Тема 6. Енергоносії ти промислова сировина на їх основі

Паливо як джерело енергії є основою економіки на­родного господарства. Паливно-енергетична промисловість є ба­зовою галуззю народного господарства, на основі досягнень якої вирішуються як виробничі, так і соціальні завдання.

Паливо — це природні або штучні органічні пальні речовини, використовувані як джерело енергії або сировина для промисловості.

Залежно від характеру використання паливо підрозділяється на енергетичне, технологічне або комплексне.

Якщо паливо використовується як джерело енергії, то воно нази­вається енергетичним, коли паливо бере участь у технологічному процесі як реагент у плавильних, випалювальних та інших промис­лових печах, то називається технологічним, і комплексним, коли з палива попередньо виділяють цінні речовини, які використовуються як хімічна сировина, а потім застосовують як енергетичне паливо.

Спалювання енергетичного палива забезпечує енергією теп­лові електростанції, промислові підприємства, транспорт, побут, одержання механічної й електричної енергії.

Структура паливно-енергетичного балансу світу:

• Нафта — 40%;

• Вугілля — 31%;

• Природний газ — 23%;

• Інші види палива — 1%;

• Атомна енергія — 2%;

• Гідроенергія — 3%.

До твердого палива належать: вугілля — кам'яне, ан­трацит, напівантрацит, буре вугілля, торф, деревне вугілля, горючі сланці.

Його характеристиками є: теплота згорання (вміст вуглецю і домішок), вихід летких речовин, спікання, щільність, міцність, розміри шматків та ін.

Чим більший вік кам'яного вугілля, тим більший вміст вугле­цю (тим складніше його добувати, тому що глибина залягання його більше), тим вища теплота згорання. Вміст вуглецю колива­ється в межах 55—97 % С.

Буре вугілля — 55—78% С.

Кам'яне вугілля — 75—92%С.

Антрацити — 92—97% С.

Теплота згорання:

Вуглецю — 8100 ккал/кг.

Водню — 34200 ккал/кг.

(Н = 4 - 5,8%); О = 3—15%; N = 2%; S =1—6%; W =4 —12%; Золи = 6—15%.

Кисень, азот, сірка, пов'язані з вуглецем, утворюють смолисті речовини, вміст яких визначається виходом летких речовин (чим вище вміст вуглецю, тим менше летких речовин). Леткі речовини виділяються в міру нагрівання вугілля.

Вихід летких речовин позначається символом Vd, сухе і беззольне Vdaf(%). Ця характеристика важлива для оцінки термічної усталеності структур, що становлять органічну масу вугілля. Аналіз проводять у закритому тиглі при температурі муфельної печі 850°С. При нагріванні вугілля утворюються леткі речовини і твердий (нелеткий) залишок. Вихід летких речовин при прожа­рюванні послужив основою для однієї з класифікацій вугілля по марках у залежності від виходу летких (кількість 9—50 %) речо­вин. З найбільшим виходом летких речовин 37% і більше називаються довгополуменеві марки «Д», із найменшим — 9% — пі­сні марки «Т». Усі інші займають проміжне місце: «Ж» — жирні, «Г» — газові, «К» — коксівні, «ОС» — охляні спікливі та ін. Ву­гілля з високим виходом летких речовин горить полум'ям, із ни­зьким — без полум'я.

Наприклад, для донецького вугілля розрізняють марки, пока­зані в табл. 6.1.

Таблиця 6.1

Марки видів вугілля Донбасу

Вугілля	Марка	Vdaf, %	Середній вміст С,%
Довгополум'яне	Д	>35
Газове	Г
Газове жирне	гж	27—35
Жирне	ж	27—35
Коксівне	к	18—27
Пісне	п	8—17
Антрацит	А	<8	91—96

Високий вміст летких речовин у бурому вугіллі (50%) дозво­ляє виробляти з нього кам'яновугільні смоли і рідке моторне па­ливо. Це вугілля використовується, в основному, на місці видо­бутку, тому що воно недостатньо механічно міцне, а тому його не можна перевозити на далеку відстань. Великий вміст сірки обу­мовлює його використання подалі від житлових масивів. За вміс­том вологи вугілля підрозділяються на 3 групи: Б1 — більш 40% вологи; Б2 — 30—40%; БЗ — до 30%.

Неліткий залишок сприяє спіканню вугілля, тобто перетво­ренню його у кокс — найцінніше технологічне паливо. Добре спікається вугілля марок «Ж» і «К», слабше газових. Не спіка­ються буре і довгополуменеве вугілля, антрацити. Запаси антра­циту в Україні незначні — 3% всього загального запасу кам'яного вугілля, розташовані вони на території Донецького ба­сейну. Антрацит використовується тільки як паливо для енерге­тичних, транспортних, комунально-побутових та інших потреб.

