W1, Technologia chemiczna PWR, SEMESTR IV, Technologia chemiczna - surowce i nośniki energii
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
TECHNOLOGIA CHEMICZNA SUROWCE I NOŚNIKI ENERGII Laboratorium ANALIZA TECHNICZNA WĘGLA I BIOMASY ĆWICZENIE W1 SPIS TREŚCI: 1. WSTĘP ……………………………………………………………………….......…2 2. BIOMASA …………………………………………………………………..............2 3. WĘGIEL BRUNATNY I KAMIENNY …………….........................................3 4. CHARAKTERYSTYKA I KLASYFIKACJA WĘGLI …………………….......4 5. ANALIZA TECHNICZNA ……………………….………………………….........5 5.1. Wilgoć paliw stałych …………………………………………………......….6 5.1.1. Analityczne rodzaje wilgoci…………………………………………......7 5.1.2. Metodyka oznaczania wilgoci……………………………………….......7 5.2. Substancja mineralna i popiół paliw stałych ………………….……..........9 5.2.1. Substancja mineralna……………………………………………….….....9 5.2.2. Popiół………………………………………………………………..….....10 5.2.3. Metodyka oznaczania popiołu……………………………………….....11 5.3. Części lotne …………………………………………………………................12 5.3.1. Charakterystyka części lotnych…………………………………………12 5.3.2. Metodyka oznaczania części lotnych………………………………......13 6. WYKONANIE ANALIZY TECHNICZNEJ ……………………………...........13 6.1. Oznaczenie zawartości wilgoci metoda suszarkową ………………….....14 6.2. Oznaczenie zawartości popiołu metodą powolnego spopielania ……...14 6.3. Oznaczenie zawartości części lotnych ……………………………….….....15 7. PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW …………………………………………........15 8. LITERATURA ………………………………………………………………..........16 9. STRONA TYTUŁOWA SPRAWOZDANIA …………………………….….......16 Wrocław 2012 ANALIZA TECHNICZNA WĘGLA I BIOMASY 1. WSTĘP Paliwa są to substancje chemiczne lub ich mieszaniny, które stosunkowo łatwo ulegają spaleniu z udziałem powietrza, a produktami spalania są głównie gazy. Ich substancja organiczna zbudowana jest z pierwiastków: węgla, wodoru, tlenu ale takŜe siarki, azotu i niewielkich ilości fosforu i chloru. Paliwa ze względu na stan skupienia, pochodzenie i wartość opałową moŜna podzielić na: stałe, ciekłe i gazowe, naturalne i sztuczne oraz nisko- i wysokokaloryczne. W zaleŜności od rodzaju paliwa skład pierwiastkowy, wartość opałowa i zawartość części lotnych są bardzo zmienne, średnio przedstawiają się następująco: Węgiel C [%] Wodór H [%] Tlen O [%] Siarka+azo t S + N [%] Wartość opałowa [MJ/kg] Części lotne V daf [%] Rodzaj paliwa Biomasa <50 6 43 0,3 14 - 19 70 - 80 56 - 62 5 - 6 32 - 38 0,5 21 - 24 62 - 70 Torf 58 - 78 4,5- 7,5 10 - 35 0,8 - 4 24 - 31 45 - 65 Węgiel brunatny Węgiel kamienny i antracyt 75 - 96 1 - 6 1 - 18 0,8 - 2 32 - 35 1 - 45 Ropa naftowa ~89 8,4 2 0,6 ~47 - Gaz ziemny ~86 6,5 0,1 0,1 ~48 - 2. BIOMASA Biomasa stanowi waŜny, odnawialny nośnik energetyczny. Od zarania dziejów człowiek wykorzystywał biomasę jako źródło energii, w późniejszym okresie biomasę zastąpiły paliwa kopalne. Biomasa jest materią organiczną wytwarzaną w organizmach roślinnych i zwierzęcych, bardzo zróŜnicowaną, zarówno ze względu na stan skupienia, formę, jak i skład chemiczny. Jest najczęściej palna, ale nie zawsze nadaje się do bezpośredniego energetycznego wykorzystania, dlatego bywa przetwarzana do postaci tzw. biopaliw. DuŜą wadą biomasy jest jej niska wartość opałowa oraz znaczne rozproszenie, co utrudnia transport, magazynowanie i przetwarzanie. Biomasa jest jedynym rodzajem odnawialnego nośnika energii, który jest konkurencyjny do paliw kopalnych, jej spalanie powoduje mniejszą emisję NO x i SO x , nie przyczynia się do wzrostu efektu cieplarnianego, bo bilans CO 2 w cyklu energetycznego przetwarzania biomasy jest zerowy. W procesie fotosyntezy (6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ↑ ) rośliny wiąŜą tle samo CO 2 , ile 2 uwalniane jest podczas jej spalania (C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + energia). Rocznie rośliny przetwarzają ok. 175 mld Mg węgla zawartego w postaci dwutlenku węgla. Proces utleniającego