Введение
Когдав середине XVII столетия голландский естествоиспытатель Ван Гельмонт придумалпонятие «газ», он и не подозревал, какие страсти будут бушеватьвокруг этого короткого слова спустя 400 лет. Действительно, теперь о том, чтоэто фазовое состояние вещества, при котором оно «занимает весьпредоставленный ему объем» знают лишь школьники да специалисты. Для всегоостального человечества газ – это, в первую очередь, свет, тепло, комэфорт иденьги, деньги, деньги… Конечно, речь в этом случае идет о «голубомтопливе»- природном газе.
ВХХ в. энергетические потребности человечества увеличились в 20 раз. Ныне впромышленности развитых странах на одного жителя расходуется свыше 10 тусловного топлива (т у. т.) в год (1 т у. т. эквивалента 1 т угля и дает присжигании 29 308 МДж теплоты). В 1986 г. общее энергопотребление населения Землипревысило 13 млрд. т у. т. Ожидается, что к 2020 г. эта цифра возрастет до 30 …38 млрд. Энергетические потребности государства обеспечивает его топливно-энергетическийкомплекс. При этом большое значение придается экономии органического топлива ив первую очередь нефти. Однако, запасы нефти ограничены, разработка и освоениеновых месторождений требуют значительных капиталовложений (за последние 20 летони возросли в 3 раза), все больших затрат трудовых и материальных ресурсов.Нефть во все больших количествах используется в химических производствах, гдеона является незаменимым сырьем в ряде приоритетных отраслей народногохозяйства.
Такимобразом, одним из основных направлений энергосберегающей политики являетсяэкономия наиболее ценного органического сырья — нефти. Решение этой проблемызаключено во внедрении ресурсосберегающих технологий, использовании менееэнергоемких машин, сокращении применения нефтепродуктов в качестве топлива сзаменой их нефтяными (альтернативными) энергоносителями — в первую очередьгазом и углем. Первым направлением занимаются нефтедобывающие инефтеперерабатывающие отрасли промышленности, базирующиеся на научныхразработках соответствующих разделов химмотологии. Перспективы здесь можноохарактеризовать тем, что повышение выхода топлив из нефти только на 1 %эквивалентно увеличению ее добычи до 7 млн. т в год.
Двигателивнутреннего сгорания являются основными потребителями нефти, служащей сырьемдля производства автотракторных топлив и смазочных материалов (до 60 % нефти,добываемой в стране, расходуется на эти цели).
Существеннаяэкономия топлива обеспечивается использованием высококачественных, в том числесинтетических моторных масел. Применение антифрикционных металлокомплесныхприсадок к моторным маслам позволяет уменьшить расход топлива до 4 % приодновременном увеличении ресурса двигателя.
Третьенаправление заключается в отказе от использования нефти в качестве энергоисточникас заменой ее на другие менее дефицитные энергоресурсы. Нужно искать эффективныеметоды преобразования имеющихся в достатке энергоресурсов В высококачественныйэнергоноситель, удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к топливам для ДВС.Рассмотрение таких перспективных энергоресурсов дано в гл. 1. В качествеальтернативы нефтяных топлив рассматривают энергетические аккумуляторы.
1.Для комплексной оценки топлив и смазочных материалов (Т и С) используют понятиекачества. Под качеством Т и С понимают совокупность отдельных показателей (показателейкачества), характеризующих его свойства.
КачествоТ 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 в1,5 … 2 раза, В токсичность отработавших газов уменьшить в несколько раз, Вобщем случае качество Т и С должно в наибольшей степени удовлетворять формуле«эффективность — экономичность — экология» т.е. обеспечиватьмаксимальную эффективность использования в двигателе при минимальныхтехнологических и эксплуатационных расходах наряду с возможно меньшимвоздействием на окружающую среду (от экономии невосстанавливаемых природныхресурсов до загрязнения атмосферы).
Приоценке качества Т и С учитываются следующие факторы: полнота удовлетворениятребований потребителя; технические и экономические возможности производства,экономический эффект в народном хозяйстве (у потребителя); взаимное влияние отдельныхсвойств Т и С (необоснованное улучшение одних свойств может повлечь за собойухудшение других).
Особоследует отметить проблему надежности Т и С, под которой понимается способностьэтих материалов сохранять свои показатели качества в течение заданного ресурса.От надежности Т и С непосредственно зависит надежность ДВС, условия иэкономическая эффективность использования двигателя.
Лабораторныеметоды используют при определении физико-химических показателей,характеризующих качество Т и С, для косвенной оценки их отдельныхфункциональных свойств, а также при проведении научно-исследовательских работ.Основное достоинство лабораторных методов испытаний состоит в том, что с ихпомощью можно выполнить дифференцированную оценку отдельных свойств Т и С иуяснить физический смысл результатов испытаний Т и С в реальных условиях. Сцелью интенсификации методов оценки качества Т и С создана новая системалабораторных испытании, суть которой основана на том, что каждоеэксплуатационное свойство разделяют на отдельные, относительно простыесоставляющие показатели, оцениваемые ускоренными лабораторными методами.Полученные данные рассматривают во взаимосвязи с конкретными условиями работы Ти С. Такая комплексная оценка позволяет достаточно полно оценить исследуемыеэксплутационные свойства в целом Однако вследствие большой сложности процессов,происходящих в двигателе, лабораторные методы не дают возможности получитьдостаточно полное представление о работе Т и С в реальных условиях. Это можносделать на основании анализа результатов, полученных специальными методамииспытаний.
Основнойнедостаток эксплуатационных испытаний — большая длительность (до несколькихлет). Это задерживает внедрение новых сортов Т и С и, следовательно,технический прогресс моторостроения, поэтому для оценки одного или несколькихэксплуатационных свойств Т и С широко распространились стендовые методыиспытаний, выполняемые на модельных установках, натурных агрегатах,одноцилиндровых установках и полноразмерных двигателях. Эти методы объединяютобщим названием — квалификационные методы испытаний. Они по сравнению слабораторными методами позволяют более точно и полно оценить эксплуатационныесвойства Т и С, а по сравнению с эксплуатационными испытаниями — упроститьусловия и в несколько раз сократить длительность испытаний. Наряду с этим вомногих случаях квалификационные методы по сравнению с эксплуатационнымипозволяют уменьшить влияние посторонних факторов на исследуемый показатель, а,следовательно, повысить точность и объективность испытаний. Квалификационныеметоды используют для установления взаимосвязи между показателями качества Т и Си конструкцией ДВС, для разработки требований к качеству Т и С, классификации иунификации Т и С и пр. Разработан способ исследования Т и С на основе комплексаметодов квалификационной оценки, позволяющий в короткое время определитьэксплуатационные свойства исследуемого образца.
Однакоокончательное решение о возможности использования того или иного вида Т и С вданной конструкции ДВС принимают на основании эксплуатационных испытаний.Применение различных методов испытаний указано в стандартах и техническихусловиях.
Вусловиях производства показатели качества определяют не только рациональностьприменения данного вида Т и С в двигателе, но и производственные затраты на егоизготовление. Как правило, повышение качества продукции ведет к увеличениюпроизводственных затрат, а иногда к уменьшению ресурса этого продукта, поэтомуулучшение качества Т и С необходимо рассматривать в неразрывной связи между возможнымповышением стоимости производства продукта и экономией, получаемой при егоиспользовании, т.е. повышение качества Т и С должно сопровождаться экономическимэффектом в масштабе государства.
понятие топлива
Топливо,не содержащее в своем составе окислитель, часто называют горючее. Понятиетоплива более общее, нежели горючее или горючее ископаемое, потому как включаетв себя древесину и различные топливные смеси. В широком смысле — один из видовпотенциальной энергии, энергоноситель.
Химическаяили ядерная энергия топлива переводится в различные виды энергии, и чаще всегочерез преобразование выделяемого при реакциях тепла тепловыми двигателями.
Основнойпоказатель топлива — теплотворная способность (теплота сгорания). Для целейсравнения видов топлива введено понятие условного топлива (теплота сгоранияодного килограмма «условноготоплива»(у.т.) составляет 29,3 МДж или 7000 ккал — что примерно соответствует каменномууглю).
Печноебытовое топливо предназначено для сжигания в отопительных установках небольшоймощности, расположенных непосредственно в жилых помещениях, а также втеплогенераторах средней мощности, используемых в сельском хозяйстве дляприготовления кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других целей.
Стандартна котельное топливо — ГОСТ 10585-99 предусматривает выпуск четырёх его марок:флотских мазутов Ф-5 и Ф-12, которые по вязкости классифицируются как лёгкиетоплива, топочных мазутов марки 40 — как среднее и марки 100 — тяжелое топливо.Цифры указывают ориентировочную вязкость соответствующих марок мазутов при 50°C.
Печноетопливо темное вырабатывается из дизельных фракций прямой перегонки ивторичного происхождения — дистиллятов термического, каталитического крекинга икоксования.
Пофракционному составу печное топливо может быть несколько тяжелее дизельноготоплива по ГОСТ 305-82 (до 360 °C перегоняется до 90 процентов вместо 96процентов, вязкость печного топлива до 8,0 мм2/с при 20 °C против3,0…6,0 мм2/с дизельного).
Приизготовлении печного топлива не нормируются цетановое и йодное числа,температура помутнения. При переработке сернистых нефтей массовая доля серы втопливе — до 1,1 %.
Дляулучшения низкотемпературных свойств печного топлива в промышленности применяютдепрессорные присадки, синтезированные на основе сополимера этилена свинилацетатом.
Характеристики:10 % перегоняется при температуре, С, не ниже 160; 90 % перегоняется притемпературе, С, не выше 360; кинематическая вязкость при 20 °C, мм2/с,не более 8,0; температура вспышки в закрытом тигле, С, не ниже 45; массоваядоля серы, процентов, не более: в малосернистом топливе 0,5; в сернистомтопливе 1,1; испытание на медной пластинке выдерживает; кислотность, мг КОН/100см3 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
Топливадля ДВС разделяют по типу двигателя, для использования в котором онипредназначены, на бензины и дизельные топлива; по агрегатному состоянию — нажидкие и газообразные; по химическому составу — на углеводородные инеуглеводородные; по виду исходного сырья — на нефтяные и альтернативные; поспособу хранения на автомобиле — на одно- и многокомпонентные (последниеназывают топливами раздельной подачи).
