Combustibles orgánicos: tipos, composición y clasificación

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2024-01-17 18:47

La energía tradicional utiliza 2 tipos de combustible: orgánico y nuclear. A pesar de que desde la segunda mitad del siglo XX. la energía nuclear se está desarrollando muy activamente, prevalece la proporción de combustible orgánico en la estructura general. En la actualidad, es la principal fuente de producción de calor y electricidad. En total, el hombre utiliza unos doscientos de sus tipos, cada uno de los cuales tiene sus propias características e indicadores.

Vistas

Hay varias clasificaciones de combustibles fósiles:

• Por origen: natural (natural); artificial (obtenido por procesamiento natural).
• Por área de uso: energía (para generar electricidad y calor); tecnológico (para la elaboración de diversos productos industriales).
• Según el estado físico de la sustancia (los más comunes se indican entre paréntesis): líquido (aceite combustible); sólido (carbones fósiles); gaseoso (gas natural).
• Por "vida útil": renovable (madera, plantas); condicionalmente renovable, cuyo períodola acumulación en la corteza terrestre es de varios miles de años (turba); no renovable (carbón, esquisto, petróleo, gas).

Para las fuentes de combustible no renovables, el período de acumulación es mucho más largo que el período de consumo estimado.

Combustible natural

Los combustibles fósiles naturales se dividen en los siguientes grupos:

• Fósiles (extraídos de las entrañas): carbón duro y pardo; gas natural; turba; antracita; aceite; esquisto bituminoso y otros.
• Artificial: gasolina; queroseno; aceite de esquisto bituminoso; briquetas de combustible; carbón; lignina hidrolítica; residuos de las industrias alimentaria, agrícola y de pulpa y papel; gasolina; combustible gaseoso obtenido como subproducto del procesamiento de esquisto bituminoso, fundición de hierro, pirólisis y otros procesos tecnológicos; Residuos del procesamiento de la madera (aserrín seco, virutas, residuos grumosos).

Combustible orgánico a partir de residuos agrícolas

De los residuos agrícolas, los siguientes son los más utilizados:

• cáscara de semilla de girasol;
• cáscara de alforfón;
• cáscara de arroz;
• paja.

Debido a que estas fuentes son pequeñas, se utilizan con mayor frecuencia como combustible para calderas locales.

Origen

Según los conceptos científicos, todos los tipos de combustibles fósiles se formaron a partir de residuos vegetales y microorganismos que existierondesde hace 500 mil a 500 millones de años. Su acumulación tuvo lugar en aquellas partes de la corteza terrestre que estaban protegidas de la oxidación activa (zonas costeras poco profundas de embalses, pantanos, el fondo de los mares). La composición química de estos residuos incluye 4 elementos principales:

• carbohidratos;
• lignina (sustancia intercelular de las plantas superiores);
• sustancias grasas (resinas, ceras, ésteres de glicerol);
• proteínas.

Los restos de plantas superiores y musgos que se acumularon en áreas pantanosas de tierra se convirtieron en la base para la formación de humolitos (carbones fósiles) y microalgas y bacterias en el fondo de los embalses: sapropelitas. Bajo la influencia de altas presiones y temperaturas, la materia orgánica se transformó (coalificación).

Los humolitos con un bajo grado de carbonificación se denominan carbones marrones. A temperaturas más altas, los ácidos húmicos se convirtieron en huminas neutras. Hay una ausencia total de ácidos húmicos en el carbón.

En sapropelitas en condiciones suaves, los procesos de polimerización de hidrocarburos insaturados con la formación de esquistos combustibles, que durante la destilación dan una gran cantidad de resina, similar en composición al petróleo, procedieron predominantemente. Las metamorfosis del sapropel a altas temperaturas y la participación catalítica de las rocas llevaron a la formación de una mezcla de hidrocarburos en estado líquido y gaseoso (petróleo, natural, gas asociado).

Combustible sólido

Los combustibles fósiles sólidos son materiales heterogéneos porosos por capilaridad. Su estructura contieneuna gran cantidad de poros y grietas. Antes de la combustión en las centrales térmicas, las materias primas se trituran en trituradoras hasta un tamaño de 15-25 mm (combustión por capas en calderas) o se pulverizan para reducir las pérdidas por subquemado.

Los combustibles fósiles líquidos y sólidos se basan en 5 elementos químicos combustibles: C, H₂, O_{2, S. Externo (residuos de ceniza después de la combustión, humedad) y lastre interno (nitrógeno y oxígeno) degrada la calidad del combustible.}

Características del combustible sólido

Los principales tipos de combustibles orgánicos combustibles, sus grados y una breve descripción se presentan en la siguiente tabla.

Tipo de combustible	Marcas y variedades	Característica
Carbón pardo	1B, 2B, 3B (dependiendo de la capacidad de humedad)	combustible de baja calidad; alta higroscopicidad y humedad; baja resistencia mecánica; alto rendimiento de compuestos volátiles; reducción del contenido de carbono; mayor tendencia a la combustión espontánea; poder calorífico 7-20 MJ/kg.
Carbón, antracitas	D, 1G, 2G, 1GJ, 2GJ, 1J, 2J, 1K, 2K, 1KO, 2KO, 1KS, 2KS, 1OS, 2OS, TS, 1SS, 2SS, 3SS, 1T, 2T, 1A, 2A, 3Ð	combustible tradicional; alto poder calorífico (hasta 25 MJ/kg); alto contenido de carbono; baja higroscopicidad y humedad; altofuerza; rendimiento de componentes volátiles 3-40%.
Turba	fresado; bultos	tipo local de combustible; alta humedad; alto rendimiento de compuestos volátiles; tendencia a la combustión espontánea; poder calorífico después del secado – 8 MJ/kg.
Esquisto bituminoso	humita-sapropelita; kukersitas de sapropelita (clasificación por origen).	contenido volátil más alto; combustible altamente reactivo; valor calorífico medio – 4,6-9 MJ/kg; combustible de baja calidad, utilizado para necesidades locales y también como materia prima para la producción de combustibles de alta energía (shale oil, combustibles gaseosos).

Influencia de la humedad

El alto contenido de humedad dificulta la ignición de materiales combustibles, reduce la temperatura en el horno y aumenta la pérdida de calor. Los combustibles que se caracterizan por una larga edad geológica tienen poca agua en su composición (lignito, turba).

Hay varios tipos de humedad:

• sorción, acumulación en el límite de las fases sólida y gaseosa;
• capilar (poro);
• superficial (que se encuentra en la superficie exterior de las piezas);
• hidratado (compuesto de hidratos cristalinos).

Los primeros 3 tipos de humedad se pueden eliminar de los combustibles fósiles sólidos mediante el secadoa una temperatura de 105 ° C, este último, solo a través de reacciones químicas cuando se calienta a 700-800 ° C. Durante el transporte y almacenamiento al aire libre, el contenido de agua puede aumentar significativamente, degradando la calidad del combustible.

Impurezas minerales

Todos los tipos de combustibles sólidos contienen impurezas minerales, que consisten principalmente en los siguientes compuestos:

• silicatos;
• sulfuros;
• sales carbonatadas de Ca, Mg y Fe;
• fosfatos;
• cloruros;
• sulfatos de calcio y hierro.

Durante la combustión de los combustibles fósiles, se someten a una transformación a alta temperatura, como resultado de lo cual quedan cenizas sólidas no combustibles. Su composición es muy diferente a las sustancias originales debido a las siguientes reacciones:

• transformación de sales de óxido de hierro en óxidos;
• deshidratación de compuestos de silicato;
• descomposición de carbonatos, liberación de CO_{2, formación de óxidos;}
• oxidación de compuestos de azufre, liberación de dióxido de azufre;
• evaporación de sales de metales alcalinos.

La composición final del residuo de ceniza depende de las condiciones de la combustión de combustibles fósiles. A altas temperaturas, puede derretirse y pasar a estado líquido (escoria). Parte de la ceniza se elimina de los hornos junto con los productos de combustión volátiles, lo que provoca contaminación, formación de escoria y desgaste corrosivo del equipo del horno.

Descomposición térmica

Los combustibles fósiles sólidos pasan por varias etapas de descomposición cuando se queman:

• bertinación (temperatura de hasta 300 °С, se liberan dióxido y monóxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos, agua pirogenética);
• semicoquización (400-450 °С, se libera el volumen principal de gas combustible);
• coquización (700-1100 °C, finalización del proceso de liberación de compuestos volátiles).

Los productos de combustión de los combustibles fósiles se denominan respectivamente bertinatos, semicoques y coques.

El poder calorífico más bajo es para el esquisto con alto contenido de cenizas, la turba húmeda y el lignito, y el más alto es para las antracitas. El poder calorífico inferior, al que el vapor de agua se escapa a la atmósfera y no se condensa, para los combustibles sólidos es de 4,6-26 MJ/kg.

Combustibles líquidos

Los combustibles fósiles líquidos para la industria energética se obtienen del petróleo mediante su descomposición termoquímica. El fuel oil se utiliza en grandes instalaciones (centrales térmicas, salas de calderas) y, para fines domésticos, se utilizan fracciones destiladas de productos derivados del petróleo (gasolina, queroseno, gasóleo, gasóleo).

El fuel oil, como el petróleo, es un compuesto coloidal complejo. Su composición química varía dentro de los siguientes límites (en porcentaje):

• carbono – 86-89;
• hidrógeno - 9, 6-12;
• azufre - 0, 3-3, 5;
• oxígeno y nitrógeno - 0, 5-1, 7.

Tipos de fuel oil

La clasificación del fueloil es la siguiente:

• Por contenido de azufre: bajo contenido de azufre (<0, 5%); bajo contenido de azufre (0,5-1%); sulfuroso (1-2%); alto contenido de azufre (2-3,5%).
• Por viscosidad (entre paréntesis estánmarcas): ligera o naval (F5, F12); medio (40V, 40); pesado (100, 200 y 100V); carbón y esquisto (formado durante el procesamiento de esquisto y carbón).

El poder calorífico del combustible líquido varía entre 39 y 41 MJ/kg.

Combustibles gaseosos

La composición del combustible gaseoso incluye las siguientes sustancias:

• inflamables (hidrocarburos saturados, H₂, CO, H_{2S) y no combustibles (dióxido de carbono y azufre, nitrógeno, oxígeno, aire atmosférico) gases;}
• vapor de agua;
• resina;
• polvo.

Los siguientes tipos de combustibles fósiles son los más utilizados:

• Gas natural. El componente principal es el metano. Antes del consumo, el gas se seca, se elimina el polvo y se eliminan las impurezas nocivas del sulfuro de hidrógeno.
• Gas asociado liberado durante la producción de petróleo. La separación de hidrocarburos de la fase líquida se realiza en separadores. La fracción de volumen de metano es menor que en el gas natural y la de hidrocarburos pesados es mayor. En este sentido, se libera más calor durante la combustión de combustibles fósiles.
• Gas licuado. Los principales componentes son propano y butano, así como impurezas de hidrocarburos pesados. A una temperatura de 20°C y presión atmosférica, adquiere un estado gaseoso. Cuando la presión aumenta o la temperatura disminuye, el gas pasa a la fase líquida, que se utiliza para su transporte. La materia prima de este tipo de combustible es el gas asociado y el gas obtenido durante la refinación del petróleo.
• Gas de horno de coque. Es un subproducto formado durantecoquización del carbón. El producto inicial se purifica de impurezas nocivas, amoníaco, hidrocarburos aromáticos. La producción es de hasta 3000 metros cúbicos a partir de 1 tonelada de carbón.
• Gas de alto horno. Se forma como resultado de la interacción del coque y los minerales de hierro durante su soplado en altos hornos. Rendimiento: 2200-3200 m3 por 1 tonelada de hierro fundido.

El poder calorífico del combustible gaseoso depende de su composición química y está en el rango de 4-47 MJ/m3. Casi todos los tipos de gases combustibles son más livianos que el aire y se acumulan debajo de los techos cuando hay fugas. La concentración más baja en una mezcla con aire necesaria para la ignición es el pentano (1,4 % en volumen).

Especificaciones dadas

Para un análisis comparativo de las propiedades de varios tipos de combustible, se utilizan las características dadas, definidas como la relación entre el índice de calidad del combustible de trabajo y su poder calorífico inferior específico.

Los principales indicadores calculados son:

• humedad;
• contenido de cenizas;
• contenido de azufre y nitrógeno.

En la industria de los combustibles y la energía, el concepto de combustible de referencia también se utiliza para comparar la eficiencia del combustible utilizado. Es un combustible cuyo calor específico de combustión más bajo en condiciones de trabajo es de 7000 kcal/kg. Para cada tipo de combustible, es posible calcular el coeficiente térmico adimensional como la relación entre el calor específico intrínseco de combustión y este valor para el combustible de referencia.

Cuando los combustibles fósiles se queman por completo, se forman gases triatómicos (dióxido de carbono y dióxido de azufre)gas) y agua. El consumo de sustancias (para 1 mol de combustible) involucradas en la combustión se calcula mediante fórmulas basadas en la condición de que todo el oxígeno suministrado con el aire reaccionará. Estas ecuaciones se denominan balance de materia de la combustión.

En condiciones reales, los valores calculados se corrigen mediante coeficientes, ya que siempre se requiere más aire para una combustión completa. Para determinar la temperatura de los productos de combustión, se compila el balance de calor de la reacción de oxidación (por 1 kg de combustible fósil líquido o sólido o por 1 m3 para combustible gaseoso). Desde el punto de vista de la física, la ecuación del balance térmico no es más que una forma de escribir la ley de conservación de la energía.