книги / Природные энергоносители и углеродные материалы Состав и строение. Современная классификация. Технологии производства и добыча
.pdfС« Н. Колокольцев
ПРИРОДНЫЕ
ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ
И
УГЛЕРОДНЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Состав и строение
•
Современная
классификация
•
Технологии производства и добыча
URSS
МОСКВА
ББК 26.343.1 30.3 35.514
Колокольцев Сергей Николаевич
Природные энергоносители и углеродные материалы: Состав и строение. Современная классификация. Технологии производства и добыча.
М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. — 224 с.
В настоящем пособии рассматриваются темы учебных дисциплин «Теорети ческие основы химической технологии топлива и углеродных материалов» и «Хи мическая технология топлива и углеродных материалов». Изложено современное представление о составе и строении природных энергоносителей и углеродных ма териалов; рассмотрены их действующие современные классификации, описаны известные в настоящее время модификации углерода, приведены описания, свойства и технологии производства углеродных материалов, представлены сведения о добы че и потреблении природных энергоносителей в России и в мире. В конце каждой главы приведены контрольные вопросы для повторения, темы рефератов, а также список литературы. Книга также содержит перечень основных терминов, которые помогут разобраться в понятиях и усвоить учебный материал издания.
Издание предназначено лая етшеитпв па направлению подготовки «Нефте химия».
Рецензент:
действительный член Академии технологических наук РФ, д-р техн. наук, проф. А. Ю. Аджиев
Издательство «Книжный дом “ЛИБРОКОМ"».
117335, Москва, Нахимовский пр-т, 56.
Формат 62*90/16. Печ. л. 14. Зак. № DT-38.
Отпечатано в ООО «Л ЕНАНД».
117312, Москва, пр-т Шестидесятилетия Октября, 1IA , стр. 11.
ISBN 978-5-397-03513-2 |
© Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2012 |
|
|
НАУЧНАЯ И УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА |
|
12728 Ю167220 |
|
E-mail: URSS@ URSS.ru |
|
4 |
Каталог изданий вИнтернате: |
|
http://URSS.ru |
|
9 "7 853 97 0 3 5 1 3 2 * |
J |
Тел./факс (многоканальный): |
U R SS |
+ 7 (4 9 9 )7 2 4 2 5 4 5 |
|
Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может быть воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, будь то элек тронные или механические, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель, а также размещение в Интернете, если на то нет письменного разрешения владельца.
Оглавление |
|
|
Предисловие......................................................................... |
................................ |
б |
ЧАСТЬ I. ПРИРОДНЫЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ.................................................. |
7 |
|
Глава 1. Общие сведения о природных энергоносителях.................................... |
7 |
|
Контрольные вопросы...................................................................................... |
|
10 |
Темы рефератов................................................................................................. |
|
10 |
Литература....................................................................................................... |
|
11 |
Глава 2. Происхождение нефти н газа................................................................... |
|
12 |
Контрольные вопросы...................................................................................... |
|
19 |
Темы рефератов................................................................................................. |
|
19 |
Литература........................................................................................................ |
|
20 |
Глава 3. Природные горючие газы..................... |
„............................ |
21 |
3.1. Газы месторождений природного газа.................................................... |
|
24 |
3.1.1. Свойства газов........................................................................... |
|
28 |
3.1.2. Газовые гидраты......................................................................... |
|
30 |
3.2. Попутные (нефтяные) газы...................................................................... |
|
32 |
3.3. Газы газоконденсатных месторождений................................................ |
34 |
|
Контрольные вопросы.................................................................................... |
|
40 |
Темы рефератов................................................................................................. |
|
40 |
Литература....................................................................................................... |
|
40 |
4.1. Компонентный состав нефтей................................................................. |
|
43 |
4.2. Элементный химический состав нефтей................................................ |
45 |
|
4.3. Групповой химический состав нефтей................................................... |
|
47 |
4.4. Фракционный состав нефтей................................................................... |
|
63 |
4.5. Физико-химические свойства нефти....................................................... |
|
67 |
4.6. Классификация нефтей............................................................................. |
|
76 |
Контрольные вопросы..................................................................................... |
|
79 |
Темы рефератов................................................................................................. |
|
80 |
Литература......................................................................................................... |
|
80 |
Глава 5. Происхождение твердых горючих ископаемых.................................... |
81 |
|
Контрольные вопросы...................................................................................... |
|
86 |
Темы рефератов................................................................................................. |
|
86 |
Литература......................................................................................................... |
|
86 |
4 |
Оглавление |
|
Глава б. Классификация каустобиолитов............................................................ |
87 |
|
Контрольные вопросы..................................................................................... |
|
92 |
Темы рефератов................................................................................................ |
|
93 |
Литература............................................................................................. |
.......... |
93 |
Глава 7. Горючие сланцы............................................................. |
|
94 |
Контрольные вопросы..................................................................................... |
|
99 |
Темы рефератов............................................................................................... |
|
99 |
Литература....................................................................................................... |
|
99 |
Глава 8. Ископаемые угли....... |
„............................................................................. |
100 |
8.1. Состав углей.............................................................................................. |
|
103 |
8.1.1. Макроскопическое описаниеуглей.............................................. |
104 |
|
8.1.2. Микрокомпонентыуглей............................................................. |
106 |
|
8.2. Органическое вещество углей.................................................................. |
109 |
|
8.3. Неорганические составные части углей.................................................. |
111 |
|
8.4. Структура углей........................................................................................ |
|
117 |
8.5. Физико-химические свойства углей.................................................. |
122 |
|
8.6. Классификация углей................................................................................ |
|
130 |
Контрольные вопросы...................................................................................... |
|
135 |
Темы рефератов................................................................................................ |
|
135 |
Литература........................................................................................................ |
|
135 |
ЧАСТЬ П. УГЛЕРОД И УГЛЕРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.................................. |
136 |
|
Глава 1. Углерод......................................................................... |
............................. |
136 |
1.1. Аллотропные формы углерода.................................................................. |
139 |
|
1.2. Структура природных форм углерода...................................................... |
147 |
|
1.2.1. Структура алмаза...................................................................... .. |
|
|
1.2.2. Структуралонсдейлита.............................................................. |
/ 4$ |
|
1.2.3.Структура графита...................................................................
1.3.Химические свойства углерода....................................................................
1.4. Физические свойства природных форм углерода..................................... |
159 |
1.5. Классификация углеродных материалов.................................................. |
165 |
Контрольные вопросы....................................................................................... |
167 |
Темы рефератов.................................................................................................. |
168 |
Литература......................................................................................................... |
168 |
Глава 2. Искусственные углеродные материалы.................................................. |
169 |
2.1. Пеки......................................................................................................... |
169 |
2.1.1. Физико-химические свойства некое............................................. |
169 |
2.1.2. Технологии производства и применение пеков............................ |
175 |
|
Оглавление |
5 |
2.2. Коксы каменноугольный и пековый........................................................ |
179 |
|
2.2.1. Физико-химические свойства коксов.......................................... |
179 |
|
2.2.2. Технологии производства и применение коксов......................... |
188 |
|
2.3. Кокс нефтяной................. |
|
196 |
2.3.1. Физико-химические свойства нефтяного кокса........................ |
196 |
|
2.3.2. Технологии производства и применение нефтяного кокса...... |
200 |
|
2.4. Технический углерод (сажа).................................................................... |
203 |
|
2.4.1. Физико-химические свойства саж............................................. |
203 |
|
2.4.2. Технологии производства и применение саж............................. |
206 |
|
Контрольные вопросы..................................................................................... |
|
211 |
Темы рефератов................................................................................................ |
|
212 |
Литература........................................................................................................ |
|
212 |
Основные термины................. |
-----............................................................... |
213 |
Предисловие
Вучебном пособии изложено современное представление о составе и строении вещества природных энергоносителей и углеродных материалов, приведены их действующие современные классификации; описаны известные
внастоящее время модификации углерода; даны сведения о добыче и потреб лении природных энергоносителей в России и мире.
Впервой части книги рассматриваются происхождение, состав, физико химические свойства, классификация природных энергоносителей, описаны области их применения.
Во второй части приведены сведения о свойствах углерода, его алло тропных модификациях, структурах природных форм углерода, свойствах, технологиях производства и применении углеродных материалов. Каждая гла ва заканчивается контрольными вопросами для повторения, темами рефера тов, а также списком литературы.
Вконце книги приведен перечень основных терминов, которые помогут разобраться в понятиях и усвоить учебный материал издания.
Вучебном пособии рассматриваются темы учебных дисциплин «Тео ретические основы химической технологии топлива и углеродных материа лов» и «Химическая технология топлива и углеродных материалов». Издание предназначено для студентов по направлению подготовки «Нефтехимия».
ЧАСТЬ L ПРИРОДНЫЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ
Глава 1. Общие сведения о природных энергоносителях
Горючие ископаемые нефть, газ, уголь, сланцы относятся к природным энергоносителям, добыча и использование которых ориентированы на полу чение энергетического сырья. Природные энергоносители находятся в раз личных агрегатных состояниях: твердом (угли, сланцы), жидком (нефть) и газообразном (природные горючие газы).
Горючие ископаемые относятся к каустобиолитам (от греч. каустос - горючий, биос - жизнь, литое - камень). Каустобиолиты имеют органиче ское происхождение, являясь продуктами преобразования остатков расти тельных, реже животных, организмов под воздействием физико-химических, биологических и геологических факторов. Термин «каустобиолит» впервые предложен немецким учёным Г. Потонье в 1888 г.
Каустобиолиты относятся к органогенным горным породам, среди кото рых имеются и негорючие породы акаустобиолиты - рифогенные известняки и другие образования, состоящие из скелетов различных организмов (рисунок 1).
Горные породы ]
| |
Магматические |
| |
| |
Метаморфические |
11 |
Осадочные |
| |
|
| |
| |
|||||||
|
|
|
|
|
|
— |
— 1 |
|
|
|
|
|
Субаквальные |
|
|
Субаэральные |
|
|
|
|
|
условия |
|
|
условия |
|
|
|
|
----------------------------------- |
|
|
|||
| |
Органогенные |
| |
1 |
Хемогенные |
| |
| |
Обломочные |
| |
Акаустобиолиты Каустобиолиты
Рисунок 1 — Положение каустобиолитов среди горных пород
По генетическим признакам и физическим свойствам выделяют кау стобиолиты угольного и нефтяного ряда. Каустобиолиты угольного ряда ха рактеризуются высокими концентрациями исходного, а также преобразован ного органического вещества. Торфы и угли содержат не менее 50 % органи ческого вещества, горючие сланцы не менее 10 %.
8Часть I. Природные энергоносители
Взависимости от исходного биогенного материала выделяют три груп пы угольных каустобиолитов:
1.Гумусовые породы, образующиеся за счет остатков высших расте ний. К этой группе принадлежат торф, бурые й каменные угли, антрацит;
2.Сапропелита - сапропелевые угли и горючие сланцы. В составе этих пород преобладают остатки планктонных организмов и низших водорослей;
3.Липтобиолиты, слагающиеся лишь наиболее стойкими компонен тами остатков высших растений - смолами, восками, споронинами (оболоч ками спор), кутикулами (тонкой поверхностной кожицей), пробковой тканью
идругими образованиями. К липтобиолитам относятся редкие типы углей, янтарь, фихтелит, тасманит.
Ккаустобиолитам нефтяного ряда относятся нефти, мальты, ас
фальтовые битумы, озокерит, природный газ, керит, антроксолит и другие вещества. Все они образуются из рассеянного органического материала и ха рактеризуются тем, что их залежи формируются в результате миграции и по следующей аккумуляции углеводородов. К каустобиолитам нефтяного ряда относятся и битумоиды - вещества, рассеянные в породах и растворимые в нейтральных органических жидкостях.
Химический состав природных энергоносителей изучен в значительной мере для газообразных и жидких веществ. Природные газы и нефти доста точно легко разделяются на классы химических веществ. В их составе прак тически удается идентифицировать и индивидуальные соединения.
В элементный состав всех каустобиолитов входят: углерод; водород; сера; азот; кислород; металлы, включая редкоземельные; другие элементы в различных сочетаниях и пропорциях в зависимости от вида горючего иско паемого (таблица 1).
Таблица 1 — Элементный состав каустобиолитов
Тип каустобиолита |
Углерод |
Содержание химического элемента, % масс. |
|||
Водород |
Кислород |
Азот |
|||
Торф |
|||||
59,0 |
6.0 |
33,0 |
2.0 |
||
Бурый уголь |
69.0 |
5.5 |
25,0 |
<0.8 |
|
Каменный уголь |
82,0 |
5.0 |
13,0 |
<0.8 |
|
Антрацит |
95,0 |
2,5 |
2.5 |
следы |
|
Сапропель |
52.0-59.0 |
7.0-8.0 |
1.0-3.0 |
20,0-30,0 |
|
Горючий сланец |
60,0-75,0 |
7,0-9,0 |
2,04.0 |
10,0-20,0 |
|
Богхед |
72,0-77,0 |
9,0-10,0 |
0,7-0,8 |
10,0-12,0 |
|
Липтобиолиг |
75,0-85,0 |
5,0-10,0 |
10,0-15,0 |
2,0-5,7 |
|
Нефть |
84,0-88,0 |
12,0-14,0 |
1,0-2,0 |
<1,0 |
|
Фазовое состояние горючего ископаемого может быть сопоставлено с соотношением водорода к углероду в его составе (Н:С). Максимум водорода
Глава 1. Общие сведения о природных энергоносителях
содержат газы, минимум - твердые горючие ископаемые, нефти занимают промежуточное положение.
Технологические процессы переработки природных энергоносителей позволяют изменять их агрегатное состояние. Углеводородные газы можно превратить в твердый углерод - сажу, пироуглерод; жидкие нефтепродукты перерабатываются в газообразные (легкие углеводороды) и твердые вещества (кокс, сажа); в процессе переработки угля образуются газы, жидкие нефтепо добные продукты и твердый углеродистый остаток. Возможность таких пре вращений позволяет широко использовать полезные ископаемые для получе ния большого количества разнообразной промышленной продукции.
Мировые доказанные запасы энергоносителей характеризуются тем, что ресурсы угля значительно превосходят имеющееся количество нефти и газа (таблица 2). Промышленное применение сланцев незначительно, не смотря на их существенные запасы.
Таблица 2 — Мировые запасы энергоносителей в 2009 г. (по данным «British Petroleum» и «U.S. Geological Survey»)
Наименование полезного ископаемого |
Доказанные запасы |
Нефть, млрд. т. |
181,7 |
Природный газ, трлн. MJ |
187,5 |
Каменный и бурый уголь, млрд, т |
826,0 |
Горючие сланцы, млрд, т |
400,0 |
Мировой энергетический баланс с годами меняется в сторону сокраще ния потребления нефти и увеличения использования угля и газа (таблица 3).
Таблица 3 — Мировой энергетический баланс
Наименование |
1998 |
2003 |
2007 |
2008 |
|
энергетического ресурса |
|||||
|
|
|
|
||
Глобальное энергопотребление, |
8889 |
9811 |
11104 |
11295 |
|
млн. т Н.Э. |
|||||
Распределение, % |
|
|
|||
|
|
|
|||
Нефть |
38,7 |
37.4 |
35,5 |
34,8 |
|
Природный газ |
23,1 |
23,9 |
23,9 |
24,1 |
|
Уголь |
25,4 |
26.5 |
28,8 |
29,2 |
|
Атомная энергетика |
6.2 |
6.1 |
5.6 |
5.5 |
|
Гидроэнергетика |
6.6 |
6.1 |
6,2 |
6,4 |
|
Несмотря на значительный прогресс в применении альтернативных ис точников энергии их вклад в глобальную энергетику составляет около 1 % и по прогнозам к концу столетия не превысит нескольких процентов. Широкое применение источников термоядерной энергии, с которыми связывались большие надежды, возможно к концу XXI в. Реальные перспективы мировой
10 |
Часть I. Природные энергоносители |
энергетики и промышленности текущего столетия связаны с имеющимися запасами газа и угля. Наличие в странах мира запасов природных энергоно сителей, уровень их использования, включая переработку, напрямую влияют на показатели энергопотребления государств (таблица 4).
Таблица 4 — Структура энергопотребления некоторых стран мира в 2008 г.
Страны |
Энергопотребление, |
|
Расщределенис % |
|
|||
млн. т н.э. |
нефть |
газ |
уголь |
АЭС |
ГЭС |
||
|
|||||||
США |
2299 |
39 |
26 |
25 |
8 |
2 |
|
Китай |
2003 |
19 |
4 |
70 |
1 |
6 |
|
Россия |
685 |
19 |
55 |
15 |
5 |
6 |
|
Япония |
508 |
44 |
17 |
25 |
11 |
3 |
|
Индия |
433 |
31 |
9 |
53 |
1 |
6 |
|
Канада |
330 |
31 |
27 |
10 |
7 |
25 |
|
Германия |
311 |
38 |
24 |
26 |
11 |
1 |
|
Франция |
258 |
36 |
15 |
4 |
39 |
6 |
|
Корея |
240 |
43 |
15 |
28 |
14 |
0 |
|
Бразилия |
228 |
46 |
10 |
7 |
1 |
36 |
|
Великобритания |
212 |
37 |
40 |
17 |
6 |
0 |
|
Иран |
192 |
43 |
55 |
1 |
0 |
1 |
|
Италия |
177 |
46 |
40 |
9 |
0 |
5 |
|
Сауд. Аравия |
175 |
60 |
40 |
0 |
0 |
0 |
|
Мексика |
170 |
53 |
36 |
5 |
1 |
5 |
|
Испания |
144 |
54 |
24 |
10 |
9 |
3 |
|
Украина |
132 |
12 |
41 |
30 |
15 |
2 |
|
ЮАР |
132 |
20 |
0 |
78 |
2 |
0 |
|
Индонезия |
124 |
46 |
28 |
24 |
0 |
2 |
|
Австралия |
118 |
36 |
18 |
43 |
0 |
3 |
|
Тайвань |
112 |
45 |
10 |
36 |
8 |
1 |
|
Турция |
103 |
31 |
32 |
30 |
0 |
7 |
|
Контрольные вопросы
1.Какие ископаемые входят в состав природных энергоносителей?
2.Какие ископаемые называются каустобиолитами?
3.Охарактеризуйте элементный состав природных энергоносителей.
4.Как влияет соотношение водород'.углерод в углеродсодержащих вещест вах на их фазовое состояние?
5.Охарактеризуйте возможности превращений природных энергоносителей при их переработке.
Темы рефератов
1.Каустобиолиты угольного и нефтяного ряда.
2.Химический состав природных энергоносителей.
3.Запасы горючих полезных ископаемых в России и мире.
4.Тенденции изменения мирового энергетического баланса.