Paliwa kopalne i ich przetwarzanie

Węgiel kamienny

Węgiel kamienny to osadowa, palna skała pochodzenia organicznego. Powstaje w wyniku przemian nagromadzonej materii organicznej. Towarzyszą temu procesy biologiczne, biochemiczne, geologiczne i geochemiczne, które określane są terminem uwęglenia. Następuje wtedy wzbogacenie materii w pierwiastkowy węgiel. Węgiel kamienny zwykle zawiera od 75 do 92% C, natomiast inna odmiana węgla – antracyt – może zawierać nawet 97%. Procesy te są niezwykle długotrwałe i zachodzą w specyficznych warunkach temperatury oraz ciśnienia.

Wśród procesów przerobu węgla kamiennego wyróżnia się między innymi:

• Koksowanie – jest to najważniejszy proces chemicznej przeróbki węgla kamiennego. W jego wyniku otrzymywany jest koks. Węgiel ogrzewany jest w temperaturze od 900 do 1100 ᵒC, bez dostępu powietrza. W takich warunkach zachodzi rozkład paliwa i powstaje koks (w formie stałej pozostałości) oraz mieszanina gazów, które są nazywane lekkimi produktami koksowania. W procesie koksowania ważne jest odpowiednie przygotowanie surowca do koksowania, tak, aby finalny produkt był dobrej jakości, tj. posiadał odpowiednią granulację, porowatość oraz wytrzymałość mechaniczną. Gatunek węgla kamiennego ma w tym przypadku istotne znaczenie. Proces przygotowania węgla polega na jego odważeniu, rozdrobnieniu i wymieszaniu.
• Zgazowanie – istotą tego procesu jest przekształcenie wydobywanego węgla w gaz o właściwościach energetycznych. Zgazowanie węgla kamiennego odbywa się w specjalnie do tego przystosowanych instalacjach przemysłowych. Proces zgazowania ma miejsce w obecności powietrza lub czystego tlenu. Co ważne, węgiel kamienny, czyli surowiec kierowany do reaktora instalacji zgazowywania, nie musi być najwyższej jakości. Do tego dobrze nada się także zanieczyszczony węgiel. Jednak należy mieć na uwadze, że od stopnia czystości wprowadzanego surowca, zależy jakość produktu. Gaz syntezowy, który powstaje w wyniku zgazowania węgla kamiennego, jest ważnym substytutem gazu ziemnego w przemyśle chemicznym.

Przeczytaj również: odmiany alotropowe węgla.

Ropa naftowa

Ropa naftowa jest złożoną mieszaniną związków chemicznych. W jej składzie (około 80-90%) przeważają ciekłe węglowodory lub rozpuszczone w nich stałe węglowodory. W skład ropy naftowej wchodzą przede wszystkim węglowodory parafinowe, aromatyczne oraz cykloparafinowe. Oprócz wyżej wymienionych, w ropie naftowej znajdują się także związki organiczne zawierające w swoich strukturach pierwiastki takie jak tlen, siarka czy azot. W zależności od miejsca i źródła wydobycia ropy naftowej, różni się ona wyglądem i składem chemicznym. Skład węglowodorowy oraz obecność innych składników wpływa na wybór i przebieg procesów jej przerobu.

Do podstawowych procesów przeróbki ropy naftowej należy zaliczyć:

• Destylację – proces ten ma na celu rozdzielenie ropy naftowej na poszczególne frakcje (stąd nazwa destylacja frakcjonowana), które mogą być następnie samodzielnie wykorzystywane lub kierowane są do dalszego przerobu. Instalacje destylacji ropy naftowej składają się z dwóch jednostopniowych układów destylacyjnych. Pierwszym z nich jest destylacja pod ciśnieniem atmosferycznym, a drugim destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem. Pod wpływem destylacji atmosferycznej, otrzymywane są trzy, główne frakcje: benzyna pierwszej destylacji (zakres temperatur wrzenia 30-200 ᵒC), nafta oczyszczona (175-300 ᵒC) oraz olej parafinowy (275-400 ᵒC). Pozostałość z kolumny atmosferycznej – mazut – wrze w temperaturze powyżej 350 ᵒC. Jest on rozdzielany w następnym etapie przerobu ropy, który obejmuje destylację pod zmniejszonym ciśnieniem. Próżnia i dodatek pary wodnej, znacznie obniżają temperatury wrzenia węglowodorów. Dzięki temu można je od siebie oddzielić, bez ryzyka ich termicznego rozkładu. Produktami próżniowej destylacji mazutu są: próżniowy olej napędowy, destylaty parafinowe oraz produkt pośredni do dalszego przerobu.
• Kraking katalityczny – poszczególne frakcje ropy naftowej zawierają w swoim składzie głównie długołańcuchowe węglowodory alifatyczne. W przemyśle największe zapotrzebowanie jest na benzynę, czyli mieszaninę węglowodorów o długości łańcucha od 5 do 12 atomów węgla. W pozyskaniu takich związków pomaga kraking katalityczny, w trakcie którego następuje rozrywanie wiązań węgiel – węgiel w długołańcuchowych cząsteczkach. Kraking zwykle jest inicjowany termicznie lub katalitycznie. Główne reakcje zachodzące w trakcie krakingu katalitycznego, to rozerwanie wiązań C-C w alkanach, odwodornienie naftenów, rozerwanie pierścieni węglowodorów naftenowych oraz polimeryzacja alkenów.
• Reforming – reforming to kolejny proces przeróbki ropy naftowej, którego głównym celem jest pozyskanie jak największej ilości benzyny. W jego trakcie węglowodory posiadające proste łańcuchy węglowe w cząsteczkach, przekształcają się w związki o budowie rozgałęzionej i/lub aromatycznej. Reformingowi poddawane są destylaty benzynowe, a także produkty krakowania cięższych frakcji ropy naftowej. Proces ten jest niezwykle istotny, ponieważ pod jego wpływem benzyna podwyższa swoją liczbę oktanową (izomeryzacja, dehydrocyklizacja, aromatyzacja), a to zwiększa znacząco jej jakość. Ponadto podczas reformingu powstają znaczne ilości gazu wodorowego. Wykorzystywany jest on w hydroprocesach, takich jak np. hydrorafinacja czy hydrokraking.

