Transcript Kemalap14_1

Az égés és a
füstgáztisztítás kémiája
Tananyag: http://www.mkk.szie.hu/dep/talt/tl/Kemalap/
Miért égetünk?
Kémiai energia
Hőenergia
Hőenergia
Mechanikai energia
Mechanikai energia
Elektromos energia
Kémiai energia
Kémiai energia
Felesleges dolgoktól megszabadulás (erdő, kerti és
kommunális hulladék, biztonság, levegőtisztaság)
Gondatlanság
Mit égetünk?
Fa, biomassza
szénhidrátok (cellulóz, keményítő, lignin)
Közvetett napenergia hasznosítás
Fotoszintézis:
6.CO2 + 6.H2O = C6H12O6 + 6.O2 + 2809 kJ
Cellulóz égése:
(C6H10O5)n + 6n.O2 = 6n.CO2 + 5n.H2O
Fosszilis növényi, állati maradványok
Szén égése:
C + O2 = CO2
- 394 kJ
Szénhidrogén (metán) égése:
CH4 + 2.O2 = CO2 + 2.H2O
- 891 kJ
Néhány tüzelőanyag fűtőértéke kJ/kg-ban
fa
barnaszén
feketeszén
koksz
fűtőolaj
zsír és olaj
szénhidrát
kenyér
sajt
hús
16000
25000
30000
32000
40000
35000
18000
10000
10000
10-20ezer
Reakcióhő számítása
Képződéshő
1 mól anyag képződése elemekből
elemek képződéshője = 0
Energiamegmaradás törvénye
Meghatározó a kezdeti és a
végállapot, függetlenül az
átalakulás útjától
Standard képződéshők 25 oC-on
ΔH (kJ/mol)
CO
CO2
CH4
C2H2
C2H4
C2H6
C3H8
C4H10
H2O(g)
H2O(l)
NH3
NO
NO2(s)
N2O
HNO (l)
-110
-394
-74,9
227
51,9
-84,5
-104
-126
-242
-286
-46
90,4
34
81,5
-174,1
Reakcióhő és a környezet viszonya
Negatív előjel
Pozitív előjel
Reakcióhő
Mesterségesen előállított anyagok
Hidrogén:
2.H2 + O2 = 2.H2O
- 484 kJ(l)
- 572 kJ(g)
Szénmonoxid:
2.CO + O2 = 2.CO2
- 568 kJ
Szintézis gáz, városi gáz előállítása:
C + H2O = CO + H2
-286 kJ -110 kJ
+ 176 kJ
A szükséges energiát további szén égetésével nyerik.
C + O2 = CO2
- 394 kJ
Éghető gáz előállítás pirolízissel (oxigénmentes hőbontás)
(faszén), szemét pirolízis, metánbontás
Tökéletlen égés
Kevés oxigén, alacsony hőmérséklet
C + ½.O2 = CO
- 110 kJ
Fűtési balesetek, kohó, belsőégésű motorok
Részleges levegőhiány - tökéletlen keveredés
Toxikus gázok (CO, H2S)
Széngáz – a CO szagtalan – H2S intenzív szag
PAH (policiklusos aromás szénhidrogének),
dioxinok, furánok
Koromképződés
Füst
Tökéletlen égés
Egy parafin (C18H38-tól szilárd) tökéletes égése:
C20H42 + 30,5.O2 = 20.CO2 + 21.H2O
Részlegesen tökéletlen égése:
C20H42 + 0,5.O2 = C20H40 + H2O telítetlen, 1 kettőskötés
CH3-(CH2)17-CH=CH2
Benzpirén (C20H12)
C20H42 + 7,5.O2 = C20H12 + 15.H2O
C20H42 + 10,5.O2 = 20.C + 21.H2O
korom (grafit)
grafitrács
(wikipedia)
Reakciókinetika
Reakciósebesség
CO + NO2 -> CO2 + NO
v = k[CO][NO2]
v
reakciósebesség
k
arányossági tényező: reakciósebességi együttható
[…] az adott anyag mol/dm3-ben kifejezett
pillanatnyi koncentrációja
v = d[CO2]/dt = d[NO]/dt = -d[CO]/dt = -d[NO2]/dt
A reakciósebesség hőmérsékletfüggése
A reakciók létrejöttének szükséges feltétele a részecskék ütközése,
De ez nem elegendő feltétel!
Akkor megy végbe a reakció, ha az ütköző atomok vagy molekulák
rendelkeznek egy energiatöbblettel, az ún. aktiválási energiával (E‫)٭‬.
Aktiválási energia
Reakciókinetika
Elemi reakció: egy ütközés következtében végbemenő
átalakulás kellő sebességgel, megfelelő irányból!!
Katalízis
Katalízis: katalizátorok segítségével az aktiválási energia
kisebb egységekre bontható. A katalízátor olyan anyag,
amely vagy a reakció sebességét változtatja meg, vagy a
termodinamikailag lehetséges de kinetikailag gátolt
reakciót lehetővé teszi.
Katalizátorok fajtái
Aszerint, hogy a katalizátor és a reaktánsok azonos vagy
különböző fázisban vannak, megkülönböztetünk

homogén katalitikus (azonos fázis) reakciók
 Az élő rendszerekben például homogén katalitikus
folyamatok játszódnak le, szervezetünkben enzimek a
katalizátorok

heterogén katalitikus (különböző fázis) reakciók
 az ipari méretű szintéziseknél, mivel a reakció után a
katalizátor egyszerűen kinyerhető a rendszerből.
A
katalizátorok
megváltoztatják
a
reakció
mechanizmusát, az eredeti reakciónál kisebb aktiválási
energiájú utat nyitnak meg.
Autokatalitikus reakció: olyan reakciótermék keletkezik,
amely az eredeti reakcióra katalizátorként hat.
a., NO redukció (Rh):
2 NO + 2 CO  N2 + 2 CO2
NO + szénhidrogén  N2 + CO2 + H2O
2 NO + 2 H2  N2 + 2 H2O
2 NO + 5 H2  2 NH3 + 2 H2O
szénhidrogén + H2O  CO + CO2 + H2
b., oxidáció (Pt és Pd):
2 CO + O2  2 CO2
szénhidrogén + O2  CO2 + H2O
2 H2 + O2  2 H2O
kisebb valószínűséggel lejátszódó reakciók:
6 NO + 4 NH3  5 N2 + 6 H2O
2 NO + H2  N2O + H2O
2 N2O  2 N2 + O2
A tisztítás hatékonysága – levegő:üzemanyag arány
optimális arány – elektronikus motorvezérlés
A termikus hulladékkezelési eljárások jellemzői
Tüzelés
•Levegőbevezetés: légfelesleg tényező  1
•Tüzelési hőmérséklet: 900-1200 oC
•Keletkező reakció termékek: füstgáz, kiégett salak
•Füstgáz főbb komponensei: CO2, H2O, O2, N2
Pirolízis (kigázosítás)
•Hevítés: levegőtől elzárva
•Kigázosítási hőmérséklet: 450-600 oC
•Keletkező reakciótermékek: pirolízis-gáz, szilárd
éghető anyag (pirolízis-koksz), mely tartalmazza
inert alkotókat is.
•Pirolízis-gáz főbb komponensei: CnHm
az
Elgázosítás
Gázosító közeg: oxigén vagy vízgőz
Elgázosítási hőmérséklet:  1200 oC
Keletkező reakciótermékek: éghető gáz, folyékony salak
Gázösszetétel:
CO, H2, CO2, H2O
Plazmatechnológia
•Első lépcső: magas hőmérsékletű pirolízis (salakolvasztó
kamrában), ahol a szükséges energiát plazmaégő biztosítja.
A plazmaív egyenáramú feszültségforrás hatására a
salakfürdő és a plazmaégő között alakul ki.
•Hőmérsékletek:
•Plazmaív: kb. 20000 oC
•Salakolvadék: kb. 1600 oC
•Második lépcső: a pirolízis gáz tökéletes kiégetése 12001300 oC-on
Pirolízis
A hőbontás (pirolízis) a szerves anyagú hulladék
kémiai lebontása megfelelően kialakított
reaktorban, hő hatására, oxigénszegény vagy
oxigénmentes közegben – esetleg inert gáz (pl.
nitrogén) bevezetés közben.
