Cărbune - Școală de chimie
Cărbune
Cărbune este un combustibil solid și este creat atunci când lemnul uscat la aer (uscat la 13 până la 18% apă) este încălzit la 275 ° C în absența aerului și fără oxigen (piroliză). Temperatura crește de la sine la 350 până la 400 ° C (ardere, similar cu cocsarea cărbunelui). Componentele volatile ale lemnului ard. În plus față de produsele de descompunere gazoase (vezi metanol), se obține aproximativ 35% cărbune ca reziduu. Când este ars mai târziu, aceasta nu lovește flăcări și arde la o temperatură mai mare decât lemnul.
Cu aceeași tehnică puteți adăuga și turbă Carbune de turbă convertit. Cărbunele de turbă, care are proprietăți similare cu cărbunele, a fost destul de frecvent în secolele al XVIII-lea și începutul secolului al XIX-lea din cauza lipsei de lemn, dar este rar întâlnit astăzi.
Proprietăți și compoziție
Cărbunele este un amestec de compuși organici cu 81 până la 90% carbon, 3% hidrogen, 6% oxigen, 1% azot, 6% umiditate și 1 până la 2% cenușă.
Cărbunele formează un produs liber, negru, cu densitatea aparentă de 450 kg/m³ (poros) și densitatea reală de 1400 kg/m³ (fără pori). Datorită numeroaselor nișe microscopice, depresiuni, canale și altele asemenea (volumul porilor 70-85%, suprafața interioară 50-80 m²/gram) are o capacitate mare de adsorbție.
Cărbunele este relativ ușor de aprins (200 până la 250 ° C) și continuă să ardă fără flacără, deoarece gazele care formează flacără au scăpat deja în timpul carbonizării. Temperatura de ardere a cărbunelui este de 800 ° C. [1]
Arderea eliberează în jur de 28 - 34 megajuli de energie pe kilogram de cărbune. Arde fără sulf.
de fabricație
Cărbunele se face încălzind lemnul în absența aerului. Diferite faze ale procesului de piroliză sunt diferențiate în funcție de temperatură.
În faza inițială, temperaturile de până la 220 ° C conduc în principal la încălzirea și uscarea materialului, eliberându-se hidrogen și urme de dioxid de carbon, acid acetic și acid formic. Până la aproximativ 280 ° C, eliberarea acestor substanțe crește într-o fază de descompunere pirolitică, care, ca și faza inițială, este endotermă. Peste 280 ° C, există o reacție exotermă puternică în care aproximativ 880 kJ/kg de lemn sunt eliberați ca energie și încălzesc procesul la peste 500 ° C. Acest lucru creează gaze inflamabile (vezi și sub gazul lemnului), în special monoxid de carbon, metan, formaldehidă, acid acetic și formic, precum și metanol și hidrogen, care ard și apar ca fum. Structura lemnului se schimbă de la structura fibrilară peste 400 ° C a lemnului în structura cristalină a grafitului. În ultimul proces endoterm, gazele de ardere sunt împărțite în monoxid de carbon inflamabil și hidrogen în timp ce trec prin straturi care au fost deja carbonizate; cărbunele rămâne ca reziduu. [2]
Încărcarea în grămezi și grămezi
Cea mai veche metodă de producere a cărbunelui (distilarea cărbunelui) este operația antică a cuptorului (arderea cărbunelui), în care lemnul a fost ridicat în mod regulat (în picioare sau culcat) în grămezi aproximativ semisferice sau în formă de con (grămezi) în bușteni mari (în picioare sau culcat) în jurul a trei în mijloc Mizele (Quandel) sunt puse și acoperite cu o pătură de gazon, pământ și cărbune. Sub această pătură, arderea se efectuează cu un acces cu aer reglat cu atenție, astfel încât, dacă este posibil, să nu ardă mai mult lemn decât este absolut necesar pentru a încălzi întreaga masă de lemn la temperatura de ardere.
În esență, ar trebui să ardă numai gazele și vaporii care se dezvoltă din lemnul încălzit. Culoarea fumului care scapă indică dacă carbonizarea este completă. Apoi lăsați cuptorul să se răcească și îl desfaceți (tragerea cărbunelui, lungimea cărbunelui).
În trecut, în special în sudul Germaniei, Rusiei și Suediei, lemnul era carbonizat în grămezi sau plante mincinoase. Arderea lemnului stratificat a fost treptată de la un capăt al grămezii alungite la celălalt. Piesele carbonizate au fost scoase treptat.
Arderea în cuptoare
Într-un mod foarte asemănător ca în grămezi sau grămezi, arderea are loc în cuptoare de cărămidă rotunde sau unghiulare, care permit o extracție mai ușoară și mai completă a subproduselor (gudron, oțet de lemn, care se pierd de obicei în timpul funcționării cuptorului), dar oferă un randament mai mic și cărbune mai puțin bun . În aceste cuptoare, ca și în grămezi și grămezi, aerul pătrunde în lemn pentru a fi carbonizat și o parte din acesta generează temperatura necesară arzându-l.
Cu toate acestea, procesul de carbonizare este mai bine sub control dacă lemnul este carbonizat în vase care sunt încălzite din exterior, adică fără acces la aer. Acest lucru se face în replici, tuburi sau cilindri uneori cu aer încălzit, cu gaze din cuptor din furnal, cu abur supraîncălzit sau cu utilizarea aerului forțat.
Cărbune folosit pentru a face pudră neagră
O astfel de carbonizare atentă este necesară în special pentru extracția cărbunelui pentru fabricarea pulberii negre. Pentru aceasta se folosesc butelii mari de fier, care sunt umplute în afara cuptorului, închise cu un capac și împinse în cuptor. Un capac mobil mare închide spațiul în care se află cilindrul. Gazele care se dezvoltă din lemn sunt alimentate în cuptor. Temperatura este determinată cu ajutorul unui pirometru. Cărbunele roșu pentru vânătoarea pudră se face cu abur supraîncălzit. Cărbunele este obținut ca produs secundar în producția de gaz luminos din lemn, în producția de oțet de lemn și în topirea gudronului. Când este încălzit până la 150 ° C, lemnul degajă numai apă higroscopică; apoi se dezvoltă vapori acizi, de la 300 ° C în continuare, vapori și gaze din ce în ce mai dense, galbene sau galben-maronii. Când produsele care scapă se răcesc, se obțin gudron și oțet de lemn (care conține și metanol). Randamentul cărbunelui scade odată cu creșterea temperaturilor. În același timp, cărbunele devine constant mai bogat în carbon și cenușă și, în consecință, mai sărac în hidrogen și oxigen.
Produsul creat între 270 și 300 ° C este maro-negru (cărbune roșu, cărbune prăjit) și are aproape aceeași putere calorică ca și cărbunele negru produs la peste 340 ° C cu un randament care este cu jumătate mai mare. Prin urmare, cărbunele roșu este adesea produs în scopuri metalurgice și datorită anumitor proprietăți pentru fabricarea prafului de pușcă. Pe măsură ce temperatura de carbonizare crește, crește și etanșeitatea și conductivitatea cărbunelui pentru căldură și electricitate; dar în același timp scade inflamabilitatea cărbunelui și tendința acestuia de a atrage umezeala.
Rezultatele carbonizării cu diferite tipuri de lemn
Pe baza volumului real, producția medie de cărbune este de 47,6%.