Οργανικά καύσιμα: τύποι, σύνθεση και ταξινόμηση

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-17 18:46

Η παραδοσιακή ενέργεια χρησιμοποιεί 2 τύπους καυσίμων - οργανικό και πυρηνικό. Παρά το γεγονός ότι από το δεύτερο μισό του ΧΧ αιώνα. Η πυρηνική ενέργεια αναπτύσσεται πολύ ενεργά, το μερίδιο των οργανικών καυσίμων στη συνολική δομή κυριαρχεί. Επί του παρόντος, είναι η κύρια πηγή για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας. Συνολικά, περίπου διακόσιοι τύποι του χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο, καθένας από τους οποίους έχει τα δικά του χαρακτηριστικά και δείκτες.

Προβολές

Υπάρχουν διάφορες ταξινομήσεις ορυκτών καυσίμων:

• Κατά προέλευση: φυσική (φυσική). τεχνητό (που λαμβάνεται με φυσική επεξεργασία).
• Ανά περιοχή χρήσης: ενέργεια (για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας). τεχνολογικό (για την παραγωγή διαφόρων βιομηχανικών προϊόντων).
• Σύμφωνα με τη φυσική κατάσταση της ουσίας (τα πιο συνηθισμένα αναφέρονται σε παρενθέσεις): υγρό (μαζούτ); στερεά (ορυκτά κάρβουνα). αέριο (φυσικό αέριο).
• Με "διάρκεια ζωής": ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ξύλο, φυτά). υπό όρους ανανεώσιμο, της οποίας η περίοδοςη συσσώρευση στον φλοιό της γης είναι αρκετές χιλιάδες χρόνια (τύρφη). μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (άνθρακας, σχιστόλιθος, πετρέλαιο, φυσικό αέριο).

Για μη ανανεώσιμες πηγές καυσίμου, η περίοδος συσσώρευσης είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από την εκτιμώμενη περίοδο κατανάλωσης.

Φυσικό καύσιμο

Τα φυσικά ορυκτά καύσιμα χωρίζονται στις ακόλουθες ομάδες:

• Απολιθώματα (εξαγόμενα από τα έντερα): σκληρός και καφές άνθρακας. φυσικό αέριο; τύρφη; ανθρακίτης; λάδι; σχιστόλιθος πετρελαίου και άλλα.
• Τεχνητό: βενζίνη; πετρέλαιο; σχιστολιθικό πετρέλαιο; μπρικέτες καυσίμου? ξυλάνθρακας; υδρολυτική λιγνίνη; απόβλητα από τη βιομηχανία τροφίμων, τη γεωργία και τη βιομηχανία χαρτοπολτού και χαρτιού· καύσιμο; αέριο καύσιμο που λαμβάνεται ως υποπροϊόν από την επεξεργασία σχιστόλιθου πετρελαίου, την τήξη σιδήρου, την πυρόλυση και άλλες τεχνολογικές διεργασίες· απορρίμματα επεξεργασίας ξύλου (ξηρά πριονίδια, ρινίσματα, σβώλους απορρίμματα).

Οργανικό καύσιμο από αγροτικά απόβλητα

Από γεωργικά απόβλητα, χρησιμοποιούνται συχνότερα τα ακόλουθα:

• φλοιός ηλιόσπορου;
• φλοιός φαγόπυρου;
• φλοιός ρυζιού;
• άχυρο.

Επειδή αυτές οι πηγές είναι μικρές, χρησιμοποιούνται συχνότερα ως καύσιμο για τοπικούς λέβητες.

Origin

Σύμφωνα με επιστημονικές αντιλήψεις, όλα τα είδη ορυκτών καυσίμων σχηματίστηκαν από φυτικά υπολείμματα και μικροοργανισμούς που υπήρχαναπό 500 χιλιάδες έως 500 εκατομμύρια χρόνια πριν. Η συσσώρευσή τους έγινε σε εκείνα τα μέρη του φλοιού της γης που προστατεύονταν από την ενεργό οξείδωση (ρηχές παράκτιες ζώνες δεξαμενών, έλη, βυθός θαλασσών). Η χημική σύνθεση αυτών των υπολειμμάτων περιλαμβάνει 4 κύρια στοιχεία:

• υδατάνθρακες;
• λιγνίνη (διακυτταρική ουσία ανώτερων φυτών);
• ουσίες που μοιάζουν με λίπος (ρητίνες, κεριά, εστέρες γλυκερίνης);
• πρωτεΐνες.