rozpadu (spalania) biomasy jest źródłem odnawialnej energii. Do energetycznie uŜytecznej biomasy zalicza się: · odpady z przetwarzania i produkcji roślin (np. trawa, słoma zbóŜ, kolby kukurydzy, wytłoki i skorupy owoców, liście, odpady z przemysłu drzewnego itd.), · rośliny szybko rosnące, uprawiane do celów energetycznych (np. wierzba energetyczna, wiklina, olcha, topola, malwa pensylwańska, miskantusy itd.), · odchody z produkcji zwierzęcej i niektóre odpady komunalne (np. gnojownice, ścieki, odpady przetwórstwa spoŜywczego itd.). Ocenia się, Ŝe ok. 65% uŜytecznej energetycznie biomasy pochodzi z lasów a 33% z upraw. Światowa roczna produkcja biomasy wynosi ok. 2,2 mld Mg, i mogłaby w znacznym stopniu pokryć zapotrzebowanie świata na energię. Zakłada się, Ŝe w UE udział biomasy w produkcji energii do 2020 roku wzrośnie do 20 %. W Polsce największe moŜliwości w wytwarzaniu energii na bazie biomasy, mogą odegrać takie nośniki jak: drewno, słoma, rośliny oleiste i przeznaczone na fermentacje alkoholową, obornik, gnojownica, odpady organiczne i zwiększające się uprawy roślin energetycznych. Roczny zasób energii uzyskanej z biomasy moŜe obecnie zaspokoić ok. kilkunastoprocentowe zapotrzebowanie kraju na energię. 3. WĘGIEL BRUNATNY I KAMIENNY Paliwa naturalne, nazywane takŜe paliwami kopalnymi, to paliwa wydobywane z ziemi. Praźródłem paliw kopalnych była energia słoneczna, która wynikiem złoŜonych przemian z udziałem chlorofilu, została zmagazynowana w postać energii chemicznej, skupionej w substancji organicznej paliw. W procesie spalania energia ta uwalnia się w postaci ciepła. Do naturalnych paliw stałych są zaliczane palne skały pochodzenia roślinnego, występujące w przyrodzie w postaci złóŜ torfu, węgli brunatnych, węgli kamiennych i antracytów. Powstawanie złóŜ węglowych zaleŜało od wielu czynników, z których najwaŜniejsze to: rodzaj materiału roślinnego, czas, temperatura, ciśnienie, wilgotność oraz rodzaj mikroorganizmów. Umownie proces uwęglenia materiału roślinnego dzieli się na dwa etapy: · biochemiczny - rozkład substancji roślinnej przez mikroorganizmy, głównie bakterie oraz grzyby. W procesie tym rozkładowi (butwieniu i gniciu w zaleŜności od dostępu tlenu), ulegały kolejno: węglowodany, celuloza, lignina, kora, Ŝywice i woski, następowało usunięcie składników lotnych oraz wzbogacenie materii w pierwiastek C, · geochemiczny - po zalaniu torfowiska wodą, a następnie po pokryciu go warstwą osadów (najczęściej łupków), procesy biochemiczne ulegały zatrzymaniu. Wzrastająca w złoŜu sedymentacja, ciśnienie i temperatura powodowały geochemiczny proces przekształcania 3 się torfu w węgiel kamienny, poprzez stadium węgla brunatnego. Przemiany w procesie uwęglania, zachodzące pod wpływem ciśnienia i temperatury nazywamy metamorfizmem. Największe zasoby węgli brunatnych na świecie znajdują się w Ameryce Północnej, Europie, Australii i Azji. Największym producentem węgla brunatnego są Niemcy, zaś krajami liczącymi się w produkcji węgla brunatnego są: USA. Australia, Chiny i Turcja a w Europie: Rosja, Grecja, Polska i Czechy. Światowe wydobycie węgla brunatnego wynosiło w 2003 r. ok. 954 mln Mg. W Polsce, gdzie geologiczne zasoby szacuje się na ok. 50 mld Mg, wydobycie węgla brunatnego odbywa się w 4-ch kopalniach odkrywkowych: Adamów, Bełchatów, Konin i Turów,. Wydobycie węgla ma tendencję spadkową i w 2010 r. wynosiło ok. 60 mln Mg (np. 1989 r. wynosiło ok.72 mln Mg). Największe złoŜa węgli kamiennych na świecie znajdują się w Chinach, USA, a takŜe w Indiach, RPA oraz w Australii i Ukrainie. Światowe wydobycie węgla kamiennego w 2005 r wynosiło 4,97 mld Mg, z czego najwięcej wydobyły Chiny, USA, Indie, Australia, RPA, Indonezja a w Europie, Rosja, Polska i Ukraina. Według danych z 2008 r. wydobycie węgla kamiennego w Polsce spada i w 2008 roku wynosiło ok. 84 mln Mg . Światowe wydobycie węgla wzrosło o prawie 40%, przy czym trend wzrostowy nastąpił od 2001 roku. Natomiast w Europie wydobycie węgla zmniejszyło się o ok. 18% (w Polsce o ok. 30%). 