Kulforskning på GEUS
af Henrik Ingermann Petersen
Henrik Ingermann Petersen
Kul har stor betydning som brændsel i kraftværker og som en
mulig "kildebjergart" til gas og olie. Forskning i kuls forbrændings-
tekniske egenskaber og kullags geologi har således, foruden den
videnskabelige, stor samfundsmæssig betydning.
Hvad er kul og hvordan dannes det ?
"Sump" står der ofte ud for kullag og kulholdige lag på sedi-
mentologiske profiler. Dette er ikke nødvendigvis forkert,
men absolut en generalisering på linie med at skrive "flod",
hvor der forekommer aflejringer afsat af strømmende vand.
Et kullag består hovedsageligt af organisk materiale, og kulla-
get repræsenterer derfor et enestående aflejringsmiljø, hvor
tilførslen af mineralsk materiale (eksempelvis sand og ler)
var minimal. Det organiske materiale hidrører hovedsageligt
fra landplanter, som groede på stedet, og kullaget blev derfor
oprindelig afsat som et tørvelag. Et kullag vidner altså om et
tørvedannende miljø og dermed om en væsentlig ændring af
aflejringsbetingelserne i forhold til de betingelser, hvorunder
de underliggende ler-/sandlag blev afsat. Bevaring og opkon-
centrering af det omdannede plantemateriale blev begunsti-
get af en lang række særlige faktorer i det tørvedannende
miljø. Samtidig viser selv et relativt tyndt kullag, at der hers-
kede stabile aflejringsforhold over en betragtelig tidsperiode,
idet tørvedannelse er en langsom og "følsom" proces.
Tørvedannende miljøer er meget forskellige, og derfor vil
detaljerede kulpetrografiske analyser af kullag (undersøgelser
af polerede kulprøver i reflekteret lys under mikroskopet)
og bestemmelse af det oprindelige tørvedannende miljø
være med til at øge vor viden om kulførende lagseriers geo-
logiske historie.
Kulpetrografi
Et kullags petrografiske sammensætning afhænger af vegetati-
onen, næringsforholdene og iltforholdene i det oprindelige
tørvedannende miljø, samt af den geologiske tidsperiode,
hvor det blev dannet. En analyse af kullagets organiske
enkeltbestanddele og af blandinger mellem de forskellige
bestanddele giver derfor vigtige oplysninger om aflejringsmil-
jøet. Endvidere kan omdannelsesgraden af det organiske
materiale bestemmes.
Den proces, som fører til, at tørven gradvis omdannes til kul,
kaldes "indkulning". Omdannelsen sker som følge af en tilta-
gende varmepåvirkning på grund af begravelse og indsynk-
ning i jordskorpen. Indkulningsprocessen giver ophav til kul-
rækken: tørv
brunkul stenkul anthracit.
Det organiske materiales omdannelsesgrad, kaldet "rang",
bestemmes ved hjælp af reflektionsmålinger på en bestemt
bestandel i kullene (huminit/vitrinit). Denne bestanddel har
nemlig den egenskab, at den øger sin evne til at reflektere
indfaldende lys med stigende indkulningsgrad. Målingerne
foretages under mikroskop på en poleret kulprøve. Metoden
er siden overtaget af olieindustrien, hvor man måler på den
samme komponent i partikulært organisk materiale, kaldet
"kerogen", i sedimentære bjergarter.
KULFORSKNING PÅ GEUS
99
Det kulfyrede
Avedørekraftværk ved København
Kullenes organiske bestanddele
På samme måde som uorganiske bjergarter er sammensat af
mineraler, består kul af forskellige organiske komponenter,
der som fælles benævnelse hedder "maceraler". Maceralerne
danner altså bjergarten kul.
Maceralerne kan inddeles i tre grupper:
· Huminit/vitrinit maceralgruppen
Denne gruppe omfatter maceraler, som hovedsagelig stam-
mer fra bakteriel omdannelse af védmateriale under be-
grænset ilttilførsel. I brunkulsstadiet taler man om huminit,
der i en polerprøve under mikroskopet og i reflekteret lys
ses som grå partikler (Figur 1). Fra stenkulsstadiet taler
man om "vitrinit" i stedet for huminit, idet den tiltagende
indkulning medfører en række processer, der resulterer i
mere ensartet organisk materiale.Vitrinitgruppen indehol-
der derfor ikke så mange forskellige maceraler som humi-
nitgruppen.
