Искусственное топливо.

К искусственным топливам относятся: кокс доменных печей, ис­кусственные горючие газы, моторное топливо и др.

Кокс — твердый углеродистый остаток, образующийся при нагре­вании различных топлив (каменного угля, торфа и других органичес­ких веществ) до 950— 1050°С без доступа воздуха. Содержание углеро­да в коксе достигает 96—98%, остальное — водород, сера, азот, кисло­род; теплота сгорания 29300 кДж/кг. Каменноугольный кокс применяют для выплавки чугуна (домен­ный кокс) как высококачественное бездымное топливо и одновремен­но восстановитель (до элементарного железа) железной руды.

Искусственные горючие газы — смесь газообразных продуктов переработки (газификации) топлив в специальных аппаратах. Они со­стоят главным образом из оксида углерода, водорода, метана и других газообразных углеводородов, а также из негорючих газов (диоксида углерода и азота). Искусственные горючие газы подразделяют на генераторные газы, коксовые газы, газы, образующиеся при газификации твердых топлив (воздушный газ, водяной газ).

Генераторные газы получают из твердого топлива путем частично­го окисления содержащегося в нем углерода при высокой температу­ре. Этот процесс, называемый газификацией, осуществляется в спе­циальных устройствах — газогенераторах. При этом в зависимости от состава вдуваемых газов различают воздушный, водяной, паровоздуш­ный (смешанный) и другие генераторные газы.

Воздушный газ образуется при вдувании воздуха. При этом в ниж­ней части генератора протекает реакция:

С + О₂ = СО₂, ∆Н = -393,5 кДж.

Из-за высокой экзотермичности процесса температура достигает 1400—1600°С, при этом вышележащие слои угля раскаляются, и уголь взаимодействует с СО₂:

С + СО₂ = 2СО↑, ∆Н = 172 кДж.

Образующийся газ в основном состоит из оксида углерода (СО) и азота.

Водяной газ получают при подаче на раскаленный уголь водяного пара:

С +Н₂О = СО + Н₂, ∆Н = 131,4 кДж.

Газ содержит до 86% СО и Н, и часто используется не только как топливо, но и для синтеза химических продуктов.

Паровоздушный (смешанный) газ получают при вдувании смеси воздуха с водяным паром. При этом одновременно протекают все три вышеприведенные реакции и в результате в состав смешанного газа, помимо СО и N, входит и Н₂, повышая его теплотворную способность.

Коксовый газ образуется в процессе коксования угля, он представ­ляет собой смесь различных горючих газов.

Подземная газификация угля - превращение твердых топлив (угля, горючих сланцев и др.) непосредственно на месте их залегания в нед­рах земной коры в горючий газ. Последний затем выводят на поверх­ность через буровые скважины. Впервые мысль о возможности такого процесса была высказана Д.И. Менделеевым в 1888 г. Подземная газификация угля осуществляется под действием вы­сокой температуры (1000—2000°С) и подаваемых под давлением раз­личных окислителей (как правило, воздуха, кислорода и водяного пара). Состав и теплота сгорания получаемого газа зависят как от качества угля и со­става дутья, так и от геологических условий. Теплота сгорания составляет 3000—3300 кДж/м³. По теплотехническим свойствам газ, полученный на воздушном дутье, уступает природному. Однако при подземной газификации от­падает необходимость в опасном труде людей под землей, улучшается состояние воздушного бассейна, не нарушается плодородный слой почвы.

Моторное топливо. Это жидкое или газообразное горючее, используемое в двигателях внутреннего сгорания (поршневых, роторных, реактивных, газотурбинных). Его получают из нефти и углеводородных газов. Обычно моторные топлива состоят из основного (базового) топ­лива и присадок (антидетонаторов, антиокислителей и др.). Для базо­вого топлива используют продукты прямой перегонки нефти (бензи­ны, керосино-газойлевые и более тяжелые фракции) и вторичных про­цессов переработки нефти (например, каталитического крекинга).

Моторное топливо для ДВС должно обладать однородностью, обес­печивающей равномерное горение; летучестью, облегчающей старт и при этом допускать наивысшее сжатие без детонации.

В ДВС детонация — быстрый, приближающийся к взрыву процесс горения топливной смеси в цилиндре карбюраторного двигателя, со­провождающийся его неустойчивой работой (металлический стук в цилиндре, дымный выпуск и др.), износом и разрушением деталей. В результате детонации двигатель перегревается, мощность падает, воз­можно даже его разрушение.

При фракционной перегонке нефть разделяют на отличающиеся по температуре кипения фракции («погоны») и получают следующие нефтепродукты:

1) бензины (температуры кипения 40—180°С) содержат углеводо­роды от С₅Н₁₂ до С₁₀Н₂₂; при повторной перегонке из них могут быть выделены легкие нефтепродукты, кипящие в более узких температурных пределах: петролейный эфир (40—70°С), авиаци­онный бензин (70—100°С), автомобильный бензин (100—120°С);

2) керосины (температуры кипения 180—270°С) содержат углево­дороды от С₁₀ Н₂₂ до С₁₆Н₃₄;

3) соляровые масла (температура кипения 270—360°С) содержат смеси углеводородов от С₁₂ до С₂₀; из них получают смазочные масла и различные виды дизельного топлива;

4) мазут (нефтяные остатки — до 40—50%) содержат еще более тя­желые (высшие) углеводороды; из мазута получают тяжелые смазочные масла, вазелин, парафин.

Антидетонационные свойства моторного топлива характеризуют октановым числом (о.ч.). В качестве стандартных образцов для нахож­дения о.ч. берут углеводород гептан С₇Н₁₆ с неразветвленной цепью атомов, весьма легко детонирующий, и один из его изомеров (изооктан) с разветвленной цепью атомов, напротив, мало склонный к дето­нации:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ (н-гептан).

Октановое число гептана принимается равным нулю, а изооктану приписывается о.ч., равное 100. Если о.ч. топлива равно 76, то это зна­чит, что данный вид топлива детонирует в смеси с воздухом (при такой же степени сжатия), как смесь, состоящая из 76% изооктана и 24% геп­тана.

Октановое число обычно указывают в марке бензина, например, А-72. Марки отечественного автомобильного бензина — А-66, А-72. А-76, АИ-93, АИ-98 (цифры соответствуют о.ч. бензина), авиационный бензин Б-100/130. Б-95/130, Б-91/115 (числитель - октановое число, знаме­натель — показатель сортности бензина).

С целью повышения октанового числа автомобильных и авиаци­онных бензинов и обеспечения бездетонационного их сгорания в ци­линдрах двигателей в бензины вводят антидетонаторы, представляю­щие собой, как правило, металлоорганические и органические соеди­нения.

Наиболее распространенный металлоорганический антидетонатор — тетраэтилсвинец (ТЭЦ, «этиловая жидкость») Рb(С₂Н₅)₄, примешива­емый к бензину в объеме 1—3 мл на 1 кг. В Беларуси применение этого соединения ограничено нормативными документами.

Механизм предотвращения детонации (микровзрывов) заключа­ется в разрушении гидропероксидов (первичных продуктов сгорания углеводородного топлива) продуктами разложения присадки в момент воспламенения горючего.

При этом следует помнить, что моторные топлива с антидетонато­ром (например, этилированный бензин) обладают повышенной ток­сичностью и являются вредными загрязнителями среды обитания.

В ряде случаев к моторным топливам добавляют специальные ве­щества — антиокислители, предотвращающие их осмоление и образо­вание нагара на стенках цилиндров.

Дизельное топливо. Дизельное топливо получают при атмосферной или вакуумной перегонке нефти с последующими гидроочисткой и депарафинизацией. В некоторые сорта дизельных топлив добавляют до 20% гидроочишенного газойля, получаемого каталитическим кре­кингом.

Топливом для быстроходных дизельных двигателей (танковых, автомобильных и корабельных) служат легкие керосино-газойлевые маловязкие фракции нефти, для тихоходных — тяжелые вязкие фракции (табл. 2.1.).

Таблица 2.1.

Некоторые характеристики дизельных топлив

Показатели	Для быстроходных двигателей	Для тихоходных двигателей
Плотность, г/см3, не более	0,830—0,860	0,93
Вязкость, мм2/с, при 20°С 50°С	1,5-6,0 -	- 20 -130
Температура кипения, °С	180—360	250 - 420
Температура застывания,°С	от ~ 55 до - 5	от -5 до -10
Температура вспышки,°С	35—61	65 - 85
Содержание,%, не более ванадий сера	- 0,2 -0,5	0,010 – 0,015 0,5 - 2
Коксуемость,%, не более	0,3	3 - 9
Зольность,%, не более	0,01	0,02 – 0,06

 

Для разных климатических зон и условий работы дизельные топ­лива выпускают трех видов: арктическое, зимнее и летнее; они разли­чаются температурой застывания, фракционным составом и другими показателями.

Главные эксплуатационные свойства дизельных топлив — быст­рое воспламенение и плавное горение. Эти свойства характеризуются цетановым числом (ц.ч.). Наиболее легко воспламеняются парафино­вые углеводороды нормального строения (ц.ч. 56—103), наиболее труд­но — ароматические углеводороды (5—30). Оптимальную работу дви­гателей обеспечивает топливо с ц.ч. 45—60. При ц.ч. менее 45 резко увеличивается период задержки воспламенения (время между нача­лом впрыска и воспламенением топлива), усиливается износ узлов трения. При ц.ч. более 60 снижается полнота сгорания топлива, воз­растают дымность выпускных газов и нагарообразование в камере сго­рания, повышается расход топлива.

В связи с тенденцией увеличения доли дизелей на автомобильном транспорте, что связано с их экономичностью и меньшим уровнем заг­рязнения среды обитания, роль дизельного топлива неуклонно возра­стает.

Реактивное топливо. В отличие от ДВС, где движущим фактором является давление взрыва горючей газовой смеси мотора, воздушно-реактивные двигатели работают благодаря созданию внутри двигате­ля мощного газовоздушного потока. Последний способен с большой скоростью вращать агрегаты двигателя и создавать на выходе из него большую реактивную тягу. Газовоздушный поток образуется в специ­альных камерах сгорания, где происходит горение топлива в потоке атмосферного воздуха.

Поскольку всякий недостаток качества топлива для воздушнореактивных двигателей грозит весьма тяжелыми последствиями, к нему предъявляются жесткие требования: оно не должно замерзать при температурах -50 -60°С; не выделять пары низкокипящих компонентов и образовывать паровые пробки в топливной системе; не образовы­вать при 120—200°С твердые нерастворимые осадки; не засмолять де­тали топливных агрегатов; не вызывать отложения нагара в камере сго­рания и других частях двигателя; не образовывать корродирующие продукты. В то же время это топливо должно хорошо распыляться при различных режимах работы, обеспечивать работу камеры сгорания при различных коэффициентах избытка воздуха, хорошо воспламеняться при запуске двигателя при разных режимах подачи воздуха.

Реактивное топливо, получаемое из нефти, состоит из углеводо­родов, включающих парафиновые, нафтеновые, ароматические и не­предельные углеводороды. Соотношение этих видов углеводородов в топливе колеблется в известных пределах что, в частности, связано с типом исходной нефти. Например, авиакеросины, широко применя­емые как топливо для самолетов и вертолетов с газотурбинными дви­гателями, представляют собой смеси парафиновых (20—60%), нафте­новых (20—60%), ароматических (18,5—22,0%) и непредельных (0,3— 1,0%) углеводородов. Теплота их сгорания не менее 4300 кДж/кг, а содержание ванадия, кобальта, молибдена, ускоряющих коррозию де­талей и узлов двигателей из стали, бронзы и меди, не должно превы­шать 10^-5 % по массе.

В целом топливо для воздушно-реактивных двигателей представ­ляет собой фракции нефти, выкипающие в пределах 65—350°С, т. е. бензиновая, лигроиновая, керосиновая, а для сверхзвуковых самоле­тов — газойлевая с соответствующими характеристиками С учетом назначения летательных аппаратов приходится применять несколько сор­тов реактивных топлив. Большинство реактивных двигателей может работать на керосине и нефтяном топливе широкого фракционного состава. Последний вид топлива наиболее широко применяется на дозвуковых реактивных самолетах. Что касается самолетов большой дальности полета, для них важно иметь топливо с большим энергосо­держанием в единице объема (т. е. больше парафиновых углеводоро­дов). Для самолетов, летающих на большой высоте со скоростями, близкими к скорости звука, или сверхзвуковых, требуется топливо спе­цифического состава, обладающее меньшей упругостью паров и вы­сокой объемной теплотой сгорания, высокой термоокислительной стабильностью.

Для улучшения эксплуатационных свойств некоторых реактивных топлив в них добавляют антиокислители, антистатики, антиобледенительные, антикоррозионные, бионидные (против микроорганизмов) и другие присадки.