Az égés és a füstgáztisztítás kémiája
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
Mit égetünk? Fa, biomassza szénhidrátok (cellulóz, keményítő, lignin) Közvetett napenergia hasznosítás Fotoszintézis: 6.CO 2 + 6.H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6.O 2 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 2-394 kj Szénhidrogén (metán) égése: CH 4 + 2.O 2 = CO 2 + 2.H 2 O + 2809 kj - 891 kj
Néhány tüzelőanyag fűtőértéke kj/kg-ban fa 16000 barnaszén 25000 feketeszén 30000 koksz 32000 fűtőolaj 40000 zsír és olaj 35000 szénhidrát 18000 kenyér 10000 sajt 10000 hús 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 o C-on ΔH (kj/mol) CO -110 CO 2-394 CH 4-74,9 C 2 H 2 227 C 2 H 4 51,9 C 2 H 6-84,5 C 3 H 8-104 C 4 H 10-126 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
Reakcióhő és a környezet viszonya Hő termelő folyamat Hő elnyelő folyamat Negatív előjel Pozitív előjel
Reakcióhő Hidrogén égése: 2 mol 2 mol 2.H 2 + O 2 = 2.H 2 O - 484 kj(g) - 572 kj(l) Szénmonoxid égése: 2.CO + O 2 = 2.CO 2 Szintézis gáz, városi gáz előállítása: - 568 kj/2 mol C + H 2 O = CO + H 2 + 176 kj/mol -286 kj -110 kj A szükséges energiát további szén égetésével nyerik. C + O 2 = CO 2-394 kj Éghető gáz előállítás pirolízissel (oxigénmentes hőbontás) (faszén), szemét pirolízis, metánbontás
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
Tökéletlen égés Egy parafin (C 18 H 38 -tól szilárd) tökéletes égése: C 20 H 42 + 30,5.O 2 = 20.CO 2 + 21.H 2 O Részlegesen tökéletlen égése: C 20 H 42 + 0,5.O 2 = C 20 H 40 + H 2 O telítetlen, 1 kettőskötés CH 3 -(CH 2 ) 17 -CH=CH 2 Benzpirén (C 20H 12 ) C 20 H 42 + 7,5.O 2 = C 20 H 12 + 15.H 2 O C 20 H 42 + 10,5.O 2 = 20.C + 21.H 2 O korom (grafit) grafitrács (wikipedia)
Reakciókinetika CO + NO 2 -> Reakciósebesség CO 2 + NO v = k[co][no 2 ] 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
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
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. Autokatalitikus reakció: olyan reakciótermék keletkezik, amely az eredeti reakcióra katalizátorként hat.
a., NO redukció (Pt és Rh): 2 NO + 2 CO N 2 + 2 CO 2 NO + szénhidrogén N 2 + CO 2 + H 2 O 2 NO + 2 H 2 N 2 + 2 H 2 O 2 NO + 5 H 2 2 NH 3 + 2 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 2 + 6 H 2 O 2 NO + H 2 N 2 O + H 2 O 2 N 2 O 2 N 2 + O 2
A tisztítás hatékonysága (%) levegő:üzemanyag arány optimális arány elektronikus motorvezérlés
A termikus hulladékkezelési eljárások jellemzői Tüzelés Levegőbevezetés: légfelesleg tényező 1 Tüzelési hőmérséklet: 900-1200 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: 450-600 o C Keletkező reakciótermékek: pirolízis-gáz, szilárd éghető anyag (pirolízis-koksz), mely tartalmazza inert alkotókat is. Pirolízis-gáz főbb komponensei: C n H m az
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. 20000 o C Salakolvadék: kb. 1600 o C Második lépcső: a pirolízis gáz tökéletes kiégetése 1200-1300 o C-on
Rákospalotai szemétégető - füstgáztisztítás
Reakciók +2-2 -3 +1 0 +1-2 NO redukció 6.NO + 4.NH ammóniával 3 = 5.N 2 + 6.H 2 O Ammónia-előállítás karbamidból CO(NH 2 ) 2 + H 2 O = CO 2 + 2.NH 3 Mésztej előállítás: CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 SO 2 + Ca(OH) 2 = CaSO 3 + 2.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
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 SO4 = 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