Primena uglja u industriji

Ugalj kao izvor energije ima svoju široku primenu u raznim proizvodnim procesima kao što su:

• Proizvodnja pare, toplotne energije i električne energije
• Proizvodnja cementa
• Proizvodnja čelika i legura
• Proizvodni procesi u raznim drugim granama industrije

Ugalj u proizvodnji električne energije

Ugalj igra vitalnu ulogu u proizvodnji električne energije širom sveta.

Ugalj je gorivo za proizvodnju struje sa udelom od 41% u Nemačkoj do 93% u Južnoj Africi.

Za proizvodnju struje koristi se gasni ugalj, koji se melje u fini prah, što povećava površinu i mogućnost bržeg sagorevanja.

Ugalj se po PCI-sistemu sagorevanja (pulverizacija) ubacuje u komoru kotla za sagorevanje gde se pali na visokoj temperaturi.

Izduvni gasovi i toplotna energija vodu koja se nalazi u cevima oko kotla pretvaraju u paru.

Tako proizvedena para pod visokim pritiskom doprema se u turbinu koja sadrži hiljade propelara (lopatica) nalik noževima.

Para pod pritiskom gura lopatice turbine, čime se vratilo turbine rotira velikom brzinom i prenosi snagu na generator koji se nalazi na drugom kraju vratila turbine.

Generator se sastoji od pažljivo namotanih žičanih kalemova, a električna energija se proizvodi kada oni brzo rotiraju u jakom magnetnom polju.

Nakon prolaska kroz turbinu, para se kondezuje i vraća se do kotla gde se ponovo zagreva.

Proizvedena električna energija se transformiše u više napone (do 400.000 V) koji se koriste za dalekovodni prenos do krajnjih potrošača, gde se u trafostanicama i transormatorima transformiše (smanjuje) na bezbednije napone 100 do 250 V.

Tehnologije sagorevanja se i dalje razvijaju, odnosno omogućavaju da se sa manjim količinama uglja proizvede više električne energije

To direktno utiče na poboljšanje toplotne efikasnosti elektrana, pa će ugalj i u budućnosti igrati ključnu ulogu u proizvodnji električne energije.

Unapređenje efikasnosti, kao osnovni vid razvoja industrije je glavni fokus za uvođenje mlevenog uglja čime se stvara ogroman potencijal za povećanje efikasnosti i smanjenja količine uglja u samom proizvodnom procesu električne energije, a takođe utiče i na smanjenje emisije CO2 u atmosferu.

Ugalj u proizvodnji cementa

Ugalj je važan izvor energije u proizvodnji cementa.

Cement je napravljen od mešavine kalcijum-karbonata (uglavnom u obliku krečnjaka), silicijum-dioksida, oksida gvožđa i glinice.

U visokim pećima, koje u većini slučajeva koriste ugalj kao energent za rad, zagrevaju se sirovine i delimično tope na temperaturi od 1450 °C, prilikom čega se sirovine hemijski i fizički pretvaraju u materijal koji se zove klinker.

Ovaj materijal koji liči na sivi šljunak se sastoji od specijalnih jedinjenja koja cementu daju vezivna svojstva.

Klinker se meša sa gipsom, nakon čega se usitnjavanjem do finog praha dobija cement.

Sam ugalj se koristi kao izvor energije za taj proizvodni proces.

Da bi se dobila jedna tona cementa, potrebno je oko 200 kg uglja određenih tehničkih karakteristika, a za proizvodnju jednog kubnog metra betona potrebno je oko 350 kg cementa.

Produkti sagorevanja uglja, kao što je pepeo igraju veoma važnu ulogu u proizvodnji cementa i u građevinskoj industriji.

• Produkti sagorevanja su nusproizvodi dobijeni od sagorevanja uglja u elektranama, a to su:
• površinski pepeo
• pepeo sa dna kotla
• kotlovna šljaka
• dimni gasovi odsumporavanja gipsa
• drugih vrsta materijala, kao što su fluidizovani slojevi sagorevanja pepela, cenosfere i prečišćenih ostataka

Površinski pepeo, takozvani leteći pepeo koristi se kao zamena ili dopuna za cement prilikom proizvodnje betona, čak i do 50%, prilikom čega se može za razliku od korišćenja 100% konvencionalnog cementa značajno smanjiti efekat staklene bašte, koji nastaje emisijom gasova koji se oslobađaju prilikom proizvodnje betona.

Na takav način na globalnom nivou jedna tona ugljen-dioksida je sprečena da uđe u zemljinu atmposferu. Pepeo ne zahteva dodatne energetske-intezivne procese dorade, kao što je to slučaj kod cementa, a u cilju sprečavanja emisije gasova koji stvaraju u atmosferi efekat staklene bašte, smanjuje potrebu za deponijama i eleiminiše potrebu za korišćenjem primarne sirovine.
Od letećeg pepela nastaje beton koji je jak i izdržljiv, sa otpornošću na korooziju, alkalno-agregatnu ekspanziju, sulfata i drugih oblika hemijskog napada.

Od produkata sagorevanja uglja se očekuje da nastave da igraju glavnu ulogu u industriji cementa i proizvodnji betona.

Ugalj u proizvodnji čelika

Globalna proizvodnja čelika zavisi od uglja. 70% od proizvedenog čelika koristi ugalj u svom proizvodnom procesu.

Metalurški ugalj ili ugalj za koksovanje je vitalan u procesu proizvodnje čelika.

Čelik se proizvodi u količinama od 1,4 milijardi tona na godišnjem nivou, za šta je potrebno oko 721 miliona tona uglja za koksovanje.

Čelik je legura gvožđa i ugljenika i proizvodi se putem dva glavna proizvodna procesa:

• Integrisano topljenje u visokim pećima
• Osnovna visoka peć sa kiseonikom
• Elektrolučne peći

Pošto je čelik materijal koji je primarno baziran na gvožđu, a gvožđe se u zemljinoj kori pojavljuje samo kao oksid gvožđa, on se kroz hemijske procese mora konvertovati koristeći dodatni hemijski element – ugljenik.

Primarni izvor ugljenika je ugalj za koksovanje, koji se pretvara u koks kroz hemijski proces gde se izdvajaju nečistoće iz čistog ugljenika.

Fizičke osobine kroz taloženje koksa omogućavaju da ugalj omekša, istopi, a zatim ponovo očvrsne u porozne grudve koje nastaju kada se ugalj zagreva u odsustvu vazduha.

Ugalj za koksovanje mora imati nizak sadržaj sumpora i fosfora.

Skoro svi metalurški ugljevi se koriste u pećima za koksovanje.

Proces koksovanja se sastoji od grejanja i taloženja koksnog uglja na oko 1000-1100ºC, u odsustvu kiseonika i isključenju isparljivih materija (piroliza), gde se kao rezultat tog hemijskog procesa dobija porozni materijal – koks.

Koks se proizvodi u koksinim baterijama koje se sastoje od više redno vezanih koksnih peći koje se pune ugljem.

Proces proizvodnje koksa u koksnim pećima se odvija u vremenskom periodu od 12-36 sati.

Jednom izbačen iz peći vruć koks se zatim gasi vodom ili vazduhom i odlaže se na skladište ili ide direktno u visoke peći za proizvodnju gvožđa.

Ruda gvožđa se vadi u oko 50 zemalja, a najveći proizvođači su u Australiji, Brazil i Kina, od čega se 98% gvozdene rude koristi u proizvodnji čelika.

Tokom procesa pravljenja gvožđa, visoka peć se puni rudom gvožđa, koksom i malim količinama krečnjaka ili drugih materijala koji služe za prikupljanje nečistoća.

Vazduh se zatim zagreva na oko 1200°C i uduvava se u peć preko dizne u donjem delu.

Vazduh podstiče koks na sagorevanje, proizvede ugljen-monoksid koji stvara hemijsku reakciju i vezuje se za rudu gvožđa i kroz takvo stvorenu toplotu gvožđe se topi i izlazi zajedno sa ostalim nečistoćama u rastopljenom stanju kroz otvor na drugom kraju visoke peći.

Najčešći proces pravljenja čelika je kroz integrisani proces prerade u visokim pećima – osnovne peći na kiseonik, u kojima se ruda gvožđa kombinuje sa različitim količinama čeličnog otpada i male količine fluksa.

Mlaznica se uvodi u posudu i uduvava 99% čistog kiseonika izazivajući porast temperature na 1700°C.

Otpad se topi, nečistoće oksidiraju, čime je sadržaj ugljenika smanjen za 90%, što rezultira dobijanjem tečnog čelika.

Drugi procesi koji slede su: sekundarni proces pravljenja čelika, gde se svojstva čelika utvrđuju sadržajem drugih hemijskih elemenata, kao što su bor, hrom i molibden, čime se osigurava dobijanje traženog kvaliteta.

Optimalno funkcionisanje visoke peći zahteva najviši kvalitet sirovina. Samim tim sadržaj ugljenika u koksu igra ključnu ulogu u smislu njegove reakcije u visokoj peći i kvalitetu topljenog metala.

Visoka peć koja se dozira kvalitetnim koksom zahteva manju količinu koksa, a rezultat je dobijanje boljeg kvaliteta tečnog metala i bolja produktivnost i smanjenje ukupnih troškova.
Oko 600 kg koksa je potrebno da se proizvede 1 tona čelika, što znači da je 770 kg uglja u proseku potrebno za proizvodnju 1 tone čelika kroz ovaj proizvodni proces.

U osnovnim pećima na kiseonik u svetu se proizvede oko 70% čelika, dok se 29% čelika proizvede u elektrolučnim pećima.

Proces proizvodnje u elektrolučnim pećima ili mini mlinovima, ne uključuje proizvodnju gvožđa.
One koriste postojeći čelik, izbegavajući potrebu za sirovinama i njihovoj daljoj preradi.

Peć se puni čeličnim otpadom, a takođe može koristiti i porozno gvožđe (DRI) ili sirovog gvožđa zbog hemijske ravnoteže.

Еlektrolučna peć radi na osnovu električnog naboja koji nastaje između dve elektrode koje proizvode toplotu za potrebe samog procesa.

Snaga dobijena preko elektroda kоје su smeštene u peći, koje proizvode luk elektriciteta kroz otpadni čelik (oko 35 miliona vati), što povećava temperaturu na 1600°C, i tako se topi otpadni čelik.

Sve nečistoće mogu biti uklonjene korišćenjem flukseva i odvođenjem šljake (zgure) kroz rupe za slavinu.

Elektrolučne peći ne koriste ugalj kao sirovinu, ali mnoge su zavisne od električne energije proizvedene od uglja u elektranama u okolini.

Oko 150 kg uglja je potrebno da bi se indirektno proizvela 1 tona čelika u elektrolučnim pećima.

PCI metod (Ubrizgavanje uglja metodom pulverizacije) je tehnologija koja podrazumeva direktno ubrizgavanje uglja u visoku peć da bi se proizveo ugljenik za pravljenje gvožđa – čime se smanjuje količina koksa potrebnog za celokupan proces. Za ovaj metod može se koristiti mnogo širi opseg ugljeva, pa samim tim se mogu koristiti i gasno-plameni ugljevi sa nižim sadržajem ugljenika nego kod uglja za koksovanje. Ovaj metod ima veoma veliki broj prednosti, uključujući i uštedu na produženju veka trajanja koksnih baterija.

Čelik je 100% reciklirajući materijal.

Primarni proces pravljenja čelika u visokim pećima sa kiseonikom koriste do 30% recikliranog čelika, a oko 90-100% recikliranog čelika koristi se u elektrolučnim visokim pećima.