Az égés és a füstgáztisztítás kémiája

Az előadások a következő témára: "Az égés és a füstgáztisztítás kémiája"— Előadás másolata:

1 Az égés és a füstgáztisztítás kémiája
Tananyag:

2 Miért égetünk? Kémiai energia Hőenergia Hőenergia Mechanikai energia
Mechanikai energia Elektromos energia Kémiai energia Kémiai energia Felesleges dolgoktól megszabadulás (erdő, kerti és kommunális hulladék, biztonság, levegőtisztaság) Gondatlanság

3 Mit égetünk? 6.CO2 + 6.H2O = C6H12O6 + 6.O2 + 2809 kJ
Fa, biomassza szénhidrátok (cellulóz, keményítő, lignin) Közvetett napenergia hasznosítás Fotoszintézis: 6.CO2 + 6.H2O = C6H12O6 + 6.O kJ Cellulóz égése: (C6H10O5)n + 6n.O2 = 6n.CO2 + 5n.H2O Fosszilis növényi, állati maradványok Szén égése: C + O2 = CO kJ Szénhidrogén (metán) égése: CH4 + 2.O2 = CO2 + 2.H2O kJ

4 Néhány tüzelőanyag fűtőértéke kJ/kg-ban
fa 16000 barnaszén 25000 feketeszén 30000 koksz 32000 fűtőolaj 40000 zsír és olaj 35000 szénhidrát 18000 kenyér 10000 sajt hús 10-20ezer

5 Reakcióhő számítása Képződéshő Energiamegmaradás törvénye
CO -110 CO2 -394 CH4 -74,9 C2H2 227 C2H4 51,9 C2H6 -84,5 C3H8 -104 C4H10 -126 H2O(g) -242 H2O(l) -286 NH3 -46 NO 90,4 NO2(s) 34 N2O 81,5 HNO3(l) -174,1 Képződéshő 1 mól anyag képződése elemekből elemek képződéshője = 0 Energiamegmaradás törvénye Meghatározó a kezdeti és a végállapot, függetlenül az átalakulás útjától Standard képződéshők 25 oC-on ΔH (kJ/mol)

6 Reakcióhő és a környezet viszonya
Negatív előjel Pozitív előjel

7 Reakcióhő számítása 2.H2 + O2 = 2.H2O - 484 kJ(l) - 572 kJ(g)
Mesterségesen előállított anyagok Hidrogén: 2.H2 + O2 = 2.H2O kJ(l) kJ(g) Szénmonoxid: 2.CO + O2 = 2.CO kJ Szintézis gáz, városi gáz előállítása Szén égése: C + H2O = CO + H kJ A szükséges energiát további szén égetésével nyerik. Éghető gáz előállítás pirolízissel (oxigénmentes hőbontás) (faszén), szemét pirolízis, metánbontás

8 Tökéletlen égés C + ½.O2 = CO - 110 kJ
Kevés oxigén, alacsony hőmérséklet C + ½.O2 = CO kJ Fűtési balesetek, kohó, belsőégésű motorok Részleges levegőhiány - tökéletlen keveredés Toxikus gázok (CO, H2S) Széngáz – a CO szagtalan – H2S intenzív szag PAH, dioxinok, furánok Koromképződés Füst

9 Tökéletlen égés Egy parafin (C18H38-tól szilárd) tökéletes égése: C20H ,5.O2 = 20.CO H2O Részlegesen tökéletlen égése: C20H42 + 0,5.O2 = C20H40 + H2O telítetlen, 1 kettőskötés CH3-(CH2)17-CH=CH2 Benzpirén (C20H12) C20H42 + 7,5.O2 = C20H H2O C20H ,5.O2 = 20.C + 21.H2O korom (grafit) grafitrács (wikipedia)

10 Reakciókinetika Reakciósebesség CO + NO2 -> CO2 + NO
v = k[CO][NO2] v     reakciósebesség k     arányossági tényező: reakciósebességi együttható […] az adott anyag mol/dm3-ben kifejezett pillanatnyi koncentrációja v = d[CO2]/dt = d[NO]/dt = -d[CO]/dt = -d[NO2]/dt

11

12

13

14 A reakciósebesség hőmérsékletfüggése
A reakciók létrejöttének szükséges feltétele a részecskék ütközése, De ez nem elegendő feltétel! Akkor megy végbe a reakció, ha az ütköző atomok vagy molekulák rendelkeznek egy energiatöbblettel, az ún. aktiválási energiával (E٭).

