Własności paliw
Występują w przyrodzie w wystarczających ilościach,
Cechują się ekonomicznym kosztem eksploatacji w stosunku do ilości uzyskanego ciepła ze spalania,
Podczas spalania nie wydzielają szkodliwych lub niebezpiecznych substancji,
Skład chemiczny( max składników palnych, min składników szkodliwych(niepożądanych)),
Ciepło spalania i wartość opałowa,
Zachowanie odpowiednich własności przy wysokich temperaturach,
Naturalne,
Sztuczne( powstające z przeróbki paliw naturalnych),
Stałe,
Ciekłe,
Gazowe,
Jądrowe,
Składniki palne (węgiel, wodór, siarka),
Składniki obojętne (tlen, azot, woda),
Składniki szkodliwe (siarka, tlenki, sole),
Węgiel – jest najważniejszym składnikiem paliw, występuje w postaci związków organicznych które podczas spalania ulegają rozkładowi i utlenieniu, w wyniku spalenia 1kg węgla uzyskujemy około 8000 kcal ciepła. Zależnie od rodzaju i czystości węgla naturalnego, tzw. wartość opałowa (czyli ilość ciepła uzyskana z rzeczywistego spalenie węgla) wynosi od 6000 do 8000 kcal .
Wodór – cechuje się znaczącą większą wartością opałową rzędu 30 000 kcal/kg w postaci naturalnej występuje w niewielkim zakresie(z punktu widzenia paliwa)
Siarka – występuje w niewielkich ilościach paliwa w postaci związku z żelazem, wapniem i magnezem, podczas spalania paliwa związki te rozkładają się, a wydzielająca się siarka utlenia się do SO2 generując pewne ilości ciepła, natomiast powstający tlenek wydostaję się ze spalinami poza obszar reakcji procesu, gdy przedostanie się do atmosfery powoduje znaczące zanieczyszczenia przestrzeni powietrznej poprzez kwaśne deszcze( SO2+H2O->H2SO4).
Tlen – występuje w paliwach w związkach z tlenkiem i wodorem, nie ma szkodliwego oddziaływania ani na proces spalania ani na generowanie szkodliwych zanieczyszczeń, powoduje natomiast obniżenie wartości opałowej.
Azot – także występujący w związkach będących składnikami paliw, znaczenie analogiczne do tlenu. Problem azotu pojawia się podczas spalania, bowiem spalające się paliwo powoduje utlenienie azotu zawartego w powietrzu. Azot z powietrza utleniając się tworzy związki zwane NOx które są bardzo szkodliwe dla rozwoju roślinności a także życie zwierzęcego. NOx generuje się w temperaturach powyżej 800oC czyli jedynie podczas spalania wysokotemperaturowego.
Wilgoć (woda) – w paliwach naturalnych zawsze występuje pewna ilość wilgoci, która w warunkach spalania odparowuje. Przechodzące pary ze spalinami do atmosfery nie stanowią wprawdzie żadnego zagrożenia, ale wilgoć w paliwie zmniejsza znacząco wartość opałową(nie bierze udziału w spalaniu, dodatkowo pobiera energię cieplną potrzebną do odparowania).
Domieszki substancji mineralnych – zawsze zawarte z pewnym udziałem w paliwach naturalnych, stanowią niepalne składniki tworząc po spalaniu paliwa tzw. popiół zależnie od rodzaju tych składników popiół może być szkodliwy bądź nie dla atmosfery, składniki te obniżają wartość opałową paliwa.
Węgiel kamienny będący podstawowym surowcem energetycznym (szczególnie w Polsce), w przyrodzie występują pokłady węgli o bardzo zróżnicowanym składzie chemicznym i mineralogicznym, o różnym zanieczyszczeniu oraz o różnych warunkach geologicznych.
W postaci naturalnej węgiel zużywa się co najwyżej w warunkach domowych. Generalnie węgiel używany gospodarczo, poddawany jest przeróbce celem przystosowania do wydajniejszego spalania.
Koks ( w tym koks hutniczy) – koks powstaje w wyniku tzw. suchej destylacji węgla, polegającej na nagrzewaniu węgla do temperatury rzędu 1200o C bez dostępu powietrza. Następuje wówczas rozkład węglowodorów, z pewnym oddzieleniem substancji nieszkodliwych a powstający materiał w postaci koksu cechuje się dużą powierzchnią, dużą wytrzymałością mechaniczną oraz większa zawartością węgla palnego. Cechy te powodują że w wyniku spalania koksu uzyskuje się wyższą wartość opałową, wyższe temperatury spalania co umożliwia wykorzystanie w procesach wysokotemperaturowych. Jednocześnie dobra wytrzymałość mechaniczna jest szczególnie ważna w procesie wielkopiecowym. ( został wynaleziony na przełomie XIX/XX w. stosowany od 80lat)
Podczas przerobu węgli naturalnych powstaje tzw. miał węglowy ( frakcja drobno pokruszonego węgla) – materiał ten wykorzystywany jest do produkcji brykietów, w niektórych rozwiązaniach stosuje się do spalania pył węglowy( specjalny system palników) .
Pokruszenie, posegregowanie różnych gatunków węgli celem przygotowania tzw. mieszanki koksowniczej. Mieszanka taka musi mieć odpowiednie ilości frakcji ziarnowych aby proces spiekania mógł przebiegać prawidłowo. Stosuje się frakcje ziarnowe poniżej 0,5 mm oraz do kilku % frakcji ziarnowych rzędu 3mm. Po pokruszeniu węgla w urządzeniach zwanych młynami kulowymi lub bębnowymi następuje sortowanie poprzez odsianie na odpowiednich sitach poszczególnych wielkości ziaren. Tak przygotowane frakcje zmielonego węgla przechowywane są w zasobnikach stanowiąc wsad do koksowania.
Proces koksowania przeprowadza się w urządzeniach zwanych bateriami koksowniczymi (zbudowane są z żarowytrzymałych blach stalowych w postaci prostopadłościanu mającego niewielki przekrój poprzeczny(200/400mm x 1500/2000mm) i długość dochodzącą do 3m. wokół tych komór są kanały grzewcze poprzez które przebiegają spaliny paliwa gazowego. Komory po załadowaniu są szczelnie zamykane, tak aby uniemożliwić dostęp powietrza. Początkowo komora koksownicza załadowywana jest mieszanką węglową o odpowiednio dobranej frakcji ziarnowej. Sposób przygotowania mieszanki wsadowej decyduje o rodzaju i jakości uzyskiwanego koksu. Po załadowaniu i ubiciu mieszanki, rozpoczyna się nagrzewanie baterii. W I etapie w temperaturach do 350oC następuję odparowanie wilgoci oraz rozpad niektórych związków chemicznych. W zakresie temp. 350/500oC węgiel przechodzi w stan tzw. plastyczny, w tym okresie następuje intensywne wydzielanie gazów, poprzez wydzielenie i rozkład zawartych w węglu części lotnych. Wtedy diametralnie zmienia się skład chemiczny i fizyczny w komorze. Po osiągnięciu temperatur rzędu 550oC rozpoczyna się ostatni okres procesu koksowania w którym uzyskiwane temperatury dochodzą do 1200oC (w zależności od rodzaju węgli i rodzaju produkowanego koksu) w okresie tym następuje dalszy rozkład węglowodorów, tworzenie się szczelin w mieszance związanych z uplastycznionym węglem oraz przepływającymi przez niego gazów oraz znaczące zmniejszenie objętości tworzy się wówczas tzw. półkoks mający konsystencje plastyczną ale będący w stanie stałym. Od tego momentu zaczyna się powolne ochładzanie komory i tworzy się końcowa postać koksu. Po ostudzeniu do temperatury rzędu 300oC „wypycha się” wytworzony koks z komory i przekazuje do urządzeń transportowych. Powstające w procesie gazy, zawierające w swym składzie chemicznym CO, CO2 , N są ujmowane w ciągu i stanowią tzw. gaz koksowniczy wykorzystywany w hutnictwie (opalanie pieców na walcowniach)
Własności fizyczne
Ciężar właściwy – 1000kg/m3 ( dla węgli 700kg/m3)
Porowatość – jest ściśle związana z ciężarem właściwym w kawałkach koksu do jego całkowitej objętości ( wynosi 40/50%). Sama porowatość koksu nie jest wskaźnikiem dla oceny jego jakości, bowiem ważnie jest również kształt porów, grubości między nimi i ich równomierność rozmieszczenia. Wysokiej jakości koks charakteryzuję się drobnymi porami, równomiernie rozmieszczonymi przy małej grubości ścianek
Ciężar nasypowy koksu – wynosi dla koksu 400/500 kg/m3 mały ciężar nasypowy jest korzystniejszy wskazując na dobrą porowatość i równomierność wielkości kawałków
Własności chemiczne
Reakcyjność koksu – zdolność do reagowania z tlenem, dwutlenkiem węgla, parą wodną itd. Czym lepszej jakości koks tym lepsza reakcyjność. O reakcyjności świadczy ilość CO w gazach po spaleniu im większa ilość CO tym lepsza reakcyjność.
Palność koksu – jest to temperatura w której następuje zapłon koksu (wynosi 600/700oC) od tej temperatury następuje spalanie bez dostarczenia ciepła z zewnątrz.
Wartość opałowa (ilość ciepła uzyskana z jednostki paliwa) 7000 kcal/kg .
Własności wytrzymałościowe
Wytrzymałość na ściskanie.
Wytrzymałość na ścieranie.