UNIVERSITATEA POLITEHNICA

FACULTATEA DE CHIMIE APLICATĂ ȘI ȘTIINȚA MATERIALELOR

Combustibili fosili

Student: Stănoiu Alexandra Georgiana

Anul II Mater – Ingineria Mediului

București

2014

COMBUSTIBILII FOSILI

1. Geneză și proprietăți fizico - chimice

Combustibilii fosili sunt hidrocarburi, cărbune, petrol sau gaze naturale, formate din rămășițele fosilizate ale plantelor și animalelor moarte. Teoria organică a formării hidrocarburilor din aceste resturi organice a fost emisă de către Mikhail Lomonosov în 1757. Există și o teorie anorganică a formării țițeiului formulată în 1929 de chimistul român Ludovic Mrazek.

În vorbirea curentă, termenul „combustibil fosil” include și resursele naturale cu conținut de hidrocarburi, dar care nu provin din surse animale sau vegetale. Acestea sunt denumite mai corect combustibili minerali.

Combustibilii fosili au făcut posibilă dezvoltarea impresionantă a industriei din ultimele secole și înlocuirea utilizării pe scară largă a lemnului și turbei pentru încălzire.

„Combustibil fosil” este termenul folosit pentru depozite geologice subterane de materii organice formate din plante și animale putrezite care s-au transformat în țiței, cărbune, sau gaze naturale, sub acțiunea căldurii și a presiunii din scoarța terestră, de-a lungul sutelor de milioane de ani.

Pentru a genera electricitate, energia degajată de arderea combustibililor fosili este adesea folosită pentru a pune în mișcare o turbină. Generatoarele mai vechi foloseau adesea aburul obținut prin arderea combustibililor pentru a pune în mișcare turbina, dar în generatoarele moderne, se folosesc direct gazele de ardere ale combustibililor.

În lumea modernă a secolelor 20 și 21, setea de energie provenită din combustibili fosili, mai ales pentru benzină, provenită din petrol, este una din cauzele majore ale conflictelor globale și regionale. S-a născut astfel o mișcare globală spre generarea de energie regenerabilă, pentru a ajuta la satisfacerea nevoilor crescânde de energie.

Arderea combustibililor fosili de către omenire este cea mai importantă sursă a emisiilor de dioxid de carbon, care este unul din gazele cauzatoare ale efectului de seră, care împiedică dispersarea radiațiilor și contribuie la încălzirea globală. Concentrația de CO2 din atmosferă este în creștere, producând îngrijorare cu privire la gradul de reținere a radiației solare, care va avea ca rezultat creșterea temperaturii medii a suprafeței terestre.

Doar o mică cantitate a combustibililor pe bază de hidrocarburi sunt biocombustibili, adică derivați din dioxidul de carbon din atmosferă, deci care nu contribuie, prin ardere, la creșterea cantității globale de dioxid de carbon.

Toti combustibilii fosili trebuie extrași din pământ, direct de la sursa. Mineritul si transportul combustibililor fosili trebuie organizat cu atenție maxima, pentru a preveni producerea unor efecte negative asupra oamenilor, animalelor si a mediului.

Prin noțiunea de combustibil fosil se înțelege orice substanță care conține și poate degaja liber elemente carburante în stare atomică. Din punct de vedere energetic, pentru ca o substanță să fie folosită drept combustibil, aceasta trebuie sa îndeplinească următoarele condiții:

să se combine exotermic cu oxigenul din aer, iar degajarea specifica de căldură să fie cât mai mare;

să se gaseasca în cantitati suficiente accesibile unei exploatari economice si sanu aiba o utilizare superioara arderii (de exemplu în petrochimie);

să-și mențina constante în timp calitatile fizico-chimice si tehnologice, pentru aputea fi prelucrata;

să conțină, în cantitati foarte reduse, substante, ca sulful sau vanadiu, care, prinardere, produc gaze cu acțiune nocivă asupra pereților metalici.

Combustibilii fosili se clasifica dupa starea de agregare (în solizi, lichizi si gazosi), provenienta (în naturali si artificiali), vârsta geologica, putere calorifica (în superiori, medii si inferiori) etc.

