Топливо и его виды кратко

Обновлено: 02.07.2024

На протяжении всей истории развития человечества, люди постоянно были связаны с получением и использованием в своих целях различных видов энергии. Люди пользовались тепловой энергией в целях обогрева жилища, приготовления пищи, изготовления различных видов предметов быта и орудий труда.

На данный момент самыми распространенными видами топлива являются нефть, нефтепродукты, уголь, природный газ, древесина, растительные виды топлива или отхода, торфяные соединения, горючие сланцы. Самыми сложными в использовании, но с другой стороны тепловыделяющими веществами являются вещества, которые используются на атомных электростанциях в ядерных реакторах, а также в ракетных и космических двигателях.

Вообще, все виды топлива можно классифицировать, например, по агрегатному состоянию. Т.е. получается существует твердое топливо (древесина, горючие сланцы, торф и уголь), жидкое топливо (нефть, нефтепродукты) и газообразное топливо (природный газ, водород). Возможно разделять топливо еще и по происхождению – растительное, минеральное и продукты промышленной деятельности, в частности, переработки.

Практически во всех видах топлива есть такой элемент как углерод, он может содержаться в количестве от 30-85% от общей массы вещества. В химический состав топлива могут входить также такие вещества, как водород, кислород, азот, сера, зола и вода.

Все виды топлива не могут быть одинаково эффективны и полезны. В основном это различие заключается в количестве тепла, которое выделяется при его полном сжигании. К примеру, при сжигании древесины выделяется 10,5 МДж, бензина – 45 МДж, а вот каменного угля – 20 МДж. Величина тепла, которое выделяется при полном сжигании топлива, прямо пропорционально зависит от того, сколько содержится в топливе углерода и водорода, и обратно пропорционально зависит от содержания азота и кислорода.

Также топливо можно разделить по жаропроизводительности, так, например, при сжигании бензина выделяется 2100 градусов Цельсия, при сжигании каменного угля – 2030 градусов Цельсия, а при сжигании древесина – 1600 градусов.

На сегодняшний день самым распространенным видов топлива является нефть, а до 70-х годов таким видом топлива являлся уголь. Нефть на данный момент является самым энергоэффективным топливом, и скорее всего топливо природного происхождения уже навсегда останется самым ходовым видом топлива.

Практически весь объем топлива, который сейчас добывается сжигается полностью. Только 10% из этого объема остается на переработку химической промышленностью (газ и нефть). Сейчас почти 80-90% топлива расходуется на нужды тепловых электростанций, атомных электростанций, в тепловых двигателях и на тепловые нужды. Эти нужды могут обеспечиваться потребностью в отоплении производственных помещений, жилых домов и крупных промышленных предприятий.

Крайняя медленная воспламеняемость до сих пор является основным недостатком природных видов топлива.

Посредством того, что потребности в энергетических ресурсах у человека с каждым днем растут и потребление топлива все время увеличивается, все ближе наступает день, когда энергетический кризис наступит, и это, к сожалению, неизбежно. Поэтому поиск новых видов топлива все больше заботит сегодняшних ученых и исследователей.

Благодаря научным разработкам и исследованиям, ученые сделали вывод, что не так сильно затронутыми и проработанными являются такие вещества, как вода, водород, газ и другие природные элементы. Поэтому сейчас нужно активно внедрять новые разработки в области применения энергоэффектиных продуктов и анализировать их распределение.

Россия является той страной, которая может похвастаться объемами энергетических ресурсов, уровнем их добычи и применения, поэтому на сегодняшний момент наша страна является одним из главных экспортеров энергоэффективного топлива по всему миру.

Топливо — горючие вещества, используемые для получения тепла. В широком смысле, под топливом понимают, один из видов потенциальной энергии (энергоноситель).

Различают: естественное топливо (непосредственно существующее в природе) — древесина, уголь, торф, природный газ, и искусственное (являющееся продуктом переработки естественного топлива) — древесный уголь, мазут, искусственные газы. В зависимости от величины теплоты сгорания различают: высокосортное топливо (с высокой теплотой сгорания) и низкосортное топливо.

Основной показатель топлива — его теплотворная способность. Для сравнения различных видов топлива существует понятие условного топлива. Теплота сгорания одного килограмма условного топлива (у.т.) равна 29,3 МДж или 7000 ккал, что приблизительно соответствует каменному углю.

Основные виды топлива: твердое, жидкое и газообразное топливо. В зависимости от вида используемого топлива различают: газовые котлы, жидкотопливные котлы, твердотопливные котлы, электрические котлы и комбинированные котлы.