4. CHARAKTERYSTYKA I KLASYFIKACJA WĘGLI Wszystkie naturalne paliwa stałe to skomplikowane mieszaniny właściwej organicznej substancji węglowej i substancji mineralnych oraz wilgoci. Zawierają w róŜnych proporcjach, trzy główne składniki analityczne: substancję organiczną, wilgoć i substancję mineralną . Udziały składników analitycznych w węglach brunatnych mieszczą się w granicach: Û wilgoć: 10-70% (średnio dla polskich węgli 50%), Û substancja mineralna: 1-25% (średnio dla polskich węgli 10%), Û substancja organiczna: 25-89% (średnio dla polskich węgli 40%). Natomiast udziały składników analitycznych w węglach kamiennych wynoszą: Û wilgoć: 1-18%, Û substancja mineralna: 1-20%, Û substancja organiczna: 2-98%. Substancja organiczna ma największą wartość uŜytkową, jako źródło energii i surowca do przeróbki chemicznej. Wilgoć (czyli woda zawarta w paliwie) i substancja mineralna lub produkt jej rozkładu termicznego w procesie spalania, czyli popiół, stanowią balast mało uŜyteczny do przemysłowego wykorzystania paliw stałych. W substancji organicznej węgli brunatnych wyróŜniamy następujące składniki grupowe: kwasy huminowe 13-85%, huminy 7-81%, bituminy 3-37% (80%), ligninę 0-1% (70%), celulozę 0-1% (40%) oraz resztkowe substancje roślinne 2-8%, fuzyt 2-80%. W substancji organicznej węgli kamiennych obecne są jedynie dwa składniki grupowe: huminy 97-100% i bituminy 0-3%. W zaleŜności od stopnia przemiany pramaterii węglowej, wieku, miejsca wydobycia i głębokości, pokłady węgli posiadają róŜnorodne właściwości i odmienny skład 4 chemiczny. Ich budowa jest bardzo złoŜona i trudno je sklasyfikować. Podstawowym celem klasyfikacji węgli jest określenie ich przydatności technologicznej, a obowiązujące aktualnie normy klasyfikacyjne, mają szerszy zasięg dla węgli kamiennych niŜ dla brunatnych. Klasyfikacja węgli brunatnych nie jest tak usystematyzowana jak klasyfikacja węgli kamiennych. Według zastosowań technologicznych, węgiel brunatny dzielimy na: energetyczny, brykietowy, wytlewny i ekstrakcyjny. RozróŜniamy następujące odmiany węgla brunatnego: I. Węgle brunatne ksylitowe : włókniste, kruche, zŜelifikowane. II. Węgle brunatne miękkie : ziemiste, łupkowate. III. Węgle brunatne twarde : matowe, błyszczące. ZróŜnicowanie odmian petrograficznych węgla brunatnego związane jest bezpośrednio z zawartością w nich składników grupowych: węgle ziemiste zawierają do ok. 80% kwasów huminowych, węgle ksylitowe są bogate w celulozę i ligninę, a węgle twarde zawierają głównie huminy. W Polsce klasyfikacja węgli kamiennych opiera się na następujących parametrach: zawartości części lotnych, zdolności spiekania, dylatacji, wskaźniku wolnego wydymania i cieple spalania. WyróŜnia się 11 typów węgli: 1. płomienny: 31.1 i.31.2, 7. semikoksowy: 37.1 i 37.2, 2. gazowo- płomienny: 32.1 i 32.2, 8. chudy: 38, 3. gazowy: 33, 9. antracytowy: 41, 4. gazowo-koksowy: 34.1 i 34.2, 10. antracyt: 42, 5. ortokoksowy: 35.1, 35.2A i 35.2B, 11. metaantracyt: 43. 6. metakoksowy: 36, Według tej klasyfikacji: węgle energetyczne obejmują typy od 31 do 33. Są to węgle: płomienny, gazowo-płomienny i gazowy. Węgle do produkcji koksu to węgle typu 33 - 37 (węgiel gazowy, gazowo-koksowy, ortokoksowy, metakoksowy i semikoksowy). 5. ANALIZA TECHNICZNA Badania budowy i właściwości oraz ocena przydatności uŜytkowej, róŜnych rodzajów paliw stałych oraz biomasy, naleŜy do zadań analizy paliw. Podstawowe jej działy to: analiza techniczna, analiza elementarna (pierwiastkowa) oraz badania właściwości koksowniczych. Do analizy technicznej zalicza się oznaczenie: wilgoci, popiołu, części lotnych oraz ciepła spalania i wartość opałowej . Na podstawie wyników tych oznaczeń, uzyskuje się podstawowe informacje o budowie i właściwościach uŜytkowych danego materiału (paliwa). 5 [ Pobierz całość w formacie PDF ] |