Gaz ziemny

Gaz ziemny jest kolejnym, nieodnawialnym paliwem kopalnym o znaczeniu energetycznym. Jest to paliwo gazowe. Często występuje wraz ze złożami ropy naftowej – jako osobna frakcja lub rozpuszczony w niej. W zależności między innymi od umiejscowienia złoża, wyróżnia się kilka rodzajów gazu ziemnego: wysokometanowy, zaazotowany, suchy oraz mokry.

Największe znaczenie ma pierwszy z wymienionych, ponieważ w swoim składzie zawiera najwięcej metanu, bo nawet do 98%. Oprócz niego, gaz ziemny zawiera także (w różnych ilościach) etan, propan, tlenek węgla, dwutlenek węgla, azot oraz hel. Co ważne gaz ziemny nie ma żadnego zapachu. W celu np. szybkiego wykrycia jego wycieku jest nawaniany specjalnymi substancjami, aby był łatwo wyczuwalny.

Wydobywany ze złoża gaz ziemny jest dosyć mocno zanieczyszczony. Zatem, aby mógł być wykorzystywany przez konsumentów, musi zostać poddany procesom oczyszczania. Na nich opiera się przetwarzanie gazu ziemnego.

Do najważniejszych etapów tego procesu zalicza się:

• Odwadnianie – polega na wyeliminowaniu zawartej w gazie wilgoci. Wraz z nią usuwane są także niektóre zanieczyszczenia. Para wodna zawarta w gazie ziemnym powoduje korozję rurociągów, a także prowadzi do powstawania hydratów, dlatego konieczne jest osuszanie gazu ziemnego przed oddaniem go do sieci. Odseparowana ciecz nazywana jest wodą złożową. Trafia ona do specjalnych magazynów, a następnie ulega dalszemu oczyszczaniu. Metody wykorzystywane w celu odwodnienia gazu ziemnego to absorpcja (glikole), adsorpcja (sole chlorków wapnia i magnezu) oraz techniki membranowe.
• Usuwanie dwutlenku węgla – proces ten często jest nazywany dekarbonizacją. Obok siarki, dwutlenek węgla jest jednym z bardziej szkodliwych zanieczyszczeń gazu ziemnego. CO₂ jest gazem kwaśnym. Chętnie reaguje z zawartą w gazie parą wodną i tworzy kwas węglowy. Mimo, że jest to kwas o małej mocy, to wywiera negatywny wpływ między innymi na instalacje transportu gazu, ze względu na właściwości korodujące. Dlatego niezbędne jest przeprowadzenie procesu dekarbonizacji gazu ziemnego.
• Odsiarczanie – obecność w gazie ziemnym siarki np. w postaci siarkowodoru jest bardzo niekorzystna. Wpływa ona nie tylko na obniżenie jakości gazu, jako paliwa, ale także ma właściwości trujące i korodujące. Siarkowodór jest silnie toksycznym gazem. Wyeliminowanie go z pokładów gazu ziemnego to również ważny krok w kierunku ochrony środowiska naturalnego. W procesach odsiarczania zwykle wykorzystywane są metody adsorpcji fizycznej oraz chemisorpcji. Zadowalającą skutecznością w usuwaniu H₂S cieszą się między innymi węgiel aktywny i zeolity, jako adsorbenty. Absorpcja odbywa się zwykle w wyniku reakcji chemicznej z naturalnymi masami (np. ruda darniowa). Jedną z efektywniejszych metod usuwania siarkowodoru jest utlenianie wobec katalizatora, czyli tzw. proces Clausa. Polega on na odzyskiwaniu elementarnej siarki z H₂S zawartego w gazie.

Torf

Torf jest paliwem kopalnym o wyjątkowych właściwościach. Uznany został za “najmłodszy” z węgli kopalnych. Powstawanie torfu wiąże się z przemianami zachodzącymi w nagromadzonych szczątkach, głównie materiału roślinnego. Procesy te nazywane są torfieniem. Zachodzą przy dużej zawartości wilgoci oraz przy ograniczonym dostępie do tlenu. Torfy dzieli się na jednorodne oraz niejednorodne, które charakteryzują się mieszanym składem. Od węgla brunatnego, torf oddziela umowna granica zawartości pierwiastkowego węgla, która wynosi 65% wagowych. Torf po wydobyciu jest dzielony na trzy frakcje, w zależności od wielkości ziaren: małą, średnią i dużą. Świeżo pozyskany torf zwykle charakteryzuje się dużą kwasowością, dlatego często stosowane są dodatki np. w postaci mąki dolomitowej, która tą kwasowość obniża.