Лекция 4

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГАЗА И НЕФТИ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ИСКОПАЕМЫХ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ. СОСТАВ ТОПЛИВА. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА. ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ТОПЛИВА. ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Существует несколько теорий происхождения нефти и газа. Их можно разбить на 2 группы:

– теории минерального происхождения,

– теории органического происхождения.

По теории минерального происхождения нефть произошла в результате воздействия морской воды на минералы под воздействием высоких температур и давления образовались первоначально газообразные продукты, далее под действием t и P и катализаторов происходило уплотнение газообразных углеводородных продуктов и образование сложных углеводородных соединений нефти.

Основную массу нефти составляют углеводороды различных классов – предельные, непредельные, ароматические.

Более признанной является теория органического происхождения нефти и газа. Согласно этой теории нефть и газ образовались вследствие скопления и последующего разложения животных организмов в условиях высоких t и P без доступа воздуха. Однако проблематичным является сама возможность скопления в громадных количествах трупов животных.

Наиболее популярной теорией является теория смешанного происхождения нефти и газа, согласно которой в образовании их принимали участие и растительные и животные остатки. Эти остатки вначале превращались в их и далее под воздействием t и P → смолы → сложные углеводородные соединения → другие смеси.

Протекающие химические и биохимические процессы, связанные с деятельностью бактерий и приводило к образованию газообразных продуктов – H, CH₄ и др. Далее при наличии t и P, воздействия среды происходили реакции между H и органическими остатками, т.е. происходили процессы гидротенизации т.е. обогащения органики водородом, далее образование сложных смесей углеводородов а так же H₂O, H₂S, NH₄ и далее различных типов жидких и газообразных CH-соединений. То есть характер и состав нефти и газа определяется не только средой, где происходило их образование, но и составом первичных исходных продуктов растительного и животного происхождения.

Естественные, или природные газы делятся на:

– природные, добытые из газовых месторождений,

– попутные, добываемые попутно у месторождений нефти.

Среди природных газов различают сухие – содержащие 95-99% CH₄ и жирные, содержащие также его гомологи – этан, пропан, бутан.

Как правило, все попутные газы относятся к жирным.

Все виды природных топлив (кроме древесины) представляют собой горючие ископаемые – т.е. горные породы органического происхождения – каустобиолиты, которые подразделяют на: гумусовые породы (торф, каменные и бурые угли); сапропелевые породы (сапропелевые угли, горючие сланцы); петролиты (нефть, озокерит, горючие газы).

Состав топлива. Основные технические характеристики топлива

Состав топлива – наиболее важная техническая характеристика, определяющая процесс горения и количество выделяющейся при этом энергии.

Основные топливообразователи – С^Г, Н^Г, О^Г Состав горючей массы.

В небольших количествах – S^Г и N^ГПроцентное содержание

этих веществ по отношению

к горючей массе

Углерод С – основная составная часть топлива ( в горючей массе различных топлив С от 50 до 95%), при полном сгорании 1 кг. С выделяется 8100 ккал тепла. При большем содержании С повышается выделение тепла но затруднено воспламенение.

Водород Н – наиболее теплотворная составляющая ( в горючей массе различных топлив Н от 2 до 15%), %), при полном сгорании 1 кг. Н выделяется 30000 ккал. Часть водорода уже соединена с кислородом топлива и участия в горении не принимает.

Кислород О является вредной составной частью топлива, не является горючей частью топлива, участия в горении не принимает, ( в горючей массе различных топлив О от 0.05% -бензин до 42% - дрова).

Азот N также не участвует в горении (внутренний балласт) и выделяется из топлива при горении в чистом виде в дымовых газах, (содержание N в твердых и жидких топливах от 0.5% до 2.7%). Большие содержания азота в генераторных газах резко снижают тепловыделения.

Сера S содержится в топливе в виде пиритной серы (горючая), органической серы (горючая) и сульфатной серы (не горючая, выпадает с золой и шлаками).

Все эти компоненты составляют горючую массу топлива, им присваивается индекс. Процентное содержание в топливе всех веществ (включая золу), входящих в состав одной сухой массы, называют элементарным составом сухой масс (индекс С^С).

С^С + Н^С + О^С + N^С + S^С + А^С = 100 %

Минеральные примеси, попадающие в состав топлива, составляют золу топлива (А). Зола не принимает участия в реакции окисления (горении, снижает теплотворную способность топлива.

Во всех топливах имеется некоторое количество влаги (W).

Общая масса топлива, включая золу и влагу, называется рабочей (индекс Р)

С^Р + Н^Р + О^Р + N^Р + S^Р + А^Р + W^Р = 100 %

Состав горючих газов характеризуется чаще всего в виде процентов объемного содержания составляющих газов, например,

СО + Н₂ + СО₂ + Н₂О + СН₄ + С_nН_m + О₂ = 100 %

Тепловую ценность топлива принято характеризовать его теплотворной способностью Q, выражаемой в ккал/кг (Дж/кг) или ккал/м³ (дж/м³).

Т.к. в продуктах сгорания топлив всегда содержится вода (пары воды – из-за наличия воды в топливе и образовании воды при сгорании водорода), то и обращается энергия на парообразование и конденсацию паров. В связи с этим для расчетов обычно применяется значение низшей теплотворной способности , которая учитывает тепловые потери с парами воды.

Одной из основных особенностей твердых природных топлив (также древесины, композиций) является способность выделять при нагревании газообразные и жидкие продукты термического разложения их органической массы, так называемые летучие, обозначаются символом V.

Летучие играют значительную роль при воспламенении и на начальных стадиях горения, в значительной степени определяют реакционную способность горючего вещества.

Пример иллюстрации среднего состава природного топлива.

Топливо	VГ,%	СГ, %	НГ ,%	ОГ ,%	NГ,%	SГ,%	АС ,%		WР,%
Древесина	85	51	6	43				4500
Торф	70	55-60	5-6	35-40				4800-6000
Бурый уголь	45-55	65-75	5-5.5	18-25			30-50	5000-7000
Каменный уголь	15-45	78-93	4-5.5	4-15				7500-8800
Антрациты	5-10	93-97	1-2	1-2				8200-8300
Углерод	0	100	-					8100

Теплопроизводительность топлива

Теплопроизводительность топлива органического происхождения определяется в основном степенью окисления углеродной основы топлива.

Чем больше степень окисления углеводородной основы топлива, тем меньше теплопроизводительность.

Наибольшая теплопроизводительность наблюдается у топлива, состоящего из не окисленных углеводородов, например, у нефти, природного газа.

В качестве примера рассмотрим молекулу метана, составляющего основу природного газа, СН₄.

Один атом С связан, т.е. весовое содержание водорода в молекуле метана составляет 25 %, т.е. ни один углеводородный продукт не содержит в себе такого большого количества водорода. При этом следует иметь в виду, что водород по своей теплотворной способности выше углерода в 4 ряда. Т.о. метан имеет самую высокую теплотворную способность, которая составляет 13300 ккал/кг.

Химически формула метилового спирта – СН₄О. В момент такого окисления уже выделилось некоторое количество энергии, теплотворная способность спирта метилового – 5340 ккал/кг.

Присоединение еще одного атома кислорода приводит к образованию нового вещества – формальдегида – СН₂О + Н₂О, при этом происходит отделение одной молекулы воды.

Теплотворная способность формальдегида – 2790 ккал/кг.

Если к молекуле метана прибавить 4 атома кислорода, то это разбивает молекулу СН₄

СН₄ + 4О  СО₂ + 2Н₂О

Такая смесь вообще гореть не может, и ее теплотворная способность равна  0.

Падение теплотворной способности от наивысшего значения у чистого углерода до нулевого значения у продуктов полного окисления и иллюстрируется на рисунке 1.

Рисунок 1 - Случай последовательного окисления этана – С₂Н₆.