سوخت های آلی: انواع، ترکیب و طبقه بندی

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 13:53

انرژی سنتی از 2 نوع سوخت استفاده می کند - آلی و هسته ای. با وجود این واقعیت که از نیمه دوم قرن XX. انرژی هسته ای بسیار فعال در حال توسعه است، سهم سوخت آلی در ساختار کلی غالب است. در حال حاضر منبع اصلی تولید گرما و برق است. در مجموع حدود دویست نوع از آن توسط انسان استفاده می شود که هر کدام ویژگی ها و شاخص های خاص خود را دارند.

بازدید

طبقه بندی های مختلفی از سوخت های فسیلی وجود دارد:

• بر اساس منشاء: طبیعی (طبیعی)؛ مصنوعی (به دست آمده از پردازش طبیعی).
• بر اساس حوزه استفاده: انرژی (برای تولید برق و گرما)؛ فناورانه (برای تولید انواع محصولات صنعتی).
• با توجه به وضعیت فیزیکی ماده (متداول ترین آنها در براکت نشان داده شده است): مایع (روغن سوخت)؛ جامد (زغال سنگ فسیلی)؛ گازی (گاز طبیعی).
• با "طول عمر": تجدید پذیر (چوب، گیاهان). مشروط قابل تمدید، دوره آنتجمع در پوسته زمین چندین هزار سال است (پیت)؛ غیر قابل تجدید (زغال سنگ، شیل، نفت، گاز).

برای منابع سوخت تجدید ناپذیر، دوره انباشت چند برابر بیشتر از دوره مصرف تخمینی است.

سوخت طبیعی

سوخت های فسیلی طبیعی به گروه های زیر تقسیم می شوند:

• فسیلها (استخراج شده از روده): زغال سنگ سخت و قهوه ای. گاز طبیعی؛ ذغال سنگ نارس؛ آنتراسیت روغن؛ نفت شیل و دیگران.
• مصنوعی: بنزین; نفت سفید؛ نفت شیل؛ بریکت سوخت؛ زغال چوبی؛ لیگنین هیدرولیتیک؛ ضایعات صنایع غذایی، کشاورزی و خمیر و کاغذ. نفت سیاه؛ سوخت گازی که به عنوان محصول فرعی از فرآوری شیل نفتی، ذوب آهن، پیرولیز و سایر فرآیندهای تکنولوژیکی به دست می آید. ضایعات پردازش چوب (خاک اره خشک، تراشه، ضایعات توده ای).

سوخت آلی حاصل از ضایعات کشاورزی

از ضایعات کشاورزی، بیشتر موارد زیر استفاده می شود:

• پوسته تخمه آفتابگردان؛
• پوسته گندم سیاه؛
• پوسته برنج؛
• نی.

از آنجایی که این منابع کوچک هستند، اغلب به عنوان سوخت برای دیگهای بخار محلی استفاده می شود.

منشا

طبق مفاهیم علمی، انواع سوخت های فسیلی از بقایای گیاهی و میکروارگانیسم های موجود تشکیل شده است.از 500 هزار تا 500 میلیون سال پیش. تجمع آنها در قسمت هایی از پوسته زمین که از اکسیداسیون فعال محافظت می شوند (مناطق کم عمق ساحلی مخازن، باتلاق ها، کف دریاها) صورت گرفت. ترکیب شیمیایی این باقیمانده ها شامل 4 عنصر اصلی است:

• کربوهیدرات;
• لیگنین (ماده بین سلولی گیاهان عالی)؛
• مواد چربی مانند (رزین، موم، استرهای گلیسرول)؛
• پروتئین.

بقایای گیاهان عالی و خزه‌هایی که در مناطق باتلاقی زمین انباشته شده‌اند، مبنایی برای تشکیل هومولیت‌ها (زغال‌های فسیلی) و ریزجلبک‌ها و باکتری‌ها در کف مخازن - ساپروپلیت‌ها شدند. تحت تأثیر فشار و دمای بالا، مواد آلی تبدیل شد (زغال‌سازی).

هومولیت هایی با درجه زغال پذیری پایین را زغال سنگ قهوه ای می نامند. در دماهای بالاتر، اسیدهای هیومیک به هومین های خنثی تبدیل شدند. فقدان کامل اسید هیومیک در زغال سنگ وجود دارد.