Τα υπολείμματα ανώτερων φυτών και βρύων που συσσωρεύτηκαν σε βαλτώδεις εκτάσεις γης έγιναν η βάση για το σχηματισμό ουμολίθων (απολιθωμένα κάρβουνα) και μικροφυκών και βακτηρίων στον πυθμένα των δεξαμενών - σαπροπελίτες. Υπό την επίδραση της υψηλής πίεσης και της θερμοκρασίας, η οργανική ύλη μετασχηματίστηκε (ενανθράκωση).

Ουμόλιθοι με χαμηλό βαθμό ενανθράκωσης ονομάζονται καφέ άνθρακες. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, τα χουμικά οξέα μετατράπηκαν σε ουδέτερα χουμίνια. Υπάρχει πλήρης απουσία χουμικών οξέων στον άνθρακα.

Στους σαπροπελίτες υπό ήπιες συνθήκες προχωρούσαν κατά κύριο λόγο οι διαδικασίες πολυμερισμού ακόρεστων υδρογονανθράκων με σχηματισμό εύφλεκτων σχιστόλιθων, που κατά την απόσταξη δίνουν μεγάλη ποσότητα ρητίνης παρόμοιας σύστασης με το λάδι. Οι μεταμορφώσεις του σαπρόπηλου σε υψηλές θερμοκρασίες και η καταλυτική συμμετοχή των πετρωμάτων οδήγησαν στο σχηματισμό ενός μείγματος υδρογονανθράκων σε υγρή και αέρια κατάσταση (πετρέλαιο, φυσικό, συναφή αέριο).

Στερεό καύσιμο

Τα στερεά ορυκτά καύσιμα είναι τριχοειδή-πορώδη ετερογενή υλικά. Η δομή τους περιέχειμεγάλος αριθμός πόρων και ρωγμών. Πριν από την καύση σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς, οι πρώτες ύλες θρυμματίζονται σε θραυστήρες σε μέγεθος 15-25 mm (καύση στρώσεων σε λέβητες) ή σε κατάσταση κονιοποίησης για να μειωθούν οι απώλειες από την υποκαύση.

Τα υγρά και στερεά ορυκτά καύσιμα βασίζονται σε 5 εύφλεκτα χημικά στοιχεία: C, H₂, O_{2, S. Εξωτερικά (τα υπολείμματα τέφρας μετά την καύση, η υγρασία) και το εσωτερικό έρμα (άζωτο και οξυγόνο) υποβαθμίζουν την ποιότητα του καυσίμου.}

Χαρακτηριστικά στερεών καυσίμων

Οι κύριοι τύποι εύφλεκτων οργανικών καυσίμων, οι ποιότητες τους και μια σύντομη περιγραφή παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα.

Τύπος καυσίμου	Μάρκες και ποικιλίες	Χαρακτηριστικό
Καφέ άνθρακα	1B, 2B, 3B (ανάλογα με την ικανότητα υγρασίας)	καύσιμο χαμηλής ποιότητας; υψηλή υγροσκοπικότητα και υγρασία; χαμηλή μηχανική αντοχή; υψηλή απόδοση πτητικών ενώσεων; μειωμένη περιεκτικότητα σε άνθρακα; αυξημένη τάση για αυθόρμητη καύση, θερμιδική αξία 7-20 MJ/kg.
Άνθρακας, ανθρακίτες	D, 1G, 2G, 1GJ, 2GJ, 1J, 2J, 1K, 2K, 1KO, 2KO, 1KS, 2KS, 1OS, 2OS, TS, 1SS, 2SS, 3SS, 1T, 2T, 1A, 2, 3Α	παραδοσιακό καύσιμο; υψηλή θερμιδική αξία (έως 25 MJ/kg); υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα; χαμηλή υγροσκοπικότητα και υγρασία; υψηλόδύναμη; απόδοση πτητικών συστατικών 3-40%.
Τύρφη	άλεσμα; lumpy	τοπικός τύπος καυσίμου; υψηλή υγρασία; υψηλή απόδοση πτητικών ενώσεων; τάση για αυθόρμητη καύση; θερμιδική αξία μετά το στέγνωμα – 8 MJ/kg.
Oil Shale	humite-sapropelite; sapropelite kukersites (ταξινόμηση κατά προέλευση).	υψηλότερο πτητικό περιεχόμενο; υψηλά αντιδραστικό καύσιμο; μέση θερμογόνος δύναμη – 4,6-9 MJ/kg; καύσιμο χαμηλής ποιότητας, που χρησιμοποιείται για τοπικές ανάγκες και επίσης ως πρώτη ύλη για την παραγωγή καυσίμων υψηλής ενέργειας (σχιστολιθικό πετρέλαιο, αέρια καύσιμα).