Твердое топливо — древесина, древесная щепа, древесные пеллеты, торф, бурый и каменный уголь, горючие сланцы, сапропель, битуминозные пески. Из твердых видов топлив в отопительных котельных в основном сжигают ископаемые угли — бурые, каменные и антрациты.

Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа; содержит 65-70% углерода, имеет бурый цвет. Относится к группе углей с большим содержанием золы и влаги, поэтому имеет низкую теплоту сгорания — 1800-3250 ккал/кг. К недостаткам данного топлива относится также большое содержание серы, что приводит к усиленной коррозии стальных частей в котельных установках, а также способность к самовозгоранию при длительном хранении в штабелях. Бурый уголь целесообразно сжигать в топках крупных котлов.

Каменный уголь — твердое горючее полезное ископаемое растительного происхождения, черного цвета с блестящей, матовой или полуматовой поверхностью; при сгорании пламя тем больше, чем выше содержание водорода. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладают канцерогенными свойствами.

Антрацит — старейший из всех групп ископаемых углей. Он сгорает без пламени с выделением небольшого количества дыма, удобен для сжигания в топках любых котлов.

Жидкое топливо — нефть и продукты ее переработки (мазут, керосин, дизельное топливо); масла (сланцевое масло, отработавшее машинное масло, растительные или животные масла). Из жидких топливв отопительных котельных самым распространенным является мазут (остаточный продукт переработки нефти с плотностью 0,96-0,98 т/м³). Его хранят в подземных стальных или железобетонных резервуарах, установленных вне котельных. Емкость резервуаров рассчитывают на потребность не менее 15 сут. работы котельной.

Газообразное топливо — природные и искусственные газы. Газообразное топливо — смесь горючих и негорючих газов. В естественном газе в основном содержатся метан, этан и тяжелые углеводороды, а также негорючие газы — углекислый газ и азот. В среднем природные газы состоят из 96% метана, 2% этана, 0,5% тяжелых углеводородов и 1,5% углекислого газа и азота.

По сравнению с твердым топливом газообразное имеет ряд преимуществ: простота и меньшая трудоемкость обслуживания котлов; лучшее перемешивание горючего с воздухом, в результате чего возможно горение с наименьшим избытком воздуха и, следовательно, меньшими потерями тепла с отходящими газами.

Однако при сжигании газа следует учитывать особенности этого процесса, а также взрывоопасность и ядовитость газа. Природный газ при содержании его в воздухе от 3,8 до 17,8% (по объему) образует смесь, которая при наличии огня или искры взрывается. Утечки газа опасны, так он ядовит.

1. Виды топлив, их свойства и горение

Повышение мировых цен на традиционные источники энергии, политическая и экономическая нестабильность в странах, являющихся основными поставщиками нефти и газа на мировые рынки, заставляют ведущие страны искать другие виды источников энергии.

Эволюция конструкции двигателя внутреннего сгорания должна подчиняться современным требованиям норм охраны окружающей среды. Эти требования касаются как самих двигателей, так и применяемых в них топлив. Развитие топлив идет по следующим направлениям: совершенствование технологии переработки нефти; поиск новых добавок к топливам; применение альтернативных топлив.

Топливо должно отвечать следующим основным требованиям: при сгорании выделять возможно большее количество теплоты, сравнительно легко загораться, быть широко распространенным в природе, доступным для разработки, дешевым при использовании, сохранять свои свойства во время хранения. Очень важно, чтобы в процессе сгорания топлива не выделялись вещества, представляющие опасность для окружающей среды. Этим требованиям наиболее полно отвечают вещества органического происхождения: нефть, природные газы, ископаемые угли, дрова, горючие сланцы, торф (табл. 1).

Таблица 1. Общая классификация топлив

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

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

Водород Н является второй по значимости горючей составляющей топлива. Содержание водорода в топливе достигает 25 %. Однако при сгорании водорода выделяется в 4 раза больше теплоты, чем при сгорании углерода.

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

Азот N не горит и так же, как кислород, является внутренним балластом топлива. Содержание его в жидком и твердом видах топлива невелико и составляет 0,5…1,5 %.

Сера S, при сгорании которой выделяется определенное количество теплоты, является весьма нежелательной составной частью топлива, так как продукты ее сгорания — сернистый SO₂ и серный SО₃ ангидриды — вызывают сильную газовую или жидкостную коррозию металлических поверхностей. Содержание серы в твердом топливе достигает 8 %, в нефти — от 0,1 до 4 %.

