Глава 2 общие сведения о топливах

 

В теплотехнике принято определять топливо как вещество или совокупность веществ, находящихся в любом агрегатном состоянии, способных в результате экзотермических химических реакций (го рения) образовывать высокотемпературные конечные продукты. Компонентом топлива называют отдельно подводимую к двигателю часть топлива, отличающуюся по составу от других его частей. Горючее — компонент топлива, окисляющийся в процессе горения. Окислитель — компонент топлива, служащий для окисления горюче го. При использовании этих определений бензины и дизельные топлива следует называть горючим, для окисления которого используется окислитель—воздух (точнее кислород воздуха). Однако исторически терминология ДВС сложилась так, что термин «топливо» применяется вместо термина «горючее». Для бензинов и дизельных топлив ниже использован термин «моторное топливо», или сокращенно «топливо».

 

§ 2.1. Классификация топлив

Топлива для ДВС разделяют по типу двигателя, для использования в котором они предназначены, на бензины и дизельные топлива; по агрегатному состоянию — на жидкие и газообразные; по химическому составу — на углеводородные и неуглеводородные; по виду исходного сырья — на нефтяные и альтернативные; по способу хранения на автомобиле — на одно- и многокомпонентные (последние называют топливами раздельной подачи).

Термины «бензин» и «дизельное топливо» используют для обозначения нефтяных топлив, применяемых соответственно для двигателей с принудительным воспламенением и для дизелей.

Различие между жидкими и газообразными топливами заключено в их разных агрегатных состояниях при нормальных атмосферных условиях. В современной транспортной технике преимущественное применение получили жидкие топлива. Под газообразными (газовыми) топливами понимается топливо, поступающее в систему топливоподачи двигателя в газовой фазе. Газообразные топлива могут находиться в топливном баке транспортного средства в сжатом или сжиженном состоянии. В первом случае газы называют сжатыми, во втором сжиженными. Такое деление условно. Агрегатное состояние газа определяется параметрами его хранения в топливных емкостях (баках) — температурой и давлением. В зависимости от конструкции бака один и тот же газ может находиться в них как в жидкой, так и в газовой фазе. Например, метан используется и как сжатый газ, находящийся в баках (баллонах) под высоким давлением (до 20 МПа), и как сжиженный, находящийся в термостатированных емкостях при температуре, равной или ниже температуры сжижения (—161°С).

Газообразные топлива — перспективный вид топлив для ДВС. Это объясняется следующими основными преимуществами этих топлив перед жидкими: меньшей стоимостью; снижением износа и повышением долговечности цилиндропоршневой группы двигателей; уменьшением потребности в высококачественных моторных маслах и увеличением срока их бессменной работы в двигателе; большей полнотой сгорания и, как следствие этого, меньшим загрязнением среды.

К нефтяным относят топлива, изготовленные из природной нефти. Нефтяные топлива являются основными топливами для сов ременных ДВС, что объясняется их преимуществами перед другими видами топлив: освоенностью производства, транспортировки, хранения и подачи в камеру сгорания, относительной простотой смесеобразования и пр.

К альтернативным топливам относят все виды топлив, для получения которых в качестве основного сырья не использована природная нефть.

Если смесь нефтяного и альтернативного топлив обладает достаточной физико-химической стабильностью при заданных эксплуатационных условиях, то такое топливо можно рассматривать как нефтяное топливо, в которое введены определенные добавки. В противном случае либо если это рационально по другим техникоэксплуатационным показателям, нефтяное и альтернативное топливо применяют как топлива раздельной подачи. Как показывает само название, под топливами раздельной подачи понимают двух- или более компонентные топлива, отдельные компоненты которых хранят на борту автомобиля раздельно. Смешиваются эти компоненты непосредственно во впускном тракте или в цилиндре двигателя. Применяют топлива раздельной подачи в случае физико-химической нестабильности компонентов при их предварительном смешении, а также при необходимости (или целесообразности) раздельного регулирования расхода отдельных компонентов. Например, для облегчения запуска холодного газового двигателя может использоваться нефтяное топливо, а для увеличения детонационной стойкости бензина на определенных режимах работы двигателя—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 каждого из компонентов топлива.

§ 2.2. Состав нефтяных топлив

Свойства топлив в  определяющей степени зависят oт фракционного, элементного и группового составов входящих в них углеводородов, а также наличия и в топливах некоторых примесей.

