Различные виды топлива и их характеристики.

На протяжении всей истории развития человечества, люди постоянно были связаны с получением и использованием в своих целях различных видов энергии. Люди пользовались тепловой энергией в целях обогрева жилища, приготовления пищи, изготовления различных видов предметов быта и орудий труда.

С самого начала люди использовали нефть и уголь, которые при сжигании дают приличное количество тепла. На данный момент само понятие «топливо» подразумевает те вещества, которые при сжигании выделяют тепло в больших размерах. Данные вещества добываются промышленным способом и в зависимости от вида распространены на поверхности и в глубине Земли.

На данный момент самыми распространенными видами топлива являются нефть, нефтепродукты, уголь, природный газ, древесина, растительные виды топлива или отхода, торфяные соединения, горючие сланцы. Самыми сложными в использовании, но с другой стороны тепловыделяющими веществами являются вещества, которые используются на атомных электростанциях в ядерных реакторах, а также в ракетных и космических двигателях.

Вообще, все виды топлива можно классифицировать, например, по агрегатному состоянию. Т.е. получается существует твердое топливо (древесина, горючие сланцы, торф и уголь), жидкое топливо (нефть, нефтепродукты) и газообразное топливо (природный газ, водород). Возможно разделять топливо еще и по происхождению - растительное, минеральное и продукты промышленной деятельности, в частности, переработки.

Практически во всех видах топлива есть такой элемент как углерод, он может содержаться в количестве от 30-85% от общей массы вещества. В химический состав топлива могут входить также такие вещества, как водород, кислород, азот, сера, зола и вода.

Все виды топлива не могут быть одинаково эффективны и полезны. В основном это различие заключается в количестве тепла, которое выделяется при его полном сжигании. К примеру, при сжигании древесины выделяется 10,5 МДж, бензина - 45 МДж, а вот каменного угля - 20 МДж. Величина тепла, которое выделяется при полном сжигании топлива, прямо пропорционально зависит от того, сколько содержится в топливе углерода и водорода, и обратно пропорционально зависит от содержания азота и кислорода.

Также топливо можно разделить по жаропроизводительности, так, например, при сжигании бензина выделяется 2100 градусов Цельсия, при сжигании каменного угля - 2030 градусов Цельсия, а при сжигании древесина - 1600 градусов.

На сегодняшний день самым распространенным видов топлива является нефть, а до 70-х годов таким видом топлива являлся уголь. Нефть на данный момент является самым энергоэффективным топливом, и скорее всего топливо природного происхождения уже навсегда останется самым ходовым видом топлива.

Практически весь объем топлива, который сейчас добывается сжигается полностью. Только 10% из этого объема остается на переработку химической промышленностью (газ и нефть). Сейчас почти 80-90% топлива расходуется на нужды тепловых электростанций, атомных электростанций, в тепловых двигателях и на тепловые нужды. Эти нужды могут обеспечиваться потребностью в отоплении производственных помещений, жилых домов и крупных промышленных предприятий.

Крайняя медленная воспламеняемость до сих пор является основным недостатком природных видов топлива.

Посредством того, что потребности в энергетических ресурсах у человека с каждым днем растут и потребление топлива все время увеличивается, все ближе наступает день, когда энергетический кризис наступит, и это, к сожалению, неизбежно. Поэтому поиск новых видов топлива все больше заботит сегодняшних ученых и исследователей.

Благодаря научным разработкам и исследованиям, ученые сделали вывод, что не так сильно затронутыми и проработанными являются такие вещества, как вода, водород, газ и другие природные элементы. Поэтому сейчас нужно активно внедрять новые разработки в области применения энергоэффектиных продуктов и анализировать их распределение.

Россия является той страной, которая может похвастаться объемами энергетических ресурсов, уровнем их добычи и применения, поэтому на сегодняшний момент наша страна является одним из главных экспортеров энергоэффективного топлива по всему миру.

Состав топлива. Условное топливо.

Все существующие виды топлива разделяются на твёрдые, жидкие, газообразные. Для нагрева используются также тепловое действие электрического тока и пылевидное топливо. Некоторые группы топлива, в свою очередь, делятся на две подгруппы, из которых одна представляет собой топливо в том виде, в каком оно добывается, и это естественное топливо; другая подгруппа – топливо, которое получается путём переработки естественного топлива, и оно называется искусственным.

Твёрдое топливо:

А). естественное – дрова, каменный уголь, антрацит, торф.

Б). искусственное – древесный уголь, кокс и пылевидное, которое получается из измельчённых частей.

Жидкое топливо:

А). естественное – нефть.

Б). искусственное – бензин, керосин, мазут, смола.

Газообразное топливо:

А). естественное – природный газ.

Б). искусственное – генераторный газ, получаемый при газификации различных видов топлива (торфа, дров, каменного угля и другого), коксовальный и другие газы.

Все виды топлива состоят из одних и тех же элементов. Разница между видами топлива заключается в том, что эти элементы содержатся в топливе в различных количествах. Элементы делятся на две группы. К первой группе относятся те элементы, которые горят сами или поддерживают горение. К таким относятся углерод, водород, кислород. Ко второй группе принадлежат те, которые сами не горят и не способствуют горение; к ним относятся азот и вода. Особо от названных элементов стоит сера. Она является горючим веществом и при горении выделяет тепло, но её присутствие в топливе нежелательно, так как при горении серы выделяется сернистый газ, который переходит в нагреваемый металл и ухудшает его механические свойства.

Количество тепла, выделяемое топливом при сгорании, измеряется калориями. Каждое топливо при горении выделяет неодинаковое количество тепла. Количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1кг твёрдого или жидкого топлива или при сгорании 1м³ газообразного, называется теплотворной способностью. Теплотворная способность имеет широкие пределы. Например, для мазута теплотворная способность составляет около 10000 ккал/кг, для качественного каменного угля – 7000 ккал/кг. Чем выше теплотворная способность топлива, тем оно ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. Для сравнения тепловой ценности топлива применяется общая единица измерения. В качестве такой единицы принято топливо, имеющее теплотворную способность 7000ккал/кг (29,31 МДж/кг). Эта единица называется условным топливом. В некоторых странах применяется другие единицы. Например, во Франции это топливо, имеющее либо низшую теплоту сгорания 27,3МДж/кг (6500 ккал/кг), либо высшую 28,3 МДж/кг (6750 ккал/кг).

Твердое топливо.

1. Дрова обладают сравнительно небольшой теплопроизводительностью (удельная теплота сгорания 10,2МДж/кг), повышенной влажностью и лёгким весом. Перевозить их на большое расстояние невыгодно, поэтому дрова являются преимущественно местным топливом.

Дрова удобны тем, что они содержат мало золы (1-2%), легко загораются и дают длинное пламя. Это делает их одним из самых подходящих видов топлива для обжига кирпича во всех периодических, в частности в напольных, печах, в которых длинное пламя способствует более равномерному обжигу по высоте камеры.

Влажность свежесрубленных дров, равная примерно 45-46%, зависит от породы дерева, его возраста и времени рубки. Чем моложе дерево, тем больше оно содержит влаги. Зимой и осенью деревья содержат меньше влаги, чем весной и летом, поэтому лес нужно рубить в это время.

Плотные тяжёлые породы дров горят медленнее, выделяя большое количество тепла и развивая в топках более высокую температуру. Лёгкие же породы дров сгорают быстро и дают более длинное пламя, поэтому они более пригодны для равномерного обжига.

Дрова – единственный источник энергии, который полностью поглощает собственные газообразные продукты горения и не приводит к возникновению парникового эффекта.

2. Торф – это ценный природный биологический материал. Это самое молодое из всех видов топлива отложение, которое образовалось естественным образом: разложением отмерших частей деревьев, кустарников, трав. Это происходит при повышенной влажности и ограниченном доступе кислорода.

Торф как биотопливо применяется чаще всего в сельском хозяйстве, животноводстве, медицине, биохимии и энергетике. Благодаря современным технологиям развития производства стали получать высокопродуктивные почвы, как для выращивания продуктов питания, так и для удобрений, изоляционных и упаковочных материалов, углеродного восстановителя металла и др.

Торф в качестве топлива используется благодаря его составу. Сюда входят большое содержание углерода (50-60%), малое содержание серы, вредные негорючие остатки и примеси. По сути, торф и есть молодой уголь.

Но также у торфа есть и недостатки. Это более низкая, чем у угля энергетическая калорийность и трудности сжигания из-за высокого содержания влаги (до 65%). Зато преимущества торфа это не что иное как экологическая чистота сгорания и низкая себестоимость производства.