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

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

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

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

Состав газообразных топлив весьма разнообразен. Горючая часть его включает водород Н, окись углерода СО, метан СН₄ и другие газообразные углеводороды (C_nH_m) с числом углеводородных атомов до 4 включительно.

Тепловую ценность газообразного топлива представляют метан и более тяжелые углеводороды. Окись углерода при сгорании выделяет незначительное количество тепла. Балластную часть газообразных топлив составляют негорючие газы, такие как азот N, углекислый СО₃ и сернистый SО₂, кислород О и пары воды Н₂O. Теплота сгорания топлива является его основной качественной характеристикой. Для характеристики различных видов топлив служит удельная теплота сгорания — количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы (кДж/кг).

Для газообразных топлив применяется объемная теплота сгорания — количество теплоты, выделяемой при полном сгорании единицы объема (кДж/м3). Газообразное топливо оценивают также по молярной теплоте сгорания, т.е. по количеству теплоты, выделяемой при полном сгорании одного моля газа (кДж/моль).

Теплоту сгорания жидкого и твердого топлива вычисляют по формуле Д.И. Менделеева. Высшее удельное количество теплоты сгорания определяют по формуле

(1)

Низшее (рабочее) удельное количество теплоты сгорания топлива определяют по формуле

(2)

В формулах (1) и (2) содержание химических элементов выражается в процентах.

Низшая, или рабочая, теплота сгорания Q_н — это теплота сгорания, получаемая в практических условиях. Вычитаемое 25(9H + W) в формуле (2) представляет собой удельное количество теплоты, которое затрачивается на превращение в пар влаги, выделяющейся при сгорании топлива. Пар уносится с продуктами сгорания в атмосферу (9Н — число массовых частей воды, образующихся при сгорании одной массовой части водорода; Н, W — содержание в топливе соответственно водорода и воды, %).

В выражении (2) принято, что дымовые газы охлаждаются до +20 °С, оставаясь в газо- и парообразном состояниях. Значит, 1 кг пара при выносе в атмосферу будет забирать 2671 – (100 – 20) × 2,0096 = 2512 кДж/кг, где 2671 кДж/кг — количество теплоты, затрачиваемой на испарение 1 кг воды, (100 – 20) — условный перепад температуры паров воды, °С; 2,0096 кДж/(кг · град) — теплоемкость паров воды.

В автотрактротных двигателях продукты сгорания отводят из цилиндров при температурах, значительно более высоких, чем температура конденсации паров воды. Поэтому рабочей теплотой сгорания бензинов и других жидких топлив считают величину Q_н. Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива, зависит от химического состава, а следовательно, от содержания в нем углерода и водорода.

Наибольшая массовая теплота сгорания водорода составляет 121 100 кДж/кг, углерода — 34 100 кДж/кг, поэтому парафиновые углеводороды с большим содержанием водорода имеют большую массовую теплоту сгорания по сравнению с ароматическими, содержащими меньше водорода. Объемная же теплота сгорания меньше у парафиновых углеводородов и больше у нафтеновых и ароматических, так как у них выше плотность.

Теплоту сгорания нефтепродуктов (кДж/кг) с достаточной степенью точности можно определить по формуле

(3)

где К — коэффициент, зависящий от плотности нефтепродукта при 20 °С и определяемый по справочной таблице; 20 — относительная плотность нефтепродукта при 20 °С.

Основной характеристикой газообразных топлив является объемная теплота сгорания (кДж/м 3 ), которая определяется делением молярного количества теплоты сгорания на объем 1 киломоля газа. 1 киломоль любого газа при нормальных условиях (0 °С и 760 мм рт. ст.) занимает объем 22,4 м 3 .

Высшее объемное количество теплоты сгорания газообразного топлива в расчете на сухую массу может быть определено по формуле

(4)

а ее низшее объемное количество —

(5)

Объемное количество теплоты сгорания рабочей массы газообразного топлива, содержащего водяные пары, вычисляют по формулам

(6)

(7)

где 0,805 — масса 1 м3 водяного пара, кг; W — содержание влаги в 1 м3 газа, кг.

Теплоту сгорания определяют также опытным путем, сжигая определенное количество топлива в специальных приборах (калориметрах). Теплоту сгорания оценивают по повышению температуры воды в калориметре.

Теплота сгорания и калорийные эквиваленты различных видов топлива

2. Классификация топлив и их краткая характеристика

Жидкое топливо производится преимущественно двумя способами: физическим и химическим. Первый протекает без нарушения структуры углеводородов, второй — с изменением ее. Физический способ, или прямая перегонка нефти, представляет собой процесс разделения ее на отдельные фракции, отличающиеся температурой кипения. Для этого нефть нагревают в нефтеперегонных установках до температуры 300…380 °С, а образовавшиеся пары отбирают и конденсируют по частям в колоннах. В результате перегонки получают топливные дистилляты и остаток, называемый мазутом, который может быть использован для химической переработки или получения смазочных масел. Легкокипящие фракции в паровой фазе достигают верха колонны и вместе с испарившимся оросителем отводятся из колонны в конденсатор — газоотделитель. Более тяжелые топливные фракции отводят из колонны через холодильники и отбирают дистилляты: бензиновый (40…200 °С), керосиновый (140…300 °С), газойлевый (230…330 °С), соляровый (280…380 °С) и в остатке — мазут.

Жидкие топлива подразделяются на:

карбюраторные (авиационные и автомобильные);
реактивные;
топлива для дизелей — дизельные топлива (зимние, летние, арктические), моторное топливо, соляровое масло;
котельные (мазут флотский, топочный мазут).

Карбюраторные топлива состоят из низко- и среднекипящих фракций нефти (фракции, выкипающие при температурах 35…200 °С) и легких продуктов вторичной переработки. В качестве топлив для карбюраторных двигателей используются также сжиженные углеводородные газы.

Топлива для авиационных карбюраторных двигателей представляют собой смесь бензиновых фракций каталитического крекинга и риформинга (фракции, выкипающие при температурах 40…180 °С), алкилата и других высокооктановых компонентов с добавкой антидетонационных и антиокислительных присадок. Выпускаются авиационные бензины марок Б-100/130, Б-95/130, Б-91/115 (в числителе — октановое число, в знаменателе — сортность на богатой смеси). Октановое число определяется по моторному методу. Сортность — это тоже октановое число, оно оценивает прирост мощности по сравнению с чистым изооктаном.

Реактивные топлива (авиационные керосины) получают, как правило, прямой перегонкой нефти (фракции, выкипающие при температурах 200…300 °С). Выпускаются топлива для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью полета (Т-1, Т-2, ТС-1) и для сверхзвуковых самолетов (Т-6, Т-8).

В реактивном двигателе процесс сгорания топлива происходит иначе, чем в двигателях внутреннего сгорания. В реактивном двигателе топливо подается непрерывно, сгорание происходит в потоке воздуха, двигающегося со скоростью 135 м/с. Поэтому главными факторами для нормальной работы являются скорость и полнота сгорания топлива.

Дизельные топлива, применяемые в двигателях с воспламенением от сжатия, подразделяются на три группы:

для быстроходных дизелей (ДЗ, ДЛ, ДС);
для автотракторных, судовых дизелей (А, С);
для среднеоборотных дизелей (ДТ, ДМ).

Дизельные топлива состоят из средних фракций нефти, перегоняющихся в пределах 180…350 °С, легких газойлей каталитического и термического крекинга и гидрокрекинга.

В соответствии с физическим состоянием, топливо бывает:

газообразным;
твердым;
жидким.

Газообразное топливо: природный и промышленные газы (доменный, коксовый, генераторный и др.)

Твердое топливо: древесина, торф, горючие сланцы и весь каменный уголь, который добывается.

Жидкое топливо: сырая нефть, нефтепродукты, мазут.

В зависимости от происхождения топливо разделяется на природное и искусственное.

Природное – топливо в том виде, в котором оно было получено при добыче: каменный уголь, древесина, торф, сырая нефть, природный газ и т.д.

Искусственное топливо – это продукт, полученный при технологической переработке природного топлива. Например: кокс, брикеты, дизельное топливо, мазут, генераторный газ и т.д.

Каменный уголь, жидкое топливо и природный газ являются высококачественным топливом.

Все виды топлива состоят из горючей и негорючей частей.

Газовое топливо наиболее пригодно для смешивания его с воздухом, который необходим для горения, поскольку топливо и воздух находятся в одном агрегатном состоянии.

Условия сжигания твёрдого топлива зависят от количества и свойств имеющихся в нём золы, влаги, количества летучих горючих веществ.

При сжигании жидкого топлива (мазута), имеющего высокую вязкость, одна из основных задач – распыление его на мелкие капельки.

К горючей части относятся углерод, водород, углеводороды, а также сера, которая вредна для котлов и окружающего воздуха.

К негорючей части относятся кислород О₂, азот N₂, влага Н₂О и зола. Влага и зола составляют внешний балласт топлива, а кислород и азот – внутренний.

Газообразное топливо:

Природный газ — смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ.

Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворенном состоянии в нефти или воде. При нормальных условиях (101,325 кПа и 0 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Сжиженный природный газ — природный газ (преимущественно метан CH₄), искусственно сжиженный путем охлаждения до -160°C для удобства хранения или транспортировки. Для хозяйственного применения преобразуется в газообразное состояние на специальных регазификационных терминалах.

Сжиженный природный газ обладает рядом преимуществ. При сжижении он очищается от примесей и уменьшается в объеме в 600 раз. Это упрощает его транспортировку и дальнейшее хранение. При этом сжиженный природный газ экологически безопасен относительно других видов топлива. Он не токсичен для человека и окружающей среды, не горит и не взрывается сам по себе.

Инженеры ООО “ТПК Монтаж” наладят газоснабжение в жилых объектов, не зависимо от магистральных газопроводов.

Природный газ, который подает система автономной газификации, ничем не отличается от газа в магистральных газопроводах. Наоборот – это полная независимость от любых источников газа. Автономная газификация предполагает, что ваш участок и коттедж полностью автономны в плане газоснабжения и способны продержаться сколь угодно долго без магистральной трубы. Это особенно выгодно, если газификация особняка невозможна из-за большой удаленности от основных объектов магистральной газификации.

Твердое топливо:

Уголь, торф, горючие сланцы (ископаемое топливо)

Чем ниже залегает данное топливо, тем лучше – больше теплота сгорания и меньше золы. Антрацит состоит на 90% из углерода, имеет максимальную теплоотдачу.

Использование ископаемых видов топлива для отопления требует отдельного помещения под котельную, отделенного от жилых помещений, так как горение сопровождается копотью, неприятными и вредными газами.

Дрова, пеллеты

Для автоматизации процесса отопления на основе дров придуманы пеллеты – прессованные в гранулы отходы древесины. Главное их преимущество – одинаковые размеры, удобные для транспортирования подавателем в топку автоматического котла, достаточная сухость, теплота сгорания – на уровне лучших пород древесины.

Жидкое топливо

Основным источником получения жидкого топлива является нефть.

Котлы работают на дизельном топливе, мазуте, печном топливе или отработанном масле.

Мазут – это вязкий продукт темно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов ее вторичной переработки бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций.

В настоящее время в промышленности используются в основном такие типы этого материала: крекинговый; прямогонный; флотский; топочный. Последняя разновидность является очень популярной. Как уже можно судить по названию, используется она в основном для отопления помещений.

Мазут подразделяют на:

Топочный вид может применяться как котельное топливо для различных тепловых генераторов, как основной источник тепловой энергии в отопительных системах, котельных и т.д. Мазут топочный м100, как наиболее используемый вид в подобных системах, пользуется наибольшим спросом и популярностью.

Дизельное топливо (солярка) – это нефтяные фракции, выкипающие в пределах 180–360°С. Широко используется в отопительных целях в загородных домах. Это достаточно удобный, но и дорогостоящий способ поддерживать комфортную температуру в помещении.

По принципу работы такое отопление напоминает водяную систему, но с наличием своих особенностей. В качестве источника тепла выступает в данном случае котел, работающий на дизельном топливе. Именно он и греет воду для отопления и других нужд.

Применяется дизельное топливо низкого качества, которое не пригодно для использования в автомобилях. Данному виду топлива присущи все недостатки твердого топлива, которые дополнены всепроникающим запахом и повышенной пожароопасностью. Требования к дымоходу такие же, как и у угля. Низкая экологическая безопасность.

Все процессы жизнедеятельности человека связаны с теплом: для обогрева жилья, для приготовления пищи, для плавки металлов, для получения других видов энергии. Тепловую энергию получают с использованием топливных ресурсов.

Топливо — это вещество, способное выделять энергию в ходе определённых процессов, эту энергию можно использовать для технических целей.

Топливо активно используется людьми для получения тепла и света, то есть энергии, с тех самых пор, как человек научился пользоваться огнём. Первоначально в качестве топлива использовались дрова, а также жир рыб и животных.

В процессе эволюции и развития требования к ассортименту топлива росли. Первая промышленная революция, произошедшая в \(XIX\) веке в результате перехода от древесного топлива к ископаемому угольному, полностью преобразовала аграрные страны Европы, а затем и Америку.

Потом пришла эра электричества, открытие которого оказало огромное влияние на жизнь человечества и обусловило зарождение и рост крупнейших городов мира.

Применение в качестве топлива нефти и природного газа в сочетании с развитием электроэнергетики, а затем и освоение энергии атома позволили промышленно развитым странам осуществить грандиозные преобразования, итогом которых стало формирование современного облика Земли.

Читайте также: