Компоненты, из которых состоит органическое топливо, делятся на горючие и негорючие . Количество и качество горючих компонентов определяют тепловую ценность топлива. Негорючие компоненты "засоряют" топливо, образуя "балласт", который ухудшает качество и технологические показатели топлива, снижает его тепловую ценность, ухудшает экономические и экологические показатели котельных установок.

Любое топливо можно рассматривать как вещество, состоящее из отдельных химических элементов. Поэтому, говоря о химическом составе, часто применяют термин "элементарный состав".

Состав твердого и жидкого топлива определяется в процессе лабораторного анализа, и его принято выражать в процентах по массе. Основу элементарного состава твердого и жидкого топлива составляют пять химических элементов: углерод С, водород Н, азот N, кислород О и сера S.

Углерод - наиболее важная составляющая твердого и жидкого топлива, так как его больше всего содержится в массе топлива. Сгорая, углерод выделяет значительное количество теп лоты.

В топливе углерод находится обычно в виде соединений с другими элементами, прежде всего с водородом. Эти соединения называют углеводородными.

Водород - вторая по важности горючая составляющая твердого и жидкого топлив. По количеству теплоты, выделяемой при горении, водород в 3,5 раза ценнее углерода, но содержание водорода в топливах значительно меньше, чем углерода. Водород в топливе может находиться в виде соединений с углеродом, серой, кислородом и в свободном состоянии.

Сера , содержащаяся в топливе, может находиться в виде горючих и негорючих соединений. Органическая (S o) и колчеданная (FeS 2) сера горючие, а сульфатная (CaSo 4 , FeSO 4 и т.д.) - не горючая и входит в состав золы топлива.

Азот топлива является балластом, относится к негорючей части топлива, но при горении в условиях высоких температур может вступать во взаимодействие со свободным кислородом, образуя оксиды азота (NO х), переходящие в продукты сгорания и являющиеся веществами, оказывающими вредное воздействие на окружающую среду, особенно на живые организмы.

Кислород - нежелательная составляющая топлива. Находясь в свободном состоянии, кислород повышает способность топлива к самовозгоранию. Соединяясь с углеродом и водородом топлива, кислород образует негорючие составляющие (CO 2 , H 2 O), снижающие тепловую ценность топлива.

В действительности каждое топливо состоит из различных химических соединений этих элементов. От вида соединения зависит агрегатное состояние топлива – жидкое или твердое.

Помимо этих элементов, в топливо входят минеральные примеси, из которых в процессе сжигания топлива образуются зола А и влага W. Зола и влага составляют так называемый внешний балласт топлива. К внутреннему балласту топлива относят входящие в его состав азот и кислород.

Таким образом, в состав твердых и жидких топлив входят :

· горючие элементы: углерод С, водород Н, летучая сера S, состоящая из органической серы S ор и колчеданной S к, входящей в FeS 2 ;

· негорючие элементы: азот N и кислород О;

· балласт: зола A и влага W.

Состав твердых и жидких топлив записывают в виде знаков химических элементов:

C + H + O + N + S + A + W = 100%, (3.1)

где символы C, H, O, N, S выражают процентное содержание по массе соответственно углерода, водорода, кислорода, азота и серы, а символы A и W – содержание золы и влаги.

Газообразное топливо представляет coбой смесь горючих (СО, Н 2 , СН 4 , С m Н n) и негорючих (N 2 , О 2 , СО 2) газов, а также небольшого количества водяного пара (Н 2 О). Состав газообразного топлива принято указывать в процентахпо объему .

Химический состав газообразного топлива непостоянен. Он зависит от места добычи топлива или способа его получения. Состав горючих газов можно также характеризовать соотношением (3.1). Однако удобнее (и принято) определять состав газообразного топлива по объемному содержанию отдельных его компонентов:

CO + H 2 + CH4 + SC m H n + CO 2 + H 2 S + О 2 + N 2 +…= 100%, (3.2)

где формулы соединений выражают их процентное содержание по объему.

В качестве окислителя, содержащего кислород, необходимый для процесса горения, обычно используется воздух. Состав воздуха и некоторые его свойства приведены в приложении в таблице D.2. Обычно с достаточной точностью можно принимать, что воздух состоит из азота и кислорода, причем содержание последнего по объему и по весу соответственно 21 и 23,2%, а средний молекулярный вес сухого воздуха – 28,97.

Традиционные виды топлива, по сути, получают из невозобновляемых ресурсов, а это значит, что рано или поздно они закончатся. Поэтому человечество нашло им альтернативу. Однако у каждой такой альтернатива могут быть свои преимущества и недостатки, рассмотрим их на конкретных примерах.

Возможно вас заинтересует - Солнечная энергетика в Беларуси .

Еще Рудольф Дизель, создатель дизельного двигателя, в 1900 году предложил получать топливо из растительного сырья, он даже продемонстрировал проект двигателя, который мог работать на арахисовом масле. Сегодня подтверждено, что в основу для такого топлива можно положить: рапс, сою, хлопок, ятрофу (бутылочное дерево). Кстати, использовать для производства можно даже пищевые отходы, которые скапливаются в предприятиях общественного питания.

«+»

  1. сырье возобновляемое,
  2. выбросы СО 2 в атмосферу ниже на 50–80% по сравнению с традиционными видами топлива,
  3. в процессе получения такого биотоплива производят еще несколько полезных побочных продуктов,
  4. государства, где нет собственных запасов нефти, могут за счет этого обеспечить себе топливную независимость.

«–»

  1. пока что высокая себестоимость производства,
  2. меньшая мощность двигателей на таком топливе, больший расход,
  3. необходимость больших площадей под выращивание нужных культур.

В 2003 году корпорация DaimlerChrysler разработало первое в мире синтетическое дизельное топливо из древесных отходов. Назвали его BIOTROLL. Когда оно сгорает, углекислый газ не попадает в атмосферу. Изготавливать подобное топливо можно не только из отходов деревообработки, но и из бытового мусора, сельскохозяйственных отходов. Только пока такое своеобразное биотопливо используют в смеси с соляркой, улучшая тем самым экологические показатели двигателей.

«+»

  1. низкие выбросы вредных веществ,
  2. переработка отходов,
  3. неисчерпаемые запасы сырья.

«–»

  1. необходимы значительные финансовые вложения, чтобы организовать весь процесс: сбор и подготовку сырья, производство синтетического горючего, создание системы распространения.

Водород

Как оказалось, водород может быть альтернативным топливом, например, для тех же автомобилей. Причем использовать его можно по-разному: смешивать с традиционными видами, применять только его, использовать водород в топливных элементах.

«+»

  1. высокие энергетические свойства,
  2. относительная экологичность сгорания, по сравнению с бензином,
  3. нелимитированная сырьевая база

«–»

  1. сегодня производство водородного топлива в 4 раза дороже, чем бензина,
  2. несмотря на то что углекислый газ при сгорании водорода не выделяется, некоторые ученые указывают на образование других газов, которые вредят озоновому слою,
  3. сложно будет организовать «водородную инфраструктуру.

1. Почему в структуре потребляемого топлива резко увеличились доли нефти и газа (рис. 23)?

Топливом называют горючие вещества, при сжигании которых получают тепло­вую энергию. Основная составная часть этих веществ — углерод.

По происхождению топливо делится на природное (нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина) и ис­кусственное (кокс, моторное топливо, ге­нераторные газы и др.); по агрегатному состоянию — на твердое, жидкое и газооб­разное.

Основная характеристика топлива — теплота сгорания. Для сопоставления раз­личных видов топлива и суммарного учета его запасов принята единица учета — условное топливо. Его низшая теплота сгорания составляет 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг). Для удобства перевода пыли введены тепловые коэффициенты.

Таблица 11
Максимальная теплота сгорания, МДж/кг или м 3

Тепловой

коэффи­циент

Каменный

Бурый уголь

Природный

32,7 и выше
Торф
Горючие сланцы

Как видно из таблицы 11, нефть и газ — наиболее эффективные источники энер­гии, поэтому, когда были открыты круп­ные месторождения этих видов топлива, они легко заняли ведущие позиции в топ­ливно-энергетическом балансе.

2. Каковы особенности размещения угледобываю­щей промышленности (рис. 25)?

В размещении угледобывающей про­мышленности ведущим является сырье­вой фактор, поэтому ее предприятия нахо­дятся непосредственно в районах уголь­ных бассейнов. Добыча угля в Российской Федерации в 2003 г. составила 277 млн т, 71% из которых пришелся на каменный уголь (табл. 12). Большая часть угля (68%) добывается открытым способом.

3. Почему в Сибири развивается Канско-Ачинский угольный бассейн, а не Тунгусский (рис. 25)?