Термины«бензин» и «дизельное топливо» используют для обозначениянефтяных топлив, применяемых соответственно для двигателей с принудительнымвоспламенением и для дизелей.
Различиемежду жидкими и газообразными топливами заключено в их разных агрегатныхсостояниях при нормальных атмосферных условиях. В современной транспортнойтехнике преимущественное применение получили жидкие топлива. Под газообразными(газовыми) топливами понимается топливо, поступающее в систему топливоподачидвигателя в газовой фазе. Газообразные топлива могут находиться в топливномбаке транспортного средства в сжатом или сжиженном состоянии. В первом случаегазы называют сжатыми, во втором сжиженными. Такое деление условно. Агрегатноесостояние газа определяется параметрами его хранения в топливных емкостях(баках) — температурой и давлением. В зависимости от конструкции бака один итот же газ может находиться в них как в жидкой, так и в газовой фазе. Например,метаниспользуется и как сжатый газ, находящийся в баках (баллонах) под высокимдавлением (до 20 МПа), и как сжиженный, находящийся в термостатированныхемкостях при температуре, равной или ниже температуры сжижения (—161 °С).
Газообразныетоплива — перспективный вид топлив для ДВС. Это объясняется следующимиосновными преимуществами этих топлив перед жидкими: меньшей стоимостью;снижением износа и повышением долговечности цилиндропоршневой группыдвигателей; уменьшением потребности в высококачественных моторных маслах иувеличением срока их бессменной работы в двигателе; большей полнотой сгоранияи, как следствие этого, меньшим загрязнением среды.
Кнефтяным относят топлива, изготовленные из природной нефти. Нефтяные топливаявляются основными топливами для сов ременных ДВС, что объясняется ихпреимуществами перед другими видами топлив: освоенностью производства,транспортировки, хранения и подачи в камеру сгорания, относительной простотойсмесеобразования и пр.
Кальтернативным топливам относят все виды топлив, для получения которых вкачестве основного сырья не использована природная нефть.
Еслисмесь нефтяного и альтернативного топлив обладает достаточной физико-химическойстабильностью при заданных эксплуатационных условиях, то такое топливо можнорассматривать как нефтяное топливо, в которое введены определенные добавки. Впротивном случае либо если это рационально по другим техникоэксплуатационнымпоказателям, нефтяное и альтернативное топливо применяют как топлива раздельнойподачи. Как показывает само название, под топливами раздельной подачи понимаютдвух- или более компонентные топлива, отдельные компоненты которых хранят наборту автомобиля раздельно. Смешиваются эти компоненты непосредственно вовпускном тракте или в цилиндре двигателя. Применяют топлива раздельной подачи вслучае физико-химической нестабильности компонентов при их предварительномсмешении, а также при необходимости (или целесообразности) раздельногорегулирования расхода отдельных компонентов. Например, для облегчения запускахолодного газового двигателя может использоваться нефтяное топливо, а дляувеличения детонационной стойкости бензина на определенных режимах работыдвигателя — 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 каждогоиз компонентов топлива.
2.Основные современные виды топлив
2.1Твердое топливо
Горючиевещества, основной составной частью которых является углерод. К твердомутопливу 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 количестватоплива дают при сжигании различное количество теплоты. Поэтому для оценкикачества топлива определяют его теплотворную способность, то есть наибольшееколичество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива (наибольшая теплотворнаяспособность у каменного угля). В основном твердое топливо применяют дляполучения теплоты и других видов энергии, которые затрачиваются на получениемеханической работы. Кроме того, из твердого топлива при его соответствующейобработке (перегонке) можно получить более 300 различных химических соединений.Большое значение имеет переработка бурого угля в ценные виды жидкого топлива —бензин и керосин.
2.1.1Древеси́на
СоставОсновнаячасть – целлюлоза (до 50 % объема), природный полимер, самая важная частьдревесинного вещества.
Целлюлозазаполнена лигнином. У хвойной древесины его примерно 25…35 % объема древесины,у лиственной меньше – 15…25 %. Лигнин – очень сложное химическое вещество, струдом отделяемое от целлюлозы. В состав древесины входят еще и гемицеллюлозы,экстрактивные вещества, которые определяют цвет, запах, вкус, стойкостьдревесины к загниванию, огнестойкость и проницаемость влаги (гигроскопичность).Они служат сырьем для многих очень нужных веществ – красок, эфирных масел, жирови пр. В зависимости от породы, условий произрастания и заготовки в древесинесодержится 5…30 % экстрактивных веществ.
Общаяхарактеристика
Древесинаявляется горючим материалом, но как органический материал, при горении долгоостается прочной. При обугливании поверхности образуется защитный слой,благодаря которому замедляется проникновение огня вглубь древесной ткани. Вслучае пожара, при горении дерева не образуется едких веществ.
Применение
Нахимической переработке древесины основаны многие лесохимические производства(пиролиз и гидролиз раститительных материалов, производство целлюлозы,канифоли, скипидара, дубильных веществ). Применение древесины в качествехимического сырья непрерывно увеличивается.
2.1.2Горючий сланец
СоставГорючийсланец состоит из преобладающих минеральных (кальциты, доломит, гидрослюды,монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и др.) и органическихчастей (кероген), последняя составляет 10…30 % от массы породы и только всланцах самого высокого качества достигает 50…70 %. Органическая часть являетсябио- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей,сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его(коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остаткивысших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).
Общиехарактеристики
Повнешнему виду горючие сланцы слоистые, реже плотные, массивные, иногдарасслаивающиеся на плитки породы темно-серого или коричневого цвета различныхоттенков; при воспламенении горят коптящим пламенем. Кероген — продуктпревращения в естественных условиях разных материалов растительного и животногопроисхождения, образовавший отложения сапропелитовой и гумусовой природы.
Различаютследующие основные типы: собственно сапропелитовые-кукерситы, в которыхпреобладают 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 высшихрастений (распространены в Карпатах и др.).
Происхождение
Горючиесланцы — порода смешанного обломочного и органогенного происхождения;образуются на дне морей, лагун, озер при одновременном осаждении глинистыхчастиц, карбонатного вещества и сапропелевого ила с органическими остатками(планктон, высшие растения) в условиях ограниченной циркуляции воды и воздуха.Скопившаяся органическо-минеральная масса постепенно уплотняется ипреобразуется в плотную осадочную породу.
Способыдобычи
Саратовскимиучеными и инженерами разработан и апробирован принципиально новый иэкономически безопасный способ добычи и переработки горючих сланцев. Добыватьсланцы открытым способом можно, но не всегда и не везде. Строить шахтынерентабельно. Саратовский способ – безшахтный, основанный на созданииподземных горизонтальных каналов большого диаметра.
Применение
Впромышленности горючие сланцы используют как топливо и химическое сырье,добываемые главным образом в Прибалтийском и Волжском бассейнах (содержат10…15% влаги, удельная теплота сгорания 6…10 МДж/кг), сжигают в котельныхэлектростанций, на что расходуется 75 % всей добычи сланцев в стране. Зольныйостаток от сжигания горючих сланцев применяют для получения вяжущих строит.материалов типа цемента.
Термическойпереработкой горючих сланцев в условиях полукоксования (450…550°С) получаютсмолу (10…30 %), газовый бензин (1,0…1,5 %), пирогенетическую воду и горючиегазы с высокой теплотой сгорания. Смола полукоксования кукерситов содержит20…25 % фенолов, а также парафиновые, алифатические, нафтеновые и ароматическиеуглеводороды. Смола полукоксования горючих сланцев Приволжского бассейна (25…28% в расчете на кероген) отличается высоким содержанием сераорганическихсоединений тиофена, бензтиофена; применяется она для приготовления ихтиола.Высокотемпературным коксованием (950…1000 оС) кукерситов производятбытовой газ (350…400 м3/т) с удельной теплотой сгорания 15,9…17,6МДж/кг, газовый бензин (10 кг/т) и смолу (50 кг/т). Из сланцевой смолы получаютантисептики, противоэрозионные препараты, растворители, синтетические смолы,шпалопропиточное масло, дорожный битум, сырье для производства электродногококса.
2.1.3Сапропе́ль
СоставСапропельсодержит кальций, железо, фосфор, биологически активные вещества — витамины,стимуляторы роста, гормоны, антибиотики и другие.
Сапропельсостоит из илового раствора, скелета и коллоидного комплекса. В иловый растворвходит вода и растворенные в ней вещества — минеральные соли, низкомолекулярныеорганические соединения, витамины и ферменты. Скелет, или состав сапропеляпредставляет собой неразложившиеся остатки растительного происхождения, аколлоидный комплекс — сложные органические вещества, которые придают сапропелюжелеобразную консистенцию.
Общаяхарактеристика
Рассматриваясапропель под микроскопом, можно увидеть аморфные коллоидальные массы, средикоторых встречаются животные и растительные остатки. В зависимости от составаорганической и минеральной частей сапропели подразделяют на несколько видов. Водном озере может находиться два-три вида сапропелей. Смена видов сапропелейидет, с одной стороны, по вертикали, в зависимости от глубины залеганиясапропеля, с другой — от степени удаленности от берега и характера окруженияозера.
Сапропелиразделяются по химическому составу минеральной части как менее изменяющейся: накремнеземистые, известковистые и смешенного типа.
Посодержанию органического вещества сапропели подразделяет на две группы: насобственно сапропели, содержащие больше чем 50 % органического вещества, и наобедненные органическим веществом сапропели, имеющие его в своем составе 15…50%.
Многообразиесапропелевых отложений можно разделить по содержанию в них органическоговещества на четыре типа: органические (зольность до 30 %), органо-минеральные(зольность 30…50 %), минерально-органические (зольность 50…70 %) иминерализованные (зольность 70…85 %).
Многообразиеклассификаций и типологических характеристик сапропелей объясняется сложностьюих строения и древностью происхождения.
Важнойособенностью органической части сапропеля является высокое содержание (до 50 %)гуминовых соединений, которые во многом определяют характер и свойства иловданной составной частью. Гуминовые кислоты, содержащиеся в сапропелях, имеютразличные уровни химической активности, а от этого зависит бактерицидноедействие сапропелей. Более выраженным антимикробным действием обладаютгуминовые кислоты кремнеземных сапропелей. Характерной особенностью сапропелейявляется высокое влагонасыщение в естественном состоянии. Естественнаявлажность сапропелевых отложений составляют 84,0…96,0 % (в среднем — 88,4 %).Различие влажности объясняются неоднородностью химического состава сапропелей иразным соотношением зольной и органической частей. Органическое веществоспособно связывать большее количество воды, чем минерализованное, за счетосмотического проникновения молекул воды и образования водородных связей сфункциональными группами твердой фазы сапропелей.
Следовательно,чем больше органического вещества в сапропеле, тем выше его влажность. Всапропелях отмечают различные категории воды. Основную категорию удерживаемойсапропелем воды (до 70 … 80 % полной влагоемкости) составляет слабосвязаннаявода макропор, которая удерживается в материале механически и не обладаетсколько-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.
Свободнаявода является средой для развития микробиологических и связанных с нимифизико-химических процессов в сапропелях, в результате этого в нихнакапливаются многие вещества, которые затем могут быть извлечены водой. Кромеэтого, сильно развитая удельная поверхность сапропелей способствует развитиюпроцессов химического взаимодействия воды с твердой фазой, из которой вода врезультате длительного контакта способна насыщаться многими растворимымиорганическими и минеральными компонентами. Поэтому химический состав воднойфазы озерных отложений отличается более высокой общей минерализацией посравнению с соответствующей озерной водой, повышенным содержанием свободных игидролизуемых веществ, отдельных макро- и микроэлементов.
Приоценке сапропелей с позиции их практического использования и переработки важноезначение имеет их зольность, то есть количественное содержание и составзолообразующих компонентов. В зависимости от форм связи неорганическихэлементов с органическим веществом сапропели подразделяются на три группы:первая — неорганические компоненты, отделяемые физическим методом. Эта группахарактеризует обогатимость сапропелей; вторая — неорганические компоненты,переходящие в раствор при кислотной и щелочной обработке. Неорганическиеэлементы 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 общейзольности в кремнеземистых сапропелях достигает 45 %, в карбонатных -14 %, ворганических -10 %.
Сапропелив естественном состоянии — это многокомпонентные полидисперсные системы.Содержание органического вещества в сапропелях составляют 15…95 % массы сухоговещества. Состав органического вещества сапропелей представлен битумоидами,углеводным комплексом (гемицеллюлозы и целлюлозы), гуминовыми веществами(гуминовыми кислотами, фульвокислотами), негидролизуемым остатком. Многообразиеприроды сапропелеобразователей обусловило появление осадков с различнымсоставом органического вещества, количеством целлюлозы, структуре гуминовыхкислот. Если в составе сапропелеобразователей содержится значительноеколичество водорослевых компонентов, то происходит накоплениелегкогидролизуемых соединений, возникновение гуминовых кислот амидоуглеводнойприроды, низкий уровень целлюлозы.
Гуминовыекислоты являются основной группой биологически активных веществ в сапропелях. Всреде сапропелей развивается специфическая микрофлора, которая обогащает ихбиологически активными веществами, -каротины, хлорофилл, ксантофиллы, стерины,органические кислоты, спирты, гормоноподобные вещества и другие соединения.Ценную группу биологически активных веществ образуют витамины, среди которыхвыделены в сапропелях различных регионов страны витамины группы В (В1, В2, В3, В6,В12), С, Е.
Основнымикомпонентами органического комплекса сапропелей являются легкогидролизуемые игуминовые вещества, на которые приходится 60…80 % органического вещества.Соотношение компонентов в сапропелевых осадках изменяется в больших пределах, вчастности, содержание гуминовых кислот изменяется от 4…9 до 50…60 % оторганического вещества.
Ворганических сапропелях количество органического вещества составляет 70…93% отсухого вещества, в кремнеземистых и карбонатных — 15…60 %, а в смешанных — от43 до 58 %. Суммарное количество водорастворимых и легкогидролизуемых веществ всапропелеобразователях от органического вещества составляет 30…60 %, в томчисле гемицеллюлоз — 10...27 %, целлюлозы – 9…39 %. Геммицеллюлозные сахарасоставляют 80 % суммы сахаров, а содержание моносахаридов в составелегкогидролизуемых веществ – 6…8 % от органического вещества и гексоз от суммысахаров – 42…78 % при соотношении пектоз и гексаз — 1:1-2. Установлено всапропелях содержание от суммы моносахаридов глюкозы – 11…52 %, галактозы иманнозы — по 6…15, ксилозы – до 15 %, арабинозы и рамнозы — по 10…6 %. В целомсапропели бедны целлюлозой, на которую приходится в среднем 1…2 % оторганического вещества и содержание ее колеблется от 0,1 до 8,5 %, чтообъясняется не только ее небольшим поступлением с растительным материалом, но изначительными превращениями в ходе сапропелеобразования.
Количествоазота в сапропелях различных типов от содержания органического веществасоставляет 2,7…6,0 %, а от сухого вещества — 0,5…4,0 %. В органическом веществесапропелей, содержащем остатки зооорганизмов, количество азота больше исоставляет 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 показателибольше в сапропелях с повышенной зольностью. 25…50 % азота входит в составаминокислот, что обуславливает питательную ценность сапропеля при скармливанииего сельскохозяйственным животным и птице. В сапропелях выделено 17аминокислот, из которых преобладают лизин, аргинин, треонин, метионин,фенилаланин, лейцин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, аланин, пролин,цистеин. Аминокислоты сапропелей в значительной степени входят в составгуминовых кислот, где азот составляет около 7 %.
Содержаниегемицеллюлоз составляют в среднем 5…8 % и повышается до 8…20 % (оторганического вещества) в малозольных сапропелях, имеющих водорослевоепроисхождение. Содержание целлюлозы в среднем 1…2 % и увеличивается до 4..6 % вторфянистых сапропелях. Углеводный комплекс сапропелей, состоящий на 80 % иболее из гемицеллюлоз, предопределяет возможность получения на основесапропелей кормовых средств и удобрений.
Всапропелях различных типов содержание золы от сухого вещества колеблется вследующих пределах: в органических — 7…30 %, кремнеземистых
икарбонатных – 40…85 % и смешанных – 32…56 %. В золе сапропелей содержатсямакроэлементы (кальций, фосфор, сера, калий, кремний и др.), микроэлементы(марганец, медь, кобальт, цинк, бор, молибден, кадмий, никель, фтор, хром, ванадийи другие), но их содержание зависит от типовой и видовой принадлежности тогоили иного отложения. Следует отметить, что содержание минеральных веществ всапропелях по регионам страны подвержены большим колебаниям и изменениям. Всапропелях микроэлементы входят в органоминеральные соединения, сорбируютсягелями кремнезема, глинозема, гидрооксидами железа. Активнымикомплексообразователями являются фракции гуминовых веществ (гуминовые кислоты,фульвокислоты). Они образуют с микроэлементами растворимые и нерастворимыекомплексные соединения.
Происхождение
Сапропель- вещество преимущественно биологического происхождения, образующееся подводой, на дне пресноводных водоемов из остатков планктонных и бентосныхорганизмов, при большой роли бактериальных процессов, происходящих вповерхностных слоях отложений при малом доступе кислорода.
Способыдобычи
Гидравлическийспособ
Спомощью размытия залежи струей воды с последущим всасыванием пульпы итранспортировки ее по плавучему трубопроводу на берег. Обладает большойпроизводительностью, требует больших капитальных затрат и площадей для хранениедобытого материала и его подготовки к переработке. Один из самых экологичесинебезопасных способов.
Гидромеханическийспособ
Включаетрыхление залежи механической фрезой, частичное смешение сапропеля с водой,откачку полученного материала грязевым насосом на поверхность.Один из наиболеераспространенных. Отличается хорошей производительностью. Целесообразен длядобычи сапропеля идущего на удобрения, кормовые добавки, рекультиванты.
Экскаваторныйспособ
Применимв осушаемых озерах и с небольших глубин. Не везде возможен.
Шнековыйи пневмо-шнековый способ
Извлечениесапропеля из дна водоема осуществляется при помощи шнекового насоса с подачейили без нее воздуха для разжижения извлекаемого материала. Один изперспективных методов ведения добычных работ для малого и среднего бизнеса.Отличается незначительной стоимостью оборудования, большим диапазоном попроизводительности, не требует отстойников и обезвоживания. Возможен заборсапропеля естественной влажности исключает ряд подготовительных стадий междудобычей и перерабокой сапропеля. Экономичен.
Точечно-вакуумныйспособ
Извлечениесапропеля из-под воды осуществляется вертикальным вакуумным заборомцилиндрической формы с запорным механизмом в нижней части. Вакуум в заборесоздается в целях исключения загрязнения водоема и смешения сапропеля с водой
Малопроизводительныйспособ. Применим для лабораторных работ, добычи сапропеля для кормовых добавок,в лечебных целях, др. экономичен. популярен в фермерских хозяйствах и воздоровительных грязелечебницах.
Всасывающийспособ
Заборсапропеля с водоема осуществляется с помощью мощных самовсасывающих насосов дляперекачки вязких веществ. Его применение целесообразно при наличии сапропеля вовзвешенном состоянии незначительной плотности. Становиться популярен послепоявления на европейском рынке соответствующих малогабаритных и надежныхнасосов. Перспективный и экономичный при небольших потребностях сапропеля сдоставкой его после извлечения на поверхность на небольшие расстояния.
Скреперно-всасывающийспособ
Заборполезного ископаемого осуществляется скреперным наездом на сапропелевый пласт споследующей откачкой материала самовсасывающим насосом на берег. Применим приплотных залежах сапропеля на незначительной глубине. В основном пригоден дляпроизводства сапропелевых удобрения.
Применение
Сапропелькак удобрение
Сапропельможно считать наиболее перспективным органическим удобрением. Производится издонных отложений пресноводных водоемов, которые сформировались из отмершейводной растительности, остатков живых организмов, из частиц перегноя, торфа ипеска.
Использованиеила обеспечивает замкнутый экологических цикл в системепочва-вода-растение-животное-человек с поддержанием круговорота веществ.
Сапропелькак кормовая добавка
Сапропелеваякормовая добавка содержит 16 % белка, богата минеральными солями,аминокислотами и ферментами, которые способствуют более полному использованиюпитательных веществ кормов, усиливают функции пищеварительного тракта ииспользование азотистых соединений корма.
