Ископаемое топливо и его переработка

Каменный уголь

Уголь — это осадочная горючая горная порода органического происхождения. Он образуется в результате трансформации накопленного органического вещества. Это сопровождается биологическими, биохимическими, геологическими и геохимическими процессами, которые обозначаются термином «карбонизация». Затем происходит обогащение вещества элементарным углеродом. Каменный уголь обычно содержит от 75 до 92 % C, в то время как другая разновидность угля — антрацит — может содержать до 97 %. Эти процессы очень длительны и происходят при определенных условиях температуры и давления.

К процессам переработки каменного угля относятся:

• Коксование — это важнейший вид химической переработки каменного угля. В результате получается кокс. Уголь нагревается при температуре от 900 до 1 100 ᵒC без доступа воздуха. В этих условиях топливо разлагается и образуется кокс (в виде твердого остатка) и смесь газов, которые называются продуктами легкого коксования. В процессе коксования важно правильно подготовить сырье для коксования, чтобы конечный продукт был хорошего качества, т.е. имел правильную грануляцию, пористость и механическую прочность. В данном случае важна марка каменного угля. Процесс обогащения угля включает в себя взвешивание, измельчение и смешивание.
• Газификация — суть этого процесса заключается в преобразовании добытого угля в газ с энергетическими свойствами. Газификация каменного угля осуществляется в промышленных установках, специально приспособленных для этой цели. Процесс газификации происходит в присутствии воздуха или чистого кислорода. Важно отметить, что каменный уголь — сырье, поступающее в реактор газификационной установки, — не обязательно должен быть самого высокого качества. Загрязненный уголь также хорошо подходит для этого. Однако следует помнить, что степень чистоты вводимого сырья определяет качество продукта. Синтез-газ, получаемый путем газификации угля, является важным заменителем природного газа в химической промышленности.

Читайте также: Аллотропные разновидности углерода.

Сырая нефть

Сырая нефть представляет собой сложную смесь химических соединений. В её составе (около 80-90%) преобладают жидкие углеводороды или растворенные твердые углеводороды. Сырая нефть состоит в основном из парафиновых, ароматических и циклопарафиновых углеводородов. Помимо вышеперечисленного, в сырой нефти также встречаются органические соединения, содержащие в своей структуре такие элементы, как кислород, сера или азот. В зависимости от места добычи масло различается по внешнему виду и химическому составу. Его углеводородный состав и наличие других компонентов влияют на выбор и ход его переработки.

Основные процессы переработки сырой нефти включают:

• Дистилляция — этот процесс направлен на разделение сырой нефти на отдельные фракции (отсюда и название «фракционная дистилляция»), которые затем могут быть использованы самостоятельно или отправлены на дальнейшую переработку. Установки для перегонки сырой нефти состоят из двух одноступенчатых дистилляционных систем. Первый способ — дистилляция при атмосферном давлении, второй — дистилляция при пониженном давлении. При атмосферной перегонке получают три основные фракции: нафту первой перегонки (диапазон кипения 30-200 ᵒC), парафин (175-300 ᵒC) и парафиновое масло (275-400 ᵒC). Остаток из атмосферной колонны — мазут — закипает при температуре выше 350 ᵒC. Его отделяют на следующем этапе переработки масла, который заключается в дистилляции под пониженным давлением. Вакуум и добавление пара значительно снижают температуру кипения углеводородов. Это позволяет отделить их друг от друга без риска термического разложения. Продуктами вакуумной перегонки мазута являются вакуумное дизельное топливо, парафиновые дистилляты и промежуточный продукт для дальнейшей переработки.
• Каталитический крекинг — отдельные фракции сырой нефти, содержащие в своем составе преимущественно длинноцепочечные алифатические углеводороды. В промышленности наибольшим спросом пользуется бензин, представляющий собой смесь углеводородов с длиной цепи от 5 до 12 атомов углерода. Каталитический крекинг, в процессе которого разрываются углерод-углеродные связи в длинноцепочечных молекулах, помогает получить такие соединения. Растрескивание обычно инициируется термически или каталитически. Основными реакциями, происходящими в процессе каталитического крекинга, являются разрыв связей С-С в алканах, дегидрирование нафтенов, разрыв колец в нафтеновых углеводородах и полимеризация алкенов.
• Риформинг — риформинг — это еще один процесс переработки сырой нефти, основная цель которого — извлечь как можно больше бензина. В ходе этого процесса углеводороды с прямыми углеродными цепями в молекулах превращаются в разветвленные и/или ароматические соединения. Реформингу подвергаются бензиновые дистилляты, а также продукты крекинга более тяжелых нефтяных фракций. Этот процесс чрезвычайно важен, поскольку под его воздействием бензин повышает свое октановое число (изомеризация, дегидроциклизация, ароматизация), что значительно повышает его качество. Кроме того, в процессе риформинга образуется значительное количество газообразного водорода. Он используется, например, в таких гидропроцессах, как гидроочистка и гидрокрекинг.

Природный газ

Природный газ — еще одно невозобновляемое ископаемое топливо, имеющее важное энергетическое значение. Это газообразное топливо. Оно часто встречается в нефтяных месторождениях — как отдельная фракция или растворенный в ней. В зависимости от расположения пласта, в том числе, различают несколько видов природного газа: высокометановый, азотистый, сухой и влажный.

Первый является наиболее важный, так как содержит больше всего метана в своем составе — до 98%. Кроме него, природный газ содержит (в разных количествах) этан, пропан, монооксид углерода, диоксид углерода, азот и гелий. Важно отметить, что природный газ не имеет запаха. Например, чтобы быстро обнаружить утечку, его ароматизируют специальными веществами, чтобы его можно было легко почувствовать.

Природный газ, добываемый на месторождении, довольно сильно загрязнен. Поэтому, чтобы попасть к потребителям, она должна пройти процесс очистки. На них основана переработка природного газа.

Основные этапы этого процесса включают:

• Обезвоживание — заключается в устранении влаги, содержащейся в газе. Вместе с ним удаляются и некоторые загрязнения. Водяной пар, содержащийся в природном газе, вызывает коррозию трубопроводов, а также приводит к образованию гидратов, поэтому перед выпуском в сеть природный газ необходимо осушить. Отделившаяся жидкость называется пластовой водой. Он попадает в специальные хранилища, где проходит дальнейшую очистку. Для обезвоживания природного газа используются такие методы, как абсорбция (гликоли), адсорбция (хлористые соли кальция и магния) и мембранные технологии.
• Удаление углекислого газа — этот процесс часто называют декарбонизацией. Наряду с серой, диоксид углерода является одним из наиболее вредных загрязнителей природного газа. _CO2 — это кислотный газ. Он легко вступает в реакцию с водяным паром, содержащимся в газе, и образует углекислоту. Несмотря на то, что это маломощная кислота, она оказывает негативное влияние, в частности, на газотранспортные объекты из-за своих коррозионных свойств. Поэтому необходим процесс декарбонизации природного газа.
• Десульфуризация — наличие серы в природном газе, например, в виде сероводорода, очень вредно. Он не только влияет на качество газа как топлива, но и обладает ядовитыми и коррозийными свойствами. Сероводород — очень токсичный газ. Исключение его из газовых месторождений также является важным шагом на пути к защите окружающей среды. В процессах сероочистки обычно используются методы физической адсорбции и хемосорбции. Активированный уголь и цеолиты в качестве адсорбентов, помимо прочего, обладают удовлетворительной эффективностью при удалении_H2S. Поглощение обычно происходит путем химической реакции с природными массами (например, дерновой рудой). Одним из наиболее эффективных методов удаления сероводорода является окисление на катализаторе, так называемый процесс Клауса. Она включает в себя извлечение элементарной серы из_H2S, содержащегося в газе.

Торф

Торф — ископаемое топливо с уникальными свойствами. Он считался самым «молодым» из ископаемых углей. Образование торфа связано с преобразованием накопленных остатков, в основном растительного материала. Эти процессы называются торфоразработкой. Они возникают при высоком содержании влаги и ограниченном доступе кислорода. Торфы делятся на гомогенные и гетерогенные, которые характеризуются смешанным составом. От бурого угля торф отделяется по условному пределу содержания элементарного углерода, который составляет 65% по весу. После добычи торф разделяют на три фракции в зависимости от размера зерен: мелкие, средние и крупные. Свежедобытый торф обычно имеет высокую кислотность, поэтому для ее снижения часто используют такие добавки, как доломитовая мука.