Топливо в структуре энергетических ресурсов

Введение



Когда в середине XVII столетия голландский естествоиспытатель Ван Гельмонт придумал понятие "газ", он и не подозревал, какие страсти будут бушевать вокруг этого короткого слова спустя 400 лет. Действительно, теперь о том, что это фазовое состояние вещества, при котором оно "занимает весь предоставленный ему объем" знают лишь школьники да специалисты. Для всего остального человечества газ – это, в первую очередь, свет, тепло, комэфорт и деньги, деньги, деньги… Конечно, речь в этом случае идет о "голубом топливе"- природном газе. 

В ХХ в. энергетические потребности человечества увеличились в 20 раз. Ныне в промышленности развитых странах на одного жителя расходуется свыше 10 т условного топлива (т у. т.) в год (1 т у. т. эквивалента 1 т угля и дает при сжигании 29 308 МДж теплоты). В 1986 г. общее энергопотребление населения Земли превысило 13 млрд. т у. т. Ожидается, что к 2020 г. эта цифра возрастет до 30 … 38 млрд. Энергетические потребности государства обеспечивает его топливно-энергетический комплекс. При этом большое значение придается экономии органического топлива и в первую очередь нефти. Однако, запасы нефти ограничены, разработка и освоение новых месторождений требуют значительных капиталовложений (за последние 20 лет они возросли в 3 раза), все больших затрат трудовых и материальных ресурсов. Нефть во все больших количествах используется в химических производствах, где она является незаменимым сырьем в ряде приоритетных отраслей народного хозяйства. 

Таким образом, одним из основных направлений энергосберегающей политики является экономия наиболее ценного органического сырья — нефти. Решение этой проблемы заключено во внедрении ресурсосберегающих технологий, использовании менее энергоемких машин, сокращении применения нефтепродуктов в качестве топлива с заменой их нефтяными (альтернативными) энергоносителями — в первую очередь газом и углем. Первым направлением занимаются нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие отрасли промышленности, базирующиеся на научных разработках соответствующих разделов химмотологии. Перспективы здесь можно охарактеризовать тем, что повышение выхода топлив из нефти только на 1 % эквивалентно увеличению ее добычи до 7 млн. т в год. 

Двигатели внутреннего сгорания являются основными потребителями нефти, служащей сырьем для производства автотракторных топлив и смазочных материалов (до 60 % нефти, добываемой в стране, расходуется на эти цели). 

Существенная экономия топлива обеспечивается использованием высококачественных, в том числе синтетических моторных масел. Применение антифрикционных металлокомплесных присадок к моторным маслам позволяет уменьшить расход топлива до 4 % при одновременном увеличении ресурса двигателя. 

Третье направление заключается в отказе от использования нефти в качестве энергоисточника с заменой ее на другие менее дефицитные энергоресурсы. Нужно искать эффективные методы преобразования имеющихся в достатке энергоресурсов В высококачественный энергоноситель, удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к топливам для ДВС. Рассмотрение таких перспективных энергоресурсов дано в гл. 1. В качестве альтернативы нефтяных топлив рассматривают энергетические аккумуляторы. 

1. Для комплексной оценки топлив и смазочных материалов (Т и С) используют понятие качества. Под качеством Т и С понимают совокупность отдельных показателей (показателей качества), характеризующих его свойства. 

Качество Т и С влияет на такие важнейшие показатели ДВС, как экономичность, долговечность, токсичность отработавших газов, металлоемкость и др. Например, путем использования высокоэффективных Т и С ресурс двигателя можно увеличить в 1,5 … 2 раза, В токсичность отработавших газов уменьшить в несколько раз, В общем случае качество Т и С должно в наибольшей степени удовлетворять формуле "эффективность — экономичность — экология" т.е. обеспечивать максимальную эффективность использования в двигателе при минимальных технологических и эксплуатационных расходах наряду с возможно меньшим воздействием на окружающую среду (от экономии невосстанавливаемых природных ресурсов до загрязнения атмосферы). 

При оценке качества Т и С учитываются следующие факторы: полнота удовлетворения требований потребителя; технические и экономические возможности производства, экономический эффект в народном хозяйстве (у потребителя); взаимное влияние отдельных свойств Т и С (необоснованное улучшение одних свойств может повлечь за собой ухудшение других). 

Особо следует отметить проблему надежности Т и С, под которой понимается способность этих материалов сохранять свои показатели качества в течение заданного ресурса. От надежности Т и С непосредственно зависит надежность ДВС, условия и экономическая эффективность использования двигателя. 

Лабораторные методы используют при определении физико-химических показателей, характеризующих качество Т и С, для косвенной оценки их отдельных функциональных свойств, а также при проведении научно-исследовательских работ. Основное достоинство лабораторных методов испытаний состоит в том, что с их помощью можно выполнить дифференцированную оценку отдельных свойств Т и С и уяснить физический смысл результатов испытаний Т и С в реальных условиях. С целью интенсификации методов оценки качества Т и С создана новая система лабораторных испытании, суть которой основана на том, что каждое эксплуатационное свойство разделяют на отдельные, относительно простые составляющие показатели, оцениваемые ускоренными лабораторными методами. Полученные данные рассматривают во взаимосвязи с конкретными условиями работы Т и С. Такая комплексная оценка позволяет достаточно полно оценить исследуемые эксплутационные свойства в целом Однако вследствие большой сложности процессов, происходящих в двигателе, лабораторные методы не дают возможности получить достаточно полное представление о работе Т и С в реальных условиях. Это можно сделать на основании анализа результатов, полученных специальными методами испытаний. 

Основной недостаток эксплуатационных испытаний — большая длительность (до нескольких лет). Это задерживает внедрение новых сортов Т и С и, следовательно, технический прогресс моторостроения, поэтому для оценки одного или нескольких эксплуатационных свойств Т и С широко распространились стендовые методы испытаний, выполняемые на модельных установках, натурных агрегатах, одноцилиндровых установках и полноразмерных двигателях. Эти методы объединяют общим названием — квалификационные методы испытаний. Они по сравнению с лабораторными методами позволяют более точно и полно оценить эксплуатационные свойства Т и С, а по сравнению с эксплуатационными испытаниями — упростить условия и в несколько раз сократить длительность испытаний. Наряду с этим во многих случаях квалификационные методы по сравнению с эксплуатационными позволяют уменьшить влияние посторонних факторов на исследуемый показатель, а, следовательно, повысить точность и объективность испытаний. Квалификационные методы используют для установления взаимосвязи между показателями качества Т и С и конструкцией ДВС, для разработки требований к качеству Т и С, классификации и унификации Т и С и пр. Разработан способ исследования Т и С на основе комплекса методов квалификационной оценки, позволяющий в короткое время определить эксплуатационные свойства исследуемого образца. 

Однако окончательное решение о возможности использования того или иного вида Т и С в данной конструкции ДВС принимают на основании эксплуатационных испытаний. Применение различных методов испытаний указано в стандартах и технических условиях. 

В условиях производства показатели качества определяют не только рациональность применения данного вида Т и С в двигателе, но и производственные затраты на его изготовление. Как правило, повышение качества продукции ведет к увеличению производственных затрат, а иногда к уменьшению ресурса этого продукта, поэтому улучшение качества Т и С необходимо рассматривать в неразрывной связи между возможным повышением стоимости производства продукта и экономией, получаемой при его использовании, т.е. повышение качества Т и С должно сопровождаться экономическим эффектом в масштабе государства. 

понятие топлива

Топливо, не содержащее в своем составе окислитель, часто называют горючее. Понятие топлива более общее, нежели горючее или горючее ископаемое, потому как включает в себя древесину и различные топливные смеси. В широком смысле — один из видов потенциальной энергии, энергоноситель.

Химическая или ядерная энергия топлива переводится в различные виды энергии, и чаще всего через преобразование выделяемого при реакциях тепла тепловыми двигателями.

Основной показатель топлива — теплотворная способность (теплота сгорания). Для целей сравнения видов топлива введено понятие условного топлива (теплота сгорания одного килограмма "условного топлива" (у.т.) составляет 29,3 МДж или 7000 ккал — что примерно соответствует каменному углю).

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

Стандарт на котельное топливо — ГОСТ 10585-99 предусматривает выпуск четырёх его марок: флотских мазутов Ф-5 и Ф-12, которые по вязкости классифицируются как лёгкие топлива, топочных мазутов марки 40 — как среднее и марки 100 — тяжелое топливо. Цифры указывают ориентировочную вязкость соответствующих марок мазутов при 50 °C.

Печное топливо темное вырабатывается из дизельных фракций прямой перегонки и вторичного происхождения — дистиллятов термического, каталитического крекинга и коксования.

По фракционному составу печное топливо может быть несколько тяжелее дизельного топлива по ГОСТ 305-82 (до 360 °C перегоняется до 90 процентов вместо 96 процентов, вязкость печного топлива до 8,0 мм2/с при 20 °C против 3,0…6,0 мм2/с дизельного).

При изготовлении печного топлива не нормируются цетановое и йодное числа, температура помутнения. При переработке сернистых нефтей массовая доля серы в топливе — до 1,1 %.

Для улучшения низкотемпературных свойств печного топлива в промышленности применяют депрессорные присадки, синтезированные на основе сополимера этилена с винилацетатом.

Характеристики: 10 % перегоняется при температуре, С, не ниже 160; 90 % перегоняется при температуре, С, не выше 360; кинематическая вязкость при 20 °C, мм2/с, не более 8,0; температура вспышки в закрытом тигле, С, не ниже 45; массовая доля серы, процентов, не более: в малосернистом топливе 0,5; в сернистом топливе 1,1; испытание на медной пластинке выдерживает; кислотность, мг КОН/100 см3 топлива, не более 5,0; зольность, процентов, не более 0,02; коксуемость 10 процентного остатка, не более 0,35 процентов; содержание воды: следы; цвет: от светло-коричневого до чёрного; плотность при 20 °C, кг/м3: не нормируется, определение обязательно.




1. Классификация топлив



Топлива для ДВС разделяют по типу двигателя, для использования в котором они предназначены, на бензины и дизельные топлива; по агрегатному состоянию — на жидкие и газообразные; по химическому составу — на углеводородные и неуглеводородные; по виду исходного сырья — на нефтяные и альтернативные; по способу хранения на автомобиле — на одно- и многокомпонентные (последние называют топливами раздельной подачи). 

Термины "бензин" и "дизельное топливо" используют для обозначения нефтяных топлив, применяемых соответственно для двигателей с принудительным воспламенением и для дизелей. 