Очисткаводы при помощи сапропеля
Методсорбционной очистки воды один из наиболее эффективных способов решения проблемыобеспечения качества питьевой воды. В настоящее время при термической обработкесапропеля получают сорбенты Сибсорбент, Лесорб, Собойл-А и другие.
Использованиесапропеля в качестве химического сырья и стройматериалов.
Присухой перегонке из сапропеля можно получать кокс, водный аммиак, метиловыйспирт, бензин, парафиновое масло? Сапропель может широко использоваться какклей в производстве древесно-стружечных плит.
2.1.4Торф
СоставОрганическоевещество состоит из растительных остатков, претерпевших различную степеньразложения. Перегной (гумус) придает торфу тёмную окраску. Относительноесодержание в общей массе торфа продуктов распада растительных тканей,утративших клеточную структуру, называют степенью разложения торфа. Торф имеетсложный химический состав, который определяется условиями генезиса, химическимсоставом растений-торфообразователй и степенью разложения. Элементный составторфа: углерод 50…60 %, водород 5…6,5 %, кислород 30…40 %, азот 1..3 %, сера0,1…1,5 % (иногда 2,5) на горючую массу. В компонентном составе органическоймассы 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 илипластичная (сильноразложившийся торф). Цвет жёлтый или бурый до чёрного.
Общиехарактеристики
Торфподразделяется на виды по группировке растений и условиям образования, а такжена типы:
Верхово́йторф— образован олиготрофной растительностью (сосна, пушица, сфагнум, вереск) припереувлажнении, вызванном преимущественно атмосферными осадками. Плохоеудобрение, поскольку беден. Содержит зольные элементы 1…5 %, органическихвеществ — 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 сповышением степени разложения от светло-желтой до темно-коричневой.Используется как топливо или теплоизоляция.
Низи́нныйторф — образован эутрофной растительностью (ольха, осока,мох) при переувлажнении грунтовыми водами. Зольность 6…18 %. Преобладают серыеоттенки, переходящие в землисто-серый цвет. Хорошее удобрение.
Такжевыделяется торф переходного типа. Переувлажнение грунтовыми водами, беднымиминеральными солями. Зольность 4…6 %.
Происхождение
Происхождениеторфа связано с накоплением остатков отмершей растительности, надземные органыкоторой 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 зависитот вида растения, обводненности, кислотности и температуры среды, от составапоступающих минеральных веществ. Несмотря на ежегодный прирост отмершейорганической массы, торфогенный горизонт не прекращает своего существования,являясь природной «фабрикой» торфообразования. Поскольку на торфяныхместорождениях произрастает много видов растений, образующих характерныесочетания (болотные фитоценозы), и условия среды их произрастания отличаются поминерализации, обводнённости, реакции среды, сформировавшийся торф на разныхучастках торфяных болот обладает различными свойствами.
Известентак называемый погребённый торф, который отложился в периоды между оледенениямиили оказался перекрытым рыхлыми отложениями разной мощности в результатеизменения базиса эрозии. Возраст погребенного торф исчисляется десяткамитысячелетий; в отличие от современного, погребенный торф характеризуетсяменьшей влажностью.
Способыдобычи
Насегодняшний день освоены современнейшие технологии разработок торфяных залежей.Нами активно применяется уникальный способ добычи торфа с использованиемпассивных фрез.
Добычаторфа сложный и многоэтапный процесс. Разработке предшествуют осушение иподготовка поверхности. С поверхности залежи удаляется древесная, а иногда имоховая растительность, разрабатываемый слой залежи освобождается от древесныхвключений. Разделённая кортовыми канавами и валовыми каналами на определённыеучастки (карты) поверхность поля планируется в продольном направленииперпендикулярно валовым каналам и профилируется с поперечным уклоном в сторонукортовых канав шнековым профилировщиком. Удаление древесной растительности приподготовке включает срезку (валку) деревьев и кустарника с одновременнымпакетированием и укладкой деревьев в пакетах на поверхность залежи специальноймашиной. Пни и древесные включения корчевальными машинами извлекаются из залежиили перерабатываются машинами глубокого фрезерования с последующей сепарацией ивывозкой древесных остатков за пределы полей.
Основнымитехнологическими операциями фрезерного способа добычи торфа являются:фрезерование, то есть измельчение верхнего слоя залежи, сушка фрезерованноготорфа, уборка и штабелирование готового торфа.
Использованиепри добыче торфа пассивных фрез позволяет сохранить исходные ценнейшие свойстваторфа. Данная технология добычи торфа обеспечивает сохранность природной, тоесть длинноволокнистой структуры торфа и существенно уменьшает долю пылевойфракции.
Применение
Торфс древних времен привлекал внимание человека. Упоминания о торфе как «возгораемойземле»,которой западноевропейцы пользовались для нагревания еды, случаются еще втрудах римского историка Плиния Старшего (I ст. н. э.). В странах ЗападнойЕвропы добыча и использование торфа широко развивались в XII—XVIII столетиях. ВРоссии торфяное топливо впервые по достоинству оценил Петр I, который в 1696году отдал приказ добывать торф в Воронеже и искать его в окрестностях Азова, как«вместах бездровних».
Постепенноторф стали использовать в качестве торфяного кокса, а также при выработкеосветительного газа. Начало промышленного производства торфяного полукокса исмолы пришлось на конец XIX — начало ХХ столетия
ВСССР в годы индустриализации и Великой Отечественной войны торф играл решающеезначение как энергоноситель на заводах Урала и Сибири. Так, на Уралмашзаводе вСвердловске существовала газогенераторная станция, на которой методом пиролизаиз торфа получали горючий газ. Этот газ использовался во всех технологическихпроцессах при производстве вооружений, включая газосварку и плавильноепроизводство. Непосредственно после Великой отечественной войны пятилетнимипланами промышленного развития СССР предусматривалось интенсивное развитиеторфяной топливной промышленности. Позже, с открытием и освоениемЗападно-Сибирской нефтегазовой провинции, роль торфа в энергетике СССРпостепенно снижается.
Последнимкрупным проектом энергетического применения торфа было строительство иэксплуатация энергоблока Ново-Свердловской ТЭЦ на торфе с сжиганием 5 млн тоннторфа в год. В начале 80-х годов от использования торфа отказались в силуэкологических причин и энергоблок перевели на природный газ.
Сегодняторф используют в сельском хозяйстве и животноводстве, медицине, биохимии иэнергетике. Развитие современных производственных технологий позволяет получатьочень плодородные грунты для выращивания пищевых растений, удобрения,стимуляторы роста растений, изоляционные и упаковочные материалы, активныйуголь, графит и тому подобное.
2.1.5У́голь
СоставОсновныеслагающие угля — это органические компоненты и минеральные включения.Органическиекомпоненты, различаемые под микроскопом, с характерными морфологическимипризнаками, цветом и показателем отражения именуются микрокомпонентами(мацералами). Минеральные включения в углях —глинистые минералы, сульфиды железа, карбонаты, оксиды кремния и другие.Глинистыеминералы в среднем составляют примерно 60…80% общего количества минеральныхвеществ. Чаще всего они представлены иллитом, серицитом, монтмориллонитом,каолинитом. Реже отмечается галлуазит. В угольных пластах иногда содержатсяпрослои тонштейнов, в которых главным породообразующим минералом являетсякаолинит. Из сульфидов железа наиболее характерны пирит, марказит имельниковит. Карбонаты представлены кальцитом, сидеритом, доломитом, анкеритом.Кальцит часто образует тонкие прослойки либо заполняет трещины в угле. Сидеритвстречается в виде округлых или овальных образований (оолитов) или заполняетполости растительных фрагментов. Оксиды кремния представлены в углях кварцем,халцедоном, опалом и другими минералами. Халцедон встречается сравнительнореже, обычно совместно с кварцем. Прочие минеральные включения представляют восновном гидрооксиды железа, фосфаты, полевые шпаты, соли.
Общаяхарактеристика
ВРоссии в зависимости от стадии метаморфизма различают: бурые угли, каменныеугли, антрациты и графиты. Интересно, что в западных странах имеет местонесколько иная классификация: соответственно, лигниты, суббитуминозные угли,битуминозные угли, антрациты и графиты.
-Бурыеугли.Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Крометого, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмершихорганических остатков под давлением нагрузки и под действием повышеннойтемпературы на глубинах порядка 1 километра.
-Каменныеугли.Содержат до 12 % влаги (3…4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплотусгорания. Содержат до 32 % летучих веществ, за счет чего неплоховоспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.
-Антрациты.Почти целиком (96 %) состоят из углерода. Имеют наибольшую теплоту сгорания, ноплохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления итемпературы на глубинах порядка 6 километров. Используются в основном вхимической промышленности
-Графитыминерализ класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода.Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагатьсяотносительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией отгексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной(дитригонально-скаленоэдрический). Слои слабоволнистые почти плоские, состоятиз шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые.Образует листоватые и округлые радиально-лучистые агрегаты, реже — агрегатыконцентрически-зонального строения.
Происхождение
Дляобразования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древнихторфяных болотах, начиная с девонского периода, накапливалось органическоевещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли.Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этомупериоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древнихуглей оценивается примерно в 350 миллионов лет.
Угольобразуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливаетсябыстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка дляэтого создается в болотах, где стоячая вода, обедненная кислородом,препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительнуюмассу от полного разрушения. На определенной стадии процесса выделяемые в ходеего кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф— исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронениепод другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы,преобразуется в уголь.
Поддавлением наслоений осадков толщиной в 1 километр из 20-метрового слоя торфаполучается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребениярастительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфапревратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра. На большей глубине,порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфастановится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.
Врезультатах движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие искладкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счетэрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубокихбассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земнойповерхности.
Способыдобычи
Способыдобычи угля зависят от глубины его залегания. Разработка ведется открытымспособом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта непревышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при все большем углубленииугольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторожденияподземным способом. Для извлечения угля с больших глубин используются шахты.Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с уровнячуть более 1200 метров.
Вугленосных отложениях наряду с углем содержатся многие виды георесурсов,обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы каксырье для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие ирассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Например,некоторые угли обогащены германием.
Применение
ВАнглии в 1735 году научились выплавлять чугун на коксе. Применение каменногоугля многообразно. Он используется как бытовое, энергетическое топливо, сырьедля металлургической и химической промышленности, а также для извлечения изнего редких и рассеянных элементов. Очень перспективным является сжижение(гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива.
