacura). Efectele ecologice negative constau in poluarea atmosferei si necesitatea unor suprafete foarte mari de haldare (depozitare). S, N₂ si P, care produc oxizi in timpul arderii, polueaza atmosfera.

Calitatea unui carbune, inclusiv puterea lui calorica (q), depinde de continutul sau in C (carbon), elemente volatile (V) - H₂, O₂, N₂, cenusa (A), umiditatea totala (W₁) si sulf total (S_t

Originea carbunilor

Carbunii, ca roci sedimentare caustobiolitice (care ard), sunt rezultati prin acumularea resturilor vegetale in turbarii. Turba, sub influenta temperaturii si a presiunii litostatice (de ingropare) se transforma in carbuni. Transformarea materialului vegetal (organic) in carbune, presupune o imbogatire in carbon si o reducere simultana a continutului in oxigen, hidrogen si azot in procesul de humificare si carbonificare.

Cele mai importante grupe de plante care au stat de-a lungul timpului la baza formarii carbunilor sunt:

Ø       Psilofitalele (S-D) - silurian - devonian;

Ø       Licopodialele (S-C-actual);

Ø       Equisetalele (S-C-actual);

Ø       Filicalele (S-C-actual);

Ø       Pinofitele (D-J-actual);

Ø       Pteridospermele (D-C-actual);

Ø       Caytonialele (T-actual);

Ø       Cycadelele (C-J-actual);

Ø       Bennetitalele (C-T-actual);

Ø       Ginkgoalele (P-J-actual);

Ø       Cordaitalele (D-P).

Cele mai mari zacaminte de carbuni s-au format in perioadele Carbonifer si

Permian,

Formarea carbunilor

In ceea ce priveste procesul de carbonificare, au existat mai multe teorii de formare a carbunilor.

O prima teorie este teoria celulozei care sustine ca celuloza din materialul vegetal a stat la baza formarii carbunilor.

Teoria ligninei a dovedit ca celuloza se distruge dupa moartea plantelor, pe cand lignina se transforma in acizi humici, humine si humite si in final in carbuni.

Teoria mixta a aratat ca si celuloza si lignina pot conduce la formarea carbunilor. In acest caz, procesele de evolutie in turbarii depinde depinde de pH-ul acestora: la un pH acid se distruge celuloza si se concentreaza lignina, iar la un pH alcalin se distruge lignina si se pastreaza celuloza.

Conditiile de formare a zacamintelor de carbuni

Formarea zacamintelor de carbuni s-a produs in trei stadii:

a.     Stadiul acumularii resturilor vegetale in depozite de sedimentare orizontale, groase care vor constitui materia prima pentru viitoarele strate de carbuni. Acest stadiu este conditionat de existenta unor premize geografice - conditii favorabile de relief (zone depresionare) si clima (climat cald si umed prielnic dezvoltarii unei vegetatii bogate sub forma de paduri si tufarisuri). Locurile cele mai favorabile acestor acumulari sunt depresiunile cu balti, lacuri, lagune, deltele si sesurile aluvionare. Stadiul dureaza de la mii la zeci de mii de ani.

b.     Stadiul transformarilor biochimice a materialului vegetal in cadrul carbonificarii timpurii, cand acesta trece in turba. In acest stadiu un rol important il joaca bacteriile anaerobe ca si unele ciuperci, care prin enzimele proprii, in mediu umed anaerob descompun lignina, celuloza si ceilalti componenti vegetali, transformandu-i in acizi humici si humo-lemnosi. Durata stadiului este de la cateva zeci de mii de ani la cateva milioane de ani.

c.     Stadiul transformarilor geochimice al turbei in carbune sub influenta temperaturilor, presiunilor si timpului. In acest stadiu se produc o serie de transformari succesive din turba in lignit, din lignit in carbune brun superior, a acestuia in huila si a huilei in antracit si chiar grafit. Acizii humici se transforma acum in humiti si humati. Durata acestor transformari este de zeci si chiar sute de milioane de ani.

Transformarea materialului vegetal este cel mai important lucru care se petrece in procesul de formare a carbunilor. Etapele de transformare a materialului vegetal

sunt:

mediul aerob (oxidant) - procese de dezintegrare in urma carora rzulta reziduri pulverulente;

mediu anaerob (sub influenta organismelor anaerobe);

procese de humificare - humus - carbuni;

turbificare - turba;

putrefactie - sapropel - carbuni sapropelici si sapropeliti

Diageneza turbei reprezinta un proces fundamental de transformare a acesteia si cuprinde urmatoarele etape:

carbonificarea biochimica are loc intens pe 0,5 m grosime in partea superioara unde bacteriile aerobe si ciupercile sunt inca active. Pana la adancimea de 10 m actioneaza bacteriile anaerobe. In urma acestei actiuni se formeaza acizii humici. Aceasta humificare este favorizata si de mediul alcalin al turbariilor;

carbonificarea consta in acoperirea stratelor de turba si depozite sedimentare detritice, de grosime mare si impermeabile. Acest proces cuprinde transformari fizico-chimice pe care le suporta materia organica in timp geologic si este controlata termodinamic dupa schema urmatoare:

diageneza    lignit, huila, antracit;

anchimetamorfism    meta-antracit;

epimetamorfism    semi-grafit, grafit.

Stadiile de evolutie ale transformarii materiei organice (numite si nivele de rang) indica in acelasi timp si gradul de maturitate a carbunilor. Cu alte cuvinte, diageneza este un proces prin care sedimentele care contin nivele de turba tind la consolidare si echilibru, sub influenta temperaturii si presiunii de adancime sau de ingropare.

