سوخت ها
در طی فرآیند فتوسنتز در گیاهان انرژی خورشید به انرژی شیمیایی تبدیل می شود.با سوزاندن چوب یا گیاهان خشک،انرژی خورشیدی ذخیره شده در آن ها موجب تولید گرما و نور می شود.در حال حاضر چوب منبع اصلی سوخت بشر نمی باشد،بلکه بیشتر این سوخت های نفتی مایع و گازی یا زغال سنگ است که به کار می رود.سوخت ها را می توان به انواع، فسیلی ، و غیر فسیلی ، یا طبیعی ، و مصنوعی تقسیم بندی کرد.مهمترین تقسیم بندی سوخت ها با توجه به شکل ظاهری اولیه آن ها بوده و بدین ترتیب سوخت ها به انواع مختلف سوخت های جامد (مثل هیزم،زغال سنگ و چوب) سوخت های مایع (بنزین و الکل) و سوخت های گازی (گاز طبیعی و بیوگاز) تقسیم می شوند.انتخاب سوخت مناسب برای یک کاربرد خاص به میزان دسترسی،ذخیره،حمل و نقل،آلایندگی و قیمت آن بستگی دارد.
سوخت های مایع:
این سوخت ها در حالت عادی مایع بوده و در مقایسه با سوخت های جامد دارای مزایای زیر هستند:
1- راحتی و هزینه کم انتقال به مراکز مصرف ، 2- عدم تولید خاکستر پس از احتراق ، 3- سهولت کنترل شعله و حرارت ، 4- ارزش حرارتی بالاتر ، 5- نیاز کمتر به هوای اضافی در هنگام احتراق ، 6- انبار سازی راحت تر
در کنار آن معایبی نیز در مقایسه با سوخت های جامد وجود دارد که می توان به مواردی مثل: گوگرد بیشتر و قیمت بالاتر نیز اشاره کرد.
خواص سوخت های مایع:
از سوخت های مایع به صورت گسترده ای در موارد صنعتی استفاده می شود.طبقه بندی سوخت های مایع بر اساس خواص آن ها انجام می گیرد.خواص مختلف سوخت های مایع عبارتند از:
چگالی (density) : جرم واحد حجم ماده را چگالی آن ماده گویند.برای سوخت های مایع چگالی در دمای مرجع C 15° تعیین می شود.چگالی سوخت های مایع توسط وسیله ای به نام هیدرومتر سنجیده می شود.دانستن چگالی در محاسبات کمّی و ارزیابی کیفیت اشتعال مفید است.
سنگینی ویژه ( specific gravity) : در یک دمای معین، نسبت وزنی حجم معینی از ماده (سوخت) به وزن حجم مشابهی از آب را سنگینی ویژه آن ماده گویند.سنگینی ویژه سوخت های مایع نیز توسط هیدرومتر سنجیده می شود.
ویسکوزیته (گرانروی) (viscosity) :ویسکوزیته یک سیال نشانگر مقاومت داخلی آن در برابر جریان است.ویسکوزیته تابع دما بوده و در مورد مایعات با افزایش دما کاهش می یابد.ویسکوزیته مایعات توسط viscometer اندزه گیری می شود.ویسکوزیته مهم ترین مشخصه در ذخیره سازی و استفاده از سوختهای مایع نفتی است.اگر ویسکوزیته سوخت بالا باشد پمپاژ سوخت و پاشش و اشتعال آن در مشعل دشوارتر است.
نقطه روشنی (flash point) :کمترین دمایی که طی آن مواد قابل احتراق در سطح مایع جمع شده و آماده احتراق می گردد را نقطه روشنی آن سوخت گویند. براي تعيين اين دما سوخت را حرارت داده واز روي آن شعله اي عبور مي دهند. دمايي كه در هنگام عبور شعله از روي سوخت يك نور لحظه اي فلاش مانند ايجاد مي شود را نقطه روشني آن سوخت ميگويند. براي مثال نقطه روشني نفت كوره°C 66 است.
نقطه اشتعال (fire point) : كمترين دمايي كه طي آن بخار ايجاد شده در سطح سوخت به حدي است كه ميتواند يك شعله دائمي را در بالاي سطح سوخت ايجاد كند، نقطه اشتعال آن سوخت گويند.
نقطه ریزش (سیلان) (pour point) : در طي يك شرايط از پيش تعيين شده، وقتي كه يك سوخت مايع سرد ميشود،كمترين دمايي كه اين سوخت ميتواند جريان يابد را نقطه ريزش آن سوخت ميگويند.
گرمای ویژه (specific heat) : مقدار حرارت لازم براي افزايش دماي يك كيلوگرم سوخت به ميزان يك درجه سلسيوس را گرماي ويژه آن گويند . گرماي ويژه نشانگر اين است كه براي رساندن دماي سوخت به يك مقدار معين به چه ميزان انرژي (توسط بخار يا برق) نياز است.
ارزش حرارتی (heat value) : مقدار حرارت يا انرژي توليد شده از واحد جرم سوخت در طي يك واكنش تك دما را ارزش حرارتي آن سوخت گويند . اگر در طي اين واكنش ، آب موجود در محصولات فرآيند احتراق چگاليده شده باشد به آن ارزش حرارتي بالا (خالص) گفته و در صورتي كه آب موجود در محصولات به صورت بخار باشد آن را ارزش حرارتي پايين (ناخالص) مي نامند.
گوگرد (sulfur): مقدار گوگرد يك سوخت مايع نفتي بيشتر تابع منبع اصلي و كمتر تابع فرآيند پالايش آن است . مقدار معمول گوگرد نفت كوره بين 2 تا 4 درصد است.نفت با گوگرد كمتر از 5/0 درصد را نفت كم گوگرد مي نامند.
مقدار خاکستر (ash content): مقدار خاكستر يك سوخت مايع نفتي به مواد معدني درون آن بستگي دارد. وجود نمك هاي فلزي حاوي سديم ، واناديم ، كلسيم ، منيزيم، سيليكون ، آهن ، آلومينيم ، نيكل و غيره عامل تشكيل خاكستر است. معمولاً مقدار خاكستر سوخت هاي مايع نفتي بين 3% تا 7% درصد است. خاكستر اضافي مي تواند موجب تشكيل رسوب و جرم در محفظه احتراق شود.
پسماند کربن (carbon residue): پسماند كربن نشانگر تمايل سوخت به ته نشست بقاياي جامد كربني بر روي سطوح داغ (مثل مشعل يا شيپوره سوخت پاش) ، پس از تبخير اجزاي قابل تبخير آن است . سوختهاي انتهاي مرحله پالايش حداقل داراي يك درصد پسماند كربن هستند.
مقدار آب (water content): آب مي تواند به صورت محلول يا معلق (امولسيون) در سوخت وجود داشته و در هنگام احتراق ، به خصوص در صورت وجود نمك محلول در آن ، به سطح داخلي كوره آسيب بزند. با توجه به اين كه فرآيند پالايش در دماي بالايي صورت ميگيرد ، مقدار آب نفت كوره طبعاً كم بوده و بر طبق استاندارد به يك درصد محدود ميشود. وجود موادي مثل گوگرد، خاكستر، آب، رسوبات و از اين قبيل به عنوان ناخالصي هاي سوخت شناخته مي شود.
فرّاریت (volatility): ميزان تمايل سوخت به تبخير را فرّاریّت آن سوخت گويند. فرّاريت سوخت در سهولت احتراق آن موثر است.
فشار بخار (vapor pressure): در يك دماي معين فشاري كه توسط بخار سوخت بر سطح آزاد مايع وارد ميشود را فشار بخار گويند. فشار بخار شاخصي براي سنجش درجه فرّاريت سوخت است.
عدد اکتان (درجه آرام سوزی) (octane number (rating)) : عدد اكتان معياري است كه نشانگر مقاومت سوخت هاي مايع (مخصوصاً بنزين)، در برابر خود اشتعالي است. براي اندازه گيري خاصيت انفجاري سوخت هاي مايع ميتوان هر سوخت را با مخلوطي از دو ماده سوختني مقايسه كرد ، يكي ايزواكتان (C 8 H 18 ) با خاصيت ضد انفجاري خوب كه به صورت قراردادي برابر 100 فرض شده و ديگري هپتان نرمال (C 7 H 16 ) با خاصيت انفجاري خوب كه به صورت قرار دادي برابر صفر فرض مي شود.درصد حجمي اكتان در مخلوط معادل
با سوخت مورد نظر را عدد اكتان آن سوخت گويند. اين روش رايج ترين راه براي تعيين عدد اكتان بوده و عدد اكتان حاصل را عدد اكتان تحقيقاتي (RON:Research octane number)مي نامند.هر چه عدد اكتان سوختي بالاتر باشد مقاومت آن سوخت در برابر تراكم بالاتر است. سوخت هايي مثل گاز نفتي مايع ( LPG )، و سوخت هاي الكل نظير متانول و اتانول داراي عدد اكتان 110 يا بالاتر از آن هستند. از دهه 1970 كاربرد تترااتيل سرب در كشورهاي صنعتي ممنوع شده و تنها به صورت محدود در بنزين هواپيما به كار مي رود.
عدد ستان (cetane number): در موتورهاي اشتعال در اثر تراكم براي سنجش كيفيت احتراق سوخت گازوييل معيارهاي مختلفي وجود دارد كه رايج ترين آنها عدد ستان نام دارد . عدد ستان نشانگر ميزان تاخير در اشتعال يك سوخت مايع است . هر چه اين زمان كوتاه تر باشد عدد ستان آن بزرگتر است . از اين معيار تنها در مورد سوخت هاي سبك گازوييل استفاده مي شود . هر چه عدد ستان سوختي بالاتر باشد زمان بيشتري براي تكميل فرآيند احتراق وجود داشته و در نتيجه موتورهاي ديزل با دور بالاتر مي توانند عملكرد بهتري با سوخت هاي داراي عدد ستان بالاتر داشته باشند. براي افزايش عدد ستان گازوييل از نيترات هاي قليايي و پراكسيد دي-ترت بوتيل به عنوان ماده افزودني استفاده مي شود.
نقطه مومی شدن (cloud point) : دمايي است كه طي آن موم به صورت ابرهايي از سوخت مايع جدا مي گردد . در مناطق سردسير موم موجود در سوخت (مثلاً گازوييل) به شكل جامد درآمده و مي تواند مسير عبور سوخت را مسدود كند.
نفت خام: نفت خام (crude oil) يك مايع اشتعال پذير متشكل از مخلوطي از هيدروكربن هاي با وزن هاي مولكولي مختلف و ساير تركيبات آلي است كه در زير سطح زمين وجود دارند.برخي از اين هيدروكربن ها سبك تر بوده و در شرايط فشار و دماي سطح زمين به صورت گاز بوده و برخي ديگر سنگين تر بوده و در شرايط مزبور به شكل مايع يا جامد هستند . گاه نفت خام به صورت مخلوط با شن و آب مشاهده ميشود (بيشتر در كشورهاي كانادا و ونزوئلا با ظرفيت 6/3 تريليون بشكه كه دو برابر منابع شناخته شده معمول نفت خام است) كه به آن قير خام( crude bitumen) یا نفت فوق سنگین (extra heavy oil) مي گويند.
مشخصات نفت: نفت خام مخلوطي از انواع هيدروكربن ها بوده و بيشتر به صورت مولكول هاي خطي يا انشعاب دار پارافيني (آلكان)، نفتيني (سيكلو آلكان) ، آروماتيك و مواد شيميايي پيچيده تر نظير مواد آسفالتي موجود است. نفت خام به جهت وجود تركيبات گوگرد بوي نامطلوبي دارد. بخش اعظم نفت خام از هيدرو كربن ها تشكيل شده است.