2.1.6Битуминозные пески
СоставГорючееполезное ископаемое, органическая часть которого представляет собой природныйбитум.
Общиехарактеристики
Посодержанию битума делятся на богатые, или интенсивные (более 10 % по массебитума), средние (5…10 %) и тощие (до 5 %). Битумы подразделяют на несколькотипов: мальты (вязкие жидкости, плотностью 0,86…1,03 г/см3,динамичной вязкость 10 Па); асфальты (твердые легкоплавкие вещества, плотностью1,03…1,10 г/см3, температура плавления
Битумиз 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%.
Способыдобычи
Битумиз песков, добытых карьерным или шахтным методом, извлекают горячей флотациейводными растворами гидроксидов, карбонатов или силикатов щелочных металлов, атакже экстракцией органическими растворителями (низкокипящие ароматические,парафиновые, нафтеновые углеводороды, бензин, керосин, спирты, альдегиды).
Применение
Извлеченныебитумы и сами битуминозные пески используют при строительстве дорог и различныхсооружений. В результате комплексной переработки битума, первой стадией которойявляется коксование, получают кокс, Н2, углеводороды Cl-C4,синтетическое жидкое топливо, смазочные масла, серу и ванадий. Так, из 1 мпесков Атабаски извлекают 159 л битума, из которогорого коксованиемвырабатывают 135 л жидкого топлива, 15,6 м3 газа, 15 кг кокса и 5,9кг серы. Минеральная часть битуминозных песков – строительные материалы.
2.2 Жидкие топлива
Простыв транспортировке, но при этом велики потери при испарении, разливах и утечках.
2.2.1Нефть
СоставВзависимости от месторождения нефть имеет различный качественный иколичественный состав. Представляет собоймаслянистую жидкость, более легкую, чем вода, почти нерастворимая в ней и поэлементарному составу содержащая преимущественно углеводороды с подмесьюнебольшого количества кислородных, сернистых, азотистых и минеральныхсоединений, что видно не только по элементарному составу, но и по всемсвойствам углеводородов.
Общиехарактеристики
Бываетиногда почти черного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная вжелто-зеленый цвет и даже бесцветная нефть, имеет специфический запах,распространена в осадочной оболочке Земли. Средняя молекулярная масса 220…300г/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, выше0,860 — тяжелой. Плотность нефти, как и других углеводородов, сильно зависит оттемпературы и давления. Она содержит большое число разных органических веществи поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой началакипения жидких углеводородов (обычно > 28 °C, реже ≥ 100 °C в случаетяжелых не́фтей) и фракционным составом — выходом отдельных фракций,перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом вопределенных температурных пределах, как правило до 450…500 °С (выкипает ~ 80 %объема пробы), реже 560…580 °С (90…95 %). Температура кристаллизации от −60до + 30 °C; зависит преимущественно от содержания в нефти парафина (чем егобольше, тем температура кристаллизации выше) и легких фракций (чем их больше,тем эта температура ниже). Вязкость изменяется в широких пределах (от 1,98 до265,90 ммІ/с для различных не́фтей, добываемых в России), определяетсяфракционным составом нефти и ее температурой (чем она выше и больше количестволегких фракций, тем ниже вязкость), а также содержанием смолисто-асфальтеновыхвеществ (чем их больше, тем вязкость выше). Удельная теплоемкость 1,7…2,1кДж/(кг∙К); удельная теплота сгорания (низшая) 43,7…46,2 МДж/кг;диэлектрическая проницаемость 2,0…2,5; электрическая проводимость от 2∙10-10до 0,3∙10−18 Ом−1∙см
Происхождение
Выдвинутомного теорий, объясняющих происхождение нефти, из них основные — органическая(биогенная) и неорганическая (абиогенная). Большинство ученых в России и зарубежом являются сторонниками концепции биогенного образования нефти.
Согласноорганической 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 земнойкоры (осадочных бассейнов), в ходе развития которых породы, содержащиеорганическое вещество, могли достичь зоны с благоприятными термобарическимиусловиями для образования нефти. Основное исходное вещество нефти — планктон,обеспечивающий наибольшую биопродукцию в водоемах и накопление в осадкахорганические вещества сапропелевого типа, характеризуемого высоким содержаниемводорода. Генерирует нефть также гумусовое вещество, образующееся главнымобразом из растительных остатков.
Кнеорганическим 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 икомпанентами (идея Менделеева), а также по схеме Фишера-Тропша из водорода иоксидов углерода.
Применение
Сыраянефть непосредственно почти не применяется. Для получения из нее техническиценных продуктов, главным образом моторных топлив, растворителей, сырья дляхимической промышленности, ее подвергают переработке. Нефть занимает ведущееместо в мировом топливно-энергетическом балансе: доля ее в общем потребленииэнергоресурсов составляет 48 %. В перспективе эта доля будет уменьшатьсявследствие возрастания применения атомной и иных видов энергии, а такжеувеличения стоимости и уменьшения добычи.
Всвязи с быстрым развитием в мире химической и нефтехимической промышленности,потребность в нефти увеличивается не только с целью повышения выработки топливи масел, но и как источника ценного сырья для производства синтетическихкаучуков и волокон, пластмасс, моющих средств, пластификаторов, присадок,красителей и др. (более 8 % от объема мировой добычи). Среди получаемых изнефти исходных веществ для этих производств наибольшее применение нашли:парафиновые углеводороды — метан, этан, пропан, бутаны, пентаны, гексаны, атакже высокомолекулярные (10…20 атомов углерода в молекуле); нафтеновые;ароматические углеводороды — бензол, толуол, ксилолы, этилбензол; олефиновые идиолефиновые — этилен, пропилен, бутадиен; ацетилен. Нефть уникальна именнокомбинацией качеств: высокая плотность энергии (на тридцать процентов выше, чему самых качественных углей), нефть легко транспортировать (по сравнению с газомили углем, например), наконец, из нефти легко получить массу вышеупомянутыхпродуктов. Истощение ресурсов нефти, рост цен на нее и др. причины вызвалиинтенсивный поиск заменителей жидких топлив.
Способыдобычи
Породыс крупными порами, в которых собирается нефть, называются резервуарными иликоллекторами. Поры между частицами заполняются смесью нефти, газа и воды; этасмесь в процессе уплотнения выжимается и тем самым принуждается к миграции изпор пород.
Существуюттри, самых распространённых, способа добычи нефти:
▪фонтанный — он же самый простой способ добычи. После того как скважинапробурена и освоена необходимо начать добывать из нее нефть. Хотя нужноотметить, что не из всех даже эксплуатационных скважин добывается нефть.Существуют так называемые нагнетательные скважины. В них наоборот закачиваетсятолько не нефть, а вода. Это необходимо для эксплуатации месторождения в целоми об этом мы поговорим попозже. Как правило, фонтанируют скважины только вначале своего жизненного цикла, т.е. сразу после бурения. Через некоторое времядавление в пласте снижается и фонтан иссякает. Конечно, если бы на этомпрекращалась эксплуатация скважины, то под землей оставалось бы более 80 %нефти.Впроцессе освоения скважины в нее опускается колонна насосно-компрессорных труб(НКТ). Если скважина эксплуатируется фонтанным способом, то на поверхностиустанавливают специальное оборудование – фонтанную арматуру. После того, когдадавление в скважине уменьшится, и скважина начнет давать совсем мало нефти, какпосчитают специалисты, ее переведут на другой способ эксплуатации.
▪газлифтный – специфичный способ добычи. После прекращения фонтанирования из-занехватки пластовой энергии переходят на механизированный способ эксплуатациискважин, при котором вводят дополнительную энергию извне (с поверхности). Однимиз таких способов, при котором вводят энергию в виде сжатого газа, являетсягазлифт. Газлифт (эрлифт) — система, состоящая из эксплуатационной (обсадной)колонны труб и опущенных в нее НКТ, в которой подъем жидкости осуществляется спомощью сжатого газа (воздуха). Иногда эту систему называют газовый (воздушный)подъемник. Способ эксплуатации скважин при этом называется газлифтным. По схемеподачи от вида источника рабочего агента — газа (воздуха) различаюткомпрессорный и бескомпрессорный газлифт, а по схеме действия — непрерывный ипериодический газ лифт. В затрубное пространство нагнетают газ высокогодавления, в результате чего уровень жидкости в нем будет понижаться, а в НКТ —повышаться. Когда уровень жидкости понизится до нижнего конца НКТ, сжатый газначнет поступать в НКТ и перемешиваться с жидкостью. В результате плотностьтакой газожидкостной смеси становится ниже плотности жидкости, поступающей изпласта, а уровень в НКТ будет повышаться. Чем больше будет введено газа, темменьше будет плотность смеси и тем на большую высоту она поднимется. Принепрерывной подаче газа в скважину жидкость (смесь) поднимается до устья иизливается на поверхность, а из пласта постоянно поступает в скважину новаяпорция жидкости.
▪насосный – часто применяемый способ добычи. При помощи него добывается около 85% всей добываемой на нашей планете нефти. Глубина нефтяных скважин можетварьироваться от нескольких десятков (очень редко) и сотен метров до несколькихкилометров. Ширина скважин может достигать величины от 10 см до 1метра. Натерритории России залежи нефти находятся на очень больших глубинах – от 1000 до5000 метров. Важные нефтегазоносные области окружают Мексиканский залив ипродолжаются в его подводную часть. Они включают богатые месторождения Техаса иЛуизианы, Мексики, о.Тринидад, побережья и внутренних районов Венесуэлы.Крупные нефтегазоносные области располагаются в обрамлении Черного, Каспийскогои Красного морей и Персидского залива. Эти районы включают богатые месторожденияСаудовской Аравии, Ирана, Ирака, Кувейта, Катара и Объединенных АрабскихЭмиратов, а также Баку, Туркмении и западного Казахстана. Нефтяныеместорождения островов Борнео, Суматра и Ява составляют основные зоны полезныхископаемых Индонезии. Открытие в 1947 нефтяных месторождений в Западной Канадеи в 1951 в Северной Дакоте положило начало новым важным нефтегазоноснымпровинциям Северной Америки. В 1968 были открыты крупнейшие месторождения усеверного побережья Аляски. В начале 1970-х годов крупные нефтяныеместорождения были обнаружены в Северном море у берегов Шотландии, Нидерландови Норвегии. Небольшие нефтяные месторождения имеются на побережьях большинстваморей и в отложениях древних озер. Конечно же сейчас нефть не добывают, простодожидаясь когда же она заполнит природный колодец или выжимая известковыепороды, пропитанные углеводородами. В реальных условиях способ доступа кнефтяным месторождениям мало чем изменился по отношению к чуть более чемвековой давности.
