Il carbone

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carbone

Il carbone, una delle principali fonti di energia utilizzate dall'uomo, è una roccia che trae la sua origine da resti vegetali i quali, in un processo metamorfico durante il quale si verificano per lungo tempo condizioni particolari di pressione e temperatura, subiscono una completa alterazione delle loro caratteristiche fisiche e chimiche. Poiché il prodotto finale di questo processo può presentarsi molto variato dal punto di vista della composizione chimica, il carbone viene classificato come una roccia, piuttosto che come un minerale. Una ulteriore suddivisione la si fa in base alla qualità, o alla purezza, definita come percentuale di carbone ottenuta; in base al tipo, che dipende dalle piante da cui ha avuto origine; al rango, che dipende dal grado di metamorfismo. Di queste tre variabili, le più importanti nella pratica sono la purezza e il grado di metamorfismo subito.
FORMAZIONE E DISTRIBUZIONE
Lo stadio iniziale di formazione del carbone è costituito dalla torba, che e un insieme di materiale organico in decomposizione, e non è considerata ancora una varietà di carbone. Tutti i tipi di torba trattengono facilmente acqua, così che il tenore di umidità nei depositi naturali saturi raggiunge il 75%. L'origine del carbone è direttamente collegata al processo di disidratazione e alterazione delle parti vegetali inizialmente contenute nei depositi di torba.
Dal punto di vista geologico, lo stadio più delicato nel processo di conservazione della torba e la sua successiva alterazione a carbone è quello che riguarda la deposizione della copertura sedimentaria sul deposito di torba. Solo in particolari condizioni geologiche è possibile la messa in posto di uno strato protettivo di sedimenti. La copertura, con il suo peso, causa la compressione del deposito, con conseguente riduzione del tasso di umidità, fornendo così un primo criterio di distinzione fra torba e lignite, che è carbone del rango più basso. Le torbiere che non vengono coperte di sedimenti subiscono degradazione microbica e ossidazione, contribuendo a formare lo strato humus del suolo. Conseguentemente, la storia geologica degli strati carboniferi dipende nelle fasi iniziali in larga misura dal loro ambiente di deposizione e il loro grado dipende soprattutto dalla loro storia geologica successiva.
Le condizioni adatte alla formazione dei depositi di carbone si sono verificate a partire dal devoniano, 390 milioni di anni fa, quando si formarono le prime torbiere per accumulo di vegetali terrestri. I depositi di età ancora più antica, la cui origine è anteriore all'avvento delle piante sulla terraferma, si sono probabilmente formati in ambiente sottomarino da resti di alghe. Però il carbone proveniente dai depositi di età devoniana non ha valore commerciale ed è solo una sorta di curiosità; i depositi di importanza commerciale si ritrovano solo in rocce geologicamente più giovani.
In Antartide si ritrova carbone risalente al permiano (con età variabile fra i 280 e i 230 milioni di anni) e al triassico (da 230 a 190 milioni di anni). Nelle Spitzbergen vengono sfruttati depositi risalenti al terziario (da 65 a 2 milioni di anni) ed anche molti dei giacimenti a basso tenore di zolfo che si inizia a sfruttare nella parte occidentale degli Stati Uniti appartengono al terziario più antico. Due letti di carbone bruno di rango molto basso, di spessore superiore ai 300 m, si trovano nei depositi terziari di Victoria, in Australia. Molto del carbone di alto rango degli Stati Uniti occidentali proviene dai depositi cretacei, con età fra i 140 e i 65 milioni di anni. Vasti depositi di età giurassica (fra 190 e 140 milioni di anni) si ritrovano nella regione di Angara, in Siberia. Il carbone di età triassica sembra essere meno frequente, tuttavia lo si ritrova nei giacimenti di Deep Rever (Carolina del Nord, USA) e in uno più piccolo a Richmond (Virginia, USA). Famosi i depositi di età permiana, il bacino del Kuznetsk (Kuzbass) nella Siberia centrale e il bacino di Fushun, in Cina e Manciuria. Il carbone ritrovato in Australia, India, Sudafrica è di età prevalentemente permiana.
