ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ Ι Μεταλλουργία Σιδήρου Χυτοσιδήρου Θεωρία και Τεχνολογία Τμήμα Μηχανικών Μεταλλείων - Μεταλλουργών ΔΡ. Α. ΞΕΝΙΔΗΣ ΔΙΑΛΕΞΗ 10. ΚΑΥΣΙΜΑ ΚΑΙ ΑΝΑΓΩΓΙΚΑ ΜΕΣΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΜΕΣΗ ΑΝΑΓΩΓΗ
ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ 2 Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
ΚΑΥΣΙΜΑ - ΑΝΑΓΩΓΙΚΑ 3 Αναγωγή: Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 FeO Fe ο Αναγωγικά μέσα: C-CO, H 2 Μεγάλη ποικιλία διαθέσιμων καυσίμων για παραγωγή αναγωγικού αερίου Πλέον διαδομένο: ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Χαμηλή περιεκτικότητα S Εύκολη μεταφορά Εύκολη καταλυτική μετατροπή του σε CO και H 2 Ελαφροί υδρογονάνθρακες Βουτάνιο Νάφθα Υγροί υδρογονάνθρακες Ελαφρά κλάσματα απόσταξης πετρελαίου Αποτελούν την πρώτη ύλη για παραγωγή H 2, απαραίτητου στη βιομηχανία αζωτούχων λιπασμάτων και πλαστικών υλών Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη σύνθεση βενζίνης
ΑΕΡΙΑ ΚΑΥΣΙΜΑ 4 Ανάλυση (%) κ.ο Φυσικό Αέριο Βoυτάνιo Νάφθα* Μαζoύτ CH 4 97,3 - - - C 2 H 6 2,3 - - - C 3 H 8 0,2 5 - - C 4 H 10 0,15 50,1 κανoνικό - - C 4 H 10-16,5 ισoμερές - - C 4 H 8-28,3 - - N 2 0,04 - - - Aτομικός λόγος Η/C 4:1 2,4:1 1,1:1 0,8:1 Α.Θ.Δ. (kcal/kg) 12.600 10.900 13.000 12.600 Eιδ.Βάρoς (g/cm 3 ) * Κυρίως εξάνιο και επτάνιο 0,42 0,68 0,67 0,97
ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 5 Παγκόσμια ενεργειακά αποθέματα (Γνωστά εκμεταλλεύσιμα κατά τo 1980) Πηγή Ενέργειας Βάρος (10 9 Τ.I.Π.) % Αναλογία 1. Στερεά καύσιμα (από τα oπoία λιγνίτη/τύρφη) 482 62,7 (61/4) (7,9/ 0,5) 2. Αργό πετρέλαιo 89 11,6 3. Φυσικό αέριo σε υγρoπ. κατάσταση 1,5 0,2 4. Φυσικό αέριo 74 9,6 5. Πισσoύχoι άμμoι 40 5,2 6. Πισσoύχoι σχιστόλιθoι 46 6,0 7. Ουράνιo 36 4,7 8. Ηπιες μoρφές ενέργειας - - Σύνολο 768,5 100 * Survey of energy resources, Part A, 1980
ΔΙΑΘΕΣΙΜΑ ΚΑΥΣΙΜΑ 6 Κόστος Φυσικό αέριo Νάφθα Ηλεκτρική ενέργεια 8 ($/10 6 kcal) 4 ($/10 6 kcal) 18.6 ($/10 6 kcal) Η καταλυτική μετατροπή προς αναγωγικό αέριο δεν εφαρμόζεται για υδρογονάνθρακες βαρύτερους από τη νάφθα, δηλαδή όταν τότε εφαρμόζεται μερική οξείδωση που δίδει αέρια με ικανοποιητική αναγωγική ικανότητα για αναγωγή (Η 2 + CO > 88%) Η μερική οξείδωση του μαζούτ για παραγωγή αναγωγικού αερίου εφαρμόζεται σε βιομηχανική κλίμακα από το 1950 Το μαζούτ διακινείται εύκολα ΠΡΟΒΛΗΜΑ?? Τα παγκόσμια αποθέματα του αργού πετρελαίου είναι περιορισμένα
ΔΙΑΘΕΣΙΜΑ ΚΑΥΣΙΜΑ 7 Οι λιθάνθρακες μπορούν Να αεριοποιηθούν με οξυγόνο και υδρατμό σε αεριογόνο συσκευή (σχηματίζεται μίγμα H 2 και CO για άμεση αναγωγή) Να τροφοδοτηθούν απευθείας στην κάμινο Άλλα καύσιμα Αέρια από κωκερίες Αέρια από διυλιστήρια (μεταβλητές ποσότητες CH 4 )
ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Φ.Α. ΠΡΟΣ ΑΝΑΓΩΓΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 8 Μετατροπή αερίων ή υγρών HC σε αναγωγικό αέριο Μέθοδος του καταλυτικού μετασχηματισμού Μέθοδος της μερικής οξείδωσης Ο καταλυτικός μετασχηματισμός έχει επιβληθεί της μερικής οξείδωσης Η καταλυτική μετατροπή χρησιμοποιεί νικελιούχο καταλύτη τοποθετημένη σε πυρίμαχη βάση, π.χ. από αλουμίνα Αντιδράσεις: CH 4 + H 2 O (g) = CO + 3H 2 ΔΗ ο 298 = + 49.26 kcal (1) με περίσσεια υδρατμού CΟ + H 2 O (g) = CO 2 + H 2 ΔΗ ο 298 = - 9.84 kcal (2) συνολικά: CH 4 + 2H 2 O (g) = CO 2 + 4H 2 ΔΗ ο 298 = + 39.43 kcal (3) το CO 2 αντιδρά με το CH 4 : CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H 2 ΔΗ ο 298 = + 59.10 kcal (4)
ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Φ.Α. ΠΡΟΣ ΑΝΑΓΩΓΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 9 Για παραγωγή μόνον H 2 : Απαιτείται περίσσεια υδρατμού (επιθυμείται η αντίδρ. 3) Το CO 2 κατακρατείται από υδατικό διάλυμα K 2 CO 3, NaHCO 3 Προκύπτει Η 2 μέχρι 99.9% Για παραγωγή αναγωγικού αερίου: Δεν απαιτείται η αντίδραση 3 Ο μοριακός λόγος Η 2 Ο/C πρέπει να είναι χαμηλός για να ευνοηθούν οι αντιδράσεις 1 και 4 Θερμοδυναμικά οι αντιδράσεις 1 και 4 ευνοούνται: Από χαμηλή πίεση Υψηλή θερμοκρασία (> 500 ο C) Στην πράξη, P = 10-20 atm, T = 750 800 o C Όταν Η 2 Ο/C πολύ χαμηλός, μπορεί να γίνει διάσπαση CH 4 = C + 2H 2 ΔΗ ο 298 = + 17.89 kcal (5) 2CΟ = CΟ 2 + C ΔΗ ο 298 = - 41.21 kcal (6) H απομάκρυνση του C μπορεί να γίνει με προσθήκη υδρατμού σε επόμενο στάδιο: C + H 2 O (g) = CΟ + H 2 ΔΗ ο 298 = +31.38 kcal (7) Για να μην υπάρχει απόθεση: Ο λόγος H 2 O > 3 ή να υπάρχει σχετικά υψηλή θερμοκρασία
ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Φ.Α. ΠΡΟΣ ΑΝΑΓΩΓΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 10
ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Φ.Α. ΠΡΟΣ ΑΝΑΓΩΓΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 11
ΜΕΡΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ HC ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΝΑΓΩΓΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 12 Δοκιμάστηκε αρχικά για τη σύνθεση βενζίνης αλλά ήταν αντιοικονομική Οι δοκιμές όμως έδειξαν ότι είναι τεχνικά και οικονομικά επιτυχής η παραγωγή αναγωγικού αερίου Μηχανισμός οξείδωσης 1 η φάση: θερμική διάσπαση υδρογονανθράκων σε ελαφρότερα και πτητικότερα προϊόντα (heat cracking) 2 η φάση: Αντιδράσεις: C n H m + (n+m/4) O 2 = nco 2 + (m/2)h 2 ΔΗ ο 298 < 0 C n H m + nco 2 = 2nCO + (m/2)h 2 ΔΗ ο 298 > 0 C n H m + nh 2 O = nco + (m/2+n)h 2 ΔΗ ο 298 > 0 3 η φάση: Ενυδάτωση Η τελική σύσταση καθορίζεται από την ισορροπία στους 1250-1300 ο C: CΟ + H 2 O (g) = CO 2 + H 2 ΔΗ ο 298 = - 9.84 kcal
ΜΕΡΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ HC ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΝΑΓΩΓΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 13 Πλεονεκτήματα Ικανότητα λειτουργίας σε ευρύτερη περιοχή πιέσεων (αλλάζοντας τη θερμοκρασία) Η χρησιμοποίηση τροφοδοσίας με υψηλό S Η παραγωγή ικανοποιητικής συγκέντρωσης (CO+H 2 ) πολλές φορές χωρίς να απαιτείται ψύξη (για απομάκρυνση υγρασίας) ή απομάκρυνση CO 2 Εφαρμογή Purofer της Cosigua, Rio de Janeiro, Βραζιλία
