Bergbau und Energie

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Steinkohlen sind hauptsächlich aus Land- oder Sumpfpflanzen entstanden, die nach dem Absterben in Überschwemmungsgebieten schnell und vollkommen vom Luftsauerstoff abgeschlossen wurden und auf diese Weise nicht vermoderten.

Der sogenannte Inkohlungsvorgang läuft in zwei großen Abschnitten ab. In der ersten Phase, der biochemischen, werden die abgestorbenen Pflanzen in Torf oder Erdbraunkohle umgewandelt. Die Zersetzungs- und Umwandlungsvorgänge werden dabei vorwiegend durch Mikroorganismen, wie Pilze und Bakterien, in Gang gehalten. Die Temperatur- und Druckbedingungen sind durch die Oberflächennähe der Ablagerungszonen vorgegeben. In der zweiten Phase, der geochemischen, geht der Umwandlungsprozeß von der Hartbraunkohle bis zum Anthrazit. Voraussetzungen dafür sind erhöhter Druck und erhöhte Temperatur, die infolge von Absenkungen der Ablagerungsräume in großen Teufen auftreten. Auch der Zeitfaktor ist mit zu berücksichtigen.

Die meisten Steinkohlen bestehen aus einem Gemisch von glänzenden und matten Streifen. Die mikroskopische Untersuchung dieser Kohlestreifen zeigt, daß sie nicht homogen aufgebaut sind, sondern sich aus verschiedenen Gefügebestandteilen, die in der Kohlenpetrographie Macerale genannt werden, zusammensetzen. Die Glanzkohlenstreifen (Vitrinitstreifen) besitzen eine Holzzellenstruktur, während die Mattkohlenstreifen (Duritstreifen) nicht verholzte Bestandteile zeigen, zum Beispiel Sporen. Die Macerale können ungefähr mit den Mineralen der Gesteine verglichen werden.

Die Gefügebestandteile kommen in allen Steinkohlen vor, allerdings mit unterschiedlicher Häufigkeit. Ihre Zusammensetzung ändert sich mit dem Inkohlungsgrad in so charakteristischer Weise, daß eine Bestimmung des Inkohlungsgrades mit dem Mikroskop möglich ist.

Neben der unterschiedlichen petrographischen Kohlenstruktur, die einen nicht unerheblichen Einfluß auf die technische Kohlenveredlung hat, stellt die Ausbeute an flüchtigen Bestandteilen, die bei der Erhitzung von Kohle unter Luftabschluß gas- und dampfförmig ausgetrieben werden, das wichtigste Unterscheidungsmerkmal zwischen den Kohlen dar. Bezogen auf die wasser- und aschefreien Kohlen haben

Flammkohlen         40 v.H.
Gasflammkohlen   40-35 v.H.
Gaskohlen             35-28 v.H.
Fettkohlen              28-19 v.H.
Eßkohlen               19-14 v.H.
Magerkohlen         14-10 v.H.
Anthrazit                 10 v.H.

flüchtige Bestandteile.

Während die flüchtigen Bestandteile mit steigendem Inkohlungsgrad abnehmen, wächst gleichzeitig der untere Heizwert der Kohlen, bezogen auf die wasser- und aschefreie Substanz, von 33 Megajoule/kg (7800 kcal/kg) für Gasflammkohlen auf 35 Megajoule/kg (8400 kcal/kg) für Anthrazit.

Zur weiteren Klassifizierung dienen die Merkmale Backfähigkeit und Verkokungsvermögen. Nicht backende Kohlen hinterlassen bei der Verkokung eine lockere, pulvrige Masse; stark backende Kohlen einen harten und festen Koks. Es existieren zahlreiche Übergangsformen.

Der chemische Aufbau der Steinkohle ist wegen der Fülle der auftretenden kohlenstoffhaltigen Verbindungen noch nicht ganz geklärt. Erschwerend wirkt, daß Steinkohlen nur zu einem geringen Teil in Lösungsmitteln gelöst werden können und daß sie beim Erhitzen ihre Struktur verändern. Steinkohlen bestehen vorwiegend aus ringförmigen Kohlenwasserstoffen (Aromaten), zu einem geringeren Teil aus kettenförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen (Aliphaten). Hinweise auf die chemische Struktur liefert die Elementaranalyse, bei der Kohlen auf Gehalt an Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel untersucht werden. Das Verhältnis von Kohlenstoff- zu Wasserstoffatomen ist ein Maß für die Inkohlung.

Bei den meisten chemisch-technischen Prozessen spielt das Reaktionsverhalten der Steinkohle eine große Rolle. Es wird nicht nur durch die chemische Zusammensetzung, sondern auch durch die physikalischen Eigenschaften der Kohle beeinflußt. In allen Verfahren, in denen die Kohlen einer thermischen Behandlung unterzogen werden, kommt ihren kalorischen Eigenschaften - spezifische Wärme, d. i. Wärmeinhalt eines Stoffes pro Masseeinheit, Wärmeleitfähigkeit, Heizwert - besondere Bedeutung zu. Im Verlauf eines thermischen Veredlungsprozesses verändern sich die kalorischen Daten in charakteristischer Weise. Für Aufbereitungsprozesse, die den meisten Kohleveredlungsverfahren vorgeschaltet sind, ist die Kenntnis der mechanischen Eigenschaften - Dichte, Strukturfestigkeit- unerläßlich. Die Dichte von Steinkohlen nimmt mit fallendem Inkohlungsgrad (steigender Gehalt an Flüchtigen) ab. Von besonderer Wichtigkeit ist das natürliche Hohlraumsystem der Steinkohle, da es sowohl bei Ad- und Desorptionsvorgängen als auch bei Ver- und Entgasungsprozessen wirksam ist. Zur Hohlraumstruktur gehören: Porosität, Permeabilität (Gesteinsdurchlässigkeit für Gase oder Flüssigkeiten), innere Oberfläche und Porenradien-Verteilung. Infolge der zahlreichen Untersuchungen an Stein kohlen ist es gelungen, die einzelnen physikalischen Eigenschaften sehr genau zu bestimmen und ihre Abhängigkeit vom Inkohlungsgrad formeImäßig zu erfassen.

Die Verfeinerung der Untersuchungs- und Analysenmethoden hat zu einem besseren Verständnis der Struktur und der Eigenschaften der Steinkohle geführt. Auf den gewonnenen Ergebnissen basierend ist es möglich, bestehende Verfahren zur Kohlenveredlung zu verbessern und darüber hinaus gänzlich neue Kohleumwandlungstechnologien zu entwickeln.

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