Реферат: Твёрдые горючие ископаемые

ВВЕДЕНИЕ
Твердые горючие ископаемые (уголь, торф, сланцы) являются ценным источником энергии. Человечество давно узнало и оценило их важность для себя. Кроме этого, область применения твердых горючих ископаемых непрерывно расширяется благодаря достижениям современной науки и техники.

[sms]

Ископаемое твердое топливо универсально в отношении применения его в химической промышленности. Оно содержит в себе многие из веществ, которые человек может получить только путем синтеза. Переработка углей, например, позволяет получить смесь реакционноспособных соединений, которая потом используется в качестве сырья для многих синтезов в различных отраслях химической промышленности, сельского хозяйства и т. д. Так, широко используемые в сельском хозяйстве гуминовые кислоты (удобрения) выделяют из бурых углей.
Полноценно использовать то или иное ископаемое можно только в том случае, когда нам известны его химический состав и физические свойства. Данный реферат рассматривает основные характеристики ископаемых и способы их применения.

ОБРАЗОВАНИЕ УГЛЕЙ

Угли, как и другие твердые горючие ископаемые, были образованы различными растениями в процессе их отмирания.

Образование гумусовых углей

В далеком прошлом на огромных незаболоченных пространствах произрастали пышные леса. Для бурного роста деревьев были все условия - теплый влажный воздух, насыщенный углекислым газом. Но вместе с бурным ростом такие условия способствовали и бурному отмиранию растений. Падая на землю, растения или их части подвергались разложению при свободном доступе воздуха. Эти условия приводили к тому, что разложение целлюлозы проходило очень быстро.В результате огромная масса растительного материала быстро превращалась в смесь гуминовых кислот с незначительными примесями восков, углеводородов и смол. Однако образованная таким способом масса почти полностью разлагается микроорганизмами, поэтому больших количеств растительного материала в тех условиях образоваться не могло.
Описанным выше образом получался сухой торф. Если его скопление покрывалось какой-либо породой (например, песком), то даже под внешним давлением никаких значительных изменений с ним не происходило. Не обладая пластичностью ,масса не могла расслаиваться и перемещаться.Масса не содержала в себе остатков неразложившегося вещества ,поэтому и дальнейших процессов разложения в ней не было. Следовательно, повышения температуры в слоях сухого торфа не происходило. Можно сказать, что с течением времени в пластах сухого торфа протекали только незначительные изменения, например уплотнение пластов.
Уплотняясь,гуминовые кислоты лишались карбоксильной группы(протекал процесс декарбоксилирования) и превращались в гуммиты;сиолы также подвергались декарбоксилированию, а воски не меняли своего строения. Результатом этого процесса было образование бурых гумусовых углей.
Под воздействием определенных факторов окружающей среды бурые гумсовые угли превращались в гумусовый каменный уголь. Это происходило под действием высокого давления на буроугольные гумусовые пласты и сопровождалось повышением температуры, в результате чего активировалось разложение и декарбоксилирование гумусовых кислот; также происходила полимеризация смол и восков, что приводило к образованию неплавких и нерастворимых в воде высокомолекулярных соединений.

Смешанные угли

Очень редко в природе встречались условия для образования чистых гумусовых углей. Чаще всего образовывались угли смешанного характера .Предполагают, что их образование протекало по нескольким возможным механизмам.
Гумусовые вещества могли заноситься в водоем и медленно оседать на дно. Разрастающийся планктон со временем оседал на дно и смешивался с гумусовыми веществами. Частично разложившийся растительный материал и значительное количество гуминовых кислот приносили воды , размывающии торфянники.

Могло быть и иначе. ПОсле мощных осадков в водоёмы врывался бурный поток воды ,содержащий минеральные вещества и гумусовый материал.Первыми на дно оседали минеральные вещества , а гумусовый материал действовал как окислитель на ненасыщенные кислоты планктона. Опускаясь на дно , эти соединения подвергались полимеризации.

Постепенное отмирание планктона приводило к накоплению в природной части водоемов жирового материала. Отсутствие кислорода (т. н. анаэробные условия) способствовало его дегидратации и дальнейшей полимеризации .Современем на этих участках получалась однородная масса, впоследствии образовавшая витрит-уголь смешанного происхождения.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ УГЛЕЙ
Основные различия твердых горючих ископаемых зависят в первую очередь от того, насколько отличается их химический состав. Химический состав - совокупность веществ, составляющих ископаемое. Рассмотрим наиболее важные составляющие углей и углеобразователи.
Органическая масса всех горючих ископаемых содержит одни и те же основые элементы: углерод, водород, кислород, азот и серу, однако их количество различно в зависимости от вида ископаемого. Для примера рассмотрим средний элементный состав некоторых ископаемых.

Одинаковый качественный и разный количественный состав горючих ископаемых говорит о том, что произошли они из одного и того же природного материала - остатков растений и животных, но под действием разных условий окружающей среды.
Из веществ, входящих в состав растений , в особую группу выделяют вещества, способные участвовать в процессе углеобразования - углеобразователи :
• белки - природные соединения макромолекулярного строения; общей характеристикой белков является образование аминокислот при гидролизе;
• целлюлоза (С₆Н₁₀О₅) - полимер линейной структуры, основной строительный материал растений;
• воски - сложные эфиры высших карбоновых кислот и алифатических спиртов нормального строения;
*' смолы - сложные смеси карбоновых кислот, омыляемых и неомыляемых соединений. Смолы могут подвергаться полимеризации и декарбоксилированию.

МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ

Переработка углей позволяет улучшить их свойства, а кроме того, получать из углей многие ценные вещества. Так, например, широко распространено получение из твердых горючих ископаемых газообразного топлива и использование их для получения синтетического топлива. Для этого разработаны несколько методов высокотемпературной обработки угля: пиролиз, газификация и др.

Термическая переработка угля по степени конверсии делится на подсушку, полукоксование, коксование, безостаточную газификацию. Рассмотрим эти процессы подробнее.
Подсушка - процесс, предшествующий полукоксованию. Подсушке направлена на удаление из угля связанной воды. Процесс проводят при температурах не выше 160 °С. Во время подсушки разложения угля не происходит. Если подсушку проводить с доступом воздуха, то может происходить окисление топлива.
Повышение температуры до 200-250 °С приводит к газовыделению из угля - в основном выделяется оксид углерода(IV) и пары воды.Также возможно выделение сероводорода. Если температуру поднимать до 300- 350 ^оС ,то количество выделяющихся газов резко возрастает. Одновремен начинается выделение паров дегтя - конденсирующихся жидких продуктов .Максимальное количество дегтя выделяется при 500-550 ^оС. Описанные процессы называются полукоксованием, а продукт полукоксования - первичным дегтем.

 Остаток после полукоксования называется полукоксом. Он содержит большое количество летучих соединений и направляется на дальнейшую переработку. Газ полукосования содержит в основном оксид углерода(IV),большое количество предельных и непредельных углеводородов.
 Коксование - термический процесс переработки каменных углей.Он заключается в нагревании каменных углей без доступа воздуха до 1000-1100^о С. В этих условиях происходит разложение углей на летучие продукты (сырой , или прямой, газ) и твердый остаток - кокс. Кокс направляется для дальнейшего использования (преимущественно в металлургической промышленности ), а сырой газ отправляют на переработку.

  В состав  сырого газа входят амиак , бензол, пары смолы, цианистый водород, сероводород и угольная пыль. Количественный состав сырого газа зависит от химического состава углей, подвергшихся коксованию.

  Поскольку из сырого газа можно получить многие полезные вещества ,то его направляют на освобождение от них .В основном улавливают такие ценные ' продукты, как аммиак, бензол. Аммиак связывают серной кислотой , а бензол извлекают поглотительным маслом. Затем сырой газ очищают от сероводорода и  цианистого водорода и используют как топливо или сырье для  дальнейшей химической переработки.

  Газификация - процесс термического взаимодействия углерода топлива с окислителями с целью получения горючих газов . продуктами газификации  обычно являются водород Н₂ , оксид углерода (II) СО, метан СН₄. Соотношение продуктов в полученной смеси газов может быть различным в зависимости от того,  какими были температура, давленивление, продолжительность реакции, соотношение исходных  реагентов и другие факторы реакции.

  Окислителями в реакциях газификации обычно выступают кислород,водяной пар, оксид углерода(IV), воздух, обогащенный кислородом, и их смеси самого разного состава.

  'Основной целью газификации твердого топлива в промышлек целях является получение синтез-газа - смеси оксида углерода(II) и водорода.
  Основные реакции, протекающие при газификации топлива, можно описать  следующими уравнениями реакций:

                           С + С0₂->2СО

                           С + 2Н₂->СН₄
                         С + Н₂О->СО₂  + Н₂

 Газификацию проводят в специальных аппаратах - газогенераторах, поэтому образующийся газ называют генераторным. В зависимости от условий проведения газификации генераторные газы могут иметь различный состав. Для характеристики состава вводят понятие идеального генераторного газа - газ, образовавшийся путём воздействия газифицирующихся агентов(О₂ или Н₂) и чистого углерода , в результате чего образуются только горючие компоненты.
  Реальные генераторные газы по составу отличаются от идеальных. Это иллюстрирует следующая таблица:

  Генераторные газы могут использоваться в дальнейшей химической переработке или в качестве газового топлива. Так, часть генераторных  газов идет на  отопительный газ и бытовой газ, оба из которых обладают высокой теплотой сгорания. Если генераторный газ планируется использовать в качестве химического сырья, то его предварительно очищают от окислителей (С0₂) и балласта(N₂).
  Используемый в синтезах генераторный газ должен содержать СО и Н₂. В зависимости от того  в каком именно синтезе будет задействован газ, содержание  компонентов в нем будет различно. Соотношение СО:Н₂ можно изменить с помоощью следующих процессов:

  - увеличить содержание Н₂ каталетической  конверсией оксида углерода( II):

               СО +Н₂О ->CO₂ + H₂

- Увеличить выход синтез-газа каталитической конверсией метана:

                CH ₄ +    H₂O -> CO + 3H_{2   [/sms]}