Coke e carbone
Gasogeno
Le figg. 1 e 2 rappresentano due impianti per la produzione di gasogeno a partire da coke, oppure carbon fossile, torba, lignite. Il primo funzionava con materiale in pezzi grossi, il secondo in pezzi piccoli. In essi, la combustione in difetto d'aria produceva una miscela di gas ricca di ossido di carbonio, che veniva usata come combustibile in altri impianti.
Entrambi gli impianti erano caricati attraverso le porte (b), che durante la combustione erano chiuse ermeticamente. L'aria per la combustione entrava dalle griglie (f), e i gas prodotti uscivano dalle condutture (g) per la fig. 1 ed (e) per la fig. 2.
Processi moderni: gasogeno
I moderni gasogeni possono trattare combustibili solidi polverosi oppure idrocarburi liquidi.
Nel modello Koppers-Totzec il combustibile e l'ossigeno sono immessi radialmente ed il vapor d'acqua dal basso.
Possono decorrere molte reazioni fra cui:
2C + O2 → 2CO
C + H2O → CO + H2
se il combustibile è polvere di carbone. Oppure:
2CH4 + O2 → CO + 2H2
CH4 + H2O → CO + 3H2
se il combustibile è un idrocarburo.
I rapporti fra le quantità di acqua ed ossigeno immessi determinano la composizione delle miscele di gas prodotte.
Carbonaia
La Carbonaia è il metodo più antico di produrre il carbone di legno. La catasta di legname (L), costruita attorno ad alcuni tronchi ben piantati al suolo, era ricoperta di foglie secche, di erba (M) e da uno strato di terra (D).
Alla base della catasta le aperture (F) servivano ad iniziare la combustione ed a garantire un modesto tiraggio iniziale. Appena la combustione era propagata a tutta la catasta, i fori (F) venivano chiusi e per ventiquattro ore si lasciava procedere la distillazione secca del legno, che perdeva così tutte le frazioni volatili.
A carbonizzazione completa si lasciava raffreddare e quindi si smontava la catasta.
Processi moderni: carbonaia
Fino alla comparsa del carbon coke, il carbone di legna è stato l'unico combustibile in grado di sostenere l'industria siderurgica. Esso è costituito da carbonio quasi puro, esente da zolfo, da fosforo e da silice, le impurezze più dannose per la produzione dell'acciaio. Le foreste europee sono state quasi distrutte durante la rivoluzione industriale per far fronte alla produzione siderurgica.
I processi moderni prescindono in larga parte dal carbone di legna.
Tecnologie antiche: carbonaia
Le tecnologie antiche per produrre il carbone di legna sono le stesse illustrate nella tavola XXXI.
E' stato usato soprattutto come riducente in siderurgia, come combustibile e come componente della polvere da sparo.
Forno Otto
E' un impianto di produzione di carbone coke e gas di cokeria per distillazione secca del carbon fossile.
E' costituito da una serie di forni paralleli funzionanti a rotazione
K = camere di distillazione
g = tramogge di carico del carbone fossile
Z = camere di combustione
V = lavaggio dei gas di distillazione
T = porte di svuotamento del carbone coke
S-R = uscita dei gas di combustione
M-N = corridoi di manovra
Il calore necessario all'impianto era prodotto nelle camere (Z) bruciando una parte del gas fornito dallo stesso impianto. Le camere di distillazione (K) erano caricate dall'alto. Esse avevano due porte di svuotamento, una anteriore e l'altra posteriore.
Lo svuotamento era fatto tramite macchine a spinta.
