Ο άνθρακας, το υδρογόνο και το οξυγόνο είναι η κύρια οργανική ύλη στον άνθρακα, αντιπροσωπεύοντας περισσότερο από 95%. Όσο πιο βαθιά είναι η ενανθράκωση, τόσο μεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα σε άνθρακα και τόσο χαμηλότερη η περιεκτικότητα σε υδρογόνο και οξυγόνο. Ο άνθρακας και το υδρογόνο είναι τα στοιχεία που παράγουν θερμότητα κατά την καύση του άνθρακα και το οξυγόνο είναι το στοιχείο υποστήριξης της καύσης. Όταν καίγεται άνθρακας, το άζωτο δεν παράγει θερμότητα, αλλά μετατρέπεται σε οξείδια του αζώτου και αμμωνία σε υψηλή θερμοκρασία και κατακρημνίζεται σε ελεύθερη κατάσταση. Το θείο, ο φώσφορος, το φθόριο, το χλώριο και το αρσενικό είναι επιβλαβή συστατικά του άνθρακα, από τα οποία το θείο είναι το πιο σημαντικό. Όταν καίγεται άνθρακας, το μεγαλύτερο μέρος του θείου οξειδώνεται σε διοξείδιο του θείου (SO2), το οποίο εκκενώνεται με καυσαέρια, μολύνοντας την ατμόσφαιρα, θέτοντας σε κίνδυνο την ανάπτυξη των ζώων και των φυτών και την ανθρώπινη υγεία και διαβρώνοντας τον μεταλλικό εξοπλισμό. Όταν ο άνθρακας με υψηλή περιεκτικότητα σε θείο χρησιμοποιείται στη μεταλλουργική οπτανθρακοποίηση, επηρεάζει επίσης την ποιότητα του οπτάνθρακα και του χάλυβα. Ως εκ τούτου, η περιεκτικότητα σε «θείο» είναι ένας από τους σημαντικούς δείκτες για την αξιολόγηση της ποιότητας του άνθρακα.

Το εύφλεκτο αέριο που παράγεται από την αποσύνθεση της οργανικής ύλης στον άνθρακα κάτω από ορισμένες θερμοκρασίες και συνθήκες ονομάζεται «πτητικό», το οποίο είναι ένα μικτό αέριο που αποτελείται από διάφορους υδρογονάνθρακες, υδρογόνο, μονοξείδιο του άνθρακα και άλλες ενώσεις. Το πτητικό είναι επίσης ο κύριος δείκτης ποιότητας άνθρακα, ο οποίος παίζει σημαντικό ρόλο αναφοράς στον καθορισμό των τρόπων επεξεργασίας και χρήσης και των τεχνολογικών συνθηκών του άνθρακα. Ο άνθρακας με χαμηλό βαθμό ενανθράκωσης έχει περισσότερη πτητική ύλη. Εάν οι συνθήκες καύσης δεν είναι κατάλληλες, ο άνθρακας με υψηλή περιεκτικότητα σε πτητικές ουσίες θα παράγει εύκολα άκαυστα σωματίδια άνθρακα κατά την καύση, κοινώς γνωστά ως «μαύρος καπνός». Και παράγουν περισσότερους ρύπους όπως μονοξείδιο του άνθρακα, πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες και αλδεΰδες, και η θερμική απόδοση μειώνεται. Επομένως, οι κατάλληλες συνθήκες καύσης και εξοπλισμός θα πρέπει να επιλέγονται ανάλογα με την πτητική ύλη του άνθρακα.

Υπάρχουν λίγες ανόργανες ουσίες στον άνθρακα, κυρίως το νερό και τα ορυκτά, και η ύπαρξή τους μειώνει την ποιότητα και την αξία χρήσης του άνθρακα. Τα ορυκτά είναι οι κύριες ακαθαρσίες του άνθρακα, όπως τα σουλφίδια, τα θειικά και τα ανθρακικά, τα περισσότερα από τα οποία είναι επιβλαβή συστατικά.

