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Fossile Brennstoffe und deren Herkunft

Kohle,

ist ein fester Brennstoff pflanzlichen Ursprungs. Besonders in der Karbonzeit vor 345 bis 280 Millionen Jahren war ein großer Teil der Erde mit einer reichen Sumpfvegetation bedeckt. Viele dieser Pflanzen waren Farne, manche groß wie Bäume. Diese Vegetation starb ab und wurde von Wasser bedeckt. Die zurückbleibenden Ablagerungen enthielten einen hohen Anteil an Kohlenstoff. Es bildeten sich Torfmoore. Im Lauf der Zeit lagerten sich Sand und Schlamm aus dem Wasser auf diesen Torflagerstätten ab. Der Druck dieser Deckschichten und die Bewegungen der Erdkruste lösten unter Einwirkung vulkanischer Hitze den Entstehungsprozess der Kohle aus.

Kohle wird je nach ihrem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff in verschiedene Arten eingeteilt. Die erste Stufe der Inkohlung ist der Torf. Der Gehalt an gebundenem Kohlenstoff im Torf ist niedrig, der Feuchtigkeitsgehalt hoch. In der Braunkohle ist der Kohlenstoffgehalt höher. Bituminöse Kohle enthält noch mehr Kohlenstoff und hat daher einen entsprechend höheren Heizwert. Anthrazit hat den höchsten Kohlenstoffgehalt und damit den höchsten Heizwert. Durch Einwirkung von noch mehr Druck und Hitze kann es zur Bildung von Graphit kommen, der im Prinzip nur aus Kohlenstoff besteht. Weitere Bestandteile der Kohle sind neben anderen flüchtige Kohlenwasserstoffe, Schwefel sowie Stickstoffverbindungen und einige Mineralien, die bei der Verbrennung von Kohle als Asche zurückbleiben. Einige Produkte aus der Verbrennung der Kohle schädigen die Umwelt. Bei der Verbrennung von Kohle entsteht u. a. Kohlendioxid. Wissenschaftlern zufolge verändert sich dadurch das Erdklima. Als besonders bedenklich wird die weit verbreitete Nutzung von Kohle und anderen fossilen Ressourcen als Brennstoff angesehen. Dadurch könnte der Anteil an Kohlendioxid in der Erdatmosphäre dramatisch ansteigen. Außerdem bilden Schwefel und Stickstoff, die in der Kohle enthalten sind, bei der Verbrennung Oxide, die zur Bildung von saurem Regen beitragen.

 


Braunkohle,

Kohleart, liegt im Grad der Inkohlung zwischen Torf und bituminöser Kohle. Braunkohle ist geologisch relativ jung; sie wurde in der Kreidezeit und im Tertär gebildet. Meist ist sie braunschwarz und hat eine deutlich faserige, holzartige Struktur. Braunkohle hat einen geringeren Heizwert als Steinkohle, da sie relativ viel Wasser (10 bis 75 %) und relativ wenig Kohlenstoff (55 bis 77 %) enthält; aufgrund ihres hohen Gehalts an flüchtigen Stoffen (45 bis 53 %) zerfällt sie an der Luft sehr rasch. Der Heizwert von Braunkohle beträgt 17 211 Kilojoule pro Kilogramm.

 


Koks,

harter, poröser Rückstand der trockenen Destillation von Kohle, Torf, Holz oder Pech. Koks ist dunkelgrau bis schwarz gefärbt und besitzt einen metallischen Glanz. Er wird z. B. als Reduktionsmittel bei der Verhüttung von Eisenerz, als Brennstoff sowie für viele andere technische Prozesse wie z. B. in Gießereien verwendet. Koks besteht zu etwa 92 Prozent aus Kohlenstoff, der Rückstand ist Asche. Früher fiel Koks als Nebenprodukt bei der Herstellung von Leuchtgas an (so genannter Gaskoks). Je mehr jedoch die Stahlindustrie an Bedeutung gewann, desto mehr stieg auch die Nachfrage nach Hüttenkoks (auch Gießerei- oder metallurgischer Koks), weil das verfügbare Holz zur Herstellung der zuvor verwendeten Holzkohle nicht ausgereicht hätte.Beim ältesten Verfahren zur Verkokung stapelte man Kohle unter freiem Himmel zu großen Haufen auf, bedeckte diese mit Erde und ließ im Inneren der Haufen horizontale und vertikale Rauchkanäle frei. Diese Zwischenräume füllte man mit Holz und setzte das Ganze in Brand. Wenn der größteTeil der flüchtigen Stoffe in der Kohle verbrannt war, erstarben die Flammen; das Feuer wurde mit Kohlenstaub erstickt und der Haufen mit Wasser besprengt.Später wurde Koks in so genannten Bienenkorböfen (so benannt wegen ihrer Gestalt) hergestellt. Wie bei der Verkokung im Freien verzichtete man darauf, verwertbare Nebenprodukte wie Gas und Teer aufzufangen. Heutzutage wird Koks in Kokereien gewonnen, wobei die modernen Öfen mit Vorrichtungen zur Wiedergewinnung der Nebenprodukte ausgestattet sind. Kokereiöfen sind meist in Batterien zu 60 Stück angeordnet und haben schmale, vertikale Kammern aus Schamotte. Jeder Ofen wird durch eine obere Öffnung mit 10 bis 20 Tonnen Kohle beschickt. Die Kohle wird rund 17 Stunden lang unter Luftabschluss auf Temperaturen bis zu 1480 ºC erhitzt. Die bei diesem Prozess entstehenden Gase werden im oberen Teil des Ofens gesammelt. Der Steinkohlenteer wird kondensiert, während man die Gase zum Heizen der Kokereiöfen einsetzt. Die Gase müssen zuvor von Ammoniak und von Benzol gereinigt werden. Am Ende der Verkokung stößt man den rot glühenden Koks mit einer Ramme aus dem Ofen direkt auf Loren. Diese transportieren ihn zu einer Löschvorrichtung, wo er mit Wasser besprengt wird. Das Entleeren dauert nur wenige Minuten, der Ofen kann daher ohne großen Wärmeverlust erneut beschickt werden. Aus 1 000 Kilogramm Kohle werden etwa 750 Kilogramm Koks und etwa 350 Kubikmeter Gas gewonnen.