Рідке паливо одержують, головним чином, у результаті переробки нафти — єдиного рідкого пального, яке одержують з копалин. Нафта утворюється із залишків рослинних і тваринних мі­кроорганізмів на дні давніх морів і являє собою маслянисту рідину жовтого чи темно-коричневого, а іноді і чорного кольору, у залеж­ності від її складу. Продуктами переробки нафти є високоефективні палива, мастильні і спеціальні олії, бітуми, парафін, сажа й ін. З продуктів нафтопереробки виробляють пластмаси, синтетичні во­локна, каучук, барвники, миючі засоби, отруйні хімікати.

Нафта — це суміш великого числа вуглеводнів різної молеку­лярної маси і хімічної побудови з домішкою сірчистих, азотних і смолистих речовин. У ній міститься вуглецю 82,8 — 87,2%, вод­ню 11,7 — 14,1%, сірки 0,3 — 3,1% і більше, кисню 0,3 — 2,1%, азоту 0,1 — 1,1%, а також у дуже малих кількостях є ванадій, ні­кель, залізо, хром, германій та ін. В'язкість нафти досягає 80— 100 мм²/с, а щільність 0,73 — 0,95 г/см³. Нафта майже не містить золи; теплота її загорання близько 10 000 ккал/кг, чи 41 900 кДж/кг.

Нафта як паливо безпосередньо майже не використовується, а переробляється в товарні нафтопродукти. Перед переробкою на­фту направляють у газовідокремлювачі і виділяють попутний нафтовий газ, а потім очищують від інших домішок: відокрем­люють розчинені гази, воду, мінеральні солі, а також механічні домішки — пісок і глину.

Основними способами одержання нафтопродуктів є пряма пе­регонка і крекінг. У процесі прямої перегонки нафта розділяється на окремі легкі фракції в залежності від температури кипіння і кон­денсації. Різні вуглеводні конденсуються при різних температурах: соляровий дистилят — приблизно при 350—300°С, газойлевий — при 300—250 °С, лігроїн — при 250—200°С, бензин — нижче 200 °С. Сконденсовані фракції (дистиляти) охолоджуються в теплооб­мінниках і водяних холодильниках та перетворюються в рідину.

Для перегонки мазуту (80% маси) його піддають повторному нагрі­ванню в вакуумі до 350°С і переводять у пароподібний стан. З про­дуктів перегонки одержують різноманітні мінеральні олії. Залишок перегонки — гудрон, що представляє собою малорухому масу, ви­користовують для виробництва покрівельних та ізоляційних матері­алів і в будівництві доріг.

Відносно невисокий відсоток виходу світлих нафтопродуктів, особливо бензину, при прямій перегонці нафти обумовив необхід­ність застосування крекінг-процесу, заснованого на розщепленні довгих молекул важких вуглеводнів на більш короткі молекули, які можуть кипіти при низькій температурі. Розрізняють термічний (високотемпературний) і каталітичний крекінг. При термічному крекінгу (температура його 450—550°С і тиск 3 — 6 МПа) перероб­ляють гас, соляровий дистилят, мазути і гудрон. Однак бензини те­рмічного крекінгу, що представляють собою суміш вуглеводнів, фі­зично і хімічно недостатньо стійкі, тому використовуються як компоненти автомобільних бензинів. Для одержання бензинів більш високої якості застосовують каталітичний крекінг, при якому бен­зин виробляється в присутності каталізатора — речовини, що при­скорює і поліпшує процеси розщеплення важких вуглеводнів. Тем­пература каталітичного крекінгу 450—500°С, тиск 0,2—0,3 МПа. Як каталізатори застосовуються синтетичні алюмосилікати і деякі глини. Різновидом каталітичного крекінгу є риформінг, призначе­ний для одержання ароматичних вуглеводнів, що є основою висо­коякісних бензинів. При каталітичному крекінгу як вихідну сирови­ну використовують гасові і солярові фракції прямої перегонки і дистиляти нафтопродуктів вторинного походження.

Бензин є одним з основних видів карбюраторного пали­ва. Він являє собою суміш легких ароматичних, нафтенових і пара­фінових вуглеводнів. До складу бензину входять вуглець (85%) і водень (близько 15%), а також кисень, азот та сірка. Бензин — без­барвна чи трохи жовтувата рідина з характерним запахом, щільніс­тю 0,7 — 0,8 г/см³. Температура його спалаху нижче — 40 °С, засти­гання — нижче — 60 °С. Бензин застосовується також як розчинник жирів, смол і інших матеріалів. Основну частину бензину одержу­ють прямою перегонкою і каталітичним крекінгом. Властивості ав­томобільних бензинів характеризуються теплотою згорання, дето­наційною стійкістю, фракційним складом, хімічною стабільністю, вмістом сірки й інших шкідливих домішок.

Здатність палива протистояти детонаційному згоранню нази­вається детонаційною стійкістю і характеризується октановим числом. Чим вище октанове число, тим більше може бути стис­нута в циліндрі пальна суміш.

Як еталонне паливо прийнята суміш двох вуглеводнів: ізоок­тану (Cg₈H₁₂), що володіє високими антидетонаційними властиво­стями, і нормального гептану (С₇Н_!6), що легко детонує. Октано­вим числом називається умовна одиниця, чисельно рівна відсотку (за об'ємом) озооктану в суміші, що складається з ізооктану і но­рмального гептану та рівноцінна за своїми антидетонаційними властивостями даному паливу.

Октанове число ізооктану приймається за 100, а нормального гептану за 0. Так, якщо бензин детонує при роботі суміші, яка складається із 76% ізооктану і 24 % нормального гептану, то ок­танове число такого бензину дорівнює 76.

Маркування: промисловість випускає автомобільні бензини марок А-72, А-76, АИ-93, АИ-98. У марці бензину буква «А» по­казує, що він автомобільний, а цифра — мінімальне октанове чи­сло. У бензинах А-72 і А-76 октанове число (72 і 76) установлено моторним методом, а в бензинах АИ-93 і АИ-98 друга буква «И» показує, що октанове число (93 і 98) установлено дослідницьким методом. Для підвищення детонаційної стійкості в бензини вво­дять антидетонатори (тетраетилсвинцеві рідини — ТЕС), які ду­же отруйні, хімічно активні. Такі бензини називаються етило­ваними. Вони забарвлюються. Бензин А-72 випускається неетилованим: А-76 забарвлюються в жовтий колір, АИ-93 — в оран­жево-червоний і АИ-98 — в синій. Усі бензини, крім АИ-98, поді­ляються на літні, призначені для використання в період з 1 квітня по 1 жовтня, а в південних районах — протягом усього року, і зимові, які використовуються в період з 1 жовтня по 1 квітня, а в північних і північно-східних районах — протягом усього року.

Пальне для авіаційних двигунів, що експлуатуються в різ­них режимах: звичайному (крейсерському) і форсованому (ре­жимі злету літака), повинно зберігати свою стійкість як на бід­них, так і на багатих сумішах. Детонаційна стійкість авіацій­ного бензину при роботі на бідній суміші оцінюється октано­вим числом, а при роботі на багатій суміші — сортністю. Сор­тністю бензину називається число, що показує, яку потуж­ність може розвивати двигун на випробному паливі в порів­нянні з ізооктаном, сортність якого прийнята за 100. Наприклад, Б-95/130, Б-100/130.

Фракційний склад є важливим показником якості бензину та його випаровуваності, тобто здатності переходити з рідкого в газоподібний стан. Від випаровуваності палива залежать утворення пальної суміші, тривалість прогріву і легкість пуску двигуна.

Промисловістю випускаються сезонні (літні і зимові) автомо­більні бензини. Для бензину зимового виду температура вики­пання 10% палива має бути не більше 55°С, а літнього виду — не більше 70°С.

Хімічна стабільність характеризується стійкістю бензину до окислювання, смоло- і нагароутворення та інших хімічних змін у двигуні, залежить від фракційного складу і вмісту смол та смоло-утворюючих речовин.

Вміст смол установлюється спеціальними стандартами і для різних марок бензину не повинен перевищувати 7—15 мг/100 мл.

Хімічна стабільність виражається тривалістю індукційного періоду — часу штучного окислювання бензину в спеціальній лабораторній установці і визначається в атмосфері чистого кис­ню при тиску 0,7 МПа і температурі 100°С.

Для підвищення хімічної стійкості в паливо додають антиоки­слювачі (деревносмольний, детонафтал й ін.), що підвищують ін­дукційний період окислювання бензину.

Наявність сірки викликає корозію робочих органів двигуна і знижує детонаційну стійкість палива, сприяє утворенню смоли. Чим менший вміст сірки в бензині, тим вища його якість. Наяв­ність сірки визначають випробуванням бензину на корозію від­полірованої пластинки з чистої міді. У залежності від марки бен­зину вміст сірки не повинен бути більше 0,10—0,15%.

У загальному обсязі споживання первинної енергії в Україні пріоритетним ресурсом є природний газ, різна потреба в якому становить 70 млрд. м³.

Газоподібне паливо є найбільш привабливим у використанні завдяки своїм властивостям:

• висока теплоутворююча здатність;

• відсутність золи при згоранні;

• незначний вміст шкідливих домішок, які не забруднюють оточуюче середовище;

• відсутність диму і кіптяви при згоранні;

• зручність у використанні, транспортуванні, зберіганні;

• можливість автоматизації процесів горіння.

За призначенням газоподібне паливо ділиться на котельно-пічне і моторне. Як котельно-пічне паливо використовується в основному природний газ, дуже рідко — промислові гази, які одержують в процесі переробки природного палива.

Природний газ, теплоутворююча здатність якого становить 8480 Ккал/кг, тобто значно більша, ніж кам'яного вугілля, знахо­дить дедалі ширше застосування. Його використовують у мета­лургійній промисловості, електро-, теплоенергетиці, в побуті, а також як сировину в хімічній і нафтохімічній промисловості.

Основною складовою природного газу є метан (СН₄), який виділяє велику кількість теплоти при згоранні. Крім того, до його складу входить пропан, бутан, пентан, а також двооксид водню, окис вуглецю та інші домішки, які є баластом газу.

Природний газ все більше знаходить застосування на авто­мобільному транспорті, тому що він є більш зручним у вико­ристанні, октанове число його значно вище порівняно з бензи­ном, менший ступінь забруднення повітря відпрацьованими газами, при його використанні менше зношуються деталі дви­гуна.

Але використання газу транспортом обмежено через те, що недостатньо розвинена мережа газозаправних станцій. Необхідно оснащувати автомобілі балонами великої місткості, високого ти­ску і взагалі переоснащувати паливно-провідну систему, менший радіус пробігу автомобіля, до того ж газ більшою мірою пожежо-небезпечний.

Класифікація газоподібного палива наведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Класифікація газоподібного палива.

Генераторні гази одержують у результаті газифікації твердого палива (вугілля, торф, напівкокс) окисленням водню, який в них міститься, при високій температурі.

Залежно від призначення генераторного газу виділяють: паливо для промислових печей, двигунів внутрішнього згоран­ня чи побутових газових установ. Генераторний газ в залежно­сті від реагенту продування одержують наступних видів: пові­тряний, водяний, змішаний; процес проходить у вертикальних печах-газогенераторах, в які зверху завантажують паливо, а знизу проводять його продування. Якщо окислювач — повітря, то одержаний газ називають повітряним генераторним газом, пари води — водяним генераторним газом, суміші водяної па­ри і кисню — парокисневим генераторним газом (змішаним).

Доменний газ є побічним продуктом доменного вироб­ництва і після очищення від пилу використовується в суміші з коксовим газом у цехах металургійних підприємств. Тепло­та згорання доменного газу 900—1000 Ккал/м³, або 3770— 4190 кДж/м³.

Коксовий газ одержують у результаті коксування твердого па­лива. Його використовують для нагрівання коксових, мартенівсь­ких і скловарних печей, для комунально-побутових потреб і як сировину в хімічній галузі.

Зріджені гази при температурі від -30°С до +40°С і тиску 0,2—1,6 МПа перебувають в рідкому стані, а при підвищенні те­мператури і зниженні тиску переходять у газоподібний стан. Їх одержують на газоконденсаторних установках при газових родо­вищах і як побічний продукт при переробці нафти. Випускаються трьох видів: пропан технічний, бутан технічний і суміш пропану з бутаном.

Стиснені гази містяться в балонах і газопроводах під тиском до 20 МПа. Стиснені гази випускаються трьох марок: коксовий метанозований, коксовий збагачений і природний.

Газоподібне паливо з транспортних магістральних тру­бопроводів надходить на газорозподільні станції і після відповід­ної підготовки по газопроводах постачається споживачам або по­дається в накопичувальні резервуари для зберігання.

Газ зберігається в балонах, газгольдерах і підземних схови­щах. Балони для зберігання газу (пропану, бутану та ін.) виготов­ляються з якісних сталей і розраховані на тиск 20,15 і 10 МПа. Для розпізнавання їх фарбують у червоний колір.

Горючі гази в різноманітних пропорціях з повітрям утворюють вибухові суміші, крім того, деякі з них, особливо промислові, ток­сичні і отруйні. При вдиханні метану — основного компоненту природного газу — настає задуха. Зріджені гази, коли попадають на шкіру людини, викликають обмороження. Тому необхідно при по­водженні з ними суворо дотримуватись правил безпеки.

Дата добавления: 2015-04-30