Οπτάνθρακας

Ο οπτάνθρακας, κοκ ή κωκ είναι ένα γκρίζο, σκληρό και πορώδες καύσιμο με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα και λίγες ακαθαρσίες, που παράγεται με θέρμανση άνθρακα ή πετρελαίου απουσία αέρα - μια καταστροφική διαδικασία απόσταξης. Είναι σημαντικό βιομηχανικό προϊόν, που χρησιμοποιείται κυρίως στην τήξη σιδηρομεταλλεύματος, αλλά και ως καύσιμο σε σόμπες και σιδηρουργεία όταν η ατμοσφαιρική ρύπανση προκαλεί ανησυχία.

Ο όρος "οπτάνθρακας" αναφέρεται συνήθως στο προϊόν που προέρχεται από λιθάνθρακα με χαμηλή περιεκτικότητα σε τέφρα και χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο με μια διαδικασία που ονομάζεται οπτανθρακοποίηση. Ένα παρόμοιο προϊόν που ονομάζεται οπτάνθρακας πετρελαίου ή πετ κοκ λαμβάνεται από αργό πετρέλαιο σε διυλιστήρια πετρελαίου. Ο οπτάνθρακας μπορεί επίσης να σχηματιστεί φυσικά με γεωλογικές διεργασίες. 

 Ιστορία 

 Κίνα 
Ιστορικές πηγές που χρονολογούνται στον 4ο αιώνα περιγράφουν την παραγωγή οπτάνθρακα στην αρχαία Κίνα. Στις πρώτες δεκαετίες του ενδέκατου αιώνα, οι Κινέζοι σιδηρουργοί στην κοιλάδα του Κίτρινου Ποταμού άρχισαν να τροφοδοτούν τους φούρνους τους με οπτάνθρακα, λύνοντας το πρόβλημα με τα καύσιμα σε αυτήν την αραιή περιοχή των δέντρων.McNeil, William H. The Pursuit of Power. University of Chicago Press, 1982, pp. 26, 33, and 45.

Η Κίνα είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός και εξαγωγέας οπτάνθρακα σήμερα.He, Q., Yan, Y., Zhang, Y. et al. Coke workers’ exposure to volatile organic compounds in northern China: a case study in Shanxi Province. Environ Monit Assess 187, 359 (2015). https://doi.org/10.1007/s10661-015-4582-7 Η Κίνα παράγει το 60% του παγκόσμιου κωκ. Οι ανησυχίες για την ατμοσφαιρική ρύπανση έχουν παρακινήσει τεχνολογικές αλλαγές στη βιομηχανία οπτάνθρακα με την εξάλειψη των απαρχαιωμένων τεχνολογιών οπτανθρακοποίησης που δεν είναι ενεργειακά αποδοτικές.

 Βρετανία 
Το 1589, χορηγήθηκε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στους Τόμας Πρόκτορ και Ουίλιαμ Πάτερσον για την κατασκευή σιδήρου και χάλυβα και την τήξη μολύβδου με γαιάνθρακα και τύρφη. Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας περιέχει μια ευδιάκριτη νύξη για την παρασκευή άνθρακα με «ψήσιμο». Το 1590, χορηγήθηκε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στον Ηγούμενο του Γιορκ για να «καθαρίσει τον άνθρακα και να τον απαλλάξει από την προσβλητική του μυρωδιά». Το 1620, χορηγήθηκε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σε μια εταιρεία αποτελούμενη από τον Ουίλιαμ Στ. Τζον και άλλοι ιππότες, αναφέροντας τη χρήση του οπτάνθρακα στην τήξη μεταλλευμάτων και την κατασκευή μετάλλων. Το 1627, χορηγήθηκε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στον Σερ Τζον Χάκετ και τον Οκτάβιους ντε Στράντα για μια μέθοδο που καθιστούσε τον λιθάνθρακα και το κάρβουνο τόσο χρήσιμο όσο το κάρβουνο για χρήση σε σπίτια, χωρίς να ενοχλεί με τη μυρωδιά ή τον καπνό.

