Carboni fossili
Esistono diversi tipi di carboni, che si differenziano a seconda dell’età (carbogenesi): 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 | 2 500 - 4 500 |
| Torba | 1,30 | 3 000 - 4 500 |
| Lignite | 0,97 | 4 000 - 6 200 |
| Litantrace | 0,72 | 7 600 - 9 000 |
| Antracite | 0,29 | 8 300 - 9 000 |
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.
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 veloce e totale 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 Iseo, Varese, Verona, Udine; alle foci di fiumi come Po, Adige, Arno, Tevere.esse ammontano a circa 36 milioni di tonnellate.
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)
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 | 6 490 |
| Xiloide | 112 | 38 | 15,7 | 4 960 |
| Torbosa | 217 | 45 | 27,4 | 4 100 |
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:
Litantrace
Il litantrace è il carbon fossile inteso nel senso vero e proprio del termine.
Duro e compatto, presenta in genere una percentuale molto bassa di umidità dell'ordine del 2- 3 % con un tenore di ceneri abbastanza piccolo, che di solito e sul 3-7% e solo raramente raggiunge valori più elevati.
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, secondo Gruner, in cinque grandi categorie in base a due proprietà fondamentali:
- il tenore di sostanze volatili: litantraci a lunga fiamma: sostanze volatili > 25%; litantraci a corta fiamma < 25%
- il potere cokificante: litantraci grasse: coke compatto e coerente e con elevato potere cokificante; litantraci magre: coke pulverulento e incoerente e con basso potere cokificante.
Il termine sostanze volatili indica quella frazione che in seguito al riscaldamento necessario per ottenere il coke viene eliminata sotto forma di composti gassosi.
la lunghezza della fiamma è in relazione con il tenore delle sostanze volativi, le quali durante la combustione in parte distillano e poi bruciano, originando appunto a seconda della quantità fiamme più o meno lunghe.
| Litantrace | % C | % S.V. | Aspetto del coke | Potere calorifico sup. (kcal/kg) |
|---|---|---|---|---|
| Magro a lunga fiamma | 75 – 80 | >40 | Incoerente | 7800-8200 |
| Grasso a lunga fiamma | 80 – 85 | 40 – 32 | Coerente molto poroso | 8200-8800 |
| Grasso propriamente detto | 85 – 88 | 32 – 26 | Coerente poroso | 8700-8900 |
| Grasso a corta fiamma | 88 – 90 | 26 – 18 | Coerente poco poroso | 8700-9000 |
| Magro a corta fiamma | 90 – 93 | 18 – 10 | Incoerente | 8600-8900 |
i litantraci più pregiati sono i grassi a corta fiamma e i grassi propriamente detti, dai quali si può ricavare un coke relativamente poco poroso e dotato di elevata resistenza meccanica alla compressione.
Esso trova largo impiego nella produzione della ghisa a partire dai minerali di ferro e viene perciò chiamato coke siderurgico
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.
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.
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 dal 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.
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 peso 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.
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.
