Различные виды топлива и их характеристики. Виды топлива, применяемые на автотранспорте

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках.

В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота из топлива, различают органическое и ядерное топливо. В настоящее время и по прогнозам до 2030 г. органическое топливо является основным источником энергии (теплоты) для промышленного использования.

В органических топливах теплота выделяется в результате химической реакции окисления его горючих частей при участии кислорода, а в ядерных топливах - в результате распада деления ядер тяжелых элементов (урана, плутония и т.д.).

Классификация органического топлива.

Топливо подразделяется на природное и искуственное. Среди них различают три агрегатных состояния.

Природные:

• твердое - дрова, торф, бурые и каменные угли, антрацит, горючие сланцы
• жидкое - нефть
• газообразное - природный газ

Искусственные:

• твердое - древесный уголь, полукокс, кокс, угольные и торфяные брикеты, пеллеты
• жидкое - мазут, керосин, бензин, содяровое масло, газойль, печное топливо
• газообразное - газ нефтяной, газ коксовый и генераторный, газ доменный, газ подземной газификации.

Твердые и жидкие топлива состоят из горючих (углерода - С, водорода - Н, летучей серы - Sл == Sор + Sк) и негорючих (азота - N и кислорода - О) элементов и балласта (золы - А, влаги - W). Элементарный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах к массе 1 кг топлива. При этом различают рабочую, сухую, горючую и органическую массу топлива. Рабочая масса - это масса и состав топливо, в котором поступает к потребителю и подвергается сжиганию.

Газообразное топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючая часть состоит из предельных и непредельных углеводородов, водорода Н2, окиси углерода СО, и сернистого водорода (Н2S). В состав негорючих элементов входит азот (N2), углекислый газ (СO2) и кислород (О2). Составы природного и искусственного газообразных топлив различны. Природный газ характеризуется высоким содержанием метана (СH4), а также небольшого количества других углеводородов: этана (С2H6), пропана (С3H8), бутана (С4H10), этилена (С2H4), и пропилена (С3H6). В искусственных газах содержание горючих составляющих (водорода и окиси углерода) достигает 25-45%, в балласте преобладают азот и углекислота - 55-75%.

Характеристика топлива

Влажность воздуха. Средняя влажность топлива в рабочем состоянии составляет в %: для торфа 50; сланцев 13-17; каменного угля 5-14 и антрацита 5-8. Бурые угли в зависимости от влажности делят на 3 группы: группа Б1 - более 40% влажности; группа Б2 - 30-40%;
группа Б3 - менее 30%.

Зола топлива. В состав золы входят преимущественно соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы железа, алюминия, а также сульфатная сера. Минеральные остатки, образующиеся после сгорания топлива, имеют вид либо сыпучей массы (зола), либо сплавленных кусков (шлак). При высоких температурах зола размягчается, а затем плавится. Размягченная зола и шлак прилипают к стенкам обмуровки топки, уменьшая сечение газоходов откладываются на поверхностях нагрева, увеличивая тем самым термическое сопротивление в процессе теплопередачи о газов к нагреваемой среде, забивают отверстия для прохода воздуха в колосниковой решетке, обволакивают частицы топлива, затрудняя их сжигание. Различные виды топлива содержат разное количества золы. Например, в %: древесина - 1; торф - 10; кузнецкий уголь - 10-20; подмосковный бурый уголь - 30; сланцы - 60. Жидкое топливо (мазут) содержит 0,2-1% минеральных примесей.

Летучие вещества. При нагревании твердого топлива до 870-1100 К без доступа окислителя, выделяются парогазообразные вещества, которые называются летучими. Они являются продуктами распада сложных органических веществ, содержащихся в органической массе топлива. В состав летучих веществ входят: азот N2, кислород О2, водород Н2, окись углерода СО, углеводородные газы СH4, С2H4 и т.д, а также водяные пары.

Кокс. Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих веществ. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. При низких температурах в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (C, H, Sл, N). Тогда твердый остаток называется полукоксом. По своим механическим свойствам кокс может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся. В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный - Д, газовый - Г, газовый жирный - ГЖ, жирный - Ж, коксовый жирный = КЖ, коксовый - К, коксовый второй - К2, отощенный спекающийся - ОС, слабоспекающийся - СС, тощий - Т.

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

Наибольший интерес, вызывают нефть и газ, запасы которых довольно ограничены. В то же время, именно их добыча и переработка наиболее экономичны и целесообразны с точки зрения использования рабочей силы и охраны окружающей среды.

В зависимости от характера использования топливо подразделяется (табл.5.2) на: энергетическое, технологическое и бытовое; по агрегатному состоянию – на твердое, жидкое и газообразное; по способу получения - на естественное и искусственное.