Το 1603, ο Χιου Πλατ πρότεινε ότι ο γαιάνθρακας μπορεί να απανθρακώνεται με τρόπο ανάλογο με τον τρόπο που παράγεται το κάρβουνο από το ξύλο. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιήθηκε μέχρι το 1642, όταν ο οπτάνθρακας χρησιμοποιήθηκε για το ψήσιμο της βύνης στο Ντέρμπισιρ. Προηγουμένως, οι ζυθοποιοί χρησιμοποιούσαν ξύλο, καθώς ο μη οπτανθρακοποιημένος άνθρακας δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη ζυθοποιία επειδή οι θειούχες αναθυμιάσεις του θα έδιναν άσχημη γεύση στην μπύρα. Θεωρήθηκε βελτίωση στην ποιότητα και επέφερε μια «μεταβολή που θαύμαζε όλη η Αγγλία»—η χρήση οπτάνθρακα επέτρεψε ελαφρύτερο ψήσιμο της βύνης, οδηγώντας στη δημιουργία αυτού που στα τέλη του 17ου αιώνα ονομαζόταν pale ale.
μικρογραφία| Οι αρχικοί υψικάμινοι στο Μπλιστς Χιλ, στο Σρόπσιρ
Το 1709, ο Έιμπραχαν Ντάρμπι Α΄ δημιούργησε μια υψικάμινο με καύση κοκ για την παραγωγή χυτοσιδήρου. Η ανώτερη αντοχή στη σύνθλιψη του οπτάνθρακα επέτρεψε στις υψικάμινους να γίνουν ψηλότερες και μεγαλύτερες. Η επακόλουθη διαθεσιμότητα φθηνού σιδήρου ήταν ένας από τους παράγοντες που οδήγησαν στη Βιομηχανική Επανάσταση. Πριν από αυτό το διάστημα, η σιδηροβιομηχανία χρησιμοποιούσε μεγάλες ποσότητες ξυλάνθρακα, που παράγονταν από την καύση ξύλου. Καθώς η υλοτομία των δασών δεν μπορούσε να ανταποκριθεί στη ζήτηση, η αντικατάσταση του οπτάνθρακα με τον ξυλάνθρακα έγινε κοινή στη Μεγάλη Βρετανία και ο οπτάνθρακας παρασκευαζόταν με καύση άνθρακα σε σωρούς στο έδαφος, έτσι ώστε μόνο το εξωτερικό στρώμα να καίγεται, αφήνοντας το εσωτερικό του σωρού σε απανθρακωμένη κατάσταση. Στα τέλη του 18ου αιώνα, αναπτύχθηκαν θολωτοί φούρνοι από τούβλα, οι οποίοι επέτρεψαν περισσότερο έλεγχο της διαδικασίας καύσης.

Το 1768, ο Τζον Γουίλκινσον κατασκεύασε έναν πιο πρακτικό φούρνο για τη μετατροπή του άνθρακα σε οπτάνθρακα. Ο Γουίλκινσον βελτίωσε τη διαδικασία χτίζοντας τους σωρούς άνθρακα γύρω από μια χαμηλή κεντρική καμινάδα χτισμένη από χαλαρά τούβλα και με ανοίγματα για την είσοδο των αερίων της καύσης, με αποτέλεσμα υψηλότερη απόδοση καλύτερου οπτάνθρακα. Με μεγαλύτερη επιδεξιότητα στο ψήσιμο, το κάλυμμα και το σβήσιμο των σωρών, οι αποδόσεις αυξήθηκαν από περίπου 33% σε 65% μέχρι τα μέσα του 19ου αιώνα. Η βιομηχανία σιδήρου της Σκωτίας επεκτάθηκε γρήγορα το δεύτερο τέταρτο του 19ου αιώνα.

Το 1802, μια ομάδα από θολωτούς φούρνους στήθηκε κοντά στο Σέφιλντ, για να οπτανθρακοποιήσει άνθρακα για χρήση στην τήξη χάλυβα σε χωνευτήριο. Μέχρι το 1870, υπήρχαν 14.000 θολωτοί φούρνοι σε λειτουργία στα ανθρακωρυχεία του Δυτικού Ντάραμ, που παρήγαγαν 4.000.000 τόνους οπτάνθρακα ετησίως. Ως μέτρο της επέκτασης της παραγωγής οπτάνθρακα, οι απαιτήσεις της βιομηχανίας σιδήρου στη Βρετανία ήταν περίπου 1.000.000 τόνοι ετησίως στις αρχές της δεκαετίας του 1850, αυξήθηκαν σε περίπου 7.000.000 τόνους μέχρι το 1880. Από αυτούς, περίπου 5.000.000 τόνοι παρήχθησαν στην κομητεία Ντάραμ, 1.000.000 τόνοι στα ανθρακωρυχεία της Νότιας Ουαλίας και 1.000.000 τόνοι στο Γιόρκσιρ και στο Ντέρμπισιρ.
μικρογραφία| Η 41 018 των Γερμανικών Σιδηροδρόμων ανεβαίνει στο διάσημο Σίφε Έμπενε, 2016
Στα πρώτα χρόνια των ατμομηχανών, ο οπτάνθρακας ήταν το κύριο καύσιμο. Αυτό προέκυψε από μια πρώιμη περιβαλλοντική νομοθεσία: οποιαδήποτε προτεινόμενη ατμομηχανή έπρεπε να «καταναλώσει τον δικό της καπνό».8 & 9 Vict. cap. 20 (Railway Clauses Consolidation Act, 1845) section 114 Αυτό δεν ήταν τεχνικά δυνατό να επιτευχθεί στις πρώτες ατμομηχανές, αλλά η καύση οπτάνθρακα, με τις χαμηλές εκπομπές καπνού, θεωρήθηκε ότι πληρούσε την απαίτηση. Αυτός ο κανόνας καταργήθηκε αθόρυβα και ο φθηνότερος άνθρακας έγινε το κανονικό καύσιμο, καθώς οι σιδηρόδρομοι κέρδισαν την αποδοχή του κοινού. 

