16 Топливо. Виды топлива. Области применения

Топливо — это горючие вещества, выделяющие при сжигании значительное коли­чество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в другие виды энергии. Существует достаточно много горючих веществ, однако к топливу относятся только те, которые достаточно широко распространены в природе, добыча и использование которых не связаны с чрезмерными затратами, а про­дукты сгорания не наносят существенного вреда окружающей среде.

Рассмотрим более подробно топлива, которые наиболее широко применяются в на­стоящее время.

Твёрдое естественное топливо - это древесина, торф, ископаемый уголь, горючие сланцы.

Древесина как дрова представляет собой старейший вид топлива. Сейчас древесина многолетних растений является ценным сырьём для ряда отраслей. Дрова являются, как правило, отходами. Однако лесозаготовки ведутся и целевым назначением для получения дров.

По содержанию влаги дрова делятся на воздушно-сухие - с содержанием влаги 20­-25 %, полусухие - с содержанием влаги 25 - 50 % и сырые - с содержанием влаги более 50 %.

Теплотворная способность зависит от качества и состояния древесины.

Торф обычно используют как местное топливо. Перевозка его на дальние расстоя­ния осложнена тем, что торф гигроскопичен и легко крошится. Торф используют для отопления промышленных печей, либо после предварительной его газификации в газоге­нераторах, либо путём непосредственного сжигания в печных топках. Торф также ис­пользуется для получения различных химических продуктов (воска, парафинов, фенолов, антисептиков и др.), в сельском хозяйстве - как удобрение.

Уголь - это остатки растений, погибших многие миллионы лет назад, гниение ко­торых было прервано в результате прекращения доступа воздуха. Поэтому они не смогли отдать в атмосферу отобранный у нее углерод. Доступ воздуха прекращался особенно резко там, где болота и заболоченные леса опускались в результате тектонических подви­жек и изменения климатических условий и покрывались сверху другими веществами. Та­ким образом, уголь представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленно­му разложению под действием биологических и геологических процессов.

У антрацитов большинства сортов при горении происходит растрескивание, и кус­ки угля рассыпаются. Применяют термическую обработку антрацита в шахтных печах с ограниченным доступом воздуха в результате чего получается термоантрацит, применяе­мый в металлургической промышленности.

Горючие сланцы служат топливом и сырьем для получения минеральных масел, сланцевого дегтя (битума) и горючих газов. Из сырого сланцевого масла получают бен­зин, смолу, лак и другие продукты. Сланцевая зола и шлак применяются для на приготов­ления цемента, кирпича, облицовочных и кислотоупорных материалов.

Экономическое значение добычи горючих сланцев существенно, так как те районы, где они добываются, сравнительно бедны другими видами топлива.

Угольная, коксохимическая промышленность, отрасли тяжелой промышленности осуществляют переработку каменного угля методом коксования. Получаемое искусствен­ное топливо - кокс - относится к группе искусственного твердого топлива. Кокс содержит 2 — 4 % влаги, 7 — 13 % минеральных примесей, 0,2 — 0,6 % серы, остальное - углерод. Теплотворная способность кокса составляет7000 ккал/кг.

Основными коксохимическими продуктами являются наряду с коксом коксовый газ, продукты переработки сырого бензола, каменноугольной смолы, аммиака. Путем пе­реработки можно получить более 400 различных продуктов, стоимость которых, по срав­нению со стоимостью самого угля, возрастает в 20 - 25 раз, а побочные продукты, полу­чаемые на коксохимических заводах, превосходят по стоимости даже кокс. Очень пер­спективным является сжигание (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Из каменных углей получают искусственный графит. Используются они в качестве неор­ганического сырья. При переработке каменного угля из него в промышленных масштабах извлекают ванадий, германий, серу, галлий, молибден, цинк, свинец. Зола от сжигания уг­лей, отходы добычи и переработки используются в производстве стройматериалов, кера­мики, огнеупорного сырья, глинозема, абразивов.

К природным жидким топливам относят нефть. Нефть - это жидкая сложная смесь углеводородов (в основном) и органических кислородных, азотистых и сернистых соеди­нений темно-коричневого цвета (реже светлая), имеющая плотность 0,73 — 1,04 г/см³. Сорта нефти плотностью до 0,9 г/см³ называются легкими, с большей плотностью - тяже­лыми. Тепловая производительность нефти составляет 10 000—11 000 ккал/кг. По содер­жанию основного углеводородного компонента нефти подразделяются на три группы: ме­тановые (парафиновые), нафтеновые и ароматические. Кроме того, существуют смешан­ные (метанонафтеновые и др.) нефти. Нефть крайне редко используется в качестве топли­ва, поскольку её сжигание экономически нецелесообразно. Нефть имеет большое значение для народного хозяйства; она используется для производства ряда жидких топлив и явля­ется ценнейшим сырьем для получения множества продуктов, особенно химической про­мышленности.

Бензины предназначены для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры). В зависимости от назначения их подразделяют на автомобильные и авиационные. В последние годы экологические свойства то­плива выдвигаются на первый план.