Таблица 5.2 – Основные виды топлива

По способу получения	Естественное	Искусственное
По агрегатному состоянию
Твердое	Дрова, торф, ископаемые угли, горючие сланцы	Древесный уголь, кокс, полукокс, торфяные и угольные брикеты
Жидкое	Нефть	Бензин, керосин, мазут масла, газойль
Газообразное	Природный газ, попутный (конденсатный) газ	Доменный, коксовый, конвекторный, генераторный газы

Основными видами органического топлива, используемого в энергетике, являются: твёрдого – угли и торф; жидкого – мазут; газообразного – природный газ. Торф и угли, твердое органическое топливо являются продуктами разложения органической массы растений и отличаются друг от друга химическим возрастом (торф – самое молодое). Древнейшие месторождения угля известны в канадской Арктике (350 млн.лет). Важнейший период углеобразования в истории Земли приходится на интервал последних 350-250 млн. лет. Угленосные отложения в этот промежуток времени обнаружены на всех континентах, но самые большие толщи – в Северной Америке, Европе и Азии, которые в течение периода углеобразования находились в экваториальных и умеренных широтах. Теплый климат и обилие осадков благоприятствовали развитию огромных болот. Формирование угля происходило и в последующие периоды, особенно в меловой
(~ 20 млн. лет назад), но ни в один из них угленакопление не было столь обширным и интенсивным, как в великую угольную эпоху.

Геологи полагают, что большая часть главных угольных бассейнов уже открыта. Мировые запасы всех видов углей оценены в 8620 млрд. т, а дополнительные потенциальные ресурсы – в 6650 млрд. т. При этом извлекаемыми считаются запасы углей в пластах мощностью не более 0,3 м, залегающих на глубине не более 2000 м. Угли, не отвечающие этим требованиям, относятся к потенциальным ресурсам. Примерно 43% углей мира залегают в странах СНГ (бывшего СССР), 29% – в Северной Америке, 14,5% – в странах Азии, главным образом в Китае, 5,5% – в Европе. На остальной мир приходится 8% угля. Хотя уголь во всем мире не является ведущим видом топлива, но трудности в снабжении нефтью и газом ведут к тому, что в ближайшие десятилетия уголь станет господствующим топливом на планете. При этом в течение длительного времени подземная добыча будет, видимо, оставаться преобладающей формой разработки уголь­ных месторождений.

Ископаемые угли подразделяются на бурые, каменные и антрацит: бурые следуют за торфом по химическому возрасту, затем - каменные и антрацит. Значительная роль в обеспечении ТЭК топливом принадлежит нефти и природному газу. Энергетический эквивалент оцененных потенциальных ресурсов (по данным всемирной энергетической конференции) составляет: нефти – (1,510 22) Дж, газа – (1,110 22) Дж. Ресурсы нефти и газа так же, как и угля, расположены на земном шаре очень неравномерно. Регионы, которые, сейчас являются главными производителями нефти и газа, обладают наибольшим потенциалом и для новых открытий. При сохранении существующей скорости роста потребления все ресурсы нефти и газа могут иссякнуть через несколько десятилетий.

Человечество интересуют две проблемы, непосредственно связанные с теплоэнергетикой: на какой срок хватит ТЭР; где грань загрязнения атмосферы?

В настоящее время мировое использование энергоресурсов в течение года эквивалентно 17-25 млрд.т условного топлива, энергоемкость которых эквивалентна 450-500 Эдж (1 эксаджоуль (Эдж) равен 10 18 джоулей). Если исходить из этой цифры и мировых запасов энергоресурсов (табл.5.3.), то только органического топлива человечеству хватит на тысячу лет.

Таблица 5.3 – Мировые энергоресурсы.

	^ Источники энергии	Ресурсы, ЭДж
1.	Невозобновляемые: Ядерная энергия Химическая энергия органического топлива	5,2110 5
2.	Неисчерпаемые: Термоядерная энергия синтеза Геотермальная энергия	2,910 6
3.	Возобновляемая: Солнечная энергия, которая достигает земной поверхности и превращается в тепловую Энергия морских приливов Энергия ветра Энергия рек Биоэнергия лесов	1,510 3

Однако современная технология позволяет добывать далеко не все объемы ТЭР. Не все страны имеют оптимальное соотношение между уровнем добычи ТЭР и их использованием. Все это заставляет констатировать тот факт, что энергетический кризис вполне реален, а человечество сегодня не нашло еще путей его преодоления.

Как видно из табл.5.4., весьма перспективно использование возобновляемых источников ТЭР, однако современная энерготехнология еще далека от их массового использования. К сожалению, человечество далеко еще и от решения проблем использования термоядерной энергии, общие запасы которой просто фантастические – 3,610 9 Эдж (при нынешнем уровне энергозатрат их хватит на 10 млн.лет!).

Что касается Украины, то ее энергетика в настоящем времени находится в тяжелом состоянии, несмотря на то, что только разведанные запасы угля в Украине составляют 47 млрд.т. Однако технология добычи угля не отвечает геологическим особенностям месторождений. Почти 80% объемов ТЭК физическо и морально устарели, уровень затрат энергоресурсов выше уровня их производства. Наблюдается значительный дефицит остальных видов ТЭР, что наглядно демонстрируют данные табл.5.4.