Επίδραση της υγρασίας

Η υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία δυσκολεύει την ανάφλεξη των εύφλεκτων υλικών, μειώνει τη θερμοκρασία στον κλίβανο, αυξάνει την απώλεια θερμότητας. Τα καύσιμα που χαρακτηρίζονται από μεγάλη γεωλογική ηλικία έχουν λίγο νερό στη σύνθεσή τους (λιγνίτης, τύρφη).

Υπάρχουν διάφοροι τύποι υγρασίας:

• προσρόφηση, συσσώρευση στα όρια της στερεάς και της αέριας φάσης;
• τριχοειδές (πόρος);
• επιφανειακό (βρίσκεται στην εξωτερική επιφάνεια των κομματιών);
• ενυδατωμένο (αποτελούμενο από κρυσταλλικούς υδρίτες).

Οι πρώτοι 3 τύποι υγρασίας μπορούν να αφαιρεθούν από στερεά ορυκτά καύσιμα με ξήρανσησε θερμοκρασία 105 ° C, το τελευταίο - μόνο μέσω χημικών αντιδράσεων όταν θερμαίνεται στους 700-800 ° C. Κατά τη μεταφορά και την αποθήκευση σε εξωτερικό χώρο, η περιεκτικότητα σε νερό μπορεί να αυξηθεί σημαντικά, υποβαθμίζοντας την ποιότητα του καυσίμου.

Ορυκτές ακαθαρσίες

Όλοι οι τύποι στερεών καυσίμων περιέχουν ορυκτές ακαθαρσίες, που αποτελούνται κυρίως από τις ακόλουθες ενώσεις:

• πυριτικά;
• σουλφίδια;
• ανθρακικά άλατα Ca, Mg και Fe;
• φωσφορικά άλατα;
• χλωρίδια;
• θειϊκά ασβέστιο και σίδηρος.

Κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων, υφίστανται μετασχηματισμό σε υψηλή θερμοκρασία, με αποτέλεσμα να παραμένει στερεή άκαυστη τέφρα. Η σύνθεσή του είναι πολύ διαφορετική από τις αρχικές ουσίες λόγω των ακόλουθων αντιδράσεων:

• μετατροπή αλάτων οξειδίου του σιδήρου σε οξείδια;
• αφυδάτωση πυριτικών ενώσεων;
• αποσύνθεση ανθρακικών, απελευθέρωση CO_{2, σχηματισμός οξειδίων;}
• οξείδωση ενώσεων θείου, απελευθέρωση διοξειδίου του θείου,
• εξάτμιση αλάτων αλκαλίων.

Η τελική σύνθεση του υπολείμματος τέφρας εξαρτάται από τις συνθήκες καύσης ορυκτών καυσίμων. Σε υψηλές θερμοκρασίες, μπορεί να λιώσει και να μετατραπεί σε υγρή κατάσταση (σκωρία). Μέρος της τέφρας αφαιρείται από τους κλιβάνους μαζί με πτητικά προϊόντα καύσης, γεγονός που οδηγεί σε ρύπανση, σκωρίαση και διαβρωτική φθορά του εξοπλισμού του κλιβάνου.

Θερμική αποσύνθεση

Τα στερεά ορυκτά καύσιμα υφίστανται διάφορα στάδια αποσύνθεσης όταν καίγονται:

• απομάκρυνση (θερμοκρασία έως 300 °C, απελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα και μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και υδρογονάνθρακες, πυρογενετικό νερό);
• ημι-κοκκοποίηση (400-450 °C, ο κύριος όγκος του καύσιμου αερίου απελευθερώνεται);
• οπτάνθρακα (700-1100 °C, ολοκλήρωση της διαδικασίας απελευθέρωσης πτητικών ενώσεων).

Τα προϊόντα καύσης ορυκτών καυσίμων ονομάζονται αντίστοιχα μπερτινάτες, ημι-κοκ, οπτάνθρακες.

Η χαμηλότερη θερμιδική αξία είναι για τον σχιστόλιθο με υψηλή περιεκτικότητα σε τέφρα, την υγρή τύρφη και τον καφέ άνθρακα και η υψηλότερη είναι για τους ανθρακίτες. Η χαμηλότερη θερμογόνος δύναμη, στην οποία οι υδρατμοί διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα και δεν συμπυκνώνονται, για τα στερεά καύσιμα είναι 4,6-26 MJ / kg.

Υγρά καύσιμα

Τα υγρά ορυκτά καύσιμα για την ενεργειακή βιομηχανία λαμβάνονται από το πετρέλαιο χρησιμοποιώντας τη θερμοχημική του αποσύνθεση. Το μαζούτ χρησιμοποιείται σε μεγάλες εγκαταστάσεις (θερμοηλεκτρικές μονάδες, λεβητοστάσια) και για οικιακούς σκοπούς χρησιμοποιούνται κλάσματα απόσταξης προϊόντων πετρελαίου (βενζίνη, κηροζίνη, καύσιμο ντίζελ, καύσιμο ντίζελ).

Το μαζούτ, όπως και το πετρέλαιο, είναι μια σύνθετη κολλοειδής ένωση. Η χημική του σύσταση ποικίλλει εντός των εξής ορίων (ως ποσοστό):

• άνθρακας – 86-89;
• υδρογόνο - 9, 6-12;
• θείο - 0, 3-3, 5;
• οξυγόνο και άζωτο - 0, 5-1, 7.

Τύποι μαζούτ

Η ταξινόμηση του μαζούτ έχει ως εξής:

• Κατά περιεκτικότητα σε θείο: χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο (<0, 5%). χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο (0,5-1%). θειούχο (1-2%); υψηλό θείο (2-3,5%).
• Με βάση το ιξώδες (σε παρένθεση είναιμάρκες: ελαφρύ ή ναυτικό (F5, F12). μεσαίο (40V, 40); βαρύ (100, 200 και 100V). άνθρακας και σχιστόλιθος (που σχηματίζονται κατά την επεξεργασία του σχιστόλιθου και του άνθρακα).

Η θερμογόνος δύναμη του υγρού καυσίμου κυμαίνεται μεταξύ 39-41 MJ/kg.

Καύσιμα αερίου

Η σύνθεση του αερίου καυσίμου περιλαμβάνει τις ακόλουθες ουσίες:

• εύφλεκτο (κορεσμένοι υδρογονάνθρακες, H₂, CO, H_{2S) και άκαυστο (διοξείδιο του άνθρακα και θείο, άζωτο, οξυγόνο, ατμοσφαιρικός αέρας) αέρια;}
• υδροατμός;
• ρητίνη;
• σκόνη.

Οι παρακάτω τύποι ορυκτών καυσίμων χρησιμοποιούνται ευρέως:

• Φυσικό αέριο. Το κύριο συστατικό είναι το μεθάνιο. Πριν από την κατανάλωση, το αέριο στεγνώνει, αφαιρείται η σκόνη και αφαιρούνται οι επιβλαβείς ακαθαρσίες του υδρόθειου.
• Συσχετιζόμενο αέριο που απελευθερώνεται κατά την παραγωγή πετρελαίου. Ο διαχωρισμός των υδρογονανθράκων από την υγρή φάση πραγματοποιείται σε διαχωριστές. Το κλάσμα όγκου του μεθανίου είναι μικρότερο από το φυσικό αέριο και οι βαρείς υδρογονάνθρακες είναι υψηλότεροι. Από αυτή την άποψη, περισσότερη θερμότητα απελευθερώνεται κατά την καύση ορυκτών καυσίμων.
• Υγροποιημένο αέριο. Τα κύρια συστατικά είναι το προπάνιο και το βουτάνιο, καθώς και οι ακαθαρσίες βαρέων υδρογονανθράκων. Σε θερμοκρασία 20 ° C και ατμοσφαιρική πίεση παίρνει αέρια κατάσταση. Όταν η πίεση αυξάνεται ή η θερμοκρασία μειώνεται, το αέριο περνά στην υγρή φάση, η οποία χρησιμοποιείται για τη μεταφορά του. Η πρώτη ύλη για αυτόν τον τύπο καυσίμου είναι συνδεδεμένο αέριο και αέριο που λαμβάνονται κατά τη διύλιση πετρελαίου.
• Αέριο φούρνου οπτάνθρακα. Είναι ένα υποπροϊόν που σχηματίζεται κατά τη διάρκειαοπτάνθρακα. Το αρχικό προϊόν καθαρίζεται από επιβλαβείς ακαθαρσίες, αμμωνία, αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Η παραγωγή είναι έως και 3000 κυβικά μέτρα από 1 τόνο άνθρακα.
• Αέριο υψικάμινου. Σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης οπτάνθρακα και μεταλλευμάτων σιδήρου κατά την εμφύσηση τους σε υψικάμινους. Απόδοση – 2200-3200 m3 ανά 1 τόνο χυτοσιδήρου.

Η θερμογόνος δύναμη του καυσίμου αερίου εξαρτάται από τη χημική του σύνθεση και κυμαίνεται από 4-47 MJ/m3. Σχεδόν όλοι οι τύποι καύσιμων αερίων είναι ελαφρύτεροι από τον αέρα και συσσωρεύονται κάτω από τις οροφές κατά τη διαρροή. Η χαμηλότερη συγκέντρωση σε μείγμα με αέρα που απαιτείται για την ανάφλεξη είναι το πεντάνιο (1,4% κατ' όγκο).

Δόθηκαν προδιαγραφές

Για μια συγκριτική ανάλυση των ιδιοτήτων διαφόρων τύπων καυσίμων, χρησιμοποιούνται τα δεδομένα χαρακτηριστικά, τα οποία ορίζονται ως ο λόγος του δείκτη ποιότητας του καυσίμου εργασίας προς τη συγκεκριμένη χαμηλότερη θερμογόνο δύναμη του.

Οι κύριοι υπολογισμένοι δείκτες είναι:

• υγρασία;
• περιεχόμενο τέφρας;
• περιεκτικότητα σε θείο και άζωτο.

Στη βιομηχανία καυσίμων και ενέργειας, η έννοια του καυσίμου αναφοράς χρησιμοποιείται επίσης για τη σύγκριση της απόδοσης του καυσίμου που χρησιμοποιείται. Είναι ένα καύσιμο του οποίου η χαμηλότερη ειδική θερμότητα καύσης σε κατάσταση λειτουργίας είναι 7000 kcal/kg. Για κάθε τύπο καυσίμου, είναι δυνατός ο υπολογισμός του αδιάστατου θερμικού συντελεστή ως ο λόγος της εγγενούς ειδικής θερμότητας καύσης προς αυτήν την τιμή για το καύσιμο αναφοράς.

Όταν τα ορυκτά καύσιμα καίγονται πλήρως, σχηματίζονται τριατομικά αέρια (διοξείδιο του άνθρακα και διοξείδιο του θείου)αέριο) και νερό. Η κατανάλωση ουσιών (για 1 mole καυσίμου) που εμπλέκονται στην καύση υπολογίζεται από τους τύπους με βάση την προϋπόθεση ότι όλο το οξυγόνο που παρέχεται με τον αέρα θα αντιδράσει. Τέτοιες εξισώσεις ονομάζονται ισοζύγιο υλικού της καύσης.

Σε πραγματικές συνθήκες, οι υπολογισμένες τιμές διορθώνονται χρησιμοποιώντας συντελεστές, καθώς απαιτείται πάντα περισσότερος αέρας για την πλήρη καύση. Για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας των προϊόντων καύσης, καταρτίζεται το ισοζύγιο θερμότητας της αντίδρασης οξείδωσης (ανά 1 kg υγρού ή στερεού ορυκτού καυσίμου ή ανά 1 m3 για αέριο καύσιμο). Από τη σκοπιά της φυσικής, η εξίσωση του ισοζυγίου θερμότητας δεν είναι τίποτα άλλο από μια μορφή γραφής του νόμου της διατήρησης της ενέργειας.