Szén - kémiai iskola

Faszén

Faszén szilárd tüzelőanyag, és akkor keletkezik, amikor a levegőn száraz fát (13-18% vízre szárítva) levegő hiányában és oxigén nélkül 275 ° C-ra melegítik (pirolízis). A hőmérséklet önmagában 350-400 ° C-ra emelkedik (elszenesedik, hasonlóan a szén kokszolásához). A fa illékony komponensei égnek. A gáz halmazállapotú bomlástermékek mellett (lásd a metanolt) mintegy 35% -os szén nyerhető maradékként. Később megégve ez nem okoz lángot és magasabb hőmérsékleten ég, mint a fa.

Ugyanezzel a technikával tőzeget is hozzáadhat Tőzegszén alakítani. A szénhez hasonló tulajdonságú tőzegszén a fa hiánya miatt a 18. és a 19. század elején meglehetősen gyakori volt, de manapság ritkán található meg.

Tulajdonságok és összetétel

A faszén szerves vegyületek keveréke 81–90% szénnel, 3% hidrogénnel, 6% oxigénnel, 1% nitrogénnel, 6% nedvességgel és 1–2% hamuval.

A szén laza, fekete terméket képez, látszólagos sűrűsége 450 kg/m³ (porózus), valódi sűrűsége 1400 kg/m³ (pórusmentes). A sok mikroszkópos rés, mélyedés, csatorna és hasonlók miatt (pórustérfogat 70–85%, belső felület 50–80 m²/gramm) nagy adszorpciós kapacitással rendelkezik.

A faszenet viszonylag könnyen meg lehet gyújtani (200–250 ° C), és láng nélkül tovább ég, mert a lángképző gázok már elszivárogtak az elszenesedés során. A szén égési hőmérséklete 800 ° C. [1]

Az égetés körülbelül 28-34 megajoule energiát szabadít fel szén-kilogrammonként. Kénmentesen ég.

Gyártás

A faszenet a fa levegőhiányos melegítésével állítják elő. A pirolízis folyamata különböző fázisait a hőmérséklet függvényében különböztetjük meg.

A kezdeti fázisban a 220 ° C-ig terjedő hőmérséklet elsősorban az anyag felmelegedéséhez és szárításához vezet, hidrogén és nyomokban szén-dioxid, ecetsav és hangyasav szabadul fel. Ezeknek az anyagoknak a felszabadulása körülbelül 280 ° C-ra nő egy pirolitikus bomlási fázisban, amely a kezdeti fázishoz hasonlóan endoterm. 280 ° C felett erős exoterm reakció zajlik, amelynek során mintegy 880 kJ/kg fa szabadul fel energiaként, és a folyamatot 500 ° C fölé melegíti. Ez gyúlékony gázokat (lásd még a fagáz alatt), különösen szén-monoxidot, metánt, formaldehidet, ecetsavat és hangyasavat, valamint metanolt és hidrogént képez, amelyek füstként égnek és jelennek meg. A fa szerkezete 400 ° C felett változik a fibrilláris szerkezettől a fa grafit kristályszerkezetébe. Az utolsó endoterm folyamat során a füstgázok gyúlékony szén-monoxidra és hidrogénre oszlanak, amikor áthaladnak a már elszenesedett rétegeken; a szén maradékként marad. [2]

Charring halmokban és cölöpökben

A szén (szeszfőzde) előállításának legrégebbi módszere az ősi kemenceművelet (szénégetés), amelynek során a fát majdnem félgömb alakú vagy kúpos halmokban (kemencékben) állították fel nagy fatuskókban, rendszeresen (álló vagy fekvő) középen három körül. A téteket (Quandel) felteszik, és gyep, föld és szén takaróval borítják. E takaró alatt az égést gondosan szabályozott levegőellátással hajtják végre, oly módon, hogy ha lehetséges, ne égjen több fa, mint ami feltétlenül szükséges ahhoz, hogy a teljes fatömeget felmelegedjen.

Lényegében csak azoknak a gázoknak és gőzöknek kell égniük, amelyek a fűtött fából származnak. A kiáramló füst színe jelzi, hogy az elszenesedés teljes-e. Ezután hagyja lehűlni a kemencét és szétszedni (szénhúzás, szénhossz).

Korábban, különösen Németország déli részén, Oroszországban és Svédországban, a fát halmokban vagy fekvő növényekben szenesítették el. A rétegzett fa elszenesedése a hosszúkás halom egyik végétől a másikig fokozatosan zajlott. Az elszenesedett darabokat fokozatosan kihúzták.

Szenesedés kemencékben

Nagyon hasonló módon, mint a cölöpökben vagy cölöpökben, az elszenesedés kerek vagy szögletes téglakemencékben történik, amelyek lehetővé teszik a melléktermékek (kátrány, faecet, amelyek általában a kemence működésében elvesznek) könnyebb, teljesebb kitermelését, de alacsonyabb hozamot és kevésbé jó szenet adnak . Ezekben a kemencékben, akár a cölöpökben, mind a cölöpökben, a levegő a fába száll fel elszenesedni, és egy része égetve előállítja a szükséges hőmérsékletet.

Az elszenesedési folyamat azonban jobban kontrollálható, ha a fát olyan edényekben szenesítik meg, amelyeket kívülről, azaz levegőhöz való hozzáférés nélkül fűtenek. Ezt retortákban, csövekben vagy hengerekben végzik, néha meleg levegővel, nagyolvasztóból származó kemence gázokkal, túlhevített gőzzel vagy kényszerített levegő alkalmazásával.

Szénből fekete port készítettek

Ez a fajta gondos karbonizálás különösen szükséges a fekete por előállításához szükséges szén kivonásához. Ehhez nagy vaspalackokat használnak, amelyeket a kemence kívül töltenek meg, fedővel zárnak le és a sütőbe tolják. Egy nagy mozgatható fedél bezárja azt a helyet, amelyben a henger található. A fából származó gázok a kemencébe kerülnek. A hőmérsékletet pirométerrel határozzuk meg. A vadászpor vörös szénét túlhevített gőzzel állítják elő. A faszén a szénből származó fénygáz előállításának, a faecet előállításának és a kátrányolvasztásnak mellékterméke. 150 ° C-ra hevítve a fa csak higroszkópos vizet bocsát ki; majd savas gőzök fejlődnek ki, 300 ° C-tól kezdve egyre sűrűbb sárga vagy sárgás-barna gőzök és gázok. Amikor a kiszabaduló termékek lehűlnek, kátrányt és faecetet (amely metanolt is tartalmaz) kapunk. A szén hozama a hőmérséklet növekedésével csökken. Ugyanakkor a szén folyamatosan gazdagabb szénben és hamuban, és ennek megfelelően szegényebb hidrogénben és oxigénben.

A 270 és 300 ° C közötti hőmérsékleten létrejött termék barna-fekete (vörös szén, pörkölt szén), és fűtőértéke majdnem megegyezik a 340 ° C felett termelt fekete szénnel, fele nagyobb hozammal. A vörösszenet ezért gyakran kohászati célokra és a puskapor gyártásának bizonyos tulajdonságai miatt állítják elő. A karbonizációs hőmérséklet emelkedésével nő a szén hőszigetelés és hővezető képessége; de ugyanakkor csökken a szén gyúlékonysága és annak nedvességvonási hajlama.

Különböző típusú fákkal való elszenesedés eredményei

A tényleges mennyiség alapján az átlagos szénhozam 47,6 százalék.