Combustíveis orgânicos: tipos, composição e classificação

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2024-01-17 19:05

A energia tradicional usa 2 tipos de combustível - orgânico e nuclear. Apesar do fato de que desde a segunda metade do século XX. a energia nuclear está se desenvolvendo muito ativamente, a participação do combustível orgânico na estrutura geral prevalece. Atualmente, é a principal fonte de produção de calor e eletricidade. No total, cerca de duzentos de seus tipos são utilizados pelo homem, cada um com características e indicadores próprios.

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Existem várias classificações de combustíveis fósseis:

• Por origem: natural (natural); artificial (obtido pelo processamento natural).
• Por área de uso: energia (para geração de eletricidade e calor); tecnológico (para a produção de diversos produtos industriais).
• De acordo com o estado físico da substância (os mais comuns estão indicados entre parênteses): líquido (óleo combustível); sólido (carvões fósseis); gasoso (gás natural).
• Por "vida": renovável (madeira, plantas); condicionalmente renovável, cujo períodoa acumulação na crosta terrestre é de vários milhares de anos (turfa); não renovável (carvão, xisto, petróleo, gás).

Para fontes de combustível não renováveis, o período de acumulação é muitas vezes maior do que o período de consumo estimado.

Combustível natural

Os combustíveis fósseis naturais são divididos nos seguintes grupos:

• Fósseis (extraídos das entranhas): carvão duro e marrom; gás natural; turfa; antracite; óleo; xisto betuminoso e outros.
• Artificial: gasolina; querosene; óleo de xisto; briquetes de combustível; carvão; lenhina hidrolítica; resíduos das indústrias alimentícia, agrícola e de papel e celulose; óleo combustível; gás combustível obtido como subproduto do processamento de xisto betuminoso, fundição de ferro, pirólise e outros processos tecnológicos; resíduos de processamento de madeira (serragem seca, aparas, resíduos grumosos).

Combustível orgânico de resíduos agrícolas

De resíduos agrícolas, os seguintes são mais frequentemente usados:

• casca de semente de girassol;
• casca de trigo sarraceno;
• casca de arroz;
• palha.

Como essas fontes são pequenas, elas são mais frequentemente usadas como combustível para caldeiras locais.

Origem

Segundo conceitos científicos, todos os tipos de combustíveis fósseis foram formados a partir de resíduos vegetais e microrganismos existentesde 500 mil a 500 milhões de anos atrás. Sua acumulação ocorreu nas partes da crosta terrestre que foram protegidas da oxidação ativa (zonas costeiras rasas de reservatórios, pântanos, fundo dos mares). A composição química destes resíduos inclui 4 elementos principais:

• carboidratos;
• lignina (substância intercelular de plantas superiores);
• substâncias semelhantes a gorduras (resinas, ceras, ésteres de glicerol);
• proteínas.

Os restos de plantas superiores e musgos acumulados em terrenos pantanosos tornaram-se a base para a formação de humólitos (carvões fósseis), microalgas e bactérias no fundo dos reservatórios - sapropelitos. Sob a influência de alta pressão e temperatura, a matéria orgânica foi transformada (coalificação).

Humolitas com baixo grau de coalificação são chamadas de carvões marrons. Em temperaturas mais altas, os ácidos húmicos foram convertidos em huminas neutras. Há uma completa ausência de ácidos húmicos no carvão.

Em sapropelitos em condições brandas, os processos de polimerização de hidrocarbonetos insaturados com formação de xisto combustível, que durante a destilação dão uma grande quantidade de resina, de composição semelhante ao petróleo, ocorreram predominantemente. As metamorfoses do sapropel em altas temperaturas e a participação catalítica das rochas levaram à formação de uma mistura de hidrocarbonetos nos estados líquido e gasoso (petróleo, natural, gás associado).

Combustível sólido

Os combustíveis fósseis sólidos são materiais heterogêneos capilares-porosos. Sua estrutura contémum grande número de poros e rachaduras. Antes da combustão em usinas termelétricas, as matérias-primas são trituradas em britadores até um tamanho de 15-25 mm (combustão em camadas em caldeiras) ou em um estado pulverizado para reduzir as perdas por subcombustão.

Os combustíveis fósseis líquidos e sólidos são baseados em 5 elementos químicos combustíveis: C, H₂, O_{2, S. Externo (resíduo de cinzas após a combustão, umidade) e lastro interno (nitrogênio e oxigênio) degrada a qualidade do combustível.}

Características do combustível sólido

Os principais tipos de combustíveis orgânicos combustíveis, seus graus e uma breve descrição são apresentados na tabela abaixo.