15 Aktiválási energia

16 Reakciókinetika Elemi reakció: egy ütközés következtében végbemenő átalakulás kellő sebességgel, megfelelő irányból!!

17

18 Katalízis Katalízis: katalizátorok segítségével az aktiválási energia kisebb egységekre bontható. A katalízátor olyan anyag, amely vagy a reakció sebességét változtatja meg, vagy a termodinamikailag lehetséges de kinetikailag gátolt reakciót lehetővé teszi.

19 Katalizátorok fajtái Aszerint, hogy a katalizátor és a reaktánsok azonos vagy különböző fázisban vannak, megkülönböztetünk homogén katalitikus (azonos fázis) reakciók Az élő rendszerekben például homogén katalitikus folyamatok játszódnak le, szervezetünkben enzimek a katalizátorok heterogén katalitikus (különböző fázis) reakciók az ipari méretű szintéziseknél, mivel a reakció után a katalizátor egyszerűen kinyerhető a rendszerből.

20 A katalizátorok megváltoztatják a reakció mechanizmusát, az eredeti reakciónál kisebb aktiválási energiájú utat nyitnak meg. Autokatalitikus reakció: olyan reakciótermék keletkezik, amely az eredeti reakcióra katalizátorként hat.

21

22

23

24 NO + szénhidrogén  N2 + CO2 + H2O 2 NO + 2 H2  N2 + 2 H2O
a., NO redukció (Rh): 2 NO + 2 CO  N2 + 2 CO2 NO + szénhidrogén  N2 + CO2 + H2O 2 NO + 2 H2  N2 + 2 H2O 2 NO + 5 H2  2 NH3 + 2 H2O szénhidrogén + H2O  CO + CO2 + H2 b., oxidáció (Pt és Pd): 2 CO + O2  2 CO2 szénhidrogén + O2  CO2 + H2O 2 H2 + O2  2 H2O kisebb valószínűséggel lejátszódó reakciók: 6 NO + 4 NH3  5 N2 + 6 H2O 2 NO + H2  N2O + H2O 2 N2O  2 N2 + O2

25 A tisztítás hatékonysága – levegő:üzemanyag arány
optimális arány – elektronikus motorvezérlés

26 A termikus hulladékkezelési eljárások jellemzői
Tüzelés Levegőbevezetés: légfelesleg tényező  1 Tüzelési hőmérséklet: oC Keletkező reakció termékek: füstgáz, kiégett salak Füstgáz főbb komponensei: CO2, H2O, O2, N2 Pirolízis (kigázosítás) Hevítés: levegőtől elzárva Kigázosítási hőmérséklet: oC Keletkező reakciótermékek: pirolízis-gáz, szilárd éghető anyag (pirolízis-koksz), mely tartalmazza az inert alkotókat is. Pirolízis-gáz főbb komponensei: CnHm A diákhoz itt kellene beszúrni a tanári magyarázatokat. HEFOP

27 Gázosító közeg: oxigén vagy vízgőz Elgázosítási hőmérséklet:  1200 oC
Keletkező reakciótermékek: éghető gáz, folyékony salak Gázösszetétel: CO, H2, CO2, H2O Plazmatechnológia Első lépcső: magas hőmérsékletű pirolízis (salakolvasztó kamrában), ahol a szükséges energiát plazmaégő biztosítja. A plazmaív egyenáramú feszültségforrás hatására a salakfürdő és a plazmaégő között alakul ki. Hőmérsékletek: Plazmaív: kb oC Salakolvadék: kb oC Második lépcső: a pirolízis gáz tökéletes kiégetése oC-on A diákhoz itt kellene beszúrni a tanári magyarázatokat. HEFOP

