ugljen

ugljen, prirodno čvrsto fosilno gorivo koje se vadi iz različitih dubina Zemljine kore, gdje se nalazi pokriveno sedimentnim slojevima, često tvoreći goleme naslage. Pripada skupini kaustobiolita, stijena organskog podrijetla koje mogu gorjeti. Ugljen je važno vrelo energije sadašnjice.

Postanak

Ugljen je pretežno biljnoga podrijetla. Nastao je od ostataka bujne flore iz pradavnih geoloških epoha, pri čem su, ovisno o vrsti ugljena, dijelom sudjelovali i organski ostatci životinjskoga podrijetla. Nakon uginuća biljnih i životinjskih organizama započeli su biokemijski procesi postupne razgradnje složenih organskih tvari u kopnenim slatkovodnim, močvarnim sredinama. Pod osobitim geološkim i fizikalnim uvjetima, bez prisutnosti atmosferskoga kisika, proces raspadanja trajao je kroz duga geološka razdoblja. Izdvajali su se hlapljivi produkti (ugljikov dioksid, metan i voda), preostala kruta organska tvar postajala je sve bogatija ugljikom, a sve siromašnija vodikom i kisikom. Slijeganjem tla biljna se masa obnavljala i prekrivala starije ostatke organske tvari. Te su organske ostatke prekrivale mirujuće vode i tako ih odvajale od zraka. Pod djelovanjem ograničene količine u vodi otopljenoga kisika i aerobnih bakterija započelo je truljenje organskih tvari, a poslije se ono nastavljalo pod djelovanjem anaerobnih bakterija. Organska je tvar postupno prelazila u humusne tvari i konačno u treset, ishodišnu tvar za postanak ugljena. U drugoj se fazi tlo i dalje slijegalo, pa su slojeve treseta prekrili anorganski slojevi (pijesak, glina, lapor). Daljnjim spuštanjem taložnoga prostora i povećanjem sedimenata povećavali su se tlak i temperatura. Započeli su geokemijski procesi, pretvorba treseta u ugljen (pougljenjivanje ili karbonizacija). Za razliku od opisanoga humusnog ugljena, pri stvaranju sapropelnih ugljena glavne ishodišne tvari bile su životinjskoga podrijetla. Krajnji je proizvod pougljenjivanja grafit. (→ šungit)

Ugljenonosni bazeni prostrana su uleknuća u Zemljinoj kori koja mogu sadržavati više ležišta. Ležišta su najčešće formirana u udubljenim dijelovima slojeva (sinklinalama). Debljina ugljenih slojeva u povoljnim okolnostima može biti i veća od 100 m. Ležišta ugljena po svojem postanku mogu biti autohtona, ako su nastala i nalaze se na mjestu rasta i ugibanja matične biljne mase, ili alohtona, ako je treset ili već stvoreni ugljeni sloj djelovanjem erozije razoren i vodom prenesen na drugo mjesto. Ugljenom se naziva i proizvod suhe destilacije drva. (→ drveni ugljen)

Sastav i svojstva

Tri su osnovna dijela ugljena: čista goriva tvar, pepeo i voda. Čistu gorivu tvar čini osnovna organska komponenta ugljena, koja se sastoji ponajprije od ugljika i vodika te kisika, dušika i sumpora. Sumpor u ugljenu može biti u elementarnom obliku, te u obliku sulfida ili sulfata. Elementarni i sulfidni sumpor povećavaju toplinsku vrijednost ugljena, ali su nepoželjni, jer proizvod njihova izgaranja (sumporov dioksid) razorno djeluje na uređaje i zagađuje zrak. Osim toga, povećavaju samozapaljivost ugljena, što je njegovo nepoželjno svojstvo prilikom uskladištenja. Pepeo zaostaje nakon izgaranja ugljena, a potječe od anorganskih, mineralnih primjesa: to su različiti karbonati, silikati, sulfidi, sulfati, oksidi, soli, gline, lapori, koji su u ugljen ušli iz matične organske tvari ili poslije iz voda u tresetištu.

Tvrdoća je ugljena malena, na Mohsovoj ljestvici tvrdoće iznosi 1 do 3. Gustoća mlađih ugljena iznosi približno 1,2 g/cm³, a starijih ugljena do 1,6 g/cm³. Toplinska vrijednost ugljena kreće se u vrlo širokom rasponu, od 6000 kJ/kg do 30 000 kJ/kg (za antracit i više od 35 000 kJ/kg), a ovisi o udjelu pepela i vode, pa se preračunava na čistu gorivu tvar, bez vode i pepela. Zato se razlikuju tzv. gornja i donja toplinska vrijednost. Gornja toplinska vrijednost odnosi se na toplinu koja se oslobađa potpunim izgaranjem ugljena, s time da se proizvodi izgaranja vrate na početnu temperaturu, a voda nastala izgaranjem ostaje u kapljevitom stanju. Donja se toplinska vrijednost proračunava iz gornje oduzimanjem topline utrošene na isparavanje vode. Pepeo i voda u ugljenu smanjuju njegovu toplinsku vrijednost. Tehničkom analizom ugljena određuje se udjel vode, sumpora, pepela, toplinska vrijednost i gustoća, a imedijatnom analizom hlapljive tvari, čista goriva tvar, pepeo i koks. Hlapljive tvari izdvajaju se iz ugljena zagrijavanjem do 875 °C.

