Fossiele brandstoffen en hun verwerking

Steenkool

Steenkool is een sedimentair, brandbaar gesteente van organische oorsprong. Het wordt gevormd door de transformatie van opgehoopt organisch materiaal. Dit gaat gepaard met biologische, biochemische, geologische en geochemische processen , waarnaar wordt verwezen met de term carbonisatie . De materie wordt dan verrijkt met elementair koolstof . Steenkool bevat doorgaans tussen de 75 en 92%C, terwijl een andere steenkoolsoort – antraciet – tot 97%kan bevatten. Deze processen duren extreem lang en vinden plaats onder specifieke temperatuur- en drukomstandigheden. De verwerking van steenkool omvat:

• Verkooksing – is het belangrijkste proces voor de chemische verwerking van steenkool . Als resultaat wordt cokes verkregen. De steenkool wordt verwarmd op een temperatuur van 900 tot 1100 ᵒC, zonder toegang tot lucht. Onder deze omstandigheden valt de brandstof uiteen en ontstaat cokes (in de vorm van een vast residu) en een mengsel van gassen, de zogenaamde lichte cokesproducten. Bij het verkooksingsproces is het belangrijk om de grondstof voor het verkooksen goed voor te bereiden, zodat het eindproduct van goede kwaliteit is, dat wil zeggen de juiste granulatie, porositeit en mechanische sterkte heeft. Het type steenkool is hier van groot belang. Het steenkoolbereidingsproces omvat wegen, malen en mengen.
• Vergassing – de essentie van dit proces is de transformatie van gewonnen steenkool in een gas met energetische eigenschappen. Steenkoolvergassing vindt plaats in speciaal daarvoor aangepaste industriële installaties. Het vergassingsproces vindt plaats in aanwezigheid van lucht of zuivere zuurstof. Belangrijk is dat de steenkool – de grondstof die de reactor van de vergassingsinstallatie ingaat – niet van de hoogste kwaliteit hoeft te zijn. Ook verontreinigde steenkool is hiervoor zeer geschikt. De zuiverheidsgraad van de grondstof bepaalt echter de kwaliteit van het product. Synthesegas, dat wordt geproduceerd door steenkoolvergassing, is een belangrijke vervanger van aardgas in de chemische industrie .

Lees ook: allotrope koolstofvariëteiten .

Ruwe olie

Ruwe olie is een complex mengsel van chemische verbindingen . De samenstelling (ongeveer 80-90%) bestaat voornamelijk uit vloeibare koolwaterstoffen of opgeloste vaste koolwaterstoffen . Ruwe olie bestaat voornamelijk uit paraffinehoudende, aromatische en cycloparaffinische koolwaterstoffen. Naast het bovenstaande worden ook organische verbindingen met elementen zoals zuurstof, zwavel of stikstof in hun structuren aangetroffen in ruwe olie. Afhankelijk van waar en waar de olie wordt gewonnen , varieert deze qua uiterlijk en chemische samenstelling. De koolwaterstofsamenstelling en de aanwezigheid van andere componenten beïnvloeden de keuze en het verloop van de verwerking ervan. De basisverwerking van ruwe olie omvat:

• Destillatie – dit proces heeft tot doel de ruwe olie in afzonderlijke fracties te scheiden (vandaar de naam gefractioneerde destillatie), die vervolgens onafhankelijk kunnen worden gebruikt of voor verdere verwerking kunnen worden verzonden. Destillatie-installaties voor ruwe olie bestaan ​​uit twee eentrapsdestillatiesystemen. De eerste is destillatie onder atmosferische druk en de tweede is destillatie onder verminderde druk. Onder atmosferische destillatie worden drie hoofdfracties verkregen: nafta uit de eerste destillatie (kooktraject 30-200 ᵒC), kerosine (175-300 ᵒC) en paraffineolie (275-400 ᵒC). Het residu uit de atmosferische destillatiekolom – de mazut – kookt bij temperaturen boven de 350 ᵒC. Het wordt gescheiden in de volgende fase van de olieverwerking, waarbij destillatie onder verminderde druk plaatsvindt. Vacuüm en de toevoeging van stoom verlagen de kookpunten van koolwaterstoffen aanzienlijk. Hierdoor kunnen ze van elkaar worden gescheiden zonder het risico van thermische ontbinding. De producten van vacuümdestillatie van mazut zijn vacuümgasolie, paraffinehoudende destillaten en een tussenproduct voor verdere verwerking.
• Katalytisch kraken – individuele fracties van ruwe olie bevatten voornamelijk alifatische koolwaterstoffen met lange keten . In de industrie is de grootste vraag naar benzine, een mengsel van koolwaterstoffen met ketenlengtes tussen 5 en 12 koolstofatomen. Katalytisch kraken, waarbij de koolstof-koolstofbindingen in moleculen met lange ketens worden verbroken, helpt dergelijke verbindingen te verkrijgen. Het kraken wordt gewoonlijk thermisch of katalytisch geïnitieerd. De belangrijkste reacties die optreden tijdens katalytisch kraken zijn het verbreken van CC-bindingen in alkanen , dehydrogenering van naftenen, ringbreuk van naftenische koolwaterstoffen en polymerisatie van alkenen .
• Hervormen – Hervormen is een ander aardolieraffinageproces, dat tot doel heeft zoveel mogelijk benzine te winnen. Tijdens dit proces worden koolwaterstoffen met rechte koolstofketens in hun moleculen omgezet in vertakte en/of aromatische verbindingen. Reforming wordt toegepast op benzinedestillaten, evenals op de producten van het kraken van de zwaardere aardoliefracties. Dit proces is uiterst belangrijk omdat onder invloed het octaangetal van de benzine toeneemt (isomerisatie, dehydrocyclisatie, aromatisering), waardoor de kwaliteit ervan aanzienlijk toeneemt. Bovendien worden tijdens het reformeren aanzienlijke hoeveelheden waterstofgas geproduceerd. Het wordt gebruikt in hydroprocessen zoals hydroraffinage en hydrokraken.

