Fossile Brennstoffe und ihre Verarbeitung

Steinkohle

Kohle ist ein sedimentäres, brennbares Gestein organischen Ursprungs. Sie entsteht durch die Umwandlung von angesammeltem organischem Material. Dies wird von biologischen, biochemischen, geologischen und geochemischen Prozessen begleitet, die mit dem Begriff Karbonisierung bezeichnet werden. Dabei kommt es zu einer Anreicherung der Materie mit elementarem Kohlenstoff. Steinkohle enthält in der Regel zwischen 75 und 92 % C, während eine andere Kohleart – Anthrazit – bis zu 97 % enthalten kann. Diese Prozesse sind äußerst langwierig und finden unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen statt.

Zu den Verfahren zur Verarbeitung von Steinkohle gehören:

• Verkokung – die wichtigste chemische Verarbeitung von Steinkohle. Als Ergebnis erhält man Koks. Die Kohle wird bei einer Temperatur von 900 bis 1.100 ᵒC erhitzt, ohne Zugang zu Luft. Unter diesen Bedingungen zersetzt sich der Brennstoff, und es entstehen Koks (in Form eines festen Rückstands) und ein Gasgemisch, die als leichte Verkokungsprodukte bezeichnet werden. Beim Verkokungsprozess ist es wichtig, den Rohstoff für die Verkokung richtig vorzubereiten, damit das Endprodukt von guter Qualität ist, d. h. die richtige Körnung, Porosität und mechanische Festigkeit aufweist. In diesem Fall ist die Sorte der Steinkohle wichtig. Der Prozess der Kohleaufbereitung umfasst das Wiegen, Mahlen und Mischen.
• Vergasung – Das Wesen dieses Verfahrens ist die Umwandlung der geförderten Kohle in ein Gas mit energetischen Eigenschaften. Die Vergasung von Steinkohle wird in speziell dafür eingerichteten Industrieanlagen durchgeführt. Der Vergasungsprozess findet in Gegenwart von Luft oder reinem Sauerstoff statt. Wichtig ist, dass die Steinkohle – das Rohmaterial, das in den Reaktor der Vergasungsanlage gelangt – nicht von höchster Qualität sein muss. Auch verunreinigte Kohle ist dafür gut geeignet. Es ist jedoch zu bedenken, dass der Reinheitsgrad des verwendeten Rohstoffs die Qualität des Produkts bestimmt. Synthesegas, das durch Kohlevergasung hergestellt wird, ist ein wichtiger Ersatz für Erdgas in der chemischen Industrie.

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Rohöl

Rohöl ist ein komplexes Gemisch aus chemischen Verbindungen. Seine Zusammensetzung (ca. 80-90 %) besteht überwiegend aus flüssigen Kohlenwasserstoffen oder gelösten festen Kohlenwasserstoffen. Rohöl besteht hauptsächlich aus paraffinischen, aromatischen und zykloparaffinischen Kohlenwasserstoffen. Darüber hinaus finden sich in Rohöl auch organische Verbindungen, die Elemente wie Sauerstoff, Schwefel oder Stickstoff in ihrer Struktur enthalten. Je nachdem, wo und wie das Öl gewonnen wird, variiert es in seinem Aussehen und seiner chemischen Zusammensetzung. Seine Kohlenwasserstoffzusammensetzung und das Vorhandensein anderer Komponenten beeinflussen die Wahl und den Verlauf der Verarbeitung.

Zu den grundlegenden Verfahren der Rohölverarbeitung gehören:

• Destillation – Dieses Verfahren zielt darauf ab, das Rohöl in einzelne Fraktionen zu trennen (daher der Name fraktionierte Destillation), die dann unabhängig voneinander verwendet oder weiterverarbeitet werden können. Rohöl-Destillationsanlagen bestehen aus zwei einstufigen Destillationssystemen. Die erste ist eine Destillation unter atmosphärischem Druck, die zweite, eine Destillation unter vermindertem Druck. Bei der atmosphärischen Destillation werden drei Hauptfraktionen gewonnen: Naphtha aus der ersten Destillation (Siedebereich 30-200 ᵒC), Paraffin (175-300 ᵒC) und Paraffinöl (275-400 ᵒC). Der Rückstand aus der atmosphärischen Säule – der Mazut – siedet bei Temperaturen über 350 ᵒC. Die Abtrennung erfolgt in der nächsten Stufe der Ölverarbeitung, der Destillation unter vermindertem Druck. Vakuum und die Zugabe von Dampf senken den Siedepunkt von Kohlenwasserstoffen erheblich. Dadurch können sie voneinander getrennt werden, ohne dass die Gefahr einer thermischen Zersetzung besteht. Die Produkte der Vakuumdestillation von Mazut sind Vakuumgasöl, paraffinische Destillate und ein Zwischenprodukt zur Weiterverarbeitung.
• Katalytisches Cracken – Einzelne Rohölfraktionen enthalten in ihrer Zusammensetzung hauptsächlich langkettige aliphatische Kohlenwasserstoffe. In der Industrie besteht die größte Nachfrage nach Benzin, einem Gemisch aus Kohlenwasserstoffen mit einer Kettenlänge von 5 bis 12 Kohlenstoffatomen. Durch katalytisches Cracken, bei dem die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in langkettigen Molekülen aufgebrochen werden, lassen sich solche Verbindungen gewinnen. Die Rissbildung wird in der Regel thermisch oder katalytisch ausgelöst. Die wichtigsten Reaktionen beim katalytischen Cracking sind die Spaltung von C-C-Bindungen in Alkanen, die Dehydrierung von Naphthenen, die Ringspaltung von naphthenischen Kohlenwasserstoffen und die Polymerisation von Alkenen.
• Reformieng – Die Reformierung ist ein weiteres Verfahren der Rohölraffination, dessen Hauptziel darin besteht, so viel Benzin wie möglich zu gewinnen. Bei diesem Prozess werden Kohlenwasserstoffe mit geraden Kohlenstoffketten in ihren Molekülen in verzweigte und/oder aromatische Verbindungen umgewandelt. Benzindestillate werden reformiert, ebenso wie die Produkte aus dem Cracken der schwereren Erdölfraktionen. Dieser Prozess ist von großer Bedeutung, denn unter seinem Einfluss erhöht sich die Oktanzahl des Benzins (Isomerisierung, Dehydrozyklisierung, Aromatisierung), was seine Qualität erheblich verbessert. Darüber hinaus entstehen bei der Reformierung erhebliche Mengen an Wasserstoffgas. Es wird zum Beispiel in Hydroprozessen wie Hydrotreating und Hydrocracking eingesetzt.