ΑΝΑΓΩΓΙΚΟ ΑΕΡΙΟ ΑΠΟ ΤΗΝ ΜΕΡΙΚΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΩΝ 14
ΜΕΘΟΔΟΣ PUROFEX (ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΑΖΟΥΤ ΣΕ ΑΝΑΓΩΓΙΚΟ ΑΕΡΙΟ) 15
ΑΜΕΣΗ ΑΝΑΓΩΓΗ ΜΕ ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΥΣΙΜΑ 16 Ανάμιξη του στερεού καυσίμου με το σιδηρομετάλλευμα Αεριοποίηση των στερεών καυσίμων προς παραγωγή αναγωγικού αερίου Απαιτήσεις των μεθόδων: Υψηλή συγκέντρωση αναγωγικών αερίων (CO + H 2 ) και χαμηλή οξειδωτικών (CO 2 + H 2 O) Μεγάλη ταχύτητα μετατροπής Δύο κατηγορίες μεθόδων Μέθοδοι υδρογόνωσης Μέθοδοι οξείδωσης (πλέον ενδιαφέρουσες) Η τέφρα βρίσκεται σε στερεή ή υγρή (ρευστή) κατάσταση Μπορούν να παραχθούν σε αεριογόνες συσκευές αιωρούμενου και σταθερού στρώματος
ΑΕΡΙΟΓΟΝΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ 17 Εισέρχονται ταυτόχρονα και σε ομορροή τα αντιδρώντα (στερεό καύσιμο + οξυγόνο) Η ταχύτητα αεριοποίησης μειώνεται προς την έξοδο λόγω μείωσης της συγκέντρωσης των αντιδρώντων Μειωμένο ποσοστό αεριοποίησης C Το Ο 2 Προμηθεύει την απαιτούμενη ενέργεια λόγω της καύσης του C Μετατρέπει τον C σε CO O λόγος Ο 2 /καύσιμο πρέπει Να είναι αρκετός για την χημική αντίδραση με CO Όχι υπερβολικός για να μη σχηματισθεί περίσσεια CO 2 και Η 2 Ο
ΑΕΡΙΟΓΟΝΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ 18 Επίδραση του λόγου Ο 2 /Λιγνίτης στη σύσταση και τη θερμοκρασία των αερίων (Ξηρός λιγνίτης, θερμικές απώλειες 0%) Επίδραση του λόγου Ο 2 /Λιγνίτης στη σύσταση και τη θερμοκρασία των αερίων (Λιγνίτης με 4% υγρασία, θερμικές απώλειες 0%)
ΑΕΡΙΟΓΟΝΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ 19 Γενικά χαρακτηριστικά Το στερεό καύσιμο κατέρχεται και ο υδρατμός, το οξυγόνο και τα παραγόμενα αέρια ανέρχονται (κίνηση κατ αντιρροή) Μικρότερες απώλειες θερμότητας Ανάλογα με τη σχέση Ο 2 /στερεό καύσιμο, η συσκευή μπορεί να λειτουργήσει με υγρή ή ξηρή τέφρα Η σύσταση του αερίου, η ειδική κατανάλωση των αντιδρώντων είναι ανεξάρτητη από την πίεση λειτουργίας Η παραγωγικότητα εξαρτάται από την πίεση Μικρότερες απαιτήσεις O 2 Θερμοκρασία παραγόμενου αερίου 350-400 ο C (απαιτείται θέρμανση για τη χρήση του)
ΣΥΓΚΡΙΣΗ 2 ΤΕΧΝΙΚΩΝ 20 Επιτυγχάνεται υψηλή παραγωγή Α.Α. με τη μέθοδο της υγρής τέφρας και στους 2 τύπους συσκεών Η συσκευή Σταθερού Στρώματος απαιτεί λιγότερο Ο 2 και παράγει Α.Α. με 10% μεγαλύτερη συγκέντρωση Το παραγόμενο αέριο είναι 1300-1500 m 3 /τόνο λιγνίτη Η συσκευή Σταθερού Στρώματος μειονεκτεί έναντι αυτής του Αιωρούμενου Στρώματος, εάν το αναγωγικό αέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς να ψυχθεί. Έχει υψηλότερη παραγωγικότητα Η συσκευή Αιωρούμενου Στρώματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οποιοδήποτε είδος στερεού καυσίμου χωρίς προκατεργασία
ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.