Органическое топливо. Жидкое топливо и его характеристика Основные виды топлив и их классификация

Классификацию топлив проводят по следующим критериям:

агрегатному состоянию;

теплоте сгорания;

исходному сырью и способам производства;

целевому назначению или области применения.

По агрегатному состоянию различают топливо твердое, жидкое и газообразное.

Твердое топливо для двигателей внутреннего сгорания применяют редко и только после газификации в газогенераторных уста* новках или в пылевидном состоянии.

Газогенераторные автомобили в сороковые годы получили некоторое распространение и сыграли положительную роль, особенно в тылу во время Великой Отечественной войны, высвободив тысячи тонн бензина для фронта. Для газификации обычно использовали древесные чурки или торф, и в относительно компактных газогенераторах, установленных непосредственно на автомобиле, перерабатывали твердое топливо в генераторный газ, на котором работали двигатели.

Опыты по применению для газификации каменного угля были неудачны, так как зона горения быстро забивалась шлаком. Позднее, в связи с развитием нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, газогенераторные автомобили потеряли свое прежнее значение. Пылевидное угольное топливо также не нашло применения в связи с его высокой зольностью.

Жидкое топливо является основным видом топлива для двигателей внутреннего сгорания всех типов и назначений.

Газообразное топливо с каждым годом приобретает все большее значение как заменитель жидкого топлива. По ряду свойств оно превосходит жидкое топливо, поэтому следует ожидать дальнейшего расширения области его применения.

По теплоте сгорания классификация важна в тех случаях, когда необходимо оценить топливо как энергоноситель, а также при тепловых расчетах двигателей, расчете объемов топливных баков и др. По этому признаку различают три группы топлив:

высококалорийные-с теплотой сгорания более 42 000 кДж/кг;

среднекалорийные - с теплотой сгорания 25 ООО-42 ООО кДж/кг;

низкокалорийные - с теплотой сгорания меньше 25 ООО кДж/кг.

По происхождению топливо классифицируют, если возникает необходимость оценить сырьевую базу или способы получения топлив.При этом все топлива делят на две группы: нефтяного и ненефтяного происхождения.

Часто топливо ненефтяного происхожедния называют альтерна* тивным топливом, желая тем самым противопоставить его топливу нефтяного происхождения. К альтернативным топливам относятся спирты, водород и почти все виды синтетических углеводородных топлив, т. е. искусственно полученные из ненефтяного сырья бензины, дизельные топлива и т. д. Особо рассматриваются природный газ и топлива, полученные из горючих сланцев (например, сланцевый бензин).

Поскольку методы переработки нефти имеют существенное значение для оценки показателей качества, то при классификации топлив по их происхождению нефтяные топлива можно дополнительно классифицировать по их технологическим признакам. Например, бензины могут быть подразделены на бензины, полученные прямой перегонкой (прямогониые), бензины термического или каталитического крекинга и т. д.

По целевому назначению топлива делятся на топлива для двигателей с искровым зажиганием (к ним относятся в основном бензины), дизельное топливо, топливо для турбореактивных двигателей и т. д. Эта классификация может быть и более подробной. Например, дизельное топливо различают для быстроходных двигателей (автомобильных, тракторных и ряда других транспортных машин), для средне- и малооборотных дизелей (судовых, стационарных) и др.

В соответствии с ОСТ 5.4121-75 жидкие нефтяные топлива по уровню вязкости делятся на 3 группы:

Маловязкие топлива (МВТ) - до 11,8 сСт., мм2/сек,

Средневязкие топлива (СВТ) - от 11,8 до 146 сСт.,

Высоковязкие топлива (ВВТ) - свыше 146 сСт.

Оптимальное значение вязкости топлива, подаваемого в двигатель находится в пределах 6,2 - 30 сСт (1,50 - 4,2°ВУ).

Дизельное топливо подогрева не требует, тяжелые сорта до 100 - 110°С. При этом надо учитывать плотность топлива.

В случае применения топлива с повышенным содержанием ванадия необходимо применять специальные присадки во избежании ванадиевой коррозии на лопатках турбин и выхлопных клапанах, равно как и при наличие серы в топливе.

Особенно интенсивно развивается коррозия при наличии в топливе натрия и при увеличении температуры газов свыше 650°С (см. таблицу 8.1).

Самовоспламеняемость.

Влияет на жесткость (мягкость работы ДВС). Оценка - цетановое число, представляет собой процентное содержание (по объему) цетана (оценка его 100 ед (С 16 Н 34) и альфаметилнафталина (С 10 Н 7 СН 3) - оценка его условно равна нулю).

Например: Если цетановое число топлива 45, то это значит, что испытуемое топливо равноценно самовоспламеняемости смеси состоящей из 45% цетана и 55% альфаметилнафталина.