Petrografski sastav ugljena određuje se mikroskopski. Četiri su glavne skupine većih petrografskih jedinica ugljena (litotipovi). Duren pokazuje tamne pruge, čvrst je i ne raspada se, može činiti samostalne slojeve. Fuzen je također taman, mekan, lako se raspada, prlja prste, podsjeća na čađu, ne čini samostalne slojeve. Klaren čini složenu, sjajnu komponentu s mnogo amorfnoga veziva, može samostalno činiti slojeve. Vitren je izrazito sjajan, krhak, pravilne kalavosti, ne čini slojeve, već dolazi u proslojcima. Mikrolitotipovi su sitni, mikroskopski dijelovi ugljena sa značajkama kao i litotipovi (označuju se sufiksom -it). Tamni su durit i fuzit, a sjajni klarit i vitrit.

Vrste ugljena

Brojne su podjele ugljena. U podjeli po matičnoj tvari postoje tri skupine: humusni ugljen, nastao od biljne mase, liptobioliti, nastali od biljnih dijelova otpornih na preobrazbu i pougljenjivanje, te sapropeliti, nastali od životinjskih ostataka, pretežno zooplanktona i fitoplanktona.

Najčešća je podjela ugljena po stupnju pougljenjenja, i to na smeđi i kameni. Tom je podjelom u stanovitoj mjeri iskazana i kakvoća ugljena, posebno s obzirom na toplinsku vrijednost. Geološka starost smeđeg ugljena procjenjuje se približno na 10 do 50 milijuna godina, a kamenog na 250 do 300 milijuna godina. Najpogodnija geološka razdoblja za stvaranje ugljena bila su tercijar u eri kenozoika te donji perm i karbon u eri paleozoika. Tijekom obaju razdoblja vladala je vrlo topla i vlažna klima uz bujnu vegetaciju. U tercijaru to su bile četinjače, palme i listopadno drveće, a u karbonu goleme paprati.

Smeđi ugljen

Smeđi ugljen nastao je od močvarnoga zeljastog bilja uz sudjelovanje tadašnjega šumskoga drvenastog bilja. Boje je svijetlosmeđe, smeđe, crnosmeđe do potpuno crne. Smeđi ugljen većinom je humusni, a samo rijetko sapropelni. Postoji više vrsta smeđeg ugljena, koje se međusobno mogu makroskopski razlikovati po izgledu, boji i strukturi. To su meki, zemljasti, škriljasti i čvrsti smeđi ugljen. Meki smeđi ugljen naziva se lignitom. To je najmlađi smeđi ugljen s vidljivim ostatcima matične biljne tvari, katkad s izraženom drvenastom strukturom, boje je žute do tamnosmeđe. Svježe iskopan, može sadržavati do 50% vode; sušenjem na zraku vlaga mu se smanjuje na 25 do 15%. Uskladišten, lako se mrvi i raspada. Zemljasti smeđi ugljen svijetlosmeđe je do tamnosmeđe boje, neravna, zemljasta izgleda lomne plohe. Često sadrži velike udjele pepela i vode. Gubitkom vlage mrvi se i raspada. Škriljasti smeđi ugljen ima škriljast izgled lomne plohe, ne gubi lako vodu i rijetko se raspada u prašinu. Čvrsti smeđi ugljen (taman i sjajan) kompaktan je, crne boje, bez vidljivih ostataka matične biljne tvari. Može sadržavati do 15% vode. Čvrsti tamni smeđi ugljen nema sjaja, a lomna ploha, koja nije usporedna sa slojevitošću, ima kockast, rjeđe školjkast izgled. Ne raspada se i ne gubi boju. Čvrsti sjajni smeđi ugljen najtvrđi je među smeđim ugljenima. Izraženoga je sjaja. Izgled lomne plohe može biti školjkast, rjeđe kockast. Postoje i posebne vrste smeđega ugljena. Ksilit je čest u lignitu i najnižega je stupnja pougljenjenja. To je ostatak debala, grana i korijena koji se nalaze u lignitnoj masi. Sušenjem se raspada po godovima drveta, može se obrađivati kao drvo. Od ksilita je moguće izraditi ukrasno pokućstvo. Piropisit ima povećan udjel bitumena, a tzv. papirnati uglljen tankoslojan je, listićast, s povećanim udjelom pepela i bitumena.

