Cola (Kraftstoff)

Rohe Cola

Koks ist grau, hart und porös Kraftstoff auf Kohlebasis mit einem hohen Kohlenstoff Inhalt und wenige Verunreinigungen, durch Heizung gemacht Kohle oder Öl in Abwesenheit von Luft - a destruktive Destillation Prozess. Es ist ein wichtiges Industrieprodukt, das hauptsächlich in verwendet wird Eisenerz Schmelzen, aber auch als Kraftstoff in Öfen und Schmieden Wenn Luftverschmutzung ist ein Problem.

Der unqualifizierte Begriff "Cola" bezieht Steinkohle durch einen Prozess genannt Coking. Ein ähnliches Produkt genannt Petroleum Cola, oder Pet Cola, wird von erhalten Rohöl in Ölraffinerien. Cola kann auch natürlich auch durch gebildet werden geologisch Prozesse.[1]

Geschichte

China

Historische Quellen aus dem 4. Jahrhundert beschreiben die Produktion von Cola in antikes China.[2] Die Chinesen verwendeten Coke zum ersten Mal zum Erhitzen und Kochen später als im neunten Jahrhundert. In den ersten Jahrzehnten des elften Jahrhunderts sind chinesische Eisenarbeiter in der Gelber Fluss Valley begann, ihre Öfen mit Cola zu befeuern und ihr Kraftstoffproblem in dieser Region Baumsparten zu lösen.[3]

China ist heute der größte Produzent und Exporteur von Coke.[4] China produziert 60% der weltweiten Cola. Sorgen über Luftverschmutzung haben technologische Veränderungen in der Koksbranche durch Beseitigung veralteter Koks -Technologien motiviert, die nicht energieeffizient sind.[5]

Großbritannien

1589 wurde Thomas Proctor und William Peterson ein Patent für die Herstellung von Eisen und gewährt Stahl und schmelzende Blei mit "Erdkohle, Seekoal, Rasen und Torf". Das Patent enthält eine deutliche Anspielung auf die Zubereitung von Kohle durch "Kochen". 1590 wurde dem ein Patent gewährt Dekan von York "Pit-Coal reinigen und von seinem offensiven Geruch befreien".[6] Im Jahr 1620 wurde ein Patent an ein Unternehmen, das aus William St. John und anderen Rittern zusammengestellt wurde, die Verwendung von Koks in Schmelzerzen und Herstellungsmetallen erwähnt. Im Jahr 1627 wurde Sir John Hacket und Octavius ​​de Strada ein Patent für eine Methode zur Wiedergabe von Seekosten und Pit-Coal als nützlich gewährt Holzkohle zum Brennen in Häusern, ohne Straftat durch Geruch oder Rauch.[7]

1603, Hugh Plat schlug vor, dass Kohle auf eine Weise verkohlt sein könnte, die analog zum Weg ist Holzkohle wird aus Holz hergestellt. Dieser Prozess wurde erst 1642 eingesetzt, als Cola zum Braten verwendet wurde Malz in Derbyshire; Zuvor hatten Brauer Holz verwendet, da nicht kohle nicht im Brauen verwendet werden kann Bier.[8] Es wurde als Qualitätsverbesserung angesehen und führte zu einer "Veränderung, die alle England bewunderten" - der Cola -Prozess erlaubte einen helleren Braten des Malz Helle Brause.[7]

Die originalen Hochöfen in Blists Hill, Madeley

Im Jahr 1709, Abraham Darby i etablierte eine Cola-Hufe Hochofen produzieren Gusseisen. Cokes überlegene Quetschfestigkeit ermöglichte es Hochöfen, höher und größer zu werden. Die folgende Verfügbarkeit von kostengünstigem Eisen war einer der Faktoren, die zum zur Industrielle Revolution. Vor dieser Zeit verwendete die Eisenherstellung große Mengen Holzkohle, die durch Verbrennen von Holz hergestellt wurden. Als die Kupfer von Wäldern wurde nicht in der Lage, die Nachfrage zu erfüllen Zustand. Im späten 18. Jahrhundert Ziegelstein Bienenstocköfen wurden entwickelt, was mehr Kontrolle über den Brennprozess ermöglichte.[9]

1768, John Wilkinson Ich habe einen praktischeren Ofen für die Umwandlung von Kohle in Cola gebaut.[10] Wilkinson verbesserte das Verfahren, indem sie die Kohlehaufen um einen niedrigen zentralen Schornstein aus losen Ziegeln und mit Öffnungen für die Einreise der Brennsteine ​​baute, was zu einer höheren Ausbeute an besserer Koks führte. Mit größerer Fähigkeiten im Schießen, Abdecken und Löschen der Haufen wurden die Erträge bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts von etwa 33% auf 65% erhöht. Die schottische Eisenindustrie erweiterte sich im zweiten Quartal des 19. Jahrhunderts durch die Einführung des Hot-Blast-Prozesss in seinen Koalfeldern rasant.[11]

Im Jahr 1802 wurde in der Nähe eine Batterie von Bienenstocköfen eingerichtet Sheffield, um die zu coke Silkstone Coal Naht zum Schmelzen des Schmelzens des Schmelzstahls. Bis 1870 waren 14.000 Bienenstocköfen in Betrieb auf dem West Durham Coalfields4.000.000 lange Tonnen Cola pro Jahr. Als Maß für die Ausdehnung der Koksherstellung die Anforderungen der Anforderungen der Eisenindustrie in Großbritannien waren in den frühen 1850er Jahren etwa 1.000.000 Tonnen pro Jahr und stiegen bis 1880 auf etwa 7.000.000 Tonnen. Von diesen wurden in Durham County, 1.000.000 Tonnen im Coalfield in South Wales, und 1.000.000 Tonnen in Yorkshire und Derbyshire rund 5.000.000 Tonnen produziert.[11]

41 018 des Deutsche Reichsbahn das berühmte Klettern Schiefe Ebene, 2016

In den ersten Jahren der Dampflokomotiven, Cola war der normale Kraftstoff. Dies resultierte aus einer frühen Umweltgesetzgebung; Jede vorgeschlagene Lokomotive musste "seinen eigenen Rauch konsumieren".[12] Dies war technisch nicht möglich, bis die Firebox Bogen Es wurde angesehen, dass die Anforderungen erfüllt wurden. Diese Regel wurde leise fallen und billiger wurde zum normalen Treibstoff, als die Eisenbahnen in der Öffentlichkeit Akzeptanz erlangten. Die Rauchwolke, die von einer reisenden Lokomotive erzeugt wird, scheint nun ein Zeichen einer Dampfbahn zu sein und so für die Nachwelt zu erhalten.

So genannte "Gaswerke" produzierte Koks durch Erhitzen von Kohle in geschlossenen Kammern. Das entflammbare Gas, das abgegeben wurde, wurde in Gashaltern gelagert, um im Inland und industriell zum Kochen, Heizung und Beleuchtung eingesetzt zu werden. Das Gas war allgemein als "bekannt"Stadtgas"Seit unterirdischen Netzwerken von Pfeifen durch die meisten Städte gelaufen. Es wurde durch" ersetzt "durch"Erdgas"(anfangs von der Nordseeöl und Gasfelder) in den Jahrzehnten nach 1967. Andere Nebenprodukte der Koksproduktion waren Teer und Ammoniak, während die Koks anstelle von Kohle in Kochbereichen verwendet wurde und vor dem Aufkommen Wärme in häuslichen Räumlichkeiten bereitgestellt wurde Zentralheizung.

Vereinigte Staaten

Illustration des Kohleabbaues und des Koksbrennens von 1879

In den USA ereignete sich die erste Verwendung von Cola in einem Eisenofen um 1817 bei Isaac Meason's Plumsock Puddling Ofen und Rolling Mühle in Fayette County, Pennsylvania.[13] Im späten 19. Jahrhundert die Coalfields von Western Pennsylvania bildete eine reichhaltige Rohstoffquelle für die Koks. 1885 die Kohle- und Eisengesellschaft in Rochester und Pittsburgh[14] konstruierte die längste Koks -Öfen der Welt in Walston, Pennsylvaniamit 475 Öfen über einer Länge von 1,25 Meilen. Ihre Leistung erreichte 22.000 Tonnen pro Monat. Das Minersville Cola -Öfen in Huntingdon County, Pennsylvania, wurden auf der aufgeführt Nationales Register historischer Orte 1991.[15]

Zwischen 1870 und 1905 stieg die Zahl der Bienenstocköfen in den USA von etwa 200 auf fast 31.000, was allein in der Region Pittsburgh fast 18.000.000 Tonnen Cola produzierte.[16] Ein Beobachter rühmte sich, dass der Motor vor San Francisco nach Connellsville zurückkehren würde, wenn der Motor vor dem Caboose aus den Connellsville Yards gestartet wurde! " Die Zahl der Bienenstocköfen in Pittsburgh erreichte 1910 mit fast 48.000 erreicht.[17]

Obwohl es einen Treibstoff von höchster Qualität machte, vergiftete die Umgebung die umliegende Landschaft. Nach 1900 zog der schwerwiegende Umweltschäden des Bienenstockkoks eine nationale Bekanntmachung an, obwohl der Schaden den Distrikt jahrzehntelang geplagt hatte. "Der Rauch und das Gas einiger Öfen zerstören alle Vegetation um die kleinen Bergbaugemeinden", bemerkte W. J. Lauck von der US -Einwanderungskommission 1911.[18] Durch die Region im Zug gehen, Universität Wisconsin Präsident Charles van Hise Saw "lange Reihen von Bienenstocköfen, aus denen Flamme platzt und dichte Rauchwolken ausstellen, was den Himmel dunkel macht Stumpfer Himmel: fröhlich und ungesund. "[18]

Produktion

Industrie -Cola -Öfen

Cola -Ofen bei Rauchloser Kraftstoff Pflanze, Abercwmboi, Süden Wales, 1976

Die industrielle Produktion von Koks aus Kohle heißt Coking. Die Kohle wird luftlos gebacken Ofen, ein "Koksofen" oder "Coking -Ofen" bei Temperaturen von bis zu 2.000 ° C (3.600 ° F), normalerweise jedoch bei 1.000 bis 1.100 ° C (1.800–2.000 ° F).[19] Dieser Prozess verdampft oder zersetzt organische Substanzen in der Kohle und treibt flüchtige Produkte ab, einschließlich Wasser, in Form von Kohlengas und Kohle-Tar. Koks ist der nicht volatile Rest der Zersetzung, der zementierte Kohlenstoff- und Mineralreste der ursprünglichen Kohlepartikel in Form eines harten und etwas glasigen Feststoffs.

Einige Einrichtungen haben "Nebenprodukt" -Kokingöfen, bei denen die flüchtigen Zersetzungsprodukte für die Verwendung in anderen Branchen als Kraftstoff oder Chemikalie gesammelt, gereinigt und getrennt werden Ausgangsmaterial. Andernfalls werden die flüchtigen Nebenprodukte verbrannt, um die Koksöfen zu erhitzen. Dies ist eine ältere Methode, wird aber immer noch für den Neubau verwendet.[20]

Bituminöse Kohle muss eine Reihe von Kriterien für den Gebrauch erfüllen Kohle abrufen, bestimmt durch bestimmte Kohletest Techniken. Dazu gehören Feuchtigkeitsinhalte, Ascheinhalt, Schwefel Inhalt, volatiler Inhalt, Teer, und Plastizität. Diese Mischung richtet sich an die Erzeugung einer Koks mit angemessener Festigkeit (im Allgemeinen gemessen von Cola -Stärke nach der Reaktion), während eine angemessene Menge an Masse verliert. Zu den weiteren Überlegungen zum Mischen gehört, dass die Cola während der Produktion nicht zu stark anschwillt und den Koksofen durch übermäßige Wanddrücke zerstört.

Je größer die flüchtige Materie in Kohle ist, desto mehr Nebenprodukt kann produziert werden. Es wird allgemein angenommen, dass Spiegel von 26 bis 29% der flüchtigen Materie in der Kohlemischung gut für Kokszwecke sind. Daher werden verschiedene Arten von Kohle proportional gemischt, um das akzeptable Volatilitätsniveau zu erreichen, bevor der Kokingprozess beginnt. Wenn der Bereich der Kohlentypen zu groß ist, ist die resultierende Koks von sehr unterschiedlicher Festigkeit und Aschengehalt und ist in der Regel nicht verkaufbar, obwohl sie in einigen Fällen als gewöhnlicher Heizstoffkraftstoff verkauft werden kann. Da die Cola ihre volatile Angelegenheit verloren hat, kann sie nicht erneut abgerechnet werden.

Die Kohle unterscheidet sich von thermischer Kohle, ergibt sich jedoch aus demselben grundlegenden Kohlebildungsprozess. Coking Coal hat unterschiedlich Macerals aus thermischer Kohle, d. H. Verschiedene Formen der komprimierten und versteinerten vegetativen Materie, die die Kohle umfassen. Die verschiedenen Maceralals entstehen aus verschiedenen Gemischen der Pflanzenarten und Variationen der Bedingungen, unter denen sich die Kohle gebildet hat. Coking Coal wird nach dem Verbrennen gemäß der Asche prozentual von Gewicht bewertet:

  • Stahlgrade I (Aschegehalt von nicht mehr als 15%)
  • Stahlqualität II (über 15%, aber nicht mehr als 18%)
  • Waschmaschine Grad I (über 18%, aber nicht mehr als 21%)
  • Waschmaschine Grad II (über 21%, aber nicht 24% überschreitet)
  • Waschmaschine Grad III (über 24%, aber nicht 28%)
  • Waschmaschine Grad IV (über 28%, aber nicht mehr als 35%)[21]

Der "Herd" -Prozess

Der "Herd" -Prozess der Cola-Herstellung mit Klumpenkohle war mit dem der Holzkohleverbrennung vergleichbar; Anstelle eines Haufens vorbereiteter Holz, bedeckt mit Zweigen, Blättern und Erde, gab es einen Haufen Kohlen, bedeckt mit Kokstaub. Der Herdprozess wurde in vielen Gebieten in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts weiterhin verwendet, aber zwei Ereignisse verringerten seine Bedeutung stark. Dies war die Erfindung der heißen Explosion beim Eisenverletzung und die Einführung des Bienenstock-Coke-Ofens. Die Verwendung einer Explosion heißer Luft anstelle von kalter Luft im Schmelzofen wurde erstmals 1828 von Neilson in Schottland eingeführt.[11] Der Herdprozess der Herstellung von Cola aus Kohle ist ein sehr langwieriger Prozess.

Bienenstockofen

Postkarte mit Koksöfen und Kohle Tipple in Pennsylvania

Eine wie eine Kuppel geformte Brandkammer wird verwendet, die allgemein als Bienenstockofen bekannt ist. Es ist typischerweise 4 Meter weit und 2,5 Meter hoch. Das Dach enthält ein Loch zum Laden der Kohle oder andere, die von oben entzündet werden. Das Entladungsloch ist im Umfang des unteren Teils der Wand enthalten. In einer Koksofen -Batterie werden in einer Reihe eine Reihe von Öfen mit gemeinsamen Wänden zwischen benachbarten Öfen gebaut. Eine Batterie bestand aus vielen Öfen, manchmal Hunderten in Folge.[22]

Die Kohle wird von oben eingeführt, um eine gleichmäßige Schicht von etwa 60 bis 90 Zentimetern (24 bis 35 Zoll) zu erzeugen. Luft wird zunächst geliefert, um die Kohle zu entzünden. Die Karbonisierung beginnt und erzeugt eine flüchtige Materie, die innerhalb der teilweise geschlossenen Seitentür brennt. Die Carbonisierung verläuft von oben nach unten und ist in zwei bis drei Tagen abgeschlossen. Die Wärme wird durch die brennende flüchtige Substanz geliefert, sodass keine Nebenprodukte gewonnen werden. Die Abgase dürfen in die Atmosphäre fliehen. Die heiße Cola wird mit Wasser gelöscht und manuell durch die Seitentür entlassen. Die Wände und das Dach behalten genügend Wärme bei, um die Karbonisierung der nächsten Ladung zu initiieren.

Als Kohle in einem Koksofen verbrannt wurde, wurden die Verunreinigungen der Kohle nicht bereits als Gase abgetrieben, die sich zur Schlacke angesammelt hatten, was wirksam ein Konglomerat der entfernten Verunreinigungen war. Da es sich nicht um das gewünschte Cola-Produkt handelte, war die Schlacke zunächst nichts weiter als ein unerwünschtes Nebenprodukt und wurde verworfen. Später wurde jedoch festgestellt, dass es viele vorteilhafte Verwendungszwecke hat und seitdem als Zutat für Ziegelherstellung, gemischtes Zement, körnig bedeckte Schindeln und sogar als Dünger verwendet wurde.[23]

Berufssicherheit

Menschen können durch Inhalation, Hautkontakt oder Augenkontakt den Koksofenemissionen am Arbeitsplatz ausgesetzt sein. Das Arbeitssicherheit-und Gesundheitsbehörde (OSHA) hat die festgelegt gesetzliche Grenze Für die Exposition gegenüber Coke -Ofenemissionen am Arbeitsplatz mit 0,150 mg/m3 Benzol-Löslichen Bruchteils über einen achtstündigen Arbeitstag. Das Nationales Institut für Arbeitssicherheit und Gesundheit (NIOSH) hat a gesetzt Empfohlene Expositionsgrenze (Rel) von 0,2 mg/m3 Benzol-Löslichen Bruchteils über einen achtstündigen Arbeitstag.[24]

Verwendet

Cola wird als verwendet Treibstoff und als a Reduktionsmittel in Schmelzen Eisenerz in einem Hochofen.[25] Das durch Verbrennung von Koks erzeugte Kohlenmonoxid verringert sich Eisenoxid (Hematit) produzieren Eisen:[26]

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Cola wird üblicherweise als Kraftstoff für verwendet Schmiedekunst.

Coke wurde in den 1960er und frühen 1970er Jahren in Australien für die Hausheizung eingesetzt und für den Heimgebrauch in Großbritannien (um Kohle zu verdrängen) nach dem Clean Air Act von 1956, der als Reaktion auf die verabschiedet wurde Toller Smog von London 1952.

Seit Rauch-Produzierende Bestandteile werden während der Kohleverkleidung abgetrieben, Koks bildet einen wünschenswerten Kraftstoff für Öfen und Öfen unter welchen Bedingungen nicht für das vollständige Verbrennen von geeignet sind Steinkohle selbst. Cola kann verbrannt werden, um wenig oder gar keinen Rauch zu erzeugen, während bituminöse Kohle viel Rauch produzieren würde. Cola wurde weithin als als verwendet Rauchloser Kraftstoff Ersatz für Kohle bei der häuslichen Erwärmung nach der Schaffung von "Rauchlose Zonen" in Großbritannien.

Highland Park Brennerei in Orkney Braten gemaltes Gerste für den Einsatz in ihren schottischer Whisky in Kilns Verbrennen einer Mischung aus Cola und Torf.[27]

Cola kann verwendet werden, um Synthesegas zu machen, eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.

