Produkty spaľovania uhlia

Druhy a vlastnosti palív

Klasické palivá ako uhlie, drevo, vykurovacie oleje a zemný plyn sú prírodné organické látky, ktoré obsahujú predovšetkým uhlík a v menšom množstve vodík, patria medzi horľaviny. K nim sa priraďuje aj koks, svietiplyn a iné, ktoré sa vyrábajú chemicky z uvedených surovín.

Podľa skupenstva organické palivá rozdeľujeme na:

tuhé – uhlie, koks, drevo,
kvapalné – vykurovacie oleje (ľahké – nafta, ťažké – destilačné zvyšky ropy, čiže mazuty),
plynné – zemný plyn, svietiplyn a iné.

UHLIE

- uhlie sa používa na priame získanie tepelnej energie spaľovaním,
- je to horľavá hornina, ktorá vznikla z rastlinnej hmoty,
- uhlie nie je po ťažbe ani v upravenom stave čisté palivo, obsahuje nehorľavé anorganické zložky (soli, oxidy, síru) a vodu,

Skladá sa z:

1.organickej zložky – C, H, O a v malom množstve S, N,
2.anorganickej zložky, ktorú tvoria popoloviny.

Popoloviny sú látky, ktoré vznikajú pri dokonalom spálení uhlia a poskytujú popol:

vlastné: sú to anorganické soli, ktoré boli obsiahnuté v rastlinách, z ktorých uhlie vzniklo alebo sa k nemu dostali až pri jeho nahromadení,
primiešané: sú to sprievodné horniny, ktoré sa k uhliu primiešali pri jeho ťažbe.

Typy uhlia:

1.hnedé uhlie

– hlavnými znakmi je hnedá farba a vryp, nepravidelný lom a čiastočná rozpustnosť v horúcom NaOH. Čerstvo vyťažené obsahuje 20 – 60% vody, po vysušení 5 – 10%. Má vysoký obsah popola a menšiu výhrevnosť.

Podľa tvrdosti sa delí na:

mäkké – má žlto hnedú farbu, podradnú akosť a vysoký obsah popolovín (lignity, voskové uhlie, melné uhlie),
tvrdé – sú kvalitnejšie (celistvé uhlie, pololesklé, živicové, lesklé, smolné).

2.čierne uhlie

– je lesklé, čiernej farby a s čiernym vrypom, nerozpúšťa sa v NaOH.

Môže byť: - páľavé, plynové, mastné, koksové, antracitové, antracit.

ŤAŽBA UHLIA

Hnedé uhlie sa ťaží iba povrchovou ťažbou (je lacná), čierne uhlie hlbinnou ťažbou. Vyťažené uhlie sa následne upravuje, aby sa zmenšil obsah nespáliteľných látok, perie a odprašuje, triedi v triedičoch a musí sa vhodne uskladniť, aby sa zabránilo samovzneteniu (samovoľná oxidácia pyritu), pretože, čím je uhlie drobnejšie a mokrejšie, skôr dôjde k jeho samovzneteniu.SPÔSOBY SPRACOVANIA UHLIA

1.KARBONIZÁCIA UHLIA

- ide o tepelný rozklad tuhých palív bez prístupu vzduchu,
- hlavným produktom je koks, ktorý sa využíva na výrobu železa a iných kovov,
- medzi ostatné dôležité produkty karbonizácie patrí decht a koksárenský plyn.

Produkty karbonizácie:

tuhý produkt – koks, polokoks, drevené uhlie a kostné uhlie,
kvapalný produkt – decht, karbonizačná voda s fenolmi, amoniakálna voda,
plynný produkt – karbonizačný plyn a drevný plyn.

Koksovanie sa zakladá na tepelnom štiepení uhoľnej látky (pyrolýze) až pri teplote 1100 oC za neprístupu vzduchu (aby nenastala oxidácia a zhorenie uhlia).

Samotný proces karbonizácie:

Karbonizácia prebieha v špeciálnych reaktoroch, ktoré sa nazývajú koksovacie komory, ktoré sa sústreďujú do jednej koksárenskej batérie – pece so zariadením na výmenu tepla. Vnútro komory sa skladá zo žiaruvzdornej výmurovky z denasu, pretože obsah komôr sa vyhrieva na teplotu 1100 oC. Koksovanie prebieha 15 – 30 hodín. Komory sa plnia nasýpaním alebo navážaním uhlia cez otvory v klenbe.

Z rozomletého uhlia na 3 mm pri teplote 150 oC sa začne vyparovať voda najskôr voľná (vlhkosť), potom viazaná. Súčasne nastáva desorpcia rozpustených plynov (N2 , CO2 , CH4 ). Pri teplote 250 – 300 oC začína štiepenie menej pevných väzieb uhlia za vzniku sírovodíka, oxidu uhoľnatého a oxidu uhličitého a vody. Nad teplotu 400 oC sa začínajú štiepiť organické látky za vzniku uhľovodíkov, fenolov a dusíkatých zásad. Tie sa aj naďalej štiepia. Vzniknuté produkty sa dostávajú do plastického stavu. Pri teplote 500 oC vzniká polokoks, ktorý je reaktívny a málo pevný. Ten sa pri teplote 900 oC mení na koks, pričom vzniká kvapalný decht. Koks sa pri teplote 1100 oC grafituje, čím sa získava požadovaná tvrdosť.

