Organska goriva: vrste, sastav i klasifikacija

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 13:51

Tradicionalna energija koristi 2 vrste goriva - organsko i nuklearno. Uprkos činjenici da je od druge polovine XX veka. nuklearna energija se vrlo aktivno razvija, prevladava udio organskog goriva u ukupnoj strukturi. Trenutno je glavni izvor za proizvodnju toplotne i električne energije. Ukupno, oko dvije stotine njegovih tipova koristi čovjek, od kojih svaka ima svoje karakteristike i pokazatelje.

Pregledi

Postoji nekoliko klasifikacija fosilnih goriva:

• Po poreklu: prirodno (prirodno); umjetno (dobije se preradom prirodnog).
• Po oblasti upotrebe: energija (za proizvodnju električne i toplotne energije); tehnološki (za proizvodnju raznih industrijskih proizvoda).
• Prema fizičkom stanju supstance (najčešći su navedeni u zagradama): tečnost (lož ulje); čvrsti (fosilni ugljevi); plinoviti (prirodni plin).
• Po "životnom vijeku": obnovljivi (drvo, biljke); uslovno obnovljiv, čiji periodakumulacija u zemljinoj kori je nekoliko hiljada godina (treset); neobnovljivi (ugalj, škriljci, nafta, plin).

Za neobnovljive izvore goriva, period akumulacije je mnogo puta duži od procijenjenog perioda potrošnje.

Prirodno gorivo

Prirodna fosilna goriva se dijele u sljedeće grupe:

• Fosili (izvučeni iz crijeva): kameni i mrki ugalj; prirodni gas; treset; antracit; ulje; uljnih škriljaca i drugih.
• Veštački: benzin; kerozin; ulje iz škriljaca; Briketi za gorivo; ugalj; hidrolitički lignin; otpad iz prehrambene, poljoprivredne i industrije celuloze i papira; lož ulje; plinsko gorivo dobiveno kao nusproizvod preradom uljnih škriljaca, topljenjem željeza, pirolizom i drugim tehnološkim procesima; otpad od prerade drveta (suva piljevina, strugotine, grudasti otpad).

Organsko gorivo iz poljoprivrednog otpada

Od poljoprivrednog otpada najčešće se koriste:

• ljuska suncokretovog sjemena;
• heljdina ljuska;
• pirinčana ljuska;
• slama.

Pošto su ovi izvori mali, najčešće se koriste kao gorivo za lokalne kotlove.

Porijeklo

Prema naučnim konceptima, sve vrste fosilnih goriva nastale su od biljnih ostataka i mikroorganizama koji su postojaliod prije 500 hiljada do 500 miliona godina. Njihova akumulacija odvijala se u onim dijelovima zemljine kore koji su bili zaštićeni od aktivne oksidacije (plitke obalne zone rezervoara, močvare, dno mora). Hemijski sastav ovih ostataka uključuje 4 glavna elementa:

• ugljikohidrati;
• lignin (međućelijska supstanca viših biljaka);
• supstance slične masti (smole, voskovi, estri glicerola);
• proteini.

Ostaci viših biljaka i mahovina koji su se nakupljali na močvarnim područjima kopna postali su osnova za formiranje humolita (fosilnih ugljeva), te mikroalgi i bakterija na dnu akumulacija - sapropelita. Pod uticajem visokog pritiska i temperature došlo je do transformacije organske materije (ugljevljenja).

Humoliti sa niskim stepenom ugljenisanosti nazivaju se mrki ugalj. Na višim temperaturama, huminske kiseline se pretvaraju u neutralne humine. U uglju je potpuno odsustvo huminskih kiselina.

U sapropelitima u blagim uslovima, pretežno su se odvijali procesi polimerizacije nezasićenih ugljovodonika sa stvaranjem zapaljivih škriljaca, koji tokom destilacije daju veliku količinu smole, po sastavu slične nafti. Metamorfoze sapropela na visokim temperaturama i katalitičko učešće stijena dovele su do stvaranja mješavine ugljovodonika u tekućem i plinovitom stanju (nafta, prirodni, povezani plin).

Čvrsto gorivo

Čvrsta fosilna goriva su kapilarno-porozni heterogeni materijali. Njihova struktura sadrživeliki broj pora i pukotina. Prije sagorijevanja u termoelektranama, sirovine se usitnjavaju u drobilicama do veličine 15-25 mm (slojno sagorijevanje u kotlovima) ili u praškasto stanje kako bi se smanjili gubici od nedovoljno sagorijevanja.

Tečna i čvrsta fosilna goriva su zasnovana na 5 zapaljivih hemijskih elemenata: C, H₂, O_{2, S. Eksterni (ostatak pepela nakon sagorevanja, vlaga) i unutrašnji (azot i kiseonik) balast degradira kvalitet goriva.}

Karakteristike čvrstog goriva

Glavne vrste zapaljivih organskih goriva, njihovi razredi i kratak opis predstavljeni su u tabeli ispod.

Vrsta goriva	Brendovi i sorte	Karakteristika
Mrki ugalj	1B, 2B, 3B (u zavisnosti od kapaciteta vlage)	gorivo niskog kvaliteta; visoka higroskopnost i vlažnost; niska mehanička čvrstoća; visok prinos isparljivih jedinjenja; smanjeni sadržaj ugljika; povećana sklonost spontanom sagorevanju; kalorična vrijednost 7-20 MJ/kg.
Ugalj, antraciti	D, 1G, 2G, 1GJ, 2GJ, 1J, 2J, 1K, 2K, 1KO, 2KO, 1KS, 2KS, 1OS, 2OS, TS, 1SS, 2SS, 3SS, 1T, 2T, 1A, 2, 3A	tradicionalno gorivo; visoka kalorijska vrijednost (do 25 MJ/kg); visok sadržaj ugljika; niska higroskopnost i vlažnost; highsnaga; prinos isparljivih komponenti 3-40%.
treset	glodanje; lumpy	lokalna vrsta goriva; visoka vlažnost; visok prinos isparljivih jedinjenja; sklonost spontanom sagorevanju; kalorična vrijednost nakon sušenja – 8 MJ/kg.
Oil Shale	humite-sapropelite; sapropelit kukersites (klasifikacija prema porijeklu).	najveći promjenjivi sadržaj; visoko reaktivno gorivo; prosječna kalorijska vrijednost – 4,6-9 MJ/kg; gorivo niskog kvaliteta, koristi se za lokalne potrebe i takođe kao sirovina za proizvodnju visokoenergetskih goriva (ulje iz škriljaca, gasovita goriva).

Uticaj vlage

Visoki sadržaj vlage otežava paljenje zapaljivih materijala, smanjuje temperaturu u peći, povećava gubitak toplote. Goriva koja se odlikuju dugom geološkom starošću imaju malo vode u svom sastavu (lignit, treset).

Postoji nekoliko vrsta vlage:

• sorpcija, akumulacija na granici čvrste i gasovite faze;
• kapilar (pore);
• površno (nalazi se na vanjskoj površini komada);
• hidrirano (sastoji se od kristalnih hidrata).

Prve 3 vrste vlage mogu se ukloniti iz čvrstih fosilnih goriva sušenjemna temperaturi od 105 ° C, potonje - samo kroz kemijske reakcije kada se zagrije na 700-800 ° C. Tokom transporta i skladištenja na otvorenom, sadržaj vode može se značajno povećati, pogoršavajući kvalitet goriva.

Mineralne nečistoće

Sve vrste čvrstih goriva sadrže mineralne nečistoće, koje se uglavnom sastoje od sljedećih jedinjenja:

• silikati;
• sulfidi;
• karbonatne soli Ca, Mg i Fe;
• fosfati;
• kloridi;
• sulfati kalcijuma i gvožđa.

Tokom sagorevanja fosilnih goriva, ona prolaze kroz visokotemperaturnu transformaciju, usled čega ostaje čvrsti negorivi pepeo. Njegov sastav se veoma razlikuje od originalnih supstanci zbog sledećih reakcija:

• transformacija soli željeznog oksida u okside;
• dehidracija silikatnih jedinjenja;
• razgradnja karbonata, oslobađanje CO_{2, stvaranje oksida;}
• oksidacija sumpornih jedinjenja, oslobađanje sumpor-dioksida;
• isparavanje soli alkalnih metala.

Konačni sastav ostatka pepela zavisi od uslova sagorevanja fosilnog goriva. Na visokim temperaturama može se rastopiti i preći u tečno stanje (šljaka). Dio pepela se uklanja iz peći zajedno sa isparljivim produktima sagorijevanja, što dovodi do zagađenja, trošenja i korozivnog habanja opreme peći.

Termička razgradnja

Čvrsta fosilna goriva prolaze kroz nekoliko faza razgradnje kada se sagore:

• bertinacija (temperatura do 300 °C, oslobađaju se ugljični dioksid i ugljični monoksid, vodonik i ugljovodonici, pirogenska voda);
• polukoksanje (400-450 °S, oslobađa se glavna zapremina zapaljivog gasa);
• koksiranje (700-1100 °C, završetak procesa oslobađanja isparljivih jedinjenja).

Proizvodi sagorevanja fosilnih goriva nazivaju se bertinati, polukoks, koks.

Najniža kalorijska vrijednost je za škriljce s visokim sadržajem pepela, vlažni treset i mrki ugalj, a najviša za antracite. Donja kalorijska vrijednost, pri kojoj vodena para izlazi u atmosferu, a ne kondenzuje se, za čvrsta goriva je 4,6-26 MJ/kg.

Tečna goriva

Tečna fosilna goriva za energetsku industriju dobijaju se iz nafte korišćenjem njene termohemijske razgradnje. U velikim objektima (termoelektrane, kotlarnice) koristi se lož ulje, a za kućne potrebe koriste se destilatne frakcije naftnih derivata (benzin, kerozin, dizel gorivo, dizel gorivo).

Gorivo ulje, kao i ulje, je složeno koloidno jedinjenje. Njegov hemijski sastav varira u sledećim granicama (u procentima):

• karbon – 86-89;
• vodonik - 9, 6-12;
• sumpor - 0, 3-3, 5;
• kiseonik i azot - 0, 5-1, 7.

Vrste lož ulja

Klasifikacija lož ulja je sljedeća:

• Po sadržaju sumpora: niski sumpor (<0, 5%); malo sumpora (0,5-1%); sumporni (1-2%); visok sumpor (2-3,5%).
• Po viskozitetu (u zagradama sumarke): laki ili mornarički (F5, F12); srednji (40V, 40); teški (100, 200 i 100V); ugalj i škriljac (nastaju tokom prerade škriljaca i uglja).

Kalorična vrijednost tečnog goriva varira između 39-41 MJ/kg.

Plinska goriva

Sastav gasovitog goriva uključuje sljedeće supstance:

• zapaljiv (zasićeni ugljovodonici, H₂, CO, H_{2S) i nezapaljiv (ugljični dioksid i sumpor, dušik, kiseonik, atmosferski vazduh) gasovi;}
• vodena para;
• smola;
• prašina.

Sljedeće vrste fosilnih goriva se najčešće koriste:

• Prirodni plin. Glavna komponenta je metan. Prije potrošnje, plin se suši, uklanja prašinu i uklanjaju se štetne nečistoće sumporovodika.
• Povezani gas koji se oslobađa tokom proizvodnje nafte. Odvajanje ugljovodonika iz tekuće faze vrši se u separatorima. Zapreminski udio metana je manji nego u prirodnom plinu, a teških ugljikovodika je veći. U tom smislu, više toplote se oslobađa tokom sagorevanja fosilnih goriva.
• Tečni gas. Glavne komponente su propan i butan, kao i nečistoće teških ugljovodonika. Na temperaturi od 20°C i atmosferskom pritisku poprima gasovito stanje. Kada se pritisak poveća ili temperatura smanji, gas prelazi u tečnu fazu koja se koristi za njegov transport. Sirovina za ovu vrstu goriva je prateći gas i gas dobijen tokom prerade nafte.
• Koks plin. To je nusproizvod koji nastaje tokomkoksiranje uglja. Početni proizvod se prečišćava od štetnih nečistoća, amonijaka, aromatičnih ugljovodonika. Izlaz je do 3000 kubnih metara od 1 tone uglja.
• Plin iz visoke peći. Nastaje kao rezultat interakcije koksa i željezne rude prilikom njihovog duvanja u visokim pećima. Prinos – 2200-3200 m3 po 1 toni livenog gvožđa.

Kalorična vrijednost gasnog goriva zavisi od njegovog hemijskog sastava i kreće se u rasponu od 4-47 MJ/m3. Gotovo sve vrste zapaljivih plinova su lakši od zraka i akumuliraju se ispod plafona prilikom curenja. Najniža koncentracija u smeši sa vazduhom potrebna za paljenje je pentan (1,4% zapremine).

Date specifikacije

Za uporednu analizu svojstava različitih vrsta goriva koriste se date karakteristike, definisane kao omjer indeksa kvaliteta radnog goriva i njegove specifične niže kalorijske vrijednosti.

Glavni izračunati indikatori su:

• vlažnost;
• sadržaj pepela;
• sadržaj sumpora i azota.

U industriji goriva i energije, koncept referentnog goriva se također koristi za upoređivanje efikasnosti korištenog goriva. To je gorivo čija je najniža specifična toplota sagorevanja u radnom stanju 7000 kcal/kg. Za svaku vrstu goriva moguće je izračunati bezdimenzionalni toplotni koeficijent kao odnos unutrašnje specifične toplote sagorevanja i ove vrednosti za referentno gorivo.

Kada fosilna goriva potpuno sagore, nastaju troatomski plinovi (ugljični dioksid i sumpor dioksid)gas) i vodu. Potrošnja tvari (za 1 mol goriva) uključenih u sagorijevanje izračunava se po formulama na osnovu uvjeta da će sav kisik opskrbljen zrakom reagirati. Takve jednačine se nazivaju materijalna ravnoteža sagorijevanja.

U realnim uslovima, izračunate vrednosti se koriguju pomoću koeficijenata, jer je uvek potrebno više vazduha za potpuno sagorevanje. Da bi se odredila temperatura produkata sagorevanja, sastavlja se toplotni bilans reakcije oksidacije (po 1 kg tečnog ili čvrstog fosilnog goriva ili po 1 m3 za gasovito gorivo). Sa stanovišta fizike, jednadžba toplotnog bilansa nije ništa drugo nego oblik pisanja zakona održanja energije.