Что такое органическое топливо
Органическое топливо: виды, состав и классификация
Вам будет интересно: Автоматические склады и их оборудование. Автоматизированные складские системы
Существует несколько классификаций органического топлива:
У невозобновляемых источников горючего период накопления во много раз превосходит предполагаемый срок потребления.
Природное горючее
Природные виды органического топлива подразделяют на следующие группы:
Органическое топливо из отходов сельского хозяйства
Вам будет интересно: Лучшие производители газовых котлов: обзор
Из сельскохозяйственных отходов чаще всего применяются следующие:
Так как объем этих источников невелик, то они чаще всего используются в качестве топлива для местных котельных.
Происхождение
Согласно научным представлениям, все виды органического топлива образовались из растительных остатков и микроорганизмов, которые существовали от 500 тыс. до 500 млн лет назад. Их накопление происходило в тех участках земной коры, которые были защищены от активного окисления (мелководные прибрежные зоны водоемов, болота, дно морей). Химический состав этих остатков включает 4 основных элемента:
Остатки высших растений и мхов, скапливавшиеся на заболоченных участках суши, стали основой для образования гумолитов (ископаемых углей), а микроводорослей и бактерий на дне водоемов – сапропелитов. Под воздействием высокого давления и температуры происходило преобразование органического вещества (углефикация).
Гумолиты с малой степенью углефикации называют бурыми углями. При более высокой температуре гуминовые кислоты превращались в нейтральные гумины. В каменном угле наблюдается полное отсутствие гуминовых кислот.
Вам будет интересно: Упаковка кондитерских изделий: виды, требования, производство
В сапропелитах в мягких условиях преимущественно протекали процессы полимеризации непредельных углеводородов с образованием горючих сланцев, при перегонке дающих большое количество смолы, сходной по составу с нефтью. Метаморфозы сапропеля при высоких температурах и каталитическом участии горных пород привели к образованию смеси углеводородов в жидком и газообразном состоянии (нефть, природный, попутный газ).
Твердое топливо
Твердое органическое топливо – это капиллярно-пористые гетерогенные материалы. Их структура содержит большое количество пор и трещин. Перед сжиганием на теплоэлектростанциях сырье измельчают на дробилках до размеров 15-25 мм (слоевое сжигание в котлах) или в пылевидное состояние для снижения потерь от недожога.
В основе жидкого и твердого органического топлива находятся 5 горючих химических элементов: C, H2, O2, S. Внешний (зольный остаток после горения, влага) и внутренний (азот и кислород) балласт ухудшает качество горючего.
Характеристики твердого топлива
Основные виды горючих органических топлив, их марки и краткая характеристика представлены в таблице ниже.
Марки и разновидности
(в зависимости от влагоемкости)
Каменный уголь, антрациты
Д, 1Г, 2Г, 1ГЖ, 2ГЖ, 1Ж, 2Ж, 1К, 2К, 1КО, 2КО, 1КС, 2КС, 1ОС, 2ОС, ТС, 1СС, 2СС, 3СС, 1Т, 2Т, 1А, 2А, 3А
Влияние влаги
Большое содержание влаги затрудняет воспламенение горючих материалов, уменьшает температуру в топке, повышает потери тепла. Топлива, для которых характерен большой геологический возраст, имеют в своем составе мало воды (бурый уголь, торф).
Различают несколько видов влаги:
Первые 3 вида влаги можно удалить из твердого органического топлива просушиванием при температуре 105 °С, последний – только посредством химических реакций при нагреве до 700-800 °С. При транспортировке и хранении на открытом воздухе содержание воды может значительно повышаться, ухудшая качество горючего.
Минеральные примеси
Во всех видах твердого топлива имеются минеральные примеси, в основном состоящие из следующих соединений:
В процессе горения органического топлива они подвергаются высокотемпературной трансформации, в результате которой остается твердая негорючая зола. Ее состав сильно отличается от исходных веществ из-за следующих реакций:
Конечный состав зольного остатка зависит от условий сжигания органического топлива. При высоких температурах он может расплавиться и перейти в жидкое состояние (шлак). Часть золы удаляется из топок вместе с летучими продуктами сгорания, что приводит к загрязнению, зашлаковыванию и коррозионному износу топочного оборудования.
Термическое разложение
Твердое органическое топливо при сжигании проходит несколько стадий разложения:
Продукты сгорания органического топлива соответственно называют бертинатами, полукоксами, коксами.
Наименьшая теплота сгорания у высокозольных сланцев, влажного торфа и бурого угля, а наибольшая – у антрацитов. Низшая теплота сгорания, при которой водяные пары выходят в атмосферу, а не конденсируются, у твердых видов топлива составляет 4,6-26 МДж/кг.
Жидкое топливо
Жидкие органические топлива для энергетической промышленности получают из нефти с помощью ее термохимического разложения. Мазут используют на крупных объектах (ТЭС, котельные), а в бытовых целях применяют дистиллятные фракции нефтепродуктов (бензин, керосин, солярка, дизтопливо).
Мазут, как и нефть, представляет собой сложное коллоидное соединение. Его химический состав варьируется в следующих пределах (в процентах):
Виды мазута
Классификация мазутов производится следующим образом:
Как устроено производство биотоплива, и какие проблемы оно решает
Что такое биотопливо
Биологическое топливо — это горючее растительного или животного происхождения. Предполагается, что оно заменит традиционные виды топлива из исчерпаемых ресурсов на те, которые производятся из возобновляемого сырья.
Например, к биотопливу можно отнести обычные дрова или рапсовое масло. Однако дизель и бензин вытеснили эти виды топлива, так как они дешевле, а массовая автомобилизация требовала больших объемов топлива.
Почему люди вновь вернулись к биотопливу? Первая причина — климатический кризис, который усугубляется выбросами парниковых газов от использования ископаемого топлива. На транспорт приходится практически четверть от всей эмиссии углекислого газа, связанной с производством энергии. С 1970 года объем выбросов парниковых газов в транспортном секторе вырос вдвое, из которых 80% приходится на дорожный транспорт.
Вторая причина — поиск возобновляемых источников энергии, так как запасы нефти и угля вскоре могут полностью закончится. Сюда же можно добавить и скачки цен на углеводороды.
Виды биотоплива
Твердое биотопливо
Самый типичный и древний вид твердого биотоплива — дрова. Однако сейчас в чистом виде и в крупных масштабах их уже почти не используют. Наиболее ходовым твердым видом биотоплива стали пеллеты, получаемые из древесных опилок или коры, соломы, оливковых косточек, ореховой скорлупы или шелухи семечек подсолнечника. Также пеллеты делают из навоза крупного рогатого скота.
Пеллеты заменяют уголь, дрова и солярку. При сгорании они не выделяют вредных веществ и практически не дымят (в отличие от угля и дизеля). Кроме того, они более энергоэффективны, чем обычные дрова. Плюс пеллетов также в минимальном содержании золы, что снижает потребность в обслуживании печей и котлов. Кроме того, они имеют самую низкую цену по сравнению с другими видами биотоплива.
Жидкое биотопливо
Биоэтанол — наиболее популярное и массовое жидкое биотопливо. Его получают путем ферментации крахмала или сахара. Бразилия и США входят в число лидеров по производству биоэтанола. В США биотопливо на основе этанола производят из кукурузы и обычно смешивают с бензином для получения гибридного топлива. В целом в США на биотопливо приходится 5% от всего энергопотребления. В Бразилии биотопливо на основе этанола делают из сахарного тростника, а в Англии даже производят из сахарной свеклы.
Биодизель — второе по популярности жидкое биотопливо. Биодизель делают в основном из масличных растений, таких как соя или масличная пальма, и в меньшей степени из других масляных продуктов, например, отходов кулинарного жира после жарки во фритюре. Биодизель используется в дизельных двигателях и обычно смешивается с нефтяным дизельным топливом в различных пропорциях.
Биобутанол — четырехуглеродный спирт, который также относится к биотопливу. Его делают из того же сырья, что и этанол. Преимущества биобутанола по сравнению с биоэтанолом заключаются в том, что биобутанол не смешивается с водой, имеет более высокое содержание энергии и более низкое давление паров, что означает более низкую летучесть в результате испарения.
Диметиловый эфир. Его можно получить из биомассы, но в промышленных масштабах исходным сырьем для него остается природный газ. Плюс такого топлива в том, что его энергоэффективность практически равна дизельному топливу, однако плотность энергии у диметилового эфира вдвое ниже, чем у дизельного топлива, поэтому для него требуется топливный бак в два раза больше. К тому же для транспортных средств нужна специально разработанная система для работы двигателя на диметиловом эфире.
Сейчас инженеры активно разрабатывают новое поколение жидкого биотоплива, полученного с помощью водорослей. Водоросли выращивают в больших бассейнах или на фермах, они превращают солнечный свет в энергию и хранят ее в виде масла. Масло извлекается механически (при прессовке биомассы) или с помощью химических растворителей, которые разрушают стенки клеток. Дальнейшая переработка и очистка дает биотопливо, подходящее для использования в качестве альтернативы традиционным видам топлива.
Газообразное биотопливо
Биогаз — это газ, состоящий в основном из метана и углекислого газа в различных пропорциях в зависимости от состава органического вещества, из которого он был получен. Основными источниками биогаза являются отходы животноводства и сельского хозяйства, сточные воды и органика из бытовых отходов. Биогаз образуется в результате процессов биологического разложения без доступа кислорода (анаэробное сбраживание).
Биоводород — аналог обычного водорода, который получают из биомассы. Термохимический способ представляет собой нагрев исходного сырья без доступа кислорода до высоких температур, например, древесных отходов, при котором выделяется водород и другие попутные газы. При биохимическом способе получения биоводорода в биомассу добавляют специальные микроорганизмы, которые ее разлагаются с выделением водорода.
Плюсы и минусы биотоплива
Преимущества:
Недостатки:
Где используется биотопливо
Пока речь в основном идет о потреблении его в домашних условиях. Обычно твердые виды биотоплива используют в бедных странах, где нет других источников энергии, для приготовления пищи, стирки и уборки или для обогрева самого дома. 80% всего потребляемого сегодня биотоплива используется как раз для этих целей. 18% биотоплива задействовано в промышленности как источник энергии и смазочных материалов. Биотопливо часто упоминают в качестве альтернативы бензину для автомобилей, но сейчас только 2% используется в транспортной отрасли.
Перспективы биотоплива
У биотоплива есть шанс занять только часть рынка, поскольку его потенциал ограничивают искусственно. Так, в ЕС действуют правила, запрещающие использовать более 7% продовольственных культур в качестве сырья для биотоплива. В краткосрочной перспективе биотопливо не требует замены существующей инфраструктуры и двигателей, но маловероятно, что весь энергетический комплекс сможет перейти исключительно на него.
Презентация к защите
Виды органического топлива
К основным видам органического энергетического топлива относятся бурые и каменные угли, полуантрацит и антрацит, торф, горючие сланцы, мазут, природный, доменный и другие газы.
К энергетическим топливам относятся вещества, которые целесообразно использовать для получения тепла в больших количествах. Из общего потребления топлива в нашей стране примерно 30% приходится на долю тепловых электрических станций. Около 50% топлива, сжигаемого электростанциями, составляют ископаемые твёрдые топлива, которые разделяются на следующие виды: торф, бурые угли, каменные угли, антрацит, горючие сланцы.
Все ископаемые твёрдые топлива, кроме сланцев, произошли в основном из растительности древних лесов и болот, покрывавших землю, с участием некоторого количества белковых и жировых веществ животного происхождения. В течение тысячелетий находясь под слоем воды или земли без доступа воздуха, исходное органическое вещество под воздействием окружающей среды постепенно подвергалось химическим преобразованиям. Более «активные» химические элементы и соединения вступали в реакцию с окружающей средой и частично покидали залежь, превращаясь в газообразные продукты.
Процесс преобразования исходной органической массы идёт, таким образом, в направлении постепенного обуглероживании (углефикации) топлива, то есть повышения в нём содержания углерода и уменьшение количества кислорода и водорода.
Органическим топливом называются вещества, способные активно соединяться с кислородом и образовывать продукты сгорания, нагретые до высокой температуры за счет содержащейся в нем химически связанной энергии. Углерод является основным горючим элементом органического топлива. Второе место занимает водород, которого хотя сравнительно немного, но удельное тепловыделение его большое. Сера, являющаяся третьим горючим элементом, дает тепловыделение, но наносит вред котельному оборудованию и окружающей среде. В состав органического топлива входят также влага и негорючие минеральные примеси, из которых в ходе горения образуется зола и шлак.
По происхождению топлива можно разделить на естественные, добытые в природных условиях, и искусственные, полученные в. итоге переработки природного топлива. По сфере потребления топлива подразделяются тоже на две группы: энергетические — идущие для сжигания при выработке электроэнергии и теплоты и технологические — на переработку для получения необходимых промышленных продуктов.
По агрегатному состоянию все используемые в энергетике органические топлива делятся на три группы: твердые, жидкие и газообразные. К твердым топливам относятся ископаемые угли, торф и сланцы; к жидким — мазут, являющийся продуктом переработки добываемой из-под земли нефти; к газообразным — горючий газ. На газ приходится немного больше 5% теплоты, содержащейся во всех разведанных мировых запасах органических топлив, на нефть 7% и на уголь около 80% — таким образом, ископаемые угли являются основным органическим топливом.
Процесс преобразования исходной органической массы идёт, таким образом, в направлении постепенного обуглероживании (углефикации) топлива, то есть повышения в нём содержания углерода и уменьшение количества кислорода и водорода.
Начальная стадия разложения растительной масс в заболоченных местах называется оторфенением.
Торф — это тёмно-бурая масса, в которой ещё встречаются остатки неразложившихся частей растений (листьев, стеблей). Торф является самым молодым из сжигаемых топлив. Электростанции сжигают преимущественно фрезерный торф, получаемый путём срезания с поверхности пласта тонкого слоя фрезами. Его, как и уголь сжигают в пылевидном состоянии. В бурых углях уже невозможно обнаружить структуру клетчатки растений. Дальнейшее обуглероживание приводит к образованию плотного глянцевочёрного каменного угля и антрацита.
Горючие сланцы представляют собой минеральные породы, пропитанные органическими веществами животного происхождения. Они образовались на дне лагун древних морей.
Газообразные и жидкие топлива в последние 20 лет получили всё большее применение. Использование газообразных и жидких топлив по сравнению с углем не только повышает общую культуру эксплуатации электростанций, но и приводит к ощутимому снижению стоимости основного оборудования и увеличению КПД установок. Например, КПД парогенераторов возрастает на 1 ¸ 3% по сравнению с КПД при сжигании каменных углей и на 3 ¸ 5% ― при сжигании торфа, сланцев и влажных бурых углей.
Естественным жидким топливом является сырая нефть, но как энергетическое топливо используется чрезвычайно редко (в основном на небольших котельных). После извлечения (отгонки) лёгких фракций (светлых нефтепродуктов — бензина, лигроина, керосина, газойля) остаётся 40 ¸ 60% сильновязких тяжёлых фракций ― мазута, который и используется как энергетическое жидкое топливо.
Газовые топлива могут быть природными и искусственными. Природные газы имеют «нефтяное» происхождение. Как и нефть, они либо являются продуктом длительного химического преобразования органических веществ (остатков живых организмов), скопившихся в осадочных породах, либо образовались в результате синтеза в присутствии воды и карбидов металлов на больших глубинах под воздействием высокого давления и температуры. Во многих случаях выход газов сопутствует добыче нефти. Это так называемые попутные газы. Искусственные газы, сжигаемые в топках парогенераторов, ― это, как правило, побочный продукт металлургической промышленности, получаемый в большом количестве. Из искусственных чаще всего сжигаются в смеси с другими топливами газ коксовых печей и доменный газ.
Элементарный состав топлива
Для анализа тепловых характеристик топлив, определения состава газов, полученных в процессе горения, для других тепловых расчётов необходимо знать химическую структуру каждого вида топлива.
В состав органической части топлива входят пять химических элементов: углерод С, водород Н, кислород О, сера S и азот N. Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А, попавшие извне в исходную залежь, и влагу W, представляющие вместе внешний балласт топлива.
Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. Наличие окислов серы в продуктах сгорания при определённых концентрациях опасно для всего живого, в том числе и для человека, и поэтому требует принятия мер для рассеяния их в атмосферу.
Углерод — С является главной горючей составляющей топлива. Содержание углерода в различных топливах различно. Например, в древесине и торфе содержание углерода составляет 50÷60%, в каменных углях и мазуте 75÷90%. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется около 33,5 МДж теплоты. Содержание углерода в твердом топливе определяет степень обуглероживания растительных и животных остатков. Большое количество углерода увеличивает тепловую ценность топлива.
Водород — Н является второй важнейшей составляющей топлива. В различных видах топлива водорода содержится от 1 до 25%. При сгорании водорода образуется вода. При этом в зависимости от условий она может находиться в жидком или парообразном состоянии; при сжигании 1 кг водорода соответственно выделяется 142÷119,5 МДж теплоты. С увеличением степени обуглероживания твердого топлива (возраста топлива) содержание водорода уменьшается.
Кислород — О относится к балластной составляющей топлива, так как содержание его уменьшает горючую часть, вследствие чего снижается тепловая ценность топлива. Содержание кислорода в различных, топливах изменяется в пределах от 0,5 до 40%.
Азот — N также относится к внутреннему балласту топлива, содержание которого уменьшает горючую часть. Азот содержится в топливах в связанном состоянии. Содержание азота в твердом топливе составляет 0,5—3,0%. Однако в некоторых газообразных топливах (например, доменный и генераторный газы) азот содержится в большом количестве, что значительно снижает их тепловую ценность; часть его может быть превращена в аммиак. Последний является ценным сырьем для производства минеральных удобрений (сульфат аммония и другие аммонийные и азотные соли).
Сера — S в твердом топливе содержится в виде органических соединений (органическая сера SО), сернистых соединений с железом (колчеданная сера SК) и сернокислых соединений в виде сульфатов (сульфатная сера SС).
Органическая и колчеданная сера при сгорании топлива окисляется, образуя SO2 и SO3.
Поэтому органическая и колчеданная сера называется горючей или летучей серой, т.е. SЛ=S0+SК,%.
При полном сгорании 1 кг горючей серы выделяется около 9,05 МДж теплоты.
Сульфатная сера при сгорании топлива переходит в состав золы, практически не участвуя в горении. Поэтому сульфатная сера называется негорючей или нелетучей серой.
Содержание серы в твердом топливе достигает 8% и более.
Сера в жидком топливе содержится в виде сернистых соединений, а также в свободном состоянии. Содержание её достигает 3,5%.
Сера в газообразном топливе находится в виде сероводорода H2S и сернистого газа SO2.
Сера в составе топлива является нежелательной составляющей. Это объясняется тем, что продукты сгорания серы SО2 и SO3 в присутствии влаги могут образовать сернистую и серную кислоты, а последние вызывают интенсивную коррозию металлов парогенераторов, двигателей внутреннего сгорания, строительных конструкций в др. Кроме того, сернистый и серный газы, выбрасываемые с продуктами сгорания топлива в атмосферу, оказывают вредное действие на здоровье людей, а также на окружающий животный и растительный мир.
Зола — А представляет собой минеральный остаток, получаемый при полном сгорании топлива. Она является результатом разложения и частичного окисления минеральных примесей топлива. К таким примесям относятся сульфаты, карбонаты, силикаты, фосфаты, хлориды, пирита и другие соединения. В состав золы входят окислы MgO, CaO, Na2О, К2О, SiО2, FеO, Fе2О3, Аl2О3 и др.
Различают первичную, вторичную и третичную золу. Первичная зола образуется из минеральных примесей, входящих в состав веществ топливообразователей; вторичная зола — из минеральных примесей, попадающих в топливо в процессе топливообразования; и третичная — в момент добычи.
Влага ― W также является внешним балластом, так как она уменьшает тепловую ценность топлива. На испарение влаги тратится часть теплоты, выделяемой при сгорании топлива. Кроме того, испарившаяся влага, являясь составной частью газообразных продуктов сгорания, снижает их температуру, что уменьшает количество теплоты, передаваемой к поверхностям нагрева. Различают внешнюю и внутреннюю влагу.
Внешняя влага в топливе является результатом попадания влаги в топливо из окружающей среды в процессе добычи топлива, его транспортирования и хранения.
Содержание внешней влаги в топливах колеблется в широких пределах и достигает в отдельных случаях нескольких десятков процентов. При сушке топлива внешняя влага может быть удалена.
Внутренняя влага связана с органическим веществом топлива и его минеральными примесями. Часть этой влаги (гигроскопическая) в коллоидально связанном состоянии равномерно распределена в массе топлива. Другая часть (гидратная влага) представляет собой влагу, входящую в состав молекул некоторых соединений, содержащихся в минеральных примесях топлива. В газообразном топливе влага находится в виде паров, максимальное содержание которых определяется температурой насыщения при данном парциальном давлении. Понижение температуры газа приводит к конденсации водяных паров из газа.
1. Какое топливо называется органическим?
2. Какое топливо относится к органическому энергетическому?
3. Какие химические элементы входят в состав органической части топлива?
4. Что, кроме химических элементов, содержит топливо?
5. Какие элементы топлива являются горючими?
6. С чем связаны внешняя и внутренняя влага топлива?