Biobrennstoffe: Arten, Zusammensetzung und Klassifizierung

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-02 13:52

Traditionelle Energie verwendet 2 Arten von Brennstoffen - organische und nukleare. Trotz der Tatsache, dass seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Die Kernenergie entwickelt sich sehr aktiv, der Anteil organischer Brennstoffe am Gesamtgefüge überwiegt. Derzeit ist es die Hauptquelle für die Erzeugung von Wärme und Strom. Insgesamt werden etwa zweihundert seiner Typen vom Menschen verwendet, von denen jeder seine eigenen Merkmale und Indikatoren hat.

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Es gibt mehrere Klassifikationen fossiler Brennstoffe:

• Nach Herkunft: natürlich (natürlich); künstlich (erh alten durch Verarbeitung natürlicher).
• Nach Nutzungsbereich: Energie (zur Erzeugung von Strom und Wärme); technologisch (für die Herstellung verschiedener Industrieprodukte).
• Je nach Aggregatzustand des Stoffes (die gebräuchlichsten sind in Klammern angegeben): flüssig (Heizöl); fest (fossile Kohlen); gasförmig (Erdgas).
• Auf Lebenszeit: erneuerbar (Holz, Pflanzen); bedingt verlängerbar, deren ZeitraumAkkumulation in der Erdkruste beträgt mehrere tausend Jahre (Torf); nicht erneuerbar (Kohle, Schiefer, Öl, Gas).

Bei nicht erneuerbaren Brennstoffquellen ist die Akkumulationsdauer um ein Vielfaches länger als die geschätzte Verbrauchsdauer.

Natürlicher Brennstoff

Natürliche fossile Brennstoffe werden in folgende Gruppen eingeteilt:

• Fossilien (aus dem Darm gewonnen): Stein- und Braunkohle; Erdgas; Torf; Anthrazit; Öl; Ölschiefer und andere.
• Künstlich: Benzin; Kerosin; Schieferöl; Brennstoffbriketts; Holzkohle; hydrolytisches Lignin; Abfälle aus der Lebensmittel-, Landwirtschafts-, Zellstoff- und Papierindustrie; Heizöl; Gasbrennstoff, der als Nebenprodukt bei der Ölschieferverarbeitung, Eisenverhüttung, Pyrolyse und anderen technologischen Prozessen anfällt; Abfälle aus der Holzverarbeitung (trockenes Sägemehl, Späne, stückiger Abfall).

Biobrennstoff aus landwirtschaftlichen Abfällen

Aus landwirtschaftlichen Abfällen werden am häufigsten verwendet:

• Sonnenblumenkernschale;
• Buchweizenschale;
• Reisschale;
• stroh.

Da diese Quellen klein sind, werden sie meistens als Brennstoff für lokale Heizkessel verwendet.

Ursprung

Nach wissenschaftlichen Vorstellungen wurden alle Arten von fossilen Brennstoffen aus Pflanzenresten und vorhandenen Mikroorganismen gebildetvor 500.000 bis 500 Millionen Jahren. Ihre Anreicherung fand in den Teilen der Erdkruste statt, die vor aktiver Oxidation geschützt waren (flache Küstenzonen von Stauseen, Sümpfe, Meeresböden). Die chemische Zusammensetzung dieser Rückstände umfasst 4 Hauptelemente:

• Kohlenhydrate;
• Lignin (Zwischenzellsubstanz höherer Pflanzen);
• fettähnliche Stoffe (Harze, Wachse, Glycerinester);
• Proteine.

Die Überreste höherer Pflanzen und Moose, die sich auf sumpfigen Landflächen angesammelt haben, wurden zur Grundlage für die Bildung von Humolithen (fossilen Kohlen) und Mikroalgen und Bakterien am Boden von Stauseen - Sapropeliten. Unter dem Einfluss von hohem Druck und hoher Temperatur wurde organisches Material umgewandelt (Inkohlung).

Humolite mit einem geringen Inkohlungsgrad werden als Braunkohlen bezeichnet. Bei höheren Temperaturen wurden Huminsäuren in neutrale Humine umgewandelt. Es gibt eine vollständige Abwesenheit von Huminsäuren in Kohle.