Tipo de combustível	Marcas e variedades	Característica
Carvão marrom	1B, 2B, 3B (dependendo da capacidade de umidade)	combustível de baixa qualidade; alta higroscopicidade e umidade; baixa resistência mecânica; alto rendimento de compostos voláteis; teor de carbono reduzido; maior tendência à combustão espontânea; valor calórico 7-20 MJ/kg.
Carvão, antracites	D, 1G, 2G, 1GJ, 2GJ, 1J, 2J, 1K, 2K, 1KO, 2KO, 1KS, 2KS, 1OS, 2OS, TS, 1SS, 2SS, 3SS, 1T, 2T, 1A, 2A, 3À	combustível tradicional; alto poder calorífico (até 25 MJ/kg); alto teor de carbono; baixa higroscopicidade e umidade; altaforça; rendimento de componentes voláteis 3-40%.
Turfa	fresamento; grumoso	tipo de combustível local; alta umidade; alto rendimento de compostos voláteis; tendência à combustão espontânea; valor calórico após secagem – 8 MJ/kg.
Xisto betuminoso	humite-sapropelite; sapropelite kukersites (classificação por origem).	maior conteúdo volátil; combustível altamente reativo; valor calórico médio – 4,6-9 MJ/kg; combustível de baixa qualidade, utilizado para as necessidades locais e também como matéria-prima para a produção de combustíveis de alta energia (óleo de xisto, combustíveis gasosos).

Influência da umidade

O alto teor de umidade dificulta a ignição de materiais combustíveis, reduz a temperatura no forno, aumenta a perda de calor. Combustíveis caracterizados por uma longa idade geológica possuem pouca água em sua composição (linhita, turfa).

Existem vários tipos de umidade:

• sorção, acumulando no limite das fases sólida e gasosa;
• capilar (poro);
• superficial (encontrado na superfície externa das peças);
• hidratado (composto por hidratos cristalinos).

Os primeiros 3 tipos de umidade podem ser removidos de combustíveis fósseis sólidos por secagema uma temperatura de 105 ° C, o último - apenas por meio de reações químicas quando aquecido a 700-800 ° C. Durante o transporte e armazenamento ao ar livre, o teor de água pode aumentar significativamente, degradando a qualidade do combustível.

Impurezas minerais

Todos os tipos de combustíveis sólidos contêm impurezas minerais, consistindo principalmente dos seguintes compostos:

• silicatos;
• sulfetos;
• sais de carbonato de Ca, Mg e Fe;
• fosfatos;
• cloretos;
• sulfatos de cálcio e ferro.

Durante a combustão de combustíveis fósseis, eles sofrem transformação em alta temperatura, resultando em cinzas sólidas não combustíveis. Sua composição é muito diferente das substâncias originais devido às seguintes reações:

• transformação de sais de óxido de ferro em óxidos;
• desidratação de compostos de silicato;
• decomposição de carbonatos, liberação de CO_{2, formação de óxidos;}
• oxidação de compostos de enxofre, liberação de dióxido de enxofre;
• evaporação de sais de metais alcalinos.

A composição final do resíduo de cinzas depende das condições de combustão do combustível fóssil. Em altas temperaturas, pode derreter e se transformar em estado líquido (escória). Parte das cinzas é removida dos fornos junto com os produtos de combustão voláteis, o que leva à poluição, escória e desgaste corrosivo dos equipamentos do forno.

Decomposição térmica

Os combustíveis fósseis sólidos passam por vários estágios de decomposição quando queimados:

• bertinação (temperatura até 300 °С, dióxido de carbono e monóxido de carbono, hidrogênio e hidrocarbonetos, água pirogenética são liberados);
• semi-coqueificação (400-450 °С, o volume principal de gás combustível é liberado);
• coqueificação (700-1100 °C, conclusão do processo de liberação de compostos voláteis).

Os produtos da combustão de combustíveis fósseis são chamados respectivamente de bertinatos, semi-coques, coques.

O valor calorífico mais baixo é para xisto com alto teor de cinzas, turfa úmida e carvão marrom, e o mais alto é para antracitos. O poder calorífico mais baixo, no qual o vapor de água escapa para a atmosfera e não se condensa, para combustíveis sólidos é 4,6-26 MJ / kg.

Combustíveis líquidos

Os combustíveis fósseis líquidos para a indústria energética são obtidos a partir do petróleo através da sua decomposição termoquímica. O óleo combustível é usado em grandes instalações (usinas térmicas, caldeiras) e, para fins domésticos, são usadas frações destiladas de derivados de petróleo (gasolina, querosene, óleo diesel, óleo diesel).

O óleo combustível, como o óleo, é um composto coloidal complexo. Sua composição química varia dentro dos seguintes limites (em porcentagem):

• carbono – 86-89;
• hidrogênio - 9, 6-12;
• enxofre - 0, 3-3, 5;
• oxigênio e nitrogênio - 0, 5-1, 7.

Tipos de óleo combustível

A classificação do óleo combustível é a seguinte:

• Por teor de enxofre: baixo teor de enxofre (<0, 5%); baixo teor de enxofre (0,5-1%); sulfuroso (1-2%); alto teor de enxofre (2-3,5%).
• Por viscosidade (entre parênteses sãomarcas): leve ou naval (F5, F12); meio (40V, 40); pesado (100, 200 e 100V); carvão e xisto (formado durante o processamento de xisto e carvão).

O poder calorífico do combustível líquido varia entre 39-41 MJ/kg.

Combustíveis a gás

A composição do combustível gasoso inclui as seguintes substâncias:

• inflamável (hidrocarbonetos saturados, H₂, CO, H_{2S) e não combustível (dióxido de carbono e enxofre, nitrogênio, oxigênio, ar atmosférico) gases;}
• vapor de água;
• resina;
• poeira.

Os seguintes tipos de combustíveis fósseis são os mais usados:

• Gás natural. O principal componente é o metano. Antes do consumo, o gás é seco, despoeirado e as impurezas nocivas do sulfeto de hidrogênio são removidas.
• Gás associado liberado durante a produção de petróleo. A separação de hidrocarbonetos da fase líquida é realizada em separadores. A fração volumétrica de metano é menor do que no gás natural, e os hidrocarbonetos pesados são maiores. Nesse sentido, mais calor é liberado durante a combustão de combustíveis fósseis.
• Gás liquefeito. Os principais componentes são propano e butano, além de impurezas de hidrocarbonetos pesados. A uma temperatura de 20 ° C e pressão atmosférica, assume um estado gasoso. Quando a pressão aumenta ou a temperatura diminui, o gás passa para a fase líquida, que é utilizada para o seu transporte. A matéria-prima para este tipo de combustível é o gás associado e o gás obtido durante o refino de petróleo.
• Gás de coqueria. É um subproduto formado durantecoqueificação de carvão. O produto inicial é purificado de impurezas nocivas, amônia, hidrocarbonetos aromáticos. A produção é de até 3.000 metros cúbicos a partir de 1 tonelada de carvão.
• Gás de alto forno. É formado como resultado da interação de coque e minério de ferro durante seu sopro em altos-fornos. Rendimento – 2200-3200 m3 por 1 tonelada de ferro fundido.

O poder calorífico do gás combustível depende de sua composição química e está na faixa de 4-47 MJ/m3. Quase todos os tipos de gases combustíveis são mais leves que o ar e se acumulam sob os tetos quando vazam. A concentração mais baixa em uma mistura com ar necessária para a ignição é o pentano (1,4% em volume).

Especificações fornecidas

Para uma análise comparativa das propriedades de vários tipos de combustível, são utilizadas as características dadas, definidas como a razão entre o índice de qualidade do combustível de trabalho e seu poder calorífico inferior específico.

Os principais indicadores calculados são:

• umidade;
• conteúdo de cinzas;
• teor de enxofre e nitrogênio.

Na indústria de combustíveis e energia, o conceito de combustível de referência também é utilizado para comparar a eficiência do combustível utilizado. É um combustível cujo menor calor específico de combustão em condições de trabalho é de 7000 kcal/kg. Para cada tipo de combustível, é possível calcular o coeficiente térmico adimensional como a razão entre o calor específico intrínseco de combustão e este valor para o combustível de referência.

Quando os combustíveis fósseis são completamente queimados, formam-se gases triatômicos (dióxido de carbono e dióxido de enxofre)gás) e água. O consumo de substâncias (para 1 mol de combustível) envolvido na combustão é calculado pelas fórmulas baseadas na condição de que todo o oxigênio fornecido com o ar reagirá. Tais equações são chamadas de balanço material da combustão.

Em condições reais, os valores calculados são corrigidos por meio de coeficientes, pois sempre é necessário mais ar para a combustão completa. Para determinar a temperatura dos produtos de combustão, o balanço térmico da reação de oxidação é compilado (por 1 kg de combustível fóssil líquido ou sólido ou por 1 m3 para combustível gasoso). Do ponto de vista da física, a equação do balanço de calor nada mais é do que uma forma de escrever a lei da conservação da energia.