В связи с постепенным истощением запасов нефти и угля, а также усилением загрязнения среды обитания вредными продуктами сгорания развернуты работы по поиску и применению альтернативного топлива.
Альтернативное топливо получают в основном из сырья нефтяного происхождения и применяют в целях сокращения потребления нефти и традиционных нефтепродуктов, например, бензина. Основными видами такого топлива являются: 1) сжиженные и компримированные горючие газы: 2) спирты, продукты их переработки и смеси с бензином; 3) топливные смеси; 4) искусственное жидкое топливо; 5) водород.
Сжиженные и компримированные горючие газы — это прежде всего углеводородные газы С3 и С4 (пропан-бутановые фракции, которые получают переработкой нефтяных попутных и природных газов), а также метан — продукт газификации твердых топлив.
К достоинствам указанных газов следует отнести высокую теплоту сгорания, относительную экологическую безвредность продуктов сгорания. К недостаткам - необходимость применения специального оборудования для сжатия, сжижения, хранения топлива, распределения и транспортирования.
Спирты, продукты их переработки. Ныне перспективными видами топлива, особенно автомобильного, признаются низшие спирты: метанол СН3ОН и этанол С2Н5ОН. Благодаря высоким октановым числам и небольшому загрязнению природной среды образующимися выхлопными газами они могут использоваться как автомобильное топливо непосредственно или в смесях с бензином.
Метанол или метиловый спирт, получают в больших количествах в результате взаимодействия оксида углерода (II) и водорода при высоких давлении (20—30 МПа) и температуре (400°С) в присутствии гетерогенного катализатора, содержащего около 90% ZnO и 10% Сг2О7:
СО + 2Н2→ СН3ОН.
Метанол можно получать и при сухой перегонке дерева, поэтому его называют иногда древесным спиртом. Реакция горения метанола:
2СН3ОН + 3О2 = 2СО2↑ + 4Н2О.
сопровождается выделением относительно большого количества тепла.
Недостатком метанола является то, что он токсичен: прием внутрь даже небольших доз вызывает слепоту, а больших — смерть.
Этиловый спирт или этанол С2Н5ОН получают из различных сахаристых веществ, например, виноградного сахара (глюкозы). Глюкоза С6Н1206 в результате «брожения», вызываемого действием ферментов (энзимов), вырабатываемых дрожжевыми грибками, превращается в этиловый спирт:
С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2↑.
В настоящее время осахариванию подвергают целлюлозу (клетчатку), образующую основную массу древесины. С этой целью ее гидролизуют в присутствии кислот. Например, древесные опилки при 150— 170°С обрабатывают 0,1 —5%-ной серной кислотой под давлением 0,7— 1,5 МПа. Полученный в данном процессе полупродукт содержит глюкозу, которая в дальнейшем сбраживается на спирт при помощи дрожжей (гидролизный спирт). Указанный метод производства спирта позволяет экономить большое количество пищевых продуктов: из 5500 т сухих опилок (ежегодные отходы среднего по производительности лесопильного завода) можно получить 790 т спирта, что дает возможность сохранить около 3 тыс. т зерна или 10 тыс. т картофеля. Этиловый спирт может быть получен синтетическим путем из этилена (в присутствии катализатора):
СН2=СН2 + Н20 → СН3-СН2-ОН.
Таким образом, метанол и этанол являются весьма перспективными топливами, поскольку для их производства имеется широкая сырьевая база. В частности, в ряде стран Южной Америки этанол постепенно вытесняет бензин как автомобильное топливо.
Спирто-бензиновые смеси. С целью повышения детонационной стойкости топлива, а значит и мощности ДВС применяют гомогенные (однородные) смеси метанола или этанола с бензином (3—15% спирта). Основная проблема в их использовании состоит в предотвращении расслаивания компонентов смеси при пониженных температурах.
Топливные смеси. Для транспортных дизельных двигателей применяют водно-топливные эмульсии, которые состоят на 80—85% из дизельного топлива, остальное — вода. Взамен жидкого котельного топлива (мазута) или угля (например, на тепловых электростанциях) применяют метанольно-угольные, углемасляные, водно-угольные, водно-углемазутные и другие смеси. Указанные смеси имеют ряд несомненных достоинств: они легко воспламеняются и обладают высокой теплотой сгорания, относительно легко перекачиваются по трубопроводам и хорошо распыляются топочными форсунками.
Искусственное жидкое топливо. Получают переработкой, например, гидрогенизацией твердых горючих ископаемых - угля, сланцев, торфа. Гидрогенизация угля - это превращение высокомолекулярных веществ органической массы угля под действием водорода в жидкие и газообразные продукты при 400—500°С в присутствии различных веществ (органических растворителей, катализаторов и т. д.).
Для гидрогенизации применяют неокисленные бурые и каменные угли, в которых содержание минеральной части не должно превышать 5-6 %, отношение С : Н - 16, выход летучих веществ - более 35%. В результате гидрогенизации из угля и каменноугольных смол получают бензин, дизельное топливо, парафины, смазочные масла и т. п.
Элементарный состав жидких продуктов гидрогенизации бурого угля (в%): С - 86,48; Н - 11,43; 5 - 0,62; N - 0,22; О - 1,25. Легко видеть, что соотношение С : Н достигает 8, что связано с выделением водорода под давлением в процессе гидрогенизации.
Проблема вовлечения твердого топлива, главным образом угля, в переработку для получения жидких продуктов становится ныне весьма актуальной. Это связано с тем, что при существующих масштабах мирового потребления нефти (более 4 млрд т/год) запасы ее, пригодные для добычи экономичными методами, будут истощены уже в первой половине XXI в.
В настоящее время основное количество энергии получают за счет сжигания или переработки природного углеродсодержащего топлива (табл. 2.2.).
Таблица 2.2.
Использование различных энергоресурсов в мире.
| Страна | Уголь | Нефть | Газ | Ядерная энергия | Гидроэнергия | Энергия ветра | Солнечная энергия |
| Канада | |||||||
| Швеция | — | ||||||
| Швейцария | — | — | — | — | |||
| США | |||||||
| Германия | |||||||
| Великобритания | |||||||
| Китай | — | — | — | — | |||
| Россия | 13* | 0,003 | 0,001 | ||||
| Франция | . 14 | — | — | ||||
| Италия | — | ||||||
| Ю. Корея | — | — | |||||
| Тайвань | — | — | |||||
| Япония | |||||||
| Весь мир |
Естественно, что каждая страна старается использовать те ресурсы, которыми она обладает. Это легко обнаружить по проценту использования каждого вида.
Считается, что качество жизни напрямую связано с потреблением энергии на душу населения. Сейчас на каждого жителя Земли приходится чуть больше 2 кВтч в день при норме 10 кВтч. В промышленно развитых странах этот показатель в 14 раз выше, чем в развивающихся странах. Например, в Норвегии потребляется 25 тыс. кВтч, Италии - 3 тыс., а в Бангладеш - всего 46 кВтч на душу населения в год.
Россия является крупнейшим в мире производителем топливно-энергетических ресурсов: около 17% нефти, 25% газа, 15% каменного угля от добываемых в мире.
Обращает на себя внимание, что в США неуклонно возрастает доля угля (12,5% в 1970 г.), падает нефти (с 45%), заметно снижается доля газа (с 35,6% в 1970 г.). В России же иная тенденция: несмотря на большие запасы угля (крупнейшие в мире) произошло (за этот же срок) снижение его доли с 40 до 16%. Доля газа повысилась с 22 до 46%, нефти - также несколько увеличилась. Таким образом, в России быстрее выгорают те виды энергоресурсов, запасы которых истощатся быстрее.