Таблица 5.4 – Энергоресурсы Украины: добыча и потребность

^ Вид топлива	Объемы		Процент обеспеченности собственным ТЭР
	использования	собственного производства
^ Природный газ	112 млрд.м 3	22 млрд.м 3	20%
Нефть	32 млн.т	4 млн.т	12%
Уголь	(?)	140 млн.т	(?)
Ядерное топливо	Твелы производства России	Уран добывает Украина	0

5.2.2. Состав и характеристики органического топлива

Топливо, поступающее в технологические устройства для сжигания, называется рабочим. В его состав входят: углерод, водород, сера, кислород, азот, а также влага W и минеральные примеси А . Указанные элементы образуют сложные химические соединения.

Наличие кислорода и азота, составляет внутренний баланс топлива и снижает его энергетическую ценность. Содержание кислорода в топливе колеблется от 2% (антрацит) до 40% (древесина), в мазуте – меньше 1%. Содержание азота в твердом и жидком топливе не более 1%. Влага и минеральные примеси (зола) составляют внешний баланс топлива. Содержание золы в твердом топливе – 1ч60% (5ч60%) на рабочую массу, в мазуте – 0,1ч0,3%, влаги – 1ч2%.

Собственно горючими в органическом топливе являются углерод, водород и сера. Главная составляющая – углерод: чем выше его содержание, тем выше количество тепла, выделяемого при его сгорании. С увеличением возраста топлива содержание углерода увеличивается, водорода – уменьшается.

Процесс сжигания топлива представляет собой окисление углерода кислородом воздуха. При полном сгорании углерода образуется относительно безвредный диоксид углерода СО 2 и выделяется 32,8 МДж теплоты на 1 кг углерода. При неправильной организации процесса горения (обычно при недостатке воздуха) продуктом сгорания является очень токсичный оксид углерода СО и выделяется всего 9,2 МДж теплоты. Содержание углерода в твердом топливе – 25ч93% на рабочую массу, в мазуте – 83ч85%.

Важной горючей составляющей топлива является водород, содержание которого колеблется в твердом топливе от 2 до 5%, в жидком – от 10 до 15%. Количество теплоты, выделяющееся при сгорании (окислении) водорода составляет 120,8 МДж на 1 кг.

Третий горючий элемент – сера: органическая (в соединениях с водородом, углеродом, азотом и кислородом) – S ор, колчеданная (в соединениях с железом) – S к, сульфатная (в виде солей серной кислоты CaSO 4 , MgSO 4 , FeSO 4 и др.) – S c .

Свойства твердого топлива как горючего материала определяются его составляющими в сухом беззольном состоянии (обозначаются индексом «daf »: dry ask frek -условное состояние топлива, не содержащее общей влаги и золы). Сюда включаются элементы органической массы топлив и колчеданная сера, сгорающая вместе с органической массой. Таким образом, состав топлива характеризуется массовым содержанием образующих его элементов, а именно: С daf +H daf +O daf +N daf +S daf . Здесь S daf –суммарное содержание горючей серы. Сера органическая и колчеданная составляют горючую или летучую серу S daf л =S o daf +S k daf . Сера сульфатная не является горючей и включается в золу. Содержание горючей серы: в твердом топливе – 0ч9%, в мазуте – 0,5ч3%. При полном сгорании 1 кг серы выделяется
9,2 МДж теплоты. При этом образуется токсичный сернистый ангидрид SO 2 и (в небольших количествах) еще более токсичный серный ангидрид SO 3 . Их выброс с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна, а в сочетании с водой (водяными парами) является причиной кислотных дождей (H 2 SO 3, H 2 SO 4).

Содержание азота в сухом беззольном состоянии твердых топлив обычно составляет 1ч2% по массе. Несмотря на столь малое количество, азот является весьма вредным компонентом, поскольку при сгорании азотосодержащих соединений в высокотемпературных топках образуются сильнотоксичные оксид NO и диоксид NO 2 (при температуре свыше 1200єС они образуются также и из атмосферного азота).

Внешним балластом топлива является влажность и зола. Влажность твердого топлива в рабочем состоянии может превышать 50% и определяет экономическую целесообразность использования данного горючего материала и возможность его сжигания (например, для превращения одного килограмма воды, взятой при температуре 0єС, в пар комнатной температуры требуется 2,5 МДж теплоты).

Зола включает в себя различного рода минеральные примеси, которые в зависимости от условий сжигания претерпевают изменения. В соответствии с существующими стандартными нормами золу необходимо улавливать, транспортировать в отвалы или (что предпочтительнее) утилизировать и использовать в народном хозяйстве.

Важными характеристиками органического топлива: являются выход летучих веществ (для твердого топлива) и теплота сгорания.

