Moderní využití uhlí (1946)
23.11.2018 17:23
Moderní využití uhlí
Ing. Stanislav Záhorský, předneseno na sjezdu elektráren ve Zlíně ve dnech 3. a 4. května 1946
Světové zásoby paliv nejsou nevyčerpatelné, a jak z diagramů jejich rozdělení je patrno, jsou tyto z více než 80 % zásoby uhelné. Je proto jednou z velkých povinností lidstva k příštím generacím uhlím šetřit, a rozřešení tohoto problému je předním úkolem moderní techniky.
Světové zásoby paliv v miliardách barelů:
5 = 0,7 % nafta z existujících vrtů;
26 = 3,5 % nafta zůstávající v zemi, ale dobytelná;
70 = 9,6 % olej z hnědého uhlí;
108 = 14,7 % olej z břidlic;
525 = 71,5 % olej z kamenného uhlí;
734 = 100,0 % úhrnná světová zásoba paliv.
Je to problémem nesmírné důležitosti zejména pro naši republiku, jejíž uhelná ložiska představují větší část našeho nerostného bohatství, s nímž musíme hospodařit s úzkostlivou šetrností. Neboť, přiznejme si to upřímně, naše postavení v ostré mezinárodní hospodářské soutěži není snadné. Mimo uhlí máme jen málo surovin v dostačujícím množství, takže mnohé musíme nakupovat a dovážet ze zahraničí. Uhlí máme sice dostatek, ale značná část je uložena poměrně hluboko,
a k tomu ve slojích nevelké mocnosti, takže těžba je proti zahraniční konkurenci nákladnější, zdražuje vytěžené uhlí, a tím působí nepříznivě dále na ceny výrobků. K tomu přistupuje ještě nedostatek splavných vodních cest, úplná isolace od námořní dopravy pro naší vnitrozemskou zeměpisnou polohu a tím dražší doprava.
To vše nás nutí, abychom na mezinárodních trzích soutěžili hlavně kvalitou výrobků a úzkostlivě šetřili surovinami, které máme. U uhlí to znamená, snažit se o jeho dokonalé využití. Otázkou je, jak toho dosáhnout. Především šetřením.
Podíváme-li se na rozdělení spotřeby uhlí v ČSR před válkou v roce 1934, vidíme, že daleko největší část se spotřebuje k topení ve stavu původním, upraveném pouze tříděním. Pro dráhy, zemědělství a otop se spotřebovalo plných 48 % uhlí a 44 % koksu, kdežto na elektrárny připadlo pouze 11 % a plynárny dokonce jen 4,3 % z celkového vytěženého uhlí. Zde vidíme, jaký význam pro hospodaření uhlím má soustavná elektrizace, která koncentrováním výroby elektrické energie do velkých elektráren a tepláren s moderními kotelnami o vysoké termické účinnosti s topeništi, umožňujícími spalování méněcenných nebo odpadních druhů uhlí přispívá přímo k snižování spotřeby druhů hodnotnějších, a dodáváním levného elektrického proudu, popřípadě páry průmyslovým závodům, zásobovaným dosud z vlastních, většinou zastaralých kotelen na spalování hodnotnějších uhlí, vyřazuje postupně i tato zařízení z chodu a podporuje spalování druhů méněcenných.
Z uvedených čísel spotřeby je patrno, jak mnoho by se dalo ještě na palivu ušetřit, zejména elektrizací a motorizací dopravy, elektrizací zemědělství a domácností, a rozšířením používání plynu. Úspory v těchto oborech budou o to významnější, že právě zde se nehospodárně spalují uhlí hodnotných druhů.
Tyto snahy po úsporném spalování však samy o sobě nejsou s to rozřešit problém dokonalého využití uhlí. Na uhlí se nesmíme dívat pouze očima energetika jako na palivo, jehož využití závisí jen a jen od stupně termické účinnosti, s jakou je dovedeme spálit. Musíme se na ně dívat současně také očima chemika, jako na cennou chemickou surovinu, která je základnou jiných rozsáhlých průmyslových odvětví, pro lidstvo i pro naše národní hospodářství vysoce důležitých.

Je jasné, že pouhým spalováním uhlí v topeništích, i kdyby toto bylo sebe dokonalejší, se zmíněné – pro chemické využití důležité a v něm obsažené látky, nenahraditelně zničí. Je proto nutné, pro dokonalé využití uhlí, oba způsoby koordinovat. To znamená, musíme se snažit nejprve uhlí zpracovat chemicky a extrahovat z něho látky chemicky důležité, a teprve zbytek spalovat v topeništích. To je ovšem řešení teoretické. Prakticky lze to provádět tak, že vytěžené uhlí se nejprve vytřídí podle zrnitosti a obsahu popele. Méněcenné a těžko prodejné druhy spotřebují elektrárny, postavené pokud možno v blízkosti dolů, aby se palivo nezdražilo dopravou, popřípadě modernější průmyslové kotelny. Hodnotnější druhy se zpracují chemicky, čili, jak se v moderním technickém názvosloví říká, „zušlechťují se“. Výsledkem zušlechťovacího procesu jsou jednak cenné chemické suroviny, jednak zušlechtěná náhradní paliva, které spolu s levně vyrobenou elektrickou energií postupně nahradí dosavadní nežádoucí a nehospodárné přímé spalování hodnotných druhů uhlí v dopravě, v průmyslu i v domácí spotřebě.
Mělo by být proto jedním z úsporných hesel dneška:
Žádné hodnotné uhlí do domácnosti, dopravě a k přímému spalování. Všude je nahrazujme zušlechtěnými palivy a elektřinou. O to se musí snažit svorně technikové, energetici i chemikové, právě tak jako národohospodáři se zákonodárci, protože je to velký úkol, spojený s mnohými obtížemi, a jen ve spolupráci všech jmenovaných složek je naděje na konečný úspěch.
O metodách a zařízeních k přímému spalování uhlí se šířit nebudu, protože jsou vám jistě dostatečně známy. Účelem mé úvahy jest stručný přehled způsobů chemického zušlechťování uhlí a výroby náhradních paliv, jednak všeobecně, a v dalším, jak se provádí v hnědouhelné pánvi severočeské velkorysým způsobem ve Stalinových závodech v Horním Litvínově.
Uhlí se zušlechťuje v současné době čtyřmi způsoby: zplynováním, destilací, doutněním a hydrogenací.
Zplynování je v podstatě výroba plynu z uhlí neb koksu tím způsobem, že se přes vrstvu žhavého paliva prohání vzduch a vodní pára, případně směs obou, nebo čistý kyslík a vodní pára. Provádí se ve speciálních generátorových pecích a získá se při něm podle povahy zplynovaného paliva a účelnou kombinací přídavného vzduchu a páry buď plyn generátorový nebo plyn vodní, nebo směs obou, tak zvaný plyn smíšený. Tyto plyny obsahují hlavně CO, H, CH4, N2 a něco CO2. Při použití kyslíku neobsahuje vyrobený plyn dusík a poskytuje syntesní plyn CO a H2 k výrobě metanolu, bervinu atd. Výhřevnost kolísá podle složení od 1000 do 5000 kal., a používá se generátorového plynu k vytápění pecí v hutnictví a plynárenství, vodního plynu při tepelném zpracování kovů, vodního plynu o zvlášť vysokém obsahu vodíku k hydrogenaci, a konečně smíšeného plynu k pohonu stabilních i automobilních motorů na nasávaný plyn.
Důležitou technickou úpravou, vypracovanou během války, je zplynování uhlí pod tlakem, při kterém do ocelové retorty, pracující pod tlakem 15 atm., se místo vzduchu přivádí čistý kyslík a vodní pára. Vyrábí se tím z hnědého uhlí svítiplyn o výhřevnosti 4000-5000 kcal/m3 o tlaku 15 atm., který je zvláště výhodný pro dálkový rozvod vysokotlakým potrubím. Uhlí se při tom úplně mění v plyny, a z generátoru spodem odpadá pouze popel.
Druhý nejstarší a nejznámější způsob zušlechťovací je odplyňování uhlí, jinak též karbonizace neb destilace.
Je to destilace za sucha, vám všem dobře známá. Záleží v zahřívání uhlí v uzavřených retortách bez přístupu vzduchu, při čemž nastává vlivem stoupající teploty chemický rozklad složitějších uhlovodíků v uhlovodíky jednodušší, které se postupně vylučují, jednak ve formě plynné, jako koksový plyn nebo svítiplyn, jednak v kapalné, jako dehet. Zbytek v retortách je pevný koks. To jsou tři konečné produkty destilace.
Vzniklý plyn a dehet nejsou látky jednoduché, nýbrž směs různých sloučenin, hlavně uhlovodíků, vzniklých chemickým rozkladem uhlí působením vysokých teplot, při čemž se některé ještě částečně rozložily, event. i vzájemně sloučily.
Destilační teplota má podstatný vliv na složení konečných produktů, na výhřevnost plynů, jakost dehtu i koksu, a je proto důležitým činitelem při průběhu celého procesu. Nejznámější průmyslová destilace kamenného uhlí je výroba koksu v koksárnách a výroba plynu v plynárnách. Rozdíl mezi oběma je dán pouze přizpůsobením zařízení a podmínek destilace hlavnímu účelu výroby, tj. v plynárnách výrobě co největšího množství jakostního svítiplynu, v koksárnách zase výrobě kvalitního koksu. Ostatní vzniklé produkty, tj. plynárnách koks, v koksárnách plyn a v obou dehet, jsou produkty vedlejší. Vzhledem k tomu, že svítiplyn i koks jsou cennými bezdýmnými palivy, je destilace důležitým procesem zušlechťování uhlí, protože napomáhá k odstranění kouře z městské atmosféry a tím ku zlepšení zdravotních životních podmínek obyvatelstva.
Používání plynu pro soukromé, veřejné i průmyslové účely hledí se v posledních letech podporovat rozváděním plynu pod tlakem z hlavních výrobních středisek na větší vzdálenost. Je to jakási obdoba rozvodu elektrické energie pomocí sítí vn a má značný hospodářský význam, protože zvyšuje možnost odbytu plynu, ušetří stavbu nových, malých plynáren, resp. umožní zastavení zastaralých, a odlehčí dopravu o dovoz značného množství uhlí. Tedy výhody vesměs známé již z provádění soustavné elektrizace.
Třetí způsob zušlechťování uhlí doutnění, nebo nesprávně švelování podle německého schwellen. Je to vlastně také destilace za sucha, jenže prováděná při teplotě mnohem nižší, 5-600 oC, takže vznikající destilační zplodiny nepodléhají ještě pyrogenetickému rozkladu jako v plynárnách a koksárnách, kde se pracuje při teplotách 1000-1300 oC.
Proto také vznikající produkty vykazují proti vysokotepelné destilaci jiné chemické složení. V plynu je vysoké procento CH4 a malé množství H, koks je méněcenný, křehký a pórovitý, a obsahuje 12-16 % těkavých součástí. Zato dehet, získaný doutněním, tzv. nízkotepelný dehet nebo pradehet, je velmi hodnotná surovina, nejcennější zisk tohoto procesu, neporušená pyrogenetickým rozkladem při vysokých teplotách jako dehet plynárenský a koksárenský.
Doutnění hnědého uhlí provádí se ve speciálních pecích vytápěných plynem, kde se uhlí pomalu zahřívá a destiluje. Zplodiny jsou vodní pára, která prchá, dále lehčí uhlovodíky plynné, dehet a polokoks. Z moderních systémů se nejvíce používají pece systému Rolleho, Geissenova a Lurgiho.
Z jedné tuhy uhlí získá se doutněním 250 kg polokoksu, 100 kg dehtu, 60 m3 plynu a asi 2,8 kg benzinu.
Plynu se užívá k vytápění pecí, koksu k výrobě generátorového plynu a pro topení v domácnostech a ústředních topeních. Dehet se zpracovává chemicky, a získává se z unikajících par buď chlazením, nebo v posledních letech novým zajímavým způsobem v elektrofiltrech podle systému Siemens-Lurgi-Kotrell. Tyto jsou podobné Siemens-Lurgiho odlučovačům, které se používají pro zachycování popílku z kouřových plynů v elektrárnách.
Plyny z doutnacích pecí, zbavené prachu, procházejí napřed chladičem, kde se vyloučí hustý dehet, načež vstupují do elektrofiltrů, kde proudí mezi elektrodami o statickém napětí 50 000 V. Kapičky dehtové mlhy se při tom elektricky nabíjejí, a sráží se na katodě, odkud se zachycený dehet odvádí.
Doutněním se zušlechťuje hlavně uhlí hnědé, kdežto u kamenného uhlí se provádí pouze u méněcenných druhů, které se nehodí pro koksárny a plynárny, nebo u drobného uhlí, které se nedá jinak výhodněji zpracovat.
Dříve než přistoupíme ke čtvrtému způsobu zušlechťovacímu, hydrogenaci uhlí, chci se poněkud obšírněji zmínit o dehtu, středním ze tří výrobků destilace a doutnění, který pro moderní chemii uhlí má největší význam. Dehet je olejovitá tekutina hnědočervené barvy, charakteristického zápachu po kyselině karbolové, po případě naftalinu. Složením není jednotná látka, jež to vlastně směs velkého počtu uhlovodíků a jejich sloučenin o různém bodu varu mezi 40-400 oC. Z kyslíkatých sloučenin obsahuje fenoly, dále podle obsahu síry v uhlí malé množství sírových sloučenin a pyridinových zásad.
Zpracovával se dříve destilací, v novější době mimo to štěpením a hydrogenací.
