Природное топливо и искусственное топливо

Природное топливо. Топливо — это горючее вещество, выделяющее при окислении тепловую энергию, используемую в дальнейшем непосредственно в технологических процессах или преобразуемую в другие виды энергии.

Топлива делятся: 1) по агрегатному состоянию — на твердое (угли, горючие сланцы, торф и др.), жидкое (продукты переработки нефти, углей, сланцев) и газообразное (природные и промышленные углеводородные газы); 2) по происхождению — на природные и искусственные.

Твердое топливо применяется преимущественно для получения тепловой и электроэнергии; жидкое — в двигателях внутреннего сгорания, в корабельных (судовых) и стационарных котельных установках (мазуты флотские и топочные); газообразное — главным образом в промышленности и коммунально-бытовом хозяйстве.

К основным видам природного топлива относятся ископаемый уголь, торф, нефть, дрова и природный газ.

Ископаемый уголь используется как непосредственно для сжигания, так и в целях переработки в более ценные виды топлива — кокс, жидкое горючее, газообразное топливо. Уголь представляет собой остатки древнего растительного мира; при этом чем старше уголь, тем богаче он углеродом.

Различают три основных вида ископаемых углей.

Антрацит — самый древний из ископаемых углей, отличается высоким содержанием углерода, большой плотностью и металлическим блеском. В больших количествах добывается также каменный уголь. Бурый уголь как самый молодой из ископаемых углей часто сохраняет следы структуры древних деревьев, из которых он образовался. Содержит много золы, гигроскопичен, поэтому используется и основном как местное топливо и в качестве сырья для химической переработки.

Торф — продукт первой стадии образования ископаемых углей. Он отлагается на дне болот из отмерших частей болотных мхов. Главный недостаток торфа как топлива — высокая зольность. Поэтому он используется как местное топливо. Дрова ныне занимают второстепенное место в общем балансе топлива.

Нефть — единственное жидкое природное топливо, она является сложной смесью циклопарафинов (нафтенов), предельных и ароматических углеводородов. Нефть как топливо непосредственно не применяется, а перерабатывается в товарные нефтепродукты методами фракционированной перегонки, термического и каталитического крекинга, каталитического риформинга и т. д. Нефть как энергоноситель получила широкое применение с тех пор, как в конце ХIХ в. был создан двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий на продуктах высокотемпературного крекинга. Однако следует помнить, что нефть является в то же время и важнейшим видом сырья для производства самых разнообразных химических продуктов.

Газообразное топливо, состоящее в основном из метана (СН₄) и других предельных углеводородов (общей формулой С_nН_2n+2), имеет ряд преимуществ перед твердым топливом: 1) экономически более выгодна добыча и транспортировка; 2) упрощается устройство топок и облегчается труд человека при подаче топлива в печь; 3) упрощается управление процессом горения и облегчается соблюдение гигиены труда; 4) достигается более полное и рациональное сжигание топлива; 5) почти полностью устраняется загрязнение окружающей среды. По этим причинам газообразное топливо находит себе все более широкое применение в промышленности, а также в качестве бытового топлива и в автотранспорте. Кроме того, природный газ является исключительно ценным и экономически выгодным сырьем для промышленности органического синтеза (например, ацетилена, метанола и др.).

Одинаковые количества топлива дают при сжигании различные количества теплоты. Поэтому для оценки качеств топлива определяют его теплотворную способность, т. е. количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг топлива. Энергопотребление в целом и его составляющие принято выражать в тоннах условного топлива (ТУТ). Под условным топливом понимают горючее с теплотворной способностью 7000 ккал/кг или 3·104 кДж/кг, или 8,12 кВтч/кг.

Искусственное топливо. К искусственным топливам относятся: кокс доменных печей, искусственные горючие газы, моторное топливо и др.

Кокс — твердый углеродистый остаток, образующийся при нагревании различных топлив (каменного угля, торфа и других органических веществ) до 950— 1050°С без доступа воздуха. Содержание углерода в коксе достигает 96—98%, остальное — водород, сера, азот, кислород; теплота сгорания 29300 кДж/кг. Каменноугольный кокс применяют для выплавки чугуна (доменный кокс) как высококачественное бездымное топливо и одновременно восстановитель (до элементарного железа) железной руды.

Искусственные горючие газы — смесь газообразных продуктов переработки (газификации) топлив в специальных аппаратах. Они состоят главным образом из оксида углерода, водорода, метана и других газообразных углеводородов, а также из негорючих газов (диоксида углерода и азота). Искусственные горючие газы подразделяют на генераторные газы, коксовые газы, газы, образующиеся при газификации твердых топлив (воздушный газ, водяной газ).

Генераторные газы получают из твердого топлива путем частичного окисления содержащегося в нем углерода при высокой температуре. Этот процесс, называемый газификацией, осуществляется в специальных устройствах — газогенераторах. При этом в зависимости от состава вдуваемых газов различают воздушный, водяной, паровоздушный (смешанный) и другие генераторные газы.

Воздушный газ образуется при вдувании воздуха. При этом в нижней части генератора протекает реакция:

С + О₂ = СО₂, ∆Н = -393,5 кДж.

Из-за высокой экзотермичности процесса температура достигает 1400—1600°С, при этом вышележащие слои угля раскаляются, и уголь взаимодействует с СО₂:

С + СО₂ = 2СО↑, ∆Н = 172 кДж.

Образующийся газ в основном состоит из оксида углерода (СО) и азота.

Водяной газ получают при подаче на раскаленный уголь водяного пара:

С +Н₂О = СО + Н₂, ∆Н = 131,4 кДж.

Газ содержит до 86% СО и Н, и часто используется не только как топливо, но и для синтеза химических продуктов.

Паровоздушный (смешанный) газ получают при вдувании смеси воздуха с водяным паром. При этом одновременно протекают все три вышеприведенные реакции и в результате в состав смешанного газа, помимо СО и N, входит и Н₂, повышая его теплотворную способность.

Коксовый газ образуется в процессе коксования угля, он представляет собой смесь различных горючих газов.

Подземная газификация угля - превращение твердых топлив (угля, горючих сланцев и др.) непосредственно на месте их залегания в недрах земной коры в горючий газ. Последний затем выводят на поверхность через буровые скважины. Впервые мысль о возможности такого процесса была высказана Д.И. Менделеевым в 1888 г. Подземная газификация угля осуществляется под действием высокой температуры (1000—2000°С) и подаваемых под давлением различных окислителей (как правило, воздуха, кислорода и водяного пара). Состав и теплота сгорания получаемого газа зависят как от качества угля и состава дутья, так и от геологических условий. Теплота сгорания составляет 3000—3300 кДж/м³. По теплотехническим свойствам газ, полученный на воздушном дутье, уступает природному. Однако при подземной газификации отпадает необходимость в опасном труде людей под землей, улучшается состояние воздушного бассейна, не нарушается плодородный слой почвы.

Моторное топливо. Это жидкое или газообразное горючее, используемое в двигателях внутреннего сгорания (поршневых, роторных, реактивных, газотурбинных). Его получают из нефти и углеводородных газов. Обычно моторные топлива состоят из основного (базового) топлива и присадок (антидетонаторов, антиокислителей и др.). Для базового топлива используют продукты прямой перегонки нефти (бензины, керосино-газойлевые и более тяжелые фракции) и вторичных процессов переработки нефти (например, каталитического крекинга).

Моторное топливо для ДВС должно обладать однородностью, обеспечивающей равномерное горение; летучестью, облегчающей старт и при этом допускать наивысшее сжатие без детонации.

В ДВС детонация — быстрый, приближающийся к взрыву процесс горения топливной смеси в цилиндре карбюраторного двигателя, со-провождающийся его неустойчивой работой (металлический стук в цилиндре, дымный выпуск и др.), износом и разрушением деталей. В результате детонации двигатель перегревается, мощность падает, воз-можно даже его разрушение.

При фракционной перегонке нефть разделяют на отличающиеся по температуре кипения фракции («погоны») и получают следующие нефтепродукты:

1) бензины (температуры кипения 40—180°С) содержат углеводороды от С₅Н₁₂ до С₁₀Н₂₂; при повторной перегонке из них могут быть выделены легкие нефтепродукты, кипящие в более узких температурных пределах: петролейный эфир (40—70°С), авиационный бензин (70—100°С), автомобильный бензин (100—120°С);

2) керосины (температуры кипения 180—270°С) содержат углеводороды от С₁₀ Н₂₂ до С₁₆Н₃₄;

3) соляровые масла (температура кипения 270—360°С) содержат смеси углеводородов от С₁₂ до С₂₀; из них получают смазочные масла и различные виды дизельного топлива;

4) мазут (нефтяные остатки — до 40—50%) содержат еще более тяжелые (высшие) углеводороды; из мазута получают тяжелые смазочные масла, вазелин, парафин.

Антидетонационные свойства моторного топлива характеризуют октановым числом (о.ч.). В качестве стандартных образцов для нахождения о.ч. берут углеводород гептан С₇Н₁₆ с неразветвленной цепью атомов, весьма легко детонирующий, и один из его изомеров (изооктан) с разветвленной цепью атомов, напротив, мало склонный к детонации:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ (н-гептан).

Октановое число гептана принимается равным нулю, а изооктану приписывается о.ч., равное 100. Если о.ч. топлива равно 76, то это значит, что данный вид топлива детонирует в смеси с воздухом (при такой же степени сжатия), как смесь, состоящая из 76% изооктана и 24% гептана.

Октановое число обычно указывают в марке бензина, например, А-72. Марки отечественного автомобильного бензина — А-66, А-72. А-76, АИ-93, АИ-98 (цифры соответствуют о.ч. бензина), авиационный бензин Б-100/130. Б-95/130, Б-91/115 (числитель - октановое число, знаменатель — показатель сортности бензина).

С целью повышения октанового числа автомобильных и авиационных бензинов и обеспечения бездетонационного их сгорания в цилиндрах двигателей в бензины вводят антидетонаторы, представляющие собой, как правило, металлоорганические и органические соединения.

Наиболее распространенный металлоорганический антидетонатор — тетраэтилсвинец (ТЭЦ, «этиловая жидкость») Рb(С₂Н₅)₄, примешиваемый к бензину в объеме 1—3 мл на 1 кг. В Беларуси применение этого соединения ограничено нормативными документами.

Механизм предотвращения детонации (микровзрывов) заключается в разрушении гидропероксидов (первичных продуктов сгорания углеводородного топлива) продуктами разложения присадки в момент воспламенения горючего.

При этом следует помнить, что моторные топлива с антидетонатором (например, этилированный бензин) обладают повышенной токсичностью и являются вредными загрязнителями среды обитания.

В ряде случаев к моторным топливам добавляют специальные вещества — антиокислители, предотвращающие их осмоление и образование нагара на стенках цилиндров.

Дизельное топливо. Дизельное топливо получают при атмосферной или вакуумной перегонке нефти с последующими гидроочисткой и депарафинизацией. В некоторые сорта дизельных топлив добавляют до 20% гидроочишенного газойля, получаемого каталитическим крекингом.

Топливом для быстроходных дизельных двигателей (танковых, автомобильных и корабельных) служат легкие керосино-газойлевые маловязкие фракции нефти, для тихоходных — тяжелые вязкие фракции (табл. 2).

Таблица 2

Некоторые характеристики дизельных топлив

Для разных климатических зон и условий работы дизельные топлива выпускают трех видов: арктическое, зимнее и летнее; они различаются температурой застывания, фракционным составом и другими показателями.

Главные эксплуатационные свойства дизельных топлив — быстрое воспламенение и плавное горение. Эти свойства характеризуются цетановым числом (ц.ч.). Наиболее легко воспламеняются парафиновые углеводороды нормального строения (ц.ч. 56—103), наиболее трудно — ароматические углеводороды (5—30). Оптимальную работу двигателей обеспечивает топливо с ц.ч. 45—60. При ц.ч. менее 45 резко увеличивается период задержки воспламенения (время между началом впрыска и воспламенением топлива), усиливается износ узлов трения. При ц.ч. более 60 снижается полнота сгорания топлива, возрастают дымность выпускных газов и нагарообразование в камере сгорания, повышается расход топлива.

В связи с тенденцией увеличения доли дизелей на автомобильном транспорте, что связано с их экономичностью и меньшим уровнем загрязнения среды обитания, роль дизельного топлива неуклонно возрастает.

Реактивное топливо. В отличие от ДВС. где движущим фактором является давление взрыва горючей газовой смеси мотора, воздушно-реактивные двигатели работают благодаря созданию внутри двигателя мощного газовоздушного потока. Последний способен с большой скоростью вращать агрегаты двигателя и создавать на выходе из него большую реактивную тягу. Газовоздушный поток образуется в специальных камерах сгорания, где происходит горение топлива в потоке атмосферного воздуха.

Поскольку всякий недостаток качества топлива для воздушнореактивных двигателей грозит весьма тяжелыми последствиями, к нему предъявляются жесткие требования: оно не должно замерзать при температурах -50 -60°С; не выделять пары низкокипящих компонентов и образовывать паровые пробки в топливной системе; не образовывать при 120—200°С твердые нерастворимые осадки; не засмолять детали топливных агрегатов; не вызывать отложения нагара в камере сгорания и других частях двигателя; не образовывать корродирующие продукты. В то же время это топливо должно хорошо распыляться при различных режимах работы, обеспечивать работу камеры сгорания при различных коэффициентах избытка воздуха, хорошо воспламеняться при запуске двигателя при разных режимах подачи воздуха.

Реактивное топливо, получаемое из нефти, состоит из углеводородов, включающих парафиновые, нафтеновые, ароматические и непредельные углеводороды. Соотношения этих видов углеводородов в топливе колеблется в известных пределах что, в частности, связано с типом исходной нефти. Например, авиакеросины, широко применяемые как топливо для самолетов и вертолетов с газотурбинными двигателями, представляют собой смеси парафиновых (20—60%), нафтеновых (20—60%), ароматических (18,5—22,0%) и непредельных (0,3— 1,0%) углеводородов. Теплота их сгорания не менее 4300 кДж/кг, а содержание ванадия, кобальта, молибдена, ускоряющих коррозию деталей и узлов двигателей из стали, бронзы и меди, не должно превышать 10~5% по массе.

В целом топливо для воздушно-реактивных двигателей представляет собой фракции нефти, выкипающие в пределах 65—350°С, т. е. бензиновая, лигроиновая, керосиновая, а для сверхзвуковых самолетов — газойлевая с соответствующими характеристиками С учетом назначения летательных аппаратов приходится иметь несколько сортов реактивных топлив. Большинство реактивных двигателей может работать на керосине и нефтяном топливе широкого фракционного состава. Последний вид топлива наиболее широко применяется на дозвуковых реактивных самолетах. Что касается самолетов большой дальности полета, для них важно иметь топливо с большим энергосодержанием в единице объема (т. е. больше парафиновых углеводородов). Для самолетов, летающих на большой высоте со скоростями, близкими к скорости звука, или сверхзвуковых, требуется топливо специфического состава, обладающее меньшей упругостью паров и высокой объемной теплотой сгорания, высокой термоокислительной стабильностью.

Для улучшения эксплуатационных свойств некоторых реактивных топлив в них добавляют антиокислители, антистатики, антиобледенительные, антикоррозионные, бионидные (против микроорганизмов) и другие присадки.