Органикалық отындар: түрлері, құрамы және классификациясы

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-02 13:58

Дәстүрлі энергия отынның 2 түрін пайдаланады – органикалық және ядролық. ХХ ғасырдың екінші жартысынан бастап болғанына қарамастан. атом энергетикасы өте белсенді дамып келеді, жалпы құрылымда органикалық отынның үлесі басым. Қазіргі уақытта ол жылу және электр энергиясын өндірудің негізгі көзі болып табылады. Барлығы оның екі жүзге жуық түрін адам пайдаланады, олардың әрқайсысының өзіндік сипаттамалары мен көрсеткіштері бар.

Көрулер

Қазбалы отындардың бірнеше классификациясы бар:

• Шығу тегі бойынша: табиғи (табиғи); жасанды (табиғи өңдеу арқылы алынған).
• Қолдану аймағы бойынша: энергия (электр және жылу энергиясын өндіру үшін); технологиялық (әртүрлі өнеркәсіп өнімдерін өндіру үшін).
• Заттың физикалық күйі бойынша (ең көп таралғандары жақшада көрсетілген): сұйық (мазут); қатты (қазбалы көмір); газ тәрізді (табиғи газ).
• «Өмір бойы» бойынша: жаңартылатын (ағаш, өсімдіктер); шартты түрде жаңартылатын, оның мерзіміжер қыртысында жинақталуы бірнеше мың жыл (шымтезек); қалпына келмейтін (көмір, тақтатас, мұнай, газ).

Жаңартылмайтын отын көздері үшін жинақтау кезеңі болжамды тұтыну мерзімінен бірнеше есе көп.

Табиғи отын

Табиғи қазба отындары келесі топтарға бөлінеді:

• Қозбалар (ішектен алынған): қатты және қоңыр көмір; табиғи газ; шымтезек; антрацит; май; сланец және басқалар.
• Жасанды: бензин; керосин; тақтатас мұнайы; отын брикеттері; көмір; гидролитикалық лигнин; тамақ, ауыл шаруашылығы және целлюлоза-қағаз өнеркәсібінің қалдықтары; жанармай; сланецті өңдеуден, темір балқытудан, пиролизден және басқа да технологиялық процестерден қосымша өнім ретінде алынған газ отыны; ағаш өңдеу қалдықтары (құрғақ үгінділер, жоңқалар, кесек қалдықтар).

Ауыл шаруашылығы қалдықтарынан алынатын органикалық отын

Ауылшаруашылық қалдықтарынан мыналар жиі пайдаланылады:

• күнбағыс тұқымының қабығы;
• қарақұмық қабығы;
• күріш қабығы;
• сабан.

Бұл көздер шағын болғандықтан, олар көбінесе жергілікті қазандықтар үшін отын ретінде пайдаланылады.

Шығу орны

Ғылыми концепциялар бойынша қазбалы отынның барлық түрлері өсімдік қалдықтары мен бұрыннан бар микроорганизмдерден түзілген.500 мыңнан 500 миллион жыл бұрын. Олардың жиналуы жер қыртысының белсенді тотығудан қорғалған бөліктерінде (су қоймаларының таяз жағалау аймақтары, батпақтар, теңіз түбі) орын алды. Бұл қалдықтардың химиялық құрамына 4 негізгі элемент кіреді:

• көмірсулар;
• лигнин (жоғары сатыдағы өсімдіктердің жасуша аралық заты);
• май тәрізді заттар (шайырлар, балауыздар, глицерин күрделі эфирлері);
• белоктар.

Жердің батпақты жерлерінде жиналған жоғары сатыдағы өсімдіктер мен мүктердің қалдықтары гумолиттердің (қазбалы көмірлер), ал су қоймаларының түбінде микробалдырлар мен бактериялардың - сапропелиттердің пайда болуына негіз болды. Жоғары қысым мен температураның әсерінен органикалық заттар түрленді (көмірдену).

Көмірдену дәрежесі төмен гумолиттер қоңыр көмір деп аталады. Жоғары температурада гумин қышқылдары бейтарап гуминдерге айналды. Көмірде гумин қышқылдары мүлдем жоқ.

Сапропелиттерде жұмсақ жағдайда қанықпаған көмірсутектердің жанғыш тақтатастардың түзілуімен полимерлену процестері басым болды, олар айдау кезінде құрамы бойынша мұнайға ұқсас шайырдың көп мөлшерін береді. Сапропелдің жоғары температурадағы метаморфозалары және тау жыныстарының каталитикалық қатысуы сұйық және газ тәрізді күйдегі (мұнай, табиғи, ілеспе газ) көмірсутектер қоспасының түзілуіне әкелді.

Қатты отын

Қатты қазбалы отындар капиллярлы-кеуекті гетерогенді материалдар болып табылады. Олардың құрылымы баркеуектер мен жарықтардың көп саны. Жылу электр станцияларында жану алдында шикізат ұсатқыштарда 15-25 мм өлшемге дейін (қазандықтарда қабат жану) немесе ұнтақ күйге дейін жану кезіндегі шығынды азайту үшін ұсақталады.

Сұйық және қатты қазбалы отындар 5 жанғыш химиялық элементтерге негізделген: C, H₂, O_{2, S. Сыртқы (жанудан кейінгі күл қалдықтары, ылғал) және ішкі (азот және оттегі) балласт отын сапасын нашарлатады.}

Қатты отын сипаттамалары

Жанғыш органикалық отынның негізгі түрлері, олардың сорттары және қысқаша сипаттамасы төмендегі кестеде берілген.

Отын түрі	Брендтер мен сорттар	Сипаттамасы
Қоңыр көмір	1B, 2B, 3B (ылғал сыйымдылығына байланысты)	төмен сортты отын; жоғары гигроскопиялық және ылғалдылық; төмен механикалық беріктік; ұшпа қосылыстардың жоғары шығымдылығы; төмендетілген көміртегі мөлшері; өздігінен жану үрдісінің жоғарылауы; калориялық мәні 7-20 МДж/кг.
Көмір, антрациттер	D, 1G, 2G, 1GJ, 2GJ, 1J, 2J, 1K, 2K, 1KO, 2KO, 1KS, 2KS, 1OS, 2OS, TS, 1SS, 2SS, 3SS, 1T, 2T, 1A,, 3А	дәстүрлі отын; жоғары калориялық құндылық (25 МДж/кг дейін); көміртек мөлшері жоғары; төмен гигроскопиялық және ылғалдылық; жоғарыкүш; ұшпа компоненттердің шығымы 3-40%.
шымтезек	фрезер; кесек	жергілікті отын түрі; жоғары ылғалдылық; ұшпа қосылыстардың жоғары шығымдылығы; өздігінен жану үрдісі; кептіруден кейінгі жылулық мәні – 8 МДж/кг.
Мұнай тақтатастары	гумит-сапропелит; сапропелит кукерситтері (шығу тегі бойынша классификация).	ең жоғары өзгермелі мазмұн; жоғары реактивті отын; орташа жылулық мәні – 4,6-9 МДж/кг; жергілікті қажеттіліктерге, сондай-ақ жоғары энергиялы отын (сланец мұнайы, газ тәрізді отын) өндіру үшін шикізат ретінде пайдаланылатын төмен сұрыпты отын.

Ылғалдың әсері

Жоғары ылғалдылық жанғыш материалдардың жануын қиындатады, пештегі температураны төмендетеді, жылу шығынын арттырады. Ұзақ геологиялық жасымен сипатталатын отындардың құрамында су аз (қоңыр көмір, шымтезек).

Ылғалдың бірнеше түрі бар:

• сорбция, қатты және газ тәрізді фазалар шекарасында жинақталады;
• капиллярлық (кеуек);
• үсті (бөліктердің сыртқы бетінде кездеседі);
• гидратталған (кристалды гидраттардан тұрады).

Қатты қазбалы отыннан ылғалдың алғашқы 3 түрін кептіру арқылы жоюға болады105 ° C температурада, соңғысы - тек 700-800 ° C дейін қыздырылған кезде химиялық реакциялар арқылы. Тасымалдау және ашық ауада сақтау кезінде судың мөлшері айтарлықтай артып, отынның сапасын нашарлатуы мүмкін.

Минералды қоспалар

Қатты отынның барлық түрлері негізінен келесі қосылыстардан тұратын минералды қоспалардан тұрады:

• силикаттар;
• сульфидтер;
• Са, Mg және Fe карбонатты тұздары;
• фосфаттар;
• хлоридтер;
• кальций және темір сульфаттары.

Қазбалы отынды жағу кезінде олар жоғары температуралық трансформацияға ұшырайды, нәтижесінде қатты жанбайтын күл қалады. Оның құрамы келесі реакцияларға байланысты бастапқы заттардан өте ерекшеленеді:

• темір оксиді тұздарының оксидтерге айналуы;
• силикат қосылыстарының сусыздануы;
• карбонаттардың ыдырауы, CO_{2 бөлінуі, оксидтердің түзілуі;}
• күкірт қосылыстарының тотығуы, күкірт диоксидінің бөлінуі;
• сілтілік металдардың тұздарының булануы.

Күл қалдығының соңғы құрамы қазба отынның жану жағдайларына байланысты. Жоғары температурада ол еріп, сұйық күйге (шлак) айналуы мүмкін. Күлдің бір бөлігі ұшпа жану өнімдерімен бірге пештерден шығарылады, бұл пеш жабдығының ластануына, қождануына және коррозиялық тозуына әкеледі.

Термиялық ыдырау

Қатты қазбалы отын жанған кезде ыдыраудың бірнеше сатысынан өтеді:

• бертинация (температура 300 °С дейін, көмірқышқыл газы мен көміртек тотығы, сутегі және көмірсутектер, пирогендік су бөлінеді);
• жартылай кокстелетін (400-450 °С, жанғыш газдың негізгі көлемі бөлінеді);
• кокстеу (700-1100 °C, ұшқыш қосылыстарды шығару процесінің аяқталуы).

Қазбалы отынның жану өнімдері тиісінше бертинаттар, жартылай кокстар, кокстар деп аталады.

Күлділігі жоғары тақтатас, дымқыл шымтезек және қоңыр көмір үшін ең төменгі жылу мөлшері, ал ең жоғары - антрациттерге арналған. Қатты отындар үшін су буының атмосфераға ағып, конденсацияланбайтын төменгі жылу мөлшері 4,6-26 МДж/кг.

Сұйық отындар

Энергетика саласы үшін сұйық қазба отындары мұнайдан оның термохимиялық ыдырауы арқылы алынады. Мазут ірі нысандарда (жылу электр станциялары, қазандықтар) пайдаланылады, ал тұрмыстық мақсатта мұнай өнімдерінің дистилляциялық фракциялары (бензин, керосин, дизельдік отын, дизельдік отын) пайдаланылады.

Мазут, мұнай сияқты, күрделі коллоидты қосылыс. Оның химиялық құрамы келесі шектерде өзгереді (пайызбен):

• көміртек – 86-89;
• сутегі - 9, 6-12;
• күкірт - 0, 3-3, 5;
• оттегі және азот - 0, 5-1, 7.

Мазут түрлері

Мазуттың классификациясы келесідей:

• Күкірт мөлшері бойынша: күкірт аз (<0, 5%); аз күкіртті (0,5-1%); күкіртті (1-2%); жоғары күкірт (2-3,5%).
• Тұтқырлығы бойынша (жақшада көрсетілгенбрендтер): жеңіл немесе теңіз (F5, F12); орташа (40В, 40); ауыр (100, 200 және 100 В); көмір және тақтатас (сланец пен көмірді өңдеу кезінде пайда болады).

Сұйық отынның жылулық мәні 39-41 МДж/кг арасында ауытқиды.

Газ отындары

Газ тәрізді отынның құрамына келесі заттар кіреді:

• жанғыш (қаныққан көмірсутектер, H₂, CO, H_{2S) және жанбайтын (көмірқышқыл газы мен күкірт, азот), оттегі, атмосфералық ауа) газдар;}
• су буы;
• шайыр;
• шаң.

Қазбалы отынның келесі түрлері кеңінен қолданылады:

• Табиғи газ. Негізгі компонент - метан. Тұтыну алдында газ кептіріледі, шаңнан тазартылады және күкіртті сутегінің зиянды қоспалары жойылады.
• Мұнай өндіру кезінде бөлінетін ілеспе газ. Көмірсутектерді сұйық фазадан бөлу сепараторларда жүргізіледі. Метанның көлемдік үлесі табиғи газға қарағанда аз, ал ауыр көмірсутектер жоғары. Осыған байланысты қазбалы отынды жағу кезінде көбірек жылу бөлінеді.
• Сұйытылған газ. Негізгі компоненттер пропан мен бутан, сондай-ақ ауыр көмірсутектердің қоспалары. 20 ° C температурада және атмосфералық қысымда ол газ тәрізді күйге өтеді. Қысым жоғарылағанда немесе температура төмендеген кезде газ сұйық фазаға өтеді, ол оны тасымалдау үшін қолданылады. Отынның бұл түрінің шикізаты мұнай өңдеу кезінде алынатын ілеспе газ және газ болып табылады.
• Кокс газы. кезінде түзілетін жанама өнімкөмірді кокстеу. Бастапқы өнім зиянды қоспалардан, аммиактан, хош иісті көмірсутектерден тазартылады. 1 тонна көмірден 3000 текше метрге дейін шығарылады.
• Домна пешінің газы. Ол кокс пен темір рудаларын домна пештерінде үрлеу кезінде өзара әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. Өнімділік – 1 тонна шойынға 2200-3200 м3.

Газ отынының жылулық құндылығы оның химиялық құрамына байланысты және 4-47 МДж/м3 диапазонында. Жанғыш газдардың барлық дерлік түрлері ауадан жеңіл және ағып кету кезінде төбелердің астында жиналады. Тұтану үшін ауамен қоспадағы ең төменгі концентрация - пентан (көлем бойынша 1,4%).

Спецификациялар берілген

Отынның әртүрлі түрлерінің қасиеттерін салыстырмалы талдау үшін жұмыс отынының сапа көрсеткішінің оның меншікті төменгі калориялық мәніне қатынасы ретінде анықталатын берілген сипаттамалар пайдаланылады.

Негізгі есептелген көрсеткіштер:

• ылғалдылық;
• күл мазмұны;
• күкірт пен азот мөлшері.

Отын-энергетика саласында пайдаланылған отынның тиімділігін салыстыру үшін эталондық отын түсінігі де қолданылады. Бұл жұмыс жағдайында ең төменгі меншікті жану жылуы 7000 ккал/кг болатын отын. Отынның әрбір түрі үшін өлшемсіз жылу коэффициентін эталондық отын үшін осы мәнге меншікті меншікті жану жылуының қатынасы ретінде есептеуге болады.

Қазбалық отын толығымен жанғанда үш атомды газдар (көмірқышқыл газы және күкірт диоксиді) түзіледі.газ) және су. Жануға қатысатын заттардың шығыны (1 моль отын үшін) ауамен қамтамасыз етілген барлық оттегінің әрекеттесуі шартына негізделген формулалар бойынша есептеледі. Мұндай теңдеулер жанудың материалдық балансы деп аталады.

Нақты жағдайларда есептелген мәндер коэффициенттер арқылы түзетіледі, өйткені толық жану үшін әрқашан көбірек ауа қажет. Жану өнімдерінің температурасын анықтау үшін тотығу реакциясының жылу балансы құрастырылады (1 кг сұйық немесе қатты қазбалы отынға немесе газ тәрізді отын үшін 1 м3). Физика тұрғысынан жылу балансының теңдеуі энергияның сақталу заңын жазу формасынан басқа ештеңе емес.