§ XIV.4. СОСТАВ И СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

Классификация топлива.

В настоящее время основным источником энергии на Земле является химическая энергия топлива. Топливо подразделяется по агрегатному состоянию на твердое, жидкое и газообразное, по способу получения — на естественное и искусственное. К твердому виду топлива относятся каменный и бурый угли, горючие сланцы, торф, а также дрова. К жидкому виду топлива относятся нефть и продукты переработки топлива: бензин, керосин, мазут, сланцевое масло и др. К газовому виду топлива относятся природный газ и газообразные продукты переработки жидкого и твердого топлива.

Теплота сгорания топлива.

Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплотой сгорания вещества называют тепловой эффект реакции окисления кислородом элементов, входящих в состав этого вещества до образования высших оксидов. Теплоту сгорания обычно относят к стандартному состоянию (давление 101 кПа), одному молю топлива и температуре 298,15 К и назначают стандартной теплотой сгорания.

Расчет теплоты сгорания, как и теплового эффекта любой реакции, можно легко произвести, если известны теплоты образования топлива и продуктов его полного окисления. Например, теплоту сгорания метана

можно подсчитать по уравнению

Подставляя теплоты образования продуктов горения и самого метана из табл. IV.1 и принимая , получаем

В энергетике термохимические свойства топлива обычно характеризуются его удельной теплотой сгорания, которая равна количеству теплоты, выделяющемуся при сгорании 1 кг жидкого

или твердого топлива и газообразного топлива до образования высших оксидов. Чем выше теплота сгорания топлива, тем больше ценность этого топлива. Удельная теплота сгорания топлива может быть рассчитана, если известны его теплота сгорания и молекулярная масса:

где — удельная теплота сгорания топлива, — теплота сгорания топлива, — молекулярная масса топлива,

Рассчитаем, например, удельную теплоту сгорания метана. Теплота его сгорания молекулярная масса метана 16, отсюда

Ввиду сложности состава природного топлива расчет удельной теплоты его сгорания затруднен, поэтому ее обычно определяют экспериментально.

Твердое топливо и продукты его переработки.

В твердом топливе можно условно выделить горючую и негорючую части. Горючая часть состоит в основном из пяти элементов: углерода, водорода, серы, кислорода и азота. К негорючей части топлива относят неорганические вещества, переходящие после сжигания топлива в золу и влагу. Влага снижает теплоту сгорания топлива, так как на ее испарение расходуется теплота. На нагревание золы также расходуется теплота.

Удельная теплота сгорания различных видов твердого топлива колеблется в широких пределах каменного угля 30—36, бурого угля 23—31, торфа 20—24, горючих сланцев 14—17.

Для извлечения ценных компонентов и придания более удобного для использования вида твердое топливо подвергают химической обработке. Используются в основном три способа обработки твердого топлива: пиролиз (сухая перегонка), частичное окисление (конверсия) и гидрогенизация. Пиролиз заключается в нагреве топлива при 500-600 °С или 900-1100 °С без доступа воздуха. При этом происходит разрыв некоторых химических связей и соответственно распад макромолекул, в результате чего образуются газообразные и жидкие продукты и твердый остаток (кокс или полукокс), состоящий в основном из углерода и золы. Из газообразных продуктов выделяют ценные для химической промышленности компоненты, например сероводород и аммиак. Оставшийся газ, называемый коксовым, состоящий в основном из метана и водорода, используют как восстановитель и топливо. Жидкие продукты (смолы) применяются в химической промышленности. Кокс и полукокс служат восстановителями в металлургии.

При продувании воздуха через раскаленный уголь получают воздушный (генераторный) газ, который в основном состоит из азота и оксида углерода. При взаимодействии воздуха и угля происходят сложные процессы. Основную реакцию можно пред ставить суммарным уравнением для 1 моль

Из-за наличия значительного количества азота удельная теплота сгорания воздушного газа невелика

При обработке раскаленного угля водяным паром (пароводяной конверсии) образуется водяной газ, состоящий главным образом из водорода и оксида углерода:

Так как оба компонента водяного газа являются горючими, то его теплота сгорания достаточно высока — до Как видно, при образовании воздушного газа выделяется теплота, а при образовании водяного газа она поглощается. При одновременной обработке угля воздухом и водяным паром получают смешанный (городской) газ, при этом процесс можно провести без подвода теплоты. Из газообразных продуктов частичного окисления угля можно получить жидкое топливо по одной из следующих каталитических реакций:

При гидрогенизации измельченное твердое топливо реагирует с водородом в присутствии катализаторов при температуре около 500 °С и высоком давлении. В результате реакции образуются жидкие и газообразные продукты: бензин, минеральные масла, метан и др.

Таким образом, при химической обработке твердого топлива получают ценные газообразные продукты. Такую газификацию топлива можно провести и под землей, на месте залегания угля. Идея о подземной газификации угля, высказанная еще Д. И. Менделеевым, пока не нашла практической реализации из-за экономических и других причин. Однако можно полагать, что по мере развития науки и техники это в принципе весьма перспективное направление извлечения полезных ископаемых найдет практическое применение.

Жидкое топливо.

Естественным жидким топливом является нефть. Она состоит в основном из смеси различных углеводородов. В состав ее входят также другие органические соединения. Основные элементы нефти: углерод и водород а

также кислород, азот и сера. Нефть обычно содержит небольшие количества влаги и неорганических примесей. Теплота сгорания нефти достаточно высокая и составляет Нефть обычно подвергают обработке — перегонке или крекингу, а также очищают от серы. При перегонке нефть разделяют на фракции: бензин, керосин, газойль (дизельная фракция) и мазут. После отгонки на вакуумных установках остается густое черное вещество, называемое нефтяным гудроном. Для увеличения выхода низкокипящих фракций расщепляют (крекинг) углеводороды нефти и продукты ее перегонки. Этот процесс проводят при высокой температуре (выше 400 °С) без катализаторов или с применением катализаторов, например хлорида алюминия или алюмосиликатов. Эффективность процесса с применением катализаторов значительно выше.

Газовое топливо.

Природное газовое топливо состоит в основном из метана (до 96-98 %). Кроме того, в него входят этан, пропан, бутан, азот, диоксид углерода и другие газы. Природный газ некоторых месторождений содержит в небольших количествах сероводород и пары воды. Удельная теплота сгорания природного газа

Применение топлива.

Практически нет ни одной отрасли народного хозяйства, в которой бы ни использовалось топливо. Наибольшее количество топлива расходуется электростанциями, транспортом, промышленными печами и аппаратами. На тепловых электростанциях используется твердое (уголь, сланцы и др.), жидкое и газовое топливо. Основным видом жидкого топлива, применяемого на электростанциях и в промышленности, является мазут. На новых тепловых электростанциях в нашей стране нефтепродукты в качестве топлива практически уже не используются. Коэффициент использования топлива в промышленных печах и аппаратах, как правило, невелик. Поэтому важнейшей задачей, стоящей перед инженерами, является снижение расхода топлива путем создания новых технологических процессов, новых аппаратов и печей, устранения потерь топлива. Примером экономичных аппаратов могут служить каталитические генераторы теплоты, разработанные в под руководством академика Г. К. Борескова. Процесс сжигания топлива происходит в присутствии катализаторов по схеме

где — оксидный катализатор. Катализатор в результате реакции превращается в восстановленную форму К, окисляемую затем кислородом в исходное состояние Применение каталитических генераторов теплоты для сушки угля, зерна и различных продуктов приводит к значительной экономии топлива. Кроме того, в каталитических генераторах теплоты резко снижается выброс таких вредных газов, как оксиды углерода и азота.

В двигателях внутреннего сгорания автотранспорта, локомотивов, самолетов и кораблей используется бензин и некоторые более тяжелые фракции (соляровое масло). Энергия горения топлива в двигателях внутреннего сгорания превращается в механическую энергию. Мощность двигателя возрастает с увеличением степени сжатия топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя. Однако при высоких степенях сжатия происходит детонация, т. е. горение принимает взрывной характер. Это отрицательно сказывается на работе двигателя. Верхний допустимый предел сжатия зависит от октанового числа топлива, которое характеризует его антидетонационную стойкость. Наличие в топливе ароматических углеводородов или предельных углеводородов разветвленного строения, имеющих большое число коротких боковых цепей, снижает детонационную способность топливновоздушной смеси. Предложена условная шкала октановых чисел, в которой за 100 принимается октановое число изооктана смесь которого с воздухом детонирует при высоких степенях сжатия, за нуль принимается октановое число -гептана

смесь которого с воздухом легко детонирует. Смешением изооктана и -гептана можно получить жидкости с любым октановым числом, которые могут быть эталонами для определения октанового числа топлива. Детонацию можно предотвратить введением в топливо антидетонаторов, способствующих обрыву цепей в цепных реакциях горения. В качестве антидетонаторов обычно используется тетраэтилсвинец Однако свинец и его соединения токсичны, поэтому ведется изыскание новых антиде-тонационных добавок, в качестве которых предложены карбонилы марганца

Специальные виды топлива применяются для реактивных двигателей. В таких двигателях химическая энергия топлива превращается в механическую энергию. В воздушно-реактивных двигателях самолетов горючим служит керосин, а окислителем — кислород воздуха. В ракетных двигателях кроме керосина горючим служат спирты, амины, гидразин и диметилгидразин, водород, аммиак, а также твердые бор, алюминий, литий и др. В качестве окислителей используются жидкие кислород и фтор, азотная кислота, пероксид водорода, перхлораты аммония и калия и др.