منشاء نفت خام: در مورد منشا نفت دو نظريه ارائه شده است:
1-تشکیل نفت از منشا آلی 2-تشکیل نفت از مواد معدنی (منشا غیر آلی)
دلايل ارائه شده در مورد منشا غيرآلي ( معدني) نفت بسيار ضعيف بوده و امروزه باطل شناخته مي شود. در اين فرضيه گفته شده كه از واكنش آب با كربورهاي فلزي( به خصوص كربور آهن)،در اعماق زمين، نفت تشكيل مي شود. بر طبق نظريه تاييد شده منشا نفت مربوط به زيست جرم هاي ( biomass ) كهن بوده و نفت خام از مواد آلي فسيل شده حاصل شده است. نفت امروز بقاياي موجودات ريزي به نام ژئوپلانكتون ها و جلبك هاي ما قبل تاريخي است كه ، در شرايط كم اكسيژن ، به ميزان فراوان بر كف دريا فرو افتاده اند . پلانكتون ها توليدكننده مواد غذايي براي ساير موجودات اقيانوس هستند .در اثر گذشت زمان و اعمال فشار و گرماي ناشي از طبقات و در نتيجه استمرار فرآيندهاي شيميايي و بيوشيميايي، كيفيت نفت هاي اوليه ارتقا يافته و در نهايت به نفت خام قابل استفاده براي مصارف مختلف تبديل شده است.
رسوبات تشكيل شده در منابع نفتي به دو صورت هستند:
1- رسوبات و طبقات سنگی منفذ دار 2- طبقات غیر قابل نفوذ
مخازن نفت خام: براي تشكيل مخازن نفت سه شرط لازم است: يك سنگ منبع (source rock) غني از ماده هيدروكربني كه در عمق كافي قرار داشته تا در اثر گرماي زيرزميني به صورت نفت پخته شود . يك سنگ مخزن (reservoir rock) متخلخل و نفوذپذير براي تجمع نفت و يك سنگ پوششي (cap rock) يا سازوكاري مشابه كه مانع از فرار نفت به سطح زمين شود. در اين مخازن سيال به صورت سه لايه شامل آب در پايين، نفت در وسط و گاز در بالا قرار مي گيرد.
انرژی نفت: انرژي موجود در نفتي كه ما امروزه از آن استفاده مي كنيم سال ها پيش به صورت انرژي خورشيدي در طي فرآيند فتوسنتز ذخيره شده بود. در طي فرآيند فتوسنتز با اعمال انرژي كم دي اكسيد كربن و آب به هيدرات كربن (مانند گلوكز) با انرژي زياد تبديل ميگردد. در اين موازنه CH 2O كربوهيدراتي مانند گلوكز است. اين انرژي مي تواند توسط موجودات زنده براي عمل تنفس استفاده شده و در اثر فرآيند معكوس(بازدم) ، كربوهيدرات ها مجدداً به دي اكسيد كربن و آب تبديل مي شوند.
شیل های نفتی (oil shales): هر سنگي كه داراي خلل متصل به هم باشد (shale) را مي توان سنگ مخزن محسوب كرد . سنگ هاي مخزن بطور عمده مشتمل بر سنگ هاي رسوبي و دگرگون نشدهاي مانند سنگ آهك ، دولوميت و ماسه سنگ هستند. بخش بزرگي از نفت جهان در منابع غير معمول نظير شيل هاي نفتي وجود دارد. شيل هاي نفتي گروه متنوعي از سنگ ها هستند كه داراي مواد آلي بوده كه مي توان به وسيله اعمال حرارت (فرآيند تبخير) آنها را استخراج كرد.
تاریخچه: از حدود 4000 سال پيش از ميلاد مسيح نفت به عنوان سوخت براي ايجاد آتش و روشنايي و همچنين از قير آن براي آب بندي كشتي ها و ساختمان ها استفاده مي شد. بر طبق تاريخ هرودوت در ساخت ديوارها و برج بابل از قير استفاده شده بود. در الواح پارسي به استفاده از نفت در زمينه هاي پزشكي و روشنايي در بين طبقات بالاي جامعه اشاره شده است . در جوامع ديگر نيز در زمينه هاي پزشكي نظير درمان بيماري هاي جلدي ، دندان درد و رماتيسم از نفت استفاده مي شده است. اولين چاه نفت در سال 1853 در لهستان حفر شد . در دهه 1850 ميلادي نيز فرآيند توليد نفت سفيد از نفت خام ابداع شد .
اکتشاف و استخراج نفت خام: در گذشته از روش هاي متفاوتي براي اكتشاف نفت استفاده مي شده است. در اوايل قرن بيستم روش اكتشاف نفت بر مبناي نقشه برداري سطحي طاق ديس ها بود. در ميانه دهه 1920، استفاده از روش هاي ژئوفيزيكي ، اكتشاف نفت را وارد مرحله تازه اي نمود . منابع نفت خام مي تواند در زمين يا دريا ، از طريق شواهد زمين شناسي يا بررسي اثرات مغناطيسي و مشاهده و عكس برداري از طريق هواپيما ، در مناطق فاقد پوشش گياهي ، و سپس بررسي پستي و بلندي هاي منطقه ، نقشه برداري از محل، آزمايش نمونه هاي سطحي، كشف شود. در قدم بعد به كمك متّه هاي دوّار چاه را حفر مي كنند تا به لايه هاي نفتي برسند . در اثر فشار گاز موجود در چاه، مخلوط گاز و نفت گاه با فشارpsi 450 (حدود 30 اتمسفر ) خارج گشته و به مخازن تحت فشار محيط ارسال شده و آن گاه براي پالايشگاه ها يا كشتي ها پمپ مي شود. معمولاً حدود 20 %نفت خام از طريق فشار طبيعي چاه قابل استخراج است (natural lift) . در بسياري از چاه ها پس از مدتي فشار چاه افت كرده و براي ادامه استخراج به روش مصنوعي عمل مي شود ( lift artificial ) تا به كمك
پمپ هاي مكانيكي نفت از چاه خارج شود . در طول زمان اين روش تقويت اوليه تضعيف شده و روش هاي ثانويه اي بايد به كار گرفته شود كه مي توان به تزريق آب مايع داغ اشاره كرد. در نهايت مي توان به طريق ثالث با تزريق بخار آب ، دي اكسيدكربن ، گاز، الكل و ديگر مواد شيميايي به چاه ، يا ايجاد احتراق به منظور افزايش فشار چاه و در نتيجه ظرفيت توليد آنها عمل كرد.
حفر چاه: چاه نفت از حفره هاي استوانه اي در زمين براي اكتشاف، بهره برداري و … منابع نفتي ايجاد شده و ممكن است به صورت عمودي يا مايل بر سطح زمين باشد. پس از اطمينان از اينكه لايه هاي اعماق زمين مناسب ايجاد نفت گير هستند و در صورتي كه ذخيره هيدروكربن هاي آن قابل ملاحظه باشد، محل حفر چاه را با علامت بر روي زمين مشخص كرده و دكل حفاري را در آن محل بر پا مي كنند.دستگاه حفاري قابل حمل بوده و دكل هاي بزرگ نيز از چندين قسمت تشكيل مي شوند كه به هنگام استفاده قطعات آن را به هم وصل مي كنند.
انواع چاه های نفت:
چاه اکتشافی: چاه اكتشافي اولين چاهي است كه جهت كسب اطلاعات زمين شناسي و آگاهي از وضعيت نفت و گاز در ناحيه اي حفر مي شود.
چاه توصیفی: آگاهي از مرزهاي جانبي مخزن ، تعيين مقدار ذخيره و چگونگي گسترش ذخيره مخزن با حفر چاه توصيفي مورد بررسي قرار مي گيرد.
چاه مشاهده ای: چاه هايي كه به منظور مشاهده وضعيت دائم مخزن حفاري شود چاه مشاهده اي ناميده مي شود. فشار مخزن ، سطح آب و نفت ، نسبت آب و نفت و … از جمله مواردي است كه با استفاده از چاه هاي مشاهده اي قابل بررسي و اندازه گيري است .
چاه جانشینی: چاه جانشيني در مواقعي كه امكان بهره برداري از چاه قبلي وجود نداشته باشد مورد حفاري قرار مي گيرد. براي مثال ، حفاري چاه جانشيني در مجاور چاهي كه به دليل جاماندگي ابزار حفاري در آن متوقف شده باشد صورت مي گيرد.
چاه توسعه ای : پس از حفاري چاه هاي اكتشافي و توصيفي و ضمن تاييد ذخيره داراي قابليت اقتصادي مخزن ، اقدام به حفر چاه هاي توسعه اي مي شود .استخراج نفت و گاز از مخزن بطور عمده توسط چاه هاي توسعه اي صورت مي گيرد.
آنالیز نفت خام: عناصر موجود در كليه نفت هاي خام تقريباً يكسان است ، ولي وجود تفاوت هاي كوچك در تركيب نفت ها مي تواند اثرات عمده اي بر خواص فيزيكي و فرآيند لازم جهت توليد فرآورده هاي قابل فروش ايجاد كند. نفت خام ، اساساً مخلوطي از هيدروكربن ها است.مواد سازنده نفت از نظر نوع هيدروكربن و همچنين ناخالصي ها به محل و شرايط تشكيل آن بستگي دارد. مثلاً در بعضي نقاط در داخل نفت خام بيشتر هيدروكربن هاي حلقوي اشباع شده وجود داشته در حالي كه در برخي نقاط ديگر بيشتر هيدروكربن هاي حلقوي اشباع نشده وجود دارد و گاه نيز درون نفت خام مخلوطي از انواع فوق مشاهده مي شود.
مواد تشکیل دهنده نفت خام: عبارتند از: هيدروكربن ها ، تركيبات اكسيژن دار ، تركيبات گوگرد دار ، تركيبات نيتروژن دار و مواد معدني .
هیدروکربن ها: اكثر سوخت هاي مايع و گازي از هيدروكربن ها تشكيل شده اند. به منظور آشنايي با هيدروكربن ها ابتدا تعدادي اصطلاح آنها ذكر مي شود:
هیدروکربن: ماده آلي است كه از مولكول هاي كربن و هيدروژن تشكيل شده و از نظر ساختار مولكولي بر دو دسته است:
1- ساختار زنجیره ای (chain structure) ، در آنها دو اتم كربن واقع در دو انتهاي مولكول هر كدام تنها با يك كربن ديگر پيوند دارند.
2- ساختار حلقوی (ring structure ) ، در آنها كليه اتم هاي كربن حداقل با دو اتم كربن ديگر پيوند داشته و تشكيل يك حلقه بسته را مي دهند.
هیدروکربن های اشباع شده: هيدروكربن هايي هستند كه در آنها كليه اتم هاي كربن داراي پيوند يگانه اي با هم هستند.
هیدروکربن های اشباع نشده:هيدروكربن هايي هستند كه در آنها برخي اتم هاي كربن داراي پيوند دوگانه يا سه گانه با هم هستند.
ایزومر ( همپار): هيدروكربن هايي را گويند كه داراي تعداد اتم كربن و هيدروژن يكسان و ساختار متفاوتي هستند.
اعداد یونانی مورد استفاده در نام گذاری هیدروکربن ها:
| Metha | Etha | Propa | Buta | Panta | Hexa | Hepta | Octa | Nona | Deca |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
چون تعداد هيدروكربن هاي موجود در نفت نامحدود بوده آن ها را در سه گروه كلي طبقه بندي مي نمايند كه عبارتند از هيدروكربن هاي: پارافيني ، نفتيني و آروماتيك.علاوه بر اين ها گروه هاي ديگري نيز به نام هيدروكربن هاي اولفيني و دي اولفيني وجود دارد ، كه در نتيجه فرآيند هيدروژن زدايي از پارافيني ها و نفتيني ها تشكيل مي شوند.
پارافینی ها (آلکان ها): ساده ترين هيدروكربن پارافيني ، متان (CH4) است كه سري هم رده متعاقب آن عبارتند از : اتان ، پروپان ، بوتان ، پنتان ، هگزان و… . پارافيني هاي از پنتان(C 5H 12) تا اكتان (C 8H 18) به صورت بنزين پالايش شده و پارافيني هاي از نونان (C 9H 20) تا هگزادكان(C 16H 34) به گازوييل و نفت سفيد و پارافيني هاي سنگين تر از هگزادكان به نفت كوره و روغن روانكاري تبديل مي شوند . مشخصه هيدروكربن هاي پارافيني ، اتصال اتم هاي كربن به وسيله پيوندهاي ساده است . اين هيدروكربن ها بسيار پايدار بوده به طوري كه تمامي اين گروه به جز آن ها كه چهار اتم كربن دارند تحت تاثير قليايي هاي غليظ ، اسيد سولفوريك ، اسيدنيتريك ، اسيدكربنيك و حتي اسيدهاي با اكسيدكنندگي زياد مثل اسيدكروميك قرار نمي گيرند . ارزش حرارتي اين هيدروكربن ها بالا بوده و آلودگي كمي ايجاد مي كنند. اين هيدروكربن ها داراي ساختار زنجيري بوده و اشباع شده هستند . پارافيني ها به دو گروه تقسيم مي شوند : پارافيني هاي نرمال و ايزوپارافيني ها . در پارافيني هاي نرمال زنجيره مولكولي مستقيم و بدون انشعاب است ولي ايزوپارافيني ها كه ايزومر پارافيني ها هستند داراي زنجيره غيرمستقيم و انشعاب دار هستند.
نفتینی ها (سیکلو آلکان ها): هيدروكربن هاي سيكلو پارافيني اي كه تمام پيوندهاي آزاد اتم هاي كربن شان با هيدروژن اشباع شده اند را هيدروكربن هاي نفتيني مي نامند .اين هيدروكربن ها داراي ساختار حلقوي (متشكل از يك يا چند حلقه) بوده و چون اشباع شده هستند
،نظير پارافيني ها، بسيار پايدار بوده و خواصي مشابه با آنها دارند ؛ البته نقطه جوش آنها بالاتر است. در نفت خام ، انواع بسياري از نفتيني ها وجود دارد، ولي اغلب آنها به صورت سيكلوپنتان و سيكلو هگزان هستند.
آروماتیک ها:گروه هيدروكربن هاي آروماتيكي(به معناي معطر)، از نظر شيميايي و فيزيكي تفاوت بسياري با پارافيني ها و نفتيني ها دارند. هيدروكربن هاي آروماتيكي ، حلقوي و اشباع نشده بوده ، بوي تندي داشته و بسيار ناپايدا ر هستند . هيدروكربن هاي آروماتيكي به دو گروه تقسيم مي شوند: 1- بنزن ها: از افزودن عامل متيل به كربن هاي حلقه بنزن به دست مي آيند، مثل تولوئن و متيل بنزن. 2- نفتالین ها: از به هم پيوستن دو حلقه بنزن به دست مي آيد . برخي هيدروكربن هاي آروماتيكي موجود در نفت خام عبارتند از: بنزن ، تولوئن ، ارتو- زايلن ، متا- زايلن ، پارا- زايلن ، نفتالين و كومن .
اولفینی ها(آلکان ها): اولفين ها هيدروكربن هاي زنجيري اشباع نشده اي هستند كه به طور طبيعي در نفت هاي خام وجود نداشته، بلكه در خلال فرآوري نفت (مثل فرآيند كراكينگ) تشكيل مي شوند. اولفين ها ناپايدار بوده و به سادگي با اسيدسولفوريك و اسيدكلريدريك واكنش انجام مي دهند. در برش هاي مربوط به گستره نقطه جوش بنزين ، وجود برخي اولفين ها مطلوب است ، زيرا اولفين ها ، در مقايسه با تركيبات پارافيني با تعداد اتم هاي كربن يكسان ، داراي اعداد اكتان پژوهشي (RON) بالاتري هستند.
دی اولفینی ها: دي اولفين ها هيدروكربن هاي زنجيري اشباع نشده اي هستند كه با مولكول هاي اشباع نشده ديگر تركيب و پليمر شده و مولكول هاي سنگين صمغ مانندي را تشكيل مي دهند. دي اولفين هاي مايع تنها در معدودي از سوخت هاي مايع تجاري وجود دارند. مقدار مولكول هاي يك نمونه نفتي در آزمايشگاه تعيين مي شود.براي اين كار مولكول ها در يـك حـلال حل شده،سپس در يك كروماتوگراف گازي از هم جدا شده، و در نهايت توسط يـك آشكارسـاز مناسـب، نظيـر آشكارساز با يونش شعله يا طيف سنج جرمي ميزان آنها تعيين مي شود.
ترکیبات اکسیژن دار: مقدار درصد اكسيژن در نفت خام معمولاً از سه درصد بيشتر نبوده و اغلب در ساختمان مولكول هاي سنگين به حالت تركيب يافت مي شود .تركيبات اكسيژن دار موجود در نفت شامل اسيدها و فنل ها مي شود اسيدهاي موجود در نفت بيشتر به صورت مشتقات سيكلوآلكان يا نفتنيني است.
ترکیبات گوگرددار: اغلب نفت هاي خام حاوي گوگرد آزاد محلول هستند كه در اثر تبخير كريستاليزه مي گردد . گوگرد مي تواند به صورت سولفور هيدروژن ، تيوفرمركاپتان، دي سولفور ، سولفوركربن و سولفور كربنيل وجود داشته باشد. مقدار گوگرد در نفت بستگي به منطقه اي دارد كه در آنجا نفت تشكيل گشته است.
ترکیبات نیتروژن دار: روغن هاي معدني مي توانند تا 5/1 درصد نيتروژن را به صورت تركيبات آلي دارا باشند . اين تركيبات از نظر عامل نيتروژن به دو دسته تقسيم مي گردند:
نيتروژن در حلقه به صورت N-H= (یعنی متصل به سه اتم) است و ميتوان تركيباتي از قبيل پيرول ، اندول و كاربازول را نام برد.
نيتروژن در حلقه بصورت N( يعني متصل به دو اتم) شركت نموده ، شامل موادي از قبيل پيريدين ، كينولئين و ايزوكينولئين ميگردد.
ترکیبات فلزی: هرگاه مواد باقيمانده از تقطير نفت را بسوزانند ، مانند زغال از خود خاكستري باقي مي گذارد كه شامل برخي از تركيبات فلزي است. اين تركيبات بيشتر مربوط به عناصري از قبيل سيليس، آهن ، آلومينيوم ، كلسيم ، منيزيم ، نيكل و سديم مي گردد.
موارد استعمال برخی از برش های نفتی حاصل از نفت خام : صنعت نفت شامل فرآيند هاي جهاني در زمينه اكتشاف، استخراج، پالايش، انتقال و بازاريابي محصولات نفتي مي شود.بيشترين حجم محصولات نفتي را سوخت (بنزين،گازوييل،…) تشكيل داده و بقيه به صورت ماده خام در توليد بسياري محصولات شيميايي نظير داروسازي،حلال ها، كودها،سموم و پلاستيك ها به كار مي رود. مصرف سالانه جهانی نفت در حدود 30 میلیارد بشکه(km 3 8/4) است.
انواع مختلف نفت خام بر حسب A.P.I:
– نفت سنگين با درجه A.P.I 10 الي 20
– نفت متوسط با درجهA.P.I 20 الي 30
– نفت سبك با درجهA.P.I بيش از 30
وزن ويژه نفت ها بستگي به ماهيت هيدروكربن هاي مختلف آن دارد. هر چه مقدار گاز محلول در نفت بيشتر باشد، چگالي آن كمتر خواهد بود. بنابراين پارافين ها داراي پايينترين چگالي ،نفتيني ها چگالي كمي بالاتر و آروماتيك ها بالاترين چگالي را دارند.
پالایش نفت خام:تميز كردن و به دست آوردن محصولات نفتي در طي يك عمليات خاص را پالايش نفت خام گويند . عمليات پالايش دو مرحله است :1- عمليات فيزيكي(حذف ناخالصي ها و تقطير) ، 2- عمليات شيميايي(مثل كراكينگ و رفرمينگ). براي جداسازي مواد نامطلوب ابتدا آنها را وارد مخازني مي كنند تا جامدات موجود در آن ته نشين شده و گازهاي آن خارج شوند. سپس اين نفت وارد جداسازگریز از مركزي شده كه نقش آن جدا كردن باقيمانده آب ، گاز و جامدات معلق در آن است . براي حذف نمك هاي معدني ، نفت را با آب ولرم مي شويند. آنگاه قسمتي از نفت توسط لوله به پالايشگاه فرستاده شده و بقيه جهت صدور به بنادر پمپ مي شود.
تقطیر: نخستين گام در پالايش نفت خام عمل تقطير است . براي تفكيك برش هاي تشكيل دهند نفت خام ، عمليات فيزيكي و شيميايي متعددي بر روي آن به عمل مي آورند تا فرآورده هاي مورد نياز را توليد نمايند. مهمترين بخش اين فرآيند تقطير جزء به جزء نفت است كه در برج تقطير صورت مي گيرد . تقطير جزء به جزء عبارت است از يك سري عمليات تبخير و سرمايش است كه در سيني هاي يك برج استوانه اي شكل صورت مي گيرد. اگر فشار كاهش يابد، تبخير صورت مي گيرد و در حالت معكوس ، تقطير اتفاق مي افتد.
فرآیند تقطیر جزء به جزء: تقطير جزء به جزء در برج(ستون) تقطير انجام مي گيرد.در این فرآیند بخارات توليد شده ، در برج تقطير از پايين به بالا حركت كرده و با فاز مايعي كه از چگالش بخارات مرحله قبلي در طول برج توليد شده و به طرف پايين جريان دارند ،تماس مي يابد تا به اين ترتيب بين فاز گاز و مايع تماس كاملي برقرار شود .دماي هر سيني از سيني پاييني خود كمتر است. در برج تقطير ، دما از پايين به بالا كاهش مي يابد . در كندانسورها ، بخارهاي خارج شده از قسمت بالاي برج به مايع تبديل شده و به عنوان محصول جمع آوري مي گردد. معمولاً مقداري از اين مايع جمع آوري شده جهت كنترل دماي برج تقطير به عنوان مايع برگشتي به داخل آن باز مي گردد .
کراکینگ و هیدروکراکینگ کاتالیزوری: نفت گاز حاصل از واحدهاي تقطير اتمسفري و تقطير در خلاء و كك سازي به عنوان خوراك واحدهاي كراكينگ كاتاليزوري و يا هيدروكراكينگ به كار مي رود.اين واحدها مولكول هاي سنگين را شكافته و آنها را به مواد با ارزش تري مانند بنزين ، سوخت جت و نفت كوره سبك تبديل مي كنند. فرآورده هاي واحد هيدروكراكينگ ، اشباع شده هستند.
رفرمینگ (اصلاح) کاتالیزوری و ایزومریزاسیون (همپارش): نياز اتومبيل هاي امروزي به بنزين هاي با عدد اكتان بالا ، عاملي براي استفاده از رفرمينگ (اصلاح) كاتاليزوري است . منابع خوراك واحد رفرمينگ كاتاليزوري عبارتند از: بنزين هاي سنگين تقطير مستقيم ( HSR) و نفت سنگين حاصل از و احدهاي برج تقطير نفت خام ، كك سازي و كراكينگ . فرآوده هاي حاصل از اصلاح كاتاليزوري
براي فروش به عنوان بنزين معمولي و بنزين سوپر با هم مخلوط مي شوند. عدد اكتان بنزينهاي سبك ( LSR) را مي توان با استفاده از فرآيند همپارش كه طي آن پارافين هاي نرمال به همپارهايشان تبديل مي شوند، بهبود بخشيد.
پالایشگاه نفت: پالايشگاه نفت يك واحد صنعتي است كه در آن نفت خام به مواد مفيدتري مانند سوخت جت ، سوخت ديزل (گازوييل)، بنزين، آسفالت ، گاز مايع (LPG) و بسياري از فرآورده هاي نفتي ديگر تبديل مي گردد . همچنين از نفت براي توليد محصولات ديگر مانند پلاستيك، فوم ها و … استفاده مي شود و بنابراين نفت خام بايد حتماً مورد پالايش قرار گيرد. نفت به خاطر دارا بودن هيدروكربن هاي با وزن و طول مختلف مانند پارافين ها ، آروماتيك ها، نفتين ها و … مي تواند در موارد متعددي مورد استفاده قرار گيرد . هيدروكربن ها مولكول هايي با طول هاي متفاوت هستند كه تنها از هيدروژن و كربن تشكيل شده و ساختارهاي مختلف به آنها خواص متفاوتي مي دهد . پالايش نفت در واقع عبارت از جداكردن و بالابردن درجه خلوص اجزا تشكيل دهنده نفت از هم است . معمولاً ظرفيت پالايشگاه هاي بزرگ از صد هزار تا چند صد هزار بشكه نفت در روز است . به دليل ظرفيت بالاي مورد نياز ، بسياري از پالايشگاه ها همواره براي مدت طولاني، از چندين ماه تا چندين سال، به صورت پيوسته كار مي كنند .بسته به نوع خوراكي كه پالايشگاه هاي نفت بر مبناي آن طراحي شده اند ا ز پيچيدگي هاي متفاوتي برخوردار بوده و بر اساس آن ميزان و نوع محصولات متفاوتي را توليد مي كنند. ميزان سرمايه گذاري براي احداث يك پالايشگاه با پيچيدگي متوسط بين 18 تا 19 هزار دلار به ازاي هر بشكه ظرفيت پالايش است كه با افزايش درجه پيچيدگي گاه به 24 تا 25 هزار دلار در هر بشكه نيز مي رسد.
محصولات عمده پالایشگاه:از محصولات عمده پالايشگاه مي توان به آسفالت،گاز مايع نفتي (LPG) ،گازوييل،روغن هاي روانكاري، نفتا، واكس پارافين ، بنزين، قير و سوخت موتور جت اشاره كرد.
سوخت های حاصل از پالایش نفت خام: پس از استخراج نفت خام آن را از طريق لوله يا راه هاي ديگر به پالايشگاه حمل مي كنند تا در آنجا پالايش شده و به تركيبات مفيد و قابل استفاده تبديل شود . نفت خام مخلوطي از هيدروكربن هاي مختلف است كه در هم حل شده اند و براي استفاده بايد از هم تفكيك گردند . تفكيك نفت خام در دو مرحله صورت مي گيرد : ابتدا تفكيك جزء به جزء كل نفت خام در فشار اتمسفر،و سپس ارسال باقيمانده ديرجوش اين مرحله به دستگاه تفكيك ديگري تحت خلا شديد عمل مي كند.عموماً نفت گاز سبك ، نفت گاز اتمسفري و نفت گاز خلا براي توليد بنزين،سوخت هواپيما و سوخت ديزل به واحد هيدروكراكينگ يا كراكينگ كاتاليزوري فرستاده مي شود. پسماند برج خلا را نيز مي توان به منظور توليد نفت كوره سنگين،خوراك واحد كراكينگ و ماده خام روغن هاي روانكاري، در واحدهاي گرانروي شكن ، كك سازي يا آسفالت زدايي پالايش كرد. پسماند نفت خام هاي آسفالتي را مي توان براي توليد آسفالت مورد مصرف در جاده سازي و يا پشت بام ، مورد عمليات پالايش بيشتري قرار دارد.
نفت: به طور كلي سوخت نفت (fuel oil) شامل هر سوختي مي شود كه در كوره يا ديگ بخار براي توليد گرما و در موتور براي توليد توان سوخته و نفت هايي كه نقطه روشني آن تقريباًC 400 بوده يا نفت هايي كه از طريق فتيله مي سوزند را شامل نمي شود. بر اين اساس گازوييل نيز جزء اين سوخت ها است . در بين عموم ، واژه انگليسي fuel oil به سوخت هايي گفته مي شود كه سنگين ترين سوخت هاي تجاري
محسوب مي شوند كه از نفت خام حاصل مي شود(يعني همان نفت كوره). بر اساس طبقه بندي ASTM،براي سوخت هاي نفتي شش گروه 1 تا 6 وجود دارد. اين طبقه بندي بر اساس نحوه پالايش و احتراق اين سوخت ها است.
سوخت نفتی شماره 1: سوخت فرّاري است كه در مشعل هاي تبخيري نوع pot استفاده مي شود . اين سوخت برشي از نفت سفيد است كه نقطه جوش آن بلافاصله بعد از برش نفتاي سنگين مورد استفاده در بنزين است.
سوخت نفتی شماره 2: از اين سوخت در گرمايش منازل استفاده مي شود. كاميون ها و برخي سواري ها از سوخت ديزلي مشابه و محدوده عدد ستاني كه كيفيت اشتعال سوخت را تعريف مي كند بهره مي گيرند . استفاده از واژه گازوييل(gas oil) بر اساس فرآيند تقطير است زيرا براي توليد آن ابتدا نفت خام به گاز تبديل شده و سپس چگاليده مي شود.
سوخت نفتی شماره 3: :از اين سوخت در مشعل هايي كه به سوخت با گرانروي پايين نياز دارند استفاده مي شود. از اواسط قرن بيستم ، با توجه به اين كه ASTM اين گروه را در گروه 2 ادغام كرده كمتر از اين واژه استفاده مي شود.
سوخت نفتی شماره 4: يك سوخت تجاري است كه در مشعل هايي به كار مي رود كه بدون پيشگرم كن هستند. اين سوخت از برش گازوييل سنگين قابل حصول است.
سوخت نفتی شماره 5:يك سوخت نفتي مورد استفاده در صنعت براي گرمايش بوده كه جزء پسماند فرآيند تقطير محسوب مي شود.لازم است براي اتميزه شدن مناسب در مشعل، اين سوخت در محدودهc 770 تا c1040 پيش گرم شود اين سوخت از برش گازوييل سنگين قابل حصول بوده يا مي توان آن را به صورت ممزوج نفت پسماند با مقدار كافي از نفت شماره 2 به دست آورد به طوري كه ويسكوزيته محصول به گونه اي شود كه بتوان آن را بدون پيش گرمايش پمپ كرد.0 سوخت نفتی شماره 6: يك سوخت نفتي پسماند است كه مستلزم پيش گرمايش در محدوده c 1040 تا c1270 است . منظور از پسماند بقاياي موادي است كه پس از جدايي برش هاي ارزشمندتر نفت خام بر جاي مي ماند. ممكن است پسماند حاوي ناخالصي هاي نامطلوبي مثل 2 %آب و نيم درصد مواد معدني باشد.
نفت سفید: نفت سفيد (kerosene) مايعي بيرنگ و كمي سنگين تر از بنزين است كه بوي مخصوص آن پس از تبخيرشدن از بين مي رود. از آغاز پيدايش صنعت نفت تا حدود50 سال پيش نفت سفيد ، مهمترين فرآورده نفتي بود. ابتدا از اين سوخت به عنوان روغن چراغ استفاده ميشد كه هنوز هم در مواردي براي توليد روشنايي به كار مي رود. نفت سفيد ، برشي از نفت خام است كه از طريق تقطير جزء به جزء نفت خام در گستره دماي 150 الي 275 درجه سلسيوس به دست آمده و سنگيني ويژه آن بين 780/0 تا 81/0 است. خاصيت انفجاري نفت سفيد از بنزين شديدتر بوده و در موتورها در نسبت تراكم هاي بالاتر از 2/4 استفاده نمي شود . ارزش حرارتي نفت سفيد مشابه گازوييل و در حدود MJ/Kg 43( ارزش حرارتي پايين) است. نقطه روشني نفت سفيد بينc 370 تا c650 و دماي خوداشتعالي آنc 2200 است.
موارد کاربرد نفت سفید:
روشنایی: از نفت سفيد جهت روشنايي و گرمايش(بيشتر در مصارف خانگي) استفاده مي شود. چون نقطه روشني نفت سفيد بالاتر از 35 درجه سلسيوس است لذا ذخيره سازي آن خطر آتش سوزي زيادي ندارد .
سوخت: نفت سفيد سوخت برخي از تراكتورها و ماشين هاي مورد استفاده در كشاورزي ، موتور قايق هاي كوچك ، هواپيماهاي جت و برخي راكت ها است. در تراكتورهاي نفتي استارت موتور به كمك بنزين بوده و پس از گرم شدن موتور سوخت آن به نفت تبديل مي شود . گردش گازهاي اگزوز در اطراف لوله ورودي موجب گرمايش و تبخير نفت سفيد مي شود.نحوه استارت موتور قايق ساخت شركت هاي ياماها،سوزوكي و توهاتسو نيز مشابه با تراكتورها است.
ماده افزودنی: از نفت سفيد به عنوان ماده افزودني گازوييل استفاده مي شود تا در هواي سرد از سفت شدن گازوييل جلوگيري شود.
سایر مصارف:از نفت سفيد در مواد ضد آفت ، برخي حشره كش ها ، گندزدايي آبگيرها از وجود پشه ، دفع شپش از موي سردر كريستالوگرافي اشعه X به منظور حفاظت از كريستال ها در برابر كدر شدن در اثر تماس با هوا، حلال (در مورد چسب، موم شمع) ، تميز كردن زنجير دوچرخه و موتورسيكلت در قبل از روغن كاري مجدد،سيال روانكار در هنگام برش شيشه و … استفاده مي شود.
سوخت جت: سوخت جت يك نوع سوخت مورد استفاده در حمل و نقل هوايي است كه در هواپيماهاي با موتورهاي توربين گاز استفاده مي شود. رنگ آن شفاف و همچون رنگ كاه است. سوخت هاي رايج مورد استفاده تجاري در حمل و نقل هوايي عبارتند از: سوخت جت A-1و سوخت جت A كه بر اساس مشخصات استاندارد بين المللي توليد مي شوند.ديگر سوخت جت موجود در هواپيماهاي غير نظامي با موتور توربيني سوخت جت B-1 است كه براي بهبود عملكرد در آب و هواي سرد استفاده مي شود.سوخت جت شبيه سوخت ديزل است. اين سوخت مخلوطي از تعداد زيادي از هيدروكربن هاي مختلف است كه محدوده اندازه آن ها توسط الزامات مورد نياز براي محصول مثل نقطه انجماد و نقطه دود محدود شده است. اجزاي سوخت جت از نوع نفت سفيد (شامل سوخت جت A-1 و سوخت جت A)داراي تعداد كربن بين 8 و 16 بوده و سوخت جت از نوع برش گسترده ( WIDE CUT ) يا نفتا (شامل سوخت جت B-1) داراي تعداد كربن 5 و 15 مي باشد .پايه نخستين سوخت هاي جت، نفت سفيد يا آميزه نفت سفيد- بنزين بوده و در حال حاضر نيز اغلب سوخت هاي جت داراي پايه نفت سفيد هستند. سوخت جت A در ايالات متحده استفاده شده در حالي كه سوخت جت A-1 در بقيه دنيا استاندارد است . هر دو سوخت نقطه روشني نسبتاً بالاي °C 38 و دماي خود اشتعالي° C 210 را دارند كه در مقايسه با بنزين هواپيماي تجاري ايمن تر است.تفاوت عمده اين دو سوخت در نقطه انجماد بالاتر سوخت جت A است و الزام اجباري براي وجود ماده افزودني ضد الكتريسيته ساكن براي سوخت جت A-1 است. سوخت جت B در ناحيه نفتا- نفت سفيد بوده و براي بهبود عملكرد در آب و هواي سرد استفاده مي شود. تركيب اين سوخت سبكتر بوده و كنترل آن دشوارتر است. به همين دليل جز در مناظق سردسير به ندرت از آن استفاده مي شود . سوخت جت بايد عاري از آب باشد زيرا در هنگام پرواز دماي سوخت درون مخازن(باك ها) كاهش يافته و آب غيرمحلول ته نشين شده در مخزن يخ زده و باعث مسدود شدن لوله سوخت ورودي موتور مي شود . از آنجا كه حذف كامل آب غيرممكن است براي جلوگيري از يخ زدگي آب درون مخزن معمولاً از گرمكن هايي استفاده مي شود . براي تشخيص وجود آب يا به طريق چشمي عمل مي شود يا از فيلترهاي حساس به آب استفاده مي شود كه در صورت وجود آب آزاد بيش از ppm 30 در سوخت رنگ آن به سبز تغيير مي كند.
گازوییل: گازوييل (سوخت ديزل) سوخت قهوه اي رنگي است كه بيشتر حاصل بقاياي غيرفرّار پالايش نفت خام در فرآيند تقطير جزء به جزء بوده و شامل هيدروكربن هاي C8 تا C21 است كه در فشار اتمسفر، نقطه جوش آن ها در محدوده 180 تا 360 درجه سلسيوس قرار دارد. سوخت هاي ديزل به دو دسته سبك و سنگين تقسيم مي شوند . سوخت هاي سبك در موتورهاي ديزل دور بالا و سوخت هاي سنگين در موتورهاي ديزل دور پايين استفاده مي شوند . كاربرد ديگر گازوييل در سيستم هاي گرمايشي است. هر چه كربن يك سوخت بيشتر باشد آن سوخت لزج تر است. اگر دو سوخت تعداد كربن يكساني داشته باشند ، سوختي كه هيدروژن كمتري دارد لزج تر است. گازوييل بيشتر به عنوان
سوخت موتورهاي ديزل به كار مي رود. مشكل عمده گازوييل مورد استفاده در موتور خودروها در مقايسه با بنزين، افزايش سريع ويسكوزيته آن در صورت كاهش دما است به طوري كه در دماهاي 15 تا 19 درجه زير صفر جريان آن به موتور قطع مي شود.برخي مواد افزودني مي توانند در دماهاي پايين گازوييل را مايع نگه دارند . از ديگر كاربردهاي آن جداسازي پالاديوم از مخلوط هاي اسيد نيتريك يا سيالات كار كرده مورد استفاده در صنعت هسته اي است.
نفت کوره (مازوت،نفت سیاه): نفت كوره ، سوختي سياه رنگ است كه عمدتاً متشكل از سنگين ترين بخش هاي نفت خام بوده و معمولاً فرآورده يا پسماند پايين برج تقطير در خلاء است. محصولات نفتي سنگين تر مثل روغن هاي روانكاري و گازوييل نيز كه كمتر فرّار هستند ديرتر تقطير شده و در انتها آخرين سوخت باقيمانده نفت كوره است. اين سوخت به دو دسته سبك و سنگين تقسيم مي شود. نوع سبك آن در هر مولكول داراي 6 تا 28 عدد كربن بوده ، نقطه جوشي در محدوده 320 تا 370 درجه سلسيوس داشته و معمولاً در كوره هاي صنعتي كوچك ، ديگ هاي بخار خانگي ، پالايشگاه ها و نيروگاه ها استفاده مي شود . نوع سنگين نفت كوره در هر مولكول داراي بيش از 29 كربن با نقطه جوشي در محدوده 370 تا 520 درجه سلسيوس بوده و بيشتر به عنوان جايگزين زغال سنگ و همچنين سوخت كشتي هاي بخار براي تبديل آب به بخار استفاده مي شود . نفت كوره سنگين بايد قبل از ورود به مشعل پيش گرم شود. ارزش حرارتي نفت كوره حدود kg/MJ 40 است. مشخصه هاي بحراني نفت كوره عبارتند از مقادير بالاي گرانروي و گوگرد.( تا 3%) با توجه به لزوم جلوگيري از آلودگي هوا، در سال هاي آينده، بايد مقدار بيشينه گوگرد در نفت كوره كاهش يابد.
بنزین: برشي از نفت است كه اجزاي آن داراي نقطه جوش 20 تا 214 درجه سلسيوس بوده و بيشتر حاوي هيدروكربن هاي C 4 تا C 12 است. بنزين طبيعی (gasoline virgin )كه در فرآيند تقطير از نفت خام جدا مي شود،حدود 15 % از نفت خام را تشكيل مي دهد.بيشتر بنزين در پالايشگاه ها از طريق فرآيند كراكينگ يا تغيير كاتاليزوري به دست مي آيد . بنزين مخلوطي از 10 تا 80 درصد هيدروكربن پارافيني ، 15 تا 85 درصد هيدروكربن نفتيني و 4 تا 40 درصد هيدروكربن آروماتيك است.اكثر در موتورهاي احتراقي خودروهاي سواري و هواپيماهاي با موتور كاربوراتوري از سوخت بنزين استفاده مي شود. كيفيت اشتعال بنزين توسط عدد اكتان بيان مي شود. عدد اكتان بنزين هواپيما حدود 130 و در خودروها بين 85 تا 95 است . ارزش حرارتي بنزين حدود kg/MJ 40 است . پيش از اختراع موتورهاي درون سوز در نيمه هاي قرن نوزدهم ، بنزين را در داروخانه ها، به عنوان داروي كشتن شپش و تخم آن ، در بطري هاي كوچك مي فروختند. در آن زمان كلمه پترول يك نام تجاري بوده و اين روش درمان به علت خطر شعله ورشدن و ايجاد حساسيت پوستي براي مدت طولاني به كار نرفت . بنزين همچنين شامل مواد آلي ديگري مثل اترهاي آلي ، مقدار كمي ناخالصي شامل تركيبات گوگرد مثل دي سولفيدها و تيوفن ها، وبرخي ناخالصي هاي ديگر به ويژه تيول ها و سولفيد هيدروژن است. سنگيني ويژه بنزين بين 71/0 تا 77/0 است كه مقدار بيشتر آن در صورت وجود چگالي بيشتري از آروماتيك ها است. بنزين بسيار فرّارتر از گازوييل و نفت سفيد است كه دليل آن بيشتر به خاطر افزودني هاي بنزين است . ارزش حرارتي بالاي بنزين به صورت ميانگينMJ/1 6/32 است.
سایر سوخت های مایع نفتی: از ديگر سوخت هاي مايع نفتي مي توان به “بنزول”، “پروپان” و “بوتان” اشاره كرد.
بنزول بيشتر حاوي بنزن (حدود 70 %) بوده و بقيه آن شامل تولوئن و هيدروكربن هاي سنگين است . خاصيت ضدكوبش آن به مراتب بهتر از بنزين است .پروپان در فشار تقريبي 16 اتمسفر مايع شده و در مخازني نگهداري مي شود. از پروپان در موتورهاي گازسوز استفاده شده و عدد اكتان آن 125 است. بوتان تجاري (حاوي 20 %بوتان) نيز گاز مايع شده اي است كه عدد اكتان بالايي داشته و در در موتورهاي گازسوز استفاده مي شود.
سوخت الکل: در برخي كشورها، الكل به عنوان يك سوخت مايع غيرنفتي در خودروها استفاده مي شود . يك مزيت مهم اين سوخت عدد اكتان بالاي انواع مختلف آن مي باشد. با جايگزيني يكي از اتم هاي هيدروژن هيدروكربن ها OH 1 ،الكل به دست مي آيد.دو نوع الكل كاربرد عمدهاي دارند: الكل متيليك(متانول)(CH 3 OH) و الكل اتيليك(اتانول) (CH 5 OH).متانول از چوب تهيه شده و اتانول عمدتاً از دانه هاي غلات ،چغندر ، سيب زميني يا تقطير محلول غليظ حاصل از نيشكر گرفته مي شود.به دليل ارزش حرارتي بالا، وجود اكسيژن در سوخت، آلودگي كم و نداشتن خاكستر، الكل سوخت بسيار خوبي است ولي قيمت تمام شده بالاي آن موجب محدوديت در استفاده از آن شده است . در برخي كشورها براي بهبود كيفيت بنزين 2/3 تا 20 درصد الكل به آن مي افزايند.از ديگر الكل ها مي توان به پروپانول و بوتانول اشاره كرد كه فرّاريتي كمتر از اتانول و متانول داشته و نقطه روشني آن ها °C 35 است . پروپانول و بوتانول از تخمير سلولز به دست مي آيند . چگالي انرژي بوتانول نزديك به بنزين بوده ولي عدد اكتان آن 25 % بيشتر است. ميزان سمي بودن و فرّاريّت بوتانول و پروپانول به مراتب كمتر از متانول است . بر خلاف متانول، اتانول و بوتانول؛ پروپانول(C 3 H 7 OH)به صورت مستقيم جايگزين بنزين نشده و به صورت محلول استفاده مي شود. پروپانول به عنوان منبع هيدروژن در برخي پيل هاي سوختي به كار مي رود ؛ ولي به دليل توليد دشوارتر در اين پيل ها بيشتر از متانول استفاده مي شود. بيشترين توليد الكل سوختي در جهان ، در كشور برزيل، از طريق تخمير نيشكر براي توليد اتانول ،صورت مي گيرد.در پايان از ديگر سوخت هاي مايع غيرنفتي مي توان به زيست سوخت هاي (biofuels) حاصل از روغن هاي نباتي و چربي هاي حيواني اشاره كرد . اين گونه سوخت ها بيشتر به عنوان بيوديزل ، در موتورهاي ديزل استفاده مي شوند . در موتورهاي ديزل اين سوخت به صورت مخلوط با گازوييل معمولي (حداكثر 15%) قابل استفاده است.
مزایای سوخت های مایع نسبت به سوخت های جامد:
- پس از سوختن ، خاكستر بر جا نمي گذارند.
- سوخت هاي مايع را مي توان در محوطه اي دور از محل مصرف و به اشكال مختلف انبار كرد .
- سوخت هاي مايع معمولاً خود به خود آتش نميگيرند و چنانچه فرّار نباشند، در اثر ماندن فاسد نمی شوند.
- در سوخت هاي مايع ، وزن 30 % و حجم 50 % كمتر از سوخت هاي جامد با همان ارزش حرارتي است .
سوخت های گازی: سوخت هاي گازي از هيدروكربن هاي C 1 تا C 5 تشكيل شده و داراي فرمول عمومي C n H2n+2 هستند. مهم ترين اين سوخت ها عبارتند از:
1-گاز طبيعي (شامل گازهاي CNG و (LNG
2- گاز LPG
3-گاز زغال سنگ
تاریخچه استفاده از گاز: اولين استفاده از سوخت هاي گازي در 900 سال قبل از ميلاد مسيح توسط چيني ها صورت گرفته است ، به طوري كه از گاز طبيعي كه در لوله هايي از جنس چوب خيزران جريان داشت براي ايجاد روشنايي استفاده مي شد. اولين سوخت گازي حاصل از زغال سنگ در سال 1665 در انگلستان توليد شد و اولين استفاده از آن نيز در سال 1770 براي مقاصد روشنايي بوده است . در سال 1795 در آمريكا ، كاري مشابه انجام شد . كشف گاز آبي (water gas) يا گاز آبي رنگ (blue water gas) و گاز مولد (producer gas) در 1780 از پايه هاي اصلي در توسعه اين صنعت بود.
گاز طبیعی: گاز طبيعي، مخلوطي از هيدروكربن هايي است كه به طور طبيعي در مخازن زيرزميني يافت مي شوند. اين گاز ممكن است به صورت محلول در نفت خام ، يا در زير كلاهك هايي بر روي نفت خام و يا به شكل مستقل وجود داشته باشد. در هر حال گاز طبيعي عمدتاً از متان ( به طور ميانگين 83 %) و اتان ( به طور ميانگين 15%) تشكيل شده و در كنار آنها اجزاي ديگري مثل پروپان ، بوتان ، پنتان، هيدروژن، سولفور هيدروژن ( H 2 S) گاز كربنيك،نيتروژن و هليم نيز وجود دارد.
گازهای طبیعی در کانسارهای نفت: امكان دارد كه گازهاي طبيعي به همراه نفت بوده يا به صورت مجزا تشكيل كانسار دهند كه هر دو نوع آن از نظر اقتصادي با ارزش مي باشد. به دليل چگالي كمتر، اين گازها قسمت فوقاني منابع را اشغال كرده ، در نتيجه يا بر روي نفت و يا بر روي آب قرار دارند. در برخي اوقات در كانسارهاي نفت حاوي گاز ، درصد قابل ملاحظه اي از گاز به صورت محلول بوده كه نسبت آن تابع ويژگي هاي فيزيكي نفت و گاز و همچنين دما و فشار مخزن است.
گازهای ترش و شیرین: گازهايي كه داراي CO 2 و گوگرد هستند ، به نام گازهاي ترش و گازهاي كم گوگرد را گازهاي شيرين گويند .
خواص گاز طبیعی: خواص گاز طبيعي بستگي به تركيب آن دارد . چگالي نسبي متان تقريباً خالص 55/0 و چگالي گاز مرطوب تا 0/1 هم مي رسد . از آنجا كه چگالي ، يك ويژگي كلي است مي توان از آن در مشخص كردن نوع گاز طبيعي استفاده كرد .گرانروي گاز در انتقال آن نقش عمده اي را دارا است . در فشارهاي كم، با افزايش دما گرانروي زياد مي شود، ليكن در فشارهاي زياد مقدار گرانروي با افزايش دما كاهش مي يابد.
تصفیه گاز طبیعی و موارد مصرف آن: پس از استخراج ، گاز طبيعي تصفيه شده و اجزايي مثل سنگ ،گل ، آب و سولفور هيدروژن از آن جدا مي شوند. براي حذف آب معمولا يكي از چهار روش: تراكم ، استفاده از مواد خشك كننده ، جذب رطوبت و تبريد به كار مي رود.سپس اين گاز از طريق خط لوله به صورت متراكم منتقل مي شود. برخي موارد مصرف گاز طبيعي عبارتند از:
1- در مصارف خانگي براي گرمايش،روشنايي و پخت و پز 2- به عنوان سوخت در موتورهاي درون سوز
3- تهيه دوده از متان موجود در گاز طبيعي جهت صنايع لاستيك سازي ، رنگ سازي ، كاغذ كاربن، و …
4- تهيه سولفور هيدروژن براي توليد اسيدسولفوريك 5-استفاده از اتان براي توليد پلاستيك پلي اتيلن
6- در صنايع پتروشيمي با كمك اعمالي مثل كلروراسيون، نيتراسيون، سولفوناسيون و اسيداسيون مي توان موادي تهيه كرد كه از پليمريزاسيون آن ها محصولات مختلف مثل الياف مصنوعي،مواد پلاستيكي، رنگ،پودر پاك كننده و … به دست مي آيد.
انواع گاز طبیعی: بر حسب اجزاي اصلي تشكيل دهنده گازهاي طبيعي به دو دسته تقسيم مي شوند: 1- گاز خشك 2- گاز مرطوب.
گازهاي خشك : حاوي مقدارزيادي متان بوده (64 الي 96 درصد) و به سختي به مايع تبديل مي شوند. در كانسارهاي زغال سنگ و مناطق مردابي نيز گازهاي خشك به وفور يافت مي شوند .گاز متان در حرارت و فشار موجود در منابع زيرزميني قابل تراكم نيست ، بنابراين در آن جا هميشه به صورت گاز وجود داشته و فقط در نتيجه فشارهاي بسيار زياد مي تواند در نفت حل شود . اين گازها را مي توان تحت فشار زياد به مايع تبديل كرد، لذا نسبت به شرايطي كه در كانسار حاكم است در آنجا به شكل فاز مايع يا فاز بخار وجود دارند.
گازهای مرطوب : تقريباً به سهولت ميتوانند به مايع تبديل شده و داراي مقدار نسبتاً زيادي اتان ، پروپان ، بوتان و پنتان هستند. اين گازها را ميتوان تحت فشار زياد به مايع تبديل كرد، لذا نسبت به شرايطي كه در كانسار حاكم است در آنجا به شكل فاز مايع يا فاز بخار وجود دارند .
انواع سوخت های گازی
گاز طبیعی فشرده (CNG):گاز طبيعي فشرده يا CNG به عنوان يكي از سوخت هاي جايگزين در موتورهاي بنزيني و ديزلي مورد استفاده قرار گرفته و از نظر آلايندگي بهتر از سوخت هاي اصلي اين موتورها است . معمولاً گاز طبيعي شامل 85 الي 95 درصد متان و باقي آن دي اكسيدكربن ، نيتروژن و مقدار كمي اتان ، پروپان و بوتان است. با متراكم كردن گاز طبيعي تا كمتر از يك درصد حجم اوليه در فشار استاندارد اتمسفري، CNG توليد مي شود. در هنگام سوخت گيري ، از طريق توزيع كننده ها سوخت به مخازن نصب شده بر روي خودرو ارسال شده و در فشار 200 تا 250 اتمسفر تزريق مي گردد.چگالي انرژي واحد حجم آن 42% LNG و 25% گازوييل برآورد شده است.مخازن CNG خودروها از فولاد، آلومينيم يا پلاستيك ساخته مي شوند. از مزاياي استفاده از گاز طبيعي در مقايسه با بنزين مي توان از آلايندگي كمتر، عدد اكتان بالاتر و فراواني و قيمت مناسب آن نام برد.كاهش پيمايش خودرو و نياز به طراحي و تقويت بخش هاي متعددي از خودرو نظير شاسي، اكسل، سيستم خنك كاري و … در خودروهاي تبديلي، از معايب استفاده از اين سوخت مي باشد.
گاز طبیعی مایع(LNG): يكي ديگر از سوخت هاي جايگزين ، گاز طبيعي مايع يا LNGنام دارد . براي توليد LNG ، گاز طبيعي را تا دماي تقريبي 164- درجه سيلسيوس سرد كرده و آن را به مايع تبديل مي كنند. اين ماده، مايعي بي بو، بي رنگ و غيرسمي است كه نسبت به فلزات يا ساير مواد حالت خورندگي ندارد. آب، دي اكسيد كربن ، نيتروژن ، اكسيژن و تركيبات گوگرد از جمله اجزاي تشكيل دهنده گاز طبيعي هستند. در طي مراحل تبديل گاز به مايع، اكسيژن، دي اكسيد كربن، آب و تركيبات گوگرد از آن جدا شده و مقدار متان موجود در LNG تقريباً به بيش از 98 %مي رسد كه در آن مقادير كمي اتان، پروپان و ساير هيدروكربن هاي سنگين تر نيز وجود دارد. از لحاظ انتقال سوخت ، موتور با سوخت LNG مشابه موتورهاي با سوخت CNG است. فرق اساسي بين موتورهاي CNG و LNG در نحوه نگهداري و تحويل سوخت است. در حالت گازي، انرژي گاز طبيعي فشرده (CNG) در حدود 200 برابر گاز طبيعي غير فشرده است ولي در حالت مايع، انرژي گاز مايع طبيعي (LNG) در حدود 600 برابر گاز طبيعي غير فشرده مي باشد.
گاز نفتی مایع (LPG): گاز نفتي مايع يا LPG مخلوطي از هيدروكربن هاي گازي است كه به عنوان سوخت در خودروها و وسايل گرم كننده و پخت و پز استفاده شده و در سيستم هاي برودتي يا به صورت روز افزوني به عنوان جايگزين كلروفلوروكربن ها (CFC ها ) در قوطي هاي اسپري به كار رفته (به عنوان عامل پرتاب هواميزها) تا موجب كاهش تخريب لايه اُزن شود. در بازار مصرف ، LPG هاي مختلفي وجود دارد كه بيشتر شامل پروپان و بوتان با درصدهاي مختلف است كه بسته به فصل در زمستان درصد پروپان و در تابستان درصد بوتان آن بيشتر است. معمولاً پروپيلن و بوتيلن نيز با درصدهاي اندك در LPG وجود دارند. گاز LPG داراي آلاينده هاي كربني پاييني است ، به طوري كه مقدار آلاينده توليدي CO 2 آن به ازاي هر كيلووات ساعت 19 % كمتر از نفت،30 % كمتر از زغال سنگ و بيش از 50 % كمتر از نيروگاه هاي برق با سوخت زغال سنگ است.گاز LPG به صورت مصنوعي در پالايشگاه،از پالايش نفت خام يا گاز طبيعي مرطوب و يا از جريان نفت و گاز خروجي از زمين توليد مي شود.گازLPG در سيلندرهاي فولادي ارائه مي شود. فشار تبخير LPG تابع درصد اجزاي آن است.گاز LPG از هوا سنگين تر بوده و در صورت نشتي، در سطح زمين يا طبقات پايين و زيرزمين ساختمان قرار گرفته و مخاطره آميز است.
گاز ذغال سنگ: گاز زغال سنگ به شكل هاي مختلفي تهيه مي شود كه برخي از انواع آن عبارتند از:
- گاز طبیعی سنتز (SNG: Synthetic Natural Gaz): براي توليد اين گاز در طي عمليات هيدروژن دهي، كربن موجود در زغال سنگ با هيدروژن تركيب شده و گاز متان تشكيل مي شود.اين گاز خصوصياتي مشابه گاز طبيعي دارد.