2.2.2Масло
Общиехарактеристики Cобирательноеназвание ряда химических веществ или смесей веществ, не растворяющихся в воде.Основных групп «масел» три: некоторые «масла» являютсяжирами, 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 сводой.
Применение
-Съедобныерастительные и животные масла широко используются в приготовлении пищи.
-Применяютсякак растворители витаминов и ароматических веществ
-Топливо
-Смазочныематериалы, составляющие смазочно-охлаждающих технических средств (СОТС/СОЖ) вметаллообработке
-Рабочиежидкости гидропривода
-теплоносителив тепловом оборудовании (теплотехнике)
-Электроизоляциятрансформаторов, реакторного оборудования, масляных выключателей (а в последних- также в качестве дугогасящей среды)
-Материалыв изобразительном искусстве (Живопись масляными красками)
топливо ядерный ракетный добыча
2.2.3Спирты́
СоставОрганическиесоединения, содержащие одну или несколько гидроксильных групп (гидроксил, OH),непосредственно связанных с насыщенным атомом углерода, находящемся в состоянииsp3 гибридизации. Спирты можно рассматривать как производные воды H2O,в которых один атом водорода замещен на органическую функциональную группу:R-OH.
Общиехарактеристики
Классификацияспиртов 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. Первичнымназывают атом углерода (выделен красным цветом), связанный всего с однимуглеродным атомом. Примеры первичных спиртов – этанол СH3–CH2–OH,пропанол СH3–CH2–CH2–OH.
б)вторичные, у которых ОН-группа связана с вторичным атомом углерода. Вторичныйатом углерода (выделен синим цветом) связан одновременно с двумя атомамиуглерода, например, вторичный пропанол, вторичный бутанол.
в)третичные, у которых ОН-группа связана с третичным атомом углерода. Третичныйуглеродный атом (выделен зеленым цветом) связан одновременно с тремя соседнимиатомами углерода, например, третичный бутанол и пентанол.
3.По строению органических групп, связанных ОН-группой, спирты подразделяют напредельные (метанол, этанол, пропанол), непредельные, например, аллиловый спиртСН2=СН–СН2–ОН, ароматические (например, бензиловый спиртС6Н5СН2ОН), содержащие в составе группы Rароматическую группу.
Непредельныеспирты, у которых ОН-группа «примыкает» к двойной связи, т.е. связанас атомом углерода, участвующим одновременно в образовании двойной связи(например, виниловый спирт СН2=СН–ОН), крайне нестабильны и сразу жеизомеризуются в альдегиды или кетоны:
Получениеспиртов
Химическийспособ
Занимаяодну из центральных позиций в органической химии, спирты могут быть получены измножества других соединений. На практике в качестве исходных веществ длясинтеза спиртов наиболее часто используют алкилгалогениды — щелочной гидролизили реакция с супероксидом калия; алкены — кислотная гидратация, реакциягидроксимеркурирования — демеркурирования или гидроборирование с последующимокислением, а также промышленные методы оксо-синтеза; карбонильные соединения —восстановление или взаимодействие с реактивами Гриньяра.
Применениеспиртов
Способностьспиртов участвовать в разнообразных химических реакциях позволяет ихиспользовать для получения всевозможных органических соединений: альдегидов,кетонов, карбоновых кислот простых и сложных эфиров, применяемых в качествеорганических растворителей, при производстве полимеров, красителей илекарственных препаратов.
МетанолСН3ОН используют как растворитель, а также в производствеформальдегида, применяемого для получения фенолформальдегидных смол, впоследнее 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 дозапри приеме внутрь – 100 мл.
ЭтанолС2Н5ОН – исходное соединение для получения ацетальдегида,уксусной кислоты, а также для производства сложных эфиров карбоновых кислот,используемых в качестве растворителей. Кроме того, этанол – основной компонентвсех спиртных напитков, его широко применяют и в медицине как дезинфицирующеесредство.
Бутанолиспользуют как растворитель жиров и смол, кроме того, он служит сырьем дляполучения душистых веществ (бутилацетата, бутилсалицилата). В шампунях ониспользуется как компонент, повышающий прозрачность растворов.
Бензиловыйспирт С6Н5–CH2–OH в свободном состоянии (и ввиде сложных эфиров) содержится в эфирных маслах жасмина и гиацинта. Онобладает антисептическими (обеззараживающими) свойствами, в косметике ониспользуется как консервант кремов, лосьонов, зубных эликсиров, а в парфюмерии- как душистое вещество.
Фенетиловыйспирт С6Н5–CH2–CH2–OH обладаетзапахом розы, содержится в розовом масле, его используют в парфюмерии.
ЭтиленгликольHOCH2–CH2OH используют в производстве пластмасс и какантифриз (добавка, снижающая температуру замерзания водных растворов), крометого, при изготовлении текстильных и типографских красок.
ДиэтиленгликольHOCH2–CH2OCH2–CH2OH используют длязаполнения тормозных гидравлических приспособлений, а также в текстильнойпромышленности при отделке и крашении тканей.
ГлицеринHOCH2–CH(OH)–CH2OH применяют для получения полиэфирныхглифталевых смол, кроме того, он является компонентом многих косметическихпрепаратов. Нитроглицерин – основной компонент динамита, применяемого в горномделе и железнодорожном строительстве в качестве взрывчатого вещества.
Пентаэритрит(HOCH2)4С применяют для получения полиэфиров(пентафталевые смолы), в качестве отвердителя синтетических смол, какпластификатор поливинилхлорида, а также в производстве взрывчатого веществатетранитропентаэритрита.
Многоатомныеспирты ксилит НОСН2–(СНОH)3–CН2ОН и сорбитНОСН2– (СНОН)4–СН2OН имеют сладкий вкус, ихиспользуют вместо сахара в производстве кондитерских изделий для больныхдиабетом и людей страдающих от ожирения. Сорбит содержится в ягодах рябины ивишни.
2.3Газообразные топлива
Ещеболее транспортабельны, при этом еще большие потери, а также при нормальных условияхниже энергетическая плотность.
2.3.1Пропа́н
СоставC3H8 — органическое вещество класса алканов.
Обшиехарастеристики
Бесцветныйгаз без запаха; tпл.-187,69 °С, температура кипения -42,07 °С; 1,3378; tкрит 96,84 °С, pкрит4,24 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, растворимостьв 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 1,9МПа, 2,2 %) и др., с водой образует кристаллогидрат (предельная температурасуществования 5,5 °С при 0,48 МПа).
Притермическом крекинге (750…820 °С) разлагается с образованием метана, этана,этилена и пропилена; преобладает реакция образования этилена: С3Н8: СН4 + С2Н4. Каталитическое дегидрирование на Сr2О3при 575 °С приводит к пропилену 95 %-ной чистоты. Пиролиз смеси пропана и этанас рециклом фракции С3 при 775…900 °С и давлении 0,1 МПа используютдля 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 %; последниеиспользуют как растворители и сырье в тонком органическом синтезе. Термическое хлорированиепропана (250…350 °С) приводит к трудноразделяемой смеси моно- и дихлорпропанов,при повышении температуры до 400…500 °С образуются хлорпропены; исчерпывающеехлорирование в избытке хлора при 550…600 °С — один из промышленных методовполучения перхлорэтилена и СС14.
Вредновлияет на центр. нервную систему, при попадании на кожу жидкий пропан можетвызвать обморожение.
Происхождение
Пропансодержится в природе газе (0,1…11,0 % по массе); в попутных газах нефтедобычи инефтепереработки, например в газах каталитического крекинга (16…20%), вгазообразных продуктах гидрогенизации бурых, каменных углей и каменноугольнойсмолы (до 80 %); образуется при синтезе углеводородов по методу Фишера — Тропша.
Способыдобычи
Изпромышленных газов пропан выделяют ректификацией под давлением, адсорбцией наактивированный 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
Применяютпропан в качестве растворителя для депарафинизации при выделении твердыхпарафинов из нефти, при производстве сажи из газообразных парафиновыхуглеводородов, в промышленных холодильниках как хладагент. Широко используетсякак бытовой и топливный газ и бездымное моторное топливо для автомобилей.Благодаря высокой температуре пламени (1980 °С в воздухе) применяется длянекоторых видов газопламенной обработки металлов. Пропан – сырье в производствеэтилена и пропилена, нитрометана.
2.3.2 Бута́н
СоставC4H10— органическое соединение класса алканов.
Вхимии название используется в основном для обозначения н-бутана. Такое женазвание 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).
Общиехарактеристики
Бесцветныйгорючий газ, без запаха, легко сжижаемый (ниже 0 °С и нормальном давлении илипри 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). Можетобразовывать азеотропное соединение с водой при температуре около 100 °C идавлении 10 атм
Происхождение
Бутаны– типичные насыщенные алифатичные углеводороды. Содержатся в газовом конденсатеи 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…6,01соответственно.
Способыдобычи
Впромышленности бутаны выделяют из указанных природных источников и из продуктовкаталитического крекинга и гидрокрекинга нефтяных фракций с последнейректификацией. 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 (500К)]. Реакцию осуществляют в газовой фазе (150..200 °С, 1,4…2,8 МПа; кат. — Ptна носителе; выход 58…60 % по объему за проход) или в жидкой фазе (50…130 °С,2,1 МПа; кат. — А1С13; выход 60 %). В наиболее распространенномпроцессе из бутановой фракции выделяют изо-бутан, а н-бутан смешивают с Н2,нагревают и подвергают изомеризации в газовой фазе. Из продуктов реакцииизвлекают изо-бутан после охлаждения и отделения фракции, содержащей Н2,которрую возвращают в реактор. В отечественном процессе изомеризацию н-бутанаосуществляют в жидкой фазе при 180…220 °С, давлении 3,5…4,0 МПа, мольномсоотношении Н2: н-бутан = 1:1; выход изо-бутана за проход 49 % (помассе). На производство 1 т изо-бутана расходуется 1,109 т бутановой фракции,0,0105 т Н2.
