Carbone fossile
Caratteristiche e proprietà del carbone fossile
Il carbone (o carbon fossile) è un combustibile fossile formato da un gel di macromolecole organiche, in prevalenza a carattere ciclico, quale risultato di reazioni di policondensazione e di demolizione tra i costituenti della flora del Paleozoico.
La sostanza organica è costituita quasi esclusivamente da carbonio, idrogeno e ossigeno, con piccole quantità di azoto e zolfo.
Vi sono più varietà di carbone e pertanto è preferibile parlare di carboni fossili.
I carboni fossili si distinguono in torba, lignite, litantrace e antracite: a queste quattro classi corrispondono numerosi tipi, il cui studio rientra più nella petrografia che nella chimica.
Spetta poi alla merceologia la loro classificazione a seconda dell'uso e delle caratteristiche petrologiche e chimiche.
- La torba viene considerata lo stadio iniziale del processo di carbonizzazione (coalification) ed è di origine quaternaria;
- La lignite è di origine terziaria e nei suoi vari tipi rappresenta uno stadio intermedio tra la torba e il litantrace;
- Il litantrace è, per la sua importanza, il classico carbon fossile e per la sua formazione appartiene al Carbonifero o Carbonifero-Permiano;
- L'antracite, di formazione più antica, è quella che contiene più carbonio, come risulta dalla tabella seguente.
Composizione approssimativa del legno e dei carboni fossili
Per l'entità dei giacimenti e per l'uso pratico, il litantrace, nelle sue numerose varietà, è il carbon fossile più importante e si può affermare che la carbochimica verta principalmente sulla sua utilizzazione industriale; esso è inoltre il combustibile solido più adoperato.
Origine del carbone fossile
Tutte le varietà di carbon fossile hanno un'origine vegetale e rappresentano lo stadio finale di un processo di decomposizione, protrattosi per milioni di anni, di piante e detriti vegetali sotto l'azione combinata della temperatura, della pressione e dei microrganismi.
Da un esame della distribuzione geografica dei principali giacimenti di carbone si deduce che quelli in vicinanza delle aree del Nord Atlantico e dell'Artico hanno avuto origine nel Carbonifero, mentre intorno all'oceano Indiano ebbero origine nel Permiano. Nel Mesozoico si sono formati vari giacimenti in diverse zone. Al Cenozoico appartiene la formazione delle ligniti e delle torbe.
Nel processo geologico di formazione del carbone, oltre allo stadio geochimico, durante il quale sono avvenute le trasformazioni dovute a reazioni chimiche che caratterizzano le formazioni umolitiche del Carbonifero, si distingue lo stadio biochimico, che comprende specialmente le formazioni torbose.
Una netta separazione tra questi due stadi non è sempre possibile; tuttavia sono stati osservati stadi di transizione tra torba e lignite e tra lignite e carbone, mentre non sono stati osservati strati di torba sotto i depositi di lignite e di lignite sotto i depositi di carbone.
Ciò viene assunto come una conferma dell'ipotesi della genesi del carbone dalla torba attraverso la lignite. A priori non si può escludere che alle tre varietà di carbone indicate corrispondano processi geo- e biochimici distinti e non successivi, come viene ammesso da alcuni geologi.
In molti giacimenti di carbone si osservano diversi strati separati da sabbia e argilla, il che ne indica la formazione in periodi successivi. Forti alterazioni negli strati di copertura sono certamente avvenute nel Carbonifero, ma tali alterazioni si sono verificate anche nei periodi successivi, specialmente con la variazione della temperatura.
Miniera di carbone
Composizione del carbone fossile
La composizione del carbone è naturalmente variabile a seconda del tipo di fossile, come risulta dalla tabella precedente.
Ogni carbone contiene oltre all'elemento carbonio, generalmente allo stato colloidale, composti organici che rappresentano i termini ultimi del processo geologico di carbonizzazione dei vegetali, da cui è stato originato il prodotto.
I composti organici del carbone si designano genericamente come bitumi o composti uminici. I componenti organici contengono ossigeno e questo elemento acquista un'importanza non secondaria nella struttura del carbone.
Le sostanze azotate presenti nei vegetali subiscono, come i carboidrati, l'attacco dei microrganismi e nel processo di carbonizzazione si trasformano in parte in ammine e in sostanze organiche azotate più complesse, che si ritrovano nel carbone (0,6-2,8% N).
Lo zolfo si trova nel carbone in una quantità dello 0,3-4%, ma in alcune varietà di carbone liburnico il contenuto sale al 9-12%. Lo zolfo organico è costituito prevalentemente da solfuri risultanti dalla reazione tra la pirite e gli idrocarburi derivanti dalla demolizione dei carboidrati e delle proteine vegetali. Quello inorganico è costituito da pirite e marcassite.
Le sostanze minerali si distinguono in accessorie, presenti come pirite o gesso, mescolate in modo irregolare e quindi eliminabili con trattamenti meccanici, e in fisse, disseminate in modo uniforme e non eliminabili con i trattamenti meccanici di concentrazione.
Tra i componenti inorganici del carbon fossile è stato trovato lo iodio in una quantità variabile da 0,85 a 11 mg/kg.
Le ceneri sono formate da ossidi di Si, Fe, Al, Ti, Ca, Mg, K, Na, ma si trovano tracce di Mn, V, Zn, Cu, Co, Ni, Ge e P.
Classificazione del carbon fossile
Le classificazioni del carbone sono varie, a seconda dei criteri che si seguono: composizione chimica, morfologia, origine, stratigrafia, comportamento al calore, uso pratico, ecc.
Le classificazioni dei carboni fossili ebbero inizio nei primi decenni del sec. XIX, quando si cominciò a distinguere il carbone in magro, grasso, nero, bruno, lucente, bituminoso, ecc.
Il sistema di classificazione commerciale dei carboni fossili è fondato sul contenuto in prodotti volatili. I carboni con meno del 10% di prodotti volatili sono considerati del gruppo dell'antracite, quelli col 10-13% delle semiantraciti. I carboni con il 14-20% hanno vari nomi nei diversi paesi di origine, ma la denominazione più usata è quella di carbone magro; quelli col 20-30% sono i carboni da coke (semi-grassi) e quelli con più del 30% i carboni a lunga fiamma.
A seconda della pezzatura, il litantrace si distingue in carbone grosso (pezzi da 50 a 250 mm di lato), medio (25-70 mm), minuto (10-30 mm), trito, polvere o carbonella (< 5 mm) e tout venant, cioè miscela di pezzi e di polvere, come esce dalla miniera.
In Italia, a seconda della provenienza, si distingue in americano, belga, inglese, polacco, tedesco.
L'analisi chimica è però alla base di ogni rigorosa classificazione del carbone; essa permette di stabilire il comportamento del carbone alla distillazione e alla gassificazione.
Nel 1956 la commissione per il carbone della C.E.E., dopo aver preso in considerazione le varie classificazioni nazionali, si è accordata su un sistema chiamato "Classificazione internazionale dei carboni fossili per tipi".
I carboni sono dapprima suddivisi in classi da 1 a 5 in base alle materie volatili fino al limite del 33%. Quelli con un contenuto superiore di materie volatili costituiscono le classi da 6 a 9 e si differenziano in base al potere calorifico superiore. Le classi sono suddivise quindi in gruppi secondo le proprietà coesive del carbone al riscaldamento rapido. I carboni, classificati per classe e numero, sono ulteriormente suddivisi in sottogruppi in base alle proprietà di coking.
Distillazione del carbone fossile
Nella distillazione secca del carbon fossile si ottengono diversi prodotti e cioè:
- gas combustibile,
- acque ammoniacali,
- catrame,
- coke.
Tali prodotti assumono particolare importanza per l'industria e l'economia di quasi tutti i paesi civili. La composizione dei prodotti indicati varia con la natura del carbone e con la tecnica della distillazione.
Due sono le attività fondamentali legate alla distillazione del carbone, una è quella della produzione del gas domestico o di città (detto anche gas illuminante), l'altra quella del coke metallurgico, un coke adatto nell'industri siderurgica.
Queste due attività industriali producono, con la distillazione, le quattro classi di prodotti indicati, ma distillano tipi di carboni diversi con tecniche differenti.
Entrambe le industrie utilizzano razionalmente i vari prodotti, tanto che l'industria della distillazione del carbone è attualmente una delle più sviluppate anche dal lato tecnologico. Naturalmente l'industria per la produzione di coke è quella che ha maggiore importanza rispetto all'industria del gas domestico e, si può anche dire, un'importanza che si riflette sensibilmente sull'economia mondiale, dato lo sviluppo dell'industria siderurgica.
Mentre attualmente l'industria del gas domestico dal carbone è praticamente azzerata a causa dell'impiego della benzina, degli olii combustibili di petrolio e dei gas naturali, quella del coke siderurgico è in fase crescente, legata com'è al continuo aumento dell'industria dell'acciaio nel periodo attuale.
La distillazione del carbone fino a una temperatura di 600-700°C è detta distillazione a bassa temperatura; quella sopra 700°C e fino a 900°C (per il gas domestico) e 1200°C circa (per il coke) è nota come distillazione ad alta temperatura. La natura dei prodotti è diversa.
Quando il litantrace si riscalda fuori del contatto dell'aria la decomposizione comincia poco sopra 150°C e già a 200°C si nota lo sviluppo di idrocarburi insieme a vapor d'acqua; verso 250°C si svolge anche idrogeno solforato e a 300-350°C nella decomposizione si ottengono prodotti catramosi, che aumentano fino a 500-550°C. Il contenuto in idrogeno del gas che fino a 600°C è di circa il 25%, aumenta gradualmente fino a raddoppiare verso gli 800°C, mentre diminuisce la quantità di metano.
Anche il catrame, che si ottiene nella distillazione del fossile a bassa temperatura, contiene idrocarburi paraffanici, naftenici, idronaftaline ed eteri fenolici, mentre in quello ottenuto ad alta temperatura sono presenti gli idrocarburi aromatici e i fenoli liberi a causa della pirolisi che separa idrogeno dai composti naftenici e idroaromatici.
La temperatura ha quindi una grande influenza nella decomposizione della materia organica, che ancora viene denominata grossolanamente prodotto volatile.
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