Komory sa vyprázdňujú po otvorení dvoch priľahlých stien, žeravý koks sa vytláča priamo do hasiaceho voza, kde sa chladí vodou. Vznikajúce pary a plyny sa plynulo odvádzajú na ďalšie spracovanie.

Vzniknutý koks sa triedi podľa veľkosti a oddeľuje sa vzniknutý decht od koksárenského plynu, ktorý sa využíva na vykurovanie a asi 50 % sa ho využije na vlastnú karbonizáciu uhlia.

Z celého procesu vznikne asi 77% koksu, 17% koksárenského plynu, 3,5% dechtu, 0,25% amoniaku a zvyšok tvorí voda a straty.

Karbonizácia môže byť nízkotepelná, ktorá prebieha pri teplote do 600 oC, využíva sa pri nej hnedé uhlie a je zdrojom dechtu na výrobu motorových palív, olejov a fenolov. Tiež môže byť vysokotepelná, ktorá prebieha pri teplote do 1200 oC, využíva sa pri nej čierne uhlie a vyrába sa ňou metalurgický koks ako vstupná surovina pri výrobe železa, čiernouhoľný decht a karbonizačný plyn, ktorý sa nazýva svietiplyn.

Tento proces prebieha v koksárni.2. EXTRAKCIA UHLIA

– neprebieha pri extrémnych podmienkach a používajú sa 2 technologické postupy:

a)extrakcia zmesí kondenzovaných aromatických zlúčenín – SOLVOLÝZA, pri mierne zvýšenej teplote 300 – 400 oC a tlaku dochádza k premývaniu dreveného uhlia zmesou kvapalných aromatických zlúčenín. Získava sa surový montánny vosk, ktorý sa používa na výrobu krémov na obuv, pást na parkety, impregnačných a izolačných náterov a napúšťacích výrobkov.

b)DESTRAKCIA – nadkritická plynová extrakcia, ide o extrakciu uhoľnej zmesi pri vysokom tlaku 10 – 30 MPa pri teplote 300 – 500 oC toluénom (u nás sa používa benzén), hlavnými produktami je montánny vosk a vysokomolekulové aromatické uhľovodíky.

3.KATALYTICKÁ HYDROGENÁCIA UHLIA

– ide o štiepenie uhľovodíkov z uhlia pri vysokej teplôt a tlaku a následne sa katalyticky hydrogenizujú. Katalytázormi sú sulfidy ťažkých kovov (Cr, Mo, W), pórovité materiály, Fe a Al. Používajú sa na získanie pohonných látok.


4.SPLYNOVANIE UHLIA

– ide o premenu tuhého paliva na horľavé plyny, ktorých podstatnou zložkou je CO a amoniak. Hlavným produktom je syntézny plyn (je to zmes CO a vodíka), ktorý sa používa sa na výrobu metanolu, ďalej je to decht, koks a amoniakálna voda. Uhlie sa splyňuje v generátoroch pôsobením vzduchu, vodnej pary, kyslíka alebo ich zmesí. Na splynovanie sa využíva menej kvalitné hnedé uhlie, ktoré sa rozomelie na 10 mm a nepretržite dávkuje do generátora, preto sa tiež nazýva generátorový plyn.

Zdola do generátora sa vedie predhriaty kyslík a vodná para pod určitým tlakom alebo sa môže uskutočňovať tiež katalytickým štiepením zemného plynu v plynárenskej peci. Prebiehajú v nej oxidačné reakcie za vzniku CO2, CO, následné CO reaguje s vodnou parou, s vodíkom cez hydrogenačné reakcie za vzniku metánu. Následne sa zo spodu komôr vypúšťa koks a z hornej časti sa odťahuje surový svietiplyn, ktorý sa chladí vodou.

Vzniknutý surový syntézny plyn obsahuje nečistoty (uhľovodíky, decht, oxid uhličitý, vodnú paru), preto sa musí upravovať. Kondenzáciou sa zbaví vodnej pary a vlhkosti, oxidu uhličitého sa zbaví absorpciou vo vode alebo v metanole.

Okrem plynu vzniká aj kvapalný produkt – decht, ktorý vzniká kondenzáciou koksárenského plynu. Je to zmes organických produktov, čierna viskózna kvapalina. Spracúvava sa destiláciou na 5 frakcií po teplotu varu 380 0C (oleje – ľahký, karbolový, naftalénový, prací, antracénová) a na destilačný zvyšok smolu (využíva sa ako spojivo).

Pri splynovaní sa získavajú tieto plyny:

generátorový chudobný plyn, - syntézny plyn.
zmiešaný generátorový plyn,
trojplyn,
dvojplyn,
vodný plyn,
karburovaný vodný plyn,
tlakový plyn.