· Liptinit maceralgruppen
En række hydrogen-rige plantedele, som f.eks. sporer og
pollen, cuticler fra blade m.v. og alger, er omfattet af denne
gruppe. Disse maceraler er stort set sorte i reflekteret
lys, men under ultraviolet lys vil de fluorescere i gul-orange
farver (Figur 2).
· Inertinit maceralgruppen
Den tredje hovedgruppe, inertinitgruppen, består af det
mest kulstofholdige organiske materiale. Inertinit fremtræ-
der mere eller mindre hvidt i reflekteret lys (Figur 3), og
kemisk har inertinit en højere omdannelsesgrad end mace-
ralerne i de to andre maceralgrupper. Inertinit maceraler-
ne dannes ved atmosfærisk iltning af plantemateriale eller
under tørvebrande. Inertinitgruppens maceraler kan der-
for i visse tilfælde sammenlignes med trækul.
100
Figur 1
Gråreflekterende
huminit fra en brunkul.
De ovale og noget mere lyse
partikler kaldes corpohuminit,
mens det øvrige materiale
kaldes euulminit.
Figur 2
Gul-orange fluore-
scerende sporinit,
cutinit og resinit i en
vitrinitgrundmasse
(mørkt).
Figur 3
Det hvide materiale er inerti-
nit. Det er i dette tilfælde over-
vejende tale om fusinit, som er
karakteriseret ved cellevævs-
struktur. Fusinit repræsenterer
da også fossilt trækul, altså
afbrændt véd.
Praktisk anvendelse af kulpetrografi
Kulpetrografi anvendes i praksis til analyser af bl.a. kraft-
værkskul. Danmark er storimportør af kul fra så geografisk
spredte områder som Sydamerika, Nordamerika, Sydafrika
og Australien. Og med kuls komplekse petrografiske sam-
mensætning
in mente
, er det derfor forståeligt, at de danske
elkraftværker af miljømæssige, økonomiske, energimæssige
og rent forbrændingstekniske grunde er engageret i kul-
forskning.
Den store geografiske spredning af eksportlandene betyder,
at de importerede kul aldersmæssigt, dannelsesmæssigt og
petrografisk kan være meget forskellige; og ikke overrasken-
de har kullene også forskellige forbrændingsegenskaber. Det
er vigtigt at have et indgående kendskab til, hvordan kullene
reagerer (forbrænder) i en kedel for at opnå optimal
udbrænding, og derved udnytte kullene maximalt og produce-
re den størst mulige mængde energi med den mindst mulige
mængde uforbrændt kulstof i flyve-
asken.
GEUS's viden om kuls sam-
mensætning og dannelse samt eks-
pertise in-den for karakterisering
af kul har ind-draget instituttet i en
forskning, der sigter mod en prak-
tisk anvendelse af kulpetrologien,
idet man prøver at finde hurtige og
effektive metoder til beskrivelse af
kuls forbrændingsegenskaber. Det
kræver, at man mere detaljeret får
klarlagt, hvordan den petrografiske
sammensætning af kul og organisk
geokemiske faktorer forholder sig
til forbrændingen.
Disse problemstillinger har endvidere medført, at GEUS har
involveret sig kraftigt i karakteriseringen af restkoks (Figur
4). Restkoks er de partikler, som dannes i kraftværkskedler-
ne, når kullene har afgasset. Studier af restkokspartiklerne er
vigtige, idet deres morfologi (udseende og form) hænger
sammen med udgangskullens sammensætning, og morfologi-
en antages at være bestemmende for reaktiviteten i det sene
udbrændingsforløb.
For at udrede disse komplicerede forhold udfører GEUS
kulforskningsprojekter i samarbejdede med nationale og
internationale partnere.
En petrografisk analyse til dette formål kræver, at man ansku-
er kullene ud fra andre kriterier, end det er tilfældet, når kul-
lagets oprindelige aflejringsmiljø skal tolkes.
Maceralgrupperne kan inddeles efter varierende reaktivitet
eller brændbarhed; således anser man de hydrogenrige kom-
ponenter fra liptinitgruppen for, alt andet lige, at være mest
reaktive, mens inertinitgruppens
maceraler anses for at være de
mindst reaktive.Vitrinitgruppen
placerer sig midt imellem. Dette
er naturligvis en simplificering,
idet rangen (brunkul, stenkul),
maceralassociationerne og indhol-
det af uorganisk materiale også
har betydning.
Kompleksiteten kan anskueliggøres
ved at sammenligne kul fra den syd-
lige halvkugle, de såkaldte Gondwa-
nakul, med kul fra den nordlige halv-
kugle.