Elementele ce intra în compozitia unui combustibil fosil pot fi grupate în: masa combustibila, masa minerala necombustibila si umiditate. Masa combustibila este partea care nu este legata direct de balast, fiind compusa din carbon (C), hidrogen (H), azot (N), oxigen (O) si o parte din sulf (S). Masa mineral necombustibila (A) provine din substantele minerale, sulfati, oxizi, carbonati, oxizi metalici, saruri etc., care au intrat în combustibil. Umiditatea (W), se compune din cantitatea totala de apa din combustibil.

2. Nivel și consum

Nivelele surselor primare de energie sunt date de rezervele subterane disponibile. Cele mai importante surse de energie primară sunt cele pe bază de carbon. Petrolul, cărbunele, și gazul au stat la baza a 79,6% din energia produsă în cursul anului 2002. (Exprimat în milioane de tone echivalent petrol, reprezintă 34,9 + 23,5 + 21,2.)

În aceste calcule se consideră că producția poate continua la un nivel constant pentru numărul respectiv de ani și că întreagile rezerve pot fi exploatate. În realitate, consumul tuturor celor trei resurse este în creștere, adică acestea se vor termina mai repede. Totuși, curba consumului se aseamănă cu un clopot, adică la un moment dat, după atingerea unui maxim pentru fiecare caz, consumul va începe să scadă, până când se ajunge ca exploatarea zăcămintelor să nu mai fie economic fezabilă sau chiar imposibilă. Vezi Teoria vârfurilor Hubert, pentru detalii despre această curbă aplicată în cazul resurselor.

Această discuție subliniază echilibrul global al energiei. Este de asemenea importantă înțelegerea raportului dintre rezervă și consumul anual (R/C), în cazul fiecărei țări. De exemplu, politica energetică a Marii Britanii recunoaște că valoarea R/C pentru Europa este 3, foarte joasă față de standardele mondiale și deci expune regiunea unei vulnerabilități energetice. Marea Britania, de exemplu, se bazează încă pe combustibilii fosili ca resursă principală de energie.

În Statele Unite, peste 90% din emisiile de gazele cu efect de seră provin din arderea combustibililor fosili. Vezi încălzire globală. În plus, prin ardere se produc și alți poluanți, ca oxizi de azot, dioxid de sulf, componente organice volatile și metale grele.

Arderea combustibililor fosili generează acid sulfuric și azotic, care cade pe Pământ ca ploaie acidă, având un impact atât asupra mediului natural cât și asupra mediului artificial. Sculpturi și monumente construite din marmură sunt în mod deosebit vulnerabile, deoarece acizii reacționează cu carbonatul de calciu.

Combustibilii fosili conțin și materiale radioactive, mai ales uraniu și toriu, care este emanat în atmosferă. În anul 2000 au fost emise în atmosferă circa 12.000 de tone de toriu și 5000 de tone de uraniu prin arderea cărbunelui. Se estimează că în cursul anului 1982, cărbunele ars în SUA a eliberat în atmosferă de 155 de ori mai multă radiație decât incidentul Three Mile Island.

Arderea cărbunelor generează și imense cantități de zgură și funingine.

3. Cărbunele

Cărbunii sunt roci sedimentare, având culori care variază de la negru la brun, care degajă o mare cantitate de energie prin ardere. Cărbunii s-au format prin descompunerea anaerobă (în absenţa aerului) a resturilor vegetale, provenite din ere geologice îndepărtate. După moartea plantelor, rămăşiţele acestora, ajunse pe fundul mlaştinilor (mediu anaerob), sunt descompuse în lipsa aerului de către microorganisme anaerobe. După o perioadă scurtă şi o serie de procese anaerobe, din aceste resturi vegetale se formează un cărbune inferior, numit turbă. Spunem că resturile vegetale sunt carbonizate, deoarece se îmbogăţesc cu carbon, pierzând cantităţi mari de hidrogen şi alte elemente chimice. De-a  lungul timpului, peste acest cărbune se depun straturi noi de sedimente, astfel acesta fiind supus un presiuni şi temperaturi din ce în ce mai mari. În funcţie de presiunea la care a fost supusă turba şi vechimea sa, cărbunele format poate fi cărbune brun, lignit, antracit sau huilă.  După energia termică (căldura) degajată prin ardere, cărbunii se împart în cărbuni inferiori şi cărbuni superiori. Cărbunii inferiori, reprezentaţi de turbă, cărbunele brun şi lignit degajă o cantitate mai redusă de energie şi de aceea sunt cărbuni cu valoare economică, mai scăzută. Cărbunii superiori sunt cărbuni care degajă cantităţi mari de energie, deci au o valoare ridicată; sunt cei mai bogaţi în carbon şi cei mai vechi.

Fig. 1. Cărbunele

Din categoria cărbunilor cei mai utilizati în procesele energetice sunt cărbunii, în special carbunele brun si huilele; lemnele sunt folosite numai pentru scopuri de încalzire locala.

Carbunele brun cuprinde mai multe grupe, functie de vârsta geologica si anume: brun lemnos (BL), numit si lignit; brun mat (BM); brun pamântos (BP); brun smâlos (BS); brun huilos (BH).

Huilele se întâlnesc sub forma de huila cu flacara lunga (HL), huila pentru gaz (HG), huila grasa (HG), huila pentru cocs (HC), huila slaba sau semigrasa (HS) si huila antracitoasa (H/A).

Antracitul (A) este cel mai vechi carbune natural, nu se utilizeaza în scopuri energetice si are o putere calorifica apropiata de cea a combustibilul conventional.

3.1. Caracteristicile tehnice si energetice principale ale carbunilor sunt:

• materiile volatile (V), respectiv cantitatea totala de gaze formate în procesul de transformare termica a masei combustibile (determinate prin încalzire timp de 7 min. la cca. 815 °C), care determina temperatura de aprindere a carbunelui (practic egala cu cea a volatilelor), lungimea flacarii produse prin ardere si prin aceasta, înaltimea focarului;

• cenusa (Ai), care provine din masa minerala ramasa dupa arderea combustibilului, influenteaza prin compozitia sa chimica, temperatura de topire si vâscozitate, actiunea corosiva asupra focarului, evacuarea zgurii si alegerea echipamentelor de desprafuire;

• temperatura de curgere a cenusii este temperatura la care corpul de proba curge pe placa si influenteaza sistemul de evacuare;

• vâscozitatea zgurii sau rezistenta pe care o opune deplasarii particulelor în timpul curgerii influenteaza evacuarea lichida;

• balastul reprezinta partea din combustibil care nu produce caldura prin ardere (suma dintre umiditate si anorganic);

• puterea calorifica inferioara, Hi [kJ/kg] - cantitatea de caldura degajata prin arderea unitatii de combustibil, fara ca vaporii de apa sa condenseze, se calculeaza functie de continutul procentual de carbon, hidrogen, oxigen, sulf si umiditate la starea initiala;

• umiditatea (Wi), reprezinta cantitatea de apa din combustibilul solid si se compune din cea higroscopica sau interna, care leaga elementele chimice si cea superficiala sau externa, care depinde de conditiile de depozitare; umiditatea influenteaza capacitatea de alunecare la descarcare;

• rezistenta de stocare reprezinta timpul în care carbunele se degradeaza (se farâmiteaza), pâna la maruntirea completa; influenteaza timpul de stocare.

4. Petrolul

Fig.2. Imagini cu petrol

Petrolul a fost descoperit cu mii de ani în urmă, datorită faptului că are o densitate mai mică decât a apei, acesta ieşea la suprafaţa acesteia. Prin oxidare petrolul se transformă în asfalt, care era folosit pentru etanşarea corăbiilor. Se crede că petrolul era o componentă a focului grecesc, o temută armă a flotei bizantine.  Petrolul este folosit în prezent pentru obţinerea kerosenului, benzinei şi a motorinei, precum şi în industria chimică, la obţinerea maselor plastice, a polimerilor şi a negrului de fum.

