Органічне паливо: види, склад та класифікація

У традиційній енергетиці застосовуються 2 типу палива – органічне та ядерне. Незважаючи на те, що з другої половини XX ст. ядерна енергетика розвивається дуже активно, частка органічного пального в загальній структурі переважає. В даний час це основне джерело для виробництва теплової та електричної енергії. Всього людиною застосовується близько двохсот його видів, кожному з яких притаманні свої характеристики і показники.

Види

Існує кілька класифікацій органічного палива:

• За походженням: природне (природне); штучне (отримується при переробці природного).
• По області застосування: енергетичне (для вироблення електроенергії і теплоти); технологічне (для виробництва різних промислових продуктів).
• За фізичним станом речовини (в дужках вказані найбільш поширені): рідке (мазут); тверде (викопні вугілля); газоподібне (природний газ).
• За «терміну життя»: відновлювальна (деревина, рослини); умовно відновлювальна, у якого період накопичення в земній корі становить кілька тисяч років (торф); не відновлювальна (кам’яне вугілля, сланці, нафта, газ).

У невідновлюваних джерел пального період накопичення у багато разів перевершує передбачуваний термін споживання.

Природне пальне

Природні види органічного палива підрозділяють на наступні групи:

• Копалини (добуваються з надр): кам’яне і буре вугілля; природний газ; торф; антрацит; нафта, горючі сланці та інші.
• Штучні: бензин; гас; сланцеве масло; паливні брикети; деревне вугілля; гідролізний лігнін; відходи харчової, сільськогосподарської та целюлозно-паперової промисловості; мазут; газове паливо, що отримується у вигляді побічного продукту при переробці горючих сланців, виплавці чавуну, піролізі та інших технологічних процесах; відходи деревопереробних виробництв (сухі тирса, стружка, кускові відходи).

Органічне паливо з відходів сільського господарства

З сільськогосподарських відходів найчастіше застосовуються наступні:

• лушпиння насіння соняшнику;
• лушпиння гречки;
• рисова лузга;
• солома.

Так як обсяг цих джерел невеликий, то вони найчастіше використовуються в якості палива для місцевих котельних.

Походження

Згідно з науковими уявленнями, всі види органічного палива утворилися з рослинних залишків мікроорганізмів, які існували від 500 тис. до 500 млн років тому. Їх нагромадження відбувалося в тих ділянках земної кори, які були захищені від активного окислення (мілководні прибережні зони водойм, болота, дно морів). Хімічний склад цих залишків включає 4 основних елемента:

• вуглеводи;
• лігнін (міжклітинну речовину вищих рослин);
• жироподібні речовини (смоли, воски, ефіри гліцерину);
• білки.

Рештки вищих рослин і мохів, скапливавшиеся на заболочених ділянках суші, які стали основою для утворення гумолитов (викопного вугілля), а мікроводоростей і бактерій на дні водойм – сапропелитов. Під впливом високого тиску і температури відбувалося перетворення органічної речовини (углефикация).

Гумолиты з малої ступенем вуглефікації називають бурим вугіллям. При більш високій температурі гумінові кислоти перетворюються в нейтральні гумины. У кам’яному вугіллі спостерігається повна відсутність гумінових кислот.

У сапропелитах в м’яких умовах переважно протікали процеси полімеризації ненасичених вуглеводнів з утворенням горючих сланців, при перегонці дають велику кількість смоли, подібною за складом з нафтою. Метаморфози сапропелю при високих температурах і каталітичному участю гірських порід призвели до утворення суміші вуглеводнів в рідкому і газоподібному стані (нафта, природний, попутний газ).

Тверде паливо

Тверде органічне паливо – це капілярно-пористі гетерогенні матеріали. Їх структура містить велику кількість пор і тріщин. Перед спалюванням на теплоелектростанціях сировину подрібнюють на дробарках до розмірів 15-25 мм (слоевое спалювання в котлах) або в пылевидное стан для зниження втрат від недопалювання.

В основі рідкого і твердого органічного палива знаходяться 5 горючих хімічних елементів: C, H2, O2, S. Зовнішній (зольний залишок після горіння, волога) і внутрішній (азот і кисень) баласт погіршує якість пального.

Характеристики твердого палива

Основні види горючих органічних палив, їх марки і коротка характеристика представлені в таблиці нижче.

Вплив вологи

Великий вміст вологи ускладнює займання горючих матеріалів, зменшує температуру в топці, підвищує втрати тепла. Палива, для яких характерний великий геологічний вік, мають у своєму складі мало води (буре вугілля, торф).

Розрізняють кілька видів вологи:

• сорбційна, що накопичується на межі твердої і газоподібної фази;
• капілярна (парова);
• поверхнева (виявляється на зовнішній поверхні шматків);
• гідратне (входить до складу кристалогідратів).

Перші 3 види вологи можна видалити з твердого органічного палива просушуванням при температурі 105 °С, останній – тільки за допомогою хімічних реакцій при нагріванні до 700-800 °С. При транспортуванні та зберіганні на відкритому повітрі вміст води може значно підвищуватися, погіршуючи якість пального.

Мінеральні домішки

У всіх видах твердого палива є мінеральні домішки, в основному складаються з наступних сполук:

• силікати;
• сульфіди;
• вуглекислі солі Ca, Mg і Fe;
• фосфати;
• хлориди;
• сульфати кальцію і заліза.

У процесі горіння органічного палива вони піддаються високотемпературної трансформації, в результаті якої залишається тверда негорюча зола. Її склад сильно відрізняється від вихідних речовин з-за наступних реакцій:

• перетворення окисних солей заліза оксиди;
• дегідратація силікатних з’єднань;
• розкладання карбонатів, виділення CO2, утворення оксидів;
• окиснення сірчистих сполук, виділення сірчистого газу;
• випаровування солей лужних металів.

Кінцевий склад зольного залишку залежить від умов спалювання органічного палива. При високих температурах він може розплавитися і перейти в рідкий стан (шлак). Частина золи видаляється з топок разом з леткими продуктами згоряння, що призводить до забруднення, зашлаковыванию і корозійного зносу топкового обладнання.

Термічне розкладання

Тверде органічне паливо при спалюванні проходить кілька стадій розкладання:

• бертинирование (температура до 300 °С, виділяються вуглекислий і чадний газ, водень і вуглеводні, пірогенетична вода);
• напівкоксування (400-450 °С, виділяється основний об’єм горючого газу);
• коксування (700-1100 °С, завершення процесу виходу летких сполук).

Продукти згоряння органічного палива відповідно називають бертинатами, полукоксами, коксами.

Найменша теплота згоряння у високозольного сланців, вологого торфу і бурого вугілля, а найбільша – у антрацитів. Нижча теплота згоряння, при якій водяні пари виходять в атмосферу, а не конденсуються, у твердих видів палива становить 4,6-26 МДж/кг

Рідке паливо

Рідкі органічні палива для енергетичної промисловості одержують із нафти з її допомогою термохімічного розкладу. Мазут використовують на великих об’єктах (ТЕС, котельні), а в побутових цілях застосовують дистилятні фракції нафтопродуктів (бензин, гас, солярка, дизпаливо).

Мазут, як і нафта, представляє собою складне колоїдне з’єднання. Його хімічний склад варіюється в таких межах (у відсотках):

• вуглець – 86-89;
• водень – 9,6-12;
• сірка – 0,3-3,5;
• кисень та азот – 0,5-1,7.

Види мазуту

Класифікація мазутів проводиться наступним чином:

• За вмістом сірки: низькосірчисті (<0,5%); малосірчистим (0,5-1%); сірчисті (1-2%); високосірчисті (2-3,5%).
• По в’язкості (в дужках вказані марки): легкі або флотські (Ф5, Ф12); середні (40В, 40); важкі (100, 200 і 100В); вугільні і сланцеві (утворюються при переробці сланцю і вугілля).

Теплота згоряння рідкого пального варіюється в межах 39-41 МДж/кг

Газоподібне паливо

Склад газоподібного палива включає такі речовини:

• горючі (граничні вуглеводні, H2, CO, H2S) і негорючі (діоксид вуглецю і сірки, азот, кисень, повітря атмосферне) гази;
• водяні пари;
• смоли;
• пил.

Найбільш широко використовуються такі види органічного палива:

• Природний газ. Основний компонент – метан. Перед споживанням газ осушують, знепилюють, видаляють шкідливі домішки сірководню.
• Попутний газ, що виділяється при видобутку нафти. Відділення від рідкої фази вуглеводнів виробляється в сепараторах. Об’ємна частка метану менше, ніж у природному газі, а важких вуглеводнів – вище. У зв’язку з цим при згоранні органічного палива виділяється більше тепла.
• Скраплений газ. Основні компоненти – пропан і бутан, а також домішки важких вуглеводнів. При температурі 20 °С і атмосферному тиску він приймає газоподібний стан. При збільшенні тиску або зменшенні температури газ переходить в рідку фазу, що використовується для його транспортування. Сировиною для цього виду палива служить попутний газ і газ, що отримується при переробці нафти.
• Коксовий газ. Являє собою побічна речовина, що утворюється при коксуванні вугілля. Вихідний продукт очищають від шкідливих домішок, аміаку, ароматичних вуглеводнів. Вихід складає до 3000 кубометрів з 1 т вугілля.
• Доменний газ. Утворюється в результаті взаємодії коксу і залізних руд при їх продуванню в доменних печах. Вихід – 2200-3200 м3 на 1 т виплавленого чавуну.

Теплота згоряння газового палива залежить від його хімічного складу і знаходиться в діапазоні 4-47 МДж/м3. Практично всі види горючих газів легший за повітря і при витоку накопичуються під перекриттями. Найменша концентрація в суміші з повітрям, що необхідна для займання – пентану (1,4% за обсягом).

Наведені характеристики

Для порівняльного аналізу властивостей різних типів палива використовують наведені характеристики, що визначаються як відношення показника якості робочого палива до його питомої нижчої теплоти згоряння.

Основними розрахунковими приведеними показниками служать:

• вологість;
• зольність;
• вміст сірки і азоту.

У паливно-енергетичної промисловості для порівняння ефективності застосовуваного палива застосовується також поняття умовного палива. Воно являє собою пальне, у якого нижча питома теплота згоряння в робочому стані становить 7000 ккал/кг Для кожного виду палива можна розрахувати безрозмірний коефіцієнт теплової у вигляді відношення власної питомої теплоти згоряння до цієї величини для умовного палива.

При повному згоранні органічного палива утворюються трехатомные гази (вуглекислий і сірчистий газ) і вода. Витрата речовин (для 1 моля пального), що беруть участь при спалюванні, обчислюють за формулами виходячи з умови, що прореагує весь кисень, який поданий разом з повітрям. Такі рівняння називають матеріальним балансом горіння.

В реальних умовах розрахункові значення коригують за допомогою коефіцієнтів, так як для повного спалювання завжди потрібно більше повітря. Для визначення температури продуктів згоряння складають тепловий баланс реакції окислення (у розрахунку на 1 кг рідкого або твердого органічного палива, або на 1 м3 для газоподібного). З точки зору фізики рівняння теплового балансу є не чим іншим, як формою запису закону збереження енергії.