Различие между жидкими и газообразными топливами заключено в их разных агрегатных состояниях при нормальных атмосферных условиях. В современной транспортной технике преимущественное применение получили жидкие топлива. Под газообразными (газовыми) топливами понимается топливо, поступающее в систему топливоподачи двигателя в газовой фазе. Газообразные топлива могут находиться в топливном баке транспортного средства в сжатом или сжиженном состоянии. В первом случае газы называют сжатыми, во втором сжиженными. Такое деление условно. Агрегатное состояние газа определяется параметрами его хранения в топливных емкостях (баках) — температурой и давлением. В зависимости от конструкции бака один и тот же газ может находиться в них как в жидкой, так и в газовой фазе. Например, метан используется и как сжатый газ, находящийся в баках (баллонах) под высоким давлением (до 20 МПа), и как сжиженный, находящийся в термостатированных емкостях при температуре, равной или ниже температуры сжижения (—161 °С). 

Газообразные топлива — перспективный вид топлив для ДВС. Это объясняется следующими основными преимуществами этих топлив перед жидкими: меньшей стоимостью; снижением износа и повышением долговечности цилиндропоршневой группы двигателей; уменьшением потребности в высококачественных моторных маслах и увеличением срока их бессменной работы в двигателе; большей полнотой сгорания и, как следствие этого, меньшим загрязнением среды. 

К нефтяным относят топлива, изготовленные из природной нефти. Нефтяные топлива являются основными топливами для сов ременных ДВС, что объясняется их преимуществами перед другими видами топлив: освоенностью производства, транспортировки, хранения и подачи в камеру сгорания, относительной простотой смесеобразования и пр. 

К альтернативным топливам относят все виды топлив, для получения которых в качестве основного сырья не использована природная нефть. 

Если смесь нефтяного и альтернативного топлив обладает достаточной физико-химической стабильностью при заданных эксплуатационных условиях, то такое топливо можно рассматривать как нефтяное топливо, в которое введены определенные добавки. В противном случае либо если это рационально по другим техникоэксплуатационным показателям, нефтяное и альтернативное топливо применяют как топлива раздельной подачи. Как показывает само название, под топливами раздельной подачи понимают двух- или более компонентные топлива, отдельные компоненты которых хранят на борту автомобиля раздельно. Смешиваются эти компоненты непосредственно во впускном тракте или в цилиндре двигателя. Применяют топлива раздельной подачи в случае физико-химической нестабильности компонентов при их предварительном смешении, а также при необходимости (или целесообразности) раздельного регулирования расхода отдельных компонентов. Например, для облегчения запуска холодного газового двигателя может использоваться нефтяное топливо, а для увеличения детонационной стойкости бензина на определенных режимах работы двигателя — добавка высокоактивных компонентов только на ЭТИХ режимах и т.п. Недостатком топлив раздельной подачи является усложнение конструкции, вызываемое наличием автономных систем хранения, подачи и регулирования каждого из компонентов топлива. 




2. Основные современные виды топлив



2.1 Твердое топливо 



Горючие вещества, основной составной частью которых является углерод. К твердому топливу относят каменный уголь и бурые угли, горючие сланцы, торф и древесину. Свойства топлива в значительной степени определяются его химическим составом — содержанием углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Одинаковые количества топлива дают при сжигании различное количество теплоты. Поэтому для оценки качества топлива определяют его теплотворную способность, то есть наибольшее количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива (наибольшая теплотворная способность у каменного угля). В основном твердое топливо применяют для получения теплоты и других видов энергии, которые затрачиваются на получение механической работы. Кроме того, из твердого топлива при его соответствующей обработке (перегонке) можно получить более 300 различных химических соединений. Большое значение имеет переработка бурого угля в ценные виды жидкого топлива — бензин и керосин.



2.1.1 Древеси́на 

Состав Основная часть – целлюлоза (до 50 % объема), природный полимер, самая важная часть древесинного вещества. 

Целлюлоза заполнена лигнином. У хвойной древесины его примерно 25…35 % объема древесины, у лиственной меньше – 15…25 %. Лигнин – очень сложное химическое вещество, с трудом отделяемое от целлюлозы. В состав древесины входят еще и гемицеллюлозы, экстрактивные вещества, которые определяют цвет, запах, вкус, стойкость древесины к загниванию, огнестойкость и проницаемость влаги (гигроскопичность). Они служат сырьем для многих очень нужных веществ – красок, эфирных масел, жиров и пр. В зависимости от породы, условий произрастания и заготовки в древесине содержится 5…30 % экстрактивных веществ. 

Общая характеристика

Древесина является горючим материалом, но как органический материал, при горении долго остается прочной. При обугливании поверхности образуется защитный слой, благодаря которому замедляется проникновение огня вглубь древесной ткани. В случае пожара, при горении дерева не образуется едких веществ. 

Применение

На химической переработке древесины основаны многие лесохимические производства (пиролиз и гидролиз раститительных материалов, производство целлюлозы, канифоли, скипидара, дубильных веществ). Применение древесины в качестве химического сырья непрерывно увеличивается.



2.1.2 Горючий сланец 

Состав Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (кальциты, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и др.) и органических частей (кероген), последняя составляет 10…30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50…70 %. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).

Общие характеристики

По внешнему виду горючие сланцы слоистые, реже плотные, массивные, иногда расслаивающиеся на плитки породы темно-серого или коричневого цвета различных оттенков; при воспламенении горят коптящим пламенем. Кероген - продукт превращения в естественных условиях разных материалов растительного и животного происхождения, образовавший отложения сапропелитовой и гумусовой природы.

Различают следующие основные типы: собственно сапропелитовые-кукерситы, в которых преобладают продукты превращения простейших водорослей и животных материалов (залегают главным образом в Прибалтийском бассейне, а также в Волжском и др.); гумито-сапропелитовые, где значительную долю составляют измененные остатки высших растений (распространены в Карпатах и др.). 

Происхождение

Горючие сланцы — порода смешанного обломочного и органогенного происхождения; образуются на дне морей, лагун, озер при одновременном осаждении глинистых частиц, карбонатного вещества и сапропелевого ила с органическими остатками (планктон, высшие растения) в условиях ограниченной циркуляции воды и воздуха. Скопившаяся органическо-минеральная масса постепенно уплотняется и преобразуется в плотную осадочную породу.

Способы добычи

Саратовскими учеными и инженерами разработан и апробирован принципиально новый и экономически безопасный способ добычи и переработки горючих сланцев. Добывать сланцы открытым способом можно, но не всегда и не везде. Строить шахты нерентабельно. Саратовский способ – безшахтный, основанный на создании подземных горизонтальных каналов большого диаметра.

Применение

В промышленности горючие сланцы используют как топливо и химическое сырье , добываемые главным образом в Прибалтийском и Волжском бассейнах (содержат 10…15% влаги, удельная теплота сгорания 6…10 МДж/кг), сжигают в котельных электростанций, на что расходуется 75 % всей добычи сланцев в стране. Зольный остаток от сжигания горючих сланцев применяют для получения вяжущих строит. материалов типа цемента. 

Термической переработкой горючих сланцев в условиях полукоксования (450…550°С) получают смолу (10…30 %), газовый бензин (1,0…1,5 %), пирогенетическую воду и горючие газы с высокой теплотой сгорания. Смола полукоксования кукерситов содержит 20…25 % фенолов, а также парафиновые, алифатические, нафтеновые и ароматические углеводороды. Смола полукоксования горючих сланцев Приволжского бассейна (25…28 % в расчете на кероген) отличается высоким содержанием сераорганических соединений тиофена, бензтиофена; применяется она для приготовления ихтиола. Высокотемпературным коксованием (950…1000 оС) кукерситов производят бытовой газ (350…400 м3/т) с удельной теплотой сгорания 15,9…17,6 МДж/кг, газовый бензин (10 кг/т) и смолу (50 кг/т). Из сланцевой смолы получают антисептики, противоэрозионные препараты, растворители, синтетические смолы, шпалопропиточное масло, дорожный битум, сырье для производства электродного кокса.



2.1.3 Сапропе́ль 

Состав Сапропель содержит кальций, железо, фосфор, биологически активные вещества - витамины, стимуляторы роста, гормоны, антибиотики и другие.

Сапропель состоит из илового раствора, скелета и коллоидного комплекса. В иловый раствор входит вода и растворенные в ней вещества - минеральные соли, низкомолекулярные органические соединения, витамины и ферменты. Скелет, или состав сапропеля представляет собой неразложившиеся остатки растительного происхождения, а коллоидный комплекс - сложные органические вещества, которые придают сапропелю желеобразную консистенцию. 

Общая характеристика 

Рассматривая сапропель под микроскопом, можно увидеть аморфные коллоидальные массы, среди которых встречаются животные и растительные остатки. В зависимости от состава органической и минеральной частей сапропели подразделяют на несколько видов. В одном озере может находиться два-три вида сапропелей. Смена видов сапропелей идет, с одной стороны, по вертикали, в зависимости от глубины залегания сапропеля, с другой - от степени удаленности от берега и характера окружения озера. 

Сапропели разделяются по химическому составу минеральной части как менее изменяющейся: на кремнеземистые, известковистые и смешенного типа. 

По содержанию органического вещества сапропели подразделяет на две группы: на собственно сапропели, содержащие больше чем 50 % органического вещества, и на обедненные органическим веществом сапропели, имеющие его в своем составе 15…50 %. 

Многообразие сапропелевых отложений можно разделить по содержанию в них органического вещества на четыре типа: органические (зольность до 30 %), органо-минеральные (зольность 30…50 %), минерально-органические (зольность 50…70 %) и минерализованные (зольность 70…85 %).

Многообразие классификаций и типологических характеристик сапропелей объясняется сложностью их строения и древностью происхождения. 

Важной особенностью органической части сапропеля является высокое содержание (до 50 %) гуминовых соединений, которые во многом определяют характер и свойства илов данной составной частью. Гуминовые кислоты, содержащиеся в сапропелях, имеют различные уровни химической активности, а от этого зависит бактерицидное действие сапропелей. Более выраженным антимикробным действием обладают гуминовые кислоты кремнеземных сапропелей. Характерной особенностью сапропелей является высокое влагонасыщение в естественном состоянии. Естественная влажность сапропелевых отложений составляют 84,0…96,0 % (в среднем - 88,4 %). Различие влажности объясняются неоднородностью химического состава сапропелей и разным соотношением зольной и органической частей. Органическое вещество способно связывать большее количество воды, чем минерализованное, за счет осмотического проникновения молекул воды и образования водородных связей с функциональными группами твердой фазы сапропелей. 

Следовательно, чем больше органического вещества в сапропеле, тем выше его влажность. В сапропелях отмечают различные категории воды. Основную категорию удерживаемой сапропелем воды (до 70 … 80 % полной влагоемкости) составляет слабосвязанная вода макропор, которая удерживается в материале механически и не обладает сколько-нибудь заметной энергией связи, 12…15 % приходится на воду, иммобилизованную внутри рыхлых коллоидов, 8…15 %-это физически связанная вода, в том числе 3…5 %- прочносвязанная. 

