využití uhlí

Do uhelné řady kaustobiolitů patří následující přírodní hmoty (řazeno vzestupně podle stupně prouhelnění): rašelina ® lignit ® hnědé uhlí ® černé uhlí ® antracit. Detailně tuto problematiku rozebírají např. monografie Diessel (1992) nebo Taylor (1998).

Základní údaje týkající se jednotlivých druhů uhlí a jejich klasifikace jsou uvedeny v kapitole Energetické suroviny. Pro jejich shrnutí uvádíme přehled chemického složení a základních vlastností (tab. 1).

	C^daf	O^daf	H^daf	N^daf	V^daf	W_t^r	Q_i^r	R₀
rašelina	50-60	33-40	4,5-6	0,9-3,5	> 60	75-95	< 14,7	< 0,20
lignit	< 65	19-33	< 6	< 1	52-40	> 30	14,7-17,0	> 0,20
hnědé uhlí	65-69	10-19	< 6	< 1	52-40	> 30	17,0-24,4	0,40-0,60
černé uhlí	69-92	10-2	< 5	< 1	40-8	> 5	24,4-32,6	0,60-2,65
antracit	86-98	< 2	< 3	< 1	8-2	> 2	> 32,6	> 2,65

Tab. 1 Základní vlastnosti kaustobiolitů uhelné řady (podle Hubáček et al. 1962, Diessel 1992 a ČSN 44 1390). C^daf - obsah uhlíku v hořlavině - i dále (%), H^daf - obsah vodíku (%), O^daf - obsah kyslíku (%), N^daf - obsah dusíku (%), V^daf - obsah prchavé hořlaviny (%), W_t^r - obsah veškeré vody původního vzorku (%), Q_i^r - výhřevnost původního vzorku (MJ/kg), R₀ - střední odraznost vitrinitu (%).

Chemické složení uhlí je velmi proměnlivé a závisí na druhu uhlí. Typické je přibližné složení:

Kromě uhlíku, kyslíku, vodíku a dusíku některé kaustobiolity uhelné řady mohou obsahovat také zvýšený obsah dalších prvků. Jde až o procenta síry a arsenu, které mohou znehodnocovat surovinu pro další využití. Naopak zvýšený obsah některých prvků může být ekonomicky zajímavý. Jde o germanium, gallium, uran aj., které je možné při vyšších koncentracích získávat z popelů po spálení uhlí.

Po chemické stránce je uhlí makromolekulární polyaromatická látka. Z rostlinných zbytků obsahuje celulózu, hemicelulózy, pektinové látky, lignin aj. V méně prouhělněných uhlích je velké zastoupení huminových kyselin a jejich solí, huminu a bitumenu - obr. 1 (Krevelen 1993; Hubáček et al. 1962).

Obr. 1 Mikrofotografie nábrusu černého uhlí s patrnými macerály (mikrokomponentami uhlí).

Podle Mezinárodní energetické ročenky (2007) se v roce 2005 na primárních energetických zdrojích světa podílela ropa z 36,4 %, uhlí z 27,8 %, zemní plyn z 23,5 %, vodní elektrárny z 6,3 % a energie získaná štěpením jaderného materiálu z 6,0 %. Celosvětový podíl fosilních paliv a uhlí je tedy zcela zřejmý. V České republice je podíl uhlí na celkových energetických zdrojích ještě výraznější. V roce 2005 měla tuhá paliva 46,5 % (obr. 2), kapalná paliva 20,8 %, plynná paliva 17,0 %, jaderná energie 14,1 %. Zbytek připadá obnovitelným zdrojům a dovozu (resp. vývozu) energie (Beran 2006). I když je uhlí neobnovitelný zdroj energie a z hlediska produkce tzv. skleníkových plynů není tak výhodný pro spalovaní jako např. zemní plyn, má ve světové energetice nezastupitelné místo. Zásoby uhlí jsou totiž rozloženy daleko rovnoměrněji než zásoby kapalných uhlovodíků a jejich životnost je řádově delší.

Obr. 2 Povrchová těžba hnědého uhlí v sokolovské pánvi - lom Jiří ve Vintířově.

Spalování uhlí je nejstarší, „nejjednodušší“ a také nejčastější možnost jeho využití (obr. 3). Spalovací proces je v podstatě exotermní reakcí uhlíku z uhlí s kyslíkem ze vzduchu. Probíhající reakce jsou tedy podobné příkladům v kapitole Zplynování uhlí a kromě tepla jsou produktem dokonalého spalování uhlí oxid uhličitý a vodní pára. Kromě toho ovšem odpad tvoří oxidy síry, dusíku a popílek vzniklé z nečistot uhlí.

