Organska goriva: vrste, sastav i klasifikacija

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 13:56

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

Pregledi

Postoji nekoliko klasifikacija fosilnih goriva:

• Po podrijetlu: prirodno (prirodno); umjetno (dobije se preradom prirodnog).
• Po području upotrebe: energija (za proizvodnju električne i toplinske energije); tehnološki (za proizvodnju raznih industrijskih proizvoda).
• Prema fizičkom stanju tvari (najčešći su navedeni u zagradama): tekućina (loživo ulje); čvrsti (fosilni ugljen); plinoviti (prirodni plin).
• Prema "životnom vijeku": obnovljivi (drvo, biljke); uvjetno obnovljiv, čije razdobljeakumulacija u zemljinoj kori je nekoliko tisuća godina (treset); neobnovljivi (ugljen, škriljevac, nafta, plin).

Za neobnovljive izvore goriva, razdoblje akumulacije je mnogo puta duže od procijenjenog razdoblja potrošnje.

Prirodno gorivo

Prirodna fosilna goriva podijeljena su u sljedeće grupe:

• Fosili (izvučeni iz crijeva): kameni i mrki ugljen; prirodni gas; treset; antracit; ulje; uljnih škriljaca i drugih.
• Umjetno: benzin; kerozin; ulje od škriljevca; Briketi za gorivo; drveni ugljen; hidrolitički lignin; otpad iz prehrambene, poljoprivredne i industrije celuloze i papira; lož ulje; plinsko gorivo dobiveno kao nusproizvod prerade uljnih škriljaca, taljenja željeza, pirolize i drugih tehnoloških procesa; otpad od prerade drveta (suha piljevina, strugotine, grudasti otpad).

Organsko gorivo iz poljoprivrednog otpada

Od poljoprivrednog otpada najčešće se koriste:

• ljuska sjemenki suncokreta;
• heljdina ljuska;
• rižina ljuska;
• slama.

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

Porijeklo

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

• ugljikohidrati;
• lignin (međustanična tvar viših biljaka);
• masti slične tvari (smole, voskovi, esteri glicerola);
• proteini.

Ostaci viših biljaka i mahovina koji su se nakupljali na močvarnim područjima kopna postali su osnova za stvaranje humolita (fosilnog ugljena), te mikroalgi i bakterija na dnu akumulacija - sapropelita. Pod utjecajem visokog tlaka i temperature došlo je do transformacije organske tvari (ugljevljenja).

Humoliti s niskim stupnjem ugljeniziranosti nazivaju se mrki ugljen. Na višim temperaturama huminske kiseline su se pretvorile u neutralne humine. U ugljenu je potpuna odsutnost huminskih kiselina.

U sapropelitima u blagim uvjetima odvijali su se pretežno procesi polimerizacije nezasićenih ugljikovodika s nastankom zapaljivih škriljaca, koji tijekom destilacije daju veliku količinu smole, po sastavu slične nafti. Metamorfoze sapropela na visokim temperaturama i katalitičko sudjelovanje stijena dovele su do stvaranja mješavine ugljikovodika 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 izgaranja u termoelektranama, sirovine se usitnjavaju u drobilicama do veličine 15-25 mm (slojno izgaranje u kotlovima) ili u praškasto stanje kako bi se smanjili gubici od nedovoljno izgaranja.

Tekuća i čvrsta fosilna goriva temelje se na 5 zapaljivih kemijskih elemenata: C, H₂, O_{2, S. Vanjski (ostatak pepela nakon izgaranja, vlaga) i unutarnji (dušik i kisik) balast pogoršava kvalitetu goriva.}

Karakteristike čvrstog goriva

Glavne vrste zapaljivih organskih goriva, njihovi razredi i kratak opis prikazani su u donjoj tablici.

Vrsta goriva	Marke i sorte	Karakteristika
Mrki ugljen	1B, 2B, 3B (ovisno o kapacitetu vlage)	gorivo niske kvalitete; visoka higroskopnost i vlažnost; niska mehanička čvrstoća; visok prinos hlapljivih spojeva; smanjeni sadržaj ugljika; povećana sklonost spontanom izgaranju; kalorična vrijednost 7-20 MJ/kg.
ugljen, 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; visokosnaga; prinos hlapljivih komponenti 3-40%.
treset	glodanje; grudasto	lokalna vrsta goriva; visoka vlažnost; visok prinos hlapljivih spojeva; sklonost spontanom izgaranju; kalorična vrijednost nakon sušenja – 8 MJ/kg.
uljni škriljevac	humite-sapropelite; sapropelit kukersites (klasifikacija prema podrijetlu).	najveći promjenjivi sadržaj; visoko reaktivno gorivo; prosječna kalorijska vrijednost – 4,6-9 MJ/kg; gorivo niske kvalitete, koristi se za lokalne potrebe i također kao sirovina za proizvodnju visokoenergetskih goriva (ulje iz škriljaca, plinovita goriva).

Utjecaj vlage

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

Postoji nekoliko vrsta vlage:

• sorpcija, akumuliranje na granici čvrste i plinovite faze;
• kapilara (pora);
• 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 putem kemijskih reakcija kada se zagrije na 700-800 ° C. Tijekom transporta i skladištenja na otvorenom, sadržaj vode može se značajno povećati, pogoršavajući kvalitetu goriva.

Mineralne nečistoće

Sve vrste krutih goriva sadrže mineralne nečistoće, koje se uglavnom sastoje od sljedećih spojeva:

• silikati;
• sulfidi;
• karbonatne soli Ca, Mg i Fe;
• fosfati;
• kloridi;
• kalcij i željezni sulfati.

Tijekom izgaranja fosilnih goriva podvrgavaju se visokotemperaturnoj transformaciji, uslijed čega ostaje čvrsti negorivi pepeo. Sastav mu se jako razlikuje od izvornih tvari zbog sljedećih reakcija:

• pretvorba soli željeznog oksida u okside;
• dehidracija silikatnih spojeva;
• razgradnja karbonata, oslobađanje CO_{2, stvaranje oksida;}
• oksidacija sumpornih spojeva, oslobađanje sumporovog dioksida;
• isparavanje soli alkalnih metala.

Konačni sastav ostatka pepela ovisi o uvjetima izgaranja fosilnih goriva. Pri visokim temperaturama može se otopiti i prijeći u tekuće stanje (troska). Dio pepela se uklanja iz peći zajedno s hlapivim produktima izgaranja, što dovodi do onečišćenja, trošenja i korozivnog trošenja opreme peći.

Termička razgradnja

Čvrsta fosilna goriva prolaze kroz nekoliko faza razgradnje kada izgaraju:

• bertinacija (temperatura do 300 °S, oslobađaju se ugljični dioksid i ugljični monoksid, vodik i ugljikovodici, pirogenska voda);
• polukoksanje (400-450 °S, oslobađa se glavni volumen zapaljivog plina);
• koksanje (700-1100 °C, završetak procesa oslobađanja hlapljivih spojeva).

Produkti izgaranja fosilnih goriva nazivaju se bertinati, polukoks, koks.

Najniža ogrjevna vrijednost je za visokopepelni škriljac, vlažni treset i mrki ugljen, a najviša za antracite. Donja kalorijska vrijednost, pri kojoj vodena para izlazi u atmosferu, a ne kondenzira, za kruta goriva iznosi 4,6-26 MJ/kg.

Tekuća goriva

Tekuća fosilna goriva za energetsku industriju dobivaju se iz nafte korištenjem njegove termokemijske razgradnje. U velikim objektima (termoelektrane, kotlovnice) koristi se lož ulje, a za kućne potrebe koriste se destilatne frakcije naftnih derivata (benzin, kerozin, diesel gorivo, dizelsko gorivo)..

Gorivo ulje, kao i ulje, je složen koloidni spoj. Njegov kemijski sastav varira u sljedećim granicama (u postocima):

• ugljik – 86-89;
• vodik - 9, 6-12;
• sumpor - 0, 3-3, 5;
• kisik i dušik - 0, 5-1, 7.

Vrste loživog ulja

Klasifikacija loživog ulja je sljedeća:

• Po sadržaju sumpora: niski sumpor (<0, 5%); malo sumpora (0,5-1%); sumporni (1-2%); visoki sumpor (2-3,5%).
• Prema viskoznosti (u zagradama sumarke): laki ili mornarički (F5, F12); srednji (40V, 40); teški (100, 200 i 100V); ugljen i škriljac (nastali tijekom prerade škriljevca i ugljena).

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

Plinska goriva

Sastav plinovitog goriva uključuje sljedeće tvari:

• zapaljivo (zasićeni ugljikovodici, H₂, CO, H_{2S) i nezapaljivo (ugljični dioksid i sumpor, dušik, kisik, atmosferski zrak) plinovi;}
• vodena para;
• smola;
• prašina.

Najviše se koriste sljedeće vrste fosilnih goriva:

• Prirodni plin. Glavna komponenta je metan. Prije konzumiranja plin se suši, uklanja prašinu i uklanjaju se štetne nečistoće sumporovodika.
• Povezani plin koji se oslobađa tijekom proizvodnje nafte. Odvajanje ugljikovodika iz tekuće faze provodi se u separatorima. Volumenski udio metana je manji nego u prirodnom plinu, a teških ugljikovodika je veći. U tom smislu, više topline se oslobađa tijekom izgaranja fosilnih goriva.
• Ukapljeni plin. Glavne komponente su propan i butan, kao i nečistoće teških ugljikovodika. Pri temperaturi od 20°C i atmosferskom tlaku poprima plinovito stanje. Kada se tlak poveća ili temperatura smanji, plin prelazi u tekuću fazu koja služi za njegov transport. Sirovina za ovu vrstu goriva su povezani plin i plin dobiven tijekom prerade nafte.
• Koks plin. To je nusproizvod koji nastaje tijekomkoksiranje ugljena. Početni proizvod se pročišćava od štetnih nečistoća, amonijaka, aromatskih ugljikovodika. Izlaz je do 3000 kubičnih metara od 1 tone ugljena.
• Plin iz visoke peći. Nastaje kao rezultat interakcije koksa i željeznih ruda tijekom njihovog puhanja u visokim pećima. Prinos – 2200-3200 m3 po 1 toni lijevanog željeza.

Kalorična vrijednost plinskog goriva ovisi o njegovom kemijskom sastavu i kreće se u rasponu od 4-47 MJ/m3. Gotovo sve vrste zapaljivih plinova lakše su od zraka i pri curenju se nakupljaju ispod stropova. Najniža koncentracija u mješavini sa zrakom potrebna za paljenje je pentan (1,4% volumena).

Date specifikacije

Za komparativnu analizu svojstava različitih vrsta goriva koriste se dane karakteristike, definirane kao omjer indeksa kvalitete radnog goriva i njegove specifične niže kalorijske vrijednosti.

Glavni izračunati pokazatelji su:

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

U industriji goriva i energije, koncept referentnog goriva također se koristi za usporedbu učinkovitosti korištenog goriva. Riječ je o gorivu čija je najniža specifična toplina izgaranja u radnom stanju 7000 kcal/kg. Za svaku vrstu goriva moguće je izračunati bezdimenzijski toplinski koeficijent kao omjer intrinzične specifične topline izgaranja i ove vrijednosti za referentno gorivo.

Kada fosilna goriva potpuno izgore, nastaju troatomski plinovi (ugljični dioksid i sumpor dioksid)plin) i vodu. Potrošnja tvari (za 1 mol goriva) uključenih u izgaranje izračunava se po formulama na temelju uvjeta da će sav kisik opskrbljen zrakom reagirati. Takve se jednadžbe nazivaju materijalna ravnoteža izgaranja.

U stvarnim uvjetima, izračunate vrijednosti se korigiraju pomoću koeficijenata, jer je uvijek potrebno više zraka za potpuno izgaranje. Za određivanje temperature produkata izgaranja sastavlja se toplinska ravnoteža reakcije oksidacije (po 1 kg tekućeg ili krutog fosilnog goriva ili po 1 m3 za plinovito gorivo). Sa stajališta fizike, jednadžba toplinske ravnoteže nije ništa drugo nego oblik pisanja zakona održanja energije.