Phenol Nebenprodukte

Abwasser aus dem Kokieren ist hochgiftig und krebserregend. Es enthält phenolische, aromatische, heterocyclische und polyzyklische organische Stoffe sowie Inorganik, einschließlich Cyaniden, Sulfiden, Ammonium und Ammoniak.[30] In den letzten Jahren wurden verschiedene Methoden für die Behandlung untersucht.[31][32][33] Der weiße Fäusepilz Phanerochaete Chrysosporium kann bis zu 80% von entfernen Phenole aus Coking Abwasser.[34]

Eigenschaften

Hanna -Öfen der Great Lakes Steel Corporation, Detroit. Kohleturm auf Koksöfen. November 1942

Der Großteil Spezifische Schwerkraft von Cola liegt typischerweise bei 0,77. Es ist sehr porös. Sowohl die chemische Zusammensetzung als auch die physikalischen Eigenschaften sind wichtig für die Nützlichkeit von Koks in Hochöfen. In Bezug auf die Zusammensetzung sind niedriger Asche- und Schwefelgehalt wünschenswert. Weitere wichtige Merkmale sind die M10-, M25- und M40 -Test -Crush -Indizes, die die Stärke der Koks während des Transports in die Hochöfen vermitteln. Abhängig von der Größe der Hochöfen dürfen fein zerkleinerte Koksstücke nicht in die Hochöfen zugelassen werden, da sie den Gasfluss durch die Ladung von Eisen und Koks behindern würden. Ein verwandtes Merkmal ist das Cola -Stärke nach der Reaktion (CSR) Index; Es repräsentiert die Fähigkeit von Coke, den gewalttätigen Bedingungen innerhalb des Hochofens standzuhalten, bevor sie sich in feine Partikel verwandeln. Cola -Stücke werden mit dem folgenden Jargon bezeichnet: "Bell Coke" (30 - 80 mm), "Nuss Coke" (10 - 30 mm, "Coke Breeze" (<10 mm).[35]

Der Wassergehalt in Cola ist am Ende des Koksprozesses praktisch Null, ist jedoch häufig Wasser abgestimmt, so dass er zu den Hochöfen transportiert werden kann. Die poröse Struktur von Koks absorbiert etwas Wasser, normalerweise 3–6% seiner Masse. In moderneren Koksanlagen verwendet eine fortschrittliche Methode zur Kokskühlung die Luftlöschung.

Die bituminöse Kohle muss eine Reihe von Kriterien für die Verwendung als Kohle erfüllen, die von Besonderen bestimmt werden Kohletest Techniken.

Andere Prozesse

Der feste Rückstand, der von der Verfeinerung von verbleibt Petroleum bis zum "knacken"Prozess ist auch eine Form von Cola. Petroleum Cola hat viele Anwendungen außer Kraftstoff, wie die Herstellung von Trockenzellen und von Elektrolyt und Schweißelektroden.

Herstellung von Gasarbeiten Syngas Produzieren Sie auch Cola als Endprodukt namens Gas House Coke.

Fluid -Coking ist ein Prozess, bei dem starke Restrohn in leichtere Produkte umgewandelt werden Naphtha, Kerosin, Heizöl, und Kohlenwasserstoff Gase. Der Begriff "Flüssigkeit" bezieht sich auf die Tatsache, dass sich feste Kokspartikel als a Flüssigkeit fest Im kontinuierlichen Flüssigkeitskokingprozess im Vergleich zu dem älteren Chargenverzögerungsverfahren, bei dem sich im Laufe der Zeit eine solide Masse von Koks in der Kokstrommel aufbaut.

Aufgrund des Mangels an Öl oder hochwertigen Kohlen in Ost-Deutschland Wissenschaftler entwickelten einen Prozess, um eine geringe Qualität zu erzielen Leichtigkeit in Cola gerufen Hochtemperatur -Braunkocken -Cola.

Siehe auch

Verweise

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