MŰSZAKI KÉMIA 8. Szenek kémiai technológiája

Az előadások a következő témára: "MŰSZAKI KÉMIA 8. Szenek kémiai technológiája"— Előadás másolata:

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

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

3 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

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

5 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%

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

7 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

8 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

9 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.

10 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 tf

11 Generátorgázzal működő autó (II. világháború idején)

12 Generátorgázzal működő teherautó

13 Generátorgázzal működő személyautó

14 Faelgázosító kazánok

15 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 !

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

17 Szén cseppfolyósítása Bergius- Peer eljárás
TECHNOLÓGIA A szénpor iszapfázisú hidrogénezése 480 °C bar-on, vas-oxid katalizátor Termék: középolaj fp: °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

18 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

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

20 Számítási gyakorlatok

21 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.

22 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% O ,00% N2 A generátorgáz gyártás során a széntartalom szén-monoxiddá alakul át. 2 C O = CO 24,0kg Nm ,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 = Nm3 ≈ 1,03*104 Nm3 Az ehhez szükséges oxigén mennyiség (5,50*103 * 22,41) / 24,0 = Nm3 ≈ 5,14*103 Nm3 Ez az oxigén mennyiség 5,14*103 / 0,2100 = 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 = Nm3 ≈ 1,94*104 Nm3 A képződött CO és nitrogén térfogatát összeadva kapjuk az előállított generátorgáz mennyiségét 1,04* ,94*104 = 2,98*104 Nm3

23 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 kg Nm 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 = ,5 Nm3 ≈ 2,0*104 Nm3

24 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% O ,0tf% N2 A generátorgáz gyártás során a széntartalom szén-monoxiddá alakul át. 2C O = CO ∆H1200°C = kJ (exotherm) 12,0kg ,41 Nm ,41 Nm3 A vízgáz gyártás során a széntartalom szén-monoxiddá és hidrogénné alakul át. C H2O = CO H ∆H1200°C = ,6 kJ (endotherm) 12,0kg ,0 kg Nm 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

25