 

 

 

Элементный состав топлива определяется видом и количеством входящих в него химических элементов. Для нефтяных топлив он в основном характеризуется элементным составом исходного сырья — нефти. От элементного состава зависят энергетические свойства топлива, которые оценивают его теплотой сгорания. Теплота сгорания водорода равна 120 МДж/кг, углерода — 33 МДж/кг. Отсюда, чем больше относительная масса водорода, содержащегося в топливе, тем выше его массовая теплота сгорания. Соответственно алканы (С _n Н_{2 n +2}) имеют большую теплоту сгорания (44 МДж/кг), чем нафтеновые (С _n Н_{2 n}) углеводороды (41 МДж/кг), а метан (СН₄), содержащий наибольшую относительную массу водорода, обладает соответственно наибольшей теплотой сгорания (49 МДж/кг) среди всех углеводородных топлив.

Фракционный состав (ФС) топлива характеризуется количеством (в процентах по объему) содержащихся в нем отдельных фракций. ФС определяют путем перегонки топлива в специальном приборе (рис. 2.1). При перегонке фиксируют температуры начала кипения, пере гонки 10, 50 и 90 или 96 % (об.) топлива, а также конца кипения. Соответствующие температуры обозначают индексами , , , ,  и .

За температуру  принимают температуру пара, соответствующую падению в холодильник первой капли конденсата. За температуру  бензина принимают ту максимальную температуру, при которой ртутный столбик термометра останавливается на некоторой высоте, а после этого начинает опускаться. За  дизельных топлив принимают температуру 96 % выкипания. После конца кипения остается невыкипевший остаток— остаток в колбе. При оценке фракционного топлива по  судят о присутствии наиболее легкокипящих фракций, по — об их количественном содержании, по  — о средней испаряемости топлива и по  (или ), а также по  — о содержании высококипящих фракции. Среднеобъемнаятемпература кипения топлива —  рассчитывается по зависимости

 

 

По полученным данным строят кривую перегонки (разгонки) топлива (рис. 2.2), которая в целом может быть охарактеризована углом наклонав градусах на 1 % (об.) разгонки:

O = (t90% - t10%)/80.

 

При перегонке бензинов невозможно определить количество наиболее легкокипящих фракций, присутствие которых влияет на эксплуатационные                                                                                                                                                                      свойства топлива, поэтому в нормативные требования к бензинам вводят контрольный параметр — давление насыщенных паров при температуре +38 °С. По температурам перегонки можно косвенно судить о давлении насыщенных паров — чем ниже   и , тем выше давление насыщенных паров.

 

Групповой состав топлива определяется группами (классами) входящих в него углеводородов. В общем случае в состав топлива входят углеводороды, присутствующие в нефти (алканы, цикланы, ароматические углеводороды), могут находиться химически нестабильные непредельные углеводороды (олефины и диолефины), которые отсутствуют в природной нефти и образуются при химической переработке нефтепродуктов (например, при крекинге).

Большое влияние на качество топлива оказывают перешедшие в него из нефти некоторые гетероорганические соединения, вода и механические примеси. Вследствие относительно большой молярной массы и соответственно высоких температур кипения присутствие гетероорганических соединений характерно для дизельных топлив — это сернистые соединения, органические кислоты и смолисто-асфальтовые вещества. Влияние отдельных гетероорганических соединений изложено ниже при рассмотрении конкретных свойств топлив.

По техническим условиям наличие в топливе воды не допускается. Вода в значительной степени ухудшает ряд его эксплуатационных свойств (повышает коррозионную агрессивность и склонность к образованию отложений, ухудшает химическую стабильность, смазывающие и противоизносные свойства и пр.).

Кристаллы льда, образующиеся при замерзании воды, забивают трубопроводы и фильтры системы топливоподачи, уменьшая количество топлива, подаваемого в двигатель (рис. 2.3). Отложения кристаллов льда в жиклерах нарушают работу топливодозирующих устройств.

         

 

С некоторыми видами углеводородов, входящих в состав нефтяных топлив, вода при отрицательных температурах может образовывать ассоциированные комплексы. Объем образующейся при этом кристаллической массы увеличивается более чем в 2 раза. Вода попадает в топливо при его хранении, перевозке, заправке и эксплуатации автомобиля (отмечено, что практически полностью обезвоженное топливо при хранении быстро насыщается водой). При обычных условиях содержание воды в топливе по абсолютной величине не превышает 0,03% (маc.) при 20°С и изменяется при изменении атмосферных условий (влажности, температуры, давления).

Топливо соприкасается с водой вследствие конденсации ее паров из атмосферного воздуха на стенках топливных баков и поверхности жидкости в баке. Пары воды насыщают массу топлива вследствие диффузии. Способность вещества поглощать воду называется гигроскопичностью. С повышением температуры топлива (рис. 2.4), снижением относительной влажности воздуха и давления гигроскопичность топлива уменьшается. При изменении условий часть растворенной воды выделяется из топлива в виде эмульсии. Эмульсия может расслаиваться с образованием слоя воды в свободном состоянии. Эти три состояния (раствор, эмульсия, свободное состояние) могут переходить друг в друга при изменении метеорологических и эксплуатационных условий. Образование эмульсии облегчается, а ее устойчивость увеличивается в присутствии поверхностно-активных веществ, которые, адсорбируясь на поверхности капель, препятствуют их слиянию. В топливе такими веществами являются нафтеновые кислоты и смолистые вещества. С утяжелением фракционного состава топлива растворимость в нем воды уменьшается.

Основным источником механических примесей в топливе является атмосферная (почвенная) пыль. В зависимости от условий хранения, транспортирования и применения содержание в топливе механических примесей может достигать 400 г/т (в особо запыленных районах). Размеры частиц в основном равны 10 — 60 мкм. Частицы менее 60 мкм в топливе невооруженным глазом не различимы.

Механические примеси ухудшают прокачиваемость топлива в системе топливоподачи, служат основой для образования смолистых отложений и нагара, ведущих к нарушению нормальной работы двигателя, интенсифицируют механический износ и коррозию конструкционных материалов. Особенно большой вред наносят механические примеси системам топливоподачи дизелей, вызывая повышенный износ прецизионных пар топливного насоса и форсунок, потерю герметичности форсунок, подтекание топлива в цилиндр двигателя, засорение и эррозионный износ отверстий распылителей. В соответствии со статистическими данными от 30 до 95 % отказов дизелей в эксплуатации происходит из-за системы топливоподачи. В стандарты на дизельные топлива введен показатель, характеризующий наличие в топливе загрязнений (механических примесей, воды, натриевых мыл, нафтеновых кислот и смол) — коэффициент фильтруемости Кф. Этот коэффициент определяют по степени загрязнения (забивки) стандартного бумажного фильтра при протекании через него топлива. Большие значения Кф соответствуют наличию большего количества загрязнений.

 

§ 2.3. Горючая смесь

Количество воздуха l₀ в горючей смеси, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, называют стехиометрическим. Величина l₀ [кг/кг топлива] может быть рассчитана по уравнению

 

(2.1)

 

где H, С и О—содержание в топливе в % (мас.) водорода, углерода и кислорода соответственно.

Из этого уравнения следует, что величина l₀ зависит от элементного (чем больше доля водорода, тем больше l₀) и от группового состава топлива. Потому значения l₀ для топлив, имеющих различный состав, могут отличаться друг от друга. Значения l₀ для некоторых топлив даны в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Топливо	Низшая теплота сгорания, кДж/кг		Стехиометрическое количество воздуха l0, кг/кг топлива
	топлива	горючей смеси
Авиабензин	44400	2800	14,9
Автобензин	44400	2780	14,8
Дизельное топливо	42700	2770	15,0
Этиловый спирт (этанол)	26400	2760	9,0
Метиловый спирт (метанол)	19000	2760	6,5
Бензол	40000	2770	13,3
Метан	50000		17,23
Бутан	45400	2735	15,6
Пропан	46000	2790	15,7
Водород	120000	2880	27,7

 

Количество действительно потребляемого воздуха l может отличаться от стехиометрического. Отношение действительного количества воздуха к стехиометрическому называют коэффициентом избытка воздуха а

а = l/lо.       (2.2)

 

Горючую смесь, имеющую а < 1, называют богатой; смесь, имеющую а > 1,— бедной. Соответственно при уменьшении происходит обогащение, а при увеличении а — обеднение смеси.

 От величины а зависят скорость сгорания рабочей смеси и количество выделяющейся при этом теплоты. Из рис. 2.5 следует, что при значительном увеличении или уменьшении а скорость сгорания снижается, что в предельном случае может привести к прекращению горения смеси. Минимальную и максимальную концентрации топлива в смеси, при которых она может воспламеняться, называют концентрационными пределами воспламеняемости горючих смесей. Различают нижний и верхний концентрационные пределы, соответствующие предельным значениям обеднения и обогащения смеси, за которыми смесь не воспламеняется. Пределы воспламеняемости смеси зависят от вида топлива, состава и физических параметров смеси (температуры и давления)и характеристик источника воспламенения. Разность между нижним и верхним пределами воспламеняемости называют диапазоном воспламеняемости.

Наиболее широким диапазоном воспламеняемости обладает водород, что видно из приведенных ниже данных.

 

Таблица 2.2

Топливо	Пределы воспламеняе­мости горючей смеси по a при р=0,1 МПа, Т=+20 С
	нижний	верхний
Авиабензин	1,13	0,675
Автобензин	1,10	0,650
Дизельное топливо	1,05	0,82
Бензол	1.11	0,798
Оксид углерода	1,95	0,57
Водород	8,7	0,32

 

Это, в частности, позволяет на двигателях, использующих водород в качестве топлива, применять качественный способ регулирования.

При увеличении температуры и давления горючей смеси диапазон воспламеняемости расширяется. Для устойчивой работы двигателя на различных режимах используемые топлива должны иметь возможно более широкий диапазон воспламеняемости. Особенно важно увеличить нижний предел воспламеняемости, определяющий возможность обеднения горючей смеси, а, следовательно, увеличения полноты сгорания и соответственно снижения расхода топлива и токсичности отработавших газов двигателя.

 

§ 2.4. Энергетические показатели топлив и горючих смесей

Теплотой сгорания топлива (ТСТ) называют количество тепловой энергии, выделяющейся при его полном сгорании. Различают высшую и низшую ТСТ. При определении высшей ТСТ Q_B учитывают теплоту, которая выделяется при конденсации воды, содержащейся в продуктах сгорания. Величину низшей ТСТ Q_H определяют без учета количества теплоты, выделяющейся при конденсации воды. В расчетах ДВС принимают значение Q_н, так как пары воды в цилиндре не конденсируются. ТСТ, отнесенную к единице массы топлива, называют массовой, а отнесенную к единице объема топлива — объемной.

ТСТ определяют путем сжигания навески испытуемого топлива в калориметрической бомбе (при постоянном объеме) в среде сжатого кислорода, насыщенного водяным паром, и измерения количества выделяющейся теплоты. Некоторые значения ТСТ приведены в табл. 2.1.Для ориентировочных расчетовТСТ, кДж/кг, для нефтепродуктов можно определить по формулам, предложенным Д.И. Менделевым:

 

где С, Н, О и S — массовые доли соответствующих элементов в топливе (C + H + O + S=1); W —количество паров воды в продуктах сгорания 1 кг топлива.

Теплоту сгорания горючей смеси H_см, кДж/кг, рассчитывают по уравнению

 

Это уравнение справедливо лишь при а > 1, так как при а < 1 часть топлива не сгорает и его теплота сгорания не реализуется.

Из табл. 2.1 следует, что теплоты сгорания горючих смесей на основе углеводородных топлив близки и что для сгорания топлив, обладающих большей теплотой сгорания, нужно большее количество воздуха. Это практически уравнивает энергетические возможности углеводородных топлив. Изложенное свидетельствует об ограниченной возможности повышения параметров ДВС путем увеличения энергетических свойств углеводородных топлив. В этом направлении решение лежит в использовании неорганических топлив и внедрении добавок к органическим топливам в виде веществ с более высокой теплотой сгорания.

Мощность, развиваемая поршневым ДВС, пропорциональна количеству теплоты, выделившейся в единице объема цилиндра, H_ц, . Величина H_цможет отличаться от объемной теплоты сгорания горючей смеси Н_см, , вычисляемой по формуле Нсм = =Нсм^3р, где р — плотность гомогенной топливовоздушной смеси, . Это объясняется различным агрегатным состоянием, в котором топливо может находиться после завершения такта выпуска (пар, пар + жидкость, жидкость), и соответственно разной долей объема цилиндра, занимаемой топливом. Рассмотрим изложенное более подробно. В конце такта впуска рабочий объем цилиндра Vh условно можно представить как сумму объемов, занятых воздухом — V в, жидким топливом — V _ж и парами топлива — V _п:

 

 

Слагаемые уравнения (2.6) определяются из соотношений:

 

 

где a — коэффициент избытка воздуха; l₀ — стехиометрическое количество воздуха, кг/кг; m_т — масса топлива, поступившего в цилиндр, кг; , ,  — плотность воздуха, жидкого топлива и паров топлива (газообразного топлива), , соответственно;   — коэффициент газификации топлива, равный отношению количества паров топлива (газообразного топлива) m_п, кг, поступившего в цилиндр к концу такта впуска, к величине m_т. Для двигателя, работающего на газообразном топливе, Kп = 1; для дизелей и бензиновых двигателей с непосредственным впрыском Кп = 0; для двигателей с внешним смесеобразованием 0< К_п<1.Количество теплоты, выделившейся в объеме цилиндра Н_ц, Дж, равно

 

и количество теплоты, выделившейся в единице объема цилиндра (удельное энергетическое наполнение цилиндра), с учетом (2.6) — (2.10) определится из соотношения

 

 

Уравнение (2.11) позволяет в первом приближении, при прочих равных условиях, оценить сравнительное влияние на мощность, развиваемую двигателем, отдельных свойств топлива:

его элементного и группового составов (через Q н и lо),

агрегатного состояния (через К_п),

а также влияние метода регулирования двигателя (качественное по а; количественное по ), величины наддува (по ) и совершенствование внешнего смесеобразования (по изменению Кп).

При расчетах величиной  можно пренебречь, так как . Из анализа уравнения (2.11), в частности, следует: в сравнении с бензиновыми двигателями пониженная литровая мощность, развиваемая газовыми двигателями, объясняется величиной Кп=1 и низкими значениями Q_H; уменьшение литровой мощности дизелей — более высокими значениями а. Влияние совершенствования внешнего смесеобразования (изменения Кп) на Нц возрастает при уменьшении и и lо, поэтому, в частности, при использовании спиртов, имеющих относительно низкие значения lо, повышение доли топлива, испарившейся во впускном тракте двигателя, вызывает большую относительную потерю мощности, чем при использовании бензинов (рис. 2.6).

Эффективность наддува увеличивается при снижении а в зависимости от отношения .Например, одних и тех же резуль­татов можно добиться снижением а или увеличением  (повы­шение давления наддува), поэтому в бензиновых двигателях, работающих при более низких значениях , введение наддува сказывается сильнее, чем в дизелях. Расчет по (2.11) показывает, что (при  и приведении плотности газов к нормальным ус­ловиям 0°С и 101,325 кПа) удель­ное энергетическое наполнение цилиндра при работе на бензине, метане и водороде равно соответ­ственно 3666, 3847 и 3093 кДж/м³, что составляет (принимая бензин за 100%) соответственно 100, 105 и 84 % (несмотря на в 3 раза большую массовую теплоту сго­рания водорода, использование его в качестве топлива обусловливает потерю не менее 15 % мощности). Из графика рис. 2.6 следует, что совершенствование внешнего сме­сеобразования двигателя путем увеличения полноты испарения топлива во впускном тракте (увеличения К_п до К_п=1) приведет к уменьшению энергетического наполнения цилиндров на 10 и 20 % при работе на бензине и метаноле соответственно. При одном и том же значении  двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндр (К_п=0) развивают мощность большую, чем двигатели с внешним смесеобразованием (Кп > 0). Уравнение (2.11) позволяет относительно просто оценить влияние изменения   на мощностные показатели двигателя. Например, принимая нижний концентрационный диапазон воспламеняемости смеси, равный 1,15 для бензина и 8 для водорода, получаем диапазон регулирования мощ­ности по качеству смеси, равный 18 и 57 % соответственно.

 

§ 2.5. Альтернативные топлива

В связи с большим значением альтернативных топлив для транспортной энергетики будущего целесообразно более подробное рассмотрение некоторых видов этих топлив и методов их получения.

По производственным и эксплуатационным показателям альтернативные топлива можно разделять на две основные группы.

К первой группе относятся топлива, достаточно близкие к нефтяным по происхождению, физико-химическим и эксплуатационным свойствам. Такие топлива получают переработкой углеродсодержащих природ­ных и промышленных веществ (угля, битуминозных песков, горючих нефтяных сланцев, природного и промышленного горючих газов и т.п.) — из альтернативных энергоресурсов. Получаемые в результате переработки жидкие продукты в некоторых работах называют синтетической нефтью. Характерной особенностью топлив, получае­мых из нее, является то, что их использование не требует значительных изменений в конструкции или доработок ДВС, рассчитанных на топлива из природной нефти.

Ко второй группе отно­сятся топлива, существенно отличающиеся как по физико-химическим, так и по эксплуатационным свойствам от нефтяных. К этой группе относят спирты, нефтяной и природный газы, водород, аммиак и некоторые другие энергоносители. К альтернативным ус­ловно относят также газоконденсатные топлива, являющиеся продук­том нефтяного происхождения, но не получаемые из нефти в процессе ее переработки.

Альтернативные энергоносители имеют большие потенциальные возможности, освоение которых практически еще только начинается (например, при сегодняшних потребностях энергии, заключенной в нефтяных сланцах и битуминозных песках, хватило бы человечеству более чем на 1000 лет).

Уголь. Установленные запасы угля на земном шаре в десятки раз превышают запасы нефти и газа и оцениваются более чем в 14 трлн.т. Около 25 % разведанных запасов угля в СССР сосредоточено в Сибири, в Канско-Ачинском бассейне.

Энергетической программой предусмотрена крупномасштабная комплексная переработка углей Канско-Ачинского месторождения с получением компонентов моторных топлив, аммиака, метанола и водорода. При решении проблемы использования угля в качестве энергоисточника для транспортных двигателей основная задача состоит в создании экономически рентабельных способов его пере­работки в жидкое топливо, сопоставимое по своим качественным показателям с нефтью. Различают два современных способа превра­щения угля в жидкое углеводородное топливо (синтетическую нефть): путем сжижения угольной массы и с предварительной газификацией угля.

Физическая основа первого способа основана на том, что агре­гатное состояние углеводородных соединений зависит от количества в молекуле атомов водорода, приходящихся на один атом углерода,— чем их больше, тем при более низких температурах углеводороды становятся жидкими. Соответственно техническая реализация этого способа заключается в насыщении углеводородных компонентов угля водородом — в деструктивном гидрировании. В этом процессе измельченную угольную массу в смеси с жидкостью, выделяемой из конечного продукта гидрирования, подвергают действию высоких температур и давлений в атмосфере водорода в присутствии катализатора. При этом молекулярные связи исходных тяжелых угле­водородов разрываются (происходит их деструкция) с образованием молекул с меньшей молярной массой и насыщением свободных мо­лекулярных связей водородом. После вторичной переработки и очистки получают жидкие топлива, соответствующие по качеству современным требованиям к нефтяным топливам.

Первая установка по производству синтетической нефти из угля путем его гидрирования была создана в 1923 г. Во время второй мировой войны в Германии работало 12 заводов общей мощностью 2 млн. т бензина, 800 тыс. т дизельного топлива и 35 тыс. т сма­зочных материалов в год. Процесс проводился в громоздких уста­новках при высоких давлениях и температурах (70 МПа, 180 С).

Работы по совершенствованию методов гидрирования угля ведутся в СССР в Институте горючих ископаемых. Разработанная в СССР технология дает до 45 % жидкого горючего от массы израсходован­ного угля при соотношении бензин: дизельное топливо от 1: 3 до 1: 5.

Другой промышленный способ получения синтетической нефти основан на окислении угля в присутствии воды с последующим гидрированием полученных продуктов. Схему протекания реакций можно представить следующим образом:

1. Исходный продукт окисляется водяным паром С + Н₂О à СО + Н₂.

2. Образовавшийся оксид углерода и водород очищают и смешивают с водородом до получения смеси, содержащей 1 часть СО на 2,0 — 2,5 части Н₂.

3. Смесь газов подвергается обработке (t = 170 - 210 °С; Р - 1,0 МПа) на кобальтовом катализаторе. Получают жидкие и газообразные ве­щества. Жидкие продукты представляют собой одну из форм синтетической нефти (выход нефти до 650 кг из 1т угля). Из газообразных продуктов выделяют пропан-бутановую фракцию, используемую для изготовления сжиженных горючих газов. Этим способом синтетическая нефть может быть получена практически из любых углеродсодержащих веществ. Например, при эндотермической реакции воды с метаном

СН₄ + Н₂О à СО + ЗН₂

получают газ с соотношением СО и Н₂, близким к оптимальному, и далее по описанной выше схеме.

Большие ресурсы оксида углерода для получения синтетической нефти заключены в попутных газах металлургических производств (доменного, кислородно-конверторного, ферросплавного и др.). Рас­четы показывают, что использование только этих ресурсов достаточно для удовлетворения до 20 % потребности страны в автомобильном бензине.

Однако массовое использование топлив, полученных из угля, станет экономически целесообразным лишь после завершения всех работ по созданию высококачественных катализаторов, промышленной технологии и строительства соответствующих предприятий.

В нашей стране разработан один из наиболее экологически чистых способов производства углеводородов. По этому способу из атмосферы вы­деляют углекислый газ, который раз­лагают на оксид углерода и кислород. Для этого требуются большие затраты энергии, которую можно выработать, например, в атомных реакторах. Затем оксид уг­лерода соединяют с водородом и получают группы углеводородов, входящих в состав синтетической нефти (рис. 2.7).

 

Для получения синтетической нефти и горючих газов из угля и твердых углеводородных веществ применяют также процессы полукок­сования и коксования.

Полукоксование (или низкотемпе­ратурное коксование) заключается в нагреве сырья в печах без доступа воздуха (для угля температура на­грева 500 — 600 °С). В результате полукоксования получают: полукокс — твердое топливо, из которого уда­лены значительная часть летучих компонентов и влага; первичную смолу (смолу полукоксования) — жидкие продукты, сконденсирован­ные путем охлаждения выделяющихся летучих веществ; газы полукоксо­вания — газообразные продукты, несконденсировавшиеся при охлаждении летучих веществ. Эти газы состоят в основном из метана, в меньшем количестве они содержат непредельные углеводороды, примеси СО, СО₂, H₂S и др.

Коксование. При увеличении температуры выше температуры полукоксования (для угля до 750— 1200°С) расщепление сырья углубляется, в результат чего уменьшается количество выделяющихся смол и увеличивается количество газа.

Горючие газы. Основными компонентами горючих газов являются низкокипящие углеводороды (см. табл. 4.7). Сырьевой базой для получения этих веществ служит природный газ, нефтяные газы, a также газы, получаемые при нефтепереработке, доменные газы и биогаз.

Наибольшее значение для промышленности ТиС имеет приходный газ, который получают из газовых или и газоконденсатных месторождений. В залежах нефти также присутствует природный газ.

 

 

В зависимости от месторождения природный газ содержит от 92 до 98 % метана (CH₄) с примесями других, в том числе и более тяжелых углеводородов, диоксида углерода, сероводорода (содер­жание которого в газе некоторых месторождений достигает 20 %), гелия (получение гелия из природного газа имеет промышленное значение).

После относительно несложной очистки природный газ может быть непосредственно использован в качестве моторного топлива. Освоены технологии массового получения из природного газа жидких моторных топлив, метилового спирта (распространенное промышлен­ное название — метанол), водорода и других ценных химических про­дуктов. Мировые запасы метана в природных газах оценивают в 250 трлн. м³.

В качестве источника горючего газа на основе метана может рассматриваться биогаз, представляющий собой смесь метана (до 80 %) с углекислым и некоторыми другими газами. Биогаз получают биотехнологическими методами практически из любых органических веществ (в том числе отходов) с помощью термофильных, метано-образующих бактерий. Процесс преобразования, называемый биокон­версией или анаэробной ферментацией, проходит в специальных емкостях — метатенках, в которые подается теплота, вода и органические отходы (рис. 2.8). В результате получают биогаз (0,3 — 0,7 м³ из 1 кг сухого органического вещества), содержащий до 70% метана, и шлам, являющийся высокоэффективным азотно-фосфорным удобрением (1 т такого шлама эквиваленты 2 —4 т промыш­ленных удобрений). Биогаз очищают от примесей с целью увеличения содержания метана и используют в качестве моторного топлива наравне с природным газом. В ряде городов действуют промышленные установки по производству биогаза из промышленных отходов и жидких коммунальных стоков.