I Budowa chemiczna

Węgiel kamienny, jako przedstawiciel węgli kopalnych, zawiera 78-92% węgla (węglem kamiennym jest także antracyt, który zawiera 97% węgla). Węgiel kamienny jest czarny, kruchy; zwarty, długo się pali błyszczącym płomieniem. Przeważająca ilość węgli kamiennych to węgle humusowe. Węgiel kamienny składa się z wielu składników. Wyróżniamy kilka odmian różniących się połyskiem oraz twardością. Witryn jest błyszczący, klaryn jest półbłyszczący, duryn jest matowy, zaś fuzyn jest włóknisty. Węgiel kamienny może być wykorzystywany bezpośrednio w czasie spalania, ewentualnie po chemicznej przeróbce w celach energetycznych, jest także surowcem w przemyśle chemicznym. Skała węglowa złożona jest w 75 - 95% z węgla, 2,5 - 5,5% z wodoru, 2,5 - 18% z tlenu oraz innych pierwiastków (siarka, azot) i wody (1 - 8%).

Ropa naftowa to ciekła mieszanka naturalnych węglowodorów, takich jak: alkany (węglowodory parafinowe), areny (węglowodory aromatyczne), oraz cykloalkany (węglowodory naftenowe). W skład ropy wchodzą także związki organiczne zawierające azot, siarkę, tlen, związki metaloorganiczne, substancje mineralne, związki nieorganiczne (krzemu, żelaza, sodu, wanadu, niklu).

Ropę naftowa możemy podzielić także ze względu na rodzaj związku będącego w przewadze nad innymi (ropa parafinowa, aromatyczna, bezparafinowa, naftanowa).

Barwa ropy naftowej może być różnorodna. Spotykana jest ropa zielona, żółtobrunatna, czerwona oraz czarna. Czasami ropa bywa bezbarwna. Gęstość ropy naftowej waha się w granicach 0,73-0,99 g/cm3. Ropa naftowa złożona jest w 80 - 88% z węgla, 10 - 14% wodoru, 0,1 - 7,0% tlenu, 0 - 1% azotu, 0 - 5% siarki. Do charakterystyki ropy naftowej stosujemy także wartość opałową, która wynosi 38-49 MJ/kg.

Gaz ziemny to mieszanka węglowodorów gazowych (etan, metan, propan), węglowodorów ciekłych oraz pewnych ilości dwutlenku węgla, azotu, wodoru, siarkowodoru, gazów szlachetnych (argon, hel).

Gaz ziemny możemy podzielić na gaz ziemny:

- wulkaniczny, który jest niepalny;

- błotny, który jest produktem rozkładu biologicznego złożonego głównie z metanu;

- właściwy, który występuje w podziemnych złożach, wraz z ropą naftową.

Gaz ziemny możemy także podzielić ze względu na skład. Wyróżniamy następujące gazy:

- mokry, który oprócz metanu zawiera także węglowodory wyższe;

- chudy, w skład którego w 90% wchodzi metan;

- kwaśny (zanieczyszczony siarką).

II Występowanie

Największe ilości węgla kamiennego występują w Rosji, na Ukrainie, w Kanadzie, w stanach Zjednoczonych, w Niemczech, w Chinach, w Republice południowej Afryki, w Wielkiej Brytanii, w Polsce, w Australii, w Indiach. W Polsce występuje 10 typów tego surowca. W Polsce występuje około 100 miliardów ton tego surowca. Jego wydobycie wynosi 100 - 120 milionów ton na rok.

Ponad połowa występującej ropy naftowej na świecie wywodzi się z krajów Bliskiego Wschodu (Arabia Saudyjska- 23% globalnego eksportu, Zjednoczone Emiraty Arabskie, Iran, Kuwejt). Przed wybuchem wojny w Zatoce Perskiej ważnym dostawcą tego surowca był Irak. Do grup bardzo istotnych państw transportujących ropę naftową zaliczamy: Wenezuelę, Nigerię, Libię oraz państwa, które nie należą do OPEC (Rosja, Meksyk, Wielka Brytania oraz Norwegia). Ropa naftowa jest eksportowana głównie do krajów Europy Zachodniej (Niemcy, Francja, Holandia, Włochy oraz Hiszpania), Stanów Zjednoczonych, Japonii. W Polsce surowiec ten występuje w okolicach Sanoka i Gorlic.

Gaz ziemny występuje głównie w Rosji oraz stanach Zjednoczonych. Występuje także na dnie Morza Północnego, w okolicach wschodniego wybrzeża Ameryki Północnej, Brazylii, Indii, Australii. Na obszarze Polski surowiec ten możemy spotkać w okolicach Jasła, Gorlic, Lubaczowa, Cieszyna oraz Sanoka.

Ropa naftowa oraz gaz ziemny występują na Antarktydzie, jednakże złoża te nie mogą być eksploatowane zgodnie z konwencją z 1959 roku.

III Wydobycie i przerabianie surowców

Gaz ziemny oraz ropa naftowa

Przy wydobywaniu ropy naftowej oraz gazu ziemnego stosowane są metody geofizyczne, metody grawitacyjne, metody magnetyczne oraz metody sejsmiczne.

Badanie magnetyczne mogą być wykorzystywane na każdym terenie, nawet jeżeli znajdują się pod powierzchnią dużych zbiorników wodnych. Przy pomocy magnetometru są przeprowadzane pomiary. Przyrząd ten jest ciągnięty lub przyczepiony do ogona samolotu. Zadaniem samolotu jest utrzymanie stałej wysokości nad terenem, który jest poddawany badaniom. W takich okolicznościach jest dokonywany odczyt natężenia pola magnetycznego.

Fale sejsmiczne uzyskane podczas detonowania ładunków wybuchowych, ewentualnie zrzucania dużych mas na Ziemie, są wykorzystywane w geofizyce do różnego rodzaju badań skorupy ziemskiej. W tym celu wykorzystywane są także fale akustyczne uzyskiwane w wyniku zastosowania określonych generatorów o dużej mocy. Część energii fal, wędrującej w głębsze warstwy skorupy ziemskiej, jest odbijana w warstwę pomiędzy rożnymi typami skał. Następnie te fale są rejestrowane przy pomocy specjalnych detektorów, które są umiejscowione na określonym terenie. Uzyskujemy mapę skał, które zalegają pod powierzchnią danego obszaru. Mapa ta jest uzyskiwana na podstawie czasu rejestrowania fal oraz ich amplitudy.

Przy pomocy pomiarów natężenia grawitacyjnego jesteśmy w stanie zdefiniować rozmiary oraz położenie basenów sedymentacyjnych. Podłoże wykazuje większą gęstość niż położone na nich skały osadowe. Dlatego też pole grawitacyjne w ich otoczenie wykazuje większą wartość. Przyrząd używany do pomiarów pola grawitacyjnego na morzu, lądzie oraz powietrzu to grawimetr. Gdy pomiary wykonywane są na morzu, to należy wówczas grawimetr zamontować na odpowiedniej platformie, aby uzyskać precyzyjne wyniki.

Jedynym definitywnym sposobem potwierdzającym znalezienie złoża ropy naftowej jest wykonanie próbnych odwiertów.

Dzięki ciśnieniu panującemu w złożu możliwy jest samodzielny wypływ surowca na powierzchnię. Gaz ziemny występuje najczęściej pod znacznym ciśnieniem.

Ropa naftowa jest przerabiana w wyniku destylacji frakcyjnej i w procesie krakingu.

Procesy zachodzące podczas krakingu polegają na zrywaniu długich łańcuchów węglowych na krótsze i prostsze. Proces ten zachodzi na zasadzie reakcji rozkładu katalitycznego lub termicznego. Zastosowanie krakingu jest bardzo duże, zwłaszcza w branży petrochemicznej oraz rafineryjnej. Benzyna, która jest otrzymywana w czasie krakingu charakteryzuje się wysoką liczbą oktanową. W skład gazów wchodzą węglowodory nienasycone, które są wykorzystywane w reakcjach syntezy chemicznej. Proces krakingu termicznego zachodzi pod ciśnieniem 5MPa oraz w temperaturze równej 400-7000C. Jest to kataliczny proces destylatów próżniowych. Wyniku tego procesy uzyskujemy dodatkowe ilości olejów, benzyny oraz nafty. Proces ten ma miejsce w zbiorniku pod wysokim ciśnieniem, w którym ogrzewana jest nafta oraz oleje ciężkie.

Procesy destylacji frakcyjnej opierają się na tym, że skład pary wrzącej mieszaniny ciekłej jest inny niż skład ciekłej mieszaniny. W wyniku skraplania wydzielającej się pary z wrzącej cieczy, jesteśmy w stanie otrzymać kilka frakcji destylatu charakteryzujących się odmiennym składem niż ciecz destylowana. Proces rektyfikacji kilkukrotnym destylowaniu destylatu w celu uzyskaniu lepszej czystości. Jesteśmy w stanie otrzymać frakcję różniące się między sobą tylko o jeden stopień, jeżeli weźmiemy pod uwagę ich temperatury wrzenia.

Temperatury wrzenia w reakcji destylacji ropy naftowej:

- < 110C- gaz opałowy;

- 110C- benzyna oraz paliwa silnikowe;

- 180C- nafta;

- 260C- oleje opalowe;

- < 340C- smoła, masy bitumiczne oraz asfalt.

Dobrze prosperujące rafinerie w procesie destylacji są w stanie uzyskać około 1000 baryłek w ciągu 24 godzin.

Produkty powstałe w wyniku obróbki ropy naftowej są wykorzystywane w celach energetycznych (oleje opałowe, gazy opałowe oraz benzyna) oraz w branży chemicznej (smary), do budowy nawierzchni bitumicznych.

Produkty przeróbki ropy naftowej o największym znaczeniu to:

- gaz parafinowy (z niego otrzymujemy parafinę);

- paliwa (benzyna samochodowa, nafta, oleje opałowe oraz napędowe, gaz płynny, benzyna lotnicza);

- koks naftowy oraz asfalt;

- oleje smarowe;

- smary stale.

Są stosowane różne techniki w czasie przerabiania ropy naftowej. Wszystko jest uzależnione od typu ropy naftowej i produktów, które chcemy otrzymać.

Gaz ziemny jest najlepszym pod względem ekonomicznym paliwem stosowanym przez indywidualne osoby.

Gaz ziemny jest znacznie lepszym surowcem energetycznym niż inne stosowane aktualnie na świecie.

Węgiel kamienny nie wydostaje się na powierzchnię ziemi samoczynnie. Metody wydobywcze zależy w dużej mierze od głębokości zalegania pokładów. Występują dwa typy kopalni: odkrywkowa oraz podziemna. Kopalnie podziemne to systemy tuneli, które przecinają złoża. Metoda odkrywkowa to stopniowe odkrywanie warstw, które pokrywają pokłady węgla. Stosowana może być, gdy węgiel zalega na nieznacznej głębokości.

Węgiel kamienny może być wykorzystywany bezpośrednio w czasie spalania, ewentualnie po chemicznej przeróbce w celach energetycznych, jest także surowcem w przemyśle chemicznym.