Выход летучих веществ V daf в процентах на сухое беззольное состояние определяется путем прокаливания 1 кг топлива в закрытом тигле при температуре 850±10єС в течение 7 минут, в результате которого образуются газы, водяные пары и углеродосодержащий осадок. Чем больше выход летучих, т.е. чем больше сухой беззольной массы превращается при нагревании в горючий газ, тем проще зажечь это топливо и легче поддержать процесс горения. Органическая часть древесины и горючих сланцев при нагревании почти полностью переходит в летучие вещества (V daf =85ч90%), в то время как у антрацитов V daf =3ч4%. (табл.5.5).

Таблица 5.5 – Основные характеристики украинского твердого топлива.

Основные характеристики	Выход летучих	Содерж. серы S H P	Влажность	Зольность	Теплота сгорания Q H P
Виды топлив
Торф	70%	0,1…0,2%	30…50%	5…23%	10,5…14,6
Бурые угли	40%	0…8%	3040%	15…30%	10,0…17,0
Каменные угли	9…50%	0…8%	5…10%	18…30%	24,0..29,0
Антрациты	2…9%	0…8%	5…10%		~26,0
Полуантрациты	5…9%	0…8%			28ч30

Теплота сгорания - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива. Различают высшую Q в P и низшую Q н Р теплоту сгорания (теплотворную способность топлива).

Высшая теплота сгорания Q в P – количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг твердого, жидкого или 1м 3 газообразного топлива при превращении водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, в жидкость. Низшая теплота сгорания Q н Р меньше высшей на величину парообразования влаги, имеющейся в топливе (W p) или образующейся в результате сгорания водорода топлива (9Н р).

Условное топливо как понятие используется для сравнительных расчетов.

Условное топливо – топливо, теплота сгорания которого принята равной 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг). Перевод действительного количества топлива в условное производится умножением количества данного топлива на его эквивалент Э = Q н P /29,35.

Максимальная низшая теплота сгорания твердых топлив, доходит до Q н Р = 28 МДж/кг, минимальная составляет 10 МДж/кг и ниже (в зависимости от содержания балласта). Теплота сгорания обезвоженных мазутов
Q н Р =39ч41,5 МДж/кг. Поскольку элементный состав всех жидких топлив, полученных перегонкой нефти, практически одинаков, их теплота сгорания примерно равна.

Химический состав первородной нефти и газа практически не изменился и остался в пределах сравнительно узкого ряда химических смесей (табл.5.6).

^ Жидкие топлива . Получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300370єС, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре t к : сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, t к = 30ч180єС) керосиновую (около 17%, t к = 120135єС), дизельную (около 18%, t к = 180350єС). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330350єС называется мазутом. Указанные фракции служат исходным сырьем при получении смазочных материалов и топлив для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок (бензина, керосина, дизельных топлив и т.д.).

Таблица 5.6 – Химический состав нефти и природного газа.

До настоящего времени мазут продолжает оставаться основным жидким энергетическим и отопительным топливом. Представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которого входит углерод (С Р = 84ч86%) и водород (H P =10ч12%). Это обеспечивает высокую теплотворную способность мазута (Q H P =40ч41 МДж/кг). Балласт мазута невысок А Р =0,2ч0,3%; W P =0,1ч1%. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и др. металлов.

Одним из основных показателей мазута являются вязкость (определяемая по его способности к распылению в зависимости от температуры) и сернистость (определяется содержанием серы: малосернистые (до 0,5%), среднесернистые (до 2%) и высокосернистые (до 3,5%). Мазуты, получаемые из нефти ряда месторождений, могут содержать серы до 4,3%, что резко усложняет защиту окружающей среды и оборудования.

^ Газообразные топлива . Главным является природный газ, основным компонентом которого (85ч98%) служит метан СН 4 . Основные горючие составляющие – тяжелые углеводороды С n H m , водород Н 2 , сероводород Н 2 S, окись углерода СО, балласт – СО 2 , N 2 , SO 2 , H 2 O, O 2 . Теплота сгорания природного газа – 31,0ч37,9 МДж/кг. Природный газ 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 настоящее время весьма актуальна проблема его полного использования.

В промышленности и особенно в быту находит широкое распространение сжиженный газ, полученный при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов: технический пропан (не менее 93% С 4 Н 18 +
+ С 3 Н 6), технический бутан (не менее 93% С 4 Н 10 + С 4 Н 8) и их смеси.

На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы, используемые там же для отопления печей и технологических аппаратов. Иногда (после очистки от сернистых соединений) коксовый газ применяют для бытового газоснабжения прилегающих жилых массивов. Однако из-за большого содержания СО (5ч10%) он значительно токсичнее природного. Избытки доменных газов чаще всего сжигают в топках заводских электростанций.

В районах расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан, выделяющийся из пластов при их вентиляции. Однако при этом надо иметь в виду, что концентрация метана в смеси с воздухом более 5%, но менее 15% – взрывоопасна.

В последние годы в Украине вновь возродился интерес к газам, полученным путем газификации, (генераторным) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в первую очередь, труднодоступных углей Донецкого месторождения.

Все большее применение в ряде мест находит биогаз-продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). Конструкция небольшого ферментатора предельно проста: тепло- и гидроизолированная яма с гидрозатвором, заполненная разжиженным сырьем (влажность 88ч94%) с плавающим в ней колоколом-аккумулятором для вывода газа. С 1 м 3 объема при температуре 30ч40 о С может быть получено около 1м 3 газа, состоящего в основном из метана и диоксида углерода с небольшими добавками сероводорода, азота и водорода. Получающиеся в процессе ферментации жидкие отходы используются в качестве высококачественного удобрения, содержащего вдвое больше связанного азота, чем исходное сырье.

Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путем превращения их в биогаз и высококачественные удобрения.

Часть 6 ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ
^ НА ОРГАНИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ

6.1. Котельные установки

6.1.1. Общие сведения

В зависимости от вида вырабатываемого рабочего тела котельные установки подразделяются на паровые, вырабатывающие водяной пар требуемых параметров, и водогрейные, которые выдают горячую воду определенной температуры.

По назначению котельные установки делятся на энергетические, про­изводственные (промышленные), отопительно-производственные и отопительные. В энергетических котельных установках вырабатывается пар высокого (р  9 МПа) и среднего (р  3,5 МПа) давлений, предназначенный для дальнейшего преобразования в паровых турбинах на ТЭС.

Производственные котельные установки предназначены для получения водяного пара или горячей воды на различные технологические нужды. В отопительных котельных установках вырабатывают водяной пар низкого давления или нагревают воду только для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий и сооружений.

Следующим важным признаком классификации котельных установок является расположение в них продуктов горения топлива и рабочего тела (воды, водяного пара). Котельные установки, в которых продукты горения движутся в трубках, а вода – снаружи труб, называют газотрубными, в противном случае – водотрубными (вода движется в трубках, а газы – снаружи).

Отопительные и отопительно-производственные котельные установки могут быть газотрубные и водотрубные, для энергетических целей используются только водотрубные котлы.

И, наконец, важным признаком, по которому классифицируют паро­вые котельные установки, является способ создания движения в них рабо­чего тела. По этому признаку они могут быть с естественной и принуди­тельной циркуляцией.

Источником тепловой энергии в котельных установках служит органическое топливо. Рабочим телом является вода, в отдельных случаях используются высококипящие органические жидкости, например, даутерм, дифениг и др. Применение последних обусловлено их теплофизическими свойствами, в первую очередь, высокой температурой кипения и конденсации при низких (в сравнении с водой) давлениях. Это позволяет повысить КПД бинарного цикла, в котором водяной пар обеспечивает возможность использования нижнего температурного предела, а органические жидкости – верхнего.

Рабочий процесс в котельных установках состоит из следующих конечных стадий: 1) горение топлива; 2) теплопередача от горячих дымовых газов к воде или пару; 3) парообразование (нагрев воды до кипения и ее испарение) и перегрев насыщенного пара.

Котельная установка состоит из котла соответствующего типа и вспомогательного оборудования, обеспечивающего его работу.

Котел – конструктивно объединенный в одно целое комплекс устройств для получения пара или нагрева воды под давлением. Основными элементами котла являются топка и теплообменные поверхности. Взаимное расположение топки и газоходов, в которых размещаются теплообменные поверхности нагрева, т.е. компоновка котла, определяется свойствами сжигаемого топлива, паропроизводительностью и выходными параметрами пара.

Различают П-, Т- и N-образные и башенную компоновки котла (рис.6.1). При сжигании мазута, природного газа, как правило, используется П-образная компоновка (рис.6.1, а ), при которой котел имеет два вертикальных газохода (топочную камеру и конвективную шахту) и соединяющий их горизонтальный газоход. При сжигании твердых топлив она применяется в котлах паропроизводительностью D до 1000-1600 т/ч.

Т-образная компоновка (рис.6.1, в ), способствующая уменьшению глубины конвективной шахты и высоты соединительного газохода, применяется для мощных котлов (D  1000 т/ч), работающих на твердых топливах. Для углей с высокоабразивной золой Т-образная компоновка применяется для котлов, начиная с D  500 т/ч.

N-образная компоновка котла (рис.6.1, б ) используется при сжигании топлив с высоким содержанием в золе оксида кальция и щелочей. Котел выполняется трех- или четырехходовым, с подъемной или инвертной топкой и ширмами в промежуточных газоходах.

Для мощных котлов при сжигании газа и мазута или твердого топлива (в том числе бурых углей с большим содержанием высокоабразивной золы) может быть использована башенная компоновка котла (рис.6.1, г ) в сочетании с открытой и полуоткрытой компоновками котельной установки.

Для нормального функционирования котла необходимо обеспечить подготовку и подачу к нему топлива, подачу окислителя для горения, а также удалить образующиеся продукты сгорания, золу и шлак (при сжигании твердого топлива) и др.

