Содержание страницы
1. Классификация твердых топлив
Твердое топливо – это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. К твердому топливу относят древесину, торф, горючие сланцы, каменный уголь и бурые угли.
Содержание углерода, водорода, кислорода, азота и серы, называемое химическим составом определяет свойства твердого топлива. При сжигании одинаковые количества различного топлива выделяют различные количества тепла. Тогда для оценки теплотворной способности топлив производят определение наибольшего количества теплоты, которое может быть выделено топливом при полном его сжигании в количестве 1 кг. Наибольшей калорийностью обладает каменный уголь.
Рис. 1. Некоторые типы твердого топлива
Как известно из курса теплотехники твердое органическое топливо часто применяют для получения теплоты и других видов энергии с последующим их преобразованием в механическую энергию. Помимо этого из твердых топлив при их соответствующей перегонке (обработке) можно получить более 300 различных химических соединений.
Рис. 2. Дерево это твердое топливо
2. Каменный уголь
Каменный уголь – это уголь с высокой степенью обугливания и высшей теплотворной способностью более 24 МДж/кг (5700 ккал/кг) на беззольной, но влажной основе и с коэффициентом отражения витринита 0,5 и более.
Рис. 3. Каменный уголь
К каменному углю относят не осажденный шлам, не классифицированные. Образование каменных углей в основном протекало в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, а это более 300 миллионов лет тому назад.
Как и древесина, химический состав каменного угля представлен смесью углерода, водорода, кислорода, азота, серы, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей. Минеральные примеси не подвержены горению и при сжигании угля образуют золу. Каждый из добываемых углей отличается соотношением слагающих их компонентов, что влияет и на их теплотворную способность. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.
Рис. 4. Расколотый кусок каменного угля
Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. Начиная с девонского периода в торфяных болотах, накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к девонскому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей оценивается примерно в 350 миллионов лет.
Каменный уголь к первым ископаемым топливам которые начали широко применяться человеком. Применение каменного угля в промышленности для получения энергии позволило сделать большой шаг вперед. Данный уголь формировался как осадочная порода, за счет естественного разложения древних растений. Каменный уголь состоит из огромного количества углерода. Содержание углерода в несколько раз выше по сравнению с бурыми углями. Кроме того в каменном угле содержатся летучие вещества с низким содержанием золы. Наиболее эффективным альтернативным видом переработки каменного угля является его газификация. В ходе газификации из угля получают оксид углерода и водород, затем с помощью каталитических реакций получают жидкое топливо. Для получения одной тонны нефтеподобной жидкости обычно необходимо газифицировать 2-3 тонны каменного угля. Также каменный уголь является основным сырьем для выработки графита.
Промышленным способом из каменного угля извлекают серу, цинк, германий, свинец, ванадий. В производстве керамики, строительных материалов, абразивов применяется отходы добычи и переработки углей, а также зола, оставшаяся после их сжигания. Чтобы использование угля носило рациональный характер, из него удаляют минеральные примеси, то есть, производится обогащение угля. Кокс и уголь используется в металлургии в процессе выплавки железа. Кроме этого, каменный уголь используется и в металлургии, при производстве стали и чугуна. Каменный уголь имеет наибольшую стоимость за тонну готовой продукции. Связанно это в первую очередь с его калорийностью и малой зольностью. Также каменные угли довольно часто применяют для отопления домов.
Мы видим, что каменный уголь применяют практически во всех сферах жизнедеятельности. Данное обстоятельство говорит о том, что добыча каменного угля будет продолжаться еще долгое время.
На счет перспектив развития промышленности по добыче каменного угля во всем мире не так однозначны. Нет также и одной выбранной всеми странами доктрины по переработке каменных углей. Стратегии по добыче и переработке углей разрабатываются и принимаются каждой страной в отдельности и зависят от условий, уровня рентабельности разработки угольных месторождений, геологических запасов, экологических ограничений, места и роли угля в топливно-энергетическом балансе, степени интеграции экономики страны в региональные и мировые структуры и прочее.
Рис. 5. Добыча каменного угля
В ряде стран благодаря благоприятным геологическим условиям эксплуатации месторождений угольная промышленность является высокорентабельной отраслью и служит важным источником доходов государственных бюджетов. Речь идет о таких странах, как США, Австралия, ЮАР, Канада, Индонезия, Колумбия. Вместе с тем есть немало стран, где развитая в прошлом угледобывающая отрасль под давлением конкуренции признана экономически целесообразной, в результате чего добыча угля прекращена, несмотря на значительный рост зависимости большинства из этих стран от внешних поставок энергоресурсов. Так произошло в Бельгии, Голландии, Ирландии, Португалии, Франции, Японии.
3. Бурый уголь или лигнит
Бурый уголь или лигнит – это уголь с низкой степенью обугливания, сохранивший анатомическую структуру растительного вещества, из которого он образовался. Данный уголь имеет высшую теплотворную способность менее 24 МДж/кг (5700 ккал/кг) на беззольной, влажной основе. Его коэффициент отражения витринита менее 0,5.
Суббитоминозный уголь, или бурый уголь – горючее полезное ископаемое, ископаемый уголь 2-й стадии метаморфизма (переходное звено между лигнитом и каменным углем), получается из лигнита или напрямую из торфа.
Рис. 6. Десятитонный кусок бурого угля в Музее бурого угля в Японии
Классификация ископаемых углей довольно запутана, например, в Англии и Евросоюзе используют термин лигнит (которой считается синонимом бурого угля), а в Америке понятия бурый уголь и лигнит выделяются отдельно и очень четко. На территории России синонимом бурого угля является такое понятие как лигнит. В основном данный тип углей называют бурым углем также к этой категории относят и лигнит высокой степени углефикации (ВСУ) и не учитывая суббитуминозные угли высокой степени углефикации, последние угли уже классифицируют как каменный уголь.
Рис. 7. Наиболее типичный внешний вид бурого угля
Использование бурого угля в России и многих других странах для большой энергетики в качестве топлива значительно уступает использованию каменного угля. Однако низкая стоимость делает его привлекательным для сжигания в мелких и частных котельных, где доля его использования в среднем составляет до 80 %. Сжигание бурого угля осуществляется в пылевидном (при хранении бурый уголь высыхает и рассыпается) и кусковом видах в слое. Основным энергетическим топливом на тепловых электростанциях Греции и особенно Германии бурый уголь используется для выработки электроэнергии. Так в Греции на таких станциях вырабатывается до 50 % электроэнергии, 24,6 % – в Германии.
Набирает обороты и производство жидких углеводородных топлив из бурого угля посредством перегонки. После перегонки остаток годится для получения сажи. Из него извлекают горючий газ, получают углещелочные реагенты и монтан-воск (горный воск). В небольших количества монтан-воск применяют для изготовления поделок.
Если говорить о стабильности рынка в отношении энергетических углей, то он достаточно стабилен. В связи с чем увеличения объема продаж бурого вряд ли ожидаются. Наряду со стабильной ситуацией в энергетике возник недостаток металлургических топлив и коксовой продукции. И поэтому сейчас многие ресурсы направлены на выработку технологий по переработке бурых углей в готовый продукт для нужд металлургиии. Такая переработка в перспективе будет экономически обоснована, потому как стоимость коксовой продукции в несколько раз дороже рядового угля.
Рис. 8. Установка, генерирующая электричество из бурого угля
В мире карбонизацией бурых углей уже долгие годы занимаются два предприятия: комбинат «Райнбраунколе» мощностью 210 тыс. т/год кокса в Германии и компания
«Австралиан чар» мощностью 80 тыс. т/год. Разработанные в 30-е годы прошлого столетия и затем усовершенствованные технологии фирмой «Лурги», отличаются чрезвычайно высокой капиталоемкостью. Данные аспект делает недоступным покупку импортных технологий и оборудования.
В России данной тематикой занимается достаточно большое число научных коллективов, имеются и технологические разработки на тему термического облагораживания бурого угля. Но в большинстве случаев данные исследования выполняются только на уровне лабораторных
установок. Известно, что путь от лабораторной установки до коммерческого предприятия с надежной технологией проходят только 5 % от всех разработок. Обусловлено это большими инвестициями и большим сроком апробации, отдача от которых вернется очень нескоро.
4. Торф
Торф (нем. Torf) – это горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков мхов, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества, превращающегося в дальнейшем в торф. Слой торфа в болотах не менее 30 см, (если меньше, то это заболоченные земли).
Рис. 9. Торфяной среднеразложившийся горизонт дерново- подзолистой грунтово-оглеенной почвы
Торф отличается от почвенных образований содержанием органических соединений, их количество в торфе составляет не менее 50 % по отношению к абсолютно сухой массе. В 30-50 гг. прошлого столетия торф активно применяли в энергетике и для выработки газа, а также для отопления домов.
Применение торфа как топлива обусловлено его составом: большим содержанием углерода, малым содержанием серы, вредных негорючих остатков и примесей. По сути, это молодой уголь.
Основными недостатками торфа является низкая теплотворная способность, а также трудность его сжигания, что обусловлено большим содержанием влаги (до 65%).
Преимуществами торфяного топлива являются:
- экологическая чистота сгорания (малая доля серы);
- полное горение (малый остаток золы);
- низкая себестоимость производства;
- появившиеся новые технологии сжигания.
Рис. 10. Торф в руке
В ходе маркетингового исследования «Российский рынок органических удобрений: итоги 2011 г., прогноз 2012-2013 гг.», проведенного NeoAnalytics выяснилось, что производство торфа для сельского хозяйства ожидают большие перспективы. Это можно характеризовать тем, что торфяная промышленность пришла в упадок. Так в период с 1990 по 2011 год добычи торфа сократились более чем в 20 раз, большинство предприятий, связанных с добычей и переработкой торфа, прекратили деятельность, на других, действующих в настоящее время предприятиях, оборудование физически и морально устарело. Разрабатываемые ранее залежи торфа зарастают, что удорожает добычу торфа, или возвращены в гослесфонд как не используемые.
Рис. 11. Свойства и области применения торфа
Рис. 12. Добыча торфа
Если сравнивать показатели добычи торфа, то легко заметить ее снижение. Так в 2011 году было произведено 128 тыс. тонн торфа для сельского хозяйства, что почти в 30 раз меньше добычи в 1998 году (3834 тыс. тонн). Запасы торфа по экономическим районам России распределены следующим образом: более половины запасов (51%) торфа расположено в Западно-Сибирском районе, затем на втором месте идет – Северный регион (18%), на третьем месте – Дальневосточный (13%). Наименьшие запасы торфа находится в Центральном экономическом районе, порядка 2 %.
Торф относят к возобновляемым природным ресурсам.
Используют его в основном в энергетике и сельском хозяйстве.
Более 65 % добываемого торфа поставляется для нужд сельского хозяйства. В целом торфяные ресурсы в мировом масштабе оцениваются более 400 млн. гектаров. Из них 162,7 млрд. тонн при влажности в 40 % расположены на территории Российской Федерации.
Рис. 13. Торф в сельском хозяйстве
5. Брикетное топливо
Брикетное топливо – это еще одно назначение каменноугольных брикетов. Брикетирование происходит путем спекания угольных или торфяных частиц, под действием температуры и давления, в брикеты правильной формы. Для лучшей спекаемости угольных частиц в угольные брикеты при их производстве добавляют связующие.
Торфяные брикеты – это готовый к сжиганию продукт, изготавливаемый из сырого торфа с добавлением связующих веществ или без них, последующей сушкой и обработкой высоким давлением.
Рис. 14. Торфяные топливные брикеты
Буроугольные брикеты – изготавливают из бурого угля и лигнита. Их спекание производят под высоким давлением без добавления связующих веществ после предварительного дробления и сушки с образованием брикетов правильной формы.
6. Кокс
Кокс – это твердый остаток, получаемый путем сухой перегонки каменного угля или лигнита при полном отсутствии доступа воздуха (карбонизация).
Различают каменноугольный, буроугольный и газовый кокс.
6.1 Кокс каменноугольный
Кокс каменноугольный (от нем. Koks и англ. coke) – это твѐрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путѐм коксования каменного угля при температурах 950-1100 °С без доступа воздуха. Кокс содержит 96-98 % С, остальное Н, S, N, O. Пористость 49-53 %, истинная плотность 1,80-1,95 г/см³, кажущаяся плотность ≈ 1 г/см³, насыпная масса 400-500 кг/м³, зольность 9-12 %, выход летучих веществ 1 %. Влажность при тушении водой и инертным газом соответственно 2-4 % и не более 0,5 %. Предел прочности при сжатии 15-25 МПа, при срезе (характеризует устойчивость к истиранию) 6-12 МПа, теплота сгорания 29-30 МДж/кг.
Рис. 15. Кокс каменноугольный
Для выплавки чугуна в основном применяют каменноугольный кокс как высококачественное бездымное топливо или по-другому доменный кокс, также его применяют как восстановитель железной руды и разрыхлитель шихтовых материалов. Также каменноугольный кокс используют как ваграночное топливо в литейном производстве (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в химической и ферросплавной отраслях промышленности (специальные виды кокса).
Доменный кокс выпускают с размером кусков не менее 25- 40 мм, наличие мелочи должно составлять не более 3% (куски до 25 мм и не более 2-3 % для кусков больше 80 мм.
Литейный кокс, если рассматривать его по размерам кусков, то окажется что он крупнее доменного. Он также более пригоден как продукт, в котором присутствуют куски менее 60-80 мм. Главное чем отличается литейный кокс от доменного является то, что в нем содержится очень мало серы, менее 1 % против 2 % в доменном коксе.
При производстве ферросплавов активно применяют кокс мелких фракций порядка 10-25 мм. Применяемые коксы обладают высокой степенью реакционной способности. Если говорить о прочности кокса то эти требования менее строгие, чем, например, к доменному или литейному коксу.
Рис. 16. Доменный процесс
Наиболее лучшим коксом для любого типа производства является прочный, малозольный кокс с низким содержанием серы и малым количеством мелких фракций.
В современном мире производство каменноугольного кокса составляет около 550-650 млн. т/год. Больше половины от этого объема производится в КНР (60-70 % мирового производства).
6.2 Газовый кокс
Газовый кокс – это побочный продукт переработки угля, используемого для производства искусственного газа на газовых заводах, и печной кокс, к которому относятся все другие виды кокса, получаемые из каменного угля.
6.3 Буроугольный кокс
Буроугольный кокс – это твердый продукт, получаемый путем карбонизации буроугольных брикетов.
Рис. 17. Частицы угля в буроугольном коксе
Сегодня основными потребителями буроугольных коксов являются черная и цветная металлургия. Здесь его используют в качестве восстановителя или технологического топлива для агломерации, и изготовления ферросплавов, в качестве отощающей добавки в производстве металлургического кокса и основного наполнителя при изготовлении коксобрикетов. Изготовленные коксоугольные брикеты применяют как бытовое топливо. Основные наполнители такого кокса это тяжелая или суммарная смола и полукокс. Полукоксы активно используются и для их газификации с получением горючего газа и в некоторых химических производствах.
7. Горючий сланец
Горючий сланец – это осадочная порода с высоким содержанием органического вещества (керогена), которое может быть преобразовано в сырую нефть или газ путем нагревания.
Горючий сланец полезное ископаемое из группы твердых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Образование сланцев в основном происходило 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков.
Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (каолинит, кальцит, монтмориллонит, кварц, полевые шпаты, доломит, гидрослюды, пирит и др.) и органических частей (кероген), последняя составляет 10-30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50-70 %. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).
Рис. 18. Кукерсит (горючий сланец).
Горючие сланцы – это порода смешанного обломочного и органогенного происхождения; образуются на дне морей, лагун, озер при одновременном осаждении глинистых частиц, карбонатного вещества и сапропелевого ила с органическими остатками (планктон, высшие растения) в условиях ограниченной циркуляции воды и воздуха. Скопившаяся органическо- минеральная масса постепенно уплотняется и преобразуется в плотную осадочную породу.
Горючие сланцы зарекомендовали себя в первую очередь как очень ценное энергетическое сырье. Их применяют и в качестве топлива, а также в различных отраслях: химической промышленности, сельском хозяйстве и дорожном строительстве, в энергетике, при производстве строительных материалов. Особую ценность представляет сланцевая смола. Ее используют как сырье для изготовления жидкого топлива, а также различных ценных химических продуктов (олифы, серы, ядохимикатов, красок). Также из горючих сланцев иногда получают синтетическую нефть. Они также содержат значительные концентрации радиоактивных и редкоземельных элементов.
Данные породы делятся, в частности, на горючие, глинистые и кристаллические. Ежедневный спектр применения сланцев весьма велик. Например, сланцевые породы используют для производства огнестойкого сырья, в строительстве для внешней отделки, к этой же породе относится и известная всем черепица.
Сланцевый газ, добывают из пород, залегающих на большой глубине. В основном такой газ храниться в сланцах, которые имеют пористую структуру. Содержание газа в сланцах небольшое и храниться он там мелкими в промышленном понимании порциями. Таким образом, при выкачивании газа из сланцевых пород в него попадает множество примесей. Сегодня содержание метана в добываемом газе варьируется от 30 до 70 %. Это обстоятельство говорит о необходимости в и без того сложном процессе добычи газа производить очистку газа. Поэтому для добычи недорогого, но при этом чистого газа стремятся разрабатывать залежи газа по форме напоминающих пузыри.
По данным международного энергетического агентства IEA и независимой консалтинговой компании в области энергетики ARI на июнь 2013 крупнейшие запасы сланцевого газа находятся в США – около 32,875 миллиардов кубометров. На втором месте находится Китай – там по оценкам экспертов сконцентрировано 31,573 миллиардов кубометров. В Европе значительные запасы сланцевого газа обнаружены в Австрии, Великобритании, Венгрии, Германии, Швеции, Украине и Польше. Россия в этом рейтинге занимает лишь 9 место, зато с большим отрывом лидирует в списке обладателей сланцевой нефти.
Рис. 19. Схема добычи сланцевого газа
Сегодня добычу сланцевого газа запретили в ряде стран Европы путем введения моратория. Обусловлено это заботой об окружающей среде. Россия так же заявила, что не собирается начинать освоение сланцевого газа в ближайшие десятилетия. США наоборот уже несколько дет ведет добычу сланцевого газа. Мировые запасы сланцевого газа на сегодняшний день оцениваются как 220,729 миллиардов кубометров.
8. Битуминозные пески
Битуминозные пески – это пески или песчаники (битумы) с высоким содержанием смолистых углеродов, способные выделять нефть при нагревании или других процессах извлечения.
К битуминозным пескам относят и другие виды сырой нефти, а также густых вязких нефтяных продуктов с большой плотностью и вязкостью. Данные битумы или правильнее битуминозные пески не могут быть добыты традиционным способом добычи нефти, т. е. путем естественного фонтанирования или откачки. Причина этого кроется как раз в их плотности и вязкости. Для их добычи стремятся снизить их вязкость с помощью нагревания, содержащих их твердых пород, и тем самым отделить их. Кроме того, применяют и много других специальных способов добычи нефти из битуминозных песков.
Тяжелые виды сырой нефти также относят к категории твердых топлив. Параметром, разграничивающим сырую нефть и битумы, является показатель их вязкости. Если говорит о разграничении сверхтяжелой сырой нефти, тяжелой сырой нефти и другими видами нефти необходимо оценивают их плотность.
Рис. 20. Фото битуминозных песков
Нефтяные пески Венесуэлы и Канады содержат большие запасы нефти около 3400 млрд. баррелей. Разработка данных залежей производится в основном карьерным или шахтным способом. Сегодня такие ведущие компании как Shell и BP до сих пор не способны предложить технологию, которая позволила бы добывать большие объемы нефти из нефтяных песков. Однако это не останавливает их в поисках и они до сих пор продолжают свои исследования.
Запасы нефти в битуминозных песках Альберты (Канада) и в Ориноко (Венесуэла) составляют соответственно 1,7 и 2,0 трлн. баррелей, в то время как мировые запасы обычной нефти на начало 2006 года оценивались в 1,1 трлн. баррелей. Добыча нефти в 2006 из битуминозных песков Альберты составила 1,126 Мб/д (млн. баррелей в день). Добыча нефти из битуминозных песков Ориноко составляет 0,5 Мб/д. Вся мировая добыча нефти составляет около 84 Мб/д. Таким образом, хотя запасы битуминозных песков огромны, добыча нефти из них в обозримом будущем (согласно нынешним прогнозам) будет удовлетворять всего несколько процентов от мировых потребностей нефти. Проблема в том, что нынешние технологии добычи нефти из битуминозных песков требуют большого количества пресной воды.
9. Битумы
Битумы – это вещества имеющие вязкости, превышающие 10000 сантипуаз.
Рис. 21. Битум
Различные виды сырой нефти имеют вязкости меньше или равные 10000 сантипуаз. Эти величины вязкости относятся к измерениям, выполненным при отсутствии газа и первоначальной температуре нефтяного пласта.
Битумы нерастворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях; плотностью 0,95-1,50 г/см³.