در ساپروپلیت‌ها در شرایط ملایم، فرآیندهای پلیمریزاسیون هیدروکربن‌های غیراشباع با تشکیل شیل‌های قابل احتراق، که در حین تقطیر مقدار زیادی رزین شبیه به روغن می‌دهد، عمدتاً انجام می‌شود. دگرگونی ساپروپل در دماهای بالا و مشارکت کاتالیزوری سنگ ها منجر به تشکیل مخلوطی از هیدروکربن ها در حالت مایع و گاز (نفت، طبیعی، گاز همراه) شد.

سوخت جامد

سوخت‌های فسیلی جامد مواد ناهمگن متخلخل مویرگی هستند. ساختار آنها شاملتعداد زیادی منافذ و ترک. قبل از احتراق در نیروگاه های حرارتی، مواد خام در سنگ شکن ها به اندازه 15-25 میلی متر (احتراق لایه ای در دیگ ها) یا به حالت پودری خرد می شوند تا تلفات ناشی از سوزاندن زیر سوز کاهش یابد.

سوخت‌های فسیلی مایع و جامد بر اساس 5 عنصر شیمیایی قابل احتراق هستند: C، H₂، O_{2، S. خارجی (باقی مانده خاکستر پس از احتراق، رطوبت) و بالاست داخلی (نیتروژن و اکسیژن) کیفیت سوخت را کاهش می دهد.}

ویژگی های سوخت جامد

انواع اصلی سوختهای آلی قابل احتراق، درجه آنها و توضیح مختصری در جدول زیر ارائه شده است.

نوع سوخت	برندها و انواع	ویژگی
ذغال سنگ قهوه ای	1B, 2B, 3B (بسته به ظرفیت رطوبت)	سوخت درجه پایین؛ رطوبت و رطوبت بالا؛ مقاومت مکانیکی کم؛ بازده بالای ترکیبات فرار؛ میزان کربن کاهش یافته؛ افزایش تمایل به احتراق خود به خود؛ ارزش کالری 7-20 MJ/kg.
ذغال سنگ، آنتراسیت	D، 1G، 2G، 1GJ، 2GJ، 1J، 2J، 1K، 2K، 1KO، 2KO، 1KS، 2KS، 1OS، 2OS، TS، 1SS، 2SS، 3SS، 1T، 2T، 1A، 2, 3A	سوخت سنتی؛ ارزش حرارتی بالا (تا 25 MJ/kg)؛ محتوای کربن بالا؛ رطوبت و رطوبت کم؛ بالاقدرت؛ بازده اجزای فرار 3-40%.
پیت	فرزکاری; کلوله	نوع سوخت محلی؛ رطوبت بالا؛ بازده بالای ترکیبات فرار؛ تمایل به احتراق خود به خود؛ ارزش حرارتی پس از خشک شدن – 8 MJ/kg.
شیل نفتی	humite-sapropelite; kukersites sapropelite (طبقه بندی بر اساس مبدا).	بالاترین محتوای فرار؛ سوخت بسیار واکنش پذیر؛ متوسط ارزش کالری - 4.6-9 MJ/kg؛ سوخت کم عیار که برای نیازهای محلی و همچنین به عنوان ماده خام برای تولید سوخت های پرانرژی (نفت شیل، سوخت های گازی) استفاده می شود.

تاثیر رطوبت

محتوای رطوبت بالا احتراق مواد قابل احتراق را دشوار می کند، دمای کوره را کاهش می دهد و اتلاف حرارت را افزایش می دهد. سوخت هایی که با سن زمین شناسی طولانی مشخص می شوند، در ترکیب خود آب کمی دارند (لیگنیت، ذغال سنگ نارس).

انواع مختلفی از رطوبت وجود دارد:

• جذب، تجمع در مرز فازهای جامد و گازی؛
• مویرگی (منافذ)؛
• سطحی (در سطح خارجی قطعات یافت می شود)؛
• هیدراته (شامل هیدرات های کریستالی).

3 نوع اول رطوبت را می توان با خشک کردن از سوخت های فسیلی جامد حذف کرد.در دمای 105 درجه سانتیگراد، دومی - فقط از طریق واکنشهای شیمیایی هنگامی که تا 700-800 درجه سانتیگراد گرم می شود. در طول حمل و نقل و ذخیره سازی در فضای باز، محتوای آب ممکن است به طور قابل توجهی افزایش یابد و کیفیت سوخت را کاهش دهد.