 Ηνωμένες Πολιτείες 
μικρογραφία| Φούρνοι οπτανθρακοποίησης άνθρακα στο Κόκντεϊλ, Κολοράντο, παρείχαν με κοκ τα χαλυβουργεία στο Πουέμπλο, Κολοράντο.
Στις ΗΠΑ, η πρώτη χρήση οπτάνθρακα σε σιδερένιο κλίβανο έγινε γύρω στο 1817 στον κλίβανο και το ελασματουργείο Plumsock του Ισαάκ Μήσον στην κομητεία Φαγιέτ της Πενσυλβάνια. Στα τέλη του 19ου αιώνα, τα ανθρακωρυχεία της δυτικής Πενσυλβάνια αποτέλουαν πλούσια πηγή πρώτης ύλης για οπτάνθρακα. Το 1885, η Rochester and Pittsburgh Coal and Iron CompanyA subsidiary of the Buffalo, Rochester and Pittsburgh Railway. κατασκεύασε τη μεγαλύτερη σειρά φούρνων οπτάνθρακα στον κόσμο στο Γουόλστον της Πενσυλβάνια, με 475 φούρνους σε μήκος 2 χιλιομέτρων. Η παραγωγή τους έφτανε τους 22.000 τόνους τον μήνα. Οι φούρνοι οπτάνθρακα του Μάινερβιλ στην κομητεία Χάντιγκντον της Πενσυλβάνια καταχωρήθηκαν στο Εθνικό Μητρώο Ιστορικών Τόπων το 1991. 

Μεταξύ 1870 και 1905, ο αριθμός των θολωτών κλιβάνων στις ΗΠΑ εκτοξεύτηκε από περίπου 200 σε σχεδόν 31.000, οι οποίοι παρήγαγαν σχεδόν 18.000.000 τόνους οπτάνθρακα μόνο στην περιοχή του Πίτσμπουργκ. Ο αριθμός των θολωτών κλιβάνων στο Πίτσμπουργκ έφτασε στο μέγιστο το 1910, με σχεδόν 48.000.

 Παραγωγή 

 Βιομηχανικοί κλίβανοι οπτάνθρακα 
δεξιά|μικρογραφία| Φούρνος οπτάνθρακα σε εργοστάσιο χωρίς καπνό καυσίμων, Abercwmboi, Νότια Ουαλία, 1976
Η βιομηχανική παραγωγή οπτάνθρακα από άνθρακα ονομάζεται οπτανθρακοποίηση. Το κάρβουνο ψήνεται σε κλίβανο χωρίς αέρα, "φούρνο οπτάνθρακα" ή "φούρνο οπτανθρακοποίησης", σε θερμοκρασίες έως και  αλλά συνήθως περίπου . Αυτή η διαδικασία εξατμίζει ή αποσυνθέτει οργανικές ουσίες στον άνθρακα, απομακρύνοντας πτητικά προϊόντα, συμπεριλαμβανομένου του νερού, με τη μορφή ανθρακαερίου και λιθανθρακόπισσας. Ο οπτάνθρακας είναι το μη πτητικό υπόλειμμα της αποσύνθεσης, το συνενωμένο κατάλοιπο άνθρακα και ορυκτών των αρχικών σωματιδίων άνθρακα με τη μορφή ενός σκληρού και κάπως υαλώδους στερεού.

Ορισμένες εγκαταστάσεις διαθέτουν φούρνους οπτανθρακοποίησης «παραπροϊόντων» στους οποίους τα πτητικά προϊόντα αποσύνθεσης συλλέγονται, καθαρίζονται και διαχωρίζονται για χρήση σε άλλες βιομηχανίες, ως καύσιμο ή χημική πρώτη ύλη. Διαφορετικά, τα πτητικά υποπροϊόντα καίγονται για να θερμανθούν οι φούρνοι οπτανθρακοποίησης. Αυτή είναι μια παλαιότερη μέθοδος, αλλά εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε νέες κατασκευές.

 Θολωτοί φούρνοι κοκ 
μικρογραφία| Καρτ ποστάλ που απεικονίζει φούρνους οπτάνθρακα και εκφορτωτές άνθρακα στην Πενσυλβάνια
Χρησιμοποιείται ένας θάλαμος από πυρότουβλο σε σχήμα θόλου, κοινώς γνωστός ως θολωτός φούρνος. Έχει συνήθως 4 μέτρα πλάτος και 2,5 μέτρα ύψος. Η οροφή έχει μια τρύπα για την τοποθέτηση του άνθρακα ή άλλου προσανάμματος από την κορυφή. Η οπή εκκένωσης βρίσκεται στην περιφέρεια του κάτω μέρους του τοίχου. Σε μια σειρά φούρνων οπτάνθρακα, ένας αριθμός φούρνων είναι κατασκευασμένοι στη σειρά με κοινά τοιχώματα μεταξύ γειτονικών φούρνων. Μια σειρά αποτελούνταν από πολλούς φούρνους, μερικές φορές εκατοντάδες, στη σειρά.

 Χρήσεις 
Ο οπτάνθρακας χρησιμοποιείται ως καύσιμο και ως αναγωγικός παράγοντας στην τήξη σιδηρομεταλλεύματος σε υψικάμινο. Το μονοξείδιο του άνθρακα που παράγεται από την καύση του οπτάνθρακα ανάγει το οξείδιο του σιδήρου (αιματίτης) για την παραγωγή σιδήρου :

Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2.

Ο οπτάνθρακας χρησιμοποιείται συνήθως ως καύσιμο στη σιδηρουργία.

Εφόσον τα συστατικά που παράγουν καπνό απομακρύνονται κατά τη διάρκεια της οπτανθρακοποίησης, ο οπτάνθρακας αποτελεί ένα επιθυμητό καύσιμο για σόμπες και φούρνους στους οποίους οι συνθήκες δεν είναι κατάλληλες για την πλήρη καύση του ίδιου του λιθάνθρακα. Ο οπτάνθρακας μπορεί να καεί παράγοντας λίγο ή καθόλου καπνό, ενώ ο λιθάνθρακας θα παράγει πολύ καπνό. Ο οπτάνθρακας χρησιμοποιήθηκε ευρέως ως άκαπνο καύσιμο υποκατάστατο του άνθρακα στην οικιακή θέρμανση μετά τη δημιουργία «ζωνών χωρίς καπνό» στο Ηνωμένο Βασίλειο.

 Ιδιότητες 
αριστερά|μικρογραφία| Φούρνοι στο Ντιτρόιτ. Πύργος άνθρακα πάνω από φούρνους οπτάνθρακα. Νοέμβριος 1942
Το ειδικό βάρος του κωκ είναι συνήθως περίπου 0,77. Είναι πολύ πορώδες. Τόσο η χημική σύνθεση όσο και οι φυσικές ιδιότητες είναι σημαντικές για τη χρησιμότητα του κωκ σε υψικάμινους. Όσον αφορά τη σύνθεση, είναι επιθυμητή η χαμηλή περιεκτικότητα σε τέφρα και θείο. Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά είναι οι δείκτες δοκιμαστικής σύνθλιψης M10, M25 και M40, οι οποίοι μεταφέρουν την αντοχή του κωκ κατά τη μεταφορά στις υψικάμινους. Ανάλογα με το μέγεθος των υψικάμινων, τα λεπτά θρυμματισμένα τεμάχια οπτάνθρακα δεν πρέπει να επιτρέπονται στις υψικάμινους γιατί θα παρεμπόδιζαν τη ροή του αερίου μέσω της γόμωσης σιδήρου και οπτάνθρακα. Ένα σχετικό χαρακτηριστικό είναι ο δείκτης ισχύος οπτάνθρακα μετά την αντίδραση (CSR). αντιπροσωπεύει την ικανότητα του οπτάνθρακα να αντέχει τις βίαιες συνθήκες μέσα στον υψικάμινο πριν μετατραπεί σε λεπτά σωματίδια.

 Παραπομπές 

Κατηγορία:Βιομηχανική επανάσταση
Κατηγορία:Καύσιμα
Κατηγορία:Άνθρακας