PALIWA

Paliwo i jego spalanie
Najważniejszym

dotychczas

źródłem

energii są paliwa - substancje palne,
których energia chemiczna podczas
spalania

zamienia

się

na

ciepło,

zużywane

wprost

do

procesów

endotermicznych albo przekształcane na
inne rodzaje energii.
Rozróżniamy paliwa naturalne jak:
węgiel kamienny,
węgiel brunatny,
torf,
ropę naftową,
gaz ziemny,
oraz paliwa sztuczne jak:
koks,
półkoks,
brykiety węglowe,
produkty przerobu ropy naftowej,
oleje smołowe,
syntetyczne paliwa ciekłe,
gazy generatorowe,
gazy koksownicze,
acetylen,
i inne.

Podział na różne rodzaje paliw jest
umowny, dawniej za paliwa uznawano
tylko substancje organiczne, które
spalając się przy dostępie tlenu z
powietrza

wytwarzały

ciepło.

W

obecnych czasach produkuje się także
substancje palne, która podczas spalania
wydziela znaczne ilości ciepła, a
utleniaczem może być tlen z powietrza
lub substancja zawierająca w swym
składzie tlen niezbędny do spalania.
Spalaniem nazywamy taki chemiczny
proces łączenia się substancji palnej z
utleniaczem, który przebiega z dużą
szybkością, z wydzieleniem znacznych
ilości ciepła, czemu towarzyszy płomień i
gwałtowny

wzrost

temperatury

substancji

reagujących.

Charakterystyczną cecha spalania jest
duża szybkość reakcji, podczas której
ciepło nie zdąży się rozproszyć i to
odróżnia

proces

spalania

od

naturalnego, powolnego utleniania np..
Węgla na zwałach.
Definicja paliw zaczęła się zmieniać od
czasu zastosowania paliw rakietowych,
gdzie ze względów oczywistych nie ma
dostępu do tlenu z powietrza. W tych
przypadkach stosuje się substancje,
gdzie jedna cząsteczka zawiera zarówno
cześć palną i utleniającą i do ich
spalania nie trzeba dostarczać tlenu np.
nitrometan

CH

3

NO

2

,

azotan

etylu

C

2

H

5

NO

3

i wiele innych.

W paliwach rakietowych stosuje się także
mieszaniny

związków

palnych

z

utleniaczem, stosuje się także stałe paliwa
rakietowe, których głównym składnikiem
jest nitroceluloza i wybuchowy plastyfikator
nitrogliceryna oraz dodatki regulujące
temperaturę i szybkość spalania. Paliwa,
których spalanie może odbywać się bez
dostępu tlenu z powietrza produkuje się
obecnie wiele rodzajów i ich omawianie
wykracza poza zakres tych wykładów.

Paliwa stałe
Torf
Torf jest naturalnym kopalnym paliwem o
najmniejszym stopniu uwęglenia. Głównymi
miejscami tworzenia się i występowania
torfu są tereny bagienne, torf powstał z
roślin, torfy są przeważnie zanurzone w
wodzie i dlatego wolno ulęgają procesowi
rozkładu

wskutek

słabego

dostępu

powietrza. Torf narasta od dołu do góry i w
danym torfowisku wyżej leżą pokłady
młodsze, a głębiej starsze.
W Polsce zasoby torfu rozmieszczone są
głównie w północnej i w północno-
zachodniej części kraju, ocenia się je na
około 20 miliardów ton.
Zasoby światowe torfu są ogromne, jednak
wskutek niskiej kaloryczności w porównaniu
z

innymi

paliwami

naturalnymi,

nie

odgrywają one znaczącej roli ani w
produkcji

energii

ani

w

przeróbce

chemicznej. Jako materiał opałowy torf ma
znaczenie tylko lokalne.

Węgiel brunatny
Z

punktu

widzenia

właściwości

chemicznych i fizycznych węgiel brunatny
zajmuje pośrednie miejsce między torfem a
węglem kamiennym. Węgiel brunatny
posiada dużą zawartość wilgoci, która
nawet dochodzi do 35-65%. Przemysł węgla
brunatnego

wykazuje

silną

tendencję

rozwojową,

koszty

wydobycia

węgla

brunatnego

metodą

odkrywkową

są

kilkakrotnie niższe niż koszty wydobywania
węgla

kamiennego

w

kopalniach

podziemnych.

Obecnie

w

pobliżu

odkrywkowych kopalni węgla brunatnego
buduje się elektrownie zasilane węglem
brunatnym, jak to ma miejsce np. w Polsce
w Bełchatowie.

Węgiel kamienny
W szeregu uwęglenia paliw stałych węgiel
kamienny zajmuje miejsce pośrednie między
węglem

brunatnym

a

antracytem.

Przeciętna zawartość pierwiastka węgla w
węglu kamiennym wynosi 70 do 95%.
Przy ocenie przydatności węgla kamiennego
do celów energetycznych uwzględnia się
następujące parametry:
zawartość wilgoci, zawartość popiołu,
zawartość części lotnych, spiekalność,
wartość

opałową,

topliwość

popiołu,

zawartość siarki, sortyment i inne.
Liczne

stosowane

obecnie

metody

użytkowania węgla do celów chemicznej
przeróbki oraz do celów energetycznych
przedstawiono poniżej.