1. carbunii inferiori: huminit, exinit (liptinit) si inertinit.

huminit: humotelinit    textinit

ulminit

humodetrinit attrinit

densinit

humocolonit gelinit

corpohuminit

exinit: sporinit

cutinit

resinit

suberinit

alginit

clorophyllinit

liptodendrinit

bituminit

exudatinit

fluorinit

inertinit: fuzinit

semifuzinit

scleronitit

macrinit

micrinit

inertodendrinit

2. carbunii superiori: vitrinit, exinit, inertinit.

vitrinit: telinit

collinit

vitrodendrinit.

Proprietatile carbunilor

Proprietati optice-Culoarea,Luciul ,Fluorescenta,Transparenta

Proprietatile termice ale carbunilor

Conductivitatea termica a carbunilor este mica si depinde de constitutia petrografica a acestora.

Caldura specifica este cantitatea de caldura necesara pentru ridicarea temperaturii unitatii de masa cu 1⁰C. Caldura specifica se modifica pe masura ce scade temperatura si continutul in apa.

Coeficientul de dilatare termica. In general carbunii sunt anizotropi. In acest caz, coeficientul de dilatare este mai mare paralel cu stratificatia si mai mic perpendicular pe aceasta.

Radioactivitatea carbunilor depinde in mod special de prezenta in constitutia acestora de potasiu si uraniu.

Clasificarea carbunilor

Potonie (1906 - in M.I.M.) a clasificat carbunii in trei grupe:

humici;

liptobioliti;

sapropeliti.

Carbunii humici sunt rezultati din resturi vegetale bogate in lignina si celuloza. Acestea, prin actiunea microorganismelor anaerobe si in prezenta apei se transforma in acizi humici care evolueaza spre humine si humite, in procesul de carbonificare (ingropare). Carbunii humici se clasifica astfel: turba, carbune brun, huile si antraciti.

Influenta asupra unui ecosistem

Resursele de carbuni ca si de alti combustibili fosili sunt rezultatutul unor indelungate acumulari si complexe transformari ale materiei organice generate de biosfera terestra, in special de componenta sa vegetala (autotrofa), prin reglarea ciclurilor carbonului si a apei. In urma unei evolutii de peste patru miliarde de ani, plantele au imbunatatit compozitia atmosferei prin retinerea dioxidului de carbon si eliberarrea oxigenului, au primenit neantrerupt apa si aerul, au impus conditiile de mediu pentru dezvoltarea armonioasa a intregii biosfere si in ultima faza au desavarsit conditiile pentru aparitia, existenta si progresul oamenilor. Ca produse finale ale acestei evolutii, oamenii, cu toate cuceririle stiintei si tehnologiei, nu au putut fi la fel de eficienti ca plantele biosferei. In exploatarea si valorificarea resurselor de carbuni, perturbarea mediului ambiant incepe cu extragerea acestor resurse de catre unitatile industriale miniere. Acest lucru presupune, printre altele, scoaterea din circuitul agricol sau despadurirea unor terenuri, deschiderea de noi cai de acces si culmineaza cu construirea de betoniere, silozuri, locuinte, baraci si magazii, concentrarea de mijloace de transport si amenajarea unor locuri (garaje) de parcare si intretinere, depozitarea de combustibili lichizi, materiale, fier vechi si gunoaie, instalarea de transformatoare si retele electrice, montarea de benzi transportoare. Aceste procese pot continua cu descopertarea si exploatarea in cariere, saparea de puturi, galerii de coasta, plane inclinate si alte lucrari miniere (santuri, puturi), haldarea de steril si uneori de carbuni autoinflamabili. Sunt de asemenea bine de amintit evacuarea apelor din lucrarile miniere, prabusirea dirijata a suprafetei terenului deasupra excavatiilor subterane, modificarea morfologiei si cursurilor de apa, declansarea si reactivarea alunecarilor de teren, favorizarea eroziunii si degradarii solului, poluarea apelor de suprafata si subterane etc.. Dupa cum se vede, procesul este extrem de complex si presupune o pleiada intreaga de operatii care afecteaza direct mediul ambiant.

Degajarea fortata a dioxidului de carbon dezechilibreaza brusc ciclul carbonului si prin urmare al ecosistemului in ansamblu. In cazul arderii incomplete (cazuri extrem de frecvente), eliberarea dioxidului de carbon este insotita de degajarea concomitenta a oxidului (monoxidului) de carbon care este foarte nociv pentru toate organismele vii. Pe langa carbon, carbunii mai contin hidrogen, azot, oxigen, sulf si alte elemente. Prin arderea acestora se mai degaja, ca gaze poluante, amoniac, dioxid de sulf, oxizi de azot etc.. Aceste emanatii pot ajunge la milioane de tone pe an. Cel mai periculos este dioxidul de sulf care, asociat cu praf, tinde sa paralizeze celulele ciliate ale cailor respiratorii facilitand patrunderea in plamani a unor substante cancerigene de genul benzpirenului. Oxidul de azot poate provoca afectiuni la fel de grave. Acesta, impreuna cu compusii halogenati perturba stratul de ozon din atmosfera si in final regimul climatic global. Ca produse ale arderii carbunilor mai pot fi mentionate cenusa, funinginea cu hidrocarburi grele si pulberile care sunt si ele substante poluante.

Dintre masurile de protectie a mediului de la noi din tara se pot enumera: recuperarea solului inainte de efectuarea operatiunilor miniere si reasezarea lui pe locul initial dupa terminarea exploatarii, reducerea cantitatilor de pulberi si gaze toxice emanate in atmosfera, tratarea si reciclarea apelor uzate.