Применение
Присвободнорадикальном хлорировании образует смесь 1-хлор- и 2-хлорбутана. Ихсоотношение 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 иводу. Бутан применяется в смеси с пропаном в зажигалках, в газовых баллонах всжиженном состоянии, где он имеет запах, так как содержит специальнодобавленные одоранты. При этом используются «зимние»и «летние»смеси с различным составом. Теплота сгорания 1 кг — 45,7 МДж (12,72 кВт·ч).
Бутанвысокой чистоты и особенно изобутан может быть использован в качествехладагента в холодильных установках. Производительность таких систем немногониже, чем фреоновых. Бутан безопасен для окружающей среды, в отличие отфреоновых хладагентов. В пищевой промышленности бутан зарегистрирован вкачестве пищевой добавки E943a, а изобутан — E943b, как пропеллент, например, вдезодорантах. Также применяется в рекреационных целях, так как вызываетгаллюцинации.
3.Нетипичные топлива
3.1Я́дерное то́пливо
Bещество,которое используется в ядерных реакторах для осуществления цепной ядернойреакции деления.
Общаяхарактеристика
Цепнаяядерная реакция представляет собой деление ядра на две части, называемыеосколками деления, с одновременным выделением нескольких (2…3) нейтронов,которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер. Такое делениепроисходит при попадании нейтрона в ядро атома исходного вещества. Образующиесяпри делении ядра осколки деления обладают большой кинетической энергией.Торможение осколков деления в веществе сопровождается выделением большогоколичества тепла. Осколки деления — это ядра, образовавшиеся непосредственно врезультате деления. Осколки деления и продукты их радиоактивного распада обычноназывают продуктами деления. Ядра, делящиеся нейтронами любых энергий, называютядерным горючим (как правило, это вещества с нечетным атомным числом).Существуют ядра, которые делятся только нейтронами с энергией выше некоторогопорогового значения (как правило, это элементы с четным атомным числом). Такиеядра называют сырьевым материалом, так как при захвате нейтрона пороговым ядромобразуются ядра ядерного горючего. Комбинация ядерного горючего и сырьевогоматериала называется ядерным топливом.
Получение
Урановоетопливо
Урановоеядерное топливо получают переработкой руд. Процесс происходит в несколькоэтапов:
Длябедных месторождений: В современной промышленности в силу отсутствия богатыхурановых руд (исключения составляют канадские месторождения несогласия, гдеконцентрация урана доходит до 3 % и австралийских с содержанием урана до 3 %)используется способ подземного выщелачивания руд. Это исключает дорогостоящуюдобычу руды. Предварительная подготовка идет непосредственно под землей. Череззакачные трубы под землю над месторождением закачивается серная кислота, иногдас добавлением солей трехвалентного железа (для окисления урана U(IV) до U(VI)),хотя руды часто содержат железо и пиролюзит, которые облегчают окисление. Черезоткачные трубы специальными насосами раствор серной кислоты с ураномподнимается на поверхность. Далее он непосредственно поступает на сорбционное,гидрометаллургическое извлечение и одновременное концентрирование урана.
Длярудных месторождений: используют обогащение руды и радиометрическое обогащениеруды.
Гидрометаллургическаяпереработка — дробление, выщелачивание, сорбционное или экстракционноеизвлечение урана с получением очищенной закиси-окиси урана U3O8или диураната натрия Na2U2O7, или диуранатааммония.
Переводурана из оксида в тетрафторид UF4, или из оксидов непосредственнодля получения гексафторида UF6, который используется для обогащенияурана по изотопу 235.
Обогащениеметодами газовой термодиффузии или центрифугированием:
UF6,обогащенный по 235 изотопу переводят в двуокись UO2, из которойизготавливают «таблетки» ТВЭЛов или получают другие соединения уранас этой же целью.
Ториевоетопливо
Торийв настоящее время в качестве сырья для производства ядерного топлива неприменяется в силу следующих причин:
· запасыурана достаточно велики;
· извлечениетория сложнее и дороже из-за отсутствия богатых месторождений;
· образование232U, который, в своюочередь, образует г-активные ядра 212Bi,208Te, затрудняющиепроизводство ТВЭЛов;
· переработкаоблучённых ториевых ТВЭЛов сложнее и дороже переработки урановых.
Плутониевоетопливо
Плутониевоеядерное топливо в настоящее время также не применяется, что связано с егокрайне сложной химией. За многолетнюю историю атомной промышленностинеоднократно предпринимались попытки использования плутония как в виде чистыхсоединений, так и в смеси с соединениями урана, однако успехом они неувенчались. Топливо для АЭС, содержащее плутоний, называется MOX-топливо.Применение его в реакторах ВВЭР нецелесообразно из-за уменьшения примерно в 2раза периода разгона, на что не рассчитаны штатные системы управленияреактором.
Применение
Ядерноетопливо используется в ядерных реакторах, где оно обычно располагается вгерметично закрытых тепловыделяющих элементах в виде таблеток размером внесколько сантиметров. К ядерному топливу применяются высокие требования похимической совместимости с оболочками, у него должна быть достаточнаятемпература плавления и испарения, хорошая теплопроводность, небольшоеувеличение объема при нейтронном облучении, технологичность производства.
Металлическийуран сравнительно редко используют как ядерное топливо. Его максимальнаятемпература ограничена 660 °C. При этой температуре происходит фазовый переход,в котором изменяется кристаллическая структура урана. Фазовый переходсопровождается увеличением объёма урана, что может привести к разрушениюоболочки. При длительном облучении в температурном интервале 200…500 °С уранподвержен радиационному росту. Это явление заключается в том, что облучённыйурановый стержень удлиняется. Экспериментально наблюдалось увеличение длиныуранового стержня в полтора раза.
Использованиеметаллического урана, особенно при температуре больше 500 °C, затруднено из-заего распухания. После деления ядра образуются два осколка деления, суммарныйобъём которых больше объёма атома урана (плутония). Часть атомов — осколковделения являются атомами газов (криптона, ксенона). Атомы газов накапливаются впо́рах урана и создают внутреннее давление, которое увеличивается сповышением температуры. За счёт изменения объёма атомов в процессе деления иповышения внутреннего давления газов уран и другие ядерные топлива начинаютраспухать. Под распуханием понимают относительное изменение объема ядерноготоплива, связанное с делением ядер.
Распуханиезависит от выгорания и температуры. Количество осколков деления возрастает сувеличением выгорания, а внутреннее давление газа — с увеличением выгорания итемпературы. Распухание ядерного топлива может привести к разрушению оболочки.Ядерное топливо менее подвержено распуханию, если оно обладает высокимимеханическими свойствами. Металлический уран как раз не относится к такимматериалам. Поэтому применение металлического урана в качестве ядерного топливаограничивает выгорание, которое является одной из главных оценок экономикиатомной энергетики.
3.2Ракетное топливо
Вещество,используемое в ракетных двигателях различных конструкций для получения тяги иускорения ракеты. Само понятие ракетного топлива имеет довольно широкоетолкование, так как в связи с развитием ракетной техники и развитием новыхвидов ракетных двигателей появились и новые способы ускорения ракет, напримерядерный ракетный двигатель, или ионный и.т.д. Поэтому понятие ракетного топливакак некой горючей жидкости и окислителя не будет отражать весь диапазонракетных топлив, от химических одно- и двухкомпонентных, до ядерных итермоядерных и использования антивещества. Ракетное топливо подразделяется наразличные группы, типы и виды; такое же подразделение имеет место прирассмотрении отдельных видов ракетных топлив.
Общиехарактеристики
Взависимости от назначения и типа ракетных двигателей обычно различают жидкие,гелеобразные, твердые и гибридные ракетные топлива. Энергетические показатели иэффективность ракетных топлив характеризуется удельным единичным импульсом, которыйопределяется т. наз. теплопроизводительностью топлива и термической кпддвигателя ht.
Жидкиеракетные топлива (ЖРТ) подразделяют на одно- и двухкомпонентные.Однокомпонентные топлива, не нуждающиеся при сгорании в подаче окислителя извнесоединения типа гидразина N2H4, этиленоксид, Н2О2(при нагревании в камере РД распадаются с выделением большого количестваватеплоты и газообразных продуктов), органические нитраты (типа метилнитрата,нитроглицерина), низшие нитропарафины — обладают относительно низкими энергетическимисвойствами (напрмер, 100%-ный Н2О2 имеет H = 2,9 МДж/кг иРуд = 145 с); применяют как вспомогательное топлива для систем управления иориентации летательных аппаратов, приводов турбонасосов РД.
Двухкомпонентныетоплива состоят из горючего и окислителя. Горючим служат: лигроино-керосиновыеи керосино-газойлевые нефтяные фракции (пределы выкипания 150…315 °С), жидкий Н2,СН4, С3Н8, спирты (например, этиловый, фурфуриловый); N2H4и его производные (1,1-диме-тил- и фенилгидразины и др.); жидкий NH3,анилин, метил-, диметил- и триметиламины; бороводороды типа ВnHn+4-дека- идибораны, дигидробораны ВnHn+6 типа пентаборана; металлсодержащие соед. (гомог.системы) — триэтил-алюминий, гидриды МеН2, борогидриды Ме(ВН4)n, гдеМе-А1, Li, Be; гетерогенные суспензии металлов в N2H4 иуглеводородах. В качестве окислителя, напр., применяют: жидкий О2, Н2О2;конц. HNO3, NO, N2O4, тетранитрометан; жидкиеF2 и С12, OF2, C1F3, NO3F.При подаче в камеру сгорания РД эти топлива могут самовоспламеняться (концентрированнаяHNO3 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.
Гелеобразныеракетные топлива (ГРТ) — обычно загущенное солями высокомолекулярное органическоек-т или спецециальными добавками горючее, например N2H4либо углеводороды, реже — входящие в состав ЖРТ окислители. Повышение Руддостигается добавлением порошков металлов (N2H4-Be-O2).
Твердыеракетные топлива (ТРТ), подразделяемые на баллиститные (прессованные — нитроглицериновые пороха)и смесевые (литые), применяют в виде канальных шашек,горящих по внешней либо внутренней поверхности зарядов. Смесевые топливагетерогенной смеси окислителя (как правило, NH4C1O4, 6070 %), 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 ипостоянная готовность к нему; относительно простота конструкции и эксплуатациидвигателя.
Гибридныеракетные топлива — системы, содержащие горючее в твердом состоянии (в камересгорания), 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 илиокислителями-HNO3, N2O4, H2O2,FC1O3, C1F3, О2, F2, OF2.Макс. Руд имеют топлива: BeH2-F2, ВеН2-Н2О2,ВеН2-О2.
Применение
Используюткак источник энергии и рабочее тело для создания движущей силы в ракетныхдвигателях, которые применяются в космической, авиационной, военной и другихобластях техники.
4.Уровень мирового потребления различных видов топлива
Взарубежной литературе в связи с развитием мировой энергетики много вниманияуделяется проблеме теологических запасов минерального топлива. Эта проблемарассматривается не только с национальной, но и с общемировой точки зрения, восновном с целью определения периода времени, на который человечествообеспечено классическими видами топлива — нефтью, природным газом, каменным ибурым углем. Интерес к проблеме запасов минерального топлива обусловливаетсяследующим. Сто лет назад — в 1860 г. на земном шаре насчитывалось 1270 млн.человек и потреблялось примерно 555 млн. т топлива в год (в условномисчислении), или 0,44 т на одного человека. В I960 г. население земного шарасоставляло 2983 млн. человек, добывалось несколько более 5,230 млн. т топлива вгод (без дров и суррогатов -4600 млн. т), или 1,75 т па одного человека. Такимобразом, за прошедшие 100 лет население земного шара увеличилось в 2,5 раза, апотребление топлива на душу населения — в 4 раза. Но дело заключается не тольков приведенных цифрах, том, что более половины добытого на 1 января 1960 г. углябыло получено после 1930 т., половина нефти — после 1949 г. и половинаприродного таза — после 1952 г. За последние десять лет мировая добыча нефтивозросла в два раза (в 1953 г. добыто 655 млн. т, а в 1963 г.- 1304 млн. т).Следовательно, в последние годы наблюдается стремительный рост потреблениятоплива и процесс этот далеко не закончен.
Многиеэкономисты сходятся на том, что в 2000 г. население земного шара составит 5млрд. человек, будет добываться 25 млрд. т условного топлива, или 5,0 т начеловека.
Такимобразом, предполагается, что за 40 лет население мира увеличится в 1,7 раза, арасход топлива на одного человека — в 2,8 раза. По подсчетам французскогоспециалиста за истекшие 100 лет а земном шаре было израсходовано следующееколичество энергии:
(Здесьпринято, 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 жевремя произошли коренные структурные изменения в мировом потреблении топлива иотходов сельского хозяйства, используемых как топливо. Следующие данныехарактеризуют это положение (в процентах к итогу)
Вероятно,вызывает удивление, что в топливном балансе большое удельное значение составляютотходы сельского хозяйства. Но мы должны вспомнить, что только B одной Индииобщее производство кизяка в пересчете на условное топливо достигает добычикаменного и бурого угля в ФРГ, а в Турции, например, сжигаются почти всерастительные остатки с полей для отопления деревенских жилищ и дляприготовления опресноков (хлеба).
Природныйгаз
Доказанныезапасы природного газа на 1 января 1962 г. оценивались в 7,58трилл.ж.Прогнозные запасы газа составляют 34 трилл., из которых за неопределеннодлинный промежуток времени может быть извлечено 27…28 трилл…
Уголь.Запасы угля, по подсчетам Геологического управления Министерства внутренних делСША, на 1 января l960 г. составляли 800 млрд. т условного топлива при коэффициентеизвлечения 50 %. При существующих ценах на уголь и методах его извлечения промышленныезапасы угля составляют около 20 млрд. т
условноготоплива. В 1980 г. в США предполагается израсходовать (в пересчете на условноетопливо) 0,8 млрд. т угля, 0,77 млрд. т нефти и 570 млрд. м3природного газа. Запасов угля по этому уровню потребления хватит на 1000 лет,нефти на 70 лет и газа на 49 лет.
Вмировых прогнозных извлекаемых запасах топлива уголь занимает почти 83 %, нефтьсвыше 10 %, природный газ около 5 %, торф до 11 %. Можно считать среднююобеспеченность человечества достоверными Запасами топлива по уровню потребления1980 г. на 300…320 лет и по уровню потребления 2000 г. — на 140…150 лет.Естественно, не следует забывать условности этих цифр.
Взарубежной литературе приводится оценка возможного использования энергии ветра,(морского прибоя, тепловой энергии морей и геотермической энергии. Большинствоавторов сходится на том, что эти виды энергии могут удовлетворить только 15 %общей потребности. Таким образом, в ближайшем будущем основой обеспечениячеловеческого общества продолжает оставаться развитие добычи классических видовтоплива.
Можносделать 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 летрасходование этого ценного топлива сократится и оно будет переключено только натранспортную энергетику и химию.
3.Вскоре, вероятно, будет признано (целесообразным пользоваться природным газом восновном для химии, технологической и бытовой энергетики.
4.Радиоактивные вещества могут занять существенное место в обеспечении энергетикив связи с научными и техническими достижениями, которые имеются и будутдостигнуты в этой области.
Задачинауки в совершенствовании топливной промышленности
Взаключение рассмотрим задачи науки в связи с развитием топливных отраслейпромышленности и составлением оптимальных топливно-энергетических балансов.
Важнейшаязадача геологической науки — обеспечить научным прогнозом, новыми методамипоисков и разведки быстрейшее освоение новых нефтяных и газовых месторождений,особенно на Востоке страны. Стоимость геологоразведочных работ на нефть и газеще очень велика и составляет почти 50 % всех затрат на разведку полезныхископаемых по стране. Геологическая наука должна разработать способы поисков иразведки, которые бы при достаточной достоверности данных о запасах позволилиснизить объемы разведочного бурения скважин. Огромные масштабы добычи нефти игаза ставят перед геологической наукой поистине грандиозные задачи.
Научнымучреждениям горного профиля, связанным с разработкой нефтяных, газовых,угольных месторождений, предстоит поработать над разрешением ряда большихпроблем улучшения техники и технологии производства, дальнейшего ростапроизводительности труда и снижения себестоимости всех видов топлива. К числуважнейших относится прежде всего проблема более эффективного использованиянефтяных месторождений путем повышения коэффициента нефтеотдачи. Как указывалосьвыше, коэффициент нефтеотдачи невелик — в проектах он принимается не более0,5…0,6. Повышение его может резко снизить стоимость геологоразведочных работ ипоможет более экономно расходовать природные ресурсы. Наряду с широкимвнедрением уже известных прогрессивных способов интенсификации разработкиместорождений и увеличения нефтеотдачи должны изыскиваться новые эффективныеспособы добычи нефти. В ближайшие годы должна быть решена задача воздействия нанефтяные пласты поверхностно активными веществами с целью повышениякоэффициента нефтеотдачи и интенсификации разработки. Серьезные задачи стоят вобласти бурения, совершенствования буровой техники. Должна быть создананадежная техника для бурения скважин глубиной 7...10 км.
Заключение
Историяразвития человечества теснейшим образом связана с получением и использованиемэнергии. Уже в древнем мире люди использовали тепловую энергию для обогреважилища, приготовления еды, изготовления из меди, бронзы, железа и другихметаллов предметов быта, инструментов и т.д.С древнейших времен известны угольи нефть — вещества, дающие при сжигании большое количество теплоты. Сейчасформулировка «топливо» включает все вещества, которые дают присжигании 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, ав настоящее время и вещества, используемые в ядерных реакторах на АЭС иракетных 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). Такжеможно разделить виды топлива и по его происхождению: растительное, минеральноеи продукты промышленной переработки. Свойства топлива зависят главным образомот его химического состава. Основным элементом любого топлива природного происхожденияявляется углерод (его содержание составляет от 30 до 85 % массы). В составтоплива также входят H, O, N, S, зола, вода. Практическая ценность топливаопределяется 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 топливеуглерода и водорода и обратно — от содержания кислорода и азота. Другаяважнейшая характеристика топлива — его жаропроизводительность, оцениваемаязначением максимальной температуры, какую теоретически можно получить приполном сгорании топлива в воздухе. При сгорании дров, например, максимальнаятемпература 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 былуголь, сейчас это положение заняла нефть. По-видимому, в обозримом будущемведущая роль останется за природным топливом.
Длясопоставления запасов различных видов топлива и уровня его использованияприменяют так называемое условное топливо, удельная теплота сгорания которогоравна 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), вразличного рода тепловых двигателях, на технологические нужды (Например, привыплавке металла, для нагрева заготовок в кузнечных и прокатных цехах), а такжена отопление жилых, общественных и производственных помещений. Основнойнедостаток природного топлива — его крайне медленная восполняемость.Существующие ныне запасы были образованы десятки и сотни миллионов лет назад. Вто же время добыча топлива непрерывно увеличивается, что в будущем можетпривести к серьезному глобальному энергетическому кризису. С 1970-х гг. в мирепроизошел переход к другим принципам потребления ресурсов вообще и топлива вчастности. Человечество должно переориентироваться на другие энергоресурсы,прежде всего на огромные гидроресурсы Земли. Все процессы добычи, переработки итранспортировки топлива охватывает топливная промышленность, которая являетсясоставной частью топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Все отрасли ТЭКвзаимосвязаны. Чтобы учитывать пропорции в добыче различных видов топлива, егораспределении и использовании в стране, применяют топливные балансы — таблицы,выражающие соотношения добычи различных видов топлива и их использованием вхозяйстве. Топливные балансы составляются, как правило, на основе единицыусловного топлива. В топливном балансе СССР до 1990 г. лидировала нефть, с 1990г. на первое место вышел газ. Эта ситуация сохраняется до сих пор, а газявляется основным экспортным продуктом России. Топливная промышленность нашейстраны имеет редкую возможность опираться исключительно на собственные запасы.
Списоклитературы
1. ФедоровМ.П. Вторичные ресурсы // Известия РАН. Энергетика. 2002. №6. С 7-11
2. ШамонинаА.В, Макаров В.В. Спирты как добавки к бензинам // Автомобильнаяпромышленность. 2005. №8. С 11-12.
3. ГуреевА.А., Серегин Е.П., Азев B.C.Квалификационные методы испытаний нефтяных топлив. М, Химия, 1984.- 200 с.;ил.