Теплота сгорания, Q р н - это количество теплоты, выделившейся при сгорании 1 кг топлива; Q р н = 42700 кДж/кг топлива.

Топливо для дизелей

В топливе могут применятся четыре группы топлив:

Маловязкое (МВТ),

Средневязкое (СВТ)

Высркрвязкое (ВВТ),

В общем случае в соответствии с ОСТ 81.8003 - 85 область применения топлив различной вязкости производства стран СНГ ограничивается следующими требованиями:

МВТ только для тронковых ДВС (п > 1000 мин -1), аварийные ГД (только марка JI) и дизелей спасательных шлюпок. Заменители (марки JI): СВТ для тронковых ДВС (n < 1000 мин -1 , Ne = 4000 кВт) до переоборудования топливных систем. (MGO - морской газойль - это международное топливо).

СВТ - заменители ВВТ для крейцкопфных дизелей и тронковые (n < 500 мин -1 , Ne > 4000 кВт) до переоборудования топливных систем. СВТ - основное топливо для тронковых ДВС. При п < 1000 мин -1 , Ne < 4000 кВт; ДТВС, ДТПС, Ф - 5, Ф - 12. Международное топливо: JF - 20, JF - 40.

ВВТ - (кроме мазута топочного 100) - основное топливо для всех крейцкопфных ДВС и транковых (п < 500 мин -1 , Ne > 4000 кВт).

Мазут топочный 40, мазут топочный 100

Международное топливо: JF - 230.

Странами СНГ выпускаются следующие маловязкие топлива:

Топливо дизельное марок Л, 3 и А по ГОСТ 305 - 82,

Топливо утяжеленного фрикционного состава (ТУФС) по ТУ 38001355-86,

Топливо маловязкое судовое (ТМС) по ТУ 38101567 - 87,

Топливо газотурбинное марки «А» ГОСТ 10433 - 75,

Топливо дизельное экспортное марок: ДЛЭВКК, ДЛЭ, ДЗЭ, по ТУ 38001162-73.

1. массовая доля серы не более 0,2% (высшего и первого состава),

2. массовая доля серы не более 0,5% (для марки А не более 0,4%)

MGO - морской газойль, международное топливо.

Примеры условного обозначения

Топливо дизельное JI - 0,2 - 61 ГОСТ 305 - 82, это топливо с содержанием серы 0,2%, температура вспышки 61°С;

Топливо зимнее с массовой долей серы до 0,2% и температурой застывания минус 35°С топливо дизельное 0,2 - минус 35°С, ГОСТ 305 - 82;

Топливо арктическое с массовой долей серы 0,4% - общее топливо дизельное А - 0,4 ГОСТ 305 - 82.

Странами СНГ выпускаются средневязкие топлива следующих марок:

ДТВС (дизельное топливо высшего сорта), ГОСТ

ДТПС (дизельное топливо первого сорта), Г 1667 - 68

- «Б» по ГОСТ 10433 - 75,

Ф - 5, Ф-12 по ГОСТ 10585-75,

М - 2,0 по ТУ 38001 164 - 78,

- «минус 5,10» - по ТУ 38101 310 - 72,

CBJI по ТУ 38101 1314 - 90, (судовое высоковязкое легкое).

Странами СНГ выпускаются следующие высоковязкие топлива:

Мазут марок «топочный 40» и «топочный 100» по ГОСТ 10585 -

Мазут из малосернистой нефти по ТУ 38101310 - 72,

Марки СВТ по ТУ 38101 1314 - 90, (судовое высоковязкое топливо),

Мазут марки «М-1,0» по ТУ 38001.164-78

JF - 230 - международное топливо.

В обозначении международных промежуточных топлив (Intermediate Fuel) цифровое обозначение после символа JF обозначает предельную вязкость в мм2/с (сСт) при 56°С.

Зарубежные эквиваленты наиболее употребляемых топлив производства стран СНГ

Таблица 8.1

Топливо производства стран СНГ	Зарубежное топливо
Обозначение МДТ	Марка	Международ-ное	ISO/DIS 8217-87
топливо	Междунар. станд.
	Маловязкое топливо
ГОСТ 305-82	Дизельное JI62 3 минус 35 Топливо тяжелого	MGO	ДМХ, ДМА
	фрикционного	MGO	ДМА
ТУ 38001 355-86	состава (ТУФС)
	Топливо маловяз­	МДО	ДМВ, ДМС
ТУ 38101567-87	кое судовое (ТМС) Топливо марки А	JF-10
ГОСТ 10433-75	(газотурбинное) Средневязкое топливо
ГОСТ 10433 - 75	Топливо марки «Б»	JF-20	" -
ГОСТ 1667-68	ДТ высшего сорта	JF-20
ГОСТ 381011 314 -	Топливо судовое,		RMA-10, RMB-10,
	высоковязкое лег­кое, CBJI	IF-40	RMC-10
ГОСТ 1667-68	ДТ первого сорта	JF-40	Тоже
ГОСТ 10585-75	Фл. мазут Ф - 5	JF-40	-//-
ГОСТ 10585-75	Фл. мазут Ф -12,	JF-90	ЯМД 15

Продолжение таблицы 8.1

Основным видом жидкого топлива, которое используется в котельных, служит топливный мазут - конечный продукт переработки нефти.

Основные характеристики мазутов: вязкость, температура застывания

Для надежной и долговечной работы механизмов и систем топливосмазочные материалы должны соответствовать требованиям ГОСТ. При этом основным критерием характеризующим качество топливосмазочных материалов являются физико-химические свойства. Рассмотрим основные из них.

Плотность - это масса вещества, содержащаяся в единице объема. Различают абсолютную и относительную плотность.

Абсолютная плотность определяется как:

где p - плотность, кг/м3; m - масса вещества, кг; V - объем, м3.

Плотность имеет значение при определении весового количества топлива в резервуарах. Плотность всякой жидкости, в том числе и топлива, изменяется с изменением температуры. Для большинства нефтепродуктов плотность уменьшается с увеличением температуры и увеличивается с уменьшением температуры. На практике часто имеют дело с безразмерной величиной - относительной плотностью. Относительной плотностью нефтепродукта называется отношение его массы при температуре определения к массе воды при температуре 4 °С, взятой в том же объеме, поскольку масса 1 л воды при 4 °С точно равна 1 кг. Относительная плотность (удельный вес) обозначается 20 4 р. Например, если 1 л бензина при 20 °С весит 730 г, а 1 л воды при 4 °С весит 1000 г, то относительная плотность бензина будет равна:

Относительная плотность нефтепродукта 20 4 р принято выражать величиной, относящейся к нормальной температуре (+20 °С), при которой значения плотности регламентируются государственным стандартом. В паспортах, характеризующих качество нефтепродукта, плотность также указывается при температуре +20 °С. Если известна плотность t 4 р при иной температуре, то по ее значению можно вычислить плотность при 20 °С (т.е. привести фактическую плотность к стандартным условиям) по формуле:

где Y - средняя температурная поправка плотности, величина, которая берется в зависимости от ве - личины замеряемой плотности t 4 р по таблице Температурные поправки к плотности нефтепродуктов

Рассматривая плотность как весовую, по объему t V и плотности t 4 p (замеренных при одной и той же температуре t) находится вес топлива при замеренной температуре:

При повышении температуры объем нефтепродуктов увеличивается и определяется по формуле:

где 2 V - объем нефтепродукта при повышении температуры на 1 °С; 1 V - первоначальный объем нефте - продукта; delta t - разность температур; B - коэффициент объемного расширения нефтепродукта Коэффициенты объемного расширения нефтепродуктов в зависимости от плотности при +20 °С на 1 °С

Наиболее распространенными методами измерения плотности ареометрический, пикнометрический и метод гидростатического взвешивания. В последнее время успешно развиваются автоматические методы: вибрационные, ультразвуковые, радиоизотопные, гидростатические.

Вязкость - свойство частиц жидкости оказывать сопротивление взаимному перемещению под действием внешней силы. Различают динамическую и кинематическую вязкость. В практических условиях больше интересует кинематическая вязкость, которая равна отношению динамической вязкости к плотности.

Вязкость жидкости определяется в капиллярных вискозиметрах и измеряется в стоксах (С), размерность которого мм2/с. Кинематическая вязкость нефтепродуктов определяется по ГОСТ 33-82 в капиллярных вискозиметрах ВПЖ-1, ВПЖ-2 и Пинкевича (рис.5). Вязкость прозрачных жидкостей при положительных температурах находят с помощью вискозиметров ВПЖ-1. Вискозиметры ВПЖ-2 и Пинкевича применяют для различных температур и жидкостей. Кинематическая вязкость топлива, предназначенного для применения в высокооборотных дизелях, нормируется при 20 °С, низкооборотных - при 50 °С, моторных масел - при 100 °С. Определение кинематической вязкости в капиллярном вискозиметре основано на том, что вязкость жидкости прямо пропорциональна времени истечения ее через капилляр, обеспечивающий ламинарность потока. Вискозиметр Пинкевича состоит из сообщающихся трубок различающихся диаметром. Для каждого вискозиметра указывается его постоянная С, представляющая собой отношение вязкости калибровочной жидкости к 20 v при 20 °С ко времени протекания к 20 t этой жидкости под действием собственной массы также при 20 °С из объема 2 от метки а до метки б через капилляр 3 в расширение 4:

Вязкость нефтепродукта при температуре t °С находится по формуле:

Фракционный состав определяют по ГОСТ 2177-82 при помощи специального прибора. Для этого в колбу 1 наливают 100 мл исследуемого топлива и нагревают до кипения. Пары топлива поступают в холодильник 3, где конденсируются и далее в виде жидкой фазы поступают в мерный цилиндр 4. В процессе перегонки фиксируют температуру, при которой выкипает 10, 20, 30% и т.д. исследуемого топлива. Перегонку заканчивают, когда после достижения наивысшей температуры наблюдается небольшое ее падение. По результатам перегонки строят кривую фракционной разгонки испытуемого топлива.

Первая - пусковая фракция, обусловленная выкипанием 10% топлива, характеризует его пусковые качества. Чем ниже температура выкипания этой фракции, тем лучше для запуска двигателя. Для зимних сортов бензина необходимо чтобы 10% топлива выкипало при температуре не выше 55 °С, а для летних - не выше 70 °С.

Другая часть бензина, выкипающая от 10 до 90% называют рабочей фракцией. Температура ее испарения не должна быть выше 160 … 180 °С.

Тяжелые углеводороды бензина в интервале от 90% выкипания до конца кипения представляют собой концевые или хвостовые фракции, которые крайне нежелательны в топливе. Наличие этих фракций приводит к отрицательным явлениям при работе двигателя: неполному сгоранию топлива, повышенному износу деталей за счет смывания смазки с гильз цилиндров и разжижения моторного масла в двигателе, увеличению Эксплуатационные свойства дизельного топлива Дизельное топливо используют в двигателях с воспламенением от сжатия, называемых дизелями. Воздух и топливо подаются в камеру сгорания раздельно. В ходе всасывания в цилиндр поступает свежий воздух; при втором ходе сжатия - воздух сжимается до 3 … 4 МПа (30 … 40 кгс/см2). В результате сжатия температура воздуха достигает 500 … 700 °С. В конце сжатия в цилиндр двигателя впрыскивается топливо, образуя рабочую смесь, которая нагревается до температуры самовоспламенения и воспламеняется.

Впрыскиваемое топливо распыляется форсункой, которая помещается в камере сгорания или в форкамере. Средний диаметр капель топлива составляет примерно 10 … 15 мкм.

По сравнению с карбюраторными двигателями дизельные двигатели отличаются высокой экономичностью, так как работают с более высокими степенями сжатия (12 … 20 вместо 4 … 10) и коэффициентом избытка воздуха = 5,1...4,1. Вследствие этого удельный расход топлива у них на 25 … 30% ниже, чем у карбюраторных двигателей.

Дизельные двигатели более надежны в эксплуатации и более долговечны, они обладают лучшей приемистостью, т.е. легче набирают обороты и преодолевают перегрузки. В то же время, дизели от личаются большей сложностью в изготовлении, большими габаритами и меньшей мощностью на единицу веса. Но, исходя из более экономичной и надежной работы, дизели успешно конкурируют с карбюраторными двигателями.

Для обеспечения долговечной и экономичной работы дизельного двигателя дизельное топливо должно отвечать следующим требованиям:

иметь хорошее смесеобразование и воспламеняемость;

обладать соответствующей вязкостью;

иметь хорошую прокачиваемость при различных температурах окружающего воздуха;

Свойство дизельного топлива, характеризующее мягкую или жесткую работу дизеля, оценивают по его самовоспламеняемости. Эту характеристику определяют путем сравнения дизеля на испытуемом и эталонном топливе. Оценочным показателем служит цетановое число топлива.

Топливо, поступающее в цилиндры дизеля, воспламеняется не мгновенно, а через некоторый промежуток времени, который называется периодом задержки самовоспламенения. Чем он меньше, тем за меньший промежуток времени топливо сгорает в цилиндрах дизеля. Давление газов нарастает плавно, и двигатель работает мягко (без резких стуков). При большом периоде задержки самовоспламенения топливо сгорает за короткий промежуток времени, давление газов нарастает почти мгновенно, поэтому дизель работает жестко (со стуком). Чем выше цетановое число, тем меньше период задержки самовоспламенения дизельного топлива, тем мягче самовоспламеняемость дизельного топлива оценивается обычно путем сравнения ее с самовоспламеняемостью эталонных топлив. В качестве эталонных топлив используется нормальный парафиновый углеводород цетан (С16Н34), имеющий малый период задержки самовоспламенения (самовоспламеняемость цетана условно принята за 100) и ароматический углеводород метилнафталин С10Н7СН3, который имеет большой период задержки самовоспламенения (самовоспламеняемость его условно принята за 0) работает двигатель.

Цетановое число топлива численно равно процентному содержанию цетана в его смеси с метилнафталином, которая по характеру сгорания (по самовоспламеняемости) равноценна испытуемому топливу. Используя эталонные топлива, можно получать смеси с любыми цетановыми числами от 0 до 100.

Цетановое число можно определить тремя способами: по совпадению вспышек, по запаздыванию самовоспламенения и по критической степени сжатия. Цетановое число дизельных топлив обычно определяют по методу "совпадения вспышек" на установках ИТ9-3, ИТ9-ЗМ или ИТД-69 (ГОСТ 3122-67). Это одноцилиндровые четырехтактные двигатели, оборудованные для работы с воспламенением от сжатия. Двигатели имеют переменную степень сжатия? = 7 … 23. Угол опережения впрыска топлива устанавливается равным 13° до верхней мертвой точки (В.М. Т). Изменением степени сжатия добиваются, чтобы воспламенение происходило строго в В.М.Т. При определении цетанового числа дизельных топлив частота вращения вала одноцилиндрового двигателя должна быть строго постоянной (п = 900 ± 10 об/мин).

После этого подбирают два образца эталонных топлив, один из которых дает совпадение вспышек (т.е. задержку самовоспламенения, равную 13°) при меньшей степени сжатия, а второй - при более высокой степени сжатия.

Путем интерполяции находят смесь цетана с - метилнафталином, эквивалентную испытываемому топливу, и таким образом устанавливается его цетановое число.

Цетановое число топлив зависит от их улеводородного состава. Наиболее высокими цетановыми числами обладают парафиновые углеводороды нормального строения. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов.

Оптимальным цетановым числом дизельных топлив является 40 - 50. Применение топлив с ЦЧ < 40 приводит к жесткой работе двигателя, а ЦЧ > 50 - к увеличению удельного расхода топлива за счет уменьшения полноты сгорания.

ВИДЫ ТОПЛИВА. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВА

По определению Д.И.Менделеева, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты».

В настоящее время термин «топливо» распространяется на все материалы, служащие источником энергии (например, ядерное топливо).

Топливо по происхождению делят на:

Природное топливо (уголь, торф, нефть, горючие сланцы, древесина и др.)

Искусственное топливо (моторное топливо, генераторный газ, кокс, брикеты и др.).

По своему агрегатному состоянию его делят на твёрдое, жидкое и газообразное топливо, а по своему назначению при использовании – на энергетическое, технологическое и бытовое. Наиболее высокие требования предъявляются к энергетическому топливу, а минимальные требования – к бытовому.

Твёрдое топливо – древесно-растительная масса, торф, сланцы, бурый уголь, каменный уголь.

Жидкое топливо – продукты переработки нефти (мазут).

Газообразное топливо – природный газ; газ, образующийся при переработке нефти, а также биогаз.

Ядерное топливо – расщепляющиеся (радиоактивные) вещества (уран, плутоний).

Органическое топливо, т.е. уголь, нефть, природный газ, составляет подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органического топлива является результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывающиеся во всех геологических формациях. Всё это топливо имеет углеродную основу, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе образования диоксида углерода.

ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Твёрдое топливо. Ископаемое твёрдое топливо (за исключением сланцев) является продуктом разложения органической массы растений. Самое молодое из них – торф – представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли – землистая или чёрная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется («выветривается») и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них – антрацитов – претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твёрдостью.

Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 14000 млрд.тонн, из которых половина относится к достоверным (Азия – 63%, Америка – 27%). Наибольшими запасами угля располагают США и Россия. Значительные запасы имеются в ФРГ, Англии, Китае, на Украине и в Казахстане.

Всё количество угля можно представить в виде куба со стороной 21 км, из которого ежегодно изымается человеком «кубик» со стороной 1,8 км. При таких темпах потребления угля хватит примерно на 1000 лет. Но уголь – тяжёлое неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование. Запасы его распределены крайне неравномерно. Известнейшие месторождения угля: Донбасский (запасы угля 128 млрд.т.), Печорский (210 млрд.т.), Карагандинский (50 млрд.т.), Экибастузский (10 млрд.т.), Кузнецкий (600 млрд.т.), Канско-Ачинский (600 млрд.т.). Иркутский (70 млрд.т.) бассейны. Самые крупные в мире месторождения угля – Тунгусское (2300 млрд.т. – свыше 15% от мировых запасов) и Ленское (1800 млрд.т. – почти 13% от мировых запасов).

Добыча угля ведётся шахтным методом (глубиной от сотен метров до нескольких километров) или в виде открытых карьерных разработок. Уже на этапе добычи и транспортировки угля, применяя передовые технологии, можно добиться снижения потерь при транспортировке. Уменьшения зольности и влажности отгружаемого угля.

Возобновляемым твёрдым топливом является древесина. Доля её в энергобалансе мира сейчас чрезвычайно невелика, но в некоторых регионах древесина (а чаще её отходы) также используется в качестве топлива.

В качестве твёрдого топлива могут быть также использованы брикеты – механическая смесь угольной и торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.

ЖИДКОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Жидкое топливо. Практически всё жидкое топливо пока получают путём переработки нефти. Нефть, жидкое горючее полезное ископаемое, представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин, смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.

Сырую нефть нагревают до 300-370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре tª: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, tª=30 - 180°С). Керосиновую (около 17 %, tª=120 - 135°С), дизельную (около 18 %, tª=180 - 350°С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330-350°С называется мазутом. Мазут, как и моторное топливо, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят, в основном, углерод (84-86 %) и водород (10-12%).

Мазут, получаемый из нефти ряда месторождений, может содержать много серы (до 4.3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при его сжигании.

Зольность мазута не должна превышать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому её часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия.

В котлах котельных и электростанций обычно сжигают мазут, в бытовых отопительных установках – печное бытовое топливо (смесь средних фракций).

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т., из которых 53 млрд.т. составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производства, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти. Разведанные запасы нефти всё время увеличиваются. Прирост происходит в основном за счёт морских шельфов. Поэтому все имеющиеся в литературе оценки запасов нефти являются условными и характеризуют только порядок величин.

Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля. Но нефть более удобное для использования топливо. Особенно в переработанном виде. После подъёма через скважину нефть направляется потребителям в основном по нефтепроводам, железной дорогой или танкерами. Поэтому в себестоимости нефти существенную часть имеет транспортная составляющая.

ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Газообразное топливо. К газообразному топливу относится, прежде всего, природный газ. Это газ, добываемый из чисто газовых месторождений, попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т.д. Основным его компонентом является метан СН 4 ; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N 2 , высших углеводородов СnНm , диоксида углерода СО 2 . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться.

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты.

В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной обработке нефти и попутных нефтяных газов. Выпускают технический пропан (не менее 93% С 3 Н 8 + С 3 Н 6), технический бутан (не менее 93% С 4 Н 10 + С 4 Н 8) и их смеси.

Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140-170 триллионов м³.

Природный газ располагается в залежах, представляющих собой «купола» из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (песчаник) под давлением находится газ, состоящий в основном из метана СН 4 . На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подаётся на магистральный газопровод диаметром 0,5 – 1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компрессоров, установленных через каждые 100-150 м. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ. Общий расход газа на поддержание давления в газопроводе составляет 10-12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен.

В последнее время в ряде мест всё большее применение находит биогаз – продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). В Китае на самых разных отбросах работают уже свыше миллиона фабрик биогаза (по данным ЮНЕСКО – до 7 млн.). В Японии источниками биогаза служат свалки предварительно отсортированного бытового мусора. «Фабрика», производительностью до 10-20 м³ газа в сутки. Обеспечивает топливом небольшую электростанцию мощностью 716 кВт.

Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путём превращения их в биогаз (примерно 1 куб.м в сутки на единицу крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения.

Весьма перспективным видом топлива, обладающим в три раза большей удельной энергоёмкостью по сравнению с нефтью, является водород, научно-экспериментальные работы по изысканию экономичных способов промышленного преобразования которого активно ведутся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды (Н 2 О). При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.

В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его можно будет получать в процессе газификации угля. Для получения химической энергии водорода используется также процесс электролиза. Последний способ имеет значительное преимущество, так как приводит к обогащению кислородом окружающей среды. Широкое применение водородного топлива может решить три актуальные проблемы:

Уменьшить потребление органического и ядерного топлива;

Удовлетворить возрастающие потребности в энергии;

Снизить загрязнение окружающей среды.

ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

Ядерное топливо. Единственный природный вид ядерного топлива – тяжёлые ядра урана и тория. Энергия в виде теплоты высвобождается под действием медленных нейтронов при делении изотопа 235 U, который составляет в природном уране 1/140 часть. В качестве сырья могут использоваться 238 U и 239 Th, которые при облучении нейтронами превращаются в новое ядерное топливо – соответственно 239 Pu и 239 U. При делении всех ядер, содержащихся в 1 кг урана, выделяется энергия 2·10 7 кВт·ч, что эквивалентно 2,5 тыс.т высококачественного каменного угля с теплотой сгорания 35 МДж/кг (8373 ккал/кг).

Ядерное топливо делится на два вида:

• Природное урановое, содержащее делящиеся ядра 235 U, а также сырьё 238 U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний 239 Pu;
• Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239 Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы 233 U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232 Th.

По химическому составу, ядерное топливо может быть:

• Металлическим, включая сплавы;
• Оксидным (например, UO 2);
• Карбидным (например, PuC 1-x)
• Нитридным
• Смешанным (PuO 2 + UO 2)

Применение. Ядерное топливо используется в ядерных реакторах, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) в виде таблеток размером в несколько сантиметров.

К ядерному топливу применяются высокие требования по химической совместимости с оболочками ТВЭЛов, у него должна быть достаточная температура плавления и испарения, хорошая теплопроводность, небольшое увеличение объёма при нейтронном облучении, технологичность производства.

Металлический уран сравнительно редко используют как ядерное топливо. Его максимальная температура ограничена 660 °C. При этой температуре происходит фазовый переход, в котором изменяется кристаллическая структура урана. Фазовый переход сопровождается увеличением объёма урана, что может привести к разрушению оболочки ТВЭЛов. При длительном облучении в температурном интервале 200-500°С уран подвержен радиационному росту. Это явление заключается в том, что облучённый урановый стержень удлиняется. Экспериментально наблюдалось увеличение длины уранового стержня в полтора раза.

Использование металлического урана, особенно при температуре больше 500 °C, затруднено из-за его распухания. После деления ядра образуются два осколка деления, суммарный объём которых больше объёма атома урана (плутония). Часть атомов - осколков деления являются атомами газов (криптона, ксенона и др.). Атомы газов накапливаются в по́рах урана и создают внутреннее давление, которое увеличивается с повышением температуры. За счёт изменения объёма атомов в процессе деления и повышения внутреннего давления газов уран и другие ядерные топлива начинают распухать. Под распуханием понимают относительное изменение объёма ядерного топлива, связанное с делением ядер.

Распухание зависит от выгорания и температуры ТВЭЛов. Количество осколков деления возрастает с увеличением выгорания, а внутреннее давление газа - с увеличением выгорания и температуры. Распухание ядерного топлива может привести к разрушению оболочки ТВЭЛа. Ядерное топливо менее подвержено распуханию, если оно обладает высокими механическими свойствами. Металлический уран как раз не относится к таким материалам. Поэтому применение металлического урана в качестве ядерного топлива ограничивает выгорание, которое является одной из главных оценок экономики атомной энергетики.

Радиационная стойкость и механические свойства топлива улучшаются после легирования урана, в процессе которого в уран добавляют небольшое количество молибдена, алюминия и других металлов. Легирующие добавки снижают число нейтронов деления на один захват нейтрона ядерным топливом. Поэтому легирующие добавки к урану стремятся выбрать из материалов, слабо поглощающих нейтроны.

К хорошим ядерным топливам относятся некоторые тугоплавкие соединения урана: окислы, карбиды и интерметаллические соединения. Наиболее широкое применение получила керамика - двуокись урана UO 2 . Её температура плавления равна 2800 °C, плотность - 10,2 т/м 3 . У двуокиси урана нет фазовых переходов, она менее подвержена распуханию, чем сплавы урана. Это позволяет повысить выгорание до нескольких процентов. Двуокись урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами при высоких температурах. Основной недостаток керамики - низкая теплопроводность - 4,5 кДж/(м·К), которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления. Так, максимальная плотность теплового потока в реакторах ВВЭР на двуокиси урана не превышает 1,4·10 3 кВт/м 2 , при этом максимальная температура в стержневых ТВЭЛах достигает 2200 °C. Кроме того, горячая керамика очень хрупка и может растрескиваться.

Плутоний относится к низкоплавким металлам. Его температура плавления равна 640 °C. У плутония плохие пластические свойства, поэтому он почти не поддаётся механической обработке. Технология изготовления ТВЭЛов усложняется ещё токсичностью плутония. Для приготовления ядерного топлива обычно идут двуокись плутония, смесь карбидов плутония с карбидами урана, сплавы плутония с металлами.

Высокими теплопроводностью и механическими свойствами обладают дисперсионные топлива, в которых мелкие частицы UO 2 , UC, PuO 2 и других соединений урана и плутония размещают гетерогенно в металлической матрице из алюминия, молибдена, нержавеющей стали и др. Материал матрицы и определяет радиационную стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. Например, дисперсионное топливо Первой АЭС состояло из частиц сплава урана с 9 % молибдена, залитых магнием.

УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО

Условное топливо. Различные виды энергетических ресурсов обладают разным качеством, которое характеризуется энергоёмкостью топлива. Удельной энергоёмкостью называется количество энергии, приходящееся на единицу массы физического тела энергоресурса.

Для сопоставления различных видов топлива, суммарного учёта его запасов, оценки эффективности использования энергетических ресурсов, сравнения показателей теплоиспользующих устройств, принята единица измерения – условное топливо. Условное топливо – это такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29309 кДж, или 700 ккал энергии. Для сравнительного анализа используется 1 тонна условного топлива.

1 ту.т = 29309 кДж = 7000 ккал = 8120 кВт·ч.

Этот показатель соответствует хорошему малозольному углю, который иногда называют угольным эквивалентом.

За рубежом для анализа используется условное топливо с теплотой сгорания 41900 кДж/кг (10000 ккал/кг). Этот показатель называется нефтяным эквивалентом. В нижеследующей таблице приведены значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основе вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:

Топливо – это горючее вещество, применяемое для получения теплоты.

По происхождению топливо бывает природное и искусственное.

По агрегатному состоянию выделяют твёрдое, жидкое и газообразное топливо.

По назначению при использовании топливо может быть энергетическим, технологическим и бытовым.

Как самостоятельный вид выделяют ещё ядерное топливо.

Для сравнения различных видов топлива по их теплотворной способности используют единицу измерения «условное топливо».

Условное топливо – условно принятое топливо с теплотворной способностью 7000 ккал/кг (для жидких и твёрдых видов топлива) и 7000 ккал/нм 3 (для газообразных видов топлива).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Охрана труда и основы энергосбережения: Учеб. пособие /

Э.М. Краченя, Р.Н. Козел, И.П.Свирид. – 2-е изд. – Мн.: ТетраСистемс, 2005. – 156-161,166-167 с.

2. Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс] / Ядерное топливо. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/ Дата доступа: 04.10.2009.

3. Департамент по энергоэффективности Государственного комитета по стандартизации Республики Беларусь [Электронный ресурс] / Нормативные документы. Методические рекомендации по составлению технико-экономических обоснований для энергосберегающих мероприятий. Режим доступа: http://energoeffekt.gov.by/doc/metodika_1.asp. Дата доступа: 03.10.2009

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Таблица 1: Удельная энергоёмкость энергетических ресурсов

Агрегатное состояние	Происхождение топлива
	Естественное	Искусственное
		Бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, спирт, бензол, смолы (каменноугольная, торфяная, сланцевая)
Газообраз-	Природный и нефтепромысловый	Генераторный, водяной, светильный, коксовый, полукоксовый, доменный, нефтеперерабатывающих заводов газы
	Ископаемые угли, горючие сланцы, торф,	Каменноугольные кокс и полукокс, брикетированное и пылевидное топливо, древесный уголь

Топливо состоит из горючей и негорючей частей. Горючая часть топлива представляет собой совокупность различных органических соединений, в которые входят углерод, водород, кислород, азот, сера. Негорючая часть (балласт) состоит из минеральных примесей включающих золу и влагу.

Углерод С - основная горючая часть топлива. С увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. Для различных топлив содержание углерода составляет от 50 до 97 %.

Водород Н является второй по значимости горючей составляющей топлива. Содержание водорода в топливе достигает 25%. Однако, при сгорании водорода выделяется в четыре раза больше теплоты, чем при сгорании углерода.

Кислород О, входящий в состав топлива, не горит и не выделяет теплоты, поэтому является внутренним балластом топлива. Его содержание в зависимости от вида топлива колеблется от 0,5 до 43 %.

Азот N не горит и является внутренним балластом топлива. Содержание его в жидком и твердом видах топлива не велико и составляет 0,5 - 1,5%.

Сера S, при сгорании которой выделяется определенное количество теплоты, является весьма нежелательной составной частью топлива, так как продукты его сгорания - сернистый SO 2 и серный SО 3 ангидриды вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы твердом топливе до 8 %, а в нефти от 0,1 до 4 %.

Зола А представляет собой негорючий твердый компонент, количество которого определяют после полного сгорания топлива. Она является нежелательной и даже вредной примесью, так как в ее присутствии усиливаются абразивные износы, усложняется эксплуатация различных агрегатов. Топливо с высоким содержанием золы имеет низкую теплоту сгорания и воспламенения.

Влага W является весьма нежелательной примесью топлива, так как, отбирая часть теплоты на испарение, снижает теплоту и температуру сгорания топлива, усложняет эксплуатацию установок (особенно в зимнее время), способствует коррозии.

Минеральные примеси (золу и влагу) принято подразделять на внешние и внутренние. Первые попадают в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке или хранений, а вторые входят в его химический состав.

Топливо, которое поступает к потребителю в естественном состоянии, и содержит, кроме горючей части, золу и влагу, называется рабочим. Для определения сухой массы топлива его высушивают при температуре 105°С для удаления влаги.

Состав газообразных топлив весьма разнообразен: горючая часть его включает водород Н, окись углерода СО, метан СН 4 и другие газообразные углеводороды (CnHm) с числом углеводородных атомов до 4 включительно.