Свободная вода является средой для развития микробиологических и связанных с ними физико-химических процессов в сапропелях, в результате этого в них накапливаются многие вещества, которые затем могут быть извлечены водой. Кроме этого, сильно развитая удельная поверхность сапропелей способствует развитию процессов химического взаимодействия воды с твердой фазой, из которой вода в результате длительного контакта способна насыщаться многими растворимыми органическими и минеральными компонентами. Поэтому химический состав водной фазы озерных отложений отличается более высокой общей минерализацией по сравнению с соответствующей озерной водой, повышенным содержанием свободных и гидролизуемых веществ, отдельных макро- и микроэлементов. 

При оценке сапропелей с позиции их практического использования и переработки важное значение имеет их зольность, то есть количественное содержание и состав золообразующих компонентов. В зависимости от форм связи неорганических элементов с органическим веществом сапропели подразделяются на три группы: первая - неорганические компоненты, отделяемые физическим методом. Эта группа характеризует обогатимость сапропелей; вторая - неорганические компоненты, переходящие в раствор при кислотной и щелочной обработке. Неорганические элементы этой группы важны для выбора области применения сапропелей; третья - прочно связанные неорганические компоненты (органо-минеральные соединения). Содержание зольных элементов первой группы в сапропелях по отношению к общей зольности в кремнеземистых сапропелях достигает 45 %, в карбонатных -14 %, в органических -10 % . 

Сапропели в естественном состоянии - это многокомпонентные полидисперсные системы. Содержание органического вещества в сапропелях составляют 15…95 % массы сухого вещества. Состав органического вещества сапропелей представлен битумоидами, углеводным комплексом (гемицеллюлозы и целлюлозы), гуминовыми веществами (гуминовыми кислотами, фульвокислотами), негидролизуемым остатком. Многообразие природы сапропелеобразователей обусловило появление осадков с различным составом органического вещества, количеством целлюлозы, структуре гуминовых кислот. Если в составе сапропелеобразователей содержится значительное количество водорослевых компонентов, то происходит накопление легкогидролизуемых соединений, возникновение гуминовых кислот амидоуглеводной природы, низкий уровень целлюлозы. 

Гуминовые кислоты являются основной группой биологически активных веществ в сапропелях. В среде сапропелей развивается специфическая микрофлора, которая обогащает их биологически активными веществами, -каротины, хлорофилл, ксантофиллы, стерины, органические кислоты, спирты, гормоноподобные вещества и другие соединения. Ценную группу биологически активных веществ образуют витамины, среди которых выделены в сапропелях различных регионов страны витамины группы В (В1, В2, В3, В6, В12), С, Е. 

Основными компонентами органического комплекса сапропелей являются легкогидролизуемые и гуминовые вещества, на которые приходится 60…80 % органического вещества. Соотношение компонентов в сапропелевых осадках изменяется в больших пределах, в частности, содержание гуминовых кислот изменяется от 4…9 до 50…60 % от органического вещества. 

В органических сапропелях количество органического вещества составляет 70…93% от сухого вещества, в кремнеземистых и карбонатных - 15…60 %, а в смешанных - от 43 до 58 %. Суммарное количество водорастворимых и легкогидролизуемых веществ в сапропелеобразователях от органического вещества составляет 30…60 %, в том числе гемицеллюлоз - 10...27 %, целлюлозы – 9…39 %. Геммицеллюлозные сахара составляют 80 % суммы сахаров, а содержание моносахаридов в составе легкогидролизуемых веществ – 6…8 % от органического вещества и гексоз от суммы сахаров – 42…78 % при соотношении пектоз и гексаз - 1:1-2. Установлено в сапропелях содержание от суммы моносахаридов глюкозы – 11…52 %, галактозы и маннозы - по 6…15, ксилозы – до 15 %, арабинозы и рамнозы - по 10…6 %. В целом сапропели бедны целлюлозой, на которую приходится в среднем 1…2 % от органического вещества и содержание ее колеблется от 0,1 до 8,5 %, что объясняется не только ее небольшим поступлением с растительным материалом, но и значительными превращениями в ходе сапропелеобразования. 

Количество азота в сапропелях различных типов от содержания органического вещества составляет 2,7…6,0 %, а от сухого вещества - 0,5…4,0 %. В органическом веществе сапропелей, содержащем остатки зооорганизмов, количество азота больше и составляет 4,4…4,8 %, тогда как в водорослевых - 3,0…4,2 % и торфянистых - 2,6…3,5 %. Количество аммиачного азота в сапропелях (в пересчете от общего) колеблется от 0,4 до 0,8 %, подвижного - от 3 до 25 % и данные показатели больше в сапропелях с повышенной зольностью. 25…50 % азота входит в состав аминокислот, что обуславливает питательную ценность сапропеля при скармливании его сельскохозяйственным животным и птице. В сапропелях выделено 17 аминокислот, из которых преобладают лизин, аргинин, треонин, метионин, фенилаланин, лейцин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, аланин, пролин, цистеин. Аминокислоты сапропелей в значительной степени входят в состав гуминовых кислот, где азот составляет около 7 %. 

Содержание гемицеллюлоз составляют в среднем 5…8 % и повышается до 8…20 % (от органического вещества) в малозольных сапропелях, имеющих водорослевое происхождение. Содержание целлюлозы в среднем 1…2 % и увеличивается до 4..6 % в торфянистых сапропелях. Углеводный комплекс сапропелей, состоящий на 80 % и более из гемицеллюлоз, предопределяет возможность получения на основе сапропелей кормовых средств и удобрений. 

В сапропелях различных типов содержание золы от сухого вещества колеблется в следующих пределах: в органических - 7…30 %, кремнеземистых 

и карбонатных – 40…85 % и смешанных – 32…56 %. В золе сапропелей содержатся макроэлементы (кальций, фосфор, сера, калий, кремний и др.), микроэлементы (марганец, медь, кобальт, цинк, бор, молибден, кадмий, никель, фтор, хром, ванадий и другие), но их содержание зависит от типовой и видовой принадлежности того или иного отложения. Следует отметить, что содержание минеральных веществ в сапропелях по регионам страны подвержены большим колебаниям и изменениям. В сапропелях микроэлементы входят в органоминеральные соединения, сорбируются гелями кремнезема, глинозема, гидрооксидами железа. Активными комплексообразователями являются фракции гуминовых веществ (гуминовые кислоты, фульвокислоты). Они образуют с микроэлементами растворимые и нерастворимые комплексные соединения.

Происхождение

Сапропель - вещество преимущественно биологического происхождения, образующееся под водой, на дне пресноводных водоемов из остатков планктонных и бентосных организмов, при большой роли бактериальных процессов, происходящих в поверхностных слоях отложений при малом доступе кислорода.

Способы добычи

Гидравлический способ 

С помощью размытия залежи струей воды с последущим всасыванием пульпы и транспортировки ее по плавучему трубопроводу на берег. Обладает большой производительностью, требует больших капитальных затрат и площадей для хранение добытого материала и его подготовки к переработке. Один из самых экологичеси небезопасных способов.

Гидромеханический способ 

Включает рыхление залежи механической фрезой, частичное смешение сапропеля с водой, откачку полученного материала грязевым насосом на поверхность.Один из наиболее распространенных. Отличается хорошей производительностью. Целесообразен для добычи сапропеля идущего на удобрения, кормовые добавки, рекультиванты.

Экскаваторный способ 

Применим в осушаемых озерах и с небольших глубин. Не везде возможен.

Шнековый и пневмо-шнековый способ 

Извлечение сапропеля из дна водоема осуществляется при помощи шнекового насоса с подачей или без нее воздуха для разжижения извлекаемого материала. Один из перспективных методов ведения добычных работ для малого и среднего бизнеса. Отличается незначительной стоимостью оборудования, большим диапазоном по производительности, не требует отстойников и обезвоживания. Возможен забор сапропеля естественной влажности исключает ряд подготовительных стадий между добычей и перерабокой сапропеля. Экономичен.

Точечно-вакуумный способ 

Извлечение сапропеля из-под воды осуществляется вертикальным вакуумным забором цилиндрической формы с запорным механизмом в нижней части. Вакуум в заборе создается в целях исключения загрязнения водоема и смешения сапропеля с водой 

Малопроизводительный способ. Применим для лабораторных работ, добычи сапропеля для кормовых добавок, в лечебных целях, др. экономичен. популярен в фермерских хозяйствах и в оздоровительных грязелечебницах. 

Всасывающий способ

Забор сапропеля с водоема осуществляется с помощью мощных самовсасывающих насосов для перекачки вязких веществ. Его применение целесообразно при наличии сапропеля во взвешенном состоянии незначительной плотности. Становиться популярен после появления на европейском рынке соответствующих малогабаритных и надежных насосов. Перспективный и экономичный при небольших потребностях сапропеля с доставкой его после извлечения на поверхность на небольшие расстояния. 

Скреперно-всасывающий способ 

Забор полезного ископаемого осуществляется скреперным наездом на сапропелевый пласт с последующей откачкой материала самовсасывающим насосом на берег. Применим при плотных залежах сапропеля на незначительной глубине. В основном пригоден для производства сапропелевых удобрения.

Применение

Сапропель как удобрение

Сапропель можно считать наиболее перспективным органическим удобрением. Производится из донных отложений пресноводных водоемов, которые сформировались из отмершей водной растительности, остатков живых организмов, из частиц перегноя, торфа и песка.

Использование ила обеспечивает замкнутый экологических цикл в системе почва-вода-растение-животное-человек с поддержанием круговорота веществ. 

Сапропель как кормовая добавка

Сапропелевая кормовая добавка содержит 16 % белка, богата минеральными солями, аминокислотами и ферментами, которые способствуют более полному использованию питательных веществ кормов, усиливают функции пищеварительного тракта и использование азотистых соединений корма.

Очистка воды при помощи сапропеля

Метод сорбционной очистки воды один из наиболее эффективных способов решения проблемы обеспечения качества питьевой воды. В настоящее время при термической обработке сапропеля получают сорбенты Сибсорбент, Лесорб, Собойл-А и другие.

Использование сапропеля в качестве химического сырья и стройматериалов.

При сухой перегонке из сапропеля можно получать кокс, водный аммиак, метиловый спирт, бензин, парафиновое масло? Сапропель может широко использоваться как клей в производстве древесно-стружечных плит.



2.1.4 Торф 

Состав Органическое вещество состоит из растительных остатков, претерпевших различную степень разложения. Перегной (гумус) придает торфу тёмную окраску. Относительное содержание в общей массе торфа продуктов распада растительных тканей, утративших клеточную структуру, называют степенью разложения торфа. Торф имеет сложный химический состав, который определяется условиями генезиса, химическим составом растений-торфообразователй и степенью разложения. Элементный состав торфа: углерод 50…60 %, водород 5…6,5 %, кислород 30…40 %, азот 1..3 %, сера 0,1…1,5 % (иногда 2,5) на горючую массу. В компонентном составе органической массы содержание водорастворимых веществ 1…5 %, битумов 2…10 %, легкогидролизуемых соединений 20…40 %, целлюлозы 4…10 %, гуминовых кислот 15…50 %, лизинга 5…20 %. Торф – сложная полидисперсная многокомпонентная система. Текстура торфа – однородная, иногда слоистая; структура обычно волокнистая или пластичная (сильноразложившийся торф). Цвет жёлтый или бурый до чёрного. 

Общие характеристики

Торф подразделяется на виды по группировке растений и условиям образования, а также на типы:

Верхово́й торф — образован олиготрофной растительностью (сосна, пушица, сфагнум, вереск) при переувлажнении, вызванном преимущественно атмосферными осадками. Плохое удобрение, поскольку беден. Содержит зольные элементы 1…5 %, органических веществ — 99 …95 %, pH = 2,8…3,6. Химический состав: азотистых веществ — 0,9…1,2 %, P2O5 — 0,03…0,2, K2O — 0,05…0,1, CaO — 0,1…0,7, Fe2O3 — 0,03…0,5 %. Окраска изменяется с повышением степени разложения от светло-желтой до темно-коричневой. Используется как топливо или теплоизоляция.

Низи́нный торф — образован эутрофной растительностью (ольха, осока, мох) при переувлажнении грунтовыми водами. Зольность 6…18 %. Преобладают серые оттенки, переходящие в землисто-серый цвет. Хорошее удобрение.

Также выделяется торф переходного типа. Переувлажнение грунтовыми водами, бедными минеральными солями. Зольность 4…6 %.

Происхождение

Происхождение торфа связано с накоплением остатков отмершей растительности, надземные органы которой гумифицируются и минерализуются в поверхностном аэрируемом слое болота, называемом торфогенным горизонтом, почвенными беспозвоночными животными, бактериями и грибами. Подземные органы, находящиеся в анаэробной среде, консервируются в ней и образуют структурную (волокнистую) часть торфа. Интенсивность распада растений - торфообразователей в торфогенном слое зависит от вида растения, обводненности, кислотности и температуры среды, от состава поступающих минеральных веществ. Несмотря на ежегодный прирост отмершей органической массы, торфогенный горизонт не прекращает своего существования, являясь природной "фабрикой" торфообразования. Поскольку на торфяных месторождениях произрастает много видов растений, образующих характерные сочетания (болотные фитоценозы), и условия среды их произрастания отличаются по минерализации, обводнённости, реакции среды, сформировавшийся торф на разных участках торфяных болот обладает различными свойствами.

Известен так называемый погребённый торф, который отложился в периоды между оледенениями или оказался перекрытым рыхлыми отложениями разной мощности в результате изменения базиса эрозии. Возраст погребенного торф исчисляется десятками тысячелетий; в отличие от современного, погребенный торф характеризуется меньшей влажностью.

Способы добычи

На сегодняшний день освоены современнейшие технологии разработок торфяных залежей. Нами активно применяется уникальный способ добычи торфа с использованием пассивных фрез. 

Добыча торфа сложный и многоэтапный процесс. Разработке предшествуют осушение и подготовка поверхности. С поверхности залежи удаляется древесная, а иногда и моховая растительность, разрабатываемый слой залежи освобождается от древесных включений. Разделённая кортовыми канавами и валовыми каналами на определённые участки (карты) поверхность поля планируется в продольном направлении перпендикулярно валовым каналам и профилируется с поперечным уклоном в сторону кортовых канав шнековым профилировщиком. Удаление древесной растительности при подготовке включает срезку (валку) деревьев и кустарника с одновременным пакетированием и укладкой деревьев в пакетах на поверхность залежи специальной машиной. Пни и древесные включения корчевальными машинами извлекаются из залежи или перерабатываются машинами глубокого фрезерования с последующей сепарацией и вывозкой древесных остатков за пределы полей.

Основными технологическими операциями фрезерного способа добычи торфа являются: фрезерование, то есть измельчение верхнего слоя залежи, сушка фрезерованного торфа, уборка и штабелирование готового торфа. 

Использование при добыче торфа пассивных фрез позволяет сохранить исходные ценнейшие свойства торфа. Данная технология добычи торфа обеспечивает сохранность природной, то есть длинноволокнистой структуры торфа и существенно уменьшает долю пылевой фракции.

Применение

Торф с древних времен привлекал внимание человека. Упоминания о торфе как "возгораемой земле", которой западноевропейцы пользовались для нагревания еды, случаются еще в трудах римского историка Плиния Старшего (I ст. н. э.). В странах Западной Европы добыча и использование торфа широко развивались в XII—XVIII столетиях. В России торфяное топливо впервые по достоинству оценил Петр I, который в 1696 году отдал приказ добывать торф в Воронеже и искать его в окрестностях Азова, как "в местах бездровних".

Постепенно торф стали использовать в качестве торфяного кокса, а также при выработке осветительного газа. Начало промышленного производства торфяного полукокса и смолы пришлось на конец XIX — начало ХХ столетия

В СССР в годы индустриализации и Великой Отечественной войны торф играл решающее значение как энергоноситель на заводах Урала и Сибири. Так, на Уралмашзаводе в Свердловске существовала газогенераторная станция, на которой методом пиролиза из торфа получали горючий газ. Этот газ использовался во всех технологических процессах при производстве вооружений, включая газосварку и плавильное производство. Непосредственно после Великой отечественной войны пятилетними планами промышленного развития СССР предусматривалось интенсивное развитие торфяной топливной промышленности. Позже, с открытием и освоением Западно-Сибирской нефтегазовой провинции, роль торфа в энергетике СССР постепенно снижается.

Последним крупным проектом энергетического применения торфа было строительство и эксплуатация энергоблока Ново-Свердловской ТЭЦ на торфе с сжиганием 5 млн тонн торфа в год. В начале 80-х годов от использования торфа отказались в силу экологических причин и энергоблок перевели на природный газ.

Сегодня торф используют в сельском хозяйстве и животноводстве, медицине, биохимии и энергетике. Развитие современных производственных технологий позволяет получать очень плодородные грунты для выращивания пищевых растений, удобрения, стимуляторы роста растений, изоляционные и упаковочные материалы, активный уголь, графит и тому подобное.



2.1.5 У́голь 

Состав Основные слагающие угля — это органические компоненты и минеральные включения. Органические компоненты, различаемые под микроскопом, с характерными морфологическими признаками, цветом и показателем отражения именуются микрокомпонентами (мацералами). Минеральные включения в углях — глинистые минералы, сульфиды железа, карбонаты, оксиды кремния и другие. Глинистые минералы в среднем составляют примерно 60…80% общего количества минеральных веществ. Чаще всего они представлены иллитом, серицитом, монтмориллонитом, каолинитом. Реже отмечается галлуазит. В угольных пластах иногда содержатся прослои тонштейнов, в которых главным породообразующим минералом является каолинит. Из сульфидов железа наиболее характерны пирит, марказит и мельниковит. Карбонаты представлены кальцитом, сидеритом, доломитом, анкеритом. Кальцит часто образует тонкие прослойки либо заполняет трещины в угле. Сидерит встречается в виде округлых или овальных образований (оолитов) или заполняет полости растительных фрагментов. Оксиды кремния представлены в углях кварцем, халцедоном, опалом и другими минералами. Халцедон встречается сравнительно реже, обычно совместно с кварцем. Прочие минеральные включения представляют в основном гидрооксиды железа, фосфаты, полевые шпаты, соли. 

Общая характеристика

В России в зависимости от стадии метаморфизма различают: бурые угли, каменные угли, антрациты и графиты. Интересно, что в западных странах имеет место несколько иная классификация: соответственно, лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты.

-Бурые угли. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра.

-Каменные угли. Содержат до 12 % влаги (3…4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания. Содержат до 32 % летучих веществ, за счет чего неплохо воспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.

-Антрациты. Почти целиком (96 %) состоят из углерода. Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров. Используются в основном в химической промышленности

-Графиты минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический). Слои слабоволнистые почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые. Образует листоватые и округлые радиально-лучистые агрегаты, реже — агрегаты концентрически-зонального строения.

Происхождение

Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода, накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей оценивается примерно в 350 миллионов лет.

Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создается в болотах, где стоячая вода, обедненная кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определенной стадии процесса выделяемые в ходе его кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф — исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в уголь.

Под давлением наслоений осадков толщиной в 1 километр из 20-метрового слоя торфа получается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра. На большей глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.

В результатах движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счет эрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности.

Способы добычи

Способы добычи угля зависят от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при все большем углублении угольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторождения подземным способом. Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с уровня чуть более 1200 метров.

В угленосных отложениях наряду с углем содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырье для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Например, некоторые угли обогащены германием.

Применение

В Англии в 1735 году научились выплавлять чугун на коксе. Применение каменного угля многообразно. Он используется как бытовое, энергетическое топливо, сырье для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Очень перспективным является сжижение (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. 



2.1.6 Битуминозные пески 

Состав Горючее полезное ископаемое, органическая часть которого представляет собой природный битум.

Общие характеристики

По содержанию битума делятся на богатые, или интенсивные (более 10 % по массе битума), средние (5…10 %) и тощие (до 5 %). Битумы подразделяют на несколько типов: мальты (вязкие жидкости, плотностью 0,86…1,03 г/см3, динамичной вязкость 10 Па); асфальты (твердые легкоплавкие вещества, плотностью 1,03…1,10 г/см3, температура плавления < 100 °С); асфальтиты (твердые вещества, плотность 1,05…1,20 г/см3, температура плавления 100…300 °С); кериты (твердые неплавкие вещества, плотность 1,7…2,0 г/см3). Содержание смолисто-асфальтеновых веществ в битумах этих типов составляет (%) соответственно 35…60, 60…75, 75…90 и более 90. В битумах обнаружено свыше 25 химических элементов.

Битум из песков Атабаски (Канада) имеет следующие свойства: плотность 0,97 г/см3, кинематическая вязкость 3Ч10-3 м2/с (40 °С); содержание S - 3,80 %, N - 0,6 %, Fe - 0,044 %, V - 0,02 %, Ni - 0,006 %; зольность - 0,7 %; содержание фракций, выкипающих в пределах 195…345 °С, - 13 %, выше 345°С – 87 %.

Способы добычи

Битум из песков, добытых карьерным или шахтным методом, извлекают горячей флотацией водными растворами гидроксидов, карбонатов или силикатов щелочных металлов, а также экстракцией органическими растворителями (низкокипящие ароматические, парафиновые, нафтеновые углеводороды, бензин, керосин, спирты, альдегиды).

Применение

Извлеченные битумы и сами битуминозные пески используют при строительстве дорог и различных сооружений. В результате комплексной переработки битума, первой стадией которой является коксование, получают кокс, Н2, углеводороды Cl-C4, синтетическое жидкое топливо, смазочные масла, серу и ванадий. Так, из 1 м песков Атабаски извлекают 159 л битума, из которогорого коксованием вырабатывают 135 л жидкого топлива, 15,6 м3 газа, 15 кг кокса и 5,9 кг серы. Минеральная часть битуминозных песков – строительные материалы.

Жидкие топлива



Просты в транспортировке, но при этом велики потери при испарении, разливах и утечках.



2.2.1 Нефть 

Состав В зависимости от месторождения нефть имеет различный качественный и количественный состав. Представляет собой маслянистую жидкость, более легкую, чем вода, почти нерастворимая в ней и по элементарному составу содержащая преимущественно углеводороды с подмесью небольшого количества кислородных, сернистых, азотистых и минеральных соединений, что видно не только по элементарному составу, но и по всем свойствам углеводородов. 

Общие характеристики

Бывает иногда почти черного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в желто-зеленый цвет и даже бесцветная нефть, имеет специфический запах, распространена в осадочной оболочке Земли. Средняя молекулярная масса 220…300 г/моль (редко 450…470). Плотность 0,65…1,05 (обычно 0,82…0,95) г/смі; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется легкой, 0,831…0,860 — средней, выше 0,860 — тяжелой. Плотность нефти, как и других углеводородов, сильно 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 °C, реже ≥ 100 °C в случае тяжелых не́фтей) и фракционным составом — выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом в определенных температурных пределах, как правило до 450…500 °С (выкипает ~ 80 % объема пробы), реже 560…580 °С (90…95 %). Температура кристаллизации от −60 до + 30 °C; зависит преимущественно от содержания в нефти парафина (чем его больше, тем температура кристаллизации выше) и легких фракций (чем их больше, тем эта температура ниже). Вязкость изменяется в широких пределах (от 1,98 до 265,90 ммІ/с для различных не́фтей, добываемых в России), определяется фракционным составом нефти и ее температурой (чем она выше и больше количество легких фракций, тем ниже вязкость), а также содержанием смолисто-асфальтеновых веществ (чем их больше, тем вязкость выше). Удельная теплоемкость 1,7…2,1 кДж/(кг∙К); удельная теплота сгорания (низшая) 43,7…46,2 МДж/кг; диэлектрическая проницаемость 2,0…2,5; электрическая проводимость от 2∙10-10 до 0,3∙10−18 Ом−1∙см

Происхождение 

Выдвинуто много теорий, объясняющих происхождение нефти, из них основные - органическая (биогенная) и неорганическая (абиогенная). Большинство ученых в России и за рубежом являются сторонниками концепции биогенного образования нефти. 

Согласно органической теории, нефть - жидкая гидрофобная фаза продуктов фоссилизации (захоронения) органические вещества (керогена) в водно-осадочных отложениях. Нефтеобразование представляет собой многостадийный, весьма продолжительный (обычно много млн. лет) процесс, начинающийся еще в живом веществе. Обязательное его требование - существование крупных областей погружения земной коры (осадочных бассейнов), в ходе развития которых породы, содержащие органическое вещество, могли достичь зоны с благоприятными термобарическими условиями для образования нефти. Основное исходное вещество нефти - планктон, обеспечивающий наибольшую биопродукцию в водоемах и накопление в осадках органические вещества сапропелевого типа, характеризуемого высоким содержанием водорода. Генерирует нефть также гумусовое вещество, образующееся главным образом из растительных остатков.

К неорганическим теориям происхождения нефти относятся минеральная, или карбидная (Д.И.Менделеев, 1877), космическая (В. Д. Соколов, 1889), вулканическая (Ю. Кост, 1905). Общее для этих и менее распространенных неорганических теорий - синтез углеводородов путем взаимодействия карбидов металлов с водой и компанентами (идея Менделеева), а также по схеме Фишера-Тропша из водорода и оксидов углерода.

Применение

Сырая нефть непосредственно почти не применяется. Для получения из нее технически ценных продуктов, главным образом моторных топлив, растворителей, сырья для химической промышленности, ее подвергают переработке. Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом балансе: доля ее в общем потреблении энергоресурсов составляет 48 %. В перспективе эта доля будет уменьшаться вследствие возрастания применения атомной и иных видов энергии, а также увеличения стоимости и уменьшения добычи.

В связи с быстрым развитием в мире химической и нефтехимической промышленности, потребность в нефти увеличивается не только с целью повышения выработки топлив и масел, но и как источника ценного сырья для производства синтетических каучуков и волокон, пластмасс, моющих средств, пластификаторов, присадок, красителей и др. (более 8 % от объема мировой добычи). Среди получаемых из нефти исходных веществ для этих производств наибольшее применение нашли: парафиновые углеводороды — метан, этан, пропан, бутаны, пентаны, гексаны, а также высокомолекулярные (10…20 атомов углерода в молекуле); нафтеновые; ароматические углеводороды — бензол, толуол, ксилолы, этилбензол; олефиновые и диолефиновые — этилен, пропилен, бутадиен; ацетилен. Нефть уникальна именно комбинацией качеств: высокая плотность энергии (на тридцать процентов выше, чем у самых качественных углей), нефть легко транспортировать (по сравнению с газом или углем, например), наконец, из нефти легко получить массу вышеупомянутых продуктов. Истощение ресурсов нефти, рост цен на нее и др. причины вызвали интенсивный поиск заменителей жидких топлив.

Способы добычи

Породы с крупными порами, в которых собирается нефть, называются резервуарными или коллекторами. Поры между частицами заполняются смесью нефти, газа и воды; эта смесь в процессе уплотнения выжимается и тем самым принуждается к миграции из пор пород.

Существуют три, самых распространённых, способа добычи нефти:

▪ фонтанный - он же самый простой способ добычи. После того как скважина пробурена и освоена необходимо начать добывать из нее нефть. Хотя нужно отметить, что не из всех даже эксплуатационных скважин добывается нефть. Существуют так называемые нагнетательные скважины. В них наоборот закачивается только не нефть, а вода. Это необходимо для эксплуатации месторождения в целом и об этом мы поговорим попозже. Как правило, фонтанируют скважины только в начале своего жизненного цикла, т.е. сразу после бурения. Через некоторое время давление в пласте снижается и фонтан иссякает. Конечно, если бы на этом прекращалась эксплуатация скважины, то под землей оставалось бы более 80 % нефти. В процессе освоения скважины в нее опускается колонна насосно-компрессорных труб (НКТ). Если скважина эксплуатируется фонтанным способом, то на поверхности устанавливают специальное оборудование – фонтанную арматуру. После того, когда давление в скважине уменьшится, и скважина начнет давать совсем мало нефти, как посчитают специалисты, ее переведут на другой способ эксплуатации.

▪ газлифтный – специфичный способ добычи. После прекращения фонтанирования из-за нехватки пластовой энергии переходят на механизированный способ эксплуатации скважин, при котором вводят дополнительную энергию извне (с поверхности). Одним из таких способов, при котором вводят энергию в виде сжатого газа, является газлифт. Газлифт (эрлифт) — система, состоящая из эксплуатационной (обсадной) колонны труб и опущенных в нее НКТ, в которой подъем жидкости осуществляется с помощью сжатого газа (воздуха). Иногда эту систему называют газовый (воздушный) подъемник. Способ эксплуатации скважин при этом называется газлифтным. По схеме подачи от вида источника рабочего агента — газа (воздуха) различают компрессорный и бескомпрессорный газлифт, а по схеме действия — непрерывный и периодический газ лифт. В затрубное пространство нагнетают газ высокого давления, в результате чего уровень жидкости в нем будет понижаться, а в НКТ — повышаться. Когда уровень жидкости понизится до нижнего конца НКТ, сжатый газ начнет поступать в НКТ и перемешиваться с жидкостью. В результате плотность такой газожидкостной смеси становится ниже плотности жидкости, поступающей из пласта, а уровень в НКТ будет повышаться. Чем больше будет введено газа, тем меньше будет плотность смеси и тем на большую высоту она поднимется. При непрерывной подаче газа в скважину жидкость (смесь) поднимается до устья и изливается на поверхность, а из пласта постоянно поступает в скважину новая порция жидкости.

▪ насосный – часто применяемый способ добычи. При помощи него добывается около 85 % всей добываемой на нашей планете нефти. Глубина нефтяных скважин может варьироваться от нескольких десятков (очень редко) и сотен метров до нескольких километров. Ширина скважин может достигать величины от 10 см до 1метра. На территории России залежи нефти находятся на очень больших глубинах – от 1000 до 5000 метров. Важные нефтегазоносные области окружают Мексиканский залив и продолжаются в его подводную часть. Они включают богатые месторождения Техаса и Луизианы, Мексики, о.Тринидад, побережья и внутренних районов Венесуэлы. Крупные нефтегазоносные области располагаются в обрамлении Черного, Каспийского и Красного морей и Персидского залива. Эти районы включают богатые месторождения Саудовской Аравии, Ирана, Ирака, Кувейта, Катара и Объединенных Арабских Эмиратов, а также Баку, Туркмении и западного Казахстана. Нефтяные месторождения островов Борнео, Суматра и Ява составляют основные зоны полезных ископаемых Индонезии. Открытие в 1947 нефтяных месторождений в Западной Канаде и в 1951 в Северной Дакоте положило начало новым важным нефтегазоносным провинциям Северной Америки. В 1968 были открыты крупнейшие месторождения у северного побережья Аляски. В начале 1970-х годов крупные нефтяные месторождения были обнаружены в Северном море у берегов Шотландии, Нидерландов и Норвегии. Небольшие нефтяные месторождения имеются на побережьях большинства морей и в отложениях древних озер. Конечно же сейчас нефть не добывают, просто дожидаясь когда же она заполнит природный колодец или выжимая известковые породы, пропитанные углеводородами. В реальных условиях способ доступа к нефтяным месторождениям мало чем изменился по отношению к чуть более чем вековой давности.



2.2.2 Масло 

Общие характеристики Cобирательное название ряда химических веществ или смесей веществ, не растворяющихся в воде. Основных групп "масел" три: некоторые "масла" являются жирами, другие — продуктами переработки нефти, выделяется также важная группа — эфирные масла. Все масла в той или иной степени гидрофобны (или, что то же — липофильны). Многие масла находятся в жидкой фазе при нормальных условиях (кроме кокосового, сливочного). Эмульгаторы позволяют создавать смеси масел с водой.

Применение

-Съедобные растительные и животные масла широко используются в приготовлении пищи.

-Применяются как растворители витаминов и ароматических веществ

-Топливо

-Смазочные материалы, составляющие смазочно-охлаждающих технических средств (СОТС/СОЖ) в металлообработке

-Рабочие жидкости гидропривода

-теплоносители в тепловом оборудовании (теплотехнике)

-Электроизоляция трансформаторов, реакторного оборудования, масляных выключателей (а в последних - также в качестве дугогасящей среды)

-Материалы в изобразительном искусстве (Живопись масляными красками)

топливо ядерный ракетный добыча

2.2.3 Спирты́ 

Состав Органические соединения, содержащие одну или несколько гидроксильных групп (гидроксил, OH), непосредственно связанных с насыщенным атомом углерода, находящемся в состоянии sp3 гибридизации. Спирты можно рассматривать как производные воды H2O, в которых один атом водорода замещен на органическую функциональную группу: R-OH.

