Состав и свойства органического топлива
Общие сведения
Органическое топливо представляет собой важнейший класс материаловедения, являясь основным мировым источником химической энергии на планете Земля. Использование данного вида сырья базируется на высвобождении колоссальных объемов энергии в процессе химических реакций окисления. Фундаментальной термодинамической характеристикой любого топлива выступает теплота сгорания. Данная величина определяется как тепловой эффект реакции полного окисления кислородом элементов, входящих в состав горючего вещества, вплоть до образования их высших оксидов.
В теоретической химии используется понятие стандартной теплоты сгорания, которая вычисляется при стандартных термодинамических условиях — стандартном давлении и температуре. Математический расчет этого параметра основывается на разности теплот образования продуктов полного окисления и самого исходного топлива. В промышленной энергетике и теплотехнике чаще применяется понятие удельной теплоты сгорания, отражающей количество тепловой энергии, выделяющейся при полном сгорании одного килограмма твердого или жидкого топлива, либо одного кубического метра газообразного вещества. Поскольку природное органическое топливо всегда представляет собой сложную многокомпонентную смесь с заранее неизвестными точными пропорциями веществ, определение его реальной удельной теплоты сгорания, как правило, осуществляется экспериментальным путем.
Классификация
Классификация органического топлива традиционно осуществляется по его агрегатному состоянию. Выделяют три основные группы: твердое, жидкое и газообразное топливо. К категории твердого органического топлива относятся каменный уголь, бурый уголь, горючие сланцы, торф, а также древесина (дрова). Жидкое топливо в подавляющем большинстве случаев представлено сырой нефтью и широким спектром продуктов ее промышленной переработки, к которым относятся бензин, керосин, мазут и дизельное топливо (солярка). Газообразное топливо представляет собой природный газ, основу которого составляет метан, а также сопутствующие углеводородные газы.
Твердое топливо структурно подразделяется на горючую и негорючую части. Горючая часть включает в себя соединения углерода, водорода, кислорода и азота, окисление которых и обеспечивает выделение тепловой энергии. Негорючая часть (балласт) состоит из влаги и минеральных неорганических примесей, которые после полного сгорания органической массы образуют твердый остаток — золу.
Способы получения
Природное твердое топливо, в частности уголь, обладает рядом эксплуатационных недостатков: оно медленно горит, оставляет значительное количество золы и неудобно в транспортировке. В связи с этим в химической промышленности непрерывно совершенствуются способы его глубокой переработки для получения более эффективных вторичных энергоносителей. Основными методами переработки твердого топлива являются пиролиз, конверсия и гидрогенизация. Пиролиз представляет собой процесс термического разложения органической массы путем ее нагрева до температур от пятисот до тысячи градусов Цельсия без доступа кислорода воздуха. При таком температурном воздействии происходит распад крупных макромолекул, образующих структуру угля, в результате чего выделяются газообразные продукты (сероводород, аммиак, коксовый газ, состоящий преимущественно из метана и водорода), жидкие смолы и остается твердый углеродистый осадок — кокс или полукокс.
Конверсия твердого топлива заключается в химическом взаимодействии раскаленного угля с газообразными реагентами. Продувание через уголь атмосферного воздуха приводит к образованию генераторного (или воздушного) газа, содержащего оксид углерода и значительное количество негорючего азота, что снижает его теплотворную способность. Более эффективным методом является пароводяная конверсия, при которой раскаленный уголь обрабатывается водяным паром с получением водяного газа — высококалорийной смеси водорода и оксида углерода. Также применяется комбинированная обработка паровоздушной смесью для получения городского (смешанного) газа.
Гидрогенизация предполагает взаимодействие измельченного твердого топлива с водородом в присутствии специфических катализаторов при повышенных температурах и давлениях. Этот метод позволяет получать из угля синтетические минеральные масла, метан и высококачественный бензин. Технологии гидрогенизации угля активно разрабатывались и применялись в Германии в периоды мировых войн для компенсации отсутствия собственных источников нефти. Кроме того, в отечественной науке выдвигались передовые концепции подземной газификации угля (идея, поддерживаемая Д.И. Менделеевым), предполагающие превращение угольных пластов в горючий газ непосредственно в недрах земли без традиционной шахтной добычи.
Получение товарных видов жидкого топлива осуществляется посредством нефтепереработки. Сырая нефть подвергается процессам перегонки (ректификации), в ходе которой она разделяется на фракции с различными температурами кипения: бензин, керосин и мазут. Тяжелым остатком ректификации является гудрон. Для увеличения выхода наиболее ценных низкокипящих фракций (бензина) применяется крекинг — процесс термического расщепления тяжелых углеводородов на более легкие. Крекинг часто проводится при высоких температурах с использованием химических катализаторов, таких как хлорид алюминия.
Свойства
Свойства различных видов органического топлива определяются их химической природой и наличием примесей. Удельная теплота сгорания является главным показателем качества. Среди твердых видов топлива наибольшей теплотой сгорания обладает каменный уголь (от тридцати до тридцати шести мегаджоулей на килограмм). Показатели бурого угля заметно ниже (от двадцати трех до тридцати одного мегаджоуля). Торф по своим теплотворным характеристикам сопоставим с низкокачественным бурым углем, а наименьшие показатели теплоты сгорания характерны для горючих сланцев. Присутствие влаги в твердом топливе критически снижает его теплоту сгорания, поскольку значительная часть выделяющейся энергии неминуемо расходуется на физическое испарение содержащейся в материале воды.
Жидкое топливо (нефть и нефтепродукты) отличается сложнейшим органическим составом, основу которого составляют углеводороды, а также присутствуют соединения, содержащие кислород, азот и серу. Нефть обладает очень высокой удельной теплотой сгорания, превосходящей показатели твердого топлива, и является наиболее эффективным энергоносителем. Газообразное топливо, состоящее из метана, этана, пропана, бутана, а также примесей диоксида углерода, сероводорода и азота, имеет сопоставимую с высококачественным каменным углем или нефтью теплотворную способность.
Специфическим физико-химическим свойством жидкого моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания является его детонационная стойкость. При сильном сжатии топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя процесс горения может приобрести взрывной характер (детонацию). Стойкость топлива к детонации выражается октановым числом. Шкала октановых чисел базируется на эталонных углеводородах: изооктан, обладающий высокой антидетонационной стойкостью, имеет октановое число сто, а линейный нормальный гептан, склонный к сильной детонации, принимается за ноль. Присутствие разветвленных углеводородов в бензине повышает его октановое число и качество. Для искусственного подавления детонации в топливо могут добавляться специальные присадки — антидетонаторы, наиболее известным из которых является тетраэтилсвинец. Данное соединение обладает высокой эффективностью, однако отличается крайней токсичностью для живых организмов, вплоть до блокирования всасывания важнейших витаминов.
Применение
Органическое топливо формирует энергетический фундамент современной промышленности и транспортной инфраструктуры. На тепловых электростанциях массово сжигаются все три вида топлива — уголь, природный газ и мазут — для генерации электрической и тепловой энергии. В промышленных печах различного назначения применение сырого топлива часто характеризуется низким коэффициентом полезного действия (КПД). Для решения проблемы неполного сгорания и экономии сырья активно внедряются каталитические генераторы теплоты. Использование катализаторов в таких установках позволяет значительно повысить КПД процессов (например, при промышленной сушке угля или зерна), а также радикально снизить выбросы токсичных оксидов углерода и азота в атмосферу.
Двигатели внутреннего сгорания, устанавливаемые на автомобильном, железнодорожном и водном транспорте, функционируют преимущественно на светлых нефтепродуктах: бензине и дизельном топливе (солярке), где химическая энергия топлива преобразуется в механическую работу за счет воспламенения сжатой топливно-воздушной смеси. Кокс, получаемый в результате пиролиза угля, незаменим в качестве высокотемпературного восстановителя в черной и цветной металлургии. Побочные химические вещества, выделяемые при переработке угля и нефти (сероводород, аммиак, смолы), служат ценнейшим исходным сырьем для базовой химической промышленности.
Особая категория жидкого и твердого органического топлива разрабатывается для нужд авиации и космонавтики. В авиационных реактивных двигателях в качестве горючего применяется очищенный керосин, окисление которого обеспечивается атмосферным кислородом. В жидкостных ракетных двигателях, функционирующих в безвоздушном пространстве, помимо керосина используются спирты, высокотоксичный гидразин, сжиженный аммиак, а также элементы, обладающие огромной теплотой сгорания, такие как дисперсные алюминий, бор и литий. Окислителями в ракетной технике выступают жидкий кислород, азотная кислота, перхлорат аммония и жидкий фтор, который, несмотря на превосходные окислительные свойства, является чрезвычайно ядовитым элементом.