Uhlí, energetické využití, chemické zpracování

Uhlí:

- tuhé palivo, původ ze dřeva, podle stupně zuhelnatění se dělí na (od nejméně % C):

- složení: chemické - polykondenzované aromatické uhlovodíky, elementární - obsah C,H,O,S,N

- využití uhlí: energetické
- zpracování : těží se, po vytěžení se provádí oddělení nespalitelných surovin (drcení, mletí, třídění, flotace)

- chemické zpracování: v koksárnách - koks = získané pevné palivo z uhlí, obohacené o C

·         zplyňování uhlí = termická přeměna tuhých paliv na plynná, za částečného nepřístupu vzduchu

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O C + O2 → CO2 H2 + 1/2 O2 → H2O(g)

Procesy spalování:
- princip spalování- úplná oxidace pomocí vzduchu (kyslíku)
- oxidace- exotermická reakce

- teplo se u pevných paliv obvykle nepočítá, protože není známo přesné složení → stanovuje se kalorimetricky

- při spalování bývá přebytek vzduchu pro úplnost oxidace, koeficient přebytku n, nebo procenta přebytku vzduchu. např.: n = 1,1 => 10%

- u pevných paliv bývá obvykle 50%ní přebytek, u plynných paliv 10%ní přebytek

- závislost na přebytku druhu paliva bývá teplota spalin 1200°C- 1500°C, potřebujeme-li vyšší teploty, použijeme ke spalování kyslík
- teplo ze spalin se používá k ohřevu pro zabezpečení fyzikálních dějů (sušení, odpařování, destilace) a chemických dějů ( endotermické reakce)

Energetické zdroje:

- získání energie: palivo (spálení) → tepelná en. (turbína) → mechanický en. ( generátor) → elektrická en. => celková účinnost cca 40%
- rozdělení paliv :

1) tuhá -uhlí, dřevo, koks

             kapalná - topné oleje, nafta, líh

             plynná - zemní plyn, svítiplyn

TUHÁ PALIVA:
- dřevo - tuhé, nejstarší používané palivo, recentní, využívá se v omezené  míře
- uhlí - ↑
- koks - pevné palivo získané z uhlí, obohacené o uhlík

 KAPALNÁ PALIVA:

- topné oleje - produkty ze zpracovávání ropy ( destilační)

a)      lehké - LTO - topná nafta

b)      těžké - TTO - mazut

a) lehké oleje - hustota: 800 - 900kg/m³

- střední frakce při destilačním zpracování ropy

- kapalné, za normální teploty netuhnou

- jsou dražší než těžké oleje,

- použití - v malých provozech ( dříve i v domácnostech)

b) těžké oleje - hustota 900 - 1000 kg/ m³
- destilační zbytek při zprac. ropy
- za normální teploty tuhne → pro manipulaci se musí udržovat při 80°C
- levnější než lehké oleje

- použití - velké provozy (dnes už malé využití)

- kapalná paliva se obvykle spalují v rozstřikovacích hořácích s přebytkem vzduchu 10% až 15%

- oproti pevným palivům jsou čistější, mají nižší obsah síry ( úprava hydrogen. rafinací)

PLYNNÁ PALIVA:

-nejsnadnější manipulace, transport, ekologicky nejvýhodnější, nevýhodou je vysoká cena

a) zemní plyn

- nejčastější, methan - není jedovatý, bez zápachu, nebezpečí výbuchu, je vysoce výhřevný

b) svítiplyn

- obsahuje H, CO, je jedovatý (kvůli CO), má o polovinu menší výhřevnost oproti zemnímu plynu, vzniká jako produkt z karbonizace uhlí

Spalné teplo, výhřevnost:

- spalné teplo = teplo, které se uvolní dokonalým spálením 1kg paliva v kalorimetru, přičemž vzniklá voda zkondenzuje (uvolní se kondenzační teplo vody 2500kJ/kg ), kJ/kg = pevná, kapalná pal., kJ/m³= plynná pal.

- výhřevnost = teplo uvolněné spálením 1kg paliva,  přičemž vzniklá voda nezkondenzuje (vzniká pára)

spalné teplo > výhřevnost

- praktický význam má výhřevnost

-měrné palivo = zvolený standart paliva, který má výhřevnost cca 30 000kJ/kg, s tímto standardem se srovnávají paliva, spotřeba paliv se uvádí v kg, nebo v tunách měrného paliva. např.: hnědé uhlí má výhřevnost 16 000 kJ/kg → 0,54 t m. p.

Výroba páry:

- velice časté uplatnění paliv, provádí se v kotlích, kotle jsou trubky, do nichž se přivádí voda a kolem trubek proudí spaliny, které předávají teplo

a) vysokotlaká pára - tlak 12MPa, teplota 600°C, vyrábí se ve velkých elektrárnách, provozech

b) středotlaká pára - tlak 1,7MPa, teplota 200°C

c) nízkotlaká pára -  tlak 0,25MPa, teplota 120°C, vyrábí se přechodem páry přes turbínu, používá se k vytápění ( parní radiátory)

-Využití páry na výrobu energie - Chemická en. (palivo) → spálení →  tepelná en. → turbína → mechanický en. →  generátor → elektrická en.