In Sapropelithen unter milden Bedingungen liefen überwiegend die Prozesse der Polymerisation ungesättigter Kohlenwasserstoffe unter Bildung von brennbarem Schiefer ab, der bei der Destillation eine große Menge Harz mit ähnlicher Zusammensetzung wie Öl ergibt. Metamorphosen des Sapropels bei hohen Temperaturen und die katalytische Beteiligung von Gesteinen führten zur Bildung eines Gemisches aus Kohlenwasserstoffen in flüssigem und gasförmigem Zustand (Erdöl, Erdgas, Begleitgas).

Festbrennstoff

Feste fossile Brennstoffe sind kapillarporöse heterogene Materialien. Ihre Struktur enthältviele Poren und Risse. Vor der Verbrennung in Wärmekraftwerken werden Rohstoffe in Brechern auf eine Größe von 15-25 mm (Schichtverbrennung in Kesseln) oder in einen pulverisierten Zustand zerkleinert, um Verluste durch Unterverbrennung zu reduzieren.

Flüssige und feste fossile Brennstoffe basieren auf 5 brennbaren chemischen Elementen: C, H₂, O_{2, S. Extern (Ascherückstände nach der Verbrennung, Feuchtigkeit) und interner (Stickstoff und Sauerstoff) Ballast verschlechtert die Kraftstoffqualität.}

Festbrennstoffeigenschaften

Die wichtigsten Arten von brennbaren organischen Brennstoffen, ihre Qualitäten und eine kurze Beschreibung sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Kraftstofftyp	Marken und Sorten	Eigenschaft
Braunkohle	1B, 2B, 3B (je nach Feuchtigkeitskapazität)	minderwertiger Kraftstoff; hohe Hygroskopizität und Feuchtigkeit; geringe mechanische Festigkeit; hohe Ausbeute an flüchtigen Verbindungen; reduzierter Kohlenstoffgeh alt; erhöhte Neigung zur Selbstentzündung; Heizwert 7-20 MJ/kg.
Kohle, Anthrazit	D, 1G, 2G, 1GJ, 2GJ, 1J, 2J, 1K, 2K, 1KO, 2KO, 1KS, 2KS, 1OS, 2OS, TS, 1SS, 2SS, 3SS, 1T, 2T, 1A, 2A, 3À	traditioneller Brennstoff; hoher Heizwert (bis 25 MJ/kg); hoher Kohlenstoffgeh alt; geringe Hygroskopizität und Feuchtigkeit; hochStärke; Ausbeute an flüchtigen Bestandteilen 3-40%.
Torf	fräsen; klumpig	lokaler Kraftstofftyp; hohe Luftfeuchtigkeit; hohe Ausbeute an flüchtigen Verbindungen; Neigung zur Selbstentzündung; Brennwert nach Trocknung – 8 MJ/kg.
Ölschiefer	Humit-Sapropelit; Sapropelit-Kukersites (Klassifizierung nach Herkunft).	höchster flüchtiger Geh alt; hochreaktiver Kraftstoff; durchschnittlicher Brennwert – 4,6-9 MJ/kg; minderwertiger Brennstoff, der für den lokalen Bedarf und auch als Rohstoff für die Herstellung von hochenergetischen Brennstoffen (Schieferöl, gasförmige Brennstoffe) verwendet wird.

Einfluss von Feuchtigkeit

Ein hoher Feuchtigkeitsgeh alt erschwert das Entzünden brennbarer Materialien, senkt die Temperatur im Ofen und erhöht den Wärmeverlust. Brennstoffe, die durch ein langes geologisches Alter gekennzeichnet sind, haben wenig Wasser in ihrer Zusammensetzung (Braunkohle, Torf).

Es gibt verschiedene Arten von Feuchtigkeit:

• Sorption, Anreicherung an der Grenze zwischen fester und gasförmiger Phase;
• Kapillare (Pore);
• oberflächlich (auf der äußeren Oberfläche der Stücke gefunden);
• hydratisiert (bestehend aus kristallinen Hydraten).

Die ersten 3 Arten von Feuchtigkeit können aus festen fossilen Brennstoffen durch Trocknen entfernt werdenbei einer Temperatur von 105 ° C, letzteres - nur durch chemische Reaktionen beim Erhitzen auf 700-800 ° C. Während des Transports und der Lagerung im Freien kann der Wassergeh alt erheblich ansteigen und die Qualität des Kraftstoffs verschlechtern.

Mineralische Verunreinigungen

Alle Arten fester Brennstoffe enth alten mineralische Verunreinigungen, die hauptsächlich aus folgenden Verbindungen bestehen:

• Silikate;
• Sulfide;
• Carbonatsalze von Ca, Mg und Fe;
• Phosphate;
• Chloride;
• Calcium- und Eisensulfate.

Bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen unterliegen diese einer Hochtemperaturumwandlung, wodurch feste, nicht brennbare Asche zurückbleibt. Seine Zusammensetzung unterscheidet sich stark von den Ausgangsstoffen durch folgende Reaktionen:

• Umwandlung von Eisenoxidsalzen in Oxide;
• Entwässerung von Silikatverbindungen;
• Zersetzung von Karbonaten, Freisetzung von CO_{2, Bildung von Oxiden;}
• Oxidation von Schwefelverbindungen, Freisetzung von Schwefeldioxid;
• Verdampfung von Alkalimetallsalzen.

Die endgültige Zusammensetzung des Ascherückstands hängt von den Bedingungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe ab. Bei hohen Temperaturen kann es schmelzen und in einen flüssigen Zustand (Schlacke) übergehen. Ein Teil der Asche wird zusammen mit flüchtigen Verbrennungsprodukten aus den Öfen entfernt, was zu Verschmutzung, Verschlackung und korrosivem Verschleiß der Ofenausrüstung führt.

Thermische Zersetzung

Feste fossile Brennstoffe durchlaufen beim Verbrennen mehrere Zersetzungsstufen:

• bertination (Temperatur bis 300 °С, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe, pyrogenes Wasser werden freigesetzt);
• Halbverkokung (400-450 °С, die Hauptmenge an brennbarem Gas wird freigesetzt);
• Verkokung (700-1100 °C, Abschluss des Freisetzungsprozesses flüchtiger Verbindungen).

Verbrennungsprodukte fossiler Brennstoffe werden Bertinate, Halbkokse, Kokse genannt.

Schiefer mit hohem Aschegeh alt, Feuchttorf und Braunkohle haben den niedrigsten Heizwert, Anthrazit den höchsten. Der untere Heizwert, bei dem Wasserdampf in die Atmosphäre entweicht und nicht kondensiert, beträgt für feste Brennstoffe 4,6-26 MJ / kg.

Flüssigbrennstoffe

Flüssige fossile Brennstoffe für die Energiewirtschaft werden aus Erdöl durch dessen thermochemische Zersetzung gewonnen. Heizöl wird in großen Anlagen (Heizkraftwerke, Kesselhäuser) verwendet, und für Haush altszwecke werden Destillatfraktionen von Erdölprodukten (Benzin, Kerosin, Dieselkraftstoff, Dieselkraftstoff) verwendet.

Heizöl ist wie Öl eine komplexe kolloidale Verbindung. Seine chemische Zusammensetzung variiert innerhalb der folgenden Grenzen (in Prozent):

• Kohlenstoff – 86-89;
• Wasserstoff - 9, 6-12;
• Schwefel - 0, 3-3, 5;
• Sauerstoff und Stickstoff - 0, 5-1, 7.

Heizölarten

Klassifizierung von Heizöl ist wie folgt:

• Nach Schwefelgeh alt: schwefelarm (<0, 5%); schwefelarm (0,5-1%); schwefelh altig (1-2%); hoher Schwefelgeh alt (2-3,5 %).
• Nach Viskosität (in Klammern sindMarken): Leicht oder Marine (F5, F12); mittel (40 V, 40); schwer (100, 200 und 100 V); Kohle und Schiefer (entstanden bei der Verarbeitung von Schiefer und Kohle).

Der Heizwert von Flüssigbrennstoff variiert zwischen 39-41 MJ/kg.

Gasbrennstoffe

Zur Zusammensetzung des gasförmigen Brennstoffs gehören die folgenden Stoffe:

• brennbar (gesättigte Kohlenwasserstoffe, H₂, CO, H2_{S) und nicht brennbar (Kohlendioxid und Schwefel, Stickstoff, Sauerstoff, atmosphärische Luft) Gase;}
• Wasserdampf;
• Harz;
• Staub.

Die folgenden Arten von fossilen Brennstoffen werden am häufigsten verwendet:

• Erdgas. Der Hauptbestandteil ist Methan. Vor dem Verbrauch wird das Gas getrocknet, entstaubt und von schädlichen Verunreinigungen durch Schwefelwasserstoff befreit.
• Bei der Ölförderung freigesetztes Begleitgas. Die Abtrennung von Kohlenwasserstoffen aus der flüssigen Phase erfolgt in Separatoren. Der Volumenanteil von Methan ist geringer als in Erdgas, und schwere Kohlenwasserstoffe sind höher. Dabei wird bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe mehr Wärme freigesetzt.
• Flüssiggas. Hauptbestandteile sind Propan und Butan sowie Verunreinigungen aus schweren Kohlenwasserstoffen. Bei einer Temperatur von 20 °C und Atmosphärendruck nimmt es einen gasförmigen Zustand an. Wenn der Druck steigt oder die Temperatur sinkt, geht das Gas in die flüssige Phase über, die für seinen Transport verwendet wird. Der Rohstoff für diese Art von Kraftstoff ist Begleitgas und Gas, das bei der Ölraffination gewonnen wird.
• Kokereigas. Es ist ein Nebenprodukt, das dabei entstehtKohleverkokung. Das Ausgangsprodukt wird von schädlichen Verunreinigungen, Ammoniak und aromatischen Kohlenwasserstoffen gereinigt. Die Leistung beträgt bis zu 3000 Kubikmeter aus 1 Tonne Kohle.
• Hochofengas. Es entsteht durch das Zusammenwirken von Koks und Eisenerzen beim Einblasen in Hochöfen. Ertrag – 2200-3200 m3 pro 1 Tonne Gusseisen.

Der Heizwert von Gasbrennstoff hängt von seiner chemischen Zusammensetzung ab und liegt im Bereich von 4-47 MJ/m3. Fast alle Arten von brennbaren Gasen sind leichter als Luft und sammeln sich beim Austreten unter Decken an. Die niedrigste zur Zündung erforderliche Konzentration in einem Gemisch mit Luft ist Pentan (1,4 Vol.-%).

Spezifikationen angegeben

Für eine vergleichende Analyse der Eigenschaften verschiedener Brennstoffarten werden die angegebenen Kennwerte herangezogen, definiert als Verhältnis des Qualitätsindex des Arbeitsbrennstoffes zu seinem spezifischen unteren Heizwert.

Die wichtigsten berechneten Indikatoren sind:

• Feuchtigkeit;
• Ascheinh alt;
• Schwefel- und Stickstoffgeh alt.

In der Kraftstoff- und Energiewirtschaft wird das Konzept des Referenzkraftstoffs auch verwendet, um die Effizienz des verwendeten Kraftstoffs zu vergleichen. Es ist ein Kraftstoff, dessen niedrigste spezifische Verbrennungswärme im Betriebszustand 7000 kcal/kg beträgt. Für jede Kraftstoffart kann der dimensionslose Wärmekoeffizient als Verhältnis der inhärenten spezifischen Verbrennungswärme zu diesem Wert für den Bezugskraftstoff berechnet werden.

Wenn fossile Brennstoffe vollständig verbrannt werden, entstehen dreiatomige Gase (Kohlendioxid und Schwefeldioxid). Erdgas) und Wasser. Der Verbrauch der an der Verbrennung beteiligten Substanzen (für 1 Mol Kraftstoff) wird nach den Formeln berechnet, die auf der Bedingung basieren, dass der gesamte mit der Luft zugeführte Sauerstoff reagiert. Solche Gleichungen nennt man Stoffbilanz der Verbrennung.

Unter realen Bedingungen werden berechnete Werte mit Koeffizienten korrigiert, da für eine vollständige Verbrennung immer mehr Luft benötigt wird. Zur Bestimmung der Temperatur der Verbrennungsprodukte wird die Wärmebilanz der Oxidationsreaktion erstellt (pro 1 kg flüssiger oder fester fossiler Brennstoffe bzw. pro 1 m3 bei gasförmigen Brennstoffen). Aus physikalischer Sicht ist die Wärmebilanzgleichung nichts anderes als eine Form, den Energieerh altungssatz zu schreiben.