Органическое топливо. Жидкое топливо и его характеристика Классификация топлива по способу получения

Топливо – это горючие вещества, выделяющие при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в другие виды энергии. К ним относятся полезные ископаемые органического происхождения – уголь, горючие газы, горючие сланцы, нефть, торф, а также древесина и растительные отходы.

В ядерной энергетике применяется понятиеядерного топлива - вещества, ядра которого делятся под действием нейтронов, выделяя при этом энергию в основном в виде кинетической энергии осколков деления ядер и нейтронов.

Обычное химическое топливо , в отличие от ядерного, называют органическим, и оно является в настоящее время основным источником теплоты .

Для анализа тепловых характеристик топлив, определения состава газов и других расчетов необходимо знать химическую структуру каждого вида топлива. Органическая часть твердых и жидких топлив состоит из большого количества сложных химических соединений, в состав которых в основном входят пять химических элементов : углерод С , водород Н , кислород О , сера S и азот N . Кроме того, топливо содержит минеральные примеси А и влагу W , представляющие вместе внешний балласт топлива.

Химический состав твердых, жидких и газообразных топлив определяют не по количеству соединений, а по суммарной массе химических элементов (в процентах на 1 кг или 1 куб. м топлива), т.е. устанавливают элементарный состав топлива. Различают три основных элементарных состава топлива:

1) рабочая масса топлива C +H +O +N +S +A +W =100%;

2) сухая масса топлива C +H +O +N +A =100%;

3) горючая масса топлива C + H +O +N =100%.

Рабочей считается масса топлива в том виде, в каком она поступает на предприятие.

Если топливо нагреть до 102-105ºС, то испарится влага, тогда получится сухая масса топлива. Название горючей массы является условным; так как входящие в его состав азот и кислород не являются горючими элементами и составляют внутренний балласт топлива. Азот и кислород способствуют процессу горения топлива .

Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера . Углерод – основной, горючий элемент топлива. Он имеет высокую теплоту сгорания (33600 кДж/кг) и составляет большую часть рабочей массы топлива (50-75% для твердых топлив и 80-85% для мазутов). Водород имеет высокую теплоту сгорания (примерно 130000 кДж/кг), однако его количество в твердых топливах невелико (Н = 2-6%) и несколько больше в жидких (около 10%). Это делает теплоту сгорания жидких топлив выше, чем твердых.

Сера имеет невысокую теплоту сгорания (9000 кДж/кг). Содержание ее в топливах невелико (S =0,2-4%), поэтому сера, как горючая составляющая, не ценится.

Наличие окислов серы в продуктах сгорания при определенных концентрациях опасно для организмов и растений и требует определенных мер и средств для ее улавливания или рассеивания в атмосфере.

ВИДЫ ТОПЛИВА. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВА

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

В настоящее время термин «топливо» распространяется на все материалы, служащие источником энергии (например, ядерное топливо).

Топливо по происхождению делят на:

Природное топливо (уголь, торф, нефть, горючие сланцы, древесина и др.)

Искусственное топливо (моторное топливо, генераторный газ, кокс, брикеты и др.).

По своему агрегатному состоянию его делят на твёрдое, жидкое и газообразное топливо, а по своему назначению при использовании – на энергетическое, технологическое и бытовое. Наиболее высокие требования предъявляются к энергетическому топливу, а минимальные требования – к бытовому.

Твёрдое топливо – древесно-растительная масса, торф, сланцы, бурый уголь, каменный уголь.

Жидкое топливо – продукты переработки нефти (мазут).

Газообразное топливо – природный газ; газ, образующийся при переработке нефти, а также биогаз.

Ядерное топливо – расщепляющиеся (радиоактивные) вещества (уран, плутоний).

Органическое топливо, т.е. уголь, нефть, природный газ, составляет подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органического топлива является результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывающиеся во всех геологических формациях. Всё это топливо имеет углеродную основу, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе образования диоксида углерода.

ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Твёрдое топливо. Ископаемое твёрдое топливо (за исключением сланцев) является продуктом разложения органической массы растений. Самое молодое из них – торф – представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли – землистая или чёрная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется («выветривается») и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них – антрацитов – претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твёрдостью.

Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 14000 млрд.тонн, из которых половина относится к достоверным (Азия – 63%, Америка – 27%). Наибольшими запасами угля располагают США и Россия. Значительные запасы имеются в ФРГ, Англии, Китае, на Украине и в Казахстане.

Всё количество угля можно представить в виде куба со стороной 21 км, из которого ежегодно изымается человеком «кубик» со стороной 1,8 км. При таких темпах потребления угля хватит примерно на 1000 лет. Но уголь – тяжёлое неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование. Запасы его распределены крайне неравномерно. Известнейшие месторождения угля: Донбасский (запасы угля 128 млрд.т.), Печорский (210 млрд.т.), Карагандинский (50 млрд.т.), Экибастузский (10 млрд.т.), Кузнецкий (600 млрд.т.), Канско-Ачинский (600 млрд.т.). Иркутский (70 млрд.т.) бассейны. Самые крупные в мире месторождения угля – Тунгусское (2300 млрд.т. – свыше 15% от мировых запасов) и Ленское (1800 млрд.т. – почти 13% от мировых запасов).

Добыча угля ведётся шахтным методом (глубиной от сотен метров до нескольких километров) или в виде открытых карьерных разработок. Уже на этапе добычи и транспортировки угля, применяя передовые технологии, можно добиться снижения потерь при транспортировке. Уменьшения зольности и влажности отгружаемого угля.

Возобновляемым твёрдым топливом является древесина. Доля её в энергобалансе мира сейчас чрезвычайно невелика, но в некоторых регионах древесина (а чаще её отходы) также используется в качестве топлива.

В качестве твёрдого топлива могут быть также использованы брикеты – механическая смесь угольной и торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.

ЖИДКОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Жидкое топливо. Практически всё жидкое топливо пока получают путём переработки нефти. Нефть, жидкое горючее полезное ископаемое, представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин, смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.

Сырую нефть нагревают до 300-370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре tª: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, tª=30 - 180°С). Керосиновую (около 17 %, tª=120 - 135°С), дизельную (около 18 %, tª=180 - 350°С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330-350°С называется мазутом. Мазут, как и моторное топливо, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят, в основном, углерод (84-86 %) и водород (10-12%).

Мазут, получаемый из нефти ряда месторождений, может содержать много серы (до 4.3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при его сжигании.

Зольность мазута не должна превышать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому её часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия.

В котлах котельных и электростанций обычно сжигают мазут, в бытовых отопительных установках – печное бытовое топливо (смесь средних фракций).

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т., из которых 53 млрд.т. составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производства, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти. Разведанные запасы нефти всё время увеличиваются. Прирост происходит в основном за счёт морских шельфов. Поэтому все имеющиеся в литературе оценки запасов нефти являются условными и характеризуют только порядок величин.

Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля. Но нефть более удобное для использования топливо. Особенно в переработанном виде. После подъёма через скважину нефть направляется потребителям в основном по нефтепроводам, железной дорогой или танкерами. Поэтому в себестоимости нефти существенную часть имеет транспортная составляющая.

ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Газообразное топливо. К газообразному топливу относится, прежде всего, природный газ. Это газ, добываемый из чисто газовых месторождений, попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т.д. Основным его компонентом является метан СН 4 ; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N 2 , высших углеводородов СnНm , диоксида углерода СО 2 . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться.

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты.

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

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

Природный газ располагается в залежах, представляющих собой «купола» из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (песчаник) под давлением находится газ, состоящий в основном из метана СН 4 . На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подаётся на магистральный газопровод диаметром 0,5 – 1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компрессоров, установленных через каждые 100-150 м. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ. Общий расход газа на поддержание давления в газопроводе составляет 10-12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен.

В последнее время в ряде мест всё большее применение находит биогаз – продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). В Китае на самых разных отбросах работают уже свыше миллиона фабрик биогаза (по данным ЮНЕСКО – до 7 млн.). В Японии источниками биогаза служат свалки предварительно отсортированного бытового мусора. «Фабрика», производительностью до 10-20 м³ газа в сутки. Обеспечивает топливом небольшую электростанцию мощностью 716 кВт.

Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путём превращения их в биогаз (примерно 1 куб.м в сутки на единицу крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения.

Весьма перспективным видом топлива, обладающим в три раза большей удельной энергоёмкостью по сравнению с нефтью, является водород, научно-экспериментальные работы по изысканию экономичных способов промышленного преобразования которого активно ведутся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды (Н 2 О). При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.

В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его можно будет получать в процессе газификации угля. Для получения химической энергии водорода используется также процесс электролиза. Последний способ имеет значительное преимущество, так как приводит к обогащению кислородом окружающей среды. Широкое применение водородного топлива может решить три актуальные проблемы:

Уменьшить потребление органического и ядерного топлива;

Удовлетворить возрастающие потребности в энергии;

Снизить загрязнение окружающей среды.

ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

Ядерное топливо. Единственный природный вид ядерного топлива – тяжёлые ядра урана и тория. Энергия в виде теплоты высвобождается под действием медленных нейтронов при делении изотопа 235 U, который составляет в природном уране 1/140 часть. В качестве сырья могут использоваться 238 U и 239 Th, которые при облучении нейтронами превращаются в новое ядерное топливо – соответственно 239 Pu и 239 U. При делении всех ядер, содержащихся в 1 кг урана, выделяется энергия 2·10 7 кВт·ч, что эквивалентно 2,5 тыс.т высококачественного каменного угля с теплотой сгорания 35 МДж/кг (8373 ккал/кг).

Ядерное топливо делится на два вида:

Природное урановое, содержащее делящиеся ядра 235 U, а также сырьё 238 U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний 239 Pu;

Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239 Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы 233 U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232 Th.

По химическому составу, ядерное топливо может быть:

Металлическим, включая сплавы;

Оксидным (например, UO 2);

Карбидным (например, PuC 1-x)

Нитридным

Смешанным (PuO 2 + UO 2)

Применение. Ядерное топливо используется в ядерных реакторах, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) в виде таблеток размером в несколько сантиметров.

К ядерному топливу применяются высокие требования по химической совместимости с оболочками ТВЭЛов, у него должна быть достаточная температура плавления и испарения, хорошая теплопроводность, небольшое увеличение объёма при нейтронном облучении, технологичность производства.

Металлический уран сравнительно редко используют как ядерное топливо. Его максимальная температура ограничена 660 °C. При этой температуре происходит фазовый переход, в котором изменяется кристаллическая структура урана. Фазовый переход сопровождается увеличением объёма урана, что может привести к разрушению оболочки ТВЭЛов. При длительном облучении в температурном интервале 200-500°С уран подвержен радиационному росту. Это явление заключается в том, что облучённый урановый стержень удлиняется. Экспериментально наблюдалось увеличение длины уранового стержня в полтора раза.

Использование металлического урана, особенно при температуре больше 500 °C, затруднено из-за его распухания. После деления ядра образуются два осколка деления, суммарный объём которых больше объёма атома урана (плутония). Часть атомов - осколков деления являются атомами газов (криптона, ксенона и др.). Атомы газов накапливаются в по́рах урана и создают внутреннее давление, которое увеличивается с повышением температуры. За счёт изменения объёма атомов в процессе деления и повышения внутреннего давления газов уран и другие ядерные топлива начинают распухать. Под распуханием понимают относительное изменение объёма ядерного топлива, связанное с делением ядер.

Распухание зависит от выгорания и температуры ТВЭЛов. Количество осколков деления возрастает с увеличением выгорания, а внутреннее давление газа - с увеличением выгорания и температуры. Распухание ядерного топлива может привести к разрушению оболочки ТВЭЛа. Ядерное топливо менее подвержено распуханию, если оно обладает высокими механическими свойствами. Металлический уран как раз не относится к таким материалам. Поэтому применение металлического урана в качестве ядерного топлива ограничивает выгорание, которое является одной из главных оценок экономики атомной энергетики.

Радиационная стойкость и механические свойства топлива улучшаются после легирования урана, в процессе которого в уран добавляют небольшое количество молибдена, алюминия и других металлов. Легирующие добавки снижают число нейтронов деления на один захват нейтрона ядерным топливом. Поэтому легирующие добавки к урану стремятся выбрать из материалов, слабо поглощающих нейтроны.

К хорошим ядерным топливам относятся некоторые тугоплавкие соединения урана: окислы, карбиды и интерметаллические соединения. Наиболее широкое применение получила керамика - двуокись урана UO 2 . Её температура плавления равна 2800 °C, плотность - 10,2 т/м 3 . У двуокиси урана нет фазовых переходов, она менее подвержена распуханию, чем сплавы урана. Это позволяет повысить выгорание до нескольких процентов. Двуокись урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами при высоких температурах. Основной недостаток керамики - низкая теплопроводность - 4,5 кДж/(м·К), которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления. Так, максимальная плотность теплового потока в реакторах ВВЭР на двуокиси урана не превышает 1,4·10 3 кВт/м 2 , при этом максимальная температура в стержневых ТВЭЛах достигает 2200 °C. Кроме того, горячая керамика очень хрупка и может растрескиваться.

Плутоний относится к низкоплавким металлам. Его температура плавления равна 640 °C. У плутония плохие пластические свойства, поэтому он почти не поддаётся механической обработке. Технология изготовления ТВЭЛов усложняется ещё токсичностью плутония. Для приготовления ядерного топлива обычно идут двуокись плутония, смесь карбидов плутония с карбидами урана, сплавы плутония с металлами.

Высокими теплопроводностью и механическими свойствами обладают дисперсионные топлива, в которых мелкие частицы UO 2 , UC, PuO 2 и других соединений урана и плутония размещают гетерогенно в металлической матрице из алюминия, молибдена, нержавеющей стали и др. Материал матрицы и определяет радиационную стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. Например, дисперсионное топливо Первой АЭС состояло из частиц сплава урана с 9 % молибдена, залитых магнием.

УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО

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

Для сопоставления различных видов топлива, суммарного учёта его запасов, оценки эффективности использования энергетических ресурсов, сравнения показателей теплоиспользующих устройств, принята единица измерения – условное топливо. Условное топливо – это такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29309 кДж, или 700 ккал энергии. Для сравнительного анализа используется 1 тонна условного топлива.

1 ту.т = 29309 кДж = 7000 ккал = 8120 кВт·ч.

Этот показатель соответствует хорошему малозольному углю, который иногда называют угольным эквивалентом.

За рубежом для анализа используется условное топливо с теплотой сгорания 41900 кДж/кг (10000 ккал/кг). Этот показатель называется нефтяным эквивалентом. В нижеследующей таблице приведены значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основе вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:

Топливо – это горючее вещество, применяемое для получения теплоты.

По происхождению топливо бывает природное и искусственное.

По агрегатному состоянию выделяют твёрдое, жидкое и газообразное топливо.

По назначению при использовании топливо может быть энергетическим, технологическим и бытовым.

Как самостоятельный вид выделяют ещё ядерное топливо.

Для сравнения различных видов топлива по их теплотворной способности используют единицу измерения «условное топливо».

Условное топливо – условно принятое топливо с теплотворной способностью 7000 ккал/кг (для жидких и твёрдых видов топлива) и 7000 ккал/нм 3 (для газообразных видов топлива).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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.

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

Виды топлива	Удельная энергоёмкость,	Удельная энергоёмкость,
Условное топливо Топливо - солнечной энергией).Могут быть и другие классификации . Например, ресурсы истощенные - виды природных... Понятие, виды и классификация издержек обращения на примере райпотребсоюза Реферат >> Финансы Которая состоит из 3 разделов. Понятие, виды и классификация издержек обращения Издержки обращения – это... 100% I. Материальные затраты - 34,53% топливо - 0,6% энергия - 2,4% хранение, подработка, подсортировка, упаковка... Классификация строительных материалов (2) Шпаргалка >> Строительство Надежны в эксплуатации, позволяют использовать местные виды топлива и требуют меньшего его расхода, После... и древесные; полимеры полимеризационные и поликонденсационные. В единой классификации строительных конгломератов органические вяжущие вещества... Классификация бухгалтерских балансов организации и порядок их составления и применения в хозяйст Реферат >> Бухгалтерский учет и аудит Бухгалтерского баланса организации 1.2 Классификация бухгалтерских балансов 2.Организационно- ... так же изучить виды и классификацию бухгалтерских балансов. Предметом... основные и вспомогательные материалы, топливо , покупные полуфабрикаты и комплектующие...

Топливо – это горючее вещество, выделяющее при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах и для обогрева, либо преобразуется в другие виды энергии.

По агрегатному состоянию топлива органического происхождения разделяются на твердые, жидкие и газовые (газообразные).

По происхождению органические топлива делятся на природные (естественные) и искусственные, получаемые различными методами.

Таблица 1.1

Классификация органического топлива

В зависимости от характера использования органическое топливо может быть разделено на энергетическое (для получения тепловой и электрической энергии) и на промышленное (для высокотемпературных теплотехнологических установок и систем). Энергетическое и промышленное топливо определяется также термином “котельно-печное топливо”.

1. Элементарный состав и технические характеристики органического топлива

В состав органического топлива входят различные соединения горючих и негорючих элементов. Твердое и жидкое топливо содержит такие горючие вещества, как углерод C, водородH, летучую серуS л, и негорючие вещества – кислородO, азотN, золуA , влагуW . Летучая сера состоит из органическихS ор и колчеданныхS к соединений:S л =S ор +S к. Органическое топливо характеризуется:

Рабочей массой ;

Сухой массой ;

Горючей массой ;

Органической массой .

Сера органической массы не содержит колчеданную. Можно пересчитать состав топлива с одной массы на другую с помощью соответствующих коэффициентов (табл. 1.2)

Таблица 1.2

Пересчет состава топлива с одной массы на другую

Заданная масса	Искомая масса
	органическая
Органическая

Газообразное топливо обычно приводится к сухой массе в объемных долях:

Важнейшими техническими характеристиками топлива являются теплота сгорания, жаропроизводительность, содержание золы и влаги, содержание вредных примесей, снижающих ценность топлива, выход летучих веществ, свойства кокса (нелетучего остатка).

Теплота сгорания (теплотворная способность) топлива - количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг) или объема (кДж/м 3) топлива. Теплота сгорания является характеристикой, определяющей расход топлива для работы топливоиспользующего оборудования. Различают высшую и низшую теплотворные способности топлива. При проектировании котлов и технологических агрегатов, в которых не используется скрытая теплота конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива, расчеты традиционно ведутся понизшей теплотворной способности топлива.

В тех случаях, когда имеет место использование в агрегатах скрытой теплоты конденсации водяных паров, в расчетах фигурирует высшая теплота сгорания топлива.

Низшую теплоту сгорания топлива можно определить, зная высшую теплоту сгорания

Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально в калориметрической бомбе или в газовом калориметре. Принцип работы калориметров основан на том, что в них сжигается точно замеренная масса или объем топлива, выделяющееся тепло которого передается воде, начальная температура и масса которой известны. Зная массу воды, и замеряя повышение ее температуры, определяют количество выделенного тепла и теплоту сгорания топлива. При известном составе топлива теплота его сгорания может быть подсчитана аналитически. Рабочая низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива приближенно может быть определена по формуле Д.И. Менделеева, кДж/кг

где



– теплота сгорания каждого газа, входящего в состав топлива, МДж/м 3 ;C m H n ,H 2 S,CO,H 2 –содержание отдельных газов в топливе, % об.

Теплота сгорания отдельных газов, входящих в состав газообразного топлива, приведена в табл. 1.3.

Теплота сгорания различных видов топлива колеблется в очень широких пределах. Для сравнения разных видов топлива при определении норм расхода, запасов, экономии топлива введено понятие об условном топливе. Условным топливом называют топливо, низшая теплота сгорания которого равна Q у.т = 29310 кДж/кг (7000 ккал/кг).

Для пересчета расхода какого-либо вида натурального топлива в условное и обратно пользуются тепловым эквивалентом, представляющим собой отношение низшей теплоты сгорания рабочей массы натурального топлива к теплоте сгорания условного топлива

.

ВИДЫ ТОПЛИВА. КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПЛИВА

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

В настоящее время термин «топливо» распространяется на все материалы, служащие источником энергии (например, ядерное топливо).

Топливо по происхождению делят на:

Природное топливо (уголь, торф, нефть, горючие сланцы, древесина и др.)

Искусственное топливо (моторное топливо, генераторный газ, кокс, брикеты и др.).

По своему агрегатному состоянию его делят на твёрдое, жидкое и газообразное топливо, а по своему назначению при использовании – на энергетическое, технологическое и бытовое. Наиболее высокие требования предъявляются к энергетическому топливу, а минимальные требования – к бытовому.

Твёрдое топливо – древесно-растительная масса, торф, сланцы, бурый уголь, каменный уголь.

Жидкое топливо – продукты переработки нефти (мазут).

Газообразное топливо – природный газ; газ, образующийся при переработке нефти, а также биогаз.

Ядерное топливо – расщепляющиеся (радиоактивные) вещества (уран, плутоний).

Органическое топливо, т.е. уголь, нефть, природный газ, составляет подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органического топлива является результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывающиеся во всех геологических формациях. Всё это топливо имеет углеродную основу, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе образования диоксида углерода.

ТВЁРДОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Твёрдое топливо. Ископаемое твёрдое топливо (за исключением сланцев) является продуктом разложения органической массы растений. Самое молодое из них – торф – представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли – землистая или чёрная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется («выветривается») и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них – антрацитов – претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твёрдостью.

Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 14000 млрд.тонн, из которых половина относится к достоверным (Азия – 63%, Америка – 27%). Наибольшими запасами угля располагают США и Россия. Значительные запасы имеются в ФРГ, Англии, Китае, на Украине и в Казахстане.

Всё количество угля можно представить в виде куба со стороной 21 км, из которого ежегодно изымается человеком «кубик» со стороной 1,8 км. При таких темпах потребления угля хватит примерно на 1000 лет. Но уголь – тяжёлое неудобное топливо, имеющее много минеральных примесей, что усложняет его использование. Запасы его распределены крайне неравномерно. Известнейшие месторождения угля: Донбасский (запасы угля 128 млрд.т.), Печорский (210 млрд.т.), Карагандинский (50 млрд.т.), Экибастузский (10 млрд.т.), Кузнецкий (600 млрд.т.), Канско-Ачинский (600 млрд.т.). Иркутский (70 млрд.т.) бассейны. Самые крупные в мире месторождения угля – Тунгусское (2300 млрд.т. – свыше 15% от мировых запасов) и Ленское (1800 млрд.т. – почти 13% от мировых запасов).

Добыча угля ведётся шахтным методом (глубиной от сотен метров до нескольких километров) или в виде открытых карьерных разработок. Уже на этапе добычи и транспортировки угля, применяя передовые технологии, можно добиться снижения потерь при транспортировке. Уменьшения зольности и влажности отгружаемого угля.

Возобновляемым твёрдым топливом является древесина. Доля её в энергобалансе мира сейчас чрезвычайно невелика, но в некоторых регионах древесина (а чаще её отходы) также используется в качестве топлива.

В качестве твёрдого топлива могут быть также использованы брикеты – механическая смесь угольной и торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.

ЖИДКОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Жидкое топливо. Практически всё жидкое топливо пока получают путём переработки нефти. Нефть, жидкое горючее полезное ископаемое, представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин, смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.

Сырую нефть нагревают до 300-370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре tª: сжиженный газ (выход около 1%), бензиновую (около 15%, tª=30 - 180°С). Керосиновую (около 17 %, tª=120 - 135°С), дизельную (около 18 %, tª=180 - 350°С). Жидкий остаток с температурой начала кипения 330-350°С называется мазутом. Мазут, как и моторное топливо, представляет собой сложную смесь углеводородов, в состав которых входят, в основном, углерод (84-86 %) и водород (10-12%).

Мазут, получаемый из нефти ряда месторождений, может содержать много серы (до 4.3%), что резко усложняет защиту оборудования и окружающей среды при его сжигании.

Зольность мазута не должна превышать 0,14 %, а содержание воды должно быть не более 1,5 %. В состав золы входят соединения ванадия, никеля, железа и других металлов, поэтому её часто используют в качестве сырья для получения, например, ванадия.

В котлах котельных и электростанций обычно сжигают мазут, в бытовых отопительных установках – печное бытовое топливо (смесь средних фракций).

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т., из которых 53 млрд.т. составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производства, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти. Разведанные запасы нефти всё время увеличиваются. Прирост происходит в основном за счёт морских шельфов. Поэтому все имеющиеся в литературе оценки запасов нефти являются условными и характеризуют только порядок величин.

Общие запасы нефти в мире ниже, чем угля. Но нефть более удобное для использования топливо. Особенно в переработанном виде. После подъёма через скважину нефть направляется потребителям в основном по нефтепроводам, железной дорогой или танкерами. Поэтому в себестоимости нефти существенную часть имеет транспортная составляющая.

ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Газообразное топливо. К газообразному топливу относится, прежде всего, природный газ. Это газ, добываемый из чисто газовых месторождений, попутный газ нефтяных месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и т.д. Основным его компонентом является метан СН 4 ; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества азота N 2 , высших углеводородов СnНm , диоксида углерода СО 2 . В процессе добычи природного газа его очищают от сернистых соединений, но часть их (в основном сероводород) может оставаться.

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты.

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

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

Природный газ располагается в залежах, представляющих собой «купола» из водонепроницаемого слоя (типа глины), под которым в пористой среде (песчаник) под давлением находится газ, состоящий в основном из метана СН 4 . На выходе из скважины газ очищается от песчаной взвеси, капель конденсата и других включений и подаётся на магистральный газопровод диаметром 0,5 – 1,5 м длиной несколько тысяч километров. Давление газа в газопроводе поддерживается на уровне 5 МПа при помощи компрессоров, установленных через каждые 100-150 м. Компрессоры вращаются газовыми турбинами, потребляющими газ. Общий расход газа на поддержание давления в газопроводе составляет 10-12% от всего прокачиваемого. Поэтому транспорт газообразного топлива весьма энергозатратен.

В последнее время в ряде мест всё большее применение находит биогаз – продукт анаэробной ферментации (сбраживания) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т.д.). В Китае на самых разных отбросах работают уже свыше миллиона фабрик биогаза (по данным ЮНЕСКО – до 7 млн.). В Японии источниками биогаза служат свалки предварительно отсортированного бытового мусора. «Фабрика», производительностью до 10-20 м³ газа в сутки. Обеспечивает топливом небольшую электростанцию мощностью 716 кВт.

Анаэробное сбраживание отходов крупных животноводческих комплексов позволяет решить чрезвычайно острую проблему загрязнения окружающей среды жидкими отходами путём превращения их в биогаз (примерно 1 куб.м в сутки на единицу крупного рогатого скота) и высококачественные удобрения.

Весьма перспективным видом топлива, обладающим в три раза большей удельной энергоёмкостью по сравнению с нефтью, является водород, научно-экспериментальные работы по изысканию экономичных способов промышленного преобразования которого активно ведутся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом. Запасы водорода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды (Н 2 О). При его сжигании образуется вода, не загрязняющая окружающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.

В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его можно будет получать в процессе газификации угля. Для получения химической энергии водорода используется также процесс электролиза. Последний способ имеет значительное преимущество, так как приводит к обогащению кислородом окружающей среды. Широкое применение водородного топлива может решить три актуальные проблемы:

Уменьшить потребление органического и ядерного топлива;

Удовлетворить возрастающие потребности в энергии;

Снизить загрязнение окружающей среды.

ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

Ядерное топливо. Единственный природный вид ядерного топлива – тяжёлые ядра урана и тория. Энергия в виде теплоты высвобождается под действием медленных нейтронов при делении изотопа 235 U, который составляет в природном уране 1/140 часть. В качестве сырья могут использоваться 238 U и 239 Th, которые при облучении нейтронами превращаются в новое ядерное топливо – соответственно 239 Pu и 239 U. При делении всех ядер, содержащихся в 1 кг урана, выделяется энергия 2·10 7 кВт·ч, что эквивалентно 2,5 тыс.т высококачественного каменного угля с теплотой сгорания 35 МДж/кг (8373 ккал/кг).

Ядерное топливо делится на два вида:

• Природное урановое, содержащее делящиеся ядра 235 U, а также сырьё 238 U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний 239 Pu;
• Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239 Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы 233 U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232 Th.

По химическому составу, ядерное топливо может быть:

• Металлическим, включая сплавы;
• Оксидным (например, UO 2);
• Карбидным (например, PuC 1-x)
• Нитридным
• Смешанным (PuO 2 + UO 2)

Применение. Ядерное топливо используется в ядерных реакторах, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) в виде таблеток размером в несколько сантиметров.

К ядерному топливу применяются высокие требования по химической совместимости с оболочками ТВЭЛов, у него должна быть достаточная температура плавления и испарения, хорошая теплопроводность, небольшое увеличение объёма при нейтронном облучении, технологичность производства.

Металлический уран сравнительно редко используют как ядерное топливо. Его максимальная температура ограничена 660 °C. При этой температуре происходит фазовый переход, в котором изменяется кристаллическая структура урана. Фазовый переход сопровождается увеличением объёма урана, что может привести к разрушению оболочки ТВЭЛов. При длительном облучении в температурном интервале 200-500°С уран подвержен радиационному росту. Это явление заключается в том, что облучённый урановый стержень удлиняется. Экспериментально наблюдалось увеличение длины уранового стержня в полтора раза.

Использование металлического урана, особенно при температуре больше 500 °C, затруднено из-за его распухания. После деления ядра образуются два осколка деления, суммарный объём которых больше объёма атома урана (плутония). Часть атомов - осколков деления являются атомами газов (криптона, ксенона и др.). Атомы газов накапливаются в по́рах урана и создают внутреннее давление, которое увеличивается с повышением температуры. За счёт изменения объёма атомов в процессе деления и повышения внутреннего давления газов уран и другие ядерные топлива начинают распухать. Под распуханием понимают относительное изменение объёма ядерного топлива, связанное с делением ядер.

Распухание зависит от выгорания и температуры ТВЭЛов. Количество осколков деления возрастает с увеличением выгорания, а внутреннее давление газа - с увеличением выгорания и температуры. Распухание ядерного топлива может привести к разрушению оболочки ТВЭЛа. Ядерное топливо менее подвержено распуханию, если оно обладает высокими механическими свойствами. Металлический уран как раз не относится к таким материалам. Поэтому применение металлического урана в качестве ядерного топлива ограничивает выгорание, которое является одной из главных оценок экономики атомной энергетики.

Радиационная стойкость и механические свойства топлива улучшаются после легирования урана, в процессе которого в уран добавляют небольшое количество молибдена, алюминия и других металлов. Легирующие добавки снижают число нейтронов деления на один захват нейтрона ядерным топливом. Поэтому легирующие добавки к урану стремятся выбрать из материалов, слабо поглощающих нейтроны.

К хорошим ядерным топливам относятся некоторые тугоплавкие соединения урана: окислы, карбиды и интерметаллические соединения. Наиболее широкое применение получила керамика - двуокись урана UO 2 . Её температура плавления равна 2800 °C, плотность - 10,2 т/м 3 . У двуокиси урана нет фазовых переходов, она менее подвержена распуханию, чем сплавы урана. Это позволяет повысить выгорание до нескольких процентов. Двуокись урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами при высоких температурах. Основной недостаток керамики - низкая теплопроводность - 4,5 кДж/(м·К), которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления. Так, максимальная плотность теплового потока в реакторах ВВЭР на двуокиси урана не превышает 1,4·10 3 кВт/м 2 , при этом максимальная температура в стержневых ТВЭЛах достигает 2200 °C. Кроме того, горячая керамика очень хрупка и может растрескиваться.

Плутоний относится к низкоплавким металлам. Его температура плавления равна 640 °C. У плутония плохие пластические свойства, поэтому он почти не поддаётся механической обработке. Технология изготовления ТВЭЛов усложняется ещё токсичностью плутония. Для приготовления ядерного топлива обычно идут двуокись плутония, смесь карбидов плутония с карбидами урана, сплавы плутония с металлами.

Высокими теплопроводностью и механическими свойствами обладают дисперсионные топлива, в которых мелкие частицы UO 2 , UC, PuO 2 и других соединений урана и плутония размещают гетерогенно в металлической матрице из алюминия, молибдена, нержавеющей стали и др. Материал матрицы и определяет радиационную стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. Например, дисперсионное топливо Первой АЭС состояло из частиц сплава урана с 9 % молибдена, залитых магнием.

УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО

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

Для сопоставления различных видов топлива, суммарного учёта его запасов, оценки эффективности использования энергетических ресурсов, сравнения показателей теплоиспользующих устройств, принята единица измерения – условное топливо. Условное топливо – это такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29309 кДж, или 700 ккал энергии. Для сравнительного анализа используется 1 тонна условного топлива.