Teoria biogenă de formare a zăcămintelor de petrol susține că petrolul ia naștere din organisme marine plancton care după moarte s-au depus pe fundul mării, fiind acoperite ulterior de sedimente. Conform acestei teorii perioada de formare a petrolului se întinde pe perioada de timp de ca. 350 - 400 milioane de ani în urmă Devonian perioadă în care a avut loc în rândurile florei și faunei o mortalitate în masă, explicată prin teoria meteoritului uriaș care a căzut în aceea perioadă pe pământ, declanșând temperaturi și presiuni ridicate.Astfel s-au format așa numitele substanțe cherogene ce provin din substanțe organice cu un conținut ridicat în carbon și hidrogen. Prin procesele următoare de diageneză aceste substanțe cherogene pot deveni substanțe bituminoase, rocile sedimentare ce conțin substanțe cherogene sunt denumite roci mamă a zăcămintelor de petrol.Materia cherogenă alcătuită din particule fin dispersate în roca mamă, sub anumite condiții, mai ales în prezența temperaturilor înalte suferă un proces de migrație fiind împinse de apa sărată care are o greutate specifică mai mare, sub presiunea exercitată particulele fine se unesc într-o masă compactă de petrol. Această migrație are tendință ascendentă spre suprafață, dacă acest proces de migrație este oprită de un strat impermeabil (argilos), are loc sub presiune îmbogățirea zăcământului care se află deja în porii rocii de depozitare a petrolului, în condiții asemănătoare iau naștere gazele naturale, de aceea deasupra unui

zăcământ de petrol se poate afla o cupolă de gaz natural. În peninsula Arabieizăcămintele de petrol se află înmagazinate într-un calcar poros biogen care a luat naștere din corali.Compoziția zăcământului de petrol poate avea un raport diferit de alcani și alchene, la fel poate diferi raportul grupărilor alifatice și aromatice.

Zăcăminte importante de petrol se găsesc în Golful Persic, Golful Mexic, Irak, Emiratele Arabe Unite, Arabia Saudită etc. Arabia Saudită este la nivel mondial, cel mai mare exportator de petrol.

Fig.3. Rezervele de petrol din lume, anul 2005 (în miliarde de barili)

5. Gazele naturale

Gazul natural este un amestec de gaze, care poate fi foarte diferit după așezarea zăcământului. Cea mai mare parte este constituită din metan, la care se adaugă uneori cantități apreciabile de hidrocarburi saturate (alcani), metan (CH4), etan (C2H6), propan (C3H8), hidrocarburi nesaturate, alchene sau olefine, și hidrocarburi aromatice sau arene care în lanțul formulei chimice au o legătură dublă (=) ca etena (etilena) C2H4. Alcanii ce au o structură chimică inelară mai sunt numiți și cicloalcani, având formula chimică generală CnH2n. Alchenele pot avea de asemenea forme ciclice ca ciclopentanul.

Gazele naturale sunt gaze care se găsesc în zăcăminte aflate la adâncimi mari în scoarţa terestră. Principalul constituent al gazelor naturale este metanul, însoţit de alte gaze cu o structură asemănătoare. Se formează prin descompunerea anorganică a diferitelor resturi vegetale şi animale. Aceste gaze sunt uscate pentru a nu permite formarea de cristalohidraţi, cristale care ar bloca conductele şi sunt transportate prin conducte. Sub formă lichidă, sunt folosite ca înlocuitori ai benzinei.

Rezerve bogate de gaze naturale se găsesc în Rusia, Canada, S.U.A, Algeria, Mexic etc.

Fig. 6. State care exploatează 84% din producţia mondială de gaz

Gazul natural acoperă 24% din necesarul de energie al lumii. Zăcămintele de gaz, de regulă, sunt sub presiune, fapt ce ușurează exploatarea lui. Rezervele globale de gaz estimate în anul 2004 sunt de 170.942 miliarde m³, respectiv 185 miliarde tone (SKE) care ar acoperi necesarul pe o perioadă de 67 de ani.

6. EFECTELE ASUPRA MEDIULUI

Cea mai mare parte din emisiile de gazele cu efect de seră provine din arderea combustibililor fosili. În plus, prin ardere se produc şi alţi poluanţi, ca oxizi de azot, dioxid de sulf, componente organice volatile şi metale grele.

Arderea combustibililor fosili generează acid sulfuric şi acid azotic, care cad pe Pământ ca ploaie acidă, având un impact atât asupra mediului natural , cât şi asupra mediului artificial.

Arderea combustibililor fosili este cea mai importantă sursă a emisiilor de dioxid de carbon, care este unul din gazele cauzatoare ale efectului de seră, care împiedică dispersarea radiațiilor și contribuie la încălzirea globală. Concentrația dioxidului de carbon în atmosferă este în creștere, producând îngrijorare cu privire la gradul de reținere a radiației solare, care va avea ca rezultat creșterea temperaturii medii a suprafeței terestre.

Fig. 7. Ciclul carbonului în natură

Fig.8. Efectelor gazelor emise

Combustibilii fosili conţin şi materiale radioactive, mai ales uraniu şi thoriu, care sunt emanate în atmosferă.

