Carboni fossili
Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Esistono diversi tipi di carboni, che si differenziano a seconda dell’età: il più antico è l'antracite, quindi litantrace, poi lignite e il più giovane, la torba.
La composizione chimica elementare varia con l’età, arricchendosi in carbonio e perdendo ossigeno:
| sostanza | % C | % H | % O | % N | % S | % ceneri |
| Legno | 50 – 54 | 6 – 6.5 | 43.5 – 44 | 0.3 – 0.5 | 0 | 0.5 – 1.2 |
| Torba | 50 – 60 | 5.5 – 6.5 | 30 – 48 | 0.8 – 3 | 0.1 – 0.2 | 3 – 25 |
| Lignite | 60 – 75 | 5 – 6 | 20 – 45 | 0.7 – 2 | 1 – 12 | 3 – 8 |
| Litantrace | 75 – 90 | 4.5 – 5.5 | 5 – 15 | 0.7 – 2 | 0.5 – 4 | 0.5 – 4 |
| Antracite | 92 – 95 | 2 – 2.5 | 3 | 0.5 – 1 | 0.5 – 2 | 0.5 - 2 |
Il loro potere calorifico aumenta da torba ad antracite, mentre il rapporto H/C è sempre più piccolo:
| sostanza | rapporto H/C | P.C. (kcal/kg) |
| Legno | 1.55 | 4000 – 4300 |
| Torba | 1.30 | 4500 – 5000 |
| Lignite | 0.97 | 5300 – 6000 |
| Litantrace | 0.72 | 7600 – 9000 |
| Antracite | 0.29 | 8300 - 9000 |
La formazione dei carboni risale a circa 300 milioni di anni fa, quando un clima caldo ed umido ed un’elevata concentrazione di CO2 favorirono la crescita di alberi giganti: la loro morte (favorita da inondazioni) e la successiva degradazione, assistita da funghi e batteri, hanno portato a quelli che conosciamo come carboni fossili.
Indice |
[modifica] Torba
È leggera, spugnosa, con colorazione dal bruno chiaro al nerastro.
Si è formata dalla decomposizione di vegetali in zone paludose con clima umido temperato o freddo, ma non caldo (la velocità di evaporazione dell’acqua e la decomposizione elevata non consentono la formazione di torba ad alte temperature; alcune di queste zone sono la Terra del Fuoco, le Falkland, l’Islanda, la Germania, l’Olanda, l’Austria.
Anche in Italia ci sono giacimenti di torba: sulle Alpi, in particolare colle del Moncenisio, passo del San Gottardo, colle del Piccolo San Bernardo, nelle valli del Brenta, del Piave, ad Alice presso Ivrea, a Varese, Verona, Udine; alle foci di fiumi come Po, Adige, Arno, Tevere.
La percentuale di acqua appena estratta è piuttosto alta, circa 70 – 90 %; essa può scendere per essiccamento all’aria per alcuni giorni fino a circa 50 %, lasciando per settimane si arriva al massimo al 30 %. Ottenerla artificialmente non è conveniente perché si consumano più di 4850 kcal/kg per produrre torba secca, ottenendo un prodotto con potere calorifero non superiore a 5000 kcal/kg. È poco usata come combustibile, se non in loco; il principale utilizzo è come fertilizzante (si impregna facilmente con i concimi). Le riserve italiane ammontano a circa 36 milioni di tonnellate.
[modifica] Lignite
La lignite, detta anche carbone marrone, è il livello qualitativo di carbone più basso, ed è usata quasi esclusivamente come carburante per centrali elettriche a turbina. È marrone-nerastra ed ha un alto contenuto di umidità, a volte più del 45%.
È difficile da immagazzinare e trasportare perché presenta un forte rischio di combustione, e all'aria aperta tende a polverizzarsi. Il calore generato dalla lignite varia fra i 9 e i 17 millioni di Btu/ton (da 10 a 20 MJ/kg), per materiale umido e privo di componenti minerali.
Il calore generato da lignite negli Stati Uniti è in media di 13 milioni di Btu/ton (15 MJ/kg). Esistono tre diversi tipi di ligniti: la torbosa, la xiloide e la picea. Alcune loro caratteristiche sono illustrate in tabella:
| sostanza | Riserve (milioni di tonn) | % H2O | % ceneri | P.C. sul secco (kcal/kg) |
| Picea | 71 | 10.3 | 14.4 | 6490 |
| Xiloide | 112 | 38 | 15.7 | 4960 |
| Torbosa | 217 | 45 | 27.4 | 4100 |
Grazie ad essiccamento all’aperto sotto tettoie si possono raggiungere concentrazioni di H2O del 20–25 %.
L’uso principale è come combustibile, in focolai a griglie adatti a combustibili in pezzatura minuta o in impianti a combustibile polverizzati.
Per distinguere la lignite dal litantrace esistono alcuni saggi:
- riscaldamento in assenza di aria: sviluppo di AcOH (con litantrace si libera ammoniaca);
- riscaldamento in HNO3 diluito: si liberano gas che colorano il liquido in rosso (–OH fenolici);
- riscaldamento in NaOH diluito: liquido bruno, per aggiunta di H+ precipitano fiocchi bruni (acidi umici).
[modifica] Litantracee
Sono caratterizzati da una concentrazione di acqua pari a ~ 3.5 % e di ceneri del 2–10 %.
Aumentando il tempo di fossilizzazione, diminuisce la quantità di acqua: questo è un aspetto molto importante perché la presenza di acqua fa aumentare i costi di trasporto e diminuire il P.C. del carbone.
Le litantracee sono classificate in base alla percentuale di sostanze volatili presenti (lunga fiamma: sostanze volatili > 25 %; corta fiamma < 25%) ed alla resistenza meccanica del coke ottenuto (grasso: coke resistente alla compressione; magro incoerente, si sbriciola): il coke grasso a lunga fiamma è il migliore per il coke metallurgico.
| sostanza | % C | % S.V. | Uso |
| Magro a lunga fiamma | 75 – 80 | 45 – 40 | Ceramiche e vetri |
| Grasso da gas | 80 – 85 | 40 – 32 | Gas, gassogeni |
| Grasso da fucina | 85 – 88 | 32 – 25 | Gas, cokeria |
| Grasso da coke | 88 – 90 | 26 – 18 | Cokeria |
| Magro | 90 – 93 | 18 – 10 | Caldaie, piroscafi, locomotive |
| Antracite | 93 – 95 | 8 – 10 | Riscaldamento, combustibile industriale |
[modifica] Litantrace sub-bituminoso
Le proprietà di questo materiale sono intermedie fra quelle della lignite e del litantrace bituminoso. Viene utilizzato prevalentemente come combustibile nelle centrali elettriche a turbina, bruciando genera molto fumo, e si polverizza abbastanza lentamente. Può variare a seconda del livello al quale viene estratto: cedevole al tatto, friabile, marrone scuro o nerastro negli strati inferiori, oppure più chiaro, legnoso e relativamente duro negli strati superiori.
Il litantrace sub-bituminoso può contenere umidità dal 20 al 30% del suo peso. Il calore generato da questo materiale varia dai 17 ai 24 milioni di Btu/ton (dai 20 ai 21 MJ/kg), partendo da materiale grezzo. La maggior produzione di litantrace sub-bituminoso degli Stati Uniti è il bacino del Powder River, nello stato del Wyoming.
[modifica] Litantrace bituminoso
Il litantrace bituminoso è un carbone denso, generalmente nero, a volte marrone scuro, spesso con strisce ben definite di materiale chiaro e friabile, usato principalmente nelle centrali elettriche a trubina, ma in quantità non trascurabili per riscaldamento e in impianti di produzione per ottenere coke. Produce fumo durante la combustione, e si decompone facilmente se esposto all'aria. Il litantrace bituminoso è il carbone più prodotto negli Stati Uniti. Il suo tasso di umidità è inferiore al 20%, quando non addirittura del 12% per la qualità seaborne trade, adatta al trasporto via mare.
