Котельные установки

Происхождение органического топлива

По своему составу органическое топливо можно разделить на твердое, жидкое и газообразное. По современным представлениям все эти три группы органических ископаемых топлив имеют аналогичное происхождение. Орга­нические ископаемые образовались из органического вещества растений и микроорганизмов различных периодов развития биологических структур на Земле. Различия встречающегося в недрах Земли природного топлива обу­словлены особенностями исходных органических остатков, из которых оно формировалось, а также условиями их преобразований.

Исходные органические вещества, имеющиеся в составе высших растений и микроорганизмов и способные принимать участие в формировании горючих ископаемых, делят на несколько групп химических соединений.

1. Углеводы - главная составная часть стенок растительных клеток. Ос­новным представителем этой группы соединений является целлюлоза СбН^Оз. Другие представители углеводов - гемицеллюлозы, в отличие от клетчатки легко гидролизуются в водной среде и могут вымываться из залежи, но могут также вступать в реакции с аминокислотами, переходя при этом в состав вы­сокомолекулярного нерастворимого соединения.

2. Лигнин - высокомолекулярное соединение, заполняющее межклеточ­ное пространство высших растений. Лигнин растительных остатков легко под­дается окислению, но более устойчив к действию бактерий по сравнению с целлюлозой.

3. Белки - вещество, входящее в состав протоплазмы клеток всех организмов.

4. Липоиды - вещества, входящие главным образом в состав кутикуля - пленки, образующей внешнюю оболочку одноклеточных и многоклеточных растений; к липоидам относятся смолы, воски и жиры.

С точки зрения склонности к естественному распаду различные составляющие растительных организмов можно разбить на две группы.

1.Целлюлоза, гемицеллюлоза, белки и другие составляющие легко под­даются разложению и, как правило, удаляются из места скопления раститель­ных остатков.

2.Лигнин, воски, смолы, углеводороды и другие вещества трудно подда­ются или вовсе не поддаются разложению в течение нескольких геологических периодов.

По современным представлениям все основные группы веществ, имеющихся в составе органических остатков, при определенных условиях могли принять участие в формировании горючих ископаемых. В условиях заболоченной суши накопление органического материала происходило преимущественно за счет отмерших высших растений. Трансформация их органических остатков приве­ла в дальнейшем к образованию горючих ископаемых класса гумолитов. Орга­нические остатки, накапливавшиеся на дне прибрежных зон морей и океанов, состояли в основном из разложившихся одноклеточных организмов. Подвер­гаясь превращениям в условиях полного отсутствия кислорода, они образова­ли так называемый сапропель, из которого далее формировались горючие ис­копаемые класса сапропелитов.

К гумолитам относят торф и большинство ископаемых углей, к сапропе - литам - некоторые сравнительно редко встречающиеся угли, а также боль­шинство горючих сланцев, нефть и природный горючий газ. Встречаются гумолиты с весьма различной степенью преобразования исход­ного органического материала. Принято различать три стадии их преобразо­вания: торфяную, буроугольную и каменноугольную. Преобладающие на той или иной стадии процессы обусловлены внешними и внутренними фак­торами, обеспечивающими защиту органического материала от окисления ки­слородом воздуха и возможность жизнедеятельности бактерий.

На торфяной стадии остатки растений накапливаются и преобразуются вначале при ограниченном контакте с воздухом, а затем при полной изоляции от него (под слоем воды). Преобразование растительного материала происхо­дит преимущественно в результате биохимических процессов, связанных с жизнедеятельностью грибков и бактерий (главным образом анаэробных - не нуждающихся в воздухе благодаря способности усваивать кислород, находя­щийся в окружающей среде в химически связанном виде). В ходе преобразо­ваний имеет место как распад исходных высокомолекулярных веществ, так и синтез новых. Последние образуются биохимическим путем в самих микроор­ганизмах, а также за счет полимеризации и поликонденсации не усваиваемых этими организмами частей исходных молекул.

Наиболее типичная группа соединений, которые образуются на торфя­ной стадии - это гуминовые кислоты. В их образовании может принимать уча­стие не только лигнин, имеющий сходную с ними химическую структуру, но также углеводы и белки - посредством совместной поликонденсации продук­тов первичного распада этих соединений (простых Сахаров и аминокислот). По мере превращения исходного органического материала в гуминовые кисло­ты остатки растений теряют свою первоначальную форму и приобретают вид бесструктурной массы. В торфяниках, существующих в настоящее время, этот процесс может находиться на разных стадиях. Глубина преобразования мате­ринского материала в торфянике характеризуется степенью разложения торфа. Другой важной характеристикой современных торфов является тип исходной растительности, из которой они образованы, или их ботанический состав. Бо­танический состав торфа зависит главным образом от степени обводненности болота. Соответственно различают торфы низинные и верховые (существуют также промежуточные разновидности).