I depositi di carbone più estesi e importanti, tuttavia, si ritrovano nella fascia degli Appalachi, nel bacino interno del Nordamerica; in Nuova Scozia; in Gran Bretagna; in Belgio, Olanda e depositi della Ruhr, in Germania; in Slesia e nei giacimenti del Donetz (Donbass), nella Russia meridionale. Questi ultimi si sono formati tutti nel carbonifero, cioè da 340 a 280 milioni di anni fa.
Il carbone lo si ritrova ben distribuito in ampi giacimenti e generalmente è di facile estrazione. Negli USA si trova circa il 31% delle riserve mondiali; tuttavia i maggiori produttori sono i paesi dell'ex Unione Sovietica, che insieme detengono circa il 23% delle riserve. Il 13% lo si trova in Europa, il 22% in Cina. Con l'attuale ritmo di sfruttamento, 3,5 miliardi di tonnellate annue, passeranno parecchie centinaia di anni prima che si ponga il problema dell'esaurimento del minerale. Tuttavia, le risorse non sono illimitate; già oggi in molte zone i livelli migliori e più accessibili si sono esauriti.
RANGO E CARATTERISTICHE
Dal punto di vista dello stadio di carbonizzazione, cioè del grado di compressione geologica e perdita di componenti volatili, i tre ranghi principali del carbone sono, in ordine crescente: la lignite, il carbone bituminoso e l'antracite.
La lignite è strettamente correlata alla torba, ma ha un tenore di umidità più basso. E' di colore bruno e ha un aspetto a strati nei quali si possono osservare frammenti dei residui della pianta originaria. La lignite brucia con una fiamma fumosa e tende a sbriciolarsi dopo una lunga esposizione all'aria. Ha contenuto termico inferiore a quello di ogni altro tipo di carbone, non superando le 4600 cal/g.
Il carbone bituminoso è più denso della lignite e di colore nero; nei depositi si presenta a strisce. Nei vari sistemi di classificazione esistenti vengono definiti molti gradi di carbone bituminoso. Questi vanno dai carboni subbituminosi, più simili alla lignite, ai carboni bituminosi A, B e C, altamente volatili, e alle varietà medio-volatili e basso-volatili. Il contenuto termico di questi gradi va da 5600 cal/g circa a più di 8000 cal/g. Il carbone bituminoso è il più usato per scopi industriali, sia per la produzione di energia elettrica (quando il contenuto di zolfo non superi i livelli consentiti), che per la produzione di catrame e carbone coke per distillazione. Una varietà particolare di carbone bituminoso, detto "a fiamma lunga", è altamente volatile e brucia, appunto, con una fiamma brillante; per tale ragione ha goduto di grande favore per l'uso domestico in caminetti aperti.
L'antracite è il più duro dei ranghi di carbone e ha un caratteristico aspetto nero e lucido. Anche se il contenuto termico dei carboni bituminosi dei più alti gradi può superare quello dell'antracite, quest'ultima ha più elevato tenore di carbonio e brucia con fiamma più pulita rispetto a qualsiasi tipo di carbone. Per tale ragione il carbone è stato preferito per gli usi domestici.
COLTIVAZIONE IN SOTTERRANEO
Molto poco si conosce dei primi metodi usati nell'estrazione del carbone. In Cina si usava il carbone già nel 1100 a.C., nel Galles già durante l'età del bronzo e, fino dal Medioevo, venne usato come combustibile per il riscaldamento domestico in Inghilterra.
Benché all'inizio si raccogliesse carbone soltanto dagli strati affioranti, tutta la produzione mineraria su larga scala fu in seguito effettuata in giacimenti sotterranei, dal momento che non erano ancora state sviluppate le complesse attrezzature necessarie per l'attività di superficie. L'estrazione veniva fatta a mano, tramite l'uso di picconi e spranghe per staccare il carbone dal letto roccioso. Una volta estratto, veniva caricato con le pale in cesti, scatole o carriole con ruote e portato all'esterno. Più tardi si svilupparono veicoli da miniera, che erano tirati su tavole coperte di strisce metalliche e, infine, su rotaie. La potenza necessaria per il trasporto veniva fornita da uomini, cani, ponies, muli e cavalli. Alla fine del sec. XVIII fu introdotto l'uso della polvere nera per frantumare con l'esplosione la massa di carbone. I fori necessari all'introduzione dell'esplosivo venivano fatti a mano. A mano veniva fatto anche il sottotaglio, una procedura con cui il carbone viene tagliato via dalla base dello strato in modo da scoprire una superficie libera che possa essere frantumata dall'esplosivo. Il macchinario di base fu sviluppato alla fine del Settecento e nell'Ottocento; soprattutto, rappresentarono un aiuto fondamentale per le attività estrattive in sotterraneo la locomotiva per il trasporto del materiale e le pompe per il drenaggio dell'acqua.
Dopo la prima guerra mondiale, il petrolio e il gas naturale cominciarono a sostituire il carbone nelle piccole industrie e nel riscaldamento domestico, grazie alla loro convenienza economica. L'introduzione delle locomotive diesel produsse un ulteriore restringimento del mercato del carbone; questa perdita fu in parte compensata dalla richiesta delle centrali termoelettriche per la produzione di energia. La conseguenza del restringimento del mercato è stata la richiesta di una maggior meccanizzazione, in modo da incrementare la produttività e rendere il carbone competitivo col petrolio e con il gas naturale.
Nei moderni metodi minerari, l'accesso ai cantieri sotterranei avviene in tre modi. Nelle miniere con ingresso a pozzo, il banco di carbone viene portato alla luce su un fianco di collina o montagna e le gallerie vengono aperte direttamente sul filone. Questo è generalmente il modo più semplice ed economico di aprire una miniera di carbone in sotterraneo. Nelle coltivazioni a discesa inclinata, ci si apre l'accesso al banco di carbone attraverso un'apertura in pendenza che attraversa gli strati. Se il banco stesso è inclinato, la coltivazione può seguire il filone. Un metodo di questo tipo viene solitamente praticato quando la copertura sterile è limitata. Nelle miniere a pozzo, si raggiunge il filone carbonifero direttamente dalla superficie tramite un'apertura verticale. Le condizioni degli strati possono richiedere metodologie che sono una combinazione di queste.
Una volta raggiunto il filone, lo si può coltivare in tre diversi modi classificati, in base al tipo di equipaggiamento usato, come convenzionali, continui e per grandi fronti.
Estrazione convenzionale. Il carbone viene tagliato alla base con una sega a catena su ruote. Quindi si praticano dei fori nel carbone, mediante perforatori mobili, elettrici o idraulici. I fori vengono riempiti di esplosivo o altro materiale dirompente che causa il distacco del carbone dal filone. Una particolare macchina carica il carbone su appositi carrelli mobili che lo inviano sia a nastri trasportatori sia a veicoli per il trasferimento in superficie. Nella miniera ora è necessaria una struttura che ne sorregga il tetto; può essere costruita con armature di legno, barre d'acciaio messe su puntelli, o più di frequente con bulloni da tetto, barre d'acciaio ancorate a fori praticati sul tetto che formano una copertura laminare sugli strati rocciosi sovrastanti.
Metodo continuo. Nel metodo di estrazione continuo si usa una macchina sola, detta "minatore continuo", che sostituisce il taglio, il foro, gli esplosivi e le macchine da carico usate nei metodi di estrazione tradizionale. Questa macchina frantuma il carbone e lo introduce in carrelli che a loro volta lo trasportano ai nastri mobili o ai veicoli.
I tre tipi di attrezzi usati sono trivelle, estrattori e mulini. Le trivelle tagliano o rompono il carbone per mezzo di braccia ruotanti disposte di piatto rispetto alla superficie del filone. Gli estrattori sono degli escavatori a catena verticale che operano sulla superficie del filone. Questa macchina, simile a un sottoescavatore, può provvedere al caricamento del carbone che taglia o rompe ed è superiore alle trivelle per quanto riguarda le dimensioni dell'apertura della galleria. Il mulino, o escavatore a tamburo, asporta il carbone con punte montate su una testa, o tamburo, ruotante verticalmente e parallela alla superficie del filone. E' largamente usato nell'industria estrattiva moderna.
Coltivazione per grandi fronti di direzione. In questo modo di operare sono portati in vista con altri sistemi blocchi di carbone di notevole estensione, da 100 a 200 m, che vengono successivamente estratti con operazioni continue, usando martinetti idraulici autoavanzanti che provvedono a sorreggere il tetto della galleria durante le operazioni di escavazione. Questi martinetti (cunei) avanzano contemporaneamente al lavoro di estrazione, lasciando cadere il tetto della galleria dietro. I macchinari usati tagliano il carbone parallelamente alla superficie del filone. Il carbone cade in trasportatori a catena che lo convogliano verso trasportatori a nastro. I due tipi di macchinari generalmente usati nell'estrazione per grandi fronti sono pale meccaniche e tranciatrici.
Sviluppo della miniera. Con l'uso delle tecniche sopra descritte, lo sviluppo della miniera segue uno schema ad "aperture e colonne". Le aperture sono gli spazi dai quali è stato estratto il carbone, e le colonne sono i blocchi di carbone che vengono lasciati come supporto del tetto della galleria. Serie di aperture vengono collegate con tagli incrociati. Quando la miniera è esaurita, i pilastri lasciati durante i precedenti lavori possono essere coltivati. Questa tecnica è conosciuta come coltivazione in ritirata. Spesso la coltivazione si sviluppa su due o più filoni; se viene coltivato per primo il filone superiore, ciò non preclude il successivo sfruttamento del filone inferiore.
MINIERE A CIELO APERTO
La coltivazione in superficie, comunemente detta a cielo aperto, cominciò a svilupparsi nel 1910, quando entrarono in uso le pale a vapore. Oggi circa il 60% del carbone viene estratto in miniere a cielo aperto.
Questo tipo di coltivazione può essere effettuato in tre diversi modi: areale, di contorno, a pozzi aperti. Il primo viene praticato in aree dove il filone coltivabile sia presente in giacitura relativamente piatta sotto una copertura livellata o appena ondulata. Quando si verificano queste condizioni, si può effettuare la coltivazione usando sia un escavatore a benna, sia una pala per praticare nella copertura del filone una serie di aperture parallele. Lo strato superficiale di terreno viene eliminato per primo e messo da parte per successive opere di bonifica. Il materiale di copertura rimosso da ciascuna apertura viene depositato nelle precedenti zone di estrazione, dopodiché la coltivazione è esaurita. Si creano in questo modo delle alture che devono essere livellate e bonificate con una copertura di terreno fertile.
La lavorazione di contorno si usa in territori collinosi e montuosi; la coltivazione inizia dall'affioramento e lo segue lungo il suo profilo. Anche qui lo strato di suolo superficiale viene rimosso e accantonato per la successiva bonifica. Quando tutti gli scavi sono stati riempiti di questo materiale, si procede alla livellazione e copertura con terreno fertile. Questo metodo è conosciuto come "metodo del riporto". Un altro modo di procedere è quello di rimuovere la cima di una montagna e riempire una valle, creando così paesaggi piatti al posto di aree collinose o montagnose.
La trivellazione viene usata quando sono stati raggiunti i limiti economici di una normale estrazione a cielo aperto. A questo punto il filone è ancora esposto lungo il fronte dello sbancamento. Per recuperare il carbone si possono applicare diverse metodologie. Se il tonnellaggio del giacimento è ancora notevole, si procede ad una estrazione convenzionale in sotterraneo. Tonnellaggi inferiori possono suggerire di ricorrere a una lavorazione sotterranea a "punzonatura" o alla trivellazione. La trivella è uno strumento simile a un grosso trapano che penetra nel carbone con le punte a spirale e lo stacca dal filone. Con questo metodo si può estrarre carbone fino a profondità da 60 a 90 m.
