Хімічна переробка палива. Загальні принципи переробки палива з метою одержання сировини та продуктів основного органічного синтезу

Паливом називають iснуючi в природi чи синтетично отриманi горючi органiчнi речовини, якi можуть бути джерелами теплової енергiї та сировиною для хiмiчної промисловостi.

Швидкий розвиток органiчного синтезу (зокрема, виробництва пластмас, хiмiчного волокна, синтетичних каучукiв, лакiв, барвникiв, розчинникiв тощо) потребує величезних кiлькостей вуглеводневої сировини, яку отримують в результатi хiмiчної преробки рiзних палив.

Донедавна потужним джерелом сировини для органiчного синтезу було вугiлля, з якого при коксуваннi отримують бензен, толуен, ксилен, феноли, нафталiн, антрацен, водень, метан, етен та багато iнших цiнних напiвпродуктiв для органiчного синтезу.

В нафтi, яка є в надрах Землi, завжди присутнi розчиненi гази, якi в процесі видобутку нафти видiляються в чистому вигляді або в сумiшах. Це так званi супутнi гази i вони складаються, в основному, з метану, бутану, пропану та iнших вуглеводнiв. На одну тонну нафти припадає 30-40 м³ супутнiх газiв, якi є надзвичайно цiнною сировиною для хiмiчної промисловостi. Вуглеводневою сировиною є також гази, якi отримують при переробцi нафти (крекiнг, пiролiз та риформінг). В цих газах мiстяться насиченi вуглеводнi (метан, етан, пропан, бутан) та ненасиченi вуглеводнi (етен, пропен тощо). Поряд з газоподiбними вуглеводнями при переробцi нафти можуть бути отриманi такі ароматичнi вуглеводнi: бензен, толуен, ксилен та їх сумiшi.

Одним з важливих видiв хiмiчної сировини є природний газ, який містить до 98 % метану. Природний газ в хiмiчнiй промисловостi використовують для виробництва органiчних продуктiв та амонiаку.

Iнші джерела хiмiчної сировини для органiчного синтезу – деревина та її відходи. Це є джерело для отримання целюлози, паперу, етилового спирту, ацетатної кислоти, фурфуролу та цiлого ряду цiнних продуктiв для органiчного і фармацевтичного синтезу.

З сланцiв та торфу отримують горючi гази, сировину для виробництва моторних масел, палива, високомолекулярних сполук.

Всi палива подiляють: 1) за агрегатним станом на твердi, рiдкi та газоподiбнi; 2) за походженням – на природнi та штучнi.

Природне паливо: 1) тверде паливо – вугiлля, дрова, сланцi, торф; 2) рідке паливо – нафта; 3) газоподiбне паливо – природнi та супутнi гази.

Синтетичні види палива в основному отримують внаслідок переробки природного палива: 1) тверде паливо – кокс, напiвкокс, деревне вугiлля; 2) рідке паливо – бензин, керосин, лiгроїн тощо; 3) газоподiбне паливо – генераторний газ, коксовий газ, супутні гази при переробцi нафти.

Розглянемо склад та властивості твердих видів палива. Цi показники визначають режим переробки, а також кiлькiсть та якiсть отриманих продуктiв. Тверді види палива вмiщують горючу органiчну масу та негорючу мiнеральну частину – баласт. Органiчна маса палива складається, в основному, з Карбону, Гідрогену та Оксигену. Окрiм цих елементiв, в органiчнiй масi можуть бути присутнiми, наприклад, Нітроген та Сульфур. Склад твердих видів палива наведений в табл. 16.

Таблиця 16

Склад твердих видів палива

Паливо	Органічна маса, %			Волога	Зола, %	Сульфур, %	Вихід летких сполук, %	Теплотворна здатність, кДж/кг
	С	Н	О+N
Дере-вина	44,0	6,0	50,0	30-40	0,4	0,0	>70	18850
Торф	59,0	6,0	35,0	25	4,5	0,4	70	23900
Буре вугілля	70,0	5,5	24,5	50	4,0	2-3	45-55	25550
Кам’яне вугілля	82,0	5,0	13,0	3-8	6,0	2-6	8-50	33920
Антрацит	95,0	2,0	3,0	1,3	6,0	1-2	8	33500
Сланці	75,0	10,0	15,0		50,0			33920

Спiввiдношення мiж окремими компонентами, якi входять до складу палива, впливає на його властивостi. Негорюча частина палива складається з вологи та мiнеральних речовин. Кiлькiсть вологи в паливi залежить вiд виду палива i вiд способу його видобутку та зберiгання. Середнiй вмiст вологи в паливi наведений в таблиці 16. Мiнеральну частину палива складають карбонати, силiкати, фосфати, сульфiди металiв – кальцiю, феруму, магнiю, алюмiнiю, калiю, натрiю. При спалюваннi палива або його газифiкацiї всi мiнеральнi добавки залишаються у виглядi золи; при цьому більшість з них розкладається з утворенням оксидiв. При пiролiзi частина золи знаходиться в твердому залишку палива. Зольнiсть окремих видiв палива також наведена в таблиці 16.

Сульфур є важливою домiшкою, яка впливає на властивостi палива та на якiсть отриманих при його переробцi продуктiв. Він входить до складу палива у виглядi сульфiдiв – сульфiдний сульфур, сульфатiв – сульфатний сульфур та органічних сполук – органiчний сульфур. При спалюваннi та газифiкацiї палива сульфiдний та сульфатний сульфур окиснюється, утворюючи сiрчистий газ, а сульфатний сульфур в бiльшостi випадкiв залишається в золi.

При сухiй перегонцi палива Сульфур розподiляється мiж отриманими продуктами, але основна його кiлькiсть залишається в твердому залишку. Кiлькiсть Сульфуру в рiзних видах палива наведена в таблиці 16.

Леткими сполуками називають газоподiбнi та рiдкi продукти (при високiй температурi останнi знаходяться в паровiй фазi), якi отримують при нагрiваннi палива без доступу повiтря. Разом з леткими сполуками видiляється i вода.

Для палива визначений стандартизований показник – вихiд летких сполук, який показує втрату в масi палива при його нагрiваннi до температури 850⁰С без доступу повiтря протягом 7 хвилин з врахуванням вмiсту вологи. Цей показник дозволяє оцiнювати доцiльнiсть хiмiчної переробки палива для одержання рiдких та газоподiбних продуктiв.

Теплотворна здатнiсть палива – це кiлькiсть тепла, яке може бути отримане при спалюваннi маси або об'єму палива. Теплотворна здатнiсть – енергетична характеристика палива i виражається в Дж; вона залежить вiд складу та вологостi палива.

Методи переробки рiзних видiв палива мають багато спiльного. Широко використовують процеси пiрогенетичної переробки палива, при яких фiзичнi та хiмiчнi перетворення здійснюються при високих температурах. Пiрогенетична переробка палива може відбуватися трьома основними напрямками: газифiкацiя, гiдрогенування та нагрiв без доступу повiтря (суха перегонка та пiролiз).

Газифiкацiя палива – процес, при якому органiчна частина палива перетворюється в горючi гази при взаємодiї з повiтрям, водяною парою, киснем та iншими газами. Газифiкацiя дозволяє отримувати з малоцiнного палива (наприклад, багатозольного) так званi генераторнi гази, якi являють собою беззольне, транспортабельне паливо та сировину для хiмiчної промисловостi.

В залежностi вiд використання для газифiкацiї газоподiбного агента отримують, в основному, такi генераторнi гази: повiтряна, пароводяна та парокиснева суміші (вони відрiзняються мiж собою за складом та за властивостями). В цих газах можуть мiститись горючi компоненти: карбон (ІІ) оксид, водень, метан.

Газифiкацiя проводиться при 900-1100⁰С. Висока температура досягається за рахунок тепла екзотермiчних реакцiй взаємодiї газифiкуючих агентiв з компонентами палива.

Гiдрування палива (гiдрогенiзацiя) – процес переробки, в якому пiд впливом високої температури (під дiєю водню та в присутностi каталiзаторiв) відбуваються хiмiчнi реакцiї, якi приводять до утворення збагачених воднем продуктiв. Високi температури при гiдруваннi досягаються внаслідок нагрiвання реагуючих речовин, нагрiтими газами через стiнку, i за рахунок тепла екзотермiчних реакцiй. Процеси гiдрування використовуються в переробцi рiдких та газоподiбних палив.

Суха перегонка палива здійснюється при нагрiваннi його без доступу повiтря. В результатi можуть відбуватися:

- фiзичнi процеси, наприклад, роздiлення рiдких палив на фракцiї за температурами їх кипiння;

- хiмiчнi реакцiї – глибока деструкцiя (хiмiчне перетворення компонентiв палива) з утворенням цiлого ряду продуктiв.

Роль та характер окремих процесiв при пiролiзi рiзних видiв палива неоднаковi. У бiльшостi випадкiв їх сумарний тепловий ефект ендотермiчний i тому для пiролiзу необхiдно пiдводити тепло. Нагрiвання реакцiйних апаратiв у бiльшостi випадкiв проводиться гарячими димовими газами, якi передають тепло через стiнку апарата або безпосередньо при стиканні з ним. Суха перегонка палива (пiролiз) вугiлля, торфу, деревини, сланцiв – складний процес, при якому відбуваються паралельнi та послiдовнi реакцiї. В загальному цi реакцiї можуть бути зведені до розщеплення молекул, якi входять до складу палива, полiмеризацiї, конденсацiї, деалкiлювання, ароматизацiї продуктiв розщеплення тощо.

Кiлькiсть та якiсть продуктiв пiролiзу неоднаковi i залежать вiд типу сировини, яку переробляють, а також вiд температури переробки, тривалостi перебування палива в температурнiй зонi високих температур та від цiлого ряду iнших факторiв.