Η «υγρασία» έχει μεγάλη επίδραση στην επεξεργασία και αξιοποίηση του άνθρακα. Όταν το νερό μετατρέπεται σε ατμό κατά την καύση, απορροφά θερμότητα, μειώνοντας έτσι τη θερμογόνο δύναμη του άνθρακα. Η υγρασία στον άνθρακα μπορεί να χωριστεί σε εξωτερική υγρασία και εσωτερική υγρασία και η εσωτερική υγρασία χρησιμοποιείται γενικά ως δείκτης για την αξιολόγηση της ποιότητας του άνθρακα. Όσο χαμηλότερος είναι ο βαθμός ενανθράκωσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η εσωτερική επιφάνεια του άνθρακα και τόσο μεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα σε υγρασία.

Η «στάχτη» είναι το στερεό υπόλειμμα που αφήνεται μετά την πλήρη καύση του άνθρακα και είναι ένας σημαντικός δείκτης ποιότητας άνθρακα. Η τέφρα προέρχεται κυρίως από άκαυστα ορυκτά στον άνθρακα. Όταν το ορυκτό αποτεφρώνεται, θα πρέπει να απορροφά θερμότητα και μια μεγάλη ποσότητα σκωρίας θα αφαιρέσει τη θερμότητα, επομένως όσο υψηλότερη είναι η τέφρα, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμική απόδοση της καύσης άνθρακα. Όσο περισσότερη τέφρα, τόσο περισσότερη τέφρα παράγεται από την καύση άνθρακα και τόσο περισσότερη ιπτάμενη τέφρα απορρίπτεται. Γενικά, η περιεκτικότητα σε τέφρα υψηλής ποιότητας άνθρακα και καθαρού άνθρακα είναι σχετικά χαμηλή [1].

Ο άνθρακας κατανέμεται σε όλες τις ηπείρους και τα νησιά των ωκεανών, αλλά η κατανομή του άνθρακα στον κόσμο είναι πολύ άνιση και τα αποθέματα άνθρακα σε διάφορες χώρες είναι επίσης πολύ διαφορετικά. Η Κίνα, οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Ρωσία και η Γερμανία είναι πλούσιες σε αποθέματα άνθρακα και είναι επίσης μεγάλες χώρες παραγωγής άνθρακα στον κόσμο, μεταξύ των οποίων η Κίνα είναι η χώρα με την υψηλότερη παραγωγή άνθρακα στον κόσμο. Οι πόροι άνθρακα της Κίνας βρίσκονται στην πρώτη γραμμή του κόσμου, δεύτεροι μόνο μετά τις Ηνωμένες Πολιτείες, τη Ρωσία και την Αυστραλία [9].

Αν και η σημαντική θέση του άνθρακα έχει αντικατασταθεί από το πετρέλαιο, για μεγάλο χρονικό διάστημα, αναπόφευκτα θα υποχωρήσει λόγω της σταδιακής εξάντλησης του πετρελαίου. Λόγω των τεράστιων αποθεμάτων άνθρακα και της ραγδαίας ανάπτυξης της επιστήμης και της τεχνολογίας, νέες τεχνολογίες όπως η αεριοποίηση άνθρακα έχουν ωριμάσει και χρησιμοποιούνται ευρέως.

Σύμφωνα με τα διαφορετικά αρχικά υλικά και τις συνθήκες σχηματισμού του άνθρακα, ο άνθρακας στη φύση μπορεί να χωριστεί σε τρεις κατηγορίες, δηλαδή σε άνθρακα χούμου, άνθρακα υπολειμματικού χούμου και σαπροπηλικό άνθρακα.

Η Κίνα είναι η πρώτη χώρα που χρησιμοποιεί άνθρακα στον κόσμο. Χειροτεχνήματα από άνθρακα βρέθηκαν στον αρχαίο πολιτιστικό χώρο Xinle στην επαρχία Liaoning και κέικ άνθρακα βρέθηκαν επίσης στην πόλη gongyi, στην επαρχία Henan.

Στο Shan Hai Jing, ο άνθρακας ονομάζεται stone nie, ενώ στις δυναστείες Wei και Jin, ο άνθρακας ονομάζεται γραφίτης ή ανθρακοφόρος. Το όνομα άνθρακας χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στο Compendium of Materia Medica από τον Li Shizhen στη Δυναστεία Μινγκ.

Η Ελλάδα και η αρχαία Ρώμη ήταν επίσης χώρες που χρησιμοποιούσαν τον άνθρακα νωρίτερα. Ο Έλληνας λόγιος Θεόφραστος έγραψε την Ιστορία της Λίθου περίπου το 300 π.Χ., η οποία κατέγραψε τη φύση και την προέλευση του άνθρακα. Η αρχαία Ρώμη άρχισε να χρησιμοποιεί άνθρακα για θέρμανση πριν από περίπου 2000 χρόνια.

Ο άνθρακας είναι ένα εξαιρετικά παχύ στρώμα μαύρου χούμου που συσσωρεύεται στο έδαφος από τα κλαδιά και τις ρίζες των φυτών για εκατομμύρια χρόνια. Λόγω της αλλαγής του φλοιού της γης, είναι συνεχώς θαμμένος υπόγειος και απομονωμένος από τον αέρα για μεγάλο χρονικό διάστημα και μετά από μια σειρά περίπλοκων φυσικών και χημικών αλλαγών υπό υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση, σχηματίζει ένα μαύρο εύφλεκτο ιζηματογενές πέτρωμα, το οποίο είναι η διαδικασία σχηματισμού του άνθρακα.

Το πάχος μιας ραφής άνθρακα σε ένα ανθρακωρυχείο σχετίζεται με την ταχύτητα της πτώσης του φλοιού και τη συσσώρευση φυτικών υπολειμμάτων σε αυτήν την περιοχή. Ο φλοιός της γης πέφτει γρήγορα και τα φυτικά υπολείμματα στοιβάζονται παχιά, επομένως η ραφή άνθρακα σε αυτό το ανθρακωρυχείο είναι παχιά. Αντίθετα, ο φλοιός της γης πέφτει αργά και τα φυτικά υπολείμματα στοιβάζονται λεπτά, έτσι η ραφή άνθρακα σε αυτό το ανθρακωρυχείο είναι λεπτή. Λόγω της τεκτονικής κίνησης του φλοιού της γης, οι αρχικές οριζόντιες ραφές άνθρακα διπλώνονται και σπάνε. Ορισμένες ραφές άνθρακα είναι θαμμένες πιο βαθιά κάτω από τη γη, άλλες σπρώχνονται προς την επιφάνεια ή ακόμη και εκτίθενται στο έδαφος, το οποίο είναι εύκολο να βρεθούν από τους ανθρώπους. Υπάρχουν επίσης ορισμένες ραφές άνθρακα που είναι σχετικά λεπτές και μικρές σε έκταση, επομένως δεν υπάρχει αξία εξόρυξης και δεν υπάρχει ενημερωμένη δήλωση σχετικά με το σχηματισμό άνθρακα.

Ο άνθρακας σχηματίζεται με αυτόν τον τρόπο; Εάν ορισμένες εκθέσεις πρέπει να μελετηθούν και να συζητηθούν περαιτέρω. Ένα μεγάλο ανθρακωρυχείο έχει παχιά ραφή άνθρακα και εξαιρετική ποιότητα άνθρακα, αλλά η έκτασή του δεν είναι πολύ μεγάλη γενικά. Εάν πρόκειται για φυσική συσσώρευση φύλλων και ριζών φυτών για εκατομμύρια χρόνια, η έκτασή του θα πρέπει να είναι πολύ μεγάλη. Επειδή τα δάση και τα λιβάδια υπήρχαν παντού στη γη στην αρχαιότητα, θα έπρεπε να υπάρχουν ίχνη αποθήκευσης άνθρακα παντού υπόγεια. Η ραφή άνθρακα δεν είναι απαραίτητα πολύ παχιά, επειδή τα φύλλα και οι ρίζες των φυτών σαπίζουν σε χούμο, το οποίο θα απορροφηθεί από τα φυτά. Εάν επαναληφθεί, δεν θα είναι τόσο συγκεντρωμένο όταν τελικά θαφτεί υπόγεια, και το όριο μεταξύ του στρώματος του εδάφους και της ραφής άνθρακα δεν θα είναι τόσο σαφές.

Ωστόσο, δεν υπάρχει αμφιβολία για το γεγονός και τη βάση ότι ο άνθρακας σχηματίζεται πραγματικά από τη συστηματική εξέλιξη των φυτικών υπολειμμάτων, κάτι που είναι μια αδιαμφισβήτητη αλήθεια. Εφόσον παρατηρήσετε προσεκτικά το μπλοκ άνθρακα, μπορείτε να δείτε ίχνη από φύλλα και ρίζες φυτών. Εάν κόψετε κάρβουνο και τον παρατηρήσετε κάτω από ένα μικροσκόπιο, μπορείτε να βρείτε πολύ καθαρούς φυτικούς ιστούς και δομές, και μερικές φορές πράγματα όπως κορμοί διατηρούνται σε ραφές άνθρακα και μερικές ραφές άνθρακα είναι ακόμα τυλιγμένες με πλήρη απολιθώματα εντόμων.

Κάτω από την κανονική θερμοκρασία και πίεση της επιφάνειας, τα φυτικά υπολείμματα συσσωρευμένα σε στάσιμο νερό μετατρέπονται σε τύρφη ή σαπροπελικό με τύρφη ή σαπροπελικό. Μετά την ταφή, η τύρφη ή η σαπροπελική λάσπη βυθίζεται στο βαθύ υπόγειο λόγω της πτώσης του υπογείου της λεκάνης και μετατρέπεται σε λιγνίτη μέσω της διαγένεσης. Όταν η θερμοκρασία και η πίεση σταδιακά αυξάνονται, μεταμορφώνεται σε ασφαλτούχο άνθρακα σε ανθρακίτη με μεταμόρφωση. Η τύρφωση αναφέρεται στη διαδικασία κατά την οποία τα υπολείμματα των ανώτερων φυτών συσσωρεύονται σε βάλτους και μετατρέπονται σε τύρφη μέσω βιοχημικών αλλαγών. Ο σαπροπαργισμός αναφέρεται στη διαδικασία κατά την οποία τα υπολείμματα κατώτερων οργανισμών μετατρέπονται σε σαπροπελική λάσπη μέσω βιοχημικών αλλαγών σε βάλτους. Ο σαπροπαργίτης είναι ένα είδος λασπώδους ουσίας πλούσιας σε νερό και άσφαλτο. Η διαδικασία του παγετώνα μπορεί να συμβάλει στη συλλογή και τη διατήρηση υπολειμμάτων φυτών που σχηματίζουν άνθρακα [2].

Η εποχή του σχηματισμού άνθρακα

Σε ολόκληρη τη γεωλογική εποχή, υπάρχουν τρεις μεγάλες περίοδοι σχηματισμού άνθρακα στον κόσμο:

Στο Παλαιοζωικό Ανθρακοφόρο και το Πέρμιο, τα φυτά που σχηματίζουν άνθρακα ήταν κυρίως φυτά σπορίων. Οι κύριοι τύποι άνθρακα είναι ο ασφαλτούχος άνθρακας και ο ανθρακίτης.

Στο Ιουράσιο και το Κρητιδικό του Μεσοζωικού, τα φυτά που σχηματίζουν άνθρακα ήταν κυρίως γυμνόσπερμοι. Οι κύριοι τύποι άνθρακα είναι ο λιγνίτης και ο ασφαλτούχος άνθρακας.

Στην τριτογενή του Καινοζωικού, τα φυτά που σχηματίζουν άνθρακα ήταν κυρίως αγγειόσπερμα. Ο κύριος άνθρακας είναι ο λιγνίτης, ακολουθούμενος από την τύρφη και λίγο νεαρό ασφαλτικό άνθρακα.

Ο άνθρακας είναι ο πιο διαδεδομένος ορυκτός ενεργειακός πόρος στον κόσμο, ο οποίος χωρίζεται κυρίως σε τέσσερις κατηγορίες: ασφαλτούχος άνθρακας και ανθρακίτης, υποασφαλτικός άνθρακας και λιγνίτης. Το 60% των παγκόσμιων ανακτήσιμων αποθεμάτων άνθρακα συγκεντρώνεται στις Ηνωμένες Πολιτείες (25%), στις Σοβιετικές δημοκρατίες (23%) και στην Κίνα (12%). Επιπλέον, η Αυστραλία, η Ινδία, η Γερμανία και η Νότια Αφρική αντιπροσωπεύουν το 29% της συνολικής παγκόσμιας παραγωγής άνθρακα και τα αποδεδειγμένα αποθέματα άνθρακα είναι πάνω από 63 φορές περισσότερα από τα αποθέματα πετρελαίου. Οι χώρες με πλούσια αποθέματα άνθρακα στον κόσμο είναι επίσης άνθρακας.