Exploatarea, procesarea şi distribuţia de combustibili fosili pot crea şi alte probleme mediului. Metodele de exploatare a cărbunelui, îndeosebi exploatarea în cariere, generează multe probleme (modificări ale scoarţei, modificară ale ecosistemelor, poluare fizică) , în timp ce forajele maritime sunt un pericol pentru organismele acvatice. Rafinăriile de petrol constituie reale ameninţări asupra mediului, prin poluarea fizică şi chimică. Transportul cărbunelui necesită locomotive diesel, iar petrolul este transportat de către petroliere, toate acestea arzând combustibili fosili.

În urma arderii combustibililor solizi rezulta cantitati mari de reziduuri (zgura si cenusa), care trebuie evacuate si depozitate. O alta sursa de reziduuri o constituie praful de cenusa colectat la electrofiltre sau instalatii de filtrare.

Pentru antrenarea cenusii si a zgurei se utilizeaza apa injectata sub presiune.În mod uzual, raportul dintre cantitatea de apa de antrenare si materialul antrenat este de

6:1 pâna la 10:1. Canalele de zgura si cenusa sunt captusite cu materiale rezistente la eroziune si coroziune. De-a lungul acestor canale, continua sa se injecteze din loc în loc apa pentru antrenare.

Colectarea reziduurilor de zgura si cenusa umede (noroiul) se colecteaza în bazine, de unde este evacuat spre depozit, fie cu ajutorul unor pompe speciale de noroi, fie cu ajutorul unor hidroejectoare. În acest ultim caz, este nevoie de o cantitate suplimentara de apa sub presiune, ceea ce mareste raportul apa-cenusa la 16: 1 pâna la 20:1.

În momentul de fata sunt folosite cu precadere pompe de noroi. În functionare, acestea au o uzura rapida a rotoarelor, avînd în vedere caracteristicile abrazive ale fluidului pompat.

Este de dorit sa se evite ramificatiile si armaturile de pe traseul de evacuare a noroiului pentru a evita pericolul de înfundare sau de uzura prematura. Conductele spre depozit având panta coborâtoare continua, pot asigura transportul pe distanta pâna la 4-5 km. De remarcat este uzura neegala a acestora, care se accentueaza în special pe arcul de 120° la partea inferioara. Rotirea la intervale de timp a conductei asigura prelungirea duratei ei de serviciu. În cazul în care este lipsa mare de apa, sistemul hidraulic de transport poate lucra în circuit închis, refolosind o parte din apa dupa ce a fost decantata.

Zgura provenita de la cazanele de abur poate fi folosita ca material de constructie cu greutate specifica redusa si bune proprietati de izolare termica, pentru caramizi.

Conditia de baza ce se impune este stabilitatea chimica în timp, ceea ce presupune absenta produselor organice datorate arderilor mecanice incomplete. Cenusa colectata poate avea folosinte multiple, cu aceeasi conditie de a nu contine funingine provenita din arderi incomplete. Câteva dintre utilizari sunt:

• material de adaos pentru unele sorturi de ciment; unele tipuri de cenusa reactioneaza chimic cu apa si realizeaza fenomenul de priza ca si cimentul;

• material cu proprietati hidrofuge pentru izolare în strat sau ca adaos pe suprafata cartonului asfaltat;

• amendament de corectie a solurilor agricole acide, în cazul cînd în componenta cenusilor intra în proportie mare calciu, Ca.

Valorificarea zgurei si a cenusii nu trebuie urmarita în principal ca un mijloc de reducere a costului energiei electrice prin venituri secundare, ci ca singura cale de limitare a volumului depozitelor de cenusa care implica ocuparea de terenuri întinse si conduce la cheltuieli permanente de formare.

Bibliografie

1. D. Koplow, J Dernbach, Federal Fossil Fuel Subsidies and Greenhouse Gas Emissions: A Case Study of Increasing Transparency for Fiscal Policy Annu. Rev. Energy Environ. 26:361-389. Noiembrie, 2001

2. J. L. Williams, A. F. Alhajji, Oil & Gas Journal , 2003

3. G. C. Suciu, Petrochimie, energie, petrol, Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1980

4. www.scientia.ro

5. www.scribd.com

6. www.wikipedia.org