Общие характеристики

Классификация спиртов разнообразна и зависит от того, какой признак строения взят за основу.

1. В зависимости от количества гидроксильных групп в молекуле спирты делят на:

а) одноатомные (одержат одну гидроксильную ОН-группу), например, метанол СН3ОН, этанол С2Н5ОН, пропанол С3Н7ОН

б) многоатомные (две и более гидроксильных групп), например, этиленгликоль HO–СH2–CH2–OH, глицерин HO–СH2–СН(ОН)–CH2–OH, пентаэритрит С(СН2ОН)4.

2. По типу атома углерода, с которым связана группа ОН, спирты делят на:

а) первичные, у которых ОН-группа связана с первичным атомом углерода. Первичным называют атом углерода (выделен красным цветом), связанный всего с одним углеродным атомом. Примеры первичных спиртов – этанол СH3–CH2–OH, пропанол СH3–CH2–CH2–OH.

б) вторичные, у которых ОН-группа связана с вторичным атомом углерода. Вторичный атом углерода (выделен синим цветом) связан одновременно с двумя атомами углерода, например, вторичный пропанол, вторичный бутанол.

в) третичные, у которых ОН-группа связана с третичным атомом углерода. Третичный углеродный атом (выделен зеленым цветом) связан одновременно с тремя соседними атомами углерода, например, третичный бутанол и пентанол.

3. По строению органических групп, связанных ОН-группой, спирты подразделяют на предельные (метанол, этанол, пропанол), непредельные, например, аллиловый спирт СН2=СН–СН2–ОН, ароматические (например, бензиловый спирт С6Н5СН2ОН), содержащие в составе группы R ароматическую группу.

Непредельные спирты, у которых ОН-группа "примыкает" к двойной связи, т.е. связана с атомом углерода, участвующим одновременно в образовании двойной связи (например, виниловый спирт СН2=СН–ОН), крайне нестабильны и сразу же изомеризуются в альдегиды или кетоны: 

Получение спиртов

Химический способ

Занимая одну из центральных позиций в органической химии, спирты могут быть получены из множества других соединений. На практике в качестве исходных веществ для синтеза спиртов наиболее часто используют алкилгалогениды — щелочной гидролиз или реакция с супероксидом калия; алкены — кислотная гидратация, реакция гидроксимеркурирования - демеркурирования или гидроборирование с последующим окислением, а также промышленные методы оксо-синтеза; карбонильные соединения — восстановление или взаимодействие с реактивами Гриньяра.

Применение спиртов 

Способность спиртов участвовать в разнообразных химических реакциях позволяет их использовать для получения всевозможных органических соединений: альдегидов, кетонов, карбоновых кислот простых и сложных эфиров, применяемых в качестве органических растворителей, при производстве полимеров, красителей и лекарственных препаратов.

Метанол СН3ОН используют как растворитель, а также в производстве формальдегида, применяемого для получения фенолформальдегидных смол, в последнее время метанол рассматривают как перспективное моторное топливо. Большие объемы метанола используют при добыче и транспорте природного газа. Метанол – наиболее токсичное соединение среди всех спиртов, смертельная доза при приеме внутрь – 100 мл.

Этанол С2Н5ОН – исходное соединение для получения ацетальдегида, уксусной кислоты, а также для производства сложных эфиров карбоновых кислот, используемых в качестве растворителей. Кроме того, этанол – основной компонент всех спиртных напитков, его широко применяют и в медицине как дезинфицирующее средство.

Бутанол используют как растворитель жиров и смол, кроме того, он служит сырьем для получения душистых веществ (бутилацетата, бутилсалицилата). В шампунях он используется как компонент, повышающий прозрачность растворов.

Бензиловый спирт С6Н5–CH2–OH в свободном состоянии (и в виде сложных эфиров) содержится в эфирных маслах жасмина и гиацинта. Он обладает антисептическими (обеззараживающими) свойствами, в косметике он используется как консервант кремов, лосьонов, зубных эликсиров, а в парфюмерии - как душистое вещество.

Фенетиловый спирт С6Н5–CH2–CH2–OH обладает запахом розы, содержится в розовом масле, его используют в парфюмерии.

Этиленгликоль HOCH2–CH2OH используют в производстве пластмасс и как антифриз (добавка, снижающая температуру замерзания водных растворов), кроме того, при изготовлении текстильных и типографских красок.

Диэтиленгликоль HOCH2–CH2OCH2–CH2OH используют для заполнения тормозных гидравлических приспособлений, а также в текстильной промышленности при отделке и крашении тканей.

Глицерин HOCH2–CH(OH)–CH2OH применяют для получения полиэфирных глифталевых смол, кроме того, он является компонентом многих косметических препаратов. Нитроглицерин – основной компонент динамита, применяемого в горном деле и железнодорожном строительстве в качестве взрывчатого вещества.

Пентаэритрит (HOCH2)4С применяют для получения полиэфиров (пентафталевые смолы), в качестве отвердителя синтетических смол, как пластификатор поливинилхлорида, а также в производстве взрывчатого вещества тетранитропентаэритрита.

Многоатомные спирты ксилит НОСН2–(СНОH)3–CН2ОН и сорбит НОСН2– (СНОН)4–СН2OН имеют сладкий вкус, их используют вместо сахара в производстве кондитерских изделий для больных диабетом и людей страдающих от ожирения. Сорбит содержится в ягодах рябины и вишни.



2.3 Газообразные топлива



Еще более транспортабельны, при этом еще большие потери, а также при нормальных условиях ниже энергетическая плотность.



2.3.1 Пропа́н

Состав C3H8 — органическое вещество класса алканов.

Обшие харастеристики

Бесцветный газ без запаха; tпл. -187,69 °С, температура кипения -42,07 °С; 1,3378; tкрит 96,84 °С, pкрит 4,24 МПа, dкрит 220,5 кг/м3; h (жидкости, мПа·с) 1,02 (140 °С), 0,204 (-40°С), g 0,0072 Н/м (20 °С); давление пара (кПа); 0,027 (-140 °С), 13,01 (-80 °С), 472(0°С), 3775 (90 °С); 1,654 кДж/(кг·К); 18,83 кДж/моль, — 2202,0 кДж/моль, -104,6кДж/моль; - 24,267 кДж/моль; 6,133 кДж/(кг·К); теплопроводность жидкости [Вт(м·К)] 0,1947 (-140°С), 0,01159 (40 °С), 0,02024 (48,9 °С); растворяется в диэтиловом эфире, бензоле, хлороформе, растворимость в воде 6,5 мл газа в 100 мл воды (18 °C). Дает бинарные азеотропы (т. кип., % пропана по массе): с аммиаком (-44 °С, 5…10 %), ацетонитрилом (55°С при 1,9 МПа, 2,2 %) и др., с водой образует кристаллогидрат (предельная температура существования 5,5 °С при 0,48 МПа).

 При термическом крекинге (750…820 °С) разлагается с образованием метана, этана, этилена и пропилена; преобладает реакция образования этилена: С3Н8 : СН4 + С2Н4. Каталитическое дегидрирование на Сr2О3 при 575 °С приводит к пропилену 95 %-ной чистоты. Пиролиз смеси пропана и этана с рециклом фракции С3 при 775…900 °С и давлении 0,1 МПа используют для получения низших олефинов. При окислении пропана (250…500 °С, 0,1…10,0 МПа) образуются низшие спирты и альдегиды, ацетон, муравьиная и пропионовая кислоты; при нитровании (390…480 °С, 0,1 МПа) - смесь нитропарафинов: нитрометан – 9 %, нитроэтан – 26 %, 1 – нитропропан – 32 %, 2 – нитропропан – 33 %; последние используют как растворители и сырье в тонком органическом синтезе. Термическое хлорирование пропана (250…350 °С) приводит к трудноразделяемой смеси моно- и дихлорпропанов, при повышении температуры до 400…500 °С образуются хлорпропены; исчерпывающее хлорирование в избытке хлора при 550…600 °С - один из промышленных методов получения перхлорэтилена и СС14.

Вредно влияет на центр. нервную систему, при попадании на кожу жидкий пропан может вызвать обморожение.

Происхождение

Пропан содержится в природе газе (0,1…11,0 % по массе); в попутных газах нефтедобычи и нефтепереработки, например в газах каталитического крекинга (16…20%), в газообразных продуктах гидрогенизации бурых, каменных углей и каменноугольной смолы (до 80 %); образуется при синтезе углеводородов по методу Фишера - Тропша. 

Способы добычи

Из промышленных газов пропан выделяют ректификацией под давлением, адсорбцией на активированный угле или масляной адсорбцией; выход пропана достигает 98 %. Основной промышленный метод получения пропана (наряду с низшими олефинами) - пиролиз углеводородов в трубчатых печах с добавкой водяного пара.

Применение

Применяют пропан в качестве растворителя для депарафинизации при выделении твердых парафинов из нефти, при производстве сажи из газообразных парафиновых углеводородов, в промышленных холодильниках как хладагент. Широко используется как бытовой и топливный газ и бездымное моторное топливо для автомобилей. Благодаря высокой температуре пламени (1980 °С в воздухе) применяется для некоторых видов газопламенной обработки металлов. Пропан – сырье в производстве этилена и пропилена, нитрометана.



Бута́н

Состав C4H10 — органическое соединение класса алканов.

В химии название используется в основном для обозначения н-бутана. Такое же название имеет смесь н-бутана и его изомера изобутана CH(CH3)3. Название происходит от корня бут- (английское название масляной кислоты — butyric acid) и суффикса -ан (принадлежность к алканам).

Общие характеристики

Бесцветный горючий газ, без запаха, легко сжижаемый (ниже 0 °С и нормальном давлении или при повышенном давлении и обычной температуре — легколетучая жидкость). Растворимость в воде — 6,1 мг в 100 мл воды (для н-бутана, при 20 °C, значительно лучше растворяется в органических растворителях). Может образовывать азеотропное соединение с водой при температуре около 100 °C и давлении 10 атм

Происхождение

Бутаны – типичные насыщенные алифатичные углеводороды. Содержатся в газовом конденсате и нефтяных газах в количествах (в зависимости от месторождения, % по массе): н-бутан - 0,12…6,54 и 0,16..12,1, изо-бутан - 0,56…0,72 и 0,27…6,01 соответственно.

Способы добычи

В промышленности бутаны выделяют из указанных природных источников и из продуктов каталитического крекинга и гидрокрекинга нефтяных фракций с последней ректификацией. В промышленности изо-бутан получают также из н-бутана; основной способ - каталитическая изомеризация: н-бутан изо-бутан [k1 1,27 (400 К) и 0,84 (500 К)]. Реакцию осуществляют в газовой фазе (150..200 °С, 1,4…2,8 МПа; кат. - Pt на носителе; выход 58…60 % по объему за проход) или в жидкой фазе (50…130 °С, 2,1 МПа; кат. - А1С13; выход 60 %). В наиболее распространенном процессе из бутановой фракции выделяют изо-бутан, а н-бутан смешивают с Н2, нагревают и подвергают изомеризации в газовой фазе. Из продуктов реакции извлекают изо-бутан после охлаждения и отделения фракции, содержащей Н2, которрую возвращают в реактор. В отечественном процессе изомеризацию н-бутана осуществляют в жидкой фазе при 180…220 °С, давлении 3,5…4,0 МПа, мольном соотношении Н2: н-бутан = 1:1; выход изо-бутана за проход 49 % (по массе). На производство 1 т изо-бутана расходуется 1,109 т бутановой фракции, 0,0105 т Н2.

Применение

При свободнорадикальном хлорировании образует смесь 1-хлор- и 2-хлорбутана. Их соотношение хорошо объясняется разницей в прочности С-Н связей в позиции 1 и 2 (425 и 411 кДж/моль). При полном сгорании на воздухе образует углекислый газ и воду. Бутан применяется в смеси с пропаном в зажигалках, в газовых баллонах в сжиженном состоянии, где он имеет запах, так как содержит специально добавленные одоранты. При этом используются "зимние" и "летние" смеси с различным составом. Теплота сгорания 1 кг — 45,7 МДж (12,72 кВт·ч).

Бутан высокой чистоты и особенно изобутан может быть использован в качестве хладагента в холодильных установках. Производительность таких систем немного ниже, чем фреоновых. Бутан безопасен для окружающей среды, в отличие от фреоновых хладагентов. В пищевой промышленности бутан зарегистрирован в качестве пищевой добавки E943a, а изобутан — E943b, как пропеллент, например, в дезодорантах. Также применяется в рекреационных целях, так как вызывает галлюцинации.




3. Нетипичные топлива



3.1 Я́дерное то́пливо 



Bещество, которое используется в ядерных реакторах для осуществления цепной ядерной реакции деления.

Общая характеристика

Цепная ядерная реакция представляет собой деление ядра на две части, называемые осколками деления, с одновременным выделением нескольких (2…3) нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер. Такое деление происходит при попадании нейтрона в ядро атома исходного вещества. Образующиеся при делении ядра осколки деления обладают большой кинетической энергией. Торможение осколков деления в веществе сопровождается выделением большого количества тепла. Осколки деления — это ядра, образовавшиеся непосредственно в результате деления. Осколки деления и продукты их радиоактивного распада обычно называют продуктами деления. Ядра, делящиеся нейтронами любых энергий, называют ядерным горючим (как правило, это вещества с нечетным атомным числом). Существуют ядра, которые делятся только нейтронами с энергией выше некоторого порогового значения (как правило, это элементы с четным атомным числом). Такие ядра называют сырьевым материалом, так как при захвате нейтрона пороговым ядром образуются ядра ядерного горючего. Комбинация ядерного горючего и сырьевого материала называется ядерным топливом.

Получение

Урановое топливо

Урановое ядерное топливо получают переработкой руд. Процесс происходит в несколько этапов:

Для бедных месторождений: В современной промышленности в силу отсутствия богатых урановых руд (исключения составляют канадские месторождения несогласия, где концентрация урана доходит до 3 % и австралийских с содержанием урана до 3 %) используется способ подземного выщелачивания руд. Это исключает дорогостоящую добычу руды. Предварительная подготовка идет непосредственно под землей. Через закачные трубы под землю над месторождением закачивается серная кислота, иногда с добавлением солей трехвалентного железа (для окисления урана U(IV) до U(VI)), хотя руды часто содержат железо и пиролюзит, которые облегчают окисление. Через откачные трубы специальными насосами раствор серной кислоты с ураном поднимается на поверхность. Далее он непосредственно поступает на сорбционное, гидрометаллургическое извлечение и одновременное концентрирование урана.

Для рудных месторождений: используют обогащение руды и радиометрическое обогащение руды.

Гидрометаллургическая переработка — дробление, выщелачивание, сорбционное или экстракционное извлечение урана с получением очищенной закиси-окиси урана U3O8 или диураната натрия Na2U2O7, или диураната аммония.

Перевод урана из оксида в тетрафторид UF4, или из оксидов непосредственно для получения гексафторида UF6, который используется для обогащения урана по изотопу 235.

Обогащение методами газовой термодиффузии или центрифугированием:

UF6, обогащенный по 235 изотопу переводят в двуокись UO2, из которой изготавливают "таблетки" ТВЭЛов или получают другие соединения урана с этой же целью.

Ториевое топливо

Торий в настоящее время в качестве сырья для производства ядерного топлива не применяется в силу следующих причин:

запасы урана достаточно велики;

извлечение тория сложнее и дороже из-за отсутствия богатых месторождений;

образование 232U, который, в свою очередь, образует г-активные ядра 212Bi, 208Te, затрудняющие производство ТВЭЛов;

переработка облучённых ториевых ТВЭЛов сложнее и дороже переработки урановых.

Плутониевое топливо

Плутониевое ядерное топливо в настоящее время также не применяется, что связано с его крайне сложной химией. За многолетнюю историю атомной промышленности неоднократно предпринимались попытки использования плутония как в виде чистых соединений, так и в смеси с соединениями урана, однако успехом они не увенчались. Топливо для АЭС, содержащее плутоний, называется MOX-топливо. Применение его в реакторах ВВЭР нецелесообразно из-за уменьшения примерно в 2 раза периода разгона, на что не рассчитаны штатные системы управления реактором.

Применение

Ядерное топливо используется в ядерных реакторах, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах в виде таблеток размером в несколько сантиметров. К ядерному топливу применяются высокие требования по химической совместимости с оболочками, у него должна быть достаточная температура плавления и испарения, хорошая теплопроводность, небольшое увеличение объема 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. 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). 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 объема ядерного топлива, связанное с делением ядер.

Распухание зависит от выгорания и температуры. Количество осколков деления возрастает с увеличением выгорания, а внутреннее давление газа - с увеличением выгорания и температуры. Распухание ядерного топлива может привести к разрушению оболочки. 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.



3.2 Ракетное топливо 



Вещество, используемое в ракетных двигателях различных конструкций для получения тяги и ускорения ракеты. Само понятие ракетного топлива имеет довольно широкое толкование, так как в связи с развитием ракетной техники и развитием новых видов ракетных двигателей появились и новые способы ускорения ракет, например ядерный ракетный двигатель, или ионный и.т.д. Поэтому понятие ракетного топлива как некой горючей жидкости и окислителя не будет отражать весь диапазон ракетных топлив, от химических одно- и двухкомпонентных, до ядерных и термоядерных и использования антивещества. Ракетное топливо подразделяется на различные группы, типы и виды; такое же подразделение имеет место при рассмотрении отдельных видов ракетных топлив.

Общие характеристики

В зависимости от назначения и типа ракетных двигателей обычно различают жидкие, гелеобразные, твердые и гибридные ракетные топлива. Энергетические показатели и эффективность ракетных топлив характеризуется удельным единичным импульсом, который определяется т. наз. теплопроизводительностью топлива и термической кпд двигателя ht.

Жидкие ракетные топлива (ЖРТ) подразделяют на одно- и двухкомпонентные. Однокомпонентные топлива, не нуждающиеся при сгорании в подаче окислителя извне соединения типа гидразина N2H4, этиленоксид, Н2О2 (при нагревании в камере РД распадаются с выделением большого количествава теплоты и газообразных продуктов), органические нитраты (типа метилнитрата, нитроглицерина), низшие нитропарафины - обладают относительно низкими энергетическими свойствами (напрмер, 100%-ный Н2О2 имеет H = 2,9 МДж/кг и Руд = 145 с); применяют как вспомогательное топлива для систем управления и ориентации летательных аппаратов, приводов турбонасосов РД.

Двухкомпонентные топлива состоят из горючего и окислителя. Горючим служат: лигроино-керосиновые и керосино-газойлевые нефтяные фракции (пределы выкипания 150…315 °С), жидкий Н2, СН4, С3Н8, спирты (например, этиловый, фурфуриловый); N2H4 и его производные (1,1-диме-тил- и фенилгидразины и др.); жидкий NH3, анилин, метил-, диметил- и триметиламины; бороводороды типа ВnHn+4-дека- и дибораны, дигидробораны ВnHn+6 типа пентаборана; металлсодержащие соед. (гомог. системы) - триэтил-алюминий, гидриды МеН2, борогидриды Ме(ВН4)n, где Ме-А1, Li, Be; гетерогенные суспензии металлов в N2H4 и углеводородах. В качестве окислителя, напр., применяют: жидкий О2, Н2О2; конц. HNO3, NO, N2O4, тетранитрометан; жидкие F2 и С12, OF2, C1F3, NO3F. При подаче в камеру сгорания РД эти топлива могут самовоспламеняться (концентрированная HNO3 с анилином, N2O4 с N2H4); иногда самовоспламенение не происходит (напр., смесь О2-Н2). При использовании суспензий металлов в горючем, например, Be в жидком Н2, удается повысить Руд; макс. импульс имеют ЖРТ: H2-F2, H2-OF2, Н2-О2.

Гелеобразные ракетные топлива (ГРТ) - обычно загущенное солями высокомолекулярное органическое к-т или спецециальными добавками горючее, например N2H4 либо углеводороды, реже - входящие в состав ЖРТ окислители. Повышение Руд достигается добавлением порошков металлов (N2H4-Be-O2).

Твердые ракетные топлива (ТРТ), подразделяемые на баллиститные (прессованные - нитроглицериновые пороха)и смесевые (литые), применяют в виде канальных шашек, горящих по внешней либо внутренней поверхности зарядов. Смесевые топлива гетерогенной смеси окислителя (как правило, NH4C1O4, 60 70 %), горючего связующего, пластификатора (5…10 %), металла (порошки Al, Be, Mg и их гидридов, 10…20 %), отвердителя (0,5…2,0 %) и катализатора горения (0,1…1,0 %); Руд = 200 с. Основные преимущества применения перед ЖРТ: отсутствие необходимости предварительной заправки им РД перед стартом и постоянная готовность к нему; относительно простота конструкции и эксплуатации двигателя.

Гибридные ракетные топлива - системы, содержащие горючее в твердом состоянии (в камере сгорания), а окислитель в жидкой фазе (в отдельной емкости) или наоборот. Например, горючими могут служить: отвердевшие нефтепродукты, N2H4, полимеры и их смеси с порошками - Al, Be, BeH2, LiH2 или окислителями-HNO3, N2O4, H2O2, FC1O3, C1F3, О2, F2, OF2. Макс. Руд имеют топлива: BeH2-F2, ВеН2-Н2О2, ВеН2-О2.

Применение

Используют как источник энергии и рабочее тело для создания движущей силы в ракетных двигателях, которые применяются в космической, авиационной, военной и других областях техники.




4. Уровень мирового потребления различных видов топлива



В зарубежной литературе в связи с развитием мировой энергетики много внимания уделяется проблеме теологических запасов минерального топлива. Эта проблема рассматривается не только с национальной, но и с общемировой точки зрения, в основном с целью определения периода времени, на который человечество обеспечено классическими видами топлива - нефтью, природным газом, каменным и бурым углем. Интерес к проблеме запасов минерального топлива обусловливается следующим. Сто лет назад - в 1860 г. на земном шаре насчитывалось 1270 млн. человек и потреблялось примерно 555 млн. т топлива в год (в условном исчислении), или 0,44 т на одного человека. В I960 г. население земного шара составляло 2983 млн. человек, добывалось несколько более 5,230 млн. т топлива в год (без дров и суррогатов -4600 млн. т), или 1,75 т па одного человека. Таким образом, за прошедшие 100 лет население земного шара увеличилось в 2,5 раза, а потребление топлива на душу населения - в 4 раза. Но дело заключается не только в приведенных цифрах, том, что более половины добытого на 1 января 1960 г. угля было получено после 1930 т., половина нефти - после 1949 г. и половина природного таза - после 1952 г. За последние десять лет мировая добыча нефти возросла в два раза (в 1953 г. добыто 655 млн. т, а в 1963 г.- 1304 млн. т). Следовательно, в последние годы наблюдается стремительный рост потребления топлива и процесс этот далеко не закончен. 

Многие экономисты сходятся на том, что в 2000 г. население земного шара составит 5 млрд. человек, будет добываться 25 млрд. т условного топлива, или 5,0 т на человека. 

Таким образом, предполагается, что за 40 лет население мира увеличится в 1,7 раза, а расход топлива на одного человека - в 2,8 раза. По подсчетам французского специалиста за истекшие 100 лет а земном шаре было израсходовано следующее количество энергии: 

(Здесь принято, что 1 т каменного угля равна 1,0 т условного топлива, 1 т бурого угля - 0,4 т; 1 т нефти - 1,4 т, 1000 ж газа - 1,3 т условного топлива). За это же время произошли коренные структурные изменения в мировом потреблении топлива и отходов сельского хозяйства, используемых как топливо. Следующие данные характеризуют это положение (в процентах к итогу) 

Вероятно, вызывает удивление, что в топливном балансе большое удельное значение составляют отходы сельского хозяйства. Но мы должны вспомнить, что только B одной Индии общее производство кизяка в пересчете на условное топливо достигает добычи каменного и бурого угля в ФРГ, а в Турции, например, сжигаются почти все растительные остатки с полей для отопления деревенских жилищ и для приготовления опресноков (хлеба).

Природный газ

Доказанные запасы природного газа на 1 января 1962 г. оценивались в 7,58трилл.ж. Прогнозные запасы газа составляют 34 трилл., из которых за неопределенно длинный промежуток времени может быть извлечено 27…28 трилл.. 

Уголь. Запасы угля, по подсчетам Геологического управления Министерства внутренних дел США, на 1 января l960 г. составляли 800 млрд. т условного топлива при коэффициенте извлечения 50 %. При существующих ценах на уголь и методах его извлечения промышленные запасы угля составляют около 20 млрд. т 

условного топлива. В 1980 г. в США предполагается израсходовать (в пересчете на условное топливо) 0,8 млрд. т угля, 0,77 млрд. т нефти и 570 млрд. м3 природного газа. Запасов угля по этому уровню потребления хватит на 1000 лет, нефти на 70 лет и газа на 49 лет. 

В мировых прогнозных извлекаемых запасах топлива уголь занимает почти 83 %, нефть свыше 10 %, природный газ около 5 %, торф до 11 %. Можно считать среднюю обеспеченность человечества достоверными Запасами топлива по уровню потребления 1980 г. на 300…320 лет и по уровню потребления 2000 г. - на 140…150 лет. Естественно, не следует забывать условности этих цифр. 

В зарубежной литературе приводится оценка возможного использования энергии ветра, (морского прибоя, тепловой энергии морей и геотермической энергии. Большинство авторов сходится на том, что эти виды энергии могут удовлетворить только 15 % общей потребности. Таким образом, в ближайшем будущем основой обеспечения человеческого общества продолжает оставаться развитие добычи классических видов топлива. 

Можно сделать такие выводы. 

1. Каменный и бурый угли являются наиболее распространенными видами топлива, обеспечивающими надежное развитие энергетики. 

2. Ограниченные запасы нефти, вероятно, приведут к тому, что через 20…30 лет расходование этого ценного топлива сократится и оно будет переключено только на транспортную энергетику и химию. 

3. Вскоре, вероятно, будет признано (целесообразным пользоваться природным газом в основном для химии, технологической и бытовой энергетики. 

4. Радиоактивные вещества могут занять существенное место в обеспечении энергетики в связи с научными и техническими достижениями, которые имеются и будут достигнуты в этой области.

Задачи науки в совершенствовании топливной промышленности

В заключение рассмотрим задачи науки в связи с развитием топливных отраслей промышленности и составлением оптимальных топливно-энергетических балансов. 

Важнейшая задача геологической науки - обеспечить научным прогнозом, новыми методами поисков и разведки быстрейшее освоение новых нефтяных и газовых месторождений, особенно на Востоке страны. Стоимость геологоразведочных работ на нефть и газ еще очень велика и составляет почти 50 % всех затрат на разведку полезных ископаемых по стране. Геологическая наука должна разработать способы поисков и разведки, которые бы при достаточной достоверности данных о запасах позволили снизить объемы разведочного бурения скважин. Огромные масштабы добычи нефти и газа ставят перед геологической наукой поистине грандиозные задачи. 

Научным учреждениям горного профиля, связанным с разработкой нефтяных, газовых, угольных месторождений, предстоит поработать над разрешением ряда больших проблем улучшения техники и технологии производства, дальнейшего роста производительности труда и снижения себестоимости всех видов топлива. К числу важнейших относится прежде всего проблема более эффективного использования нефтяных месторождений путем повышения коэффициента нефтеотдачи. Как указывалось выше, коэффициент нефтеотдачи невелик - в проектах он принимается не более 0,5…0,6. Повышение его может резко снизить стоимость геологоразведочных работ и поможет более экономно расходовать природные ресурсы. Наряду с широким внедрением уже известных прогрессивных способов интенсификации разработки месторождений и увеличения нефтеотдачи должны изыскиваться новые эффективные способы добычи нефти. В ближайшие годы должна быть решена задача воздействия на нефтяные пласты поверхностно активными веществами с целью повышения коэффициента нефтеотдачи и интенсификации разработки. Серьезные задачи стоят в области бурения, совершенствования буровой техники. Должна быть создана надежная техника для бурения скважин глубиной 7...10 км.




Заключение



История развития человечества теснейшим образом связана с получением и использованием энергии. Уже в древнем мире люди использовали тепловую энергию для обогрева жилища, приготовления еды, изготовления из меди, бронзы, железа и других металлов предметов быта, инструментов и т.д.С древнейших времен известны уголь и нефть - вещества, дающие при сжигании большое количество теплоты. Сейчас формулировка "топливо" включает все вещества, которые дают при сжигании большое количество теплоты, широко распространены в природе и (или) добываются промышленным способом. К топливу относятся нефть и нефтепродукты (керосин, бензин, мазут, дизельное топливо), уголь, природный горючий газ, древесина и растительные отходы (солома, лузга и т.п.), торф, горючие сланцы, а в настоящее время и вещества, используемые в ядерных реакторах на АЭС и ракетных двигателях. Таким образом, классификацию топлива можно провести, например по его агрегатному состоянию: твердое (уголь, торф, древесина, сланцы), жидкое (нефть и нефтепродукты) и газообразное (природный газ). Также можно разделить виды топлива и по его происхождению: растительное, минеральное и продукты промышленной переработки. Свойства топлива зависят главным образом от его химического состава. Основным элементом любого топлива природного происхождения является углерод (его содержание составляет от 30 до 85 % массы). В состав топлива также входят H, O, N, S, зола, вода. Практическая ценность топлива определяется количеством теплоты, выделяющейся при его полном сгорании. Так, при сжигании 1 кг древесины выделяется теплота, равная 10,2 МДж, каменного угля - 22 МДж, бензина - 44 МДж. Эта величина прямо зависит от содержания в топливе углерода и водорода и обратно - от содержания кислорода и азота. Другая важнейшая характеристика топлива - его жаропроизводительность, оцениваемая значением максимальной температуры, какую теоретически можно получить при полном сгорании топлива в воздухе. При сгорании дров, например, максимальная температура не превышает 1600 С, каменного угля - 2050 С, бензина - 2100 С. Доля топлива в общей структуре энергоресурсов, потребляемых человечеством, преобладает примерно с начала нашей эры. До 1970-х гг. на первом месте был уголь, сейчас это положение заняла нефть. По-видимому, в обозримом будущем ведущая роль останется за природным топливом. 

Для сопоставления запасов различных видов топлива и уровня его использования применяют так называемое условное топливо, удельная теплота сгорания которого равна 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг). По существу все добываемое топливо сжигается, лишь около 10 % нефти и газа перерабатываются химической промышленностью. Наибольшее количество топлива расходуется на тепловых электростанциях (ТЭС), в различного рода тепловых двигателях, на технологические нужды (Например, при выплавке металла, для нагрева заготовок в кузнечных и прокатных цехах), а также на отопление жилых, общественных и производственных помещений. Основной недостаток природного топлива - его крайне медленная восполняемость. Существующие ныне запасы были образованы десятки и сотни миллионов лет назад. В то же время добыча топлива непрерывно увеличивается, что в будущем может привести к серьезному глобальному энергетическому кризису. С 1970-х гг. в мире произошел переход к другим принципам потребления ресурсов вообще и топлива в частности. Человечество должно переориентироваться на другие энергоресурсы, прежде всего на огромные гидроресурсы Земли. Все процессы добычи, переработки и транспортировки топлива охватывает топливная промышленность, которая является составной частью топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Все отрасли ТЭК взаимосвязаны. Чтобы учитывать пропорции в добыче различных видов топлива, его распределении и использовании в стране, применяют топливные балансы - таблицы, выражающие соотношения добычи различных видов топлива и их использованием в хозяйстве. Топливные балансы составляются, как правило, на основе единицы условного топлива. В топливном балансе СССР до 1990 г. лидировала нефть, с 1990 г. на первое место вышел газ. Эта ситуация сохраняется до сих пор, а газ является основным экспортным продуктом России. Топливная промышленность нашей страны имеет редкую возможность опираться исключительно на собственные запасы. 




Список литературы



Федоров М.П. Вторичные ресурсы // Известия РАН. Энергетика. 2002. №6. С 7-11

Шамонина А.В, Макаров В.В. Спирты как добавки к бензинам // Автомобильная промышленность. 2005. №8. С 11-12.

Гуреев А.А., Серегин Е.П., Азев B.C. Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив. М, Химия, 1984.- 200 с.; ил.