Obr. 3 Hnědouhelná elektrárna a teplárna společnosti International Power Opatovice, a.s., Opatovice nad Labem.

Na procesy spalování má velký vliv kvalita uhlí a úpravárenské procesy, které jí zlepšují. Jde například o udržování optimální zrnitosti a složení nebo snižování obsahu minerálních látek, zejména disulfidů železa. Samotné spalování uhlí je několikastupňový proces. Začíná ohřevem částic, následuje uvolňování a spalování prchavé hořlaviny (sorpčně vázané plynné uhlovodíky) a vznikají částice polokoksu, který je spalován nakonec.

Pro celý proces je důležitých mnoho faktorů. Pro co nejlepší spalování uhlí a efektivní využití jeho výhřevnosti se stále zdokonalují ohniště. Od původních roštových typů, kde uhlí nehybně leží na roštu, se přešlo na účinnější typy ohnišť se stacionární nebo cirkulující fluidní vrstvou a práškovým ohništím. Fluidní spalování využívá transport spalovaných částic uhlí proudem vzduchu, při kterém dochází k lepšímu přenosu tepla, okysličení a popel je kontinuálně vynášen. Přídavek mletého vápence umožňuje snižovat emise oxidu siřičitého, lepší regulace teploty zmenšuje emise oxidů dusíku. Nejúčinnější systémy spalování uhlí využívají produkty zplynování uhlí v paroplynových generátorech - viz kapitola Zplyňování uhlí (Taylor et al. 1998; Roubíček, Buchtele 2002).

Uhlí má nezastupitelné místo v metalurgických procesech, zejména ve výrobě surového železa a ocelí. Využívá se ve své původní formě, nebo jako tuhé a plynné deriváty, např. koks a plyn.

Koksování uhlí (též karbonizace nebo pyrolýza) je soubor procesů probíhajících při řízeném ohřevu uhlí za nepřístupu vzduchu. Tradiční metody používají odplyněná zrna uhlí se zrnitostí do 3 mm, která se zahřívají na teploty okolo 1000 °C (Kaloč 1988). Pro koksování nejsou vhodné všechny druhy uhlí. Takzvané koksovatelné uhlí je černé uhlí, které má vhodné chemicko-technologické vlastnosti (obsah prchavé hořlaviny, spékavost, puchnutí, plasticita aj.) - viz Taylor et al. (1998). Výroba koksu je stále předmětem inovací s cílem co efektivněji využít vznikající teplo a vedlejší produkty a snížit množství látek zatěžujících životní prostředí (Roubíček, Buchtele 2002).

Uhlí nelze pro výrobu koksu použít přímo ve vytěženém stavu. Producentské společnosti většinou poskytují uhlí po úpravě (rozdružení) o dané vlhkosti a dalších parametrech. Na koksovně uhlí nejprve prochází tzv. uhelnou službou, která zajišťuje vykládku, vysoušení, skladování, mletí a míšení suroviny do požadovaného poměru. Mletí probíhá na kladivových, příp. nárazových mlýnech a až do míšení se uhlí z jednotlivých lokalit skladuje odděleně, protože každá má své specifické vlastnosti.

Samotné koksování probíhá v koksárenských bateriích, které obsahují desítky úzkých komor. Do nich se koks buď volně sype, nebo je zavážen v pěchované formě. Komory jsou odděleny vyhřívanými stěnami, jako palivo se nejčastěji používá vyčištěný koksárenský plyn. Podle velikosti komor a teploty koksování probíhá zahřívání nejčastěji buď 16, nebo 32 hodin. Při karbonizaci probíhají složité fyzikálně-chemické a chemické reakce (uvolňování nízkomolekulárních plynů a dehtu, štěpení složitějších chemických vazeb, zplastičtění hmoty, zhuštění tuhé fáze aj.), při nichž se uvolňují paroplynové produkty a vzniká koks. Po dokončení karbonizace se žhavý koks z komor vytlačuje a hasí (obr. 4). Hašení probíhá nejčastěji vodou (která se díky tomu v množství 1 - 15 % dostává do koksu), v případě suchého chlazení koksu se využívají inertní plyny - N₂, CO₂. Ochlazený koks pak putuje přes odprašovací stanici na hrubé a jemné třídění. Tam se odtřiďováním na roštnicích a sítech získávají jednotlivé zrnitostní frakce koksu, které mají specifické použití.

Během karbonizace jsou z komor odváděny horké plyny, které se ochlazením nechávají kondenzovat. Sráží se z nich čpavková voda a dehet, které jsou základem navazujícího chemického zpracování (Kaloč 1988).

Obr. 4 Vytlačování žhavého koksu z vodícího vozu do hasícího vozu (vpravo), nad kterým je odvod prachu. Koksovna Svoboda, Ostrava.

Nejvýznamnějším produktem koksování je hutnický (metalurgický) koks. Je to tvrdá ocelově šedá silně porézní odplyněná hmota (obr. 5). Oproti původnímu uhlí má řádově nižší obsah kyslíku a vodíku (H^daf okolo 0,3 - 0,6 %, O^daf okolo 0,1 - 0,7 %) a má vyšší výhřevnost. Jeho hlavní využítí je jako palivo a redukční činidlo při výrobě surového železa ve vysokých pecích - viz Výroba železa a oceli. Typické zrnitosti slévárenského koksu jsou 100 - 250 mm, 70 - 130 mm a 60 - 90 mm, vysokopecního koksu 25 - 90 a 40 - 90 mm. Menší množství koksu zrnitosti od 20 do 60 mm se spotřebovává pro vytápění (otopový koks) a další aplikace (koks k technologickým účelům). Jde o velmi kvalitní palivo s vysokou výhřevností, jehož spalovaním vzniká prakticky jen CO₂.

Kromě hutnického koksu (asi 75 %) vzniká při karbonizaci černého uhlí celá řada vedlejších produktů. Jde o přibližně 16 % koksárenského plynu, 3,5 % čpavkové vody, 3 % dehtu, 1 % surového benzolu, 0,25 % amoniaku, 0,25 % sulfanu a 0,25 % naftalenu. Koksárenský plyn se většinou přímo používá jako palivo s poměrně nízkou výhřevností. Plyn obsahuje síru ve formě sirovodíku a organosírových sloučenin. Při jeho odsiřování, které předchází dalšímu využití, se získává velmi čistá síra a kyselina sírová. Ze čpavkové vody se získává čpavek nebo síran amonný. Destilací kapalného podílu (surový benzol) se získává solventní nafta, xylen, toluen, benzen, pyridin a kresoly. Solventní nafta je směsí vyšších aromatických uhlovodíků používaná jako rozpouštědlo pro nátěrové hmoty, zbylé uhlovodíky jsou suroviny pro výrobu anilinu, fenolu, cyklohexanu, trinitrotoluenu a kyseliny benzoové. Z destilačního zbytku (surový dehet) se získává dehet, černouhelná smola, pyren, naftalen, anthracen a další polykondenzované aromatické uhlovodíky. Mají rozsáhlé využití v chemickém, papírenském, farmaceutickém, textilním a kožedělném průmyslu, pro výrobu barviv a pigmentů, laků, tmelů aj. (Kaloč 1988, Deza a.s. - Seznam produktů).

Podobné pochody jako u koksování (vysokoteplotní karbonizace) probíhají u nízkoteplotní karbonizace hnědého uhlí. Přepracováním hnědého uhlí za teplot do 550 °C se získá asi 45 % polokoksu, 12 % dehtů, středního oleje a karbonizačního benzínu, 14 % karbonizačních a fenolových vod a 8 % karbonizačního plynu. Z dehtů se atmosférickou destilací získává benzín a fenoly pro další zpracování v chemickém průmyslu. Karbonizační plyn s nízkou výhřevností se zpětně využívá pro další karbonizaci, polokoks pro výrobu syntézních plynů a jako palivo. Hnědé uhlí se pro výrobu pohonných hmot, syntézních plynů a chemických látek tímto způsobem hojně využívalo od 30. let 20. století do konce druhé světové války. Poté ho vytlačila snadněji zpracovatelná ropa a zemní plyn (Hrdina, Machalický 2002).

Dlouhou dobu byl jedním z produktů zpracování hnědého uhlí svítiplyn. Jde o směs H₂, CO, CO₂ a dalších plynů, která se vyrábí zplynováním hnědého uhlí. Přes rozžhavené uhlí o teplotě 900 až 1100 °C se vede vodní pára a vzduch. Zatímco při nedokonalém spalování uhlí vzniká převážně oxid uhelnatý a uhličitý, přidáním vody a kyslíku se výsledná směs plynů obohatí o vodík a má vyšší výhřevnost (Hrdina, Machalický 2002). Zjednodušené základní reakce probíhající při zplyňování jsou:

Svítiplyn se využíval hlavně v plynovém osvětlení a pro vytápění. Veřejné osvětlení svítiplynem začalo v roce 1807, vzhledem k vyšší ceně, složitějšímu rozvodu a nebezpečí výbuchu ho ve druhé polovině dvacátého století nahradilo osvětlení elektrické. Ze stejných důvodů se upustilo i od jeho využití v domácnostech.

Pozn.: Od roku 2002 bylo z estetických důvodů obnoveno plynové osvětlení v některých ulicích v centru Prahy. Místo původního svítiplynu ale využívá zemní plyn.

Taková výroba měla velkou tradici i na našem území - z hnědého uhlí severočeské a sokolovské pánve byl svítilplyn vyráběn v období 1943 až 1996. K ukončení výroby došlo po celkovém přechodu zásobování na zemní plyn.

Obdobnými procesy zplynování uhlí (v sesuvném loži, ve fluidní vrstvě nebo v únosové vrstvě) jako svítiplyn se dnes vyrábí tzv. generátorový plyn (též syntézní plyn, energoplyn, topný plyn). Jsou u něj menší požadavky na čistotu a výhřevnost než u svítiplynu. Je vhodný jako palivo paroplynových generátorů v elektrárnách nebo jako topný plyn. Produkty mohou také sloužit jako suroviny pro další chemickou výrobu. Výhodou těchto procesů je možnost použít ke zplynování uhlí libovolného stupně prouhelnění s vysokou popelnatostí. Navíc je možné zplynovat i směsi uhlí s uhlíkatými odpady nebo biomasou (Roubíček, Buchtele 2002).

Sorbenty jsou tuhé látky s porézní strukturou, schopné zachycovat určité složky z kapalných nebo plynných směsí. Uhlí všech stupňů prouhelnění je pro toto využití mimořádně vhodné vzhledem k vysokému obsahu pórů různé velikosti.

Základem výroby většiny uhelných sorbentů je karbonizace, při které se snižuje obsah nežádoucích prvků (H, N, S, O). Výsledkem je karbonizát (polokoks), který se dále aktivuje. Aktivace je souhrnné označení všech procesů vedoucích ke zvýšení objemu pórů, zejména na povrchu zrn. Fyzikální aktivace spočívá v částečném zplynění karbonizátu vodní parou, oxidem uhličitým nebo kyslíkem za vysokých teplot. Chemická aktivace se provádí běžnými průmyslovými kyselinami (HCl, HF, HNO₃) nebo zásadami (KOH) (Buchtele 1998).

Aktivní uhlí má širokou škálu použití - je vhodné například pro odbarvování průmyslových kyselin nebo odstraňování amonných iontů, ozónu, chloru a dalších chemických látek z vody. Je ale nutné zdůraznit, že ne všechno aktivní uhlí pochází z kaustobiolitů uhelné řady. Aktivní uhlí používané v medicíně a pro čištění ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu nebývá vyráběno z uhlí, ale ze dřeva, skořápek ořechů aj. podobnými procesy.

Beran, A.: Primární energetické zdroje 1995 - 2005 [online]. Oddělení surovinové a energetické statistiky, Odbor energetické a surovinové politiky, Ministerstvo průmyslu a obchodu, 20.12.2006 [cit. 2007-15-11]. PDF formát. Dostupný z www: <URL: http://download.mpo.cz/get/29802/32430/345314/ priloha001.pdf>

Buchtele, J.: Uhelné sorbenty - jejich příprava a použití. Energie, 1998, roč. 3, č. 2, s. 110 - 112.

Diessel, C. F. K.: Coal-Bearing Depositional Systems. Berlin: Springer-Verlag, 1992. 721 s.

Dopita, M., Havlena, V., Pešek, J.: Ložiska fosilních paliv. Praha: SNTL, 1985. 264 s.

Honěk, J.: Hodnocení uhlí a uhelných zásob v České republice podle mezinárodních klasifikací. In Sborník věd. prací VŠB-TU Ostrava, řada hornicko-geologická, monografie 15, roč. 51, , 2005, s. 373-380

Hrdina, R., Machalický, O.: Uhlíkaté suroviny a jejich zpracování [online]. Katedra technologie organických látek, Chemicko-technologická fakulta, Univerzita Pardubice, 2002 [cit. 2007-03-11]. PDF formát. Dostupný z www: <URL: http://www.upce.cz/priloha/ktol-csuroviny>

Kaloč, M.: Výroba koksu. In Brož, L. et al.: Hutnictví železa. Praha: SNTL, 1988, s. 15 - 61.

Krevelen, D. W. van: Coal: typology - physics - chemisry - constitution. 3rd. rev. ed. Amsterdam: Elsevier, 1993. 979 s.

Mezinárodní energetická ročenka 2007. Praha: Agentura ČSTZ a CONTE, 2007. 444 s.

Roubíček, V., Buchtele, J.: Uhlí: zdroje, procesy, využití. Ostrava: Montanex, 2002. 173 s.

Taylor, G. H. et al.: Organic Petrology. Berlin: Gebrüder Borntraeger, 1998. 704 s.