Химия и физика горючих ископаемых

ХІМІЯ І ФІЗИКА ГОРЮЧИХ КОПАЛИН

ЗМІСТ

ЧАСТИНА I. ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ

1. 1.      Джерела енергії й органогенна сировина
2. 2.      Вуглець і вуглецеві матеріали
3. 3.      Види горючих копалин і їхня роль у народному господарстві
4. 4.      Умови залягання і способи видобутку горючих копалин
5. 5.      Головні родовища горючих копалин

ЧАСТИНА II. ТВЕРДІ горючі КОПАЛИНИ

6. 6.      Походження твердих горючих копалин
7. 7.      Торф
8. 8.      Класифікація ТГК
9. 9.      Петрографія вугілля
10. 10.  Технічний аналіз вугілля
1. 1.      Волога
2. 2.      Мінеральні компоненти і зольність вугілля
3. 3.      Вихід летких речовин
4. 4.      Сірка у вугіллі
11. 11.  Елементний склад ТГК
12. 12.  Фізичні властивості вугілля
1. 1.      Густина ТГК
2. 2.      Фізико-механічні властивості
3. 3.      Теплофізичні властивості
4. 4.      Електромагнітні властивості
13. 13.  Хімічна будова твердих горючих копалин
14. 14.  Гумінові кислоти, бітуми, гірський віск
15. 15.  Збагачення твердих пальних копалин
16. 16.  Брикетування вугілля
17. 17.  Термічна деструкція. Механізм перетворення вугілля
18. 18.  Піроліз ТГК
19. 19.  Коксування вугілля
20. 20.  Окиснення вугілля
21. 21.  Спалення горючих копалин
22. 22.  Газифікація вугілля
23. 23.  Гідрогенізація і розчинення вугілля
24. 24.  Енерготехнологічна переробка твердих горючих копалин

ЧАСТИНА III. РІДКЕ ПАЛИВО

25. 25.  Походження нафти і газу
26. 26.  Груповий хімічний склад нафт і нафтопродуктів
27. 27.  Характеристика нафт і нафтових фракцій
28. 28.  Способи переробки нафти
29. 29.  Термічний крекінг нафти
30. 30.  Каталітичні процеси переробки нафти
31. 31.  Нафтові палива й мастила
32. 32.  Очищення нафтопродуктів

ЧАСТИНА IV. ГАЗОПОДІБНЕ ПАЛИВО

33. 33.  Природні горючі гази
34. 34.  Зріджений газ
35. 35.  Гази вугільних родовищ

ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ

 

 

 

 

ЧАСТИНА I. ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ 

 

 

1. Джерела енергії  й органогенна сировина

C давніх давен пошук їжі і  джерел енергії визначав діяльність людини. Деревина, вітер і вода довгий час були єдиними енергоносіями. З перетворенням енергії води й інших видів енергії в електричний струм почався бурхливий розвиток техніки. Дешева нафта забезпечила після 1945 року непередбачений переможний хід автомобіля. Однак зростання цін на енергоносії і різке збільшення чисельності населення Землі з'явилися застереженням про наявність границь росту енергоспоживання.

Мінімум енергії, необхідний для підтримки  життєдіяльності людини (в первісному і сучасному світі), дорівнює 12,6 МДж на день або 4,18Ч10³ МДж на рік, що еквівалентно енергії, яка виділяється при спалюванні 125 кг нафти. У зв'язку з підвищенням вимог людей до комфорту на початку XX століття споживання енергії перевищило біологічно необхідний рівень у 5,5 рази, у 1980 р. - у 13,3 рази, а на початку XXI століття 23-25 разів.

У середньому 1 людина за рік споживає енергії 2,2 т у.п. (тонн умовного палива), у той час як у США споживання енергію дорівнює 12, у Німеччині -- 6, а в країнах Африки 0,1 т у.п., що на 40 % менше мінімуму енергії для підтримки життєдіяльності людини.

Чисельність населення Землі швидко зростає. У 1700 році на планеті проживало 600 млн. людей, до 1850 року число мешканців  збільшилося до 1,2 млрд., до 1950 року -- до 2,5, а до середини 1987 року -- до 5,0 млрд. людей, у другій половині 1999 р. -- до 6,0 млрд. чоловік. Таким чином, для першого подвоєння числа землян треба було 150 років, другого -- 100, а третього -- менш 37 років.

Темпи приросту використання напівгеоенергетичних ресурсів складає 3-4 % в рік. Приріст у 4 % означає збільшення їх кількості за 30 років в 3 рази, а за 100 років -- в 50 раз.

Світове використання енергоресурсів по роках  у тонах умовного палива (т у.п.), приведено в таблиці.

Таблиця 1.1

Показник	1900	1950	1970	1975	1980	1985	1990	2000
Сумарне енерговикористання, млрд. т  у.п.	0,95	2,86	7,30	8,60	2,0	15,0	17,0	25,0
Населення, млрд.	1,62	2,50	3,60	3,80	4,00	4,50	5,40	6,00
Питома енерговитрата, т у.п. 1 людину	0,59	1,16	2,03	2,32	2,72	3,35	3,70	4,80

 

 

У зв'язку з життєвими потребами  і ростом споживчого попиту населення, навантаження на природу стає настільки  великим, що варто очікувати порушення  енергетичного балансу планети, очевидно, що земні ресурси зможуть  забезпечити зростаючі потреби тільки протягом обмеженого терміну.

Сьогодні на Землі щорічно споживається понад 10 млрд. т нафтового еквівалента (н.е.) енергії. Міжнародна енергетична  асоціація у 1996 році підготувала  прогноз розвитку світової енергетики до 2010 року, у якому розглянуто два варіанти.

За першим варіантом світова  потреба в енергії до 2010 року зросте на 34 % чи до 10,9 млрд. т н.е. За другим - зростання складе 46 % (до 11,8 млрд.т  н.е.).

Зростання попиту на 90 % буде покриватися за рахунок  спалювання палива. При цьому в неіндустріальних країнах збільшення енергоспоживання складе 92-102 %, у розвинутих країнах 15-26 %, а в країнах Східної Європи на 0-14 %, причому відсутність приросту споживання енергії передбачено у варіанті підвищення енергозбереження. Слід зазначити, що питоме енергоспоживання на одиницю виробленої продукції в країнах Східної Європи, у тому числі й в Україні, у 15 разів більше, ніж у Японії, у 10 разів вище, ніж у Франції й у 5-6 разів вище, ніж у США. На 1 долар США продукції в Японії витрачається 0,13, у Франції - 0,19, у Південній Кореї -- 0,31, США -- 0,35 кг н.е., а в країнах Східної Європи -- 1,9-2,2 кг н.е. Це свідчить про значні можливості нашої країни в області енергозбереження.

Енергоносії прийнято поділяти на відновлюнальні і не відновлюнальні. До першої групи відносять:

• ·         сонячну енергію;
• ·         енергію вітру;
• ·         енергію води;
• ·         біомасу (деревина, сміття, і ін.);
• ·         тепло морів;
• ·         енергію припливу;
• ·         тепло Землі.

До другої групи відносять:

• ·         кам'яне і буре вугілля;
• ·         торф;
• ·         нафту;
• ·         природний газ;
• ·         ядерну енергію.

Відновлювальні джерела енергії  залежать від сонячної енергії. На сьогодні у зв'язку з великою амплітудою їхніх коливань у часі, малою просторовою густиною енергії, низьким коефіцієнтом корисної дії і великої матеріалоємності розроблених установок вони використовуються дуже мало. Їхня частка в енергетичному балансі різних країн складає від одного до декількох відсотків. Так у Німеччині частка цих джерел енергії складає 2,4 %, в Україні -- 5-6%. У США частка поновлюваних джерел енергії у виробництві електроенергії склала в 1996 році 13 %, однак, згідно з прогнозом Міністерства енергетики США у 2020 року вона знизиться до 9 %.

Сонячна енергія є джерелом енергії вітру, води, тепла морів, біомаси, а також причиною утворення протягом тисячоріч торфу, бурого і кам'яного вугілля, нафти і природного газу, однак це енергія опосередкована, накопичена протягом тисяч і мільйонів років. Енергія сонця може бути використана і безпосередньо, як джерело електроенергії і тепла. Для цього потрібно створити пристрої, які концентрують енергію сонця на малих площах і в малих об'ємах. На даний момент часу працюють нагрівальні пристрої, що акумулюють енергію сонця, а також дослідні зразки електродвигунів і автомобілів, що використовують енергію сонця.

Сонячна енергія, як вважають, до кінця  сторіччя може скласти не більш 1 % від  загальної кількості використовуваної енергії. Ще в 1870 році в Чилі бувло  побудовано сонячний опріснювач морської води, що виробляв до 30 т прісної води на добу і працював понад 40 років. Завдяки застосуванню гетеропереходів коефіцієнт корисної дії сонячних батарей уже досягає 25 %. Налагоджено виробництво сонячноих батарей у виді довгої полікристалічної кремнієвої стрічки, що має ККД понад 10 %.

Енергія вітру використовується людством віддавна. Вітряні млини використовувалися  для помолу зерна ще у середньовіччі, а в останні роки енергія вітру  усе більш широко використовується для одержання електроенергії. Створюються вітряки великої потужності і встановлюються на місцевості, де дують часті і сильні вітри. Кількість і якість таких двигунів зростає щорічно, налагоджене їхнє серійне виробництво.

В Україні діють чотири вітроелектростанції (ВЕС), оснащені власними вітроагрегатами, загальною потужністю біля 20 Мвт. у 1998-1999 роках вступили до ладу 3 нові ВЕС, вартість електроенергії на яких нижче, ніж на раніше побудованих.

Процес будівництва української  вітроенергетики почався у 1996 році, коли була запроектована Новвоазовська ВЕС проєктною потужністю 50 МВт. Зараз працює 134 турбіни з 3500 запроектованих, та закладено біля 100 фундаментів під турбіни потужністю 100 кВт кожна. Фактична потужність станції 14,5 МВт при штаті 34 чоловіка. Приблизно такий же штат співробітників буде на ВЕС, коли вона досягне проектної потужності. На Південмаші у Дніпропетровську будують турбіну потужністю 1,0 МВт, яка буде встановлена на Новоазовській ВЕС.

Німеччина є лідером у світі  по використанню енергії вітру. За перші 6 місяців 2001 року в ФРН було збудовано 673 нових вітрових електричних установок. Тепер загальна кількість "вітряків" у Німеччині складає понад 10 тисяч, а їх загальна сукупна потужність досягла 6900 МВт. У Нижній Саксонії працює біля 2000 таких установок, які виробляють близько восьми відсотків електроенергії.

Розроблено проект і у 2004-2005 роках  почнеться будівництво чотирьох промислових вітрових парків у Балтійському морі і десять у Північному. Перші  експериментальні станції з'являться в морі на насипних островах у 2003 році. До 2010 року частка екологічно чистої енергії в енергетичному балансі Німеччини може зрости до 10 відсотків.

В Данії біля чверті електроенергії отримують на ВЕС, в Україні - біля відсотка.

Енергія води , як і енергія вітру, використовується людьми з давніх давен, як джерело механічної енергії, а починаючи з XX ст. і як джерело електроенергії. У світі побудована велика кількість гідроелектростанцій, які виробляють до 5 % електроенергії, причому в деяких країнах частка електрики, виробленої на гідроелектростанціях, значно вища. В Україні на Дніпрі побудовано каскад з 6 гідроелектростанцій. Слід зазначити, що в останні роки будівництво гідроелектростанцій у світі значно скорочено, внаслідок відсутності сприятливих умов.

Щорічно приріст біомаси у світі оцінюється в 200 млрд. т, в перерахунку на суху речовину, що енергетично еквівалентно 80 млрд. т нафти. Одним із джерел біомаси є ліси. При переробці ділової деревини 3-4 млрд. т складають відходи, енергетичний еквівалент яких складає 1,1-1,2 млрд. т нафти. Світова потреба в енергії (11 млрд. т у.п.) складає тільки 12 % енергії щорічного світового приросту біомаси. Частка і кількість біомаси, використовуваної для одержання енергії, постійно знижується, що можна пояснити порівняно низькою теплотою згоряння біомаси, унаслідок високого вмісту в ній води.

Усе більше поширення як 8-20 % добавка  до звичайних бензинів для підвищення октанового числа одержує паливний етанол і в деяких випадках гідролізний  спирт. Сировиною для одержання  етанола служать різні продукти природного біосинтезу. У Канаді для цього використовується зерно кукурудзи, з 1 т якої одержують 400 л етанола і високопротеїновий корм для худоби. У Бразилії спирт одержують з особливого сорту тростини. Досвід використання етанолу як добавки до бензину є і в Україні.

Певне застосування в енергетиці можуть знайти сільськогосподарські відходи, такі як солома, відходи життєдіяльності  тварин і птахів.

Лідером у використанні соломи як палива є Данія, у якій побудовано 8000 фермерських установок потужністю 0,1-1,0 Мвт, 62 теплові станції потужністю 1-10 Мвт і 9 комбінованих теплоелектростанцій. Крім Данії солому використовують Австрія, Швеція, Фінляндія і Франція. В Україні потенціал використання соломи складає 4,3 млн. т у.п. на рік (близько 2 % витрат палива), однак її застосування вимагає значних капіталовкладень.

Біогаз, одержуваний з відходів життєдіяльності тварин і птахів, може замінити в Україні 6 млрд. м³ природного газу, однак для його одержання необхідні значні інвестиції, строк окупності яких складає 4-5 роки. Китай проектує через кілька років довести виробництво біогазу до 100-120 млрд. м³.

Одним з перспективних джерел енергії  є звалочний газ, що утворюється  в результаті розкладання органічної частини твердих побутових відходів в анаеробних умовах, що виникають невдовзі після їхнього санітарного поховання. Тільки в містах утворюється 400-450 млн. т твердих побутових відходів на рік. Вихід газу з теплотою згоряння 17-20 МДж/м³ складає 100 м³ з 1 т твердих побутових відходів протягом 20 років зі швидкістю 5 м³/т у рік. Потенціал звалочного газу в країнах Європейського Союзу наближається до 9 млрд. м³/рік, у США -- 13 млрд. м³/рік, в Україні -- близько 1 млрд. м³ на рік.

Тепло морів і енергія припливів  практично не використовуються як джерела енергії, унаслідок їх низького питомого енергетичного потенціалу (малого перепаду температури води, малої амплітуди і значного часу протікання припливів і відливів). У світі побудовано кілька дослідних приливних електростанцій у зонах з максимальними висотами припливів, однак, їхнє промислове будівництво найближчим часом не намічається. Великий обсяг проведених у світі досліджень по розробці способів концентрації низьких енергій дозволяє сподіватися на використання в майбутньому цих колосальних джерел енергії.