RÓŻNE ODMIANY ALOTROPOWE WĘGLA

Grafit

Sadza

Diament

Fullereny

Użytkowanie węgla kamiennego

Spalanie

Ciepło

Para

Zgazowanie

(generatory)

Zgazowanie

(generatory)

Smoła

generatorowa

Gaz

generatorowy

Gaz

wodny

Gaz

do syntezy

Uwodornianie

Benzyna

Oleje napędowe

Oleje opałowe

Oleje smarowe

Koksownictwo

odgazowanie

w wysokich

temperaturach

Koks

metalurgiczny

Smoła

koksownicza

Benzol

surowy

Siarczan

amonu

Gaz

koksowniczy

Użytkowanie węgla kamiennego

Wytlewanie

odgazowanie

w niskich

temperaturach

Półkoks

Prasmoła

Benzyna

Gaz

wytlewny

Piroliza - koksowanie
Koksowanie jest procesem odgazowania
węgla, polegającego na wygrzewaniu węgla
w wysokiej temperaturze bez dostępu
powietrza. W tych warunkach następuje
rozkład substancji węglowych i wydzielenie
z węgla części lotnych i tzw. smoły
koksowniczej. Na bazie smoły koksowniczej,
która jest mieszaniną wielu różnych
związków

organicznych

rozwinął

się

nowoczesny przemysł organiczny.
W

Polsce

zapotrzebowanie

na

koks

kształtują nie tylko potrzeby metalurgii, ale
w

dużym

stopniu

cele

opałowe,

podstawowym surowcem energetycznym
jest dla Polski węgiel, którego zasoby
przekraczają wielokrotnie zasoby gazu i
ropy.

Zastosowanie koksu
Koks wielkopiecowy
Koks w procesie wielkopiecowym pełni kilka
funkcji: paliwa wytwarzającego ciepło do
stopienia materiałów wsadowych, reduktora
tlenków żelaza, nawęglacza surówki i także
składnika

zapewniającego

odpowiednią

gazoprzepuszczalność

materiałów

wsadowych w poszczególnych strefach
wielkiego pieca.
Substancja mineralna zawarta w koksie
obniża jego wartość opałową i zwiększa
zawartość

żużla

w

procesie

wielkopiecowym. Szczególnie szkodliwym
balastem wprowadzanym z koksem do
wielkiego pieca jest siarka.

Wilgoć zawarta w koksie odparowuje w
górnej części wielkiego pieca. Wahania
zawartości

wilgoci

w

koksie

mogą

niekorzystnie oddziaływać na bilans cieplny
procesu wielkopiecowego, konieczna jest
korekta namiaru koksu do wielkiego pieca
uwzględniająca jego zawilgocenie. Pewna
zawartość wilgoci w koksie jest pożądana ze
względu na mniejsze pylenie podczas
transportu koksu do wielkiego pieca. Stawia
się wymagania producentom koksu zarówno
co do wilgotności koksu i także stabilności
tego parametru w długim czasie.
Koks musi mieć odpowiednie uziarnienie
wyjściowe

oraz

dobre

właściwości

mechaniczne dla spełnienia wszystkich
swoich funkcji w procesie wielkopiecowym.

Koks odlewniczy
Koks odlewniczy pełni przede wszystkim
funkcję paliwa, zapewniając nagrzanie,
stopienie i przegrzanie ciekłego metalu do
temperatury gwarantującej dobrą jakość
odlewów.
Wymagania

stawiane

koksowi

odlewniczemu (grube i wytrzymałe kawałki,
niska zawartość balastu) powodują, że do
jego produkcji stosuje się wysokojakościowe
mieszanki węglowe koksowane z małymi
szybkościami, wydłuża to czas koksowania
nawet do 30 godzin.

Koks do wytopu metali nieżelaznych
Hutnictwo metali nieżelaznych stosuje koks
do produkcji cynku, ołowiu, miedzi, niklu i
kobaltu. Koks w tych procesach pełni
funkcje paliwa, reduktora oraz czynnika
gwarantującego przewiewność wsadu.
Pożądana jest jak najmniejsza zawartość
balastu substancji mineralnej i wody. Także
pożądana jest niska zawartość siarki w
koksie do wytopu metali nieżelaznych.

Koksik do spiekania rud
Koks o uziarnieniu poniżej 10 mm,
zmieszany z rudami, pyłem wielkopiecowym
i innymi nośnikami żelaza, które ze względu
na uziarnienie nie mogą być kierowane
bezpośrednio do wielkiego pieca, spieka się
na taśmach o specjalnej konstrukcji. Przy
spalaniu koksiku uzyskuje się temperaturę
rzędu

1300-1500

o

C

wystarczająca

do

stopienia powierzchni ziaren komponentów
mieszanki

i

uzyskania

odpowiednio

wytrzymałego spieku. Najkorzystniejsze
efekty przy spiekaniu uzyskuje się dla
koksiku o uziarnieniu poniżej 3 mm, często
więc koksik dodatkowo poddaje się mieleniu
przed

wprowadzeniem

na

taśmę

spiekalniczą.
Niewielkie ilości koksiku wykorzystywane
są do spiekania i redukcji ogniowej w
piecach

obrotowych,

rud

metali

nieżelaznych takich jak: cynk, ołów, nikiel i
wolfram.

