Fosilní paliva a jejich zpracování

Černé uhlí

Černé uhlí je sedimentární, hořlavá hornina organického původu. Vzniká přeměnou nahromaděné organické hmoty. To je doprovázeno biologickými, biochemickými, geologickými a geochemickými procesy , které se označují termínem karbonizace . Hmota je poté obohacena o elementární uhlík . Černé uhlí obvykle obsahuje mezi 75 a 92 %C, zatímco jiná odrůda uhlí – antracit – může obsahovat až 97 %. Tyto procesy jsou extrémně zdlouhavé a probíhají za specifických teplotních a tlakových podmínek. Zpracování černého uhlí zahrnuje:

• Koksování – je nejdůležitější proces pro chemické zpracování černého uhlí . V důsledku toho se získá koks . Uhlí se zahřívá na teplotu 900 až 1100 ᵒC, bez přístupu vzduchu. Za těchto podmínek se palivo rozkládá a vzniká koks (ve formě pevného zbytku) a směs plynů, které se nazývají lehké koksovatelné produkty. V procesu koksování je důležitá správná příprava suroviny pro koksování, aby výsledný produkt byl kvalitní, tj. měl správnou granulaci, pórovitost a mechanickou pevnost. Důležitá je zde kvalita černého uhlí. Proces přípravy uhlí zahrnuje vážení, mletí a míchání.
• Zplyňování – podstatou tohoto procesu je přeměna vytěženého uhlí na plyn s energetickými vlastnostmi. Zplyňování černého uhlí se provádí v průmyslových zařízeních speciálně upravených pro tento účel . Proces zplyňování probíhá za přítomnosti vzduchu nebo čistého kyslíku. Důležité je, že černé uhlí – surovina vstupující do reaktoru zplyňovacího zařízení – nemusí být nejvyšší kvality. K tomu se dobře hodí i kontaminované uhlí. O kvalitě produktu však rozhoduje stupeň čistoty suroviny. Syntézní plyn, který vzniká zplyňováním uhlí, je důležitou náhradou zemního plynu v chemickém průmyslu .

Čtěte také: alotropní odrůdy uhlíku .

Ropa

Surová ropa je složitá směs chemických sloučenin . Jeho složení (přibližně 80-90 %) jsou převážně kapalné uhlovodíky nebo rozpuštěné pevné uhlovodíky . Surová ropa sestává především z parafinických, aromatických a cykloparafinických uhlovodíků. Kromě výše uvedeného se v ropě nacházejí také organické sloučeniny obsahující ve své struktuře prvky jako kyslík, síra nebo dusík. V závislosti na tom, kde a kde se olej získává , se liší svým vzhledem a chemickým složením. Jeho uhlovodíkové složení a přítomnost dalších složek ovlivňují volbu a průběh jeho zpracování. Základní zpracování ropy zahrnuje:

• Destilace – tento proces má za cíl rozdělit ropu na jednotlivé frakce (odtud název frakční destilace), které lze následně použít samostatně nebo poslat k dalšímu zpracování. Surová destilační zařízení se skládají ze dvou jednostupňových destilačních systémů. První je destilace za atmosférického tlaku a druhá je destilace za sníženého tlaku. Při atmosférické destilaci se získají tři hlavní frakce: první destilační nafta (rozmezí varu 30–200 ᵒC), petrolej (175–300 ᵒC) a parafinový olej (275–400 ᵒC). Zbytek z atmosférické destilační kolony – mazut – vře při teplotách nad 350 ᵒC. Odděluje se v další fázi zpracování oleje, která zahrnuje destilaci za sníženého tlaku. Vakuum a přidání páry výrazně snižují body varu uhlovodíků. To umožňuje jejich vzájemné oddělení bez rizika tepelného rozkladu. Produkty vakuové destilace mazutu jsou vakuový plynový olej, parafinické destiláty a meziprodukt pro další zpracování.
• Katalytické krakování – jednotlivé ropné frakce obsahují převážně alifatické uhlovodíky s dlouhým řetězcem . V průmyslu je největší poptávka po benzínu, což je směs uhlovodíků s délkou řetězce mezi 5 a 12 atomy uhlíku. Katalytické krakování, během kterého se přeruší vazby uhlík-uhlík v molekulách s dlouhým řetězcem, pomáhá takové sloučeniny získat. Praskání je obvykle iniciováno tepelně nebo katalyticky. Hlavní reakce probíhající při katalytickém krakování jsou štěpení CC vazeb v alkanech , dehydrogenace naftenů, štěpení kruhu naftenických uhlovodíků a polymerace alkenů .
• Reformování – reformování je další proces rafinace ropy, jehož cílem je vytěžit co nejvíce benzínu. Během tohoto procesu se uhlovodíky s přímými uhlíkovými řetězci ve svých molekulách přeměňují na rozvětvené a/nebo aromatické sloučeniny. Reformování se aplikuje na benzínové destiláty, stejně jako na produkty krakování těžších ropných frakcí. Tento proces je nesmírně důležitý, protože pod jeho vlivem dochází ke zvýšení oktanového čísla benzínu (izomerizace, dehydrocyklizace, aromatizace), což výrazně zvyšuje jeho kvalitu. Kromě toho během reformování vzniká značné množství plynného vodíku. Používá se v hydroprocesech, jako je hydrorafinace a hydrokrakování.