ТОПЛИВО
в широком смысле - любой горючий материал, который, вступая в реакцию с кислородом, выделяет теплоту. На практике топливом считают только те вещества, которые воспламеняются при умеренной температуре, имеют высокую теплотворную способность и могут быть получены в достаточном количестве доступными средствами. Химическая реакция между горючими элементами (чаще всего это углерод и водород) и кислородом называется горением. В результате этого процесса из реагирующих компонентов образуются продукты реакции (обычно двуокись углерода и пары воды) и выделяется теплота. Участвующие в химической реакции атомы не изменяются, а только перестраиваются в результате распада одних молекул и образования других. Например, атом углерода в молекуле двуокиси углерода, являющейся продуктом химической реакции, точно такой же, каким он был до реакции в молекуле топлива. С другой стороны, в случае ядерного топлива, такого, как уран-235, в результате ядерной реакции деления образуются нейтроны, излучения элементарных частиц и выделяется теплота, а горение отсутствует. При этом исходный химический элемент превращается (распадается) в другие, более легкие элементы, такие, как криптон и барий. В случае ядерной реакции синтеза (слияния ядер) образуются более тяжелые элементы. Например, из водорода образуется гелий. См. также ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ ; ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ . Наиболее важными горючими материалами являются соединения углерода, водорода и кислорода, к которым относятся природные топлива, такие, как торф, лигниты, каменный уголь, природный газ и нефть, а также их твердые, жидкие и газообразные продукты. В лесной и сельской местности в качестве топлива нередко используют древесину и углеродсодержащие отходы сельскохозяйственной продукции. Некоторые из природных топлив органического происхождения содержат другие химические элементы, такие, как азот, железо, алюминий, кальций, магний, хлор, сера, натрий и калий, однако эти добавки не оказывают полезного влияния на ценность топлива. Любое топливо является таковым только благодаря тому, что содержит водород и углерод.
ПРИРОДНЫЕ ТОПЛИВА ОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
К природным топливам органического происхождения относятся торф, лигниты, каменные и антрацитные угли, нефть и природный газ. Эти материалы часто называют ископаемыми топливами, так как они являются конечными продуктами физико-химических превращений окаменевших остатков растений. Сравнение составов различных топлив показывает, что относительное содержание углерода по сравнению с содержанием водорода уменьшается при переходе от твердых топлив к жидким и далее к газообразным. Все эти топлива можно получать друг из друга, изменяя соотношение между содержанием углерода и водорода. Все они являются ценным сырьем для производства различных химических продуктов, горючего для двигателей и масел для смазки, а также служат источниками тепла и электрической энергии.
Природный газ. Природный газ является смесью углеводородов, состоящей главным образом из представителей метанового ряда и содержащей небольшие добавки других газов, таких, как азот, двуокись углерода, сероводород и иногда гелий. Обычно основным в природном газе является метан, однако иногда имеются значительные примеси этана и, в меньшей степени, более тяжелых углеводородов. В природе встречаются газы, почти целиком состоящие из двуокиси углерода, однако такие газы не обладают свойством горючести. Различают два типа природных горючих газов - сухие и влажные. Сухие газы состоят в основном из метана и иногда содержат также этан и пропан, однако они не содержат более тяжелых углеводородов, которые могут конденсироваться при сжатии. Влажные горючие газы содержат различные количества природного газолина, пропана и бутана, которые можно извлечь посредством сжатия или экстрагирования.
Продукты нефти. Нефть является природной смесью углеводородов, которая при обычном давлении находится в жидком состоянии, однако она содержит растворенные летучие углеводороды, которые высвобождаются и образуют скопления (шапки) в верхней (ближней к поверхности земли) части залежи. При переработке нефти получают лигроин, смазочные масла, мазут и нефтяной кокс.


Мазут. Мазут представляет собой смесь тяжелых жидких углеводородов, остающихся после перегонки нефти. Его состав зависит от состава сырой нефти и технологии ее перегонки. Наряду с каменным углем и природным газом мазут используется в качестве топлива как в коммунальном хозяйстве, так и в промышленности, и вытеснил каменный уголь как топливо для морских и речных судов.
Нефтяной кокс. Твердая компонента, остающаяся после перегонки нефти, называется нефтяным коксом. Эта твердая масса обычно содержит от 5 до 20% летучих веществ, от 80 до 90% связанного углерода, около 1% золы и немного серы. Хотя нефтяной кокс находит применение в ряде отраслей промышленного производства (например, как сырье для изготовления угольных электродов и пигментов для красителей), он представляет большую ценность как источник тепла (имеет высокую теплотворную способность) и используется в больших количествах как асфальтовый гудрон.
Газоконденсаты. Эти продукты состоят в основном из пропана и бутана, которые извлекаются из природного газа в отстойниках. Их получают также на нефтеперерабатывающих заводах, где они называются сжиженными очистными газами. Газы любого происхождения, обладающие высокой летучей способностью, легко преобразовать в жидкое состояние, повышая давление. Затем эти конденсаты можно транспортировать через трубопроводы и в железнодорожных и автоцистернах. Их можно хранить под землей в искусственных или естественных резервуарах или на поверхности земли в специальных резервуарах. См. также НЕФТЬ И ГАЗ.
Торф. Торф является продуктом отмирания и неполного распада остатков болотных растений под воздействием грибков и бактерий в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа воздуха. Залежи торфа распространены по всему миру, и торф используют в качестве топлива там, где отсутствуют другие, более эффективные виды топлива (с более высокой теплотворной способностью).
Каменный уголь. Каменный уголь представляет собой смесь углеродсодержащей массы, воды и некоторых минералов. Он образуется из торфа в результате длительного воздействия бактериологических и биохимических процессов. В превращении торфа в различные виды каменного угля большую роль играют температура и давление. Действие проточных вод приводит к появлению в пластах каменного угля большего или меньшего количества инородных минералов, которые перемешиваются с углеродсодержащей массой. Эта масса защищена от воздействия воздуха накрывающим ее пластом породы.


Существуют два способа разработки месторождений каменного угля. При разработке открытым способом пласт каменного угля очищается от слоя настилающей породы с помощью экскаваторов, которые используются затем для погрузки угля на транспортные средства. При разработке каменного угля подземным способом сооружается вертикальная шахта или горизонтальная выработка (штольня) в склоне горы, ведущие к пласту каменного угля. При этом каменный уголь извлекается из пласта посредством взрывной отбойки или с помощью механических рыхлителей и затем перегружается в вагонетки или на транспортеры. См. также УГОЛЬ ИСКОПАЕМЫЙ.
СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЖИДКИЕ ТОПЛИВА
Каждый вид ископаемого топлива органического происхождения, а именно каменный уголь, нефть или природный газ, может быть преобразован в другой посредством изменения относительного содержания углерода и водорода. Существуют два классических способа превращения каменного угля в жидкое топливо, разработанные в Германии. В процессе Бергиуса к каменному углю подводится газообразный водород, и при высоком давлении в присутствии катализатора происходит процесс гидрогенизации. В процессе Фишера - Тропша жидкое топливо получают с помощью каталитической реакции, в которой участвуют моноксид углерода и водород (синтезирующий газ), получаемые при первичной газификации нагретого до высокой температуры каменного угля под воздействием кислорода и водяного пара.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ
Первоначально газификация каменного угля использовалась для получения светильного газа. В настоящее время газификация всех видов природных топлив применяется не только для удовлетворения нужд коммунальной и промышленной теплоэнергетики, но и для получения ценного сырья, используемого при синтезе ряда химических продуктов. Факторами, определяющими выбор сырья, подлежащего газификации, являются его доступность и стоимость процесса газификации. Используя в качестве источника углерода кокс, производимый из каменного угля, получают синтетический газ в виде смеси моноксида углерода с водородом, образующейся при реакции двуокиси углерода и водяного пара с углеродом раскаленного добела кокса. Можно производить генераторный газ из каменного угля в непрерывном процессе газификации, используя кислород и водяной пар. Синтетический газ можно производить также из природного газа, используя химическую реакцию между метаном и водяным паром или метаном и строго дозированным количеством кислорода. Обе эти реакции требуют присутствия соответствующих катализаторов.
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ТОПЛИВА
Для самолетов, ракет и космических летательных аппаратов требуются специальные высокоэнергетические топлива. Существуют два основных типа двигателей для летательных аппаратов, используемых в авиации и космонавтике. Топливо для воздушно-реактивных двигателей, в которых в качестве окислителя используется кислород атмосферного воздуха, должно иметь высокую теплотворную способность (высокую удельную теплоту сгорания). Кроме того, такое топливо должно быть термически устойчивым. Для достижения наивысших технических показателей летательного аппарата такое топливо должно иметь также высокую плотность (чтобы в заданном ограниченном объеме можно было разместить большой запас топлива). Таким образом, в авиационной технике проблема состоит в нахождении топлива, которое характеризуется большой плотностью и высокой удельной теплотой сгорания. Для большей части топлив удельная теплота сгорания тем меньше, чем выше плотность. В настоящее время большинство реактивных двигателей работает на керосине или на бензине в качестве топлива. Однако ведутся исследования смесей специальных углеводородных соединений, которые обладали бы более высокой плотностью. Значительное внимание уделяется также поиску других видов топлив. Второй класс двигателей, а именно ракетные двигатели, применяется на летательных аппаратах, движущихся большей частью в космосе, где нет кислорода. Следовательно, такой летательный аппарат должен нести не только горючее, но и окислитель. Эффективность ракетного топлива зависит не только от его удельной теплоты сгорания, и для оценки эффективности такого топлива используют параметр, называемый удельным импульсом (или удельной тягой), который определяется как отношение тяги двигателя к расходу топлива. С точки зрения теории, наибольший удельный импульс (около 400 с) должны обеспечивать жидкий водород в качестве горючего и жидкий фтор в качестве окислителя. Ракетные двигатели бывают жидкостные (ЖРД) и твердотопливные (РДТТ). Для ЖРД типичными комбинациями горючее/окислитель являются: керосин/жидкий кислород, гидразин/четырехокись азота, аммиак/азотная кислота и жидкий водород/жидкий кислород. Жидкостные ракетные двигатели использовались на большинстве крупных ракетно-космических систем. Например, в первой ступени ракеты-носителя "Сатурн-5", которая служила для доставки американского космического корабля "Аполлон" на Луну, в качестве топлива использовались керосин и жидкий кислород, а на второй и третьей ступенях - жидкие водород и кислород. Твердое ракетное топливо содержит и горючее, и окислитель, соединенные вместе посредством связующего вещества, которое также может быть горючим. Твердые топлива уступают жидким по величине удельного импульса, однако находят широкое применение в боевых ракетах и неуправляемых реактивных снарядах вследствие низкой стоимости и удобства хранения таких топлив. Ракеты на твердом топливе имеют простую конструкцию, высокое начальное ускорение и отличаются высокой боеготовностью. Стратегические ракеты "Трайдент" и "Минитмен", а также множество более мелких ракет, используемых в системах вооружения летательных аппаратов, оборудованы двигателями на твердом топливе.
См. также
РАКЕТА ;
РАКЕТНОЕ ОРУЖИЕ ;
КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ .
ЯДЕРНЫЕ ТОПЛИВА
В современных энергетических установках, основанных на принципе ядерного деления, в качестве топлива используется уран. Уран добывается из земных недр, где его доля составляет приблизительно 4Ч10-6. Урановая руда перерабатывается и обогащается; в топливе для атомного реактора концентрация изотопа урана с массовым числом 235 должна составлять 2-4%. Отработанное ядерное топливо можно переработать и снова получить некоторые расщепляемые материалы. Кроме того, на основе концепции реактора-размножителя (бридера) можно намного более эффективно использовать природный уран, преобразуя нерасщепляемый изотоп урана с массовым числом 238 в расщепляемый плутоний-239. В этом процессе и торий, присутствующий в природном ядерном топливе, также можно преобразовать в расщепляемый изотоп урана. В природе уран-235 встречается в незначительных количествах, так что нужды в ядерном топливе будут, по-видимому, удовлетворяться с помощью бридерных реакторов. В противоположность урану, мировые запасы дейтерия (изотопа водорода с массовым числом, равным двум), который можно было бы использовать для получения энергии с помощью ядерного синтеза, фактически неограниченны. В одном кубическом метре морской воды содержится количество дейтерия, которого хватило бы для производства в управляемой термоядерной реакции такого количества энергии, которое выделяется при сжигании 200 т нефти. Другое топливо для реакции ядерного синтеза - тритий - менее распространено в природе, но и оно могло бы заменить в энергетическом эквиваленте все мировые запасы топлив органического происхождения.
БУДУЩИЕ ПОТРЕБНОСТИ И ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
В середине 20 в. люди начали понимать, что быстрое развитие промышленного производства и сопровождающий его быстрый рост спроса на энергию приведут в обозримом будущем к исчерпанию мировых запасов природных органических топлив. Во многих странах мира вследствие этого начали ускоренно осуществлять программы развития атомной энергетики для получения электрической энергии с помощью атомных реакторов. Истощение запасов органических топлив, рост спроса на электроэнергию и загрязнение окружающей среды, сопровождающее сжигание таких топлив, позволяют ожидать, что с течением времени вклад атомной энергетики будет возрастать. Однако и атомные электростанции могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду. Мировая общественность встревожена авариями на атомных электростанциях и проблемой захоронения радиоактивных отходов. Следовательно, основным источником энергии, призванным заменить современные атомные электростанции, использующие цепную ядерную реакцию (реакцию ядерного деления), должны стать электростанции, использующие управляемую реакцию термоядерного синтеза. В настоящее время ведутся исследования возможностей более широкого использования других природных источников энергии, которые в той или иной степени зависят от энергии солнечного света. Например, в некоторых районах мира для обогрева жилых и промышленных зданий используют солнечные батареи. Разрабатываются топливо- и энергосберегающие технологии. В различной степени продвинуты исследования возможностей практического использования энергии ветра, морских волн и приливов, геотермальных энергетических источников и энергии биомассы.
См. также ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ .
ЛИТЕРАТУРА
Энергетическое топливо СССР. М., 1968 Равич М.Б. Топливо. М., 1972 Антропов П.Я. Топливно-энергетический потенциал Земли. М., 1974 Моторные, реактивные и котельные топлива. М., 1983 Немчиков В.П. Качество, эффективность, цена топлива. М., 1983

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .