1.8. виды топлива

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

В различных технологических процессах применяют природные (природный газ, уголь, торф, дрова и т.д) и искусственные (мазут, керосин, дизельное топливо, жидкий газ, продукты утилизации полимерных материалов и т.п.) теплоэнергетические ресурсы  (ТЭР).

         Минеральное топливо основной источник энергии в современном хозяйстве и важнейшее промышленное сырье. Переработка минерального топлива является базой формирования промышленных предприятий  по производству ТЭР, в т. ч. нефтехимических, газохимических, торфобрикетных и т. п.

         Топливо, в зависимости от его агрегатного состояния, подразделяют на следующие четыре группы:

твердое;

жидкое;

газообразное;

ядерное.

         1.8.1. Твердое топливо.

         К твердому виду топлива относят:

древесину и  другие продукты растительного происхождения;

уголь (с его разновидностями: каменный, антрацит, кокс, бурый);

торф;

горючие сланцы;

горючие продукты утилизации различных изделий.

Древесина. Мировой  объем  вывозки древесины составляет 3,4 млрд. кубических метров (0,7\% от всего древостоя), 50\% идет на топливо, наиболее качественная древесина идет на изготовление изделий для мебельной и строительной промышленности. Для топлива используют так называемые дрова и отходы деревообработки, которые перерабатывают в гранулы, прессуют в брикеты и пеллеты. В странах ЕС за 2009г изготовлено около 12 млн. т пеллет. В мире наблюдается непрерывный рост спроса на древесные гранулы. В ближайшие годы ожидается освоение процесса получения из древесины жидкого биотоплива. Древесина топливная  обеспечивает около 7\% потребности в ТЭР, причем в развивающихся странах за счет древесины закрывают около 15\% потребности в энергетических  ресурсах.

         В Республике Беларусь около 36\% территории занято лесом, но его большая часть не может быть отнесена к деловой древесины. Для повышения продуктивности наших лесов необходимо провести их  расчистку, при которой  топливную древесину необходимо  заготовить в виде гранул, прессованной щепы, брикетов и пеллет. В н. в. топливную щепу изготавливает 33 предприятия, которые способны произвести 511 тыс. т в год. К концу 2010г. семь предприятий будут изготавливать всего 20 тыс. т пеллет, что не соответствует спросу на внешнем и внутреннем рынке. В 2009г. было заготовлено  в Беларуси 5,6 млн. куб. м дров.  

         Ископаемые твердые топлива являются продуктом разложения органической массы растений. Самый молодой из них торф представляющий собой относительно плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Торф добывают на торфяниках, которые имеются в 180 странах мира и площадь которых составляет 4 млн. квад. км. Самое большое количество торфяников в России, Канаде и Индонезии, в Финляндии они занимают 75\% площади страны.  В Беларуси добывают ежегодно около 3 млн. т  торфа при общих запасах 4000 млн.т.

Наибольший прирост потре­бления местных видов топлива может быть достигнут за счет дре­весного топлива и торфа.

Торфяная промышленность развивается в соответствии с Госу­дарственной программой «Торф» на 2008-2010 годы и до 2020 года. В 2010 году мероприя­тия программы предусматрива­ют: производство 1,212 млн. тонн топливных брикетов, в том числе для поставок на экспорт 364,5 тыс. тонн; отвод 1055 гектаров земель и строительство 1300 гектаров новых торфяных площадей; добы­ча 2,52 млн. тонн торфа; выпол­нение работ по модернизации и техническому переоснащению торфопредприятий. В результате выполнения про­граммы «Торф» к 2013 году будут модернизированы 7 брикетных заводов, 2 машиностроительных  предприятия и отдельные объек­ты на 15 предприятиях.

      Дальнейшая реализация этой программы позволит обеспечить:

     -увеличение к 2020 году добы­чи торфа (с учетом торфа, добы­ваемого       организациями Минсель­хозпрода) до 7,5 млн. тонн в год и удовлетворение потребности республики в торфяном топливе и продукции на основе торфа;

увеличение доли использова­ния торфяного топлива в общем объеме котельно-печного топлива с 2,2 \% в 2007 году до 4,3 \% в 2020-м;

внедрение новых и совершен­ствование существующих техно­логий и оборудования для добы­чи, переработки и использования торфа;

модернизацию действующих и строительство двух производств, снижение к 2020 году износа основ­ных фондов торфопредприятий на 30 \% по сравнению с 2005-м до уровня 40 \%.

 Следующими по «возрасту» являются бурые угли - землистая или черная 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 твердостью и калорийностью. 

         Горючие сланцы представляют собой полезное ископаемое из группы твердых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы, близкой по составу к нефти. В последнее десятилетие предложены технические решения по получению из них сланцевого газа, что реализовано в США и проводятся работы по внедрению этого способа в Польше, в Украине и других странах. Залежи горючих сланцев в Беларуси находятся на юге республики (Туровское месторождение в Гомельской области, Любанское - в Солигорском и Любанском районах Минской области), и открыты они в 1963 г. Прогнозные запасы составляют 11 млрд. т, в т. ч. промышленные на глубине 300 м - 3,6 млрд. т, что соответствует 792 млн. т у. т. Наиболее изученным является Туровское месторождение.

         Твердое топливо состоит из горючей и негорючей составляющих:

         Горючей составляющей в органическом топливе являются: углерод (С), водород (Н)  и  сера (S). С увеличением возраста топлива содержание углерода увеличивается (от 40\% у древесины до 93\% у антрацита).

         При полном сгорании углерода образуется относительно безвредный диоксид углерода СО2 и выделяется при этом 32,8 МДж теплоты на 1 кг углерода. В случае сжигания углерода при недостатке кислорода, продуктом сгорания является токсичный оксид углерода СО (угарный газ) и выделяется при этом  всего 9,2 МДж теплоты.

                   Негорючей составляющей  являются минеральные примеси – зола  и  влага. Есть твердые топлива (древесина, торф, угли некоторых пластов) зольность которых составляет не более 10\%. Максимальное значение зольности до 50\%.

         1.8.2.  Жидкое топливо.

         Природным жидким топливом является нефть, которую перерабатывают с помощью ректификационных колон путем нагрева до 300 ... 370°С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре:

- сжиженный газ (выход около 1 \%);

 -бензиновую (около 15 \%, tK = 30 ... 180 °С);

 -керосиновую (около 17 \%, tK = 120 ... 135 °С);

- дизельную (около 18\%, tK = 180 ... 350 °С).

Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 ... 3500С называется мазутом.

         Мазутная фракция используется как топливо или может подвергаться дальнейшей переработке на светлые нефтепродукты путем крекинг-процесса т.е. расщепления тяжелых молекул на более легкие. Крекинг бывает термическим и каталитическим. При крекинг-процессе получают до 50 - 60\% бензиновой фракции. Выход мазута сокращается до 20\%.

         Мазут, как топливо, содержит до 84 – 86\% углерода , 10 – 12\% водорода  и серы до 3,5\%.

         Теплотворная способность жидкого топлива составляет:

мазут – 41 МДж/кг, бензин – 42 МДж/кг, дизельного топлива – 42,7 МДж/кг.

         К искусственному жидкому топливу  относят и  жидкий газ, который по специальной технологии может быть получен путем генерации твердых видов топлива, переработки био- или природного газа и других искусственных горючих материалов. В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов. Он состоит из пропана и бутана.

         Температура конденсации пропана при атмосферном давлении равна ─ 44,50С, а бутана – + 50С. Эти газы транспортируют в жидком виде в баллонах и цистернах под небольшим давлением 1,6 МПа. Это очень удобно для транспортировки.

Газообразное топливо

         Газообразными видами топлива являются природный газ, добываемый  непосредственно со скважин, так и попутно с добычей нефти, называемый попутным. Основным компонентом природного газа является метан СН4 и в небольшом количестве азот N2, высшие углеводороды CnHm, двуокись углерода СО2. Попутный газ содержит меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому выделяет при сгорании больше теплоты.