Тунгусский бассейн находится в мало­освоенном, редконаселенном районе на значительном расстоянии от основных потребителей. Трудности в транспорти­ровке и добыче угля Тунгусского бассейна оставляют этот богатейший ресурс прак­тически нетронутым.

Канско-Ачинский бассейн находится в густонаселенной и освоенной в хозяйственном отношении части Восточной Сибири, где расположены и основные его по­требители. Кроме того, уголь этого бас­сейна благодаря открытой добыче являет­ся самым дешевым в России по себестои­мости.

4. Назовите и покажите на карте крупнейшие место­рождения нефти (рис. 26).

Большая часть (90%) всей российской нефти добывается в трех нефтегазоносных провинциях:

— Западно-Сибирской (70%) — Самотюрское, Усть-Балыкское, Нижневартовское, Сургутское, Шаимское, Мегионское и другие месторождения;

Волго-Уральской — Ромашкинское, Альметьевское, Бугурусланское (Татарстан), Шкаповское, Туймазинское, Ишимбаевское, Арсланское (Башкирия), Мухановское (Самарская обл.), Яринское (Пермская обл.) месторождения;

— Тимано-Печорская — Ухтинское, Усинское, Текубское, Яргенское, Пашинское, Возейское месторождения.

Старейшим нефтедобывающим районом России является Северный Кавказ (место­рождения Чечни, Дагестана, Ставрополь­ского и Краснодарского края). Здесь са­мое высокое качество нефти, но и самая высокая степень выработанности место­рождений (до 80%). Для сравнения: сте­пень выработанности Волго-Уральской нефтегазоносной провинции составляет 50%, а Западно-Сибирской — 33%.

Сейчас интенсивно ведутся работы по подготовке к эксплуатации месторожде­ний на шельфе (на островах Колгуев и Са­халин) и поиску новых. Геологоразведоч­ные работы на 78% связаны с поиском новых месторождений нефти и газа. Не­сколько новых перспективных месторож­дений открыто в Лено-Вилюйской впади­не, на Камчатке, Чукотке, в Хабаровском крае и Охотском море.

5. Каковы особенности размещения предприятий нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности? Сопоставьте рисунок с картой плотности населения. Сделайте выводы (рис. 26).

Нефтедобывающая промышленность связана с размещением нефтегазоносных площадей, т. е. с источниками сырья.

Нефтеперерабатывающая же промыш­ленность, благодаря удобной транспорти­ровке по нефтепроводам, больше тяготеет к потребителю и поэтому ее география совпадает с густонаселенными регионами.

Россия — один из крупнейших экспор­теров угля на мировой рынок. Традицион­ные покупатели — страны Европы (Великобритания, Финляндия, Словакия, Ру­мыния и др.) и Азии (Япония, Турция). И л стран СНГ — Украина.

Самый крупный угольный бассейн России по размерам добычи — Кузбасс. На него приходится более 40% всей добычи. Здесь добывают самые разные виды угля, в том числе коксующиеся и антрациты.

Уголь Кузбасса поставляется в различ­ные районы страны. Несмотря на удаленность от мировых рынков этот бассейн является наиболее крупным экспортером российского угля.

Канско-Ачинский бассейн дает самый дешевый, но низкокалорийный уголь, что в сочетании с удаленностью от мировых рынков делает неэффективной его транс­портировку, кроме того, он может само­возгораться. Поэтому уголь КАТЭКа ис­пользуют в основном на месте для произ­водства электроэнергии на мощных ГРЭС.

Печорский уголь из-за высокой цены неконкурентоспособен на мировом рынке, его используют на Череповецком метал­лургическом комбинате.

Южно-Якутский бассейн, где антраци­товые высококалорийные угли разраба­тываются открытым способом (крупней­ший разрез — Нерюнгринский) экспорти­рует уголь в Японию.

7. Как вы думаете, какие проблемы существуют в нашей стране в связи с концентрацией топливных ресурсов на востоке, а потребителей — на западе России?

Удаленность потребителей от мест до­бычи топливных ресурсов требует значи­тельных затрат на доставку последних — развитие железнодорожных магистра­лей, строительство специализированных трубопроводов. Перевозка топлива на большие расстояния существенно увели­чивает его стоимость для потребителя.

Другая проблема — организация добы­чи этих ресурсов в районах с тяжелыми климатическими условиями и неразвитой инфраструктурой. Это требует принятия специальных мер для привлечения насе­ления: различные льготы, более высокая зарплата и пр.

8. Почему одни виды топлива со временем усту­пают свои передовые позиции другим видам? Для построения более полного ответа используйте рису­нок 3 (циклы Кондратьева).

В таблице циклов Кондратьева нет спе­циальной графы — виды топлива. Тем не менее, по ключевому фактору и ядру тех­нологического цикла вы можете воссоз­дать картину смены видов топлива.

В первом цикле — использование топ­лива в качестве источника энергии мини­мально. Во втором — основным видом топлива является уголь. В третьем — мо­жет использоваться любой вид топлива, в четвертом — нефть. В пятом цикле с развитием высоких технологий и огромными потребностями в энергии все большее значение приобретает атомная энергети­ки.

9. Сравните, используя карты учебника, геогра­фию трех отраслей топливной промышленности: нефтяной, газовой, угольной. Какая из этих отрас­лей наиболее сконцентрирована, а какая наиболее рассредоточена? Выделите типы экономических районов с различными сочетаниями топливных ре­сурсов: а) присутствуют все три вида; б) один вид;в) ни одного.

География топливных (как, впрочем, и любых других видов) ресурсов обусловле­на особенностями тектонического стро­ения территории.

Угольная промышленность более рас­средоточена, чем нефтяная или газовая. Основная часть угольных месторождений находится на значительном удалении от мировых рынков, и лишь высокое качест­во угля и низкая себестоимость добычи (в некоторых угольных бассейнах) позволя­ют российскому сырью выдерживать кон­куренцию. Угольные месторождения из­давна становились основой формирования крупных промышленных районов с раз­витой энергетикой, металлургией и хими­ческой промышленностью.

По сравнению с угольной промышлен­ностью, нефтяная наиболее сконцентри­рована. Месторождения нефти более при­ближены к потребителю. Около 65% неф­ти добывается в Западной Сибири, при­мерно 25% добычи приходится на Волго-Уральской регион. Перевозка нефти зна­чительно дешевле, чем угля, поэтому ее переработка производится в районах по­требления.

География газовой промышленности в основном совпадает с размещением нефтя­ной. 90% российского газа добывается в Ямало-Ненецком АО (Западная Сибирь).

Для выделения типов экономических районов продолжите заполнять таблицу

Таблица 13
Экономи­ческийрайон

Месторождения

 Типрайо­на
нефти
Централь­ный в)
Центрально­чернозем­

Сейчас практически в каждой промышленно развитой стране проводятся значительные исследовательские работы среди производителей и научных организаций в области создания наиболее оптимальных с точки зрения экологичности, высокой эффективности, низких издержек производства и значительных запасов, новых видов моторных топлив. Целью этих работ является разработка национальных топливных концепций и создание соответствующих двигателей, отвечающих самым жестким мировым стандартам.

В отличие от развитых зарубежных стран, в России до сих пор не существует концепции производства и использования альтернативных моторных топлив, что в значительной степени усложняет решение задач развития отечественного моторостроения и экологизации автотранспорта.

Очевидно, что первым шагом в решении этой проблемы является учет всех видов возможных альтернативных моторных топлив и анализ перспективности их использования в условиях России.

Сжиженные углеводородные газы (СУГ)

В широком обиходе под СУГ понимают бутан-пропановую смесь. СУГ является наиболее высококачественным продуктом переработки нефти и нефтяного попутного газа (ПНГ).

Как моторное топливо СУГ обладают важным преимуществом перед другими видами газовых моторных топлив (например, природного газа, биогаза и т.д.): бутан-пропановая смесь при нормальной температуре и давлении в 1,6 МПа переходят в жидкое состояние. Следует отметить и более низкую себестоимость производства этого топлива по сравнению с традиционными моторными топливами- бензинами.

При рассмотрении перспектив применения СУГ в качестве моторного топлива в России следует иметь ввиду, что эти газы являются химическим сырьем для производства целого ряда важных продуктов и незаменимым технологическим материалом в ряде производств. Необходимо также учитывать, что СУГ широко используется для бытовых нужд в местах, удаленных от газопроводов природного и попутного газа (отопление, приготовление пищи).

Таким образом, ресурсы СУГ, которые могут быть выделены для использования в качестве моторного топлива, ограничены. Затраты на добычу попутного нефтяного газа в 6-8 раз выше, чем на природный газ. Сегодня себестоимость добычи ПНГ составляет от 200 до 300 руб. за 1000 м 3 ПНГ, транспортