MŰSZAKI KÉMIA 8. Szenek kémiai technológiája ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK 8. Szenek kémiai technológiája Dr. Bajnóczy Gábor BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA, KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK ! INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL FELTENNI TILOS !

A szén alkotói és szerkezete A szén egykor élő anyag, amelyben megtalálhatók az élő anyagot alkotó elemek: pl. szén, hidrogén, nitrogén, kén, nyomelemek A természetben található szén szerkezete Nem egyedi szénatomok halmaza, hanem egy polimer

Szénfajták Szén fajták a legfiatalabbtól a legidősebbig: tőzeg → lignit lignit, felszíni lignit bánya tőzeg, szárított tőzeg Víztartalom 80 – 90 % Víztartalom 40 – 50 %

Szénfajták Szén fajták a legfiatalabbtól a legidősebbig: barnaszén → fekete szén → antracit Barnaszén, víztartalom 35 – 50 % Fekete szén, víztartalom 10 – 30 % szenek víztartartalma kapilláris nedvesség, a szén korával csökken bánya nedvesség Antarcit Víztartalom ≈ 3%

A kitermelt szén feldolgozása Szénelőkészítés - aprítás, őrlés, osztályozás szemcse nagyság szerint mosás, dúsítás, meddő elválasztás szárítás porszén darabosítása

megjelenik a füstgázban Szén kéntartalma A szenek legkellemetlenebb összetevője a kéntartalom Szenek kéntartalma Pirites kén vas-szulfid Szulfát kén CaSO4, FeSO4 Mátrix kén Kémiailag kötött kén A kazán égőterében Kén-dioxid képződik Kén-dioxid nem képződik Kén-dioxid képződik Fizikai módszerrel nem távolítható el, megjelenik a füstgázban Sűrűség különbségen alapuló flotálással eltávolítható

Szén elgázosítása I. Szén elgázosítása Léggenerátorgáz gyártás Termék Izzó állapotú szén vagy széntartalmú anyag reakciója levegővel és/vagy vízgőzzel. A reakció során éghető gáz és salak képződik Termék Léggenerátorgáz gyártás Folyamatos üzemű, alacsony fűtőértékű éghető gáz képződik Ebben a szakaszban az izzó szén éghető Szén-monoxiddá redukálja a szén-dioxidot. Endoterm reakció Az elgázosító alsó részében elégő szén szén-dioxiddá ég el jelentős hőképződés kíséretében. betáplálás

Szén elgázosítása II. Vízgáz gyártás Termék Szakaszos üzemben, nagy fűtőértékű éghető gáz képződik Az elgázosító alsó részében az izzó szén endoterm reakció közben a vizet hidrogénné és szén- monoxiddá redukálja A reakció hő elvonó jellege miatt az izzó szénágy lehűl a reakció lelassul, majd megáll. Léggenerátorgáz előállítására kell átállni, hogy a szénágy hőmérséklete ismét megemelkedjen.

Nyomás alatt végzett elgázosításnál Szén elgázosítása III. Kevertgáz gyártás Termék Folyamatos üzemű, a léggenerátor- és vízgáz közötti fűtőértékű éghető gáz képződik. Olyan levegő / vízgőz arány betáplálást valósítunk meg, amely folyamatos üzemet tesz lehetővé. Ennek a reakciónak a hőtermelése fedezi ezen reakciók hőigényét Nyomás alatt végzett elgázosításnál metán is képződik C + 2 H2 ↔ CH4 2 tf 1 tf

Generátorgázzal működő autó (II. világháború idején)

Generátorgázzal működő teherautó

Generátorgázzal működő személyautó

Faelgázosító kazánok

Szénelgázosítás hasznosítása 1. A legolcsóbb hidrogén előállítási módszer az ammónia szintézishez Az elgázosításkor keletkező szén-monoxid és víz reakciójakor megfelelő hőmérsékleten katalizátor alkalmazásával tovább növelhető a hidrogén mennyisége. CO + H2O = CO2 + H2 2. A szén-monoxid hidrogén elegyéből katalizátorral metanol állítható elő CO + 2 H2 → CH3OH 3. Szintézis gáz (CO és H2 elegye) előállítása Fischer-Tropsch eljáráshoz (2n+1) H2 + n CO = CnH2n+2 + n H2O n: tetszőleges egész szám „n” függvényében megfelelő hőmérsékleten és katalizátorral különböző motorhajtó alapanyagok (benzin, gázolaj), olajok, viaszok Szintézisgázt biomassza elgázosításával is elő lehet állítani !

Szénelgázosítás hasznosítása, Fischer-Tropsch üzemek Dél-afrikai technológia Kínában Picture by: Sasol SASOLBURG PLANT 100 000 tons of coal enters Secunda's 80 gasifiers every day Shell technológia Malaysiában, Bintulu szintézis gáz előállítható metánból is CH4 + H2O = CO + 3 H2

Szén cseppfolyósítása Bergius- Peer eljárás TECHNOLÓGIA A szénpor iszapfázisú hidrogénezése 480 °C 300-700 bar-on, vas-oxid katalizátor Termék: középolaj fp: 200-324 °C 2. Középolaj finomítása (kén, oxigén, nitrogén eltávolítása. 3. Krakkolás 400 °C-n WS2 katalizátor jelenlétében Termék: műbenzin Varga József professzor 1891 – 1956 Kémiai Technológia Tanszék vezetője Varga effektus felfedezője: a kéntartalom nem katalizátor méreg a műbenzin előállítás folyamatában

Szénlepárlás, szén kigázosítása Szén vagy széntartalmú anyagok lepárlásán ezen anyagok levegő kizárásával végrehajtott hevítését, kigázosítását értjük. Ennek során a kiindulási anyag összetételétől függő mennyiségű gázvíz, kátrány és gázok keletkeznek. A lepárlás vagy kigázosítás maradéka a koksz. hűtés Cseppfolyós termékek Gázvíz (ammónia kinyerés) Kátrány (desztillációval különböző forráspont tartományú kátrányolajok, maradék a szurok) 1000 °C koksz Koksz, kemény, levegő járatokkal teli viszonylag könnyű anyag. Felhasználás: vas és acélgyártás Éghető gázok főleg hidrogén

Szénlepárlás, szén kigázosítása Kokszoló kamrák Kokszoló kamrák Kokszoló üzem Kokszoló kamrák kitoló berendezés A kész koksz kitolása a kamrából

Számítási gyakorlatok

Széntartalom dúsítása 1,00 tonna 25,0% hamutartalmú szénből mosással történő dúsítással elméletileg hány kilogramm 10,0% hamutartalmú dúsított szenet és hány kilogramm 65,0 % hamutartalmú meddőt kaphatunk ? Az 1,00 tonna 25,0% hamutartalmú nyersszénből x tonna 10,0% hamutartalmú mosott szenet és y tonna 65,0% hamutartalmú meddőt kapunk. Ennek alapján x és y összege 1,00 tonna, tehát az egyik egyenletünk: x + y = 1,00 A hamutartalomra vonatkozólag megállapítható, hogy az 1,0 tonna nyersszénben lévő hamu a két termék hamutartalmának az összege : 0,100 * x + 0,650 * y = 1,00 * 0,250 Tehát a következő egyenletrendszerünk van: x + y = 1,00 0,100 * x + 0,650 * y = 1,00 * 0,250 x = 1,00 - y 0,100 – 0,100y + 0,650y = 0,250 0,550y = 0,150 y = 0,150 / 0,550 = 0,273 x = 1,00 – 0,273 = 0,727 Elméletileg 727 kg 10% hamutartalmú mosott szenet és 273 kg meddőt kapunk.

2. Generátorgáz előállítása Hány normál köbméter elméleti összetételű generátorgáz állítható elő 10,0 tonna 55,0 % kőszéntartalmú szénből ? Szén atomtömege: 12,0 Levegő: 21,00% O2 79,00% N2 A generátorgáz gyártás során a széntartalom szén-monoxiddá alakul át. 2 C + O2 = 2 CO 24,0kg 22.41Nm3 44,82 Nm3 A 10,0 tonna kőszén elemi széntartalma 10 * 0,550 = 5,50 tonna azaz 5,50*103 kg. 24,0 kg szénből 44,82 Nm3 CO állítható elő akkor 5,50*103 kg-ból (5,50*103 * 44,82) / 24 = 10 271 Nm3 ≈ 1,03*104 Nm3 Az ehhez szükséges oxigén mennyiség (5,50*103 * 22,41) / 24,0 = 5 136 Nm3 ≈ 5,14*103 Nm3 Ez az oxigén mennyiség 5,14*103 / 0,2100 = 24 476 Nm3 ≈ 2,45*104 Nm3 levegőben található meg. A kiszámolt levegő oxigéntartalma elfogy a nitrogéntartalom változatlanul jelenik meg a generátorgázban. A 2,45*104 Nm3 levegő nitrogéntartalma 2,45*104 * 0,79 = 19 355 Nm3 ≈ 1,94*104 Nm3 A képződött CO és nitrogén térfogatát összeadva kapjuk az előállított generátorgáz mennyiségét 1,04*104 + 1,94*104 = 2,98*104 Nm3

3. Vízgáz előállítása Hány normál köbméter elméleti összetételű vízgáz (CO + H2) állítható elő 10 tonna 55 % kőszéntartalmú szénből ? (atomtömegek: C:12 H:1 O:16 A vízgáz gyártás során a széntartalom szén-monoxiddá és hidrogénné alakul át. C + H2O = CO + H2 12kg 18 kg 22.41 Nm3 22.41 Nm3 A 10 tonna kőszén elemi széntartalma 10 * 0,55 = 5,5 tonna azaz 5,5*103 kg. 12 kg szénből 44,82 Nm3 CO+H2 elegy állítható elő akkor 5,5*103 kg-ból (5,5*103 * 44,82) / 12 = 20 542,5 Nm3 ≈ 2,0*104 Nm3

4. Kevertgáz előállítása Milyen összetételű vízgőz – levegő eleggyel (kg vízgőz / Nm3 levegő) kell a koksz elgázosítását végeznünk, hogy a vízgázreakcióhoz szükséges hőt a generátorgáz gyártás reakciójakor felszabaduló hőmennyiség kiegyenlítse T = 1200°C-on? moltömegek: C: 12,0 O:16,0 H:1,0 Levegő: 21,0tf% O2 79,0tf% N2 A generátorgáz gyártás során a széntartalom szén-monoxiddá alakul át. 2C + O2 = 2 CO ∆H1200°C = - 246 kJ (exotherm) 12,0kg 22,41 Nm3 22,41 Nm3 A vízgáz gyártás során a széntartalom szén-monoxiddá és hidrogénné alakul át. C + H2O = CO + H2 ∆H1200°C = + 118,6 kJ (endotherm) 12,0kg 18,0 kg 22.41 Nm3 22.41 Nm3 Az első reakcióegyenlet alapján 22,41 Nm3 oxigén felhasználásakor 246 kJ szabadul fel. A második reakcióegyenlet alapján kiszámítható, hogy ez a hőmennyiség hány kg vízgőz elgázosítását fedezi. 118,6 kJ szükséges 18,0 kg vízgőzhöz 246 kJ szükséges x kg vízhez x = 246*18,0/118,6 = 37,3 kg Tehát 22,41 Nm3 oxigénhez azaz 22,41 / 0,210 = 107 Nm3 levegőhöz szükséges 37,3 kg vízgőz. 1Nm3 levegőhöz 37,3 / 107 = 0,348 kg vízgőz kell. A szükséges vízgőz-levegő elegy: 0,348 kg vízgőz / Nm3 levegő