Буроугольная стадия существенно отличается от торфяной условиями, в которых происходит дальнейшее преобразование органического материала. Главным фактором, обеспечивающим превращение торфа в уголь, является глубокое захоронение торфяника в толще пород в результате тектонических явлений - сдвигов в земной коре. Образующаяся над пластом органического материала кровля защищает его от возможного разрушения (окисления) ки­слородом воздуха. Повышенные температуры (предположительно 180 - 250

8 і u °С) и давления (до 3-Ю Па), существующие на достаточной глубине под по­верхностью земли, вызывают значительные изменения органических остатков. Изменения эти носят общее название углефикации (метаморфизма). Глав­ными химическими процессами, протекающими под действием геотектониче­ских факторов, являются: отделение наиболее слабо удерживаемых функцио­нальных групп; поликонденсация (с выделением Н2О, СО2, СН4); полимериза-

Реакции первого и второго типа ведут к постепенному обогащению ор­ганического материала углеродом.

Каменноугольная стадия соответствует более высокой степени уг­лефикации гумолитов. Глубина преобразований органического материала зависит в первую очередь от тектонической активности земной коры в районе нахождения залежи, а не от времени пребывания этой залежи в погребен­ном состоянии. Главным фактором, по-видимому, является температура (предполагают, что формирование каменных углей происходило при темпера­турах 250-350 °С). Доказано, что некоторые горные породы, например со­держащие окислы железа, могут играть роль катализаторов реакций поли­меризации. Основным результатом метаморфизма на каменноугольной ста­дии являются: дальнейшее обогащение органического материала углеродом (главным образом за счет уменьшения содержания кислорода), повышение прочности и теплоты сгорания, появление заметной электропроводности.

Конечным итогом рассмотренных преобразований углей является превращение их в антрацит - разновидность угля, характеризующуюся ме­таллическим блеском, высокой твердостью и хрупкостью, пониженным со­держанием водорода. Встречаются месторождения, в которых степень угле­фикации органического материала еще выше, чем у антрацитов. Подобный материал представляет собой практически чистый углерод, обладающий четко выраженной мелкокристаллической структурой и называемый при­родным графитом.

Преобразование твердых горючих ископаемых сапропелевого происхо­ждения разделяют на две стадии, соответствующие торфяной и каменно­угольной стадиям преобразования гумолитов. Изменение органического ма­териала на этих стадиях происходит под действием тех же факторов, которые рассмотрены выше, с той разницей, что из-за практически полного отсут­ствия кислорода с самого начала (большая толщина защитного слоя воды) на торфяной стадии определяющую роль играет жизнедеятельность специфи­ческих анаэробных бактерий. Вместе со значительными отличиями в составе исходного материала это и обусловило особенности химического строения и физической структуры сапропелитов по сравнению с гумолитами.

Торфяная стадия преобразования сапропелитов заключается в превра­щении студенистого сапропеля в сапроколл - плотную бесструктурную од­нородную массу, состоящую из смеси полимеризованных непредельных ки­слот, карбоновых кислот предельного ряда и продуктов превращения ами­нокислот.

Каменноугольная стадия углефикации сапропелитов заключается в дальнейшей полимеризации и поликонденсации органического вещества с превращением карбоновых кислот в соответствующие углеводороды, что со­провождается относительным увеличением содержания углерода.

В случае небольшого содержания минеральных примесей каменные уг­ли сапропелитового происхождения называют богхедами. Богхеды пред­ставляют собой бурые или буро-черные образования, весьма однородные, без всякой слоистости, с характерным раковистым изломом.

Гораздо чаще встречаются сапропелиты, сильно забалластированные осадочными породами (песком, глиной), содержание которых иногда дости­гает 90 % и выше. Сапропелиты с содержанием минеральных примесей до 50-70 % называют горючими сланцами. Характерным отличием органи­ческого вещества сланцев - керогена, равно как и богхедов, является повы­шенное содержание водорода (9-11 %), а также отсутствие гуминовых ве­ществ (на всех стадиях преобразований).

В формировании жидких и газовых горючих ископаемых из сапропеля решающая роль принадлежала геохимическим факторам - воздействию на ор­ганические остатки повышенных температур и давлений в присутствии имеющихся в земной коре веществ-катализаторов, влияние которых обусло­вило избирательную направленность преобразований органического мате­риала. Возможно также, что в преобразовании органических остатков уча­ствовали и радиохимические реакции (радиолиз), названные излучением ра­диоактивных горных пород. В результате указанных воздействий органиче­ский материал превращался в наиболее устойчивые органические соедине­ния - углеводороды метанового, нафтенового и ароматического ряда.

Находясь в жидком состоянии, смесь углеводородов перемещалась (мигрировала) сквозь пористые породы земной коры, пока не оказывалась в зонах, ограниченных непроницаемыми пластами. Важную роль в накапливании и миграции углеводородов играли подземные воды. Геоло­гами доказано, что существующие в наши дни месторождения нефти ино­гда располагаются в тысяче километрах и далее от тех мест, где первоначаль­но скапливались органические остатки.

Наряду с углеводородами нефти образовывались низкомолекулярные углеводороды, главным образом метан. Обладая повышенной подвижно­стью по сравнению с жидкими продуктами, они либо просачивались в ат­мосферу, либо образовывали отдельные скопления, но могли также ос­таться в месторождении нефти. В условиях особенно интенсивного воздей­ствия геохимических факторов преобразование органических остатков при­водило к образованию смесей, состоящих преимущественно из легких угле­водородов и даже практически из одного метана, т. е. к появлению газовых и газоконденсатных месторождений, генетически не связанных с нефтяны­ми месторождениями.