Il suo potere calorifico varia dai 21 ai 30 milioni di Btu/ton (da 24 a 35 MJ/kg) per il materiale puro. Questa qualità di carbone negli Stati Uniti genera in media 24 milioni di Btu/ton (28 MJ/kg), allo stato grezzo.
[modifica] Antracite
L'antracite è il carbone di qualità superiore, usato principalmente per il riscaldamento domestico. È duro, fragile e nero lucido, contiene un'alta percentuale di carbonio fissato e una bassa percentuale di materia volatile. L'umidità contenuta nell'antracite appena estratta è in genere inferiore al 15%. Il potere calorico specifico dell'antracite pura varia dai 22 ai 28 milioni di Btu/ton (da 26 a 33 MJ/kg). L'antracite consumata negli Stati Uniti contiene in media 25 milioni di Btu/ton (29 MJ/kg).
A partire dagli anni 1980, gli scarti e i detriti di antracite vengono usati per la generazione di energia elettrica. Questo carburante in media contiene 15 milioni di Btu/ton (17 MJ/kg), o meno.
[modifica] Analisi e valutazione tecnologica del carbone
È possibile effettuare un’analisi elementare, per valutare la composizione percentuale nei vari elementi costituenti (% di C, H, N, S, …).
Un altro tipo di analisi è quella cosiddetta immediata, cui fanno riferimento i contratti commerciali ed i requisiti di qualità; tra queste ci sono la percentuale di acqua, di sostanze volatili e di ceneri.
La percentuale di acqua (% H2O) si determina come perdita in pesa a 105 °C; la percentuale di sostanze volatili (% S.V.) si determina, invece, come perdita in peso a 950 °C; infine la percentuale di ceneri si determina come residuo dopo calcinazione. Si effettuano anche misure della plasticità e della resistenza meccanica quali l’indice di libero rigonfiamento, il potere agglutinante ed il potere agglomerante.
L’indice di libero rigonfiamento (i.l.r.) si misura dopo riscaldamento ad 820 °C confrontando il residuo con un profilo di riferimento.
Il potere agglutinante (p.a.) si determina riscaldando il campione polverizzato e disperso in un materiale inerte; si ottiene un materiale cementato di cui si misura la resistenza meccanica: si misura l’attitudine del carbone a cementare a sé materiali inerti. È indice della compattezza e resistenza del coke ottenibile.
Il potere cokificante è invece l’attitudine del carbone, scaldato in assenza di aria, ad aumentare di volume formando una massa porosa. Si effettua scaldando il campione a 600 °C e valutando forma e consistenza del residuo.
[modifica] Comportamento al riscaldamento in assenza di aria
Inizialmente si ha una reazione endotermica (~ 150 °C) con perdita di acqua e formazione di una fase instabile M.
Tra 350 e 500 °C si ha la rottura dei legami intermolecolari, lo sviluppo di CH4 e H2 (fase G1) derivanti dalla rottura dei legami pendenti, formazione di radicali nel residuo solido e loro ricombinazione.
Si formano quindi dei prodotti di decomposizione liquidi che fungono da lubrificante per il resto del solido: si forma il cosiddetto semicoke (R), un materiale rigonfiato che si forma per solidificazione della massa solida molle.
Tra 600 e 700 °C si ha un’altra depolimerizzazione (che continua fino a 900-1000 °C) con sviluppo di un secondo gas G2 (NH3 acquosa, catrame, altri prodotti) e formazione di un solido S, il coke.
Infine si ha la risolidificazione di S, con sviluppo di calore, dovuta alla fusione totale con distruzione della struttura originaria del carbone: questa presenta unità aromatiche condensate disposte a strati, con formazione di piani paralleli a tratti.
All’inizio del processo di cokificazione (80 % di C) si ha una “struttura aperta”, caratterizzata da strati brevi, legami intermolecolari e struttura porosa. Durante il processo, quando gli idrocarburi lubrificano la massa, si ha una “struttura liquida” (89 % C) con strati più orientati e diminuzione dei legami intermolecolari e della porosità. Alla fine si ha una “struttura antracitica” (94 % C) che presenta strati più estesi e più orientati, e pori di forma allungata tra pacchetti di strati.