ناخالصی های معدنی

همه انواع سوخت جامد حاوی ناخالصی های معدنی هستند که عمدتاً از ترکیبات زیر تشکیل شده اند:

• سیلیکات;
• سولفیدها;
• نمک های کربناتی کلسیم، منیزیم و آهن؛
• فسفات;
• کلریدها;
• سولفات کلسیم و آهن.

در طول احتراق سوخت‌های فسیلی، آنها دچار دگرگونی در دمای بالا می‌شوند که در نتیجه خاکستر جامد غیر قابل احتراق باقی می‌ماند. ترکیب آن به دلیل واکنش های زیر با مواد اولیه بسیار متفاوت است:

• تبدیل نمک های اکسید آهن به اکسید؛
• کم آبی ترکیبات سیلیکات؛
• تجزیه کربناتها، آزادسازی CO_{2، تشکیل اکسیدها؛}
• اکسیداسیون ترکیبات گوگردی، آزادسازی دی اکسید گوگرد؛
• تبخیر نمک های فلزات قلیایی.

ترکیب نهایی باقیمانده خاکستر به شرایط احتراق سوخت فسیلی بستگی دارد. در دماهای بالا می تواند ذوب شده و به حالت مایع (سرباره) تبدیل شود. بخشی از خاکستر به همراه محصولات احتراق فرار از کوره ها خارج می شود که منجر به آلودگی، سرباره شدن و سایش خورنده تجهیزات کوره می شود.

تجزیه حرارتی

سوخت های فسیلی جامد در هنگام سوزاندن چندین مرحله تجزیه می شوند:

• برتیناسیون (درجه حرارت تا 300 درجه سانتیگراد، دی اکسید کربن و مونوکسید کربن، هیدروژن و هیدروکربن ها، آب گرمایشی آزاد می شود)؛
• نیمه کک شدن (400-450 درجه سانتیگراد، حجم اصلی گاز قابل احتراق آزاد می شود)؛
• کک کردن (700-1100 درجه سانتیگراد، تکمیل فرآیند آزادسازی ترکیبات فرار).

محصولات احتراق سوخت های فسیلی به ترتیب برتینات، نیمه کک، کک نامیده می شوند.

کمترین ارزش حرارتی مربوط به شیل پر خاکستر، پیت مرطوب و زغال سنگ قهوه ای و بالاترین آن برای آنتراسیت است. ارزش حرارتی کمتری که در آن بخار آب به اتمسفر خارج می‌شود و متراکم نمی‌شود، برای سوخت‌های جامد 4.6-26 MJ/kg است.

سوختهای مایع

سوخت های فسیلی مایع برای صنعت انرژی از نفت با استفاده از تجزیه ترموشیمیایی آن به دست می آیند. نفت کوره در تاسیسات بزرگ (نیروگاه های حرارتی، دیگ بخار) استفاده می شود و برای مصارف خانگی از بخش های تقطیر شده فرآورده های نفتی (بنزین، نفت سفید، سوخت دیزل، سوخت دیزل) استفاده می شود.

نفت کوره مانند نفت یک ترکیب کلوئیدی پیچیده است. ترکیب شیمیایی آن در محدوده های زیر (به صورت درصد) متفاوت است:

• کربن - 86-89؛
• هیدروژن - 9، 6-12;
• گوگرد - 0، 3-3، 5;
• اکسیژن و نیتروژن - 0، 5-1، 7.

انواع روغن مازوت

طبقه بندی نفت کوره به شرح زیر است:

• براساس محتوای گوگرد: گوگرد کم (<0، 5٪). گوگرد کم (0.5-1٪)؛ گوگرد (1-2٪)؛ گوگرد بالا (2-3.5%).
• بر اساس ویسکوزیته (در داخل پرانتز آمده استمارک ها: سبک یا دریایی (F5، F12)؛ متوسط (40 ولت، 40)؛ سنگین (100، 200 و 100 ولت)؛ زغال سنگ و شیل (تشکیل شده در طی فرآوری شیل و زغال سنگ).

ارزش حرارتی سوخت مایع بین 39-41 MJ/kg متغیر است.

سوخت گاز

ترکیب سوخت گازی شامل مواد زیر است:

• قابل اشتعال (هیدروکربن های اشباع، H₂، CO، H_{2S) و غیر قابل احتراق (دی اکسید کربن و گوگرد، نیتروژن گازها، اکسیژن، هوای اتمسفر؛}
• بخار آب؛
• رزین;
• گرد و غبار.

انواع سوخت های فسیلی زیر بیشترین استفاده را دارند:

• گاز طبیعی. جزء اصلی متان است. قبل از مصرف، گاز خشک می شود، غبار زدایی می شود و ناخالصی های مضر سولفید هیدروژن حذف می شود.
• گاز مرتبط منتشر شده در طول تولید نفت. جداسازی هیدروکربن ها از فاز مایع در جداکننده ها انجام می شود. کسر حجمی متان کمتر از گاز طبیعی است و هیدروکربن های سنگین بیشتر است. در این راستا، گرمای بیشتری در طی احتراق سوخت‌های فسیلی آزاد می‌شود.
• گاز مایع. اجزای اصلی پروپان و بوتان و همچنین ناخالصی های هیدروکربن های سنگین هستند. در دمای 20 درجه سانتی گراد و فشار اتمسفر حالت گازی به خود می گیرد. با افزایش فشار یا کاهش دما، گاز وارد فاز مایع می شود که برای انتقال آن استفاده می شود. ماده خام این نوع سوخت گاز و گازی است که در طی پالایش نفت به دست می آید.
• گاز فر کک. این یک محصول جانبی است که در طول تشکیل می شودکک کردن زغال سنگ محصول اولیه از ناخالصی های مضر، آمونیاک، هیدروکربن های معطر خالص می شود. خروجی از 1 تن زغال سنگ تا 3000 متر مکعب است.
• گاز کوره بلند. در نتیجه برهمکنش کک و سنگ آهن در هنگام دمیدن آنها در کوره بلند ایجاد می شود. بازده - 2200-3200 متر3 در هر 1 تن چدن.

ارزش حرارتی سوخت گاز به ترکیب شیمیایی آن بستگی دارد و در محدوده 4-47 MJ/m3 است. تقریباً همه انواع گازهای قابل احتراق سبکتر از هوا هستند و هنگام نشت در زیر سقف تجمع می کنند. کمترین غلظت در مخلوط با هوا که برای احتراق لازم است پنتان است (1.4 درصد حجمی).

مشخصات داده شده

برای تجزیه و تحلیل مقایسه ای خواص انواع مختلف سوخت، از ویژگی های داده شده استفاده می شود، که به عنوان نسبت شاخص کیفیت سوخت کار به ارزش حرارتی خاص آن تعریف می شود.

شاخص های اصلی محاسبه شده عبارتند از:

• رطوبت؛
• محتوای خاکستر؛
• محتوای گوگرد و نیتروژن.

در صنعت سوخت و انرژی، از مفهوم سوخت مرجع نیز برای مقایسه بازده سوخت مورد استفاده استفاده می شود. سوختی است که کمترین گرمای ویژه احتراق آن در شرایط کاری 7000 کیلو کالری بر کیلوگرم است. برای هر نوع سوخت، می توان ضریب حرارتی بدون بعد را به عنوان نسبت گرمای ویژه ذاتی احتراق به این مقدار برای سوخت مرجع محاسبه کرد.

وقتی سوخت های فسیلی به طور کامل سوزانده می شوند، گازهای سه اتمی (دی اکسید کربن و دی اکسید گوگرد) تشکیل می شوند.گاز) و آب. مصرف مواد (به ازای 1 مول سوخت) درگیر در احتراق با فرمول‌هایی محاسبه می‌شود که بر اساس این شرط که تمام اکسیژن تامین‌شده با هوا واکنش نشان دهد. چنین معادلاتی تعادل مواد احتراق نامیده می شود.

در شرایط واقعی، مقادیر محاسبه شده با استفاده از ضرایب اصلاح می شوند، زیرا همیشه هوای بیشتری برای احتراق کامل مورد نیاز است. برای تعیین دمای محصولات احتراق، تعادل حرارتی واکنش اکسیداسیون (به ازای هر 1 کیلوگرم سوخت فسیلی مایع یا جامد یا به ازای هر 1 متر 3 برای سوخت گازی) جمع آوری می شود. از دیدگاه فیزیک، معادله تعادل حرارتی چیزی نیست جز شکلی از نوشتن قانون بقای انرژی.