Zemní plyn

Zemní plyn je dalším energeticky významným neobnovitelným fosilním palivem. Jedná se o plynné palivo. Často se vyskytuje u ložisek ropy – buď jako samostatná frakce, nebo v ní rozpuštěná. V závislosti na umístění nádrže existuje několik druhů zemního plynu: vysoce metanový, bohatý na dusík, suchý a vlhký. První z nich je nejdůležitější, neboť ve svém složení obsahuje nejvíce metanu, a to až 98 %. Zemní plyn navíc obsahuje (v různém množství) ethan , propan , oxid uhelnatý, oxid uhličitý, dusík a helium. Důležité je, že zemní plyn nemá žádný zápach. Aby bylo možné rychle detekovat jeho únik, je navoněn speciálními látkami, aby byl snadno čitelný. Zemní plyn vytěžený z naleziště je poměrně silně kontaminován. Aby jej tedy spotřebitelé mohli používat, musí projít procesem čištění. Na nich je založeno zpracování zemního plynu. Mezi klíčové fáze tohoto procesu patří:

• Dehydratace – spočívá v odstranění vlhkosti obsažené v plynu. Spolu s ním jsou také odstraněny některé nečistoty. Vodní pára v zemním plynu způsobuje korozi potrubí a také vede k tvorbě hydrátů , proto je nutné zemní plyn před vypuštěním do sítě vysušit. Oddělená kapalina se nazývá formační voda. Je odvezen do speciálních skladovacích zařízení a poté dále čištěn. Metody používané k dehydrataci zemního plynu jsou absorpce (glykoly), adsorpce (chloridové soli vápenaté a hořečnaté) a membránové techniky.
• Odstraňování oxidu uhličitého – tento proces se často nazývá dekarbonizace. Oxid uhličitý je spolu se sírou jednou ze škodlivějších znečišťujících látek v zemním plynu. CO ₂ je kyselý plyn. Ochotně reaguje s vodní párou v plynu a tvoří kyselinu uhličitou . Přestože se jedná o kyselinu s nízkou účinností, má pro své korozivní vlastnosti negativní dopad mimo jiné na systémy transportu plynů. Proto je nutná dekarbonizace zemního plynu.
• Odsiřování – přítomnost síry v zemním plynu např. ve formě sirovodíku je velmi škodlivá. Ovlivňuje nejen kvalitu plynu jako paliva, ale má také jedovaté a korozivní vlastnosti. Sirovodík je vysoce toxický plyn. Jeho odstranění z ložisek zemního plynu je také důležitým krokem k ochraně životního prostředí. Procesy odsíření typicky využívají metody fyzikální adsorpce a chemisorpce. Aktivní uhlí a zeolity jsou mimo jiné uspokojivě účinné jako adsorbenty odstraňující H ₂ Absorpce obvykle probíhá chemickou reakcí s přírodními hmotami (např. bahenní železo). Jednou z nejúčinnějších metod odstraňování sirovodíku je oxidace proti katalyzátoru, tzv. Clausův proces. Zahrnuje regeneraci elementární síry z H ₂ S obsaženého v plynu.

Rašelina

Rašelina je fosilní palivo s jedinečnými vlastnostmi. Je považováno za „nejmladší“ z fosilních uhlí. Tvorba rašeliny zahrnuje přeměnu nahromaděných úlomků, především rostlinného materiálu. Tyto procesy jsou známé jako peatifikace. Vyskytují se při vysokém obsahu vlhkosti a s omezeným přístupem kyslíku. Rašeliny se dělí na homogenní a heterogenní, které se vyznačují smíšeným složením. Rašelina je oddělena od hnědého uhlí konvenčním limitem obsahu elementárního uhlíku 65 %hmotnosti. Po extrakci se rašelina dělí na tři frakce v závislosti na zrnitosti: malá, střední a velká. Čerstvě extrahovaná rašelina je obvykle vysoce kyselá, takže ke snížení této kyselosti se často používají přísady, jako je dolomitový prášek.