Kameni ugljen

Kameni ugljen je među ugljenima na najvišoj cijeni zbog velike toplinske vrijednosti. Nastao je u okolnostima vrlo tople i vlažne klime uz vrlo bujnu vegetaciju. Crn je, čvrst, sjajan, uglavnom kockasta ili rompskoga izgleda lomne plohe. Vrste kamenoga ugljena teško se mogu razlikovati pogledom, pa se to čini na temelju razlika u pogledu udjela hlapljivih tvari, toplinske vrijednosti (bez vode i pepela), omjera dušika i kisika prema vodiku i izgleda koksnoga ostatka. Crt i ogreb kamenoga ugljena su crni, destilat djeluje alkalno. Prema porastu udjela hlapljivih tvari i smanjenju udjela ugljika, kameni se ugljen dijeli na antracit, poluantracit, masni, mršavi, plinski i plameni ugljen. Uz karakterističan humusni kameni ugljen postoje i posebne vrste koje sadrže različite udjele bitumena: cannel (gori kao svijeća) i boghead služe za dobivanje ulja, parafina i kerozina, gagat ima vrlo velik udjel bitumena, tvrd je, može se polirati i služi za izradbu nakita, a bio je poznat i u prapovijesno doba.

Nalazišta

Bogata ležišta smeđeg ugljena prostiru se u širokom pojasu, od Azije preko srednje i južne Europe do Sjeverne, Srednje i Južne Amerike. U Hrvatskoj se ležišta čvrstoga sjajnog smeđeg ugljena nalaze u Hrvatskom zagorju (Golubovec, Krapina, Ljubelj, Mali Tabor, Pregrada, Putkovec, Radoboj, Zajezda) i u Dalmaciji (Siverić, Velušić), a ležišta lignita u nizu mjesta: Konjščina, Ivanec-Ladanje, Ludbreg-Koprivnica, Bilogora i pokupsko-vukomerički bazen.

Kameni ugljen raširen je po cijeloj Zemlji, često u obilnim naslagama. Poznata su svjetska ležišta u SAD-u (Pennsylvania, Virginia i dr.), Ukrajini, Rusiji, Kini, Velikoj Britaniji (Južni Wales, Midlands), Njemačkoj (Ruhr, Saarland), Poljskoj (Gornja Šleska), sjeveroist. Indiji, DNR Koreji i Republici Koreji, zap. Australiji, Južnoafričkoj Republici i dr. U Hrvatskoj kamenog ugljena ima u istarskom ugljenonosnom bazenu (Raša, Koromačno, Podlabin, Ripenda, Pićan, Tupljak); taj ugljen sadrži velik udjel sumpora (oko 7%), a u jami Tupljak 10%, ponegdje čak do 11%. Ima kvalitetu koksnoga ugljena, ali zbog velikog udjela sumpora nije uporabljiv u metalurške svrhe. U velikom dijelu hrv. ležišta geološke su prilike složene pa je otkopavanje otežano.

Dobivanje ugljena

Ugljen se vadi iz zemlje na rudarski način (→ rudnik). Budući da se ugljen stvarao kroz dugu geol. prošlost, može se naći na mnogim mjestima u Zemljinoj kori, na površini i u velikim dubinama, pa se vadi u jamskim i u površinskim kopovima. Ovisno o složenosti uvjeta rudarenja, lignit i čvrsti smeđi ugljen otkopavaju se ugl. do dubine od nekoliko stotina metara, a kameni i do dubine od 1000 m. Ugljen kakav dospijeva iz jame nije odmah prikladan za transport i uporabu, jer je različite veličine, od prašine do krupnih komada, a sadrži i mnogo jalovine (pijesak, lapor, glina, kamen). Zbog toga se u separacijskim uređajima, neposredno uz ugljenokope, pere i odvaja od jalovine i s pomoću sustava sita klasira po krupnoći.

Povijest dobivanja

Vjeruje se da su Kinezi tisuću godina pr. Kr. koristili ugljen za taljenje bakra, isparavanje solnih otopina te u proizvodnji porculana. Teofrast iz Ereza, učenik Aristotelov, spominje uporabu ugljena u kovačnicama. Rimljani su ugljen koristili u kovačnicama, za pečenje vapna i za zagrijavanje prostorija. Prvi zapisani pouzdani podatci iz 1113. govore o otkopavanju ugljena u bazenu Aachena na nizozemsko-njem. granici. O uporabi ugljena u Kini pisao je 1298. Marko Polo. Širenje uporabe ugljena započelo je u XVIII. st., na početku industr. revolucije, pošto je J. Watt usavršio parni stroj za široku uporabu. Tijekom XIX. st. ugljen je bio gl. izvor energije za pokretanje brodova i vlakova. God. 1880. ugljen se počeo koristiti i za dobivanje el. energije. Potražnja za ugljenom i njegova potrošnja bile su se smanjile nakon šire primjene novih izvora energije, ponajprije nafte i prirodnoga plina, ali su u novije doba zbog njihovih sve manjih zaliha i sve većih cijena, važnost i uporaba ugljena ponovno u porastu.

