CARBONE. % C ANTRACITE* LITANTRACE* *origine geologica più antica LIGNITE TORBA 55-65

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1 CARBONE Il carbone fossile è il più pregiato combustibile fossile e il più inquinante. Si origina per la lenta decomposizione in condizione anaerobica di sostanze organiche di natura principalmente vegetale (alberi). La composizione in termini di % di C differisce notevolmente sia per il grado di fossilizzazione che per la composizione delle sostanze organiche ed inorganiche in essi presenti. Una grossolana classificazione è la seguente: % C ANTRACITE* LITANTRACE* *origine geologica più antica LIGNITE TORBA 55-65

2 Il carbone fossile è noto come combustibile fino dall'antichità, come è accaduto per il petrolio, ma è solo dal 1700 che è divenuto una fonte primaria di energia, sostituendo il legno soprattutto in Gran Bretagna con la Rivoluzione Industriale. I carboni sono delle vere e proprie rocce sedimentarie e sono costituiti dai resti di accumuli vegetali, modificati dalle pressioni e temperature che si trovano in profondità nella crosta, e come per il petrolio, anche il carbone nasce attraverso una progressiva eliminazione, dai resti vegetali, di componenti come idrogeno e ossigeno con un conseguente arricchimento indiretto di carbonio che lo portano a diverse tipologie a seconda della percentuale di carbonio presente. Le zone più favorevoli per la formazione di depositi organici vegetali sono le pianure costiere, le lagune, gli acquitrini delle alte latitudini (Russia, Canada, Nord Europa), dove il clima freddo rallenta la decomposizione, ma anche le regioni calde umide in cui è favorita la crescita di vegetali.

3 Quando questi accumuli vengono sepolti, inizia la fase di formazione del carbone che inizialmente sarà un fitto intreccio di resti vegetali, dove le condizioni anaerobiche dell'ambiente impediscono l'ossidazione e la decomposizione batterica torba. Possiamo anche avere la formazione del sapropel, cioè una fanghiglia originata da depositi di organismi planctonici, materiali argillosi e resti di piante superiori in acque stagnanti come nel Mare Nero; solitamente contiene più del 10% di materia organica e può essere finemente laminato. Con l'aumentare della profondità e quindi della temperatura, il materiale organico subisce una maturazione, cioè un arricchimento della quantità di carbonio, passando dalle torbe alle ligniti, ai litantraci fino alle antraciti dove il contenuto di carbonio raggiunge il 95%, che costituisce il tipo di carbone più pregiato. Se il materiale subisce una ulteriore eliminazione delle particelle rimarrà solo carbonio puro, la grafite, che non trova un impiego come combustibile.

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5 Il processo che porta dalla pianta vegetale alla formazione di antracite naturalmente è lunghissimo e può richiedere diversi milioni di anni, se non centinaia di milioni per la sua attuazione. Nel caso che movimenti tettonici riportino il materiale in superficie il processo di maturazione del carbone si arresta immediatamente e il materiale inizia a degradarsi. Questo rappresenta infatti un problema nelle cave a cielo aperto o in miniere a bassa profondità. In Italia si trovano solo modesti giacimenti di lignite e apparentemente la causa va ricercata nella giovane età delle nostre rocce e delle continue sollecitazioni tettoniche che avvengono nella zona mediterranea, essendo posta tra la zolla Euroasiatica e quella Africana

6 L'uso principale dei carboni fossili è la produzione diretta di CALORE. Il potere calorifico dipende dalla % di C presente: ANTRACITE KJ/Kg LINTATRACE KJ/Kg Il potere calorifico del legno è KJ/Kg Circa il 75% della produzione di carbone fossile è assorbita da: centrali termoelettriche centrali termiche trazione Fra i principali usi del carbon fossile ricordiamo anche: PRODUZIONE DEL COKE; PROCESSO DI GASIFICAZIONE DEL CARBONE: gas d'acqua e processo di conversione del gas d'acqua. PRODUZIONE DI BENZINE SINTETICHE: processo Fischer-Tropsh.