По составу автомобильные бензины представляют собой смесь компонентов, полу­чаемых в результате различных технологических процессов переработки нефти: прямой перегонки нефти, каталитического риформинга, каталитического крекинга и гидрокрекин­га вакуумного газойля и других.

Основную массу автомобильных бензинов, применяемых в нашей стране, состав­ляют бензины марок А-76, АИ-91, АИ-93 и АИ-95. Цифры указывают октановые числа, которые являются условной количественной характеристикой устойчивости топлива к де­тонации

С целью ускорения перехода на производство неэтилированных бензинов взамен этиловой жидкости допускается использование марганцевого антидетонатора в концен­трации не более 5 мг Мп/дм³ для марки «Нормаль-80» и не более 18 мг Мп/дм³ для марки «Регуляр-91». В соответствии с европейскими требованиями по ограничению содержания бензола введен показатель «объемная доля бензола» - не более 5 %. Установлена норма по показателю «плотность» при 15 °С. Ужесточена норма на массовую долю серы - до 0,05 %. Для обеспечения нормальной эксплуатации автомобилей и рационального исполь­зования бензинов введено пять классов испаряемости для применения в различных клима­тических районах по ГОСТ 16350-80. Наряду с определением температуры перегонки бен­зина при заданном объеме предусмотрено определение объема испарившегося бензина при заданной температуре 70, 100 и 180 °С. Введен показатель «индекс испаряемости». В ГОСТ Р 51105-97 наряду с отечественными включены международные стандарты на ме­тоды испытаний (150, БЫ, А5ТМ).

Для достижения требуемого уровня детонационных свойств этилированных бензи­нов к ним добавляют этиловую жидкость (до 0,15 г свинца/дм3 бензина). К бензинам вто­ричных процессов, содержащим непредельные углеводороды, для их стабилизации и обеспечения требований по индукционному периоду разрешается добавлять антиокисли­тели Агидол-1 и Агидол-12. В целях обеспечения безопасности в обращении и маркиров­ки этилированные бензины должны быть окрашены. Бензин А-76 окрашивается в желтый цвет жирорастворимым желтым красителем К, бензин АИ-91 - в оранжево-красный цвет жирорастворимым темно-красным красителем Ж. Этилированные бензины, предназна­ченные для экспорта, не окрашиваются.

В последнее время ассортимент автобензинов значительно расширился за счет но­вых марок, выпускаемых по техническим условиям. Это обусловлено резким ростом про­изводства неэтилированного бензина и сокращением производства бензина этилированно­го. При этом тетраэтилсвинец заменяется различными нетрадиционными присадками и добавками, ранее выпускаемыми химической и микробиологической промышленностью в иных целях. К таким веществам относятся различные эфиры, спирты, металлоорганиче- ские соединения и т.д. Необходимость производства таких бензинов по техническим ус­ловиям диктуется тем, что все присадки и добавки могут вводиться в строго определен­ных концентрациях. Для контроля содержания этих компонентов предусматриваются спе­циальные показатели и вводятся дополнительные методики контроля.

Дизельное топливо предназначено для быстроходных дизельных и газотурбинных двигателей наземной и судовой техники. Условия смесеобразования и воспламенения то­плива в дизелях отличаются от таковых в карбюраторных двигателях. Преимуществом первых является возможность осуществления высокой степени сжатия (до 18 в быстро­ходных дизелях), вследствие чего удельный расход топлива в них на 25 - 30 % ниже, чем в карбюраторных двигателях. В то же время дизели отличаются большей сложностью в изготовлении, большими габаритами. По экономичности и надежности работы дизели ус­пешно конкурируют с карбюраторными двигателями.

Основные эксплуатационные показатели дизельного топлива следующие:

• цетановое число, которое характеризует способность дизельного топлива к вос­пламенению и определяющее высокие мощностные и экономические показатели работы двигателя;

• фракционный состав, определяющий полноту сгорания, дымность и токсичность отработавших газов двигателя;

• вязкость и плотность, обеспечивающие нормальную подачу топлива, распылива- ние в камере сгорания и работоспособность системы фильтрования;

• низкотемпературные свойства, определяющие функционирование системы пита­ния при отрицательных температурах окружающей среды и условия хранения топлива;

• степень чистоты, характеризующая надежность работы фильтров грубой и тон­кой очистки и цилиндропоршневой группы двигателя;

• температура вспышки, определяющая условия безопасности применения топлива в дизелях;

• наличие сернистых соединений, непредельных углеводородов и металлов, харак­теризующее нагарообразование, коррозию и износ.

Котельные топлива применяют в стационарных паровых котлах, в промышленных печах. Тяжелые моторные топлива используют в судовых энергетических установках. К котельным топливам относят топочные мазуты марок 40 и 100, вырабатываемые по ГОСТ 10585-99, к тяжелым моторным топливам - флотские мазуты Ф-5 и Ф-12 по ГОСТ 10585­99. В общем балансе перечисленных топлив основное место занимают мазуты нефтяного происхождения.

Печное бытовое топливо предназначено для сжигания в отопительных установках небольшой мощности, расположенных непосредственно в жилых помещениях, а также в теплогенераторах средней мощности, используемых в сельском хозяйстве для приготов­ления кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других целей.