Uporaba

U svojoj najširoj primjeni ugljen služi kao izvor energije, koja se kao toplinska energija dobiva njegovim izgaranjem. Udjel ugljena u ukupnoj svj. potrošnji primarnih oblika energije iznosi 25%, a u proizvodnji el. struje 40%. Osim kao izvor energije, ugljen ima iznimno široku primjenu, ponajprije kao sirovina u proizvodnji sirovoga željeza te niza kem. spojeva i proizvoda (→ karbokemija). Bogat je izvor različitih org. spojeva katran kamenoga ugljena (→ katran). Kameni ugljen rabi se za dobivanje koksa suhom destilacijom. U novije se doba u te svrhe dijelom rabi i smeđi ugljen. Termičkom preradbom ugljena dobivaju se generatorski plinovi, a hidrogenacijom tekući ugljikovodici, ugl. benzin i plinsko ulje. Ekstrakcijom otapalima koja otpuštaju vodik provodi se blaga neizravna hidrogenacija, a dobivaju se ekološki vrijedna tekuća pogonska goriva bez sumpora i mineralnih tvari, no taj je postupak složen i skup. Bitumen se iz ugljena ekstrahira benzenom, a među proizvodima je i montan-vosak. Niskotemperaturno isplinjavanje ugljena je švelanje. Od ugljena se mogu dobiti i mnogi drugi proizvodi kao grafit, čađa, polimerni materijali itd. Ugljena se prašina rabi u termoelektranama ili se briketira.

Zalihe i proizvodnja

Prema grubim procjenama, svj. zalihe ugljena mogle bi dostajati za daljnjih 200 god. ako bi se zadržao današnji tempo iskorištavanja. Na kraju 2007. ukupne svj. zalihe svih vrsta ugljena bile su 847,5 · 10⁹ t. Od toga na Srednji istok otpada 0,2%, Južnu i Srednju Ameriku 2,0%, Afriku 5,8%, Sjevernu Ameriku 29,5%, juž. Aziju i Pacifik 30,4%, Europu i sjev. Aziju 32,1%. Svj. proizvodnja kamenoga ugljena 2006. iznosila je 5370 · 10⁶ t, a potrošnja 5339 · 10⁶ t. Proizvodnja se u odnosu na 2005. povećala za 8,8%, a u odnosu na 1980 (25-godišnje razdoblje) za 92%. Najveći je proizvođač kamenoga ugljena 2006. bila Kina (2482 · 10⁶ t), zatim SAD (990 · 10⁶ t) i Indija (427 · 10⁶ t). Proizvodnja smeđega ugljena iznosila je 914 · 10⁶ t i u odnosu na 2005. povećala se za 0,9%, a najveći je proizvođač bila Njemačka.

U Hrvatskoj su se ugl. svi ugljenokopi zbog nerentabilnosti zatvorili u razdoblju od druge pol. 1960-ih do prve pol. 1970-ih. Ostala je bila još proizvodnja u Istarskim ugljenokopima, a zadnja jama, Tupljak, prestala je raditi 1999. Nakon toga se u Hrvatskoj ugljen više nije otkopavao. Od 1975. do 1990. obavljena je procjena zaliha ugljena uz dodatna istraživanja radi potvrde poznatih i mogućnosti nalaženja novih zaliha. Dubokim bušenjem u istraživanju nafte ustanovljeni su slojevi ugljena niskoga stupnja pougljenjenja na dubini od nekoliko stotina metara, pa i do 1000 m. Procjenjuje se da zalihe lignita iznose 225 · 10⁶ t, i to u konjščinskom bazenu (Poljanica-Sušobreg, Vrbovo, Batina), ivanečko-ladanjskom bazenu, Vukomeričkim goricama, koprivničko-križevačko-bilogorskom bazenu (Petrov Dol, Vojakovački Kloštar), posavskom bazenu, području Korduna i Banovine (Pješćanica) i Dalmaciji (Košute-Turjaci, Sinj). Zalihe čvrstoga smeđeg ugljena procjenjuju se na 37 · 10⁶ t u Murskom Središću te u Dalmaciji (Bukovica, Siverić), a kamenoga ugljena u Istri na 4 · 10⁶ t (Pićan-Tupljak).