2-گاز کک (Coke gas): اين گاز از كربن دهي به زغال سنگ،يعني حرارت دادن به آن بدون مجاورت با هوا،به وجود آمده و طي آن 25% گاز متان تهيه مي شود. از اين گاز بيشتر در اواخر قرن 19 و اوايل قرن بيستم ميلادي براي روشنايي ، گرمايش و پخت و پز استفاده مي شد.
3– گاز مولد (Producer gaz): اين گاز با استفاده از زغال سنگ هاي آنتراسيت و بيتومن يا كك و ديگر مواد كربن دار از طريق عمليات هيدروژن دهي تهيه مي شود. اگر به جاي بنزين از گاز مولد در موتور استفاده شود توان موتور به 65 -60 درصد حالت بنزين سوز مي رسد .اين گاز به طور متوسط حدود 15 % هيدروژن ، 2 % متان و 25% CO بوده و بقيه اجزاي آن عمدتاً شامل نيتروژن و اندكي CO 2 و اكسيژن است. از اين گاز در توربين هاي گاز،موتورهاي اشتعال در اثر جرقه و موتورهاي اشتعال در اثر تراكم استفاده مي شود.
4-گاز آبی(Water gas): اين گاز در اثر عبور بخار آب از روي كك گداخته توليد مي شود .از آنجا كه اين واكنش گرماگير است بايد براي حفظ گرماي كك متناوباً به جاي بخار جريان اكسيژن برقرار شود.
سایر گازها: از ديگر گازها ميتوان به گاز كوره بلند (كوره دمشي) (Blast furnace gas) اشاره كرد كه محصول ذوب سنگ آهن در هنگام تخليص آن توسط كك بوده و اجزاي آن بسته به سوخت مورد استفاده و روش عملكرد كوره فرق مي كند . از اين سوخت بيشتر در محل توليد فولاد و گاه در ديگ هاي بخار و نيروگاه ها استفاده مي شود.يكي ديگر از گازهاي سوختي بيوگاز(Bio gas)است كه در طي فرآيند هضم بيهوازي،از تجزيه مواد آلي موجود در فضولات دامي و انساني توسط ميكروارگانيزم هاي غيرهوازي(anaerobes) حاصل شده و داراي درصد بسيار زيادي متان است. براي استفاده از آن بايد گاز خام توليدي عاري از موادي مانند ذرات جامد، آب و…گردد .از قسمت جامد باقيمانده در طي فرآيند هضم، به عنوان كود يا سوخت استفاده مي شود.
گاز پالایشگاه (refinery gas): گاز پالايشگاه در هنگام فرآيند پالايش نفت خام از آن جدا شده و يا توسط اعمال كراكينگ ، رفرمينگ و هيدروژن دهي به صورت گاز مايع در آمده و مورد استفاده قرار مي گيرد . اين گاز سه تا 5 درصد محصولات پالايش را تشكيل مي دهد و عمدتاً شامل متان ،اتان،پروپان و بوتان است .
سوخت های جامد: سوخت هاي جامد بيشتر مخلوطي از انواع مواد آلي و مواد معدني است كه به صورت طبيعي يا مصنوعي وجود دارد. از بين سوخت هاي جامد مي توان به موارد زير اشاره كرد:
1- ضایعات کشاورزی 2- چوب و هیزم 3-زغال چوب 4-زغال سنگ 5-پیت (peat)
ضایعات کشاورزی: ضايعات كشاورزي اغلب به صورت خشكيده علف ،يونجه و … مورد استفاده قرار مي گيرند . ميزان رطوبت كاه 14 تا 20 درصد است.مواد جامد آن حاوي 50 %كربن ، 6 % هيدروژن ، 42 %اكسيژن و مقادير اندكي نيتروژن ، گوگرد ، سيليكون و ديگر مواد معدني مثل قليايي هايي نطير سديم و پتاسيم است .مراحل احتراق ضايعات كشاورزي شامل چهار مرحله است كه عبارتند از :1-تبخير آب موجود ، 2-تغيير شیمیایی و تشكيل گازهاي قابل احتراق ، 3-احتراق گازهاي تشكيل شده ، 4-سوختن زغال چوب حاصل و تشكيل خاكستر.
چوب و هیزم: مواد اصلي چوب طبيعي خشك شده در هوا شامل 46 % سلولز (C 6 H 10O 5)و 40 % مواد سلولزي تشكيل دهنده بافت هاي چوبيH33O11) 30 (Cاست كه يا به صورت مستقيم سوخته و يا به زغال چوب (char coal)تبديل شده و مورد مصرف قرار مي گيرند. ميزان رطوبت هيزم بر نحوه سوختن و انرژي آزاد شده از آن تاثير دارد.ميزان رطوبت حاصل از هيزم تر،بسته به نوع آن ، 70 تا 100 درصد بيشتر
از هيزم خشك است.ميزان رطوبت هيزم خشك 20 تا 25 درصد است. ميزان انرژي واحد حجم هيزم، بسته به نوع چوب آن ، بين 4/16 تا 8/33 مگا ژول است. اين 2 سوخت تجديدپذير محسوب مي شود.
1- Pyrolysis یا آتشکاف: تجزيه شيميايی ملکول ھای سنگين به اجزای سادهتر در اثر اعمال حرارت در يک فضای کم اکسيژن را گويند.
2- واحد حجم چوب و هيزم cord نام دارد که برابر ft 3 128 یا تقریباً m 3 62/3 است.به یک متر مربع نیز stere گفته می شود.
از خصوصيات اين سوخت ميتوان به موارد زير اشاره كرد:
1- به آساني مي سوزد (اگر در تكه هاي كوچك باشد.). 2- در هواي اضافي با شعله هاي بلند مي سوزد.
3- خاكستر كمي دارد. 4- گوگرد آن ناچيز است.
زغال چوب: زغال چوب پسماند سياه رنگي است كه از طريق حذف رطوبت و مواد فرّار از چوب و مواد گياهي ( و گاه حيواني) به دست آمده و شامل كربن ناخالص است . زغال چوب طي فرآيند آتشكافت موادي مثل چوب ، شكر و استخوان در غياب اكسيژن به دست مي آيد. ماده ترد، سبك ، متخلخل و سياه رنگ حاصل از اين فرآيند ظاهري شبيه زغال سنگ دارد . اين ماده حاوي 50 تا 95 درصد كربن بوده و بقيه اجزاي آن مواد فرّار و خاكستر است.ارزش حرارتي زغال چوب حدود 32000 كيلوژول بر كيلوگرم است.زغال چوب به صورت فله ای،قالبی (briquette) و اکسترود مصرف می شود.از زغال چوب در پخت و پز، فيلترسازي و تصفيه آب ، نقاشي، پرورش گل، داروسازي استفاده مي شود. در گذشته و تا قبل از كاربرد كك ، در صنعت ذوب آهن از زغال چوب استفاده مي شد . در سال هاي پس از جنگ جهاني دوم در ژاپن و در حال حاضر در كره شمالي از زغال چوب به عنوان سوخت اتوبوس استفاده شده است.
زغال سنگ:زغال سنگ يك سنگ آلي قابل احتراق است كه بيشتر از كربن،هيدروژن و اكسيژن تشكيل شده است.از زغال سنگ به منظور گرمايش و يا استفاده از محصولات جانبي آن استفاده مي شود. مصرف عمده زغال سنگ در جهان در صنعت برق است. زغال سنگ از كك كه يك محصول زغال سنگ است نيز بيشتر درصنعت توليد آهن و فولاد استفاده مي شود.عمر ذخاير شناخته شده زغال سنگ،با نرخ مصرف فعلي، 400 سال برآورد مي شود.
نحوه تشکیل زغال سنگ: زغال سنگ از بقاياي درختان ، بوته ها و ساير گياهان زنده اي به وجود آمده است كه ميليون ها سال پيش در هنگامي كه آب و هواي زمين ملايم و مرطوب بود رشد و نمو مي كردند . پس از اتمام عمر اين گياهان در باتلاق ها فرو افتاده و در كف آن جاي گرفته اند. به مرور با پوشيده شدن اين گياهان توسط لايه هاي گل و رسوب فشار زيادي بر روي آنها وارد شد . عدم وجود اكسيژن و سال ها فشار ناشي از لايه هاي زمين موجب تشكيل رگه هاي زغال سنگ شده است .هر چه فشار وارد در محلي بيشتر باشد كربن بيشتري در زغال سنگ ايجاد شده و جنس آن نيز سخت تر مي شود.پس از مساعد شدن شرايط براي رشد سرخس هاي بسيار عظيم دانه دار و درختان بدون گل غول پيكر، در باتلاق ها، در هنگام ازبين رفتن آنها اين گياهان به داخل باتلاق فرو افتاده و به دليل كمبود اكسيژن ، فرآيند فساد بيهوازي آن ها صورت گرفت. به مرور بقاياي اين گياهان به مادهاي لجن مانند به نام پيت (Peat) تبديل شدند.وجود پیت در جاهایی اتفاق می افتد که فشار لایه های زمین کمتر است.با پیشروی دریا بر روی این ته نشست ها، روسوبات معدنی نیز بر روی آن ها فرو نشسته و پیت در زیر فشار به وجود آمده خشک و سخت شده و به زغال سنگ پیت و لنیت یا لیگنیت،که به زغال سنگ قهوه ای نیز موسوم است،تبدیل شد.فشار بیشتر وگذشت
زمان ، باعث تبدیل زغال سنگ فوق به زغال سنگ قیری (Bituminous) را به وجود آورد . اعمال فشارهای بیشتری که ناشی از چین خوردگی پوسته زمین و تشکیل رشته کوه های عظیم بود،سخت ترین و مرغوب ترین زغال سنگ،یعنی آنتراسیت (anthracite) ،به وجود
آورد.اگر آنتراسیت میلیون ها سال دیگر تحت فشار لایه های زمین قرار بگیرد به الماس تبدیل می شود.
طبقه بندی زغال سنگ:طبقه بندي زغال سنگ را درجه آن گويندكه نشانگر تغيير تركيب شيميايي زغال سنگ در سري سوخت فسيلي جامد است.اين طبقه بندي بر اساس روش هاي زير صورت مي گيرد:
1- آنالیز نهایی(عنصری)(ultimate (elemental)analysis) :که شامل تجزیه و تعیین درصد وزنی کربن، هیدروژن،اکسیژن، نیتروژن و گوگرد در زغال سنگ است.
2- آنالیز تقریبی (Proximate analysis): كه شامل تجزيه و تعيين درصد وزني رطوبت ، خاكستر ، مواد فرّار و كربن ثابت زغال سنگ است كه دو مورد آخر بر ارزش حرارتي تاثير عمده اي دارند.
درجه بندی زغال سنگ: بر حسب درصد كربن ، زغال سنگ ها به انواع آنتراسيت ، قيري ، نيمه قيري و ليگنيت تقسيم مي شوند.
آنتراسیت– نوعي زغال سنگ است كه رنگ آن سياه براق بوده ، بيشترين درصد كربن و كمترين درصد مواد فرّار را نسبت به بقيه انواع زغال سنگ داشته و سوزاندن آن دشوار است، ولي در صورت سوختن بدون دود مي سوزد . به دليل سختي آنتراسيت ، استخراج آن بسيار دشوار بوده و در عين حال كمياب تر از بقيه انواع است.
قیری– اين نوع زغال سنگ فراوان ترين و پرمصرف ترين زغال سنگ ها است كه بويي شبيه قير دارد . ارزش حرارتي زغال سنگ قيري بالا بوده و از آن در توليد كك استفاده مي شود . درصد كربن ثابت و ارزش حرارتي آن از زغال سنگ هاي نيمه قيري و ليگنيت بالاتر است . زغال سنگ قيري نرم تر از آنتراسيت بوده و در هنگام سوختن دود مي كند.
نیمه قیری- اين نوع زغال سنگ درصد كربن كمتر و رطوبت بيشتري نسبت به زغال سنگ نوع قيري دارد.
لیگنیت- پايين ترين درجه زغال سنگ بوده كه از رسوبات واقع در زير پيت به دست مي آيد . در مقايسه با انواع ديگر اين نوع زغال سنگ كمترين درصد كربن و بيشترين درصد رطوبت را دارد.ظاهر ليگنيت شبيه چوب بوده و قهوه اي رنگ است . اين زغال جاذب رطوبت بوده و در هنگام سوختن با شعله بلند و دود زياد مي سوزد.
کک (coke): كك يك ماده كربن دار است كه از تقطير تخريبي (distillation destructive)زغال سنگ قيري كم خاكستر و كم گوگرد حاصل مي شود.كك حاصل از زغال سنگ ،خاكستري رنگ ، سخت و متخلخل است .كك در طي فرآيند پخت زغال سنگ در يك كوره بدون هوا در دماي حدود oC 2000 ، با خروج اجزاي فرّار آن (شامل آب ،گاز و قطران زغال سنگ) به دست مي آيد .كك به عنوان سوخت و همچنين ماده احيا كننده در ذوب سنگ آهن در كوره هاي بلند به كار مي رود.در فرآيند توليد كك،از طريق عبور آب از روي بستر كك گداخته، Syngas و گاز آبي(مخلوط H 2 CO )و از طريق عبور هوا از روي بستر كك گداخته ، گاز سنتز و گاز مولد توليد مي شود.از كك در موتورهاي حرارتي و همچنين در ساخت نوك مداد استفاده مي شود . در پالايش نفت خام، در طي فرآيند كراكينگ نيز مقداري ماده پسماند به صورت كك باقي مي ماند كه به آن كك نفتي مي گويند.
پیت (زغال سنگ نارس): در طی فرآیند تشکیل زغال سنگ ، گیاهان دفن شده در معرض تغییرات ناشی از فساد میکروبی ، فشردگی، اعمال گرما و مرور زمان قرار می گیرند.پيت مربوط به دوره اوليه تشكيل زغال سنگ بوده و در آن اجزاي گياهي دست نخورده(مثل ريشه،پوست ،تخم و…)گياهان پوسيده و گاه زغال چوب(مربوط به مرحله انباشت)مشاهده مي شود.پيت عموماً در محيط هاي پرآب مثل باتلاق و مرداب يافت مي شود . در صورتي كه رسوبات روي پيت را بپوشانند به مرور به زغال سنگ تبديل مي شود . در مناطق روستايي كشور ايرلند از پيت به عنوان
سوخت استفاده مي شود.
سوخت و واکنش هسته ای: سوخت هسته اي ماده اي است كه به منظور توليد انرژي هسته اي از طريق واكنش هاي شكافت يا گداخت هسته مصرف مي شود. سوخت هاي هسته اي چگالترين منبع انرژي موجود هستند . در چرخه سوخت هسته اي منظور از سوخت هسته اي خود سوخت يا اجسام فيزيكي است كه ماده سوخت را به همراه مواد مربوط به سازه،تعديل كننده هاي نوترون (neutron moderating) يا بازتابنده نوترون تشكيل مي دهند . تبديل خود به خود يا مصنوعي برخي از هسته هاي اتم ها به هسته هاي ديگر را واكنش هاي هسته اي گويند. اين تبديل در نتيجه بر هم خوردن تركيب ساختمان هسته يا تغيير در تعداد نوكلئون ها صورت مي گيرد.
انواع واکنش های هسته ای: بسته به نوع مواد پرتوزاي استفاده شده ، واكنش هاي هسته اي به دو صورت شكافت و همجوشی (گداخت) انجام مي گيرند.
- در طي شكافت هسته(Nuclear fission)، هسته هاي سنگين به دو هسته غير مساوي تقسيم مي شوند . اين فرآيند با آزادسازي مقدار زيادي انرژي همراه است.
- در طي همجوشي (گداخت) هسته اي(Nuclear fusion) هسته هاي كوچك با هم تركيب شده و هسته هاي بزرگتري را تشكيل مي دهند.
در هر دو حالت چندين ميليون الكترون ولت(MeV) انرژی آزاد می شود، زيرا به دليل وجود انرژي پيوند بيشتر ، محصولات پايدارتر از واكنش كننده ها هستند.انرژي حاصل از واكنش هاي همجوشي حدود 8 برابر بيشتر از انرژي ناشي از واكنش هاي شكافت هسته اي است،ولي از آن جا كه هسته ها همديگر را دفع مي كنند حفظ واكنش هاي همجوشي دشوارتر است . ميزان پسماند هسته اي در واكنش هاي همجوشي كمتر از واكنش هاي شكافت هسته است. در واكنشگاه دو ميله ماده پرتوزا قرار مي گيرد كه يكي به عنوان سوخت و ديگري به عنوان آغازگر به كار مي رود . در واكنشگاه هسته اي هميشه دو عنصر پرتوزا به يك يا چند عنصر پرتوزاي ديگر تبديل مي شوند ، كه حاصل اين فرآيند مقادير زيادي انرژي است كه به صورت امواج هسته اي و الكترومغناطيس آزاد مي گردد.اين امواج شامل ذرات نوترينو، آلفا، بتا و گاما، نوري و فروسرخ است كه بايد بطور كامل كنترل شوند. پرتوهاي آلفا، بتا و گاماي توليدي توسط واكنش هسته اي ،براي توليد ايزوتوپ هاي ويژه در رآكتورهاي مجاور به عنوان محركي براي ايجاد واكنش هاي هسته اي ديگر به كار مي روند.انرژي حاصل از واكنش يك گرم اورانيوم معادل انرژي گرمايشي يك ميليون ليتر نفت خام است.
شکافت هسته ای:شكافت هسته اي فرآيندي است كه در آن يك اتم سنگين مانند اورانيوم به دو اتم سبك تر تبديل می شود. وقتي هسته اي با عدد اتمي زياد شكافته شود،بر پايه فرمول اينشتين، مقداري از جرم آن به انرژي تبديل مي شود. زماني كه “اوتو هان” و “فريتز شاسروئن” ، دانشمندان آلماني قصد داشت از طريق بمباران اورانيوم توسط نوترون آن را به راديوم تبديل كنند دريافتند كه در نتيجه اين آزمايش به اتم بسيار كوچكتري دست يافته اند.تا آن زمان،به دليل ايجاد سايه هاي به رنگ هاي نارنجي، زرد، قهوهاي و سبز تيره تنها استفاده اقتصادي از اورانيوم در رنگ آميزي سراميك بود.در تمام واكنش هاي هسته اي كه تا آن زمان شناخته شده بود تنها ذرات كوچك از هسته جدا مي شدند اما در آزمايش اوتوهان يك تقسيم بزرگ رخ داد.”لايز ميتنر” و “اوتو فريش” دريافتند كه فرآورده اين بمباران نوتروني باريوم است .جرم هر اتم اورانيوم هنگام تبديل به ذرات كوچكتر به اندازه يك پنجم جرم يك پروتون كاهش مي يابد . اين جرم مطابق رابطه اينشتين E =mc² به انرژي تبديل شده است .به خاطر شباهت تقسيم هسته با تقسيم سلولي،ميتنر و فريش آن را شكافت ناميدند.كشف انرژي هسته اي در جريان جنگ جهاني دوم صورت گرفت و اكنون در شبكه برق بسياري از كشورها هزاران كيلو وات تهيه مي كند بحران انرژي بر اثر بالا رفتن قيمت نفت در سال 1973 موجب استفاده بيشتر از انرژي شكافت هسته اي شد . در حال حاضر كشورهاي اروپايي انرژي هسته اي را تنها انرژي مي دانند كه مي تواند در اكثر موارد جايگزين نفت شود.
مواد مناسب برای شکافت: توان هسته اي را مي توان با استفاده از دو عنصر اورانيوم و توريوم به دست آورد.اورانيوم معدني يك منبع شكافت هسته است در حالي كه توريوم بايد در يك رآكتور هسته اي به سوخت قابل شكافت تبديل شود . كليه ايزوتوپ هاي اين دو عنصر راديواكتيو هستند.معمولا عناصري شكافت پذير هستند كه وزن اتمي آنها بالاي 150 باشد ، مثل 235Uو 238 Uكه در معادن يافت مي شوند.
چگونگی شکافت 235 U:در اين واكنش، وقتي نوترون كند به 235U برخورد مي كند به 236 Uتحريك شده تبديل شده و درنهايت به باريوم(Ba) ، كريپتون(Kr) و سه نوترون تند همراه با MeV 177 انرژي آزاد تبديل مي شود. از شكافت هر كيلوگرم 235U 7/18ميليون كيلو وات ساعت گرما آزاد مي شود.
مشکلات استفاده:به دليل مشكلات استخراج، آماده سازي،نگهداري و حمل و نقل مواد پرتوزاي به كار رفته در واكنشگاه هاي توليد برق و مشكلات زيست محيطي كه اين واكنشگاه ها ايجاد مي كنند باعث محدوديت در توليد برق از طريق اين انرژي شده است . بايد توجه داشت كه ميزان تابش در اطراف واكنشگاه هاي هسته اي به اندازهاي بالا است كه در پيرامون آن ها ، براي موجودات زنده امكان زيست وجود ندارد. پس براي جلوگيري از نشت امواج الكترومغناطيس به بيرون ، در هر يك از رآكتورهاي هسته اي ، پوشش بسيار ضخيمي از بتن همراه با فلزات سنگين ساخته مي شود. بدون اين پوشش ها تا كيلومترها پيرامون واكنشگاه، سكونت موجودات زنده امكان پذير نخواهد بود.
همجوشی هسته ای:همجوشي هسته اي فرآيندي عكس شكافت هسته اي است.در فرآيند همجوشي هسته اي ،هسته هاي سبك مانند هيدروژن، دوتريوم و تريتيوم در يكديگر گداخته شده و در نتيجه هسته هاي سنگين تر و مقداري انرژي توليد مي شود.
مزایای همجوشی هسته ای: امتيازات همجوشي هسته اي نسبت به شكافت هسته اي از قرار زير است:
- منابع سوخت آن بسيار فراوان است. به عنوان مثال دوتريوم حدود 153 0/0 درصد اتمي از هيدروژن هاي آب اقيانوس ها را تشكيل مي دهد. تريتيوم نيز در فرآيند جذب نوترون توسط ليتيوم قابل توليد است.
- به ازاء هر نوكلئون از ماده سوخت، انرژي توليدي نسبت به روش شكافت بيشتر است.
- معضل پسماندهاي هسته اي را ندارد.
- در هنگام وقوع حوادث احتمالي، رآكتور همجوشي از كنترل خارج نمي شود.
به عنوان مثال درباره انرژي توليدي يك راكتور همجوشي ميتوان گفت كه اگر در يك واكنش همجوشي از يك گالن آب دريا كه داراي مقدار كافي دوتريوم است استفاده كنيم ،معادل 300 گالن گازوييل انرژي بدون آلودگي توليد مي شود.
استخراج از کتاب سوخت و احتراق نوشته آقای مهندس کوروش امیر اصلانی
دیدگاه‌ها