Zpracování uhlí v koksárnách: karbonizace

- jedná se o zvyšování obsahu uhlíku, provádí se za vyšších teplot a bez přístupu vzduchu

a) vysokotepelná karbonizace - z černého uhlí, teplota 1000°C - 1100°C - koksování uhlí,

-produkty: koks (pevný) 75%, dehet + benzol 3,5 - 4,5%, svítiplyn 17%, čpavková voda

b) nízkotepelná karobonizace - z hnědého uhlí, teplota 600°C

- produkt: dehet

Koksárny:

- z uhlí vzniká koks, postupným ohřevem dojde k částečnému rozkladu vytěkání části uhlovodíku

- rozklad probíhá v koksárenských komorách ( 0,5 x 5m), délka 15 - 18m = jsou to tzv. koksárenské baterie

- po obvodu zvěnčí se vytápí plynem, rozklad je za nepřístupu vzduchu

- jako topný plyn slouží plyny z karbonizace

- POSTUP - do komory se buď zasune blok uhlí, nebo se shora nasype ( asi 20t), uhlí musí být jemně rozdrcené, při teplotě 400°C vzniká při koksování plastický stav, unikají plynné složky, komora se ohřívá na 1100°C. Proces trvá 24hodin, pak následuje chlazení = blok uhlí se vytlačí do tzv. hasícího vozu ( koksárenská baterie = 50 - 100komor). Z komory obsahu 20 t vznikne asi 15 t koksu. Z plynů se ochlazením ( sprchováním vodou) vyloučí kapalný dehet. Benzen a toluen zůstanou v plynu. Vypráním plynu v tzv. pracím oleji se zachytí benzol, který se pak z oleje vydestiluje. Dehet a benzol se samostatně zpracovávají. Plyny po vyprání benzolu obsahují nižší uhlovod. ( CO, CO₂, H₂ a malé množství nečistot, např. H₂S). Plyny se dají čistit a použít k vytápění ( svítiplyn).

- na koks jsou určité požadavky : zrnitost, čistota ( co nejvíce C), mechanická pevnost

- využití koksu - v technologických procesech, např. při výrobě surového Fe

Dehet:

- hustota = 1200 kg/m³

- nejdříve se provádí předběžné čištění, usazování nečistot, ohřev (rozrušení emulze) a oddělení vody od dehtu

- dehet se přivádí na ohřev do trubkové pece a pak se provádí nástřik do rektifikační kolony (380°C)

- dehet obsahuje hlavně aromatické uhlovodíky, částečně heterocyklické ( obsah N, S)

- destilace je atmosférická

Obsahy jednotlivých složek:

- lehký olej - benzen a jeho deriváty (toluen, xylen, zpracovává se společně s benzolem)

- karbolový olej - fenol a jeho deriváty, pyridin

- naftalenový olej - naftalen

-prací olej - deriváty naftalenu

- antracenový olej - antracen a jeho deriváty

- smola - aromatické uhlovodíky s 3 - 9 uhlovod. jádry

Použití frakcí: technické směsi, rozpouštědla, izolační nátěry, impregnace, silniční dehty, topné směsi, na výrobu elektrod, k získávání zákl. arom. uhlovod.

Zpracování frakcí:

1) lehký topný olej z dehtu + benzol:

- hydrogenační rafinací se odstraní sloučeniny S, O,N ..rce: R- S -R + 2H₂ → H₂S + 2RH

- vzniká sulfan, popř. amoniak a voda

- reakce probíhá za vyšších teplot (400°C) a vyššího tlaku, pomocí katalyzátoru Co,Mo

-pak následuje destilační dělení rafinovaného benzolu ( ve spojení s extrakcí), získáváme benzen, toluen a xylen.

2) karbolový olej:

- fenol se extrahuje pomocí NaOH, za vzniku fenolátu sodného, pak následuje sycení CO2 ve vodném prostředí a získáme vyčištěný fenol.

- ze zbytku získáváme pyridin, ke kterému se přidává kyselina sírová, a amoniak, čímž se pyridin vyčistí a získáme odpadlý produkt síran amonný.

3) naftalenový olej:

- n. olej se ochladí a  v krystalizátoru v kombinaci s lisem z něho získáme naftalen

- naftalen z krystalizátoru se zbaví kapalných podílů a rafinuje se. Pak se destilačně přečistí.

- použití -  k výrobě ftalanhydridu ( změkčování PVC)

4) prací olej:

- vrací se zpět do koksárny a slouží k vypírání benzolu z karbonizačního plynu

-použití - k impregnaci ( železniční pražce)

5) antracenový olej:

- krystalizací se získá antracen, zbylý olej po krystalizaci lze využít na impregnaci, nebo na výrobu sazí v gumárenském průmyslu

6) smola:

- použití -  asfaltování silnic

Zplyňování uhlí

= tepelné štěpění pomocí kyslíku, vzduchu, vodní páry za vzniku plynných produktů

- používá se hnědé uhlí

- vyrábí se:

a) generátorový plyn - chudý - pomocí vzduchu, obsahuje až 70% dusíku,

 - koncentrovaný - pomocí kyslíku místo vzduchu

-spalitelnou složkou je CO

b) vodní plyn - vzniká působením vodní páry na uhlí

- spalitelnou složkou je CO a H₂

c) směsný plyn - současné působení kyslíku a vodní páry

-spalitelné složky jsou CO, H₂, CH₄ - při ↑ tlaku