 


Anthrazit (griechisch anthrax: Kohle),

harte Kohle mit dem höchsten Gehalt an festem Kohlenstoff und der geringsten Menge flüchtiger Bestandteile aller Kohlearten. Anthrazit enthält etwa 94 Prozent Kohlenstoff. Es ist schwarz glänzend und besitzt einen muscheligen Bruch. Anthrazit wird als Brennstoff und als Rohstoff für Industriekohlenstoff verwendet . Anthrazit ist zwar schwerer entflammbar als andere Kohlearten, setzt aber bei der Verbrennung viel Energie frei und erzeugt wenig Rauch und Russ. Anthrazit wurde hauptsächlich während des Karbons gebildet.

 

Die größten Anthrazit-Produzenten sind China, die Staaten der ehemaligen Sowjetunion, Nordkorea, Südkorea, Spanien und Deutschland.

 


Steinkohle,

Kohleart, die im Grad der Inkohlung zwischen Braunkohle und Anthrazit liegt. Steinkohle ist ein brennbares Gestein, das durch Inkohlung aus angereicherten, abgestorbenen pflanzlichen Substanzen hervorgegangen ist, also zu den biogenen Sedimentiten gehört. Sie tritt immer im Verband mit anderen Sedimentgesteinen, vor allem des Karbons und Perms, auf. Von der Braunkohle unterscheidet sich die Steinkohle durch ihre schwarze Farbe, durch eine höhere Festigkeit und durch höheren Glanz. Fossile pflanzliche Reste sind meist nicht mehr erkennbar (ebenfalls im Unterschied zur Braunkohle).

 

Steinkohle entsteht im Prozess der Inkohlung, einer speziellen Form der Diagenese: Die geologische Absenkung durch jüngere, überlagernde Sedimente (mehrere Hunderte bis Tausende Meter) verfrachtet die Kohle führenden Schichten in Bereiche höherer Temperaturen. Die erreichte Temperatur und die Zeitdauer der Temperatureinwirkung bestimmen den Grad der Inkohlung. Dabei verlieren die Kohlen flüchtige Bestandteile und Feuchtigkeit, ihr Gehalt an Kohlenstoff nimmt von 75 auf mehr als 90 Prozent zu. Die Steinkohle wird dabei auch zusammengepresst und die Mächtigkeit der Flöze nimmt ab: Aus einer ungefähr 50 Meter mächtigen Torfablagerung entstehen 10 Meter Braunkohle und schließlich 5 Meter Steinkohle. Nach dem steigenden Grad der Inkohlung und dem abnehmenden Gehalt an flüchtigen Bestandteilen (in Prozent) wird die Steinkohle weiter unterteilt in: Flammkohle (40 bis 45 Prozent flüchtige Bestandteile), Gasflammkohle (35 bis 40 Prozent), Gaskohle (28 bis 35 Prozent), Fettkohle (19 bis 28 Prozent), Esskohle (14 bis 19 Prozent), Magerkohle (10 bis 14 Prozent) und Anthrazit (der manchmal zur Steinkohle gerechnet wird – weniger als 10 Prozent). Mit dem Grad der Inkohlung nimmt auch der Brennwert der Steinkohle zu; ihr Heizwert beträgt 33 bis 35 Megajoule pro Kilogramm.

 


Erdgas,

enthält organische Bestandteile, die wichtige Rohstoffe für die Rohrkopfbenzinindustrie und die chemische Industrie darstellen. Bevor Erdgas als Brennstoff benutzt werden kann, werden schwerere Kohlenwasserstoffe wie Butan, Propan und Rohrkopfbenzin als Flüssigkeiten extrahiert. Das zurückbleibende Gas ist das so genannte trockene Erdgas, das zur Nutzung als Brennstoff über Pipelines zu den Verbrauchern in den Haushalten und in der Industrie geleitet wird. Trockenes Erdgas ohne Butan und Propan kommt auch in der Natur vor. Da es aus den leichteren Kohlenwasserstoffen Methan und Ethan besteht, wird trockenes Gas auch bei der Herstellung von Kunststoffen, Arzneimitteln und Farbstoffen verwendet. Eine gewisse Menge Erdgas kommt in Erdöllagerstätten fast immer vor und gelangt beim Erbohren einer Förderstelle zusammen mit dem Öl an die Oberfläche. Dieses Gas bezeichnet man als Rohrkopfgas. Bestimmte Lagerstätten liefern jedoch nur Erdgas.

 


Öl

Die zentrale Einheit bei der Erdölverarbeitung ist die Destillieranlage. Rohöl beginnt bei einer Temperatur zu sieden, die etwas unter der Siedetemperatur von Wasser liegt. Kohlenwasserstoffe mit dem niedrigsten Molekulargewicht sieden bei den niedrigsten Temperaturen, während für immer größere Moleküle immer höhere Temperaturen erforderlich sind. Die erste Fraktion, die aus Rohöl destilliert wird, ist das Rohbenzin, bestehend aus Leichtbenzin und Schwerbenzin. Häufig findet man auch die Bezeichnung Naphtha für Rohbenzin oder Fraktionen daraus. Dem Rohbenzin folgen die Mitteldestillate Petroleum und Gasöl. Der Rückstand im Kessel besteht in erster Linie aus schwerem Heizöl. Dieser wird der Vakuumdestillation unterworfen. Dabei gewinnt man so genanntes Vakuumgasöl und Wachsdestillat. Als Vakuumrückstand verbleibt Bitumen. Der Destillation schließen sich spezielle Raffinationsverfahren an. Ende des 19. Jahrhunderts betrachtete man die Benzin- und Naphtha-Fraktionen als Abfallprodukte, da es für sie kaum Verwendungsmöglichkeiten gab. Die Nachfrage nach Petroleum begann ebenfalls nachzulassen, da immer mehr Strom erzeugt und elektrische Beleuchtung verwendet wurde. Mit der Einführung des Automobils stieg die Nachfrage nach Benzin und damit auch der Bedarf nach Rohöl jedoch plötzlich und steil an.

Thermisches Kracken

Um den Ertrag an Benzin und leichterem Heizöl zu erhöhen, wurde das thermische Kracken erfunden. Bei diesem Verfahren erhitzt man die schwereren Bestandteile des Rohöls unterschiedlich hohen Druckes auf höhere Temperaturen. Dadurch werden die großen Kohlenwasserstoffmoleküle in kleinere Moleküle gespalten. Als man begann, nach diesem Verfahren zu arbeiten, war der Wirkungsgrad noch begrenzt, denn bei den angewandten hohen Temperaturen und Drücken lagerten sich große Mengen Koks in den Reaktoren ab. Deshalb entwickelte man ein Verkokungsverfahren, bei dem die Flüssigkeiten wieder in Umlauf gebracht wurden. Dieses Verfahren war viel länger in Gebrauch und führte zu einer wesentlich geringeren Koksbildung. Zahlreiche Raffinerien übernahmen das thermische Kracken innerhalb kurzer Zeit.

Alkylierung und katalytisches Kracken

Zwei weitere grundlegende Verfahren, die Alkylierung und das katalytische Kracken, wurden in den dreißiger Jahren eingeführt und führten zu einem noch höheren Ertrag an Benzin pro Barrel Erdöl. Bei der Alkylierung werden kleine Moleküle, die beim thermischen Kracken entstanden, mit Hilfe eines Katalysators wieder zusammengesetzt. Dadurch kommt es zur Bildung von verzweigten Molekülen im Siedebereich des Benzins, die wertvolle Eigenschaften– z. B. höhere Klopffestigkeit – haben, wie man sie für Treibstoffe für Hochleistungsmotoren z. B. in modernen Verkehrsflugzeugen benötigt.

 

Beim katalytischen Kracken wird das Rohöl mit Hilfe eines fein verteilten Katalysators gespalten. Dadurch lassen sich zahlreiche verschiedene Kohlenwasserstoffe erzeugen, die dann durch weitere Veredelung wie beispielsweise Alkylierung, Isomerisierung und katalytisches Reformieren Motorenkraftstoffe mit einer höheren Klopffestigkeit und Spezialchemikalien liefern. Die Herstellung dieser Chemikalien hat zur Entstehung der weit verzweigten petrochemischen Industrie geführt, die u. a. Alkohole, Waschmittel, Kunstgummi, Glycerin, Dünger, Schwefel, Lösungsmittel und die Rohstoffe für Arzneimittel, Nylon, Kunststoffe, Farben, Polyester, Lebensmittelzusatzstoffe, Sprengstoffe, Farbstoffe und Dämmstoffe herstellt.

Flüssiggas (Liquefied Petroleum Gas, LPG),

ein Gemisch aus verflüssigten Gasen wie Propan und Butan. Flüssiggas wird aus Erdgas oder Erdöl gewonnen. Für den Transport wird es in einen flüssigen Zustand übergeführt und dann für die Nutzung als Brenn- oder Kraftstoff oder als chemischer Rohstoff wieder in einen gasförmigen Zustand gebracht.

 

 

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