1 ту.т = 29309 кДж = 7000 ккал = 8120 кВт·ч.

Этот показатель соответствует хорошему малозольному углю, который иногда называют угольным эквивалентом.

За рубежом для анализа используется условное топливо с теплотой сгорания 41900 кДж/кг (10000 ккал/кг). Этот показатель называется нефтяным эквивалентом. В нижеследующей таблице приведены значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основе вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:

Топливо – это горючее вещество, применяемое для получения теплоты.

По происхождению топливо бывает природное и искусственное.

По агрегатному состоянию выделяют твёрдое, жидкое и газообразное топливо.

По назначению при использовании топливо может быть энергетическим, технологическим и бытовым.

Как самостоятельный вид выделяют ещё ядерное топливо.

Для сравнения различных видов топлива по их теплотворной способности используют единицу измерения «условное топливо».

Условное топливо – условно принятое топливо с теплотворной способностью 7000 ккал/кг (для жидких и твёрдых видов топлива) и 7000 ккал/нм 3 (для газообразных видов топлива).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Охрана труда и основы энергосбережения: Учеб. пособие /

Э.М. Краченя, Р.Н. Козел, И.П.Свирид. – 2-е изд. – Мн.: ТетраСистемс, 2005. – 156-161,166-167 с.

2. Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс] / Ядерное топливо. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/ Дата доступа: 04.10.2009.

3. Департамент по энергоэффективности Государственного комитета по стандартизации Республики Беларусь [Электронный ресурс] / Нормативные документы. Методические рекомендации по составлению технико-экономических обоснований для энергосберегающих мероприятий. Режим доступа: http://energoeffekt.gov.by/doc/metodika_1.asp. Дата доступа: 03.10.2009

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Таблица 1: Удельная энергоёмкость энергетических ресурсов

Агрегатное состояние	Происхождение топлива
	Естественное	Искусственное
		Бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, спирт, бензол, смолы (каменноугольная, торфяная, сланцевая)
Газообраз-	Природный и нефтепромысловый	Генераторный, водяной, светильный, коксовый, полукоксовый, доменный, нефтеперерабатывающих заводов газы
	Ископаемые угли, горючие сланцы, торф,	Каменноугольные кокс и полукокс, брикетированное и пылевидное топливо, древесный уголь

Топливо состоит из горючей и негорючей частей. Горючая часть топлива представляет собой совокупность различных органических соединений, в которые входят углерод, водород, кислород, азот, сера. Негорючая часть (балласт) состоит из минеральных примесей включающих золу и влагу.

Углерод С - основная горючая часть топлива. С увеличением его содержания тепловая ценность топлива повышается. Для различных топлив содержание углерода составляет от 50 до 97 %.

Водород Н является второй по значимости горючей составляющей топлива. Содержание водорода в топливе достигает 25%. Однако, при сгорании водорода выделяется в четыре раза больше теплоты, чем при сгорании углерода.

Кислород О, входящий в состав топлива, не горит и не выделяет теплоты, поэтому является внутренним балластом топлива. Его содержание в зависимости от вида топлива колеблется от 0,5 до 43 %.

Азот N не горит и является внутренним балластом топлива. Содержание его в жидком и твердом видах топлива не велико и составляет 0,5 - 1,5%.

Сера S, при сгорании которой выделяется определенное количество теплоты, является весьма нежелательной составной частью топлива, так как продукты его сгорания - сернистый SO 2 и серный SО 3 ангидриды вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы твердом топливе до 8 %, а в нефти от 0,1 до 4 %.

Зола А представляет собой негорючий твердый компонент, количество которого определяют после полного сгорания топлива. Она является нежелательной и даже вредной примесью, так как в ее присутствии усиливаются абразивные износы, усложняется эксплуатация различных агрегатов. Топливо с высоким содержанием золы имеет низкую теплоту сгорания и воспламенения.

Влага W является весьма нежелательной примесью топлива, так как, отбирая часть теплоты на испарение, снижает теплоту и температуру сгорания топлива, усложняет эксплуатацию установок (особенно в зимнее время), способствует коррозии.

Минеральные примеси (золу и влагу) принято подразделять на внешние и внутренние. Первые попадают в топливо из окружающей среды при его добыче, транспортировке или хранений, а вторые входят в его химический состав.

Топливо, которое поступает к потребителю в естественном состоянии, и содержит, кроме горючей части, золу и влагу, называется рабочим. Для определения сухой массы топлива его высушивают при температуре 105°С для удаления влаги.

Состав газообразных топлив весьма разнообразен: горючая часть его включает водород Н, окись углерода СО, метан СН 4 и другие газообразные углеводороды (CnHm) с числом углеводородных атомов до 4 включительно.