28 Pirolízis hőmérséklet reakcióidő, szemcsenagyság, keveredés
A hőbontás (pirolízis) a szerves anyagú hulladék kémiai lebontása megfelelően kialakított reaktorban, hő hatására, oxigénszegény vagy oxigénmentes közegben – esetleg inert gáz (pl. nitrogén) bevezetés közben. A hőbontás során a szerves hulladékból - pirolízis gáz - folyékony termék (olaj, kátrány, szerves savakat tartalmazó vizes oldat) - szilárd végtermék (piroliziskoksz) keletkeznek. Reakciófeltételek: hőmérséklet reakcióidő, szemcsenagyság, keveredés

29 A hőbontás alaptípusai: - kis- és középhőmérsékletű eljárások ( °C) - nagyhőmérsékletű eljárások ( °C) - nagyhőmérsékletű salakolvasztások eljárások (>1200 °C) A salakolvasztásos eljárás célja a gáznemű végtermék-kihozatal növelése, másrészt a környezettel szemben teljesen közömbös, kiégett maradékanyag biztosítása (az olvasztott salakgranulátum gyakorlatilag bárhova lerakható) A végtermék hasznosítható: - energiahordozóként (fűtőgáz, tüzelőolaj, koksz), - vegyipari másodnyersanyagként (pl. a gázterméket szintézisgázzá konvertálva metanol előállításához) - egyéb célokra (talajjavítás szilárd, szénben dús maradékkal; fakonzerválás vizes maradékkal; granulált salakolvadék építőipari adalékanyagként stb.)

30 Pirolízis előnyei A szilárd maradékok vízfürdős leválasztást követően különbözőképpen feldolgozhatók Keletkeznek értékesíthető alifás és aromás szénhidrogének Légszennyező hatása jelentősen kisebb,mint a hulladékégetésé. Hátrányai: Fokozott anyag-előkészítési igény A kisebb hőmérsékletű eljárásokban a gáztisztítás összetettebb és komplikáltabb Az ennek során keletkező, többnyire erősen szennyezett mosóvizet is komplex módon tisztítani kell. Az égetéshez képest nagyobb a lehetősége a nehezen bomló, nem tökéletes égéstermékek képződésének.

31 Szabályozott termikus oxidáción alapuló pirolízis technológia
A települési és az egészségügyi veszélyes hulladék kezelésben „áttörés” a reduktív és oxidatív eljárás soros összekapcsolása, folyamatirányítási rendszerek kifejlesztése és alkalmazása. Szabályozott termikus oxidáción alapuló pirolízis technológia - az első kamrában oxigénmentes körülmények között. a szilárd hulladékot alkotó szénvegyületek gázfázisúvá alakulnak át - a második kamrában (az ún. utóégetőben) a gáz levegővel turbulens áramlással keveredik, ez által magasabb hőmérsékletet elérve, biztosítjuk a lehetséges veszélyes anyagok teljes ártalmatlanítását, - a termikus folyamat különböző paramétereit betápláljuk egy számítógépes folyamatirányítóba, mely képes az ártalmatlanítás korrekcióját adott időközön belül megoldani. Ezt az elvet a gyakorlatban ECO-WASTE rendszer valósítja meg.

32 Rákospalotai szemétégető - füstgáztisztítás

33 Reakciók NO redukció ammóniával 6.NO + 4.NH3 = 5.N2 + 6.H2O
6.NO NH3 = 5.N H2O Ammónia-előállítás karbamidból CO(NH2)2 + H2O = CO2 + 2.NH3 Mésztej előállítás: CaO + H2O = Ca(OH)2 SO2 + Ca(OH)2 = CaSO H2O 2.CaSO3 + O2 = 2.CaSO4 gipsz képződés A lignitkoksz adszorbeál (nehézfémek, dioxinok) Az adszorbens eltávolítása szűréssel –> veszélyes hulladék lerakó

34

35 Mátra Erőmű - füstgáztisztítás
CaSO4 CaSO4 CaCO3 Lev. H2SO3 H2SO4 O2 SO2 CaCO3 SO2 + H2O = H2SO3 2.H2SO3 + O2 = 2.H2SO4 CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + H2O + CO2 CaCO3 adagolás – pH 5,2 SO2 + CaCO3 = CaSO3 + CO2 2.CaSO3 + O2 = 2.CaSO4 gipsz képződés