Твердое топливо. Торф является продуктом отмирания и неполного распада остатков болотных растений под воздействием грибков и бактерий в условиях избыточного увлажнения и

Торф является продуктом отмирания и неполного распада остатков болотных растений под воздействием грибков и бактерий в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа воздуха. Торфяные болота образуются в условиях влажного климата при плоском рельефе местности и плохом стоке воды. При образовании торфа из органической массы растений выделяются СО₂, Н₂О и СН₄. В результате сложных биохимических процессов образуются сложные темноокрашенные гуминовые кислоты, содержащие ароматические соединения и такие функциональные группы, как –СООН (кислотные), –ОН (спиртовые), –С=О (карбонильные), –ОСН₃ (метоксильные). Суммарное содержание гуминовых кислот может достигать 40 – 50%.

В процессе торфообразования увеличивается содержание углерода в топливе за счет снижения содержания кислорода. В зависимости от степени разложения растений соотношение углерода и кислорода в торфе может колебаться в значительных пределах (см. табл. 5). В среднем содержание углерода составляет 58-60%, водорода 6%, кислорода 6%, а серы 0, 2 – 0, 3%. Сильно меняется и зольность. Для низинных залежей, связанных с грунтовыми водами, зольность может достигать 6 – 18%. Для верховых залежей, снабжаемых атмосферной водой, зольность меньше, и находится в пределах 2 – 4%. В среднем зольность торфа составляет 11%.

Размер площади, занимаемой торфяными месторождениями и болотами, в мире составляет около 350 млн. га, из которых промышленное значение имеет около 100 млн. га. На территории Западной Европы расположено около 50 млн. га, Азии – свыше 100 млн. га, Северной Америки – свыше 18 млн. га. Мировые ресурсы торфа оцениваются величиной более 300 млрд. тонн.

Торф в качестве топлива применяется достаточно давно. В России промышленную добычу торфа начали в 18 веке. Он широко применялся в текстильной промышленности, а позднее и на тепловых электростанциях. В настоящее время торф применяют в котельных установках для коммунально-бытовых нужд, а также для производства торфяных брикетов. Сейчас торф не имеет такого большого промышленного значения, как газообразное или жидкое топливо.

Ископаемые угли, как и торф, имеют растительное происхождение. Они делятся на сапропелевые и гумусовые. Сапропелевые угли в основном образовались из планктона (простейших водорослей) в результате длительного биохимического процесса, называемого углефикацией. Сапропелевые угли отличаются большим содержанием водорода (до 9%) и высоким выходом летучих веществ. Они легко загораются и горят ярким коптящим пламенем.

Гумусовые угли образовались из остатков высших растений - деревьев и гигантских папоротников, произраставших миллионы лет тому назад. В наиболее молодых углях – бурых иногда отчетливо просматривается древесная структура.

Общие геологические запасы углей оцениваются величиной более 1 триллиона тонн.

В зависимости от длительности процесса углефикации различают бурые, каменные угли и антрацит. Образование ископаемых углей проходит следующие стадии: отмершие растения - торф – бурые угли - каменные угли – антрацит. Бурые угли имеют возраст 10-60 млн. лет, каменные – 100-180 млн. лет, а антрацит – 200-250 млн. лет.

В процессе образования бурых углей из древесины выделяются в основном Н₂О, СН₄ и СО₂ и из 1 т. древесины получается около 730 кг бурых углей. При превращении бурых углей в каменные выделяется в основном СО₂ и образуется около 530 кг углей на тонну исходной древесины. При превращении каменных углей в антрацит выделяется Н₂О, СН₄ и СО₂. В итоге из 1 т древесины образуется около 370 кг антрацита. В табл. 5 можно наблюдать, что в процессе углефикации снижается содержание летучих веществ, а также водорода и кислорода, и возрастает содержание углерода в ископаемых углях.

Бурые угли. Наиболее молодые угли, представляющие собой переходную форму от торфа к каменным углям. От торфа бурые угли отличаются большей плотностью и меньшим содержанием растительных остатков. От каменных углей они отличаются окраской бурых тонов. На воздухе бурые угли довольно быстро распадаются на мелкие куски. После отгонки летучих веществ распадается в порошок. Для бурых углей характерно довольно высокое содержание гуминовых кислот и высокая влажность, а также высокий выход летучих веществ. Высшая теплота сгорания горючей массы лежит в диапазоне 22, 6 – 31, 0 мДж/кг.

Наиболее крупные месторождения и бассейны бурых углей характерны для мезозойского и кайнозойского возраста. Встречаются как в виде небольших прослоек, так и в виде мощных пластов – до 100-120 м; большинство из них доступно для открытой добычи (Канско-Ачинский бассейн в Восточной Сибири, Бабаевское месторождение, Южно-Уральский бассейн, Свободенское месторождение Амурской области, Черновское месторждение в Читинской области и др.).

В зависимости от влажности бурые угли делятся на три группы: Б1 с влажностью свыше 40%; Б2 – 30-40% и Б3 – менее 30%.

Бурый уголь используется как энергетическое топливо и химическое сырье для получения жидкого топлива и различных синтетических веществ, газа и удобрений. Из-за высокой влажности и зольности имеет низкую теплотворную способность и жаропроизводительность, поэтому имеет меньшую ценность как топливо по сравнению с каменными углями.

Каменные угли. Каменные угли являются разновидностью ископаемых углей с более высоким содержанием углерода и большей плотностью, чем у бурых углей. Представляют собой плотную породу черного, иногда серо-черного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу, составляет величину не менее 23, 8 мДж/кг. Каменные угли представляют собой важнейший вид твердого топлива. В зависимости от марки используется либо для непосредственного сжигания в топках, либо для получения кокса в металлургии.

Антрацит. Антрацит является наиболее углефицированным видом ископаемых углей. Он отличается металлическим блеском и серовато-черным цветом. Антрацит характеризуется значительной вязкостью и раковистым изломом.

В странах СНГ антрацит в основном добывается с Донецком бассейне (Украина). Общие запасы антрацита не превышают 3% от общих запасов ископаемых углей. Он имеет высокое содержание углерода и низкую влажность. Из-за низкого содержания водорода теплота его сгорания ниже, чем теплота сгорания каменных углей.

Антрацит представляет собой ценный вид топлива для газогенераторов, печей и котлов с топками для слоевого сжигания углей. В измельченном виде применяется в камерных топках. Из-за малой термической стойкости, обуславливающей его растрескивание и образование мелочи, повышающей сопротивление шихты, антрацит неприменим в шахтных печах. Однако после специальной термической обработки при 1200°С термостойкость антрацита возрастает, а также увеличивается его пористость и реакционная способность. Поэтому после такой обработки антрацит способен заменять часть кокса в металлургической промышленности.

Антрацит применяют также для получения карбида кальция (сырье для получения ацетилена), и для получения угольных электродов для электрохимической промышленности.

Горючие сланцы. Этот вид ископаемого твердого топлива имеет возраст более миллиарда лет. Встречаются на Кольском полуострове, на Украине, в Сибири, в Северной и Южной Америке и других регионах мира. Общий запас сланцев оценивается в ~200 млрд. т. В Европейской части основные месторождения – Эстонское и Ленинградское, а также Печоро-Вычегодское.

По своему составу горючие сланцы очень разнообразны. Образуются сланцы в основном из остатков простейших водорослей, а также из водорослей подводных лугов и даже низших представителей животного мира. По генезису они могут быть морскими, лагунными и озерными. По составу балласта - глинистыми, карбонатными, кремнистыми. В некоторых сланцах из-за длительного воздействия высоких температур и давлений органическое вещество имеет графитоподобный характер, и такие сланцы характеризуются повышенным содержанием углерода.

Горючие сланцы отличаются довольно большим содержанием водорода (до 10% в горючей массе), и по этому показателю они приближаются к мазуту. Сланцы отличаются сравнительно низким содержанием кислорода в горючей массе и высоким содержанием углерода. Основной недостаток горючих сланцев – высокое содержание балласта (до 60-75%, иногда до 85%). Поэтому они имеют невысокую теплотворную способность и жаропроизводительность, так как основная часть теплоты их сгорания тратится на нагрев минеральных примесей. По этой же причине они менее экономичны при перевозках на большие расстояния. Поэтому для получения тепловой и электрической энергии сланцы используются в основном как местное топливо (например, в Прибалтике). Теплота сгорания сланцев находится в пределах от 4 до 25 мДж/кг, но преобладают в основном сланцы с теплотой сгорания 4 – 6 мДж/кг.

Большим недостатком горючих сланцев является высокое содержание в них серы (в основном колчеданной). Из-за вредного воздействия на окружающую среду выбросов оксидов серы применение сланцев в энергетике во многих странах запрещено.

Горючие сланцы имеют промышленное применение прежде всего как топливо. Кроме того, с помощью специальных технологий из сланцев получают более 60 наименований химических продуктов: сланцевая смола и получаемые из нее фенолы, топливное масло, масло для пропитки древесины, клеи, моющие средства и др.

Некоторые виды золы являются ценным сырьем для промышленности стройматериалов. Например, золы, имеющие не менее 15% оксида кальция, обладают вяжущими свойствами и пригодны для приготовления бетонов и изделий из них. Карбонатные золы находят применение в сельском хозяйстве для известкования кислых почв. Золы алюмосиликатного состава применяются в промышленности стройматериалов (кирпичи, цементы и изготавливаемые из них блоки и панели), а также в дорожном строительстве.

Искусственное твердое топливо. В домашнем и коммунальном хозяйстве применение несортированного топлива создает проблемы: мелкие частицы проваливаются через колосниковые решетки, что приводит к их потере. Поэтому мелкие фракции твердого топлива подвергают брикетированию, причем торф и бурые угли без применения связующего, а каменные угли, антрацит и отсев кокса брикетируют с использованием связующего, например нефтяных битумов. Битумы представляют собой естественные или искусственные асфальтоподобные продукты, получаемые переработкой остатков от перегонки нефти. Они содержат асфальтены – твердые нелетучие асфальтоподобные органические высокомолекулярные вещества. Битумы используют для производства рубероида, битумных мастик для гидроизоляции, асфальта.

При получении брикетов топливо измельчают, сушат и брикетируют с помощью пресса под давлением 1000 – 1200 кг/см² в виде призм или других геометрических тел различного размера.