Natuurlijk gas

Aardgas is een andere niet-hernieuwbare fossiele brandstof die van energiebelang is. Het is een gasvormige brandstof. Het wordt vaak aangetroffen in olieafzettingen – hetzij als een afzonderlijke fractie, hetzij erin opgelost. Afhankelijk van de locatie van het reservoir zijn er verschillende soorten aardgas: methaanrijk, stikstofrijk, droog en nat. De eerste is de belangrijkste, omdat deze het meeste methaan in zijn samenstelling bevat, tot 98%. Daarnaast bevat aardgas ook (in wisselende hoeveelheden) ethaan , propaan , koolmonoxide, kooldioxide, stikstof en helium. Belangrijk is dat aardgas geen geur heeft. Om lekkage snel te kunnen detecteren, wordt het met speciale stoffen geparfumeerd, zodat het gemakkelijk waarneembaar is. Het aardgas dat uit het veld wordt gewonnen, is behoorlijk zwaar verontreinigd. Om het door consumenten te kunnen gebruiken, moet het dus zuiveringsprocessen ondergaan. De verwerking van aardgas is daarop gebaseerd. De belangrijkste fasen van dit proces zijn onder meer:

• Uitdroging – bestaat uit het verwijderen van het vocht in het gas. Er worden ook enkele verontreinigingen mee verwijderd. De waterdamp in aardgas veroorzaakt corrosie van pijpleidingen en leidt ook tot de vorming van hydraten . Daarom is het noodzakelijk aardgas te drogen voordat het in het netwerk wordt geloosd. De afgescheiden vloeistof wordt formatiewater genoemd. Het wordt naar speciale opslagfaciliteiten gebracht en vervolgens verder gezuiverd. De methoden die worden gebruikt om aardgas te ontwateren zijn absorptie (glycolen), adsorptie (calcium- en magnesiumchloridezouten) en membraantechnieken.
• Verwijdering van kooldioxide – dit proces wordt vaak decarbonisatie genoemd. Samen met zwavel is kooldioxide een van de schadelijkste verontreinigende stoffen in aardgas. CO ₂ is een zuur gas. Het reageert gemakkelijk met de waterdamp in het gas en vormt koolzuur . Hoewel het een zuur met een lage potentie is, heeft het vanwege zijn corrosieve eigenschappen een negatieve invloed op onder meer gastransportsystemen. Daarom is het koolstofvrij maken van aardgas noodzakelijk.
• Ontzwaveling – de aanwezigheid van zwavel in aardgas, bijvoorbeeld in de vorm van waterstofsulfide, is zeer schadelijk. Het beïnvloedt niet alleen de kwaliteit van het gas als brandstof, maar heeft ook giftige en corrosieve eigenschappen. Waterstofsulfide is een zeer giftig gas. Het elimineren ervan uit aardgasvoorraden is ook een belangrijke stap in de richting van de bescherming van het milieu. Bij ontzwavelingsprocessen wordt doorgaans gebruik gemaakt van fysische adsorptie- en chemisorptiemethoden. Onder andere actieve kool en zeolieten zijn bevredigend effectief als adsorbentia die _H2 verwijderen. Absorptie vindt meestal plaats door chemische reactie met natuurlijke massa’s (bijvoorbeeld veenijzer). Eén van de meest effectieve methoden om waterstofsulfide te verwijderen is oxidatie tegen een katalysator, het zogenaamde Claus-proces. Het omvat de terugwinning van elementaire zwavel uit de H ₂ S die zich in het gas bevindt.

Turf

Turf is een fossiele brandstof met unieke eigenschappen. Het wordt beschouwd als de ‘jongste’ van de fossiele kolen. Turfvorming omvat de transformatie van opgehoopt puin, voornamelijk plantaardig materiaal. Deze processen staan ​​bekend als turfvorming. Ze komen voor bij een hoog vochtgehalte en met beperkte toegang tot zuurstof. Turf is verdeeld in homogeen en heterogeen, die worden gekenmerkt door een gemengde samenstelling. Turf wordt van bruinkool gescheiden door een conventionele limiet voor het elementaire koolstofgehalte van 65 gew.%. Na extractie wordt turf verdeeld in drie fracties, afhankelijk van de korrelgrootte: klein, middel en groot. Vers gewonnen turf is meestal zeer zuur, daarom worden vaak additieven zoals dolomietpoeder gebruikt om deze zuurgraad te verminderen.