Koks opałowy
Koks opałowy powinien mieć możliwie
wysoką wartość opałową, uzależnioną
głównie od zawartości wilgoci i popiołu,
możliwie niską temperaturę zapłonu i
wysoką reakcyjność.
Ogrzewnictwo jest drugim po procesie
wielkopiecowym odbiorcą koksu.
Stosowanie

koksu

lub

paliw

koksopodobnych jako paliwa bezdymnego
ma szczególne uzasadnienie w dużych
skupiskach miejskich, w których spalanie
węgla powoduje nadmierną koncentrację
szkodliwych dymów i sadzy.

Bateria koksownicza
Surowcem

do

produkcji

koksu

jest

mieszanka

węglowa

o

odpowiednio

dobranych

parametrach

fizyko-

chemicznych.
Podstawowym

obiektem

produkcyjnym

koksowni jest bateria koksownicza. W
koksowni

produkuje

się

koks,

gaz

koksowniczy

i

chemiczne

produkty

koksowania.

Komora koksownicza jest podstawowym
elementem baterii koksowniczej, w której
przebiega proces koksowania Komora
koksownicza jest zamknięta z obu stron
drzwiami piecowymi.
Do komory koksowniczej dostarcza się
ciepło poprzez ściany grzewcze, które są
podzielone na kanały grzewcze, w których
zachodzi

spalanie

gazu.

Temperatura

spalania gazu koksowniczego wynosi około
2500

o

C. Spaliny są odprowadzane na

zewnątrz po odpowiednim wykorzystaniu
ich ciepła.
Komory koksownicze są połączone z
odbieralnikiem

gazu.

W

odbieralniku

następuje

uśrednienie

składu

gazu

wydobywającego się z poszczególnych
komór i wstępne chłodzenie surowego gazu
koksowniczego.
Wstępne chłodzenie gazu koksowniczego
następuje poprzez zraszanie go wodą
amoniakalną i zachodzi wytrącanie z niego
smoły w postaci średnich i ciężkich frakcji.
Smoła wraz z wodą amoniakalną spływa z
odbieralnika rurociągiem do mechanicznych
odstojników.
Bateria koksownicza jest obsługiwana przez
szereg urządzeń, a między innymi:
urządzenia

do

przygotowania

i

umieszczania porcji węgla w komorze
koksowniczej,
urządzenia do wypychania koksu z komory
oraz wiele innych niezbędnych do obsługi
baterii koksownicze.
Istnieje

wiele

rozmaitych

rozwiązań

konstrukcyjnych zarówno baterii jak i
osprzętu.

Przeciętnie

otrzymywane

produkty

z

koksowania 1 t węgla w procentach są
następujące:

73%

6%

2%

13%

6%

koks
smoła
benzol
gaz koks.
inne

Lotne produkty koksowania
Różne gatunki węgla zaczynają wydzielać
lotne produkty w różnych temperaturach,
węgle płomienne zaczynają się rozkładać
już w temperaturze około 170

o

C. Za

początek rozkładu mieszanki wsadowej
można przyjąć temperaturę średnią około
300

o

C, chociaż jak już wspomniano rozkład

niektórych gatunków węgla rozpoczyna się
przy dużo niższej temperaturze.
Poniżej

przedstawiono

lotne

produkty

koksowania w zależności od temperatury
mieszanki wsadowej.

do 110

0

C

para wodna, pył

węglowy,

substancje smoliste
100-200

O

C

zaokludowane

na

węglu gazy:

metan,

ditlenek

węgla i
azot
200-400

o

C

tlenek i ditlenek

węgla,

wyższe
fenole
400-550

o

C

głównie smoły

pierwotne, głównie
metan ok. 60% i

niska zawartość

wodoru ok. 20 %

550 do 800

o

C

gaz bogaty w

wodór

nawet do około

50

%, etan, etylen,

acetylen,

także
cykliczne
węglowodory, z

których przez

uwodornienie

powstają
węglowodory
aromatyczne,

wielopierścieniowe
węglowodory
aromatyczne,
wodór, z fenoli

wyższych powstają
fenole niższe, tlenek
i ditlenek węgla,

cyjanowodór,
siarkowodór, niższe
węglowodory
pochodzące z
rozkładu fenoli

wyższych

powyżej 800

o

C

acetylen,

wodór i
metan, azot,
cyjanowodór

Schematyczny przekrój pionowy wsadu
komory koksowniczej w początkowej fazie
procesu koksowania

Węgiel
wilgotny

Węgiel
suchy

Węgiel
plastycz
ny

Węgiel
zestalający
się

półkoks

Koks
średniote
mperatur
owy

Koks
wysokote
mperatur
owy

Temperatura:1000 500
100

Prod.
gazowe

Grzani
e
boczne