7 PROCESSO DI GASSIFICAZIONE DEL CARBONE Consiste nella parziale ossidazione del carbone con l obiettivo di produrre combustibile gassoso: H 2 CO C x H y CH 4 Questo metodo consente la preparazione dell'idrogeno mediante il processo "del gas d'acqua". C + H 2 O(g) CO(g) + H 2 (g) Si prepara H 2 per reazione ad alta temperatura del carbone coke con vapor d'acqua. H = 131,3 KJ G = H - T S G = 91,6 KJ poiché la reazione è endotermica il suo rendimento aumenta ad alte temperature ( 1000 C)

8 La miscela CO (g) + H 2(g) è indicata con il nome di gas d'acqua. Viene sottratta dall'equilibrio, addizionata di un'opportuna quantità di vapor d'acqua e fatta passare su catalizzatori a base di Fe e Co, a 400 C. CO (g) + H 2 O (g) CO 2(g) + H 2(g) H = -41,1 KJ Questa reazione è detta reazione di conversione del gas d'acqua. Il calore prodotto viene utilizzato per alimentare la prima reazione.

9 La reazione globale tra C e H 2 O, somma delle due, risulta: C + 2H 2 O(g) CO 2 (g) + 2H 2 (g) Analizzando tutte le reazioni che avvengono: H = 90,2 KJ 1) C + ½ O 2 (g) CO(g) H = -110,6 KJ/mole 2) C + O 2 (g) CO 2 (g) H = -393,7 3) C + H 2 O(g) CO(g) + H 2 (g) H = 131,3 4) CO(g) + H 2 O(g) CO 2 (g) + H 2 (g) H = -41,2 5) C + 2H 2 (g) CH 4 (g) H = -206,4 6) C + CO 2 (g) 2 CO(g) H = 173,5

10 Si osserva che le reazioni di ossidazione sono fortemente esotermiche e portano la T del reattore ai valori desiderati 1) C + ½ O 2 (g) CO(g) 2) C + O 2 (g) CO 2 (g) 3) C + H 2 O(g) CO(g) + H 2 (g) 4) CO(g) + H 2 O(g) CO 2 (g) + H 2 (g) 5) C + 2H 2 (g) CH 4 (g) 6) C + CO 2 (g) 2 CO(g) H = -110,6 KJ/mole H = -393,7 H = 131,3 H = -41,2 H = -206,4 H = 173,5 la reazione di shift 4 determina il rapporto tra CO e H 2 ; la reazione di metanazione 5 è importante nei gassificatori che operano a bassa T; la reazione di Boudouard 6 avviene se il tempo di contatto è lungo a sufficienza.

11 Per far avvenire la conversione del C a CO devono quindi verificarsi due condizioni: a) l O 2 introdotto sia in difetto; b) il tempo di contatto sia sufficientemente lungo Si può arrivare ad una giusta soluzione se, gassificando con O 2, accanto alla reazione di produzione del CO si fa avvenire la reazione endotermica tra C e vapor acqueo. 1) C + ½ O 2 (g) CO(g) 2) C + O 2 (g) CO 2 (g) 3) C + H 2 O(g) CO(g) + H 2 (g) 4) CO(g) + H 2 O(g) CO 2 (g) + H 2 (g) 5) C + 2H 2 (g) CH 4 (g) 6) C + CO 2 (g) 2 CO(g) H = -110,6 KJ/mole H = -393,7 H = 131,3 H = -41,2 H = -206,4 H = 173,5 tempi lunghi Dosando bene il rapporto O 2 /H 2 O(vapore), si può arrivare ad una reazione autotermica che permette di produrre miscele di CO/H 2, impiegate per la produzione del gas di sintesi.

12 Un problema di questa lavorazione è costituito dall elevata produzione di CO 2 che richiede accurate tecnologie di riconversione o smaltimento. Le scelte principali per lo smaltimento sono due: a) Pompaggio nei giacimenti esauriti di gas e petrolio b) Immissione nei fondali oceanici (1000m di profondità) e negli acquiferi salini (ammassi di rocce sedimentarie e porose permeabili e sature di H 2 O)