                   На металлургических заводах в качестве попутных продуктов при сгорании угля получают коксовый и доменный газы. Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. В районах расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан, выделяющийся из пластов при их вентиляции. Газы, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в большинстве стран практически вытеснены природным газом, однако в настоящее время снова возрождается интерес к их производству и использованию. В частности, для Беларуси представляет интерес переработка отходов древесины, торфа, бурых углей и сланцев в специальных генераторах  в газ. Известно, что в послевоенное время на территории стран СНГ автомобили работали на таком газе, вырабатываемом в газогенераторах, установленных непосредственно на автомобили. По тем временам это было эффективным решением.

         В последнее время все большее применение находит биогаз - продукт анаэробной ферментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т. д.).

1.8.4.          Ядерное топливо

         Ядерным  топливом является уран. Об эффективности использования его показывает работа первого в мире атомного ледокола «Ленин» водоизмещением 19 тыс. т, длиной 134 м, шириной 23,6 м, высотой 16,1 м, и осадкой 10,5 м, со скоростью 18 узлов (около 30 км/ч). Он был создан для караванов судов по Северному морскому пути, толщина льда  достигала 2 и более метров. В сутки он потреблял 260-310 граммов урана. Дизельному ледоколу для выполнения такого же объема работы, которую выполнял ледокол «Ленин», потребовалось бы 560 т дизтоплива. Известно, что теплотворная способность ядерного топлива в 3 млн. раз выше каменного угля.

В настоящее время электроэнергия в большинстве случаев получается с помощью механических устройств, отдельные части которых движутся со значительным трением. На электростанциях химическая энергия превращается в тепло путем окисления топлива, а атомная в ядерных реакторах - в результате ядерных превращений. Полученный при помощи этого тепла пар приводит в движение турбины, которые вращают роторы генераторов, вырабатывающих электрический ток.  Коэффициент полезного действия этих устройств обычно не превышает 60\%,  значительное количество энергии из-за трения частей машин превращается в тепло (при этом часть полезной мощности пропадает), но главным образом вследствие того, что тепло, являющееся здесь промежуточным продуктом превращения энергии. Целесообразно превращать энергию, заключенную в энергоносителях, непосредственно в электрическую. Над этой проблемой активно работают ученые, инженеры и изобретатели. Известно, что в некоторых химических соединениях под воздействием света может возникать до некоторой степени направленное движение электронов, т.е. начинает течь ток. Это так называемый фотоэлектрический эффект, который используется в фотоэлементах. Здесь можно говорить о превращении световой энергии в электрическую без выделения сколько-нибудь значительного количества тепла. Принципиально световое излучение Солнца можно таким образом превращать в электрическую энергию без потерь. На практике из-за технического несовершенства фотоэлементы работают пока с КПД, не превышающим 10-12 \%, следовательно, превращают в электрическую энергию только 10-12 \% падающего на них излучения. На пути широкого внедрения фотоэлементов в технику имеются и другие препятствия, однако в особых условиях (например в приборах, установленных в отдаленных пунктах, на космических кораблях и т.д.) они незаменимы.

1.8. 5. Условное топливо

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

         Для удобства сопоставления различных видов энергоресурсов и возможности расчетов расход всех видов топлива, а также планирования необходимо проводить сравнение на единой базе. За единую базу принято так называемое условное топливо (У.Т.).

         За условное  принято такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29,3 МДж энергии, или 7000 ккал тепла. В табл.1.3 приведены значения удельной энергоемкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом. В качестве единицы измерения в государствах СНГ принята 1 тонна условного топлива (Т У.Т.). За рубежом применяется идентичная по сути и функциональному назначению единица измерения – тонна  условного топлива в нефтяном эквиваленте или проще тонна нефтяного эквивалента (т.н.э.), 1 т н.э. = 41,86 МДж.

         Анализ разведанных в мире запасов природных энергоресурсов показывает, что при существующих темпах развития экономики стран мира, нефти хватит на 40 лет, газа – на 60лет, угля – на 250 лет, урана – на 80 лет. Торфяные месторождения и запасы торфа, учитывая его невысокую калорийность, практически не изменяют энергетический потенциал Земли. Поэтому необходимо максимально использовать возобновляемые энергоресурсы (солнце, ветер, биотопливо, движение воды в реках, морях и океанах), разрабатывать экономически рациональные технологии водородной энергетики и термоядерного синтеза.       

Таблица 1.3. Значения удельной теплоты сгорания (энергоемкости) основных видов топлива.