Торф содержит:

Растительные волокна, улучшающие водно-воздушное состояние почвы;

Гуминовые кислоты, активирующие рост растений;

Микроэлементы – азот, калий, фосфор, кальций, железо, магний.

Важнейшей характеристикой является зольность, определяемая при его сжигании и показывающая процент содержания минеральных компонентов. Чем выше их содержание, тем плодороднее торф. Зольность может варьироваться от 1% в верховом торфе и до 50% - в низинном.

По происхождению торф бывает:

Низинный и переходной. Они состоят из перепревших остатков древесной травянистой растительности. Характеризуются высокой зольностью, малой теплотворной способностью, средне и слабокислой реакцией среды, высоким содержанием питательных веществ, богатством микроэлементов;

Верховой. Состоит из остатков сфагновых мхов, пушицы, багульников. Характеризуется низкой зольностью, высокой теплотворной способностью, высокой влагоёмкостью (от 600 до 1200%), повышенной кислотностью, низкой степенью разложения.

Теплота сгорания торфа 24 МДж/кг.

3. Каменный уголь имеет лучшие теплоэнергетические характеристики, поэтому является фаворитом потребительского спроса. Каменный уголь содержит: углерода 75-95%, водорода 1,5-5,7%, кислорода 1,5-15%, азота до1,5%, серы 0,5-4%, золы 3-4,5%, влаги до 12%, а также до 32% летучих веществ. Теплотворная способность достигает 7000 ккал/кг, а 1кг каменного угля позволяет получить 6,67 кВт/час тепловой энергии.

Каменный уголь относится к наименее экологичным видам топлива, так как при его сжигании в атмосферу выбрасывается большое количество вредных выбросов.

Применение угля очень разнообразно и широко. Его используют для выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, а также сжигают и для других энергетических целей; из него получают кокс для металлургического производства, а при химической переработке делают ещё около 300 различных продуктов промышленности.

Теплота сгорания 29,3 МДж/кг.

4. Антрацит – это самый древний ископаемый уголь. По своим характеристикам и свойствам он более похож на каменный уголь. Их разница заключается в том, что в составе антрацита больше углерода (более 90%). То есть, это значит, что антрацит более горючее вещество, чем используемый обычно уголь.

Горит антрацит только при сильной тяге воздуха. Причём горит либо почти без пламени, либо вообще без пламени. А также без запаха и без дыма.

Антрацит твёрже каменного угля и имеет следующую характеристику: плотность 1500-1700 кг/м², теплота сгорания 33,8-35,2 МДж/кг, в составе в горючей массе 9% летучих веществ.

5. Древесный уголь – твёрдый, пористый, высокоуглеродистый продукт (84% углерода), образующийся при нагревании древесины без доступа (или при незначительном доступе) воздуха в печах и ретортах (иногда даже в кострах). В зависимости от вида древесины из 1м³ получают 140-180 кг угля, 280-400 кг жидких продуктов и около 80 кг горючих газов. Теплота сгорания 31 МДж/кг (7000-8100 ккал/кг). Плотность берёзового угля 380 кг/м³, менее плотные угли дают сосна (300 кг/м³) и ель (260 кг/м³). Большая пористость древесного угля обуславливает его высокие адсорбционные свойства. Древесный уголь обладает способностью при обычной температуре соединяться с кислородом воздуха; этим объясняются случаи его самовозгорания. При выгрузке из печей и реторт его влажность составляет 2-4%, при хранении она повышается до 7-15%. Зольность угля должна быть не более 3%, содержание летучих веществ – не более 20%. Особенность древесного угля – низкое содержание таких примесей, как фосфор и сера, что делает его необходимым для некоторых металлургических процессов.

6. Кокс – искусственное твёрдое топливо повышенной прочности; получается при нагревании до высоких температур без доступа воздуха природных топлив или продуктов их переработки. В зависимости от вида сырья различают каменноугольный, электродный пековый и нефтяной кокс. Основное количество кокса производится из каменного угля.

Каменноугольный кокс представляет собой удлинённые куски серого цвета.

Относительная плотность 1,8-1,95 г/м³, пористость в среднем около 50%. Насыпная масса кокса 400-500 кг/м³. теплота сгорания около 29МДж/кг (около 7000 ккал/кг), а его горючей массы около 33МДж/кг (около 8000 ккал/кг).

7. Пылевидное топливо . В настоящее время всё шире применяется для отопления нагревательных, в частности кузнечных печей, пылеугольное отопление. Его особенно выгодно применять на тех заводах, где нет газа, а имеется местное топливо (угли), которое нельзя газифицировать.

Уголь, сжигаемый в кузнечных печах в виде пыли, должен иметь золы не более 15-20%, летучих не менее 20%. Чем меньше уголь имеет золы, тем его пыль горит лучше. Важным фактором, который необходимо учитывать при использовании пылеугольного топлива, является температура плавления золы. Наилучший уголь тот, у которого зола тугоплавкая (выше 1300°С).

Чем больше летучих содержит уголь, тем лучше загорается пыль, приготовляемая из него; факел горения пыли получается короче. При содержании летучих менее 17% пыль сжигается неустойчиво, происходит затухание факела, печь работает с перебоями. Поэтому пыль из кокса и антрацита непригодна для нагревательных печей.

Жидкое топливо

Технологические свойства жидкого топлива, так же, как и природного газа, существенно лучше, чем твёрдого топлива: в нём отсутствуют зола и шлаки, не требуются специальные устройства для подготовки его к сжиганию, оно имеет высокую теплоту сгорания и позволяет получить высокую температуру в топке.

Жидкое топливо почти целиком состоит из углеводородов (96-98%), причём массовое содержание углевода составляет 80-90%, а водорода 8-14%. Также жидкое топливо часто содержит свободную и связанную серу 0,5-3%, небольшое количество связанного кислорода и азота, воду.

1. Нефть – это природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводорода и других органических соединений. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых.

Плотность нефти составляет 0,65-1,05 г/см³ и зависит от температуры и давления. Она содержит большое число разных органических веществ и поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно > 28°С, реже ≥ 100°С) и фракционным составом – выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а потом под вакуумом в определённых температурных пределах.

Удельная теплоёмкость 1,7-2,1 кДж/кг.

Удельная теплота сгорания 43,7-46,2 МДж/кг.

Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть – жидкие углеводороды (80-90%) и гетероатомные органические соединения (4-5%), преимущественно сернистые (≈ 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (≈ 85 веществ), а также металлоорганические соединения; остальные компоненты – растворённые углеводородные газы, вода, минеральные соли, растворы солей органических кислот и другие механические примеси (частицы песка, известняка).

Нефть уникальна своей комбинацией качеств: высокая плотность энергии, легко транспортировать, из неё легко получить массу продуктов (моторное топливо, растворитель, сырьё для химической промышленности и т.д.). Истощение ресурсов нефти, рост цен на неё и другие причины вызвали интенсивный поиск заменителей жидких топлив.

2. Бензин – горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30 до 200°С. Плотность ≈ 0,75 г/см³. Теплотворная способность ≈ 10500 ккал/кг. Температура замерзания ниже -60°С.

Бензин получают путём разгонки и отбора фракций нефти, выкипающих в определённых температурных пределах.

Пары бензина очень токсичны для человека, и их вдыхание может вызвать как острое, так и хроническое отравление.

3. Керосин – смеси углеводородов, выкипающие в интервале температур 150-250°С, прозрачная, слегка маслянистая на ощупь, горючая жидкость, получаемая путём прямой перегонки или ректификации нефти.

Плотность 0,78-0,85 г/см³ (при20°С), вязкость 1,2-4,5 мм²/с (при 20°С), температура вспышки 28-72°С; теплота сгорания около 43 МДж/кг.

Керосин применяют как реактивное топливо, горючий компонент жидкого ракетного топлива, горючее при обжиге стеклянных и фарфоровых изделий, для бытовых нагревательных и осветительных приборов, в аппаратах для резки металлов, как растворитель, сырьё для нефтеперерабатывающей промышленности. Допускается добавление до 20% керосина в летнее дизельное топливо для снижения температуры застывания, при этом не ухудшаются эксплуатационные характеристики.

4. Мазут – это жидкий продукт тёмно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов её вторичной переработки бензиновых, керосиновых или газойлевых фракций, выкипающих до 350-360°.

Мазут это смесь углеводородов, нефтяных смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V,Ni,Fe,Mg,Na,Ca). Физико-химические свойства зависят от химического состава исходной нефти и характеризуются следующими данными:

Вязкость 8-80 мм²/с (при 100°С);

Плотность 0,89-1 г/см³ (при 20°С);

Температура застывания 10-40°С;

Низшая теплота сгорания 39,4-40,7 МДж/моль.

Мазуты применяются в качестве топлива для паровых котлов, котельных установок и промышленных печей, для производства флотского мазута, тяжёлого моторного топлива для крейцкопфных дизелей и бункерного топлива.

Выход мазута составляет около 50% по массе в расчёте на исходную нефть.

Газообразное топливо

По сравнению с другими видами газообразное топливо обладает следующими преимуществами:

Сгорает в теоретическом количестве воздуха, что обеспечивает высокие тепловые кпд и температуру кипения;

При сгорании не образует нежелательных продуктов сухой перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;

Сравнительно легко подводится по газопроводам к удалённым объектам потребления и может храниться централизованно;

Легко зажигается при любой температуре окружающего воздуха;

Требует значительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими более дешёвым видом топлива;

Может быть использовано в сжатом и сжиженном виде для двигателей внутреннего сгорания;

При сгорании не образует конденсата, что обеспечивает значительное уменьшение износа деталей двигателей и др.;

Вместе с тем газообразное топливо имеет также определённые отрицательные свойства, к которым относятся: отравляющее действие, образование взрывчатых смесей при смешении с воздухом, лёгкое протекание через неплотности соединений и др. Поэтому при работе с газообразным топливом требуется тщательное соблюдение соответствующих правил техники безопасности.

1. Природный газ – смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ (метановое брожение).

Природный газ относится к полезным ископаемым. В пластовых условиях (условиях залегания в зелёных недрах) он находится в газообразном состоянии – в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. Также он может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Основную часть природного газа составляет метан – от 92 до 98%. В состав могут также входить более тяжёлые углеводороды: этан – до 6%, пропан – до 1,5%, бутан – до 1%; а также другие неуглеводные вещества: водород, сероводород, диоксид углерода, азот, гелий.

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах – одорантов. Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.

Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают, охлаждая при повышенном давлении.

Ориентировочные физические характеристики:

Плотность - от 0,68 до 0,85 кг/м³ относительного воздуха (сухой, газообразный), от 400 кг/м³ (жидкий);

Температура самовозгорания 650°С;

Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом – от 5 до 15% объёмных;

Удельная теплота сгорания 28-46 МДж/м³;

Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания 120-130;

Легче воздуха в 1,8 раз, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

2. Генераторный газ – газовая смесь, содержащая окись углерода (СО) и молекулярный водород (Н₂).

Получают его путём пропускания воздуха над раскалённым каменным углём или коксом в специальных печах – газогенераторах. Выход из кокса 4,65 м³/кг. Далее окись углерода смешивается с водяным паром и получается водородная составляющая генераторного газа СО+Н₂О= =Н₂+СО₂.

Теплотворная способность составляет 800-1000 ккал/м³, причём замена воздуха на кислород при его получении ведёт к значительному увеличению доли монооксида углерода и, соответственно, к увеличению теплотворной способности.

Генераторный газ применяется как топливо в металлургической, стекольной, керамической промышленности, для двигателей внутреннего сгорания.

3. Коксовый газ – горючий газ, образующийся в процессе коксования каменного угля, то есть при нагревании его без доступа воздуха до 900-1100°С. Содержит множество ценных веществ. Кроме водорода, метана, оксидов углерода в его состав входят пары каменно - угольной смолы, бензол, аммиак, сероводород и др.

Сырой коксовый газ последовательно очищают от аммиака и сероводорода, промывают поглотительным маслом, серной кислоты. Очищенный газ (14-15% от массы угля) используют в качестве топлива для обогрева батареи коксовых печей и для других целей.

Типичные показатели:

Водород 50%, метан 35%, окись углерода 10%, этилен 5%;

Количество лету3чих продуктов до 25% от массы угля;

Теплота сгорания 10000-20000 кДж/м³.

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27

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.

ВИДЫ ТОПЛИВА. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВА

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.).

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).

ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЖИДКОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

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

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

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 .