A hőbontás során a szerves hulladékból
- pirolízis gáz
- folyékony termék (olaj, kátrány, szerves
savakat tartalmazó vizes oldat)
- szilárd végtermék (piroliziskoksz) keletkeznek.
hőmérséklet
Reakciófeltételek:
reakcióidő,
szemcsenagyság,
keveredés
A hőbontás alaptípusai:
- kis- és középhőmérsékletű eljárások (450-600 °C)
- nagyhőmérsékletű eljárások (800-1100 °C)
- nagyhőmérsékletű salakolvasztások eljárások (>1200 °C)
A salakolvasztásos eljárás célja a gáznemű végtermék-kihozatal
növelése, másrészt a környezettel szemben teljesen
közömbös, kiégett maradékanyag biztosítása (az olvasztott
salakgranulátum gyakorlatilag bárhova lerakható)
A végtermék hasznosítható:
- energiahordozóként (fűtőgáz, tüzelőolaj, koksz),
- vegyipari másodnyersanyagként (pl. a gázterméket
szintézisgázzá konvertálva metanol előállításához)
- egyéb célokra (talajjavítás szilárd, szénben dús
maradékkal; fakonzerválás vizes maradékkal; granulált
salakolvadék építőipari adalékanyagként stb.)
Pirolízis előnyei
 A szilárd maradékok vízfürdős leválasztást követően
különbözőképpen feldolgozhatók
 Keletkeznek értékesíthető alifás és aromás
szénhidrogének
 Légszennyező hatása jelentősen kisebb,mint a
hulladékégetésé.
Hátrányai:
 Fokozott anyag-előkészítési igény
 A kisebb hőmérsékletű eljárásokban a gáztisztítás
összetettebb és komplikáltabb
 Az ennek során keletkező, többnyire erősen
szennyezett mosóvizet is komplex módon tisztítani
kell.
 Az égetéshez képest nagyobb a lehetősége a
nehezen bomló, nem tökéletes égéstermékek
képződésének.

A települési és az egészségügyi veszélyes hulladék kezelésben
„áttörés” a reduktív és oxidatív eljárás soros
összekapcsolása, folyamatirányítási rendszerek
kifejlesztése és alkalmazása.
Szabályozott termikus oxidáción alapuló pirolízis
technológia
- az első kamrában oxigénmentes körülmények között. a szilárd
hulladékot alkotó szénvegyületek gázfázisúvá alakulnak át
- a második kamrában (az ún. utóégetőben) a gáz levegővel
turbulens áramlással keveredik, ez által magasabb hőmérsékletet
elérve, biztosítjuk a lehetséges veszélyes anyagok teljes
ártalmatlanítását,
- a termikus folyamat különböző paramétereit betápláljuk egy
számítógépes folyamatirányítóba, mely képes az ártalmatlanítás
korrekcióját adott időközön belül megoldani.
Ezt az elvet a gyakorlatban ECO-WASTE rendszer valósítja meg.
Rákospalotai szemétégető - füstgáztisztítás
Reakciók
+2 -2
-3 +1
0
+1 -2
NO redukció
ammóniával
6.NO + 4.NH3 = 5.N2 + 6.H2O
Ammónia-előállítás karbamidból
CO(NH2)2 + H2O = CO2 + 2.NH3
Mésztej előállítás: CaO + H2O = Ca(OH)2
SO2 + Ca(OH)2 = CaSO3 + 2.H2O
2.CaSO3 + O2 = 2.CaSO4
gipsz képződés
A lignitkoksz adszorbeál (nehézfémek, dioxinok)
Az adszorbens eltávolítása szűréssel –> veszélyes hulladék lerakó
Mátra Erőmű - füstgáztisztítás
CaSO4
CaSO4
CaCO3
Lev.
CaCO3
SO2 + H2O = H2SO3
SO2
O2
H2SO4
2.H2SO3 + O2 = 2.H2SO4
CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + H2O + CO2
CaCO3 adagolás – pH 5,2
SO2 + CaCO3 = CaSO3 + CO2
2.CaSO3 + O2 = 2.CaSO4
H2SO3
gipsz képződés