Erdgas

Erdgas ist ein weiterer nicht erneuerbarer fossiler Energieträger von Bedeutung. Es ist ein gasförmiger Brennstoff. Erdgas ist häufig in Ölvorkommen zu finden – entweder als separate Fraktion oder darin gelöst. Je nach Lage der Lagerstätte gibt es verschiedene Arten von Erdgas: hochmethanhaltiges, stickstoffhaltiges, trockenes und feuchtes Erdgas.

Ersteres ist das wichtigste, da es mit bis zu 98 % den größten Anteil an Methan enthält. Daneben enthält Erdgas auch (in unterschiedlichen Mengen) Ethan, Propan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoff und Helium. Wichtig ist, dass Erdgas keinen Geruch hat. Um z. B. ein Leck schnell zu erkennen, wird es mit speziellen Substanzen beduftet, so dass es leicht aufgespürt werden kann.

Das aus dem Feld geförderte Erdgas ist ziemlich stark verunreinigt. Damit es von den Verbrauchern verwendet werden kann, muss es zuvor durch Reinigungsprozesse aufbereitet werden. Auf diesen beruht die Erdgasverarbeitung.

Zu den wichtigsten Phasen dieses Prozesses gehören:

• Dehydrierung – Beseitigung der im Gas enthaltenen Feuchtigkeit. Dabei werden auch einige Schadstoffe mit entfernt. Der im Erdgas enthaltene Wasserdampf verursacht Korrosion in den Leitungen und führt zur Bildung von Hydraten, weshalb das Erdgas vor der Einspeisung in das Netz getrocknet werden muss. Die abgeschiedene Flüssigkeit wird als Formationswasser bezeichnet. Es wird in spezielle Lagereinrichtungen verbracht und dann weiter gereinigt. Zur Entwässerung von Erdgas werden Absorptions- (Glykole), Adsorptions- (Kalzium- und Magnesiumchloridsalze) und Membranverfahren eingesetzt.
• Entfernung von Kohlendioxid – Dieser Prozess wird oft als Dekarbonisierung bezeichnet. Neben Schwefel ist Kohlendioxid einer der schädlichsten Schadstoffe im Erdgas. _CO2 ist ein saures Gas. Es reagiert leicht mit dem Wasserdampf im Gas und bildet Kohlensäure. Obwohl es sich dabei um eine niederenergetische Säure handelt, wirkt sie sich aufgrund ihrer korrosiven Eigenschaften u. a. negativ auf Gastransportanlagen aus. Daher ist eine Dekarbonisierung von Erdgas notwendig.
• Entschwefelung – Das Vorhandensein von Schwefel in Erdgas, z. B. in Form von Schwefelwasserstoff, ist sehr schädlich. Es beeinträchtigt nicht nur die Qualität des Gases als Brennstoff, sondern hat auch giftige und korrosive Eigenschaften. Schwefelwasserstoff ist ein hochgiftiges Gas. Seine Beseitigung aus den Erdgaslagerstätten ist auch ein wichtiger Schritt zum Schutz der Umwelt. Bei Entschwefelungsprozessen werden in der Regel physikalische Adsorptions- und Chemisorptionsverfahren eingesetzt. Aktivkohle und Zeolithe als Adsorptionsmittel haben eine zufriedenstellende Effizienz bei der Entfernung von_H2S. Die Absorption erfolgt in der Regel durch chemische Reaktion mit natürlichen Massen (z. B. Torf). Eine der wirksamsten Methoden zur Entfernung von Schwefelwasserstoff ist die Oxidation an einem Katalysator, das so genannte Claus-Verfahren. Es handelt sich um die Rückgewinnung von elementarem Schwefel aus dem im Gas enthaltenen_H2S.

Torf

Torf ist ein fossiler Brennstoff mit einzigartigen Eigenschaften. Er galt als die „jüngste“ der fossilen Kohlen. Bei der Torfbildung handelt es sich um die Umwandlung von angesammelten Abfällen, hauptsächlich Pflanzenmaterial. Diese Prozesse werden als Torfbildung bezeichnet. Sie entstehen bei hohem Feuchtigkeitsgehalt und begrenztem Zugang zu Sauerstoff. Torf wird in homogenen und heterogenen Torf unterteilt, der sich durch eine gemischte Zusammensetzung auszeichnet. Von der Braunkohle wird der Torf durch einen konventionellen Grenzwert für den elementaren Kohlenstoffgehalt getrennt, der bei 65 Gewichtsprozent liegt. Nach der Extraktion wird der Torf je nach Korngröße in drei Fraktionen unterteilt: klein, mittel und groß. Frisch gestochener Torf ist in der Regel sehr sauer, daher werden häufig Zusätze wie Dolomitmehl verwendet, um diesen Säuregehalt zu verringern.