Gondwanakullene i Australien og
Sydafrika blev aflejret i Karbon-
Perm tiden i et efteristidslandskab
101
Figur 4: Restkoks dannet i kulstøvsfyret kedel.
under subpolare til koldtempererede klimatiske forhold.Tør-
veakkumulationen fandt sted i indlandsbassiner, hvor den
specielle vegetation, klimaet og grundvandsspejlet i høj grad
satte sit præg på den resulterende kul.
Dette står i skarp kontrast til de store kulforekomster fra
Karbontiden på den nordlige halvkugle, hvor tørvene danne-
des i vidtstrakte tropiske sumpe i forbindelse med indsynk-
ningsområder. Disse kul er meget vitrinitrige, mens Gondwa-
nakullene ofte er særdeles inertinitrige.
Ikke desto mindre har Gondwanakullene udmærkede for-
brændingsegenskaber. Kodeordet er "semi-inert", det vil sige at
en betragtelig del af inertiniten kemisk set er aktiv (indgår i
kemiske reaktioner) og langt fra er kemisk inaktiv, "inert". Des-
uden har inertiniten en reflektion, der ligger mellem reflektio-
nen for henholdsvis vitrinit og højt reflekterende inertinit.
Den semi-inerte bestanddel anses altså for at være reaktiv og
er dermed en væsentlig årsag til langt bedre forbrændings-
egenskaber, end man ellers skulle forvente ud fra den traditi-
onelle inddeling af maceralgrupperne.
Figur 5 viser to totalreflektogrammer, det vil sige, at den
totale reflektion er målt fra det lavest reflekterende til det
højest reflekterende i kulprøven.
(A) er typisk for karbone kul fra den nordlige halvkugle. Den
høje top viser groft sagt vitrinit-delen, mens kurven til ven-
stre herfor angiver liptinit-/mineral-delen og til højre andelen
af inertinit.
(B) viser en kul fra den sydlige halvkugle. Det ses tydeligt, at
vitrinit-maximumet ikke er så veldefineret, idet kurven til ven-
stre for maximumet danner et knæk og flader ud. Dette kur-
veforløb antyder et højt indhold af semiinerte bestanddele.
Kul i en geologisk sammenhæng
Inden for det danske rige findes der kulførende lagserier fra
Jura-, Kridt- og Tertiærtiden. De tertiære kul i Danmark fore-
kommer hovedsageligt i Midtjylland i Søby-Fasterholt områ-
det, mens de jurassiske kul findes på Bornholm, i Øresund-
området og i Nordsøen. Kullene i Nordsøen har opnået
stenkulsrang, mens de øvrige forekomster er brunkul. Kulle-
ne på Færøerne findes mellem nederste og mellemste
basaltserie og er fra Tertiærtiden, mens jurassiske og kretas-
siske kul findes i henholdsvis Østgrønland og Vestgrønland.
GEUS har foruden forskning i de grønlandske kul gennem en
årrække gennemført forskning, der fokuserer på en petro-
grafisk og organisk geokemisk analyse af nedre og mellem
jurassiske kullag fra den Fennoskandiske Randzone og den
danske del af Central Graven. Man ønsker at opnå en detal-
jeret viden om kullenes sammensætning og aflejringsmiljø
samt for kullene i Central Gravens vedkommende også kil-
102
b
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
a
Reflektion
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Reflektion
Figur 5
Totalreflektogrammer for
to kul. (a) viser reflektions-
fordelingen for en typisk
Karbon kul fra den nordlige
halvkugle, mens (b) viser
reflektionsfordelingen for
en Gondwanakul fra den
sydlige halvkugle.
debjergartspotentialet. Hermed vil man få en langt bedre
helhedsopfattelse af disse kulførende lagserier. Brugen af
traditionelle kulpetrografiske analysemetoder, kombineret
med avancerede organisk geokemiske teknikker udviklet til
olieindustrien, giver mulighed for at få en detaljeret viden
om kullene.
Eksempler på resultater af petrografiske analyser på kul fra
Øresund er vist i figur 6-8.
Figur 6 viser et Tmax vs. Hydrogen Index (HI) plot for kul-
prøver fra Øresund-5 og -7 boringerne.Tmax og HI fås ved
at be-nytte en rutine pyrolyse metode.Tmax er relateret til
kullenes rang, mens HI groft sagt hænger sammen med
maceralsammensætningen. De lave Tmax værdier tyder på
lav-rangskul, mens de meget lave HI værdier tydeligt under-
streger, at det or-ganiske materiale er domineret af inertinit.
HI værdierne på
<100 viser de-suden, at kullene har en rin-
ge kapacitet til at danne gas/olie.
Et plot baseret på aflejringsrelaterede grupper af maceralas-
sociationer er vist i Figur 7 for kulprøverne fra Øresund-5
og -7 boringerne. Plottet antyder, at de oprindelige tørv
hovedsageligt blev aflejret i et relativt tørt miljø, hvor et
svingende grundvandsspejl betingede periodevis udtørring af
tørveoverfladen. Kullene består af store mængder kantet
usorteret inertinit med varierende reflektans (gråtoner),
hvilket stemmer godt overens med de lave HI værdier
(Figur 6).
Tolkningen støttes endvide-
re af et maceralbaseret
plot, som ses i Figur 8.
"Gelificeringsindek-
set" (GI, beregnes
ud fra forhol-
det mel-lem
huminit og
inerti-
nit)
afspejler
iltnings-
forholdene i
denoprindeli-
ge tørv, og de
lave GI-værdier
peger på et højt ind-
hold af inertinit og
dermed iltning af det
organiske materiale.
Figur 7
Diagram baseret
på grupper af mace-
ralassociationer.
Plottet antyder, at den
oprindelige tørv hoved-
sageligt blev aflejret
i et relativt tørt
højmoselignende
miljø.
103
Tmax (
C)
Hydrogen index (HI)
Type III
0
200
400
600
800
1000
Øresund - 5 & 7 boringerne
Type II
Type I
400
425
450
475
500
525
550
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
E
E
E
E
E
E
r
E
r
E
E
"Åben sump"
Mindre
fugtig
"skovsump"
"Sivsump"
"Skovsump"
"Sivsump"
"Skovsump"
Figur 6
Hydrogen Index
som funktion af
Tmax.
Plottet viser, at kul-
lene har et lavt indhold
af hydrogenholdige
komponenter, og at
der er tale om
lavrangskul.
Organisk geokemiske analyser, ved hjælp af f.eks. gaschroma-
tografi (GC) og gaschromatografi/massespektrometri
(GC/MS) kan bruges til yderligere at belyse kullenes aflej-
ringsmiljø og rang. Foruden vigtig detaljeret viden om det
oprindelige sumpmiljø, kan det være formålstjenligt at benyt-
te bestemte geokemiske stoffer, såkaldte "biomarkere", for at
muliggøre bestemmelse af rangforskelle i lavrangskul, hvor
reflektansmålinger er behæftet med for stor usikkerhed.
Figur 9 illustrerer brugen af hopan (biomarker) som rang-
indikator. Hopanerne omdannes hurtigt i den tidlige indkul-
ningsfase, og tilstedeværelsen af for eksempel de ustabile
hopen-former og ßß-former viser, at kullene er af meget lav
rang.
Kulpetrologi er altså knap så eksotisk, som det måske lyder.
En stor del af den teoretiske baggrund for olie-/gasdannelsen
og adskillige analyseteknikker anvendt i olieefterforskningen
har dybe rødder i kulpetrografien. Omvendt er typiske geoke-
miske analyser fra olieindustrien overtaget af kulpetrografer-
ne. Olie- og kulgeologien er derfor på mange måder tæt for-
bundne, og der er ingen tvivl om, at "symbiosen" mellem de to
forskningsområder vil fortsætte i fremtiden. Endvidere har det
forhold, at kullag ofte viser et radikalt og vigtigt skift i aflej-
ringsmiljøet i forhold til de underlejrende sedimenter betyd-
ning for andre geologiske discipliner, f.eks sekvensstratigrafi.
Et indgående kendskab til kul er derfor væsentlig i mange
sammenhænge.
104
Gelificer
ings index
"Tissue Preservation index"
Øresund - 5 & 7 boringerne
10
11
0
0.1
: Øresund - 5 well
: Øresund - 7 well
y
y
y
0.0
1.0
2.0
3.0
5.0
4.0
Figur 8
Et maceralbaseret
såkaldt TPI vs.
GI diagram.
De lave GI-værdier
indikerer, at tørven blev
aflejret i et relativt
tørt miljø.
Øresund - 7 boringen, Danmark
m/z 191, hopaner (kul ekstrakt)
31
22S / (22S + 22R)
% 30 Hopen / 100
% 29 Hopen / 100
31
/ (31
+ 31
+ 31
30
/ (30
+ 30
+ 30
Tm / (Tm + 17
(H))
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Figur 9: Forskellige hopan-forhold brugt som indika-
torer for kullenes rang.
|