GASSIFICAZIONE DEL CARBONE
La gassificazione del carbone è un processo per convertire il carbone in gas, che possono essere usati come combustibili o come materia prima per la produzione di prodotti chimici o fertilizzanti (nella liquefazione del carbonio si usano processi simili per ottenere sia prodotti liquidi di petrolio che gas combustibili).
Per convertire il carbone in gas, le molecole pesanti degli idrocarburi del carbone devono essere spezzate in altre più leggere ("cracking") in processi ad alta temperatura e alta pressione che comportano la reazione del carbone con acqua e ossigeno. Il primo impianto a livello commerciale che utilizzasse una tecnica non inquinante per produrre gas da carbone ad alto tenore di zolfo ha iniziato un ciclo quinquennale di prove nel 1986 negli Stati Uniti. In questo impianto sperimentale il processo utilizza carbone polverizzato mescolato a ossigeno e acqua. Questa miscela viene bruciata parzialmente in un gassificatore, in condizione di elevatissima temperatura e pressione. Il vapore sotto alta pressione ivi prodotto è inviato ad azionare una turbina a vapore. Il gas caldo viene raffreddato e il suo calore è acquistato dall'acqua, producendo così altro vapore. I composti di zolfo e azoto sono eliminati dal gas raffreddato, che aziona quindi una turbina a gas. Tecniche avanzate di gassificazione per la produzione di combustibile su vasta scala sono ancora in fase sperimentale, ma offrono la speranza di poter sfruttare in modo non inquinante tutti i tipi di carbone, compresi quelli ad alto tenore di zolfo.
SICUREZZA E PROBLEMI AMBIENTALI
L'attività mineraria di sottosuolo è una delle più pericolose in tutto il mondo. La polvere finissima di carbone che si produce durante l'estrazione è esplosiva; inoltre causa la silicosi, una malattia dei polmoni. Il metano, gas che si libera durante le attività estrattive, diventa esplosivo quando è in concentrazioni dal 5 al 15%. Si procede alla diluizione della concentrazione mediante ventilazione forzata delle gallerie. L'acqua e l'areazione costante controllano anche la concentrazione della polvere di carbone che dev'essere mescolata con materiali inerti, conosciuti col nome di polvere di roccia, per neutralizzarne la potenzialità esplosiva. Come polvere inerte si usa di solito calcare finemente macinato.
Sia l'estrazione del carbone che la sua combustione sono processi suscettibili di causare gravi danni ambientali. Nel primo caso i problemi nascono dallo sconvolgimento del terreno e da tutto ciò che può esservi legato, come cumuli di materiale di scarico e cedimenti della superficie in corrispondenza di miniere abbandonate. Gli effetti della combustione possono essere meno visibili, ma sono forse più gravi. Vi sono compresi la dispersione nell'aria di particelle contenute nei fumi, l'immissione nell'atmosfera di composti dello zolfo, con conseguente acidificazione dell'acqua che essa contiene (v. acide, piogge), l'inquinamento dell'acqua usata nel trattamento del carbone e quello del terreno dove sono accumulati residui come la cenere e la fuliggine delle ciminiere.
I depuratori applicati alle ciminiere sono in grado di trattenere le particelle solide e i composti solforati e azotati (v. fumo), ma sono poco usati per il loro costo elevato. Tuttavia si stanno sviluppando nuove tecniche per bruciare il carbone senza inquinare l'ambiente. Tra i più promettenti è la combustione in letto fluidificato, nel quale si brucia carbone e calcare su un letto incandescente di sabbia e aria. Il calcare si combina con lo zolfo formando solfato di calcio, che viene eliminato insieme con la cenere della fornace. Un altro metodo abbassa l'ossidazione dello zolfo e dell'azoto riducendo il volume di ossigeno presente nella fornace.

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