Az égés és a füstgáztisztítás kémiája. Tananyag:

Átírás

1 Az égés és a füstgáztisztítás kémiája Tananyag:

2 Miért égetünk? Kémiai energia Hőenergia Mechanikai energia Kémiai energia Hőenergia Mechanikai energia Elektromos energia Kémiai energia Felesleges dolgoktól megszabadulás (erdő, kerti és kommunális hulladék, biztonság, levegőtisztaság) Gondatlanság

3 Fa, biomassza Mit égetünk? szénhidrátok (cellulóz, keményítő, lignin) Közvetett napenergia hasznosítás Fotoszintézis: 6.CO H 2 O = C 6 H 12 O O kj Cellulóz égése: (C 6 H 10 O 5 ) n + 6n.O 2 = 6n.CO 2 + 5n.H 2 O Fosszilis növényi, állati maradványok Szén égése: C+ O 2 = CO kj Szénhidrogén (metán) égése: CH O 2 = CO H 2 O -891 kj

4 Néhány tüzelőanyag fűtőértéke kj/kg-ban fa barnaszén feketeszén koksz fűtőolaj zsír és olaj szénhidrát kenyér sajt hús 10-20ezer

5 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 o C-on ΔH (kj/mol) CO -110 CO CH 4-74,9 C 2 H C 2 H 4 51,9 C 2 H 6-84,5 C 3 H C 4 H H 2 O(g) -242 H 2 O(l) -286 NH 3-46 NO 90,4 NO 2 (s) 34 N 2 O 81,5 HNO 3 (l) -174,1

6 Reakcióhő és a környezet viszonya Hő termelő folyamat Hő elnyelő folyamat Negatív előjel Pozitív előjel

7 Reakcióhő Mesterségesen előállított anyagok Hidrogén: 2 mol 2 mol 2.H 2 + O 2 = 2.H 2 O -484 kj(g) -572 kj(l) Szénmonoxid: 2.CO+ O 2 = 2.CO kj/2 mol Szintézis gáz, városi gáz előállítása: C+ H 2 O= CO+ H kj/mol -286 kj -110 kj A szükséges energiát további szén égetésével nyerik. C + O 2 = CO kj Éghető gáz előállítás pirolízissel (oxigénmentes hőbontás) (faszén), szemét pirolízis, metánbontás

8 Tökéletlen égés Kevés oxigén, alacsony hőmérséklet C+ ½.O 2 = CO -110 kj Fűtési balesetek, kohó, belsőégésű motorok Részleges levegőhiány - tökéletlen keveredés Toxikus gázok (CO, H 2 S) Széngáz a CO szagtalan H 2 S intenzív szag PAH (policiklusos aromás szénhidrogének), dioxinok, furánok Koromképződés Füst

9 Tökéletlen égés Egy parafin (C 18 H 38 -tól szilárd) tökéletes égése: C 20 H ,5.O 2 = 20.CO H 2 O Részlegesen tökéletlen égése: C 20 H ,5.O 2 = C 20 H 40 + H 2 Otelítetlen, 1 kettőskötés CH 3 -(CH 2 ) 17 -CH=CH 2 Benzpirén (C 20H 12 ) C 20 H ,5.O 2 = C 20 H H 2 O C 20 H ,5.O 2 = 20.C + 21.H 2 O korom (grafit) grafitrács (wikipedia)

10 Reakciósebesség CO + NO 2 -> CO 2 + NO v = k[co][no 2 ] Reakciókinetika v reakciósebesség k arányossági tényező: reakciósebességi együttható [ ] az adott anyag mol/dm 3 -ben kifejezett pillanatnyi koncentrációja v = d[co 2 ]/dt = d[no]/dt = -d[co]/dt = -d[no 2 ]/dt

11

12

13

14 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.( E ) rendelkeznek egy energiatöbblettel, az ún. aktiválási energiával

15 Aktiválási energia

16 Reakciókinetika Elemi reakció: egy ütközés következtében végbemenő átalakulás kellő sebességgel, megfelelő irányból!!

17

18 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.

19 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.

20 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.

21

22

23

24 a., NO redukció (Rh): 2 NO + 2 CO N CO 2 NO + szénhidrogén N 2 + CO 2 + H 2 O 2 NO + 2 H 2 N H 2 O 2 NO + 5 H 2 2 NH H 2 O szénhidrogén + H 2 O CO + CO 2 + H 2 b., oxidáció (Pt és Pd): 2 CO + O 2 2 CO 2 szénhidrogén + O 2 CO 2 + H 2 O 2 H 2 + O 2 2 H 2 O kisebb valószínűséggel lejátszódó reakciók: 6 NO + 4 NH 3 5 N H 2 O 2 NO + H 2 N 2 O + H 2 O 2 N 2 O 2 N 2 + O 2

25 A tisztítás hatékonysága levegő:üzemanyag arány kg/kg optimális arány elektronikus motorvezérlés

26 A termikus hulladékkezelési eljárások jellemzői Tüzelés Levegőbevezetés: légfelesleg tényező > 1 Tüzelési hőmérséklet: o C Keletkező reakció termékek: füstgáz, kiégett salak Füstgáz főbb komponensei: CO 2, H 2 O, O 2, N 2 Pirolízis (kigázosítás) Hevítés: levegőtől elzárva Kigázosítási hőmérséklet: o C Keletkező reakciótermékek: pirolízis-gáz, szilárd éghető anyag (pirolízis-koksz), mely tartalmazza az inert alkotókat is. Pirolízis-gáz főbb komponensei: C n H m

27 Elgázosítás Gázosító közeg: oxigén vagy vízgőz Elgázosítási hőmérséklet: >1200 o C Keletkező reakciótermékek: éghető gáz, folyékony salak Gázösszetétel: CO, H 2, CO 2, H 2 O 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 o C Salakolvadék: kb o C Második lépcső: a pirolízis gáz tökéletes kiégetése o C-on

28 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. Reakciófeltételek: Pirolízis hőmérséklet reakcióidő, szemcsenagyság, keveredés

29 A hőbontás alaptípusai: - kis- és középhőmérsékletű eljárások ( C) - nagyhőmérsékletű eljárások ( 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.)

30 Pirolízis előnyei A szilárd maradékok vízfürdős leválasztást követően különbözőképpen feldolgozhatók Keletkeznek értékesíthető alifás és aromás szénhidrogének Légszennyező hatása jelentősen kisebb lehet, 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.

31 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.

32 Rákospalotai szemétégető - füstgáztisztítás

33 Reakciók NO redukció 6.NO + 4.NH ammóniával 3 = 5.N H 2 O Ammónia-előállítás karbamidból CO(NH 2 ) 2 + H 2 O = CO NH 3 Mésztej előállítás: CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 SO 2 + Ca(OH) 2 = CaSO H 2 O 2.CaSO 3 + O 2 = 2.CaSO 4 gipsz képződés A lignitkoksz adszorbeál (nehézfémek, dioxinok) Az adszorbens eltávolítása szűréssel > veszélyes hulladék lerakó

34

35 Mátra Erőmű - füstgáztisztítás CaSO 4 CaSO 4 CaCO 3 Lev. CaCO 3 SO 2 O 2 H 2 SO 3 H 2 SO 4 SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3 2.H 2 SO 3 + O 2 = 2.H 2 SO 4 CaCO 3 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + H 2 O + CO 2 CaCO 3 adagolás ph 5,2 SO 2 + CaCO 3 = CaSO 3 + CO 2 2.CaSO 3 + O 2 = 2.CaSO 4 gipsz képződés

36