Викопне паливо та його переробка

Кам’яне вугілля

Кам’яне вугілля – це осадова, горюча порода органічного походження. Утворюється шляхом перетворення накопиченої органічної речовини. Це супроводжується біологічними, біохімічними, геологічними та геохімічними процесами , які називаються терміном карбонізація . Потім речовина збагачується елементарним вуглецем . Кам’яне вугілля зазвичай містить від 75 до 92%C, тоді як інший сорт вугілля – антрацит – може містити до 97%. Ці процеси надзвичайно тривалі й відбуваються за певних умов температури й тиску. Переробка кам’яного вугілля включає:

• Коксування – найважливіший процес хімічної переробки кам’яного вугілля . В результаті виходить кокс . Вугілля нагрівається при температурі від 900 до 1100 ᵒC, без доступу повітря. У цих умовах відбувається розкладання палива і утворення коксу (у вигляді твердого залишку) і суміші газів, які називаються легкими продуктами коксування. У процесі коксування важливо правильно підготувати сировину до коксування, щоб кінцевий продукт був якісним, тобто мав правильну зернистість, пористість і механічну міцність. Значним тут є сорт кам’яного вугілля. Процес підготовки вугілля включає зважування, подрібнення та змішування.
• Газифікація – суть цього процесу полягає в перетворенні видобутого вугілля в газ з енергетичними властивостями. Газифікація кам’яного вугілля здійснюється в спеціально пристосованих для цього промислових установках. Процес газифікації відбувається в присутності повітря або чистого кисню. Важливо, що кам’яне вугілля – сировина, яка йде в реактор газифікаційної установки – не обов’язково має бути найвищої якості. Забруднене вугілля також добре підходить для цього. Проте ступінь чистоти сировини визначає якість продукту. Синтез-газ, який виробляється газифікацією вугілля, є важливою заміною природного газу в хімічній промисловості .

Читайте також: алотропні різновиди вуглецю .

Сирої нафти

Сира нафта – це складна суміш хімічних сполук . Його склад (приблизно 80-90%) – це переважно рідкі вуглеводні або розчинені тверді вуглеводні . Сира нафта складається переважно з парафінових, ароматичних і циклопарафінових вуглеводнів. На додаток до вищевказаного, органічні сполуки, що містять у своїй структурі такі елементи, як кисень, сірка або азот, також містяться в сирій нафті. Залежно від того, де і де видобувається нафта , вона різниться за зовнішнім виглядом і хімічним складом. Його вуглеводневий склад і наявність інших компонентів впливають на вибір і хід його обробки. Основна переробка сирої нафти включає:

• Перегонка – цей процес спрямований на розділення сирої нафти на окремі фракції (звідси назва фракційна дистиляція), які потім можуть бути використані самостійно або відправлені на подальшу переробку. Установки для перегонки сирої сировини складаються з двох одноступеневих систем перегонки. Перший – дистиляція при атмосферному тиску, а другий – дистиляція при зниженому тиску. При атмосферній дистиляції отримують три основні фракції: нафта першої перегонки (інтервал кипіння 30-200 ᵒC), гас (175-300 ᵒC) і вазелін (275-400 ᵒC). Залишок колони атмосферної дистиляції – мазут – кипить при температурі вище 350 ᵒC. Його відокремлюють на наступній стадії переробки олії, яка передбачає дистиляцію при зниженому тиску. Вакуум і додавання пари значно знижують температури кипіння вуглеводнів. Це дозволяє відокремити їх один від одного без ризику термічного розкладання. Продуктами вакуумної перегонки мазуту є вакуумний газойль, парафінові дистиляти і проміжний продукт подальшої переробки.
• Каталітичний крекінг – окремі фракції сирої нафти містять переважно довголанцюгові аліфатичні вуглеводні . У промисловості найбільшим попитом користується бензин, який є сумішшю вуглеводнів із довжиною ланцюга від 5 до 12 атомів вуглецю. Каталітичний крекінг, під час якого розриваються вуглець-вуглецеві зв’язки в довголанцюгових молекулах, сприяє отриманню таких сполук. Крекінг зазвичай ініціюється термічно або каталітично. Основними реакціями, що відбуваються під час каталітичного крекінгу, є розрив СС-зв’язків в алканах , дегідрування нафтенів, розрив циклу нафтенових вуглеводнів і полімеризація алкенів .
• Реформінг – це ще один процес переробки нафти, метою якого є вилучення якомога більшої кількості бензину. Під час цього процесу вуглеводні з прямими вуглецевими ланцюгами в молекулах перетворюються на розгалужені та/або ароматичні сполуки. Риформінг застосовують до бензинових дистилятів, а також до продуктів крекінгу більш важких фракцій нафти. Цей процес надзвичайно важливий, оскільки під його впливом підвищується октанове число бензину (ізомеризація, дегідроциклізація, ароматизація), що значно підвищує його якість. Крім того, під час реформінгу утворюється значна кількість газоподібного водню. Він використовується в гідропроцесах, таких як гідрорафінація та гідрокрекінг.

Природний газ

Природний газ є ще одним невідновлюваним викопним паливом енергетичного значення. Це газоподібне паливо. Часто зустрічається разом з нафтовими відкладеннями – або у вигляді окремої фракції, або розчиненої в ній. Залежно від розташування пласта розрізняють кілька видів природного газу: високометановий, азотний, сухий і вологий. Перший з них є найважливішим, оскільки містить у своєму складі найбільше метану, до 98%. Крім того, природний газ також містить (у різних кількостях) етан , пропан , оксид вуглецю, вуглекислий газ, азот і гелій. Важливо, що природний газ не має запаху. Для того, щоб швидко виявити його витік, він ароматизований спеціальними речовинами, щоб його було легко відчути. Природний газ, що видобувається з родовища, досить сильно забруднений. Таким чином, щоб його могли використовувати споживачі, він повинен пройти процеси очищення. На них базується переробка природного газу. Ключові етапи цього процесу включають:

• Зневоднення – полягає у видаленні вологи, що міститься в газі. Разом з ним видаляються і деякі забруднення. Водяна пара в природному газі викликає корозію трубопроводів, а також призводить до утворення гідратів , тому перед випуском в мережу природний газ необхідно осушити. Відокремлену рідину називають пластовою водою. Його відправляють у спеціальні сховища, а потім додатково очищають. Для зневоднення природного газу використовуються абсорбційні (гліколі), адсорбційні (хлоридні солі кальцію та магнію) і мембранні методи.
• Видалення вуглекислого газу – цей процес часто називають декарбонізацією. Поряд із сіркою вуглекислий газ є одним із найшкідливіших забруднювачів природного газу. CO ₂ — кислий газ. Він легко реагує з водяною парою в газі і утворює вугільну кислоту . Незважаючи на те, що це малоактивна кислота, вона негативно впливає, серед іншого, на газотранспортні системи через свої корозійні властивості. Тому необхідна декарбонізація природного газу.
• Десульфурація – присутність сірки в природному газі, наприклад у формі сірководню, є дуже шкідливою. Він не тільки впливає на якість газу як палива, але також має отруйні та корозійні властивості. Сірководень є високотоксичним газом. Усунення його з покладів природного газу також є важливим кроком до захисту навколишнього середовища. Процеси десульфуризації зазвичай використовують методи фізичної адсорбції та хемосорбції. Активоване вугілля та цеоліти, серед іншого, є достатньо ефективними як адсорбенти, що видаляють H _2. Поглинання зазвичай відбувається шляхом хімічної реакції з природними масами (наприклад, болотним залізом). Одним із найефективніших методів видалення сірководню є окислення на каталізаторі, так званий процес Клауса. Він передбачає відновлення елементарної сірки з H ₂ S, що міститься в газі.

Торф’яний

Торф є викопним паливом з унікальними властивостями. Вважається «наймолодшим» з викопних вугілля. Торфоутворення передбачає перетворення накопичених уламків, переважно рослинного матеріалу. Ці процеси відомі як пеатифікація. Вони виникають при високому вмісті вологи та обмеженому доступі кисню. Торфи поділяються на однорідні та неоднорідні, які характеризуються змішаним складом. Торф відокремлюється від бурого вугілля умовним обмеженням вмісту елементарного вуглецю 65%за вагою. Після видобутку торф поділяють на три фракції залежно від розміру зерен: дрібну, середню і велику. Свіжовидобутий торф зазвичай має високу кислотність, тому для зниження цієї кислотності часто використовуються добавки, такі як доломітовий порошок.