Ανθρακαέριο

Το ανθρακαέριο είναι εύφλεκτο αέριο καύσιμο παρασκευασμένο από άνθρακα το οποίο διανέμεται στους καταναλωτές μέσω ενός συστήματος διανομής αγωγών. Το αέριο πόλης είναι ένας γενικότερος όρος που αναφέρεται στα βιομηχανοποιημένα αέρια καύσιμα τα οποία παράγονται προς πώληση στους καταναλωτές και στους δήμους.

Το ανθρακαέριο εμπεριέχει πληθώρα θερμαντικών αερίων, όπως το υδρογόνο, το μονοξείδιο του άνθρακα, το μεθάνιο και τους ασταθείς υδρογονάνθρακες, μαζί με μικρές ποσότητες μη θερμαντικών αερίων όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το άζωτο.

Πριν από την ανάπτυξη της παροχής και της διανομής φυσικού αερίου—κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1940 και της δεκαετίας του 1950 στις Ηνωμένες Πολιτείες και κατά τα τέλη της δεκαετίας του 1960 και της δεκαετίας του 1970 στη Μεγάλη Βρετανία και την Αυστραλία—σχεδόν όλο το αέριο που χρησιμοποιούνταν για καύσιμα και φωτισμό κατασκευαζόταν από άνθρακα. Το αέριο πόλης διανεμόταν στα νοικοκυριά μέσω δημοτικών δικτύων αγωγών.

Αρχικά δημιουργήθηκε ως υποπροϊόν της διαδικασίας παραγωγής κοκ, και η χρήση του αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια του 19ου και των αρχών του 20ού αιώνα, ακολουθώντας τη βιομηχανική επανάσταση και την αστικοποίηση. Στα υποπροϊόντα από τη διαδικασία παραγωγής περιλαμβανόταν πίσσα άνθρακα και αμμωνία, τα οποία αποτελούσαν σημαντική χημική πρώτη ύλη στις βαφές και στη χημική βιομηχανία, με ένα ευρύ φάσμα τεχνητών βαφών να κατασκευάζονται από ανθρακαέριο και πίσσα λιθανθράκων. Οι εγκαταστάσεις όπου παραγόταν το αέριο ήταν γνωστές ως εργοστάσια αερίου.[1]

Η ανακάλυψη μεγάλων αποθεμάτων φυσικού αερίου στη Βόρεια Θάλασσα στην ακτή της Σκωτίας κατά τις αρχές της δεκαετίας του 1960 οδήγησε στην εκτεταμένη μετατροπή ή αντικατάσταση των περισσοτέρων συσκευών που χρησιμοποιούσαν ανθρακαέριο στο Ηνωμένο Βασίλειο, με εξαίρεση τη Βόρεια Ιρλανδία, από τα τέλη της δεκαετίας του 1960 και έπειτα.[2]

Η διαδικασία παραγωγής είναι διαφορετική, τόσο από φυσική όσο και από χημική άποψη, από εκείνη που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία άλλων αερίων καυσίμων. Αυτά τα αέρια παράγονται με μερική καύση πρώτης ύλης με μείγμα αέρα, οξυγόνου ή ατμού, ώστε να μειωθεί στο έπακρο το υδρογόνο και το διοξείδιο του άνθρακα, αν και μπορεί επίσης να υπάρξει και κάποιου είδους ολέθρια απόσταξη.[3]

Διαδικασία παρασκευής

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Εργοστάσιο ανθρακαερίου στο Σιάτλ, ένα από τα τελευταία στις ΗΠΑ.

Το βιομηχανοποιημένο αέριο μπορεί να παρασκευαστεί με δύο μεθόδους: ανθρακοποίηση ή αεριοποίηση. Η ανθρακοποίηση αναφέρεται στην αποφλοίωση μιας οργανικής πρώτης ύλης για την παραγωγή αερίου και άνθρακα. Η αεριοποίηση είναι η διαδικασία υποβολής μιας πρώτης ύλης σε χημικές αντιδράσεις που παράγουν αέριο.[4][5]

Η πρώτη μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε ήταν η ανθρακοποίηση και η μερική πυρόλυση του γαιάνθρακα. Τα αέρια που απελευθερωνόταν στην υψηλής θερμοκρασίας ανθρακοποίηση, καθαριζόταν και χρησιμοποιούνταν ως καύσιμο. Ανάλογα με το σκοπό του εργοστασίου, το επιθυμητό προϊόν ήταν είτε ένα υψηλής ποιότητας κοκ για μεταλλουργική χρήση, με το αέριο να είναι παραπροϊόν ή ένα αέριο υψηλής ποιότητας με το κοκ να είναι το παραπροϊόν. Τα εργοστάσια κοκ συνδέονταν συνήθως με μεταλλουργικές εγκαταστάσεις, όπως χυτήρια, και υψικαμίνους, ενώ τα εργοστάσια αερίου βρισκόταν συνήθως σε αστικές περιοχές.[6]

Στα πρώτα χρόνια λειτουργίας των εργοστασίων αερίου, ο στόχος τους ήταν η παραγωγή της όσο το δυνατόν μεγαλύτερης ποσότητας αερίου φωτισμού. Η φωτιστική ισχύς ενός αερίου σχετίζεται με την ποσότητα των διαλυόμενων υδρογονανθράκων που σχηματίζουν αιθάλη. Αυτοί οι υδρογονάνθρακες έδιναν στη φλόγα του αερίου το χαρακτηριστικό κίτρινο χρώμα. Τα εργοστάσια αερίου χρησιμοποιούσαν συνήθως ελαιώδεις γαιάνθρακες ως πρώτη ύλη. Αυτοί οι γαιάνθρακες θα έκλυαν μεγάλες ποσότητες ασταθών υδρογονανθράκων στο ανθρακαέριο, αλλά θα αποδέσμευαν επίσης χαμηλής ποιότητας κοκ, ακατάλληλο για μεταλλουργικές διεργασίες. Το ανθρακαέριο ή το αέριο κοκ είχαν συνήθως θερμαντική αξία μεταξύ 10 και 20 MJ/m³ (250-550 Btu/ft3 (std)), με τιμές κοντά στα 20 MJ/m³ (550 Btu/ft3 (std)) να είναι οι πλέον συνήθεις.[7]

Η εμφάνιση του ηλεκτροφωτισμού ανάγκασε τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας να αναζητήσουν άλλες αγορές για βιομηχανοποιημένο αέριο. Τα εργοστάσια αερίου, που κάποτε παρήγαγαν αέριο σχεδόν αποκλειστικά για φωτισμό, άλλαξαν τους σκοπούς τους παρέχοντας αέριο κυρίως για θέρμανση και μαγειρική, ακόμη και ψύξη.[8]

Αέριο για βιομηχανική χρήση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Αναπαράσταση τυπικού πολυκυκλικού αρωματικού υδρογονάνθρακα. Πηγή: NASA

Το αέριο καύσιμο για βιομηχανική χρήση κατασκευάστηκε με την τεχνολογία γεννήτριας αερίου. Το παράγωγο αέριο δημιουργείται με την εμφύσηση αέρος μέσω ενός πυρακτωμένου δοχείου καυσίμου (συνήθως κοκ ή γαιάνθρακα) σε μια γεννήτρια αερίου. Η αντίδραση του καυσίμου με ανεπαρκή για πλήρη καύση αέρα παράγει μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Αυτή η αντίδραση είναι εξωθερμική και αυτοσυντήρητη. Ανακαλύφθηκε ότι η προσθήκη ατμού στον εισερχόμενο αέρα μιας γεννήτριας αερίου θα αυξήσει τη θερμαντική αξία του αερίου καυσίμου εμπλουτίζοντάς το με CO και υδρογόνο (Η2) που παράγονται με αντιδράσεις υδραερίου. Το παράγωγο αέριο έχει πολύ χαμηλή θερμαντική αξία της τάξης των 3,7 με 5,6 MJ/m3 (99 με 150 BTU/cu ft), επειδή τα θερμαντικά αέρια CO / H2 αραιώνονται με ποσότητα αδρανούς αζώτου (από τον αέρα) και διοξειδίου του άνθρακα (CO2) (από την καύση)[9]

2C (s) + O2 → 2 CO (εξωθερμική αντίδραση παραγώγου αερίου)
C (s) + H2O (g) → CO + H2 (ενδοθερμική αντίδραση υδραερίου)
C + 2 H2O → CO2 + 2 H2 (ενδοθερμική)
CO + H2O → CO2 + H2 (εξωθερμική αντίδραση μετατόπισης υδραερίου)

ο πρόβλημα της αραίωσης του αζώτου ξεπεράστηκε με τη διαδικασία του μπλε υδραερίου (BWG), που αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1850 από τον Σερ Ουίλιαμ Ζίμενς. Η πυρακτωμένη βάση του καυσίμου δεχόταν εναλλακτικά αέρα ακολουθούμενο από ατμό. Οι αντιδράσεις αέρα κατά τη διάρκεια της εμφυσήσεως ήταν εξώθερμες, θερμαίνοντας τη βάση, ενώ οι αντιδράσεις ατμού κατά τη διάρκεια της δημιουργίας του κύκλου, είναι ενδοθερμικές και ψύχοντας τη βάση. Στα παράγωγα από τον κύκλο του αέρα περιέχεται μη θερμαντικό άζωτο το οποίο εξατμίζεται από τη στοίβα ενώ τα προϊόντα του κύκλου του ατμού διατηρούνται ως μπλε υδραέριο. Το αέριο αυτό αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από CO και H2 και έχει μπλε φλόγα παρόμοια με αυτή του φυσικού αερίου. Το μπλε υδραέριο έχει θερμαντική αξία 11 MJ/m3 (300 BTU/cu ft).[10]

Το μπλε υδραέριο είχε έλλειψη σε φωτιστική ικανότητα. Δεν διέθετε δυνατή φλόγα πριν την εφεύρεση του μανδύα Βέλσμπαχ τη δεκαετία του 1890. Τη δεκαετία του 1860 πραγματοποιήθηκαν αρκετές προσπάθειες για τον εμπλουτισμό του μπλε υδραερίου με αέριο πετρέλαιο. Το αέριο πετρέλαιο (μια πρώιμη μορφή βενζίνης) ήταν το εύφλεκτο παραπροϊόν της διύλισης κηροζίνης, η οποία κατασκευαζόταν από τα ελαφρύτερα και πιο ευεξάτμιστα κλάσματα αργού πετρελαίου. Το 1875 ο Θαντέους Σ. Κ. Λόου εφηύρε την ανθρακωμένη διαδικασία υδρεαερίου. Αυτή η διαδικασία έφερε την επανάσταση στη βιομηχανία αερίου και αποτέλεσε την τυποποιημένη τεχνολογία μέχρι το τέλος της εποχής της παρασκευής αερίου.[11] Η διαδικασία του Λόου εκτελείται σε τρεις χώρους, τη γεννήτρια, τον εξαερωτή και τον υπερθερμαντήρα, που είναι συνδεδεμένοι με αγωγούς και βαλβίδες.[12]

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής, ο ατμός περνούσε από τη γεννήτρια για να δημιουργηθεί μπλε υδραέριο. Από τη γεννήτρια το θερμό υδραέριο περνούσε στην κορυφή του εξαερωτή όπου ελαφρά πετρελαιοειδή εκχυνόταν στο ρεύμα αερίου. Τα ελαφρά αέρια καιγόταν όταν ερχόταν σε επαφή με τα πυρότουβλα του εξαερωτή. Το θερμό εμπλουτισμένο αέριο έρεε στη συνέχεια στον υπερθερμαντήρα, όπου το αέριο ενισχυόταν περισσότερο από τα πιο θερμά πυρότουβλα.[13]

Προϊόντα της διαδικασίας παραγωγής αερίου

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Κλίβανος παρασκευής κοκ στη Νότια Ουαλία.

Παραπομπές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Υποσημειώσεις

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. ↑ Freemantle, Michael (2015). The Chemists' War: 1914-1918. Cambridge: Royal Society of Chemistry. σελ. 65. ISBN 9781849739894. 
  2. ↑ Jeffs, Eric (2009). Green Energy: Sustainable Electricity Supply with Low Environmental Impact. Boca Raton: CRC Press. σελ. 60. ISBN 9781439818930. 
  3. ↑ Kent, James A. (2012). Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology. New York: Springer. σελ. 1104. ISBN 9781461442592. 
  4. ↑ Beychok, M.R., Process and environmentals technology for producing SNG and liquid fuels, U.S, EPA report EPA-660/2-2-75-011, May 1975
  5. ↑ Beychok, M.R., Coal gasification and the phenolsolvan process, American Chemical Society 168th National Meeting, Atlantic City, September 1974
  6. ↑ Luo, Zhongyang· Agraniotis, Michalis (2017). Low-rank Coals for Power Generation, Fuel and Chemical Production. Cambridge: Woodhead Publishing. σελ. 252. ISBN 9780081009291. 
  7. ↑ Sivasankar, B. (2008). Engineering Chemistry. New Delhi: Tata McGraw-Hill Education. σελ. 376. ISBN 9780070669321. 
  8. ↑ Matson, Tim (1984). The Book of Non-electric Lighting: The Classic Guide to the Safe Use of Candles, Fuel Lamps, Lanterns, Gaslights & Fire-View Stoves. Woodstock: The Countryman Press. σελ. 39. ISBN 9781581578294. 
  9. ↑ Mazumdar, B. (1999). A Text Book Of Energy Technology. New Delhi: APH Publishing. σελ. 22. ISBN 9788176481014. 
  10. ↑ Speight, James G. (2007). Natural Gas: A Basic Handbook. Houston: Elsevier. σελ. 120. ISBN 9780127999845. 
  11. ↑ «The Introduction of Water Gas in the United States». The Baltimore Gas and Electric News (Consolidated Gas, Electric Light, and Power Company of Baltimore) 5 (6): 383. 1916. https://books.google.com/books?id=NcxMAAAAYAAJ&pg=PA383. 
  12. ↑ Proceedings of the American Gas Light Association ... USA: American Gas Light Association. 1881. σελ. 116. 
  13. ↑ Power. USA: McGraw-Hill Publishing Company. 1906. σελ. 687. 

Βιβλιογραφία

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  • Everard, Stirling (1949). The History of the Gas Light and Coke Company 1812-1949. London: Ernest Benn Limited. (Reprinted 1992, London: A&C Black (Publishers) Limited for the London Gas Museum. (ISBN 0-7136-3664-5)).

Περαιτέρω ανάγνωση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]