Processi moderni: gas illuminante
L'impianto descritto nelle tavole XVI, XVII, XVIII, richiedeva l'impiego di molta mano d'opera soprattutto per il carico e lo scarico delle storte, l'estinzione del coke o la sua carica, ancora incandescente, nei forni. L'operazione più disagevole era lo scarico del coke rovente dalle storte. Una prima miglioria consistette nell'uso di storte apribili ad entrambe le estremità in modo da permetterne lo svuotamento per spinta mediante adatte macchine. Furono anche sperimentate storte inclinate svuotabili per gravità. Queste operazioni si ripetevano per ogni storta ogni venti ore circa. L'ambiente di lavoro era altamente insalubre essendo molti prodotti contenuti nel catrame altamente cancerogeni. Le migliorie introdotte miravano a risolvere questi inconvenienti ma erano anche dettate da un diverso assetto del mercato dei combustibili, dell'energia, dei prodotti della distillazione, da nuove acquisizioni scientifiche e tecnologiche. Il forno Otto, un apparato ancora ottocentesco, (vedi tavola XXXII) prevedeva il carico del carbon fossile dall'alto delle storte. Gli impianti funzionanti durante tutto il secolo ventesimo sono stati migliorie del forno Otto. Il loro scopo non era più tanto quello di produrre gas illuminante ma quello di produrre coke. Era l'introduzione dell'energia elettrica a rendere obsoleto l'uso di gas di distillazione come “gas illuminante” ed a consentire di liberarne crescenti quantità a favore di usi energetici o domestici. Le storte dei forni Otto erano di notevoli dimensioni, alte 4 metri lunghe 10 e larghe 0.5, apribili ad entrambe le estremità per consentirne lo scarico automatico. Già nel forno Otto il riscaldamento era affidato alla combustione di una parte dei gas prodotti dall'impianto stesso: non si usava il coke.
Per quest'ultimo aumentava infatti la richiesta da parte dell'industria siderurgica e dell'industria del carburo di calcio, e per il riscaldamento domestico. Anche l'estinzione del coke subì notevoli miglioramenti. Infatti divenne conveniente recuperare la miscela di ossido di carbonio ed idrogeno (gas d'acqua) che si formava per reazione fra coke e vapor d'acqua al calor rosso.
Molte cokerie furono dotate di “gasogeno”, un impianto dove appunto il carbon coke veniva trattato con acqua ad alta temperatura. Il gas d'acqua poteva essere usato come combustibile nello stesso impianto.
Ma già l'industria chimica lo richiedeva assieme al coke, il suo precursore, per usi più pregiati che come combustibile. In adatte condizioni infatti il gas d'acqua poteva essere trasformato in metanolo oppure, usando catalizzatori a base di ossidi metallici, poteva essere trasformato in benzine (processo di Fischer-Tropsch). Il processo Berthelot-Bergius otteneva lo stesso risultato per reazione fra carbone ed idrogeno molecolare. Questi due processi (oggi largamente in disuso) risolsero il problema dei combustibili liquidi in Germania durante la seconda guerra mondiale. Spesso la scelta dell'impianto e del processo erano diverse da un paese all'altro a seconda della disponibilità locale di fonti energetiche e di materie prime. Nella seconda metà del ventesimo secolo la disponibilità di gas naturale e lo sviluppo della petrolchimica hanno molto ridotto l'uso del carbon fossile sia a fini energetici sia come materia prima dell'industria chimica. Ciò corrisponde anche alla capacità dell'industria chimica moderna di sintetizzare, partendo spesso dagli elementi, composti chimici (benzene, anilina, fenoli ecc.) che prima venivano ricavati dal catrame.
Tecnologie antiche: gas illuminante
Il primo impianto per produrre gas illuminante funzionò alla fine del '700 nel giardino del sig. William Murdock in Cornovaglia: bastava per illuminare, in parte, la sua casa. Era costituito da una sorta di ferro e da un impianto di lavaggio con acqua per rimuovere qualche impurezza. Nel 1809 fece società con Samuel Clegg e costruirono impianti come quello descritto nelle Tavv. XVI, XVII e XVIII.
Prima di allora l'illuminazione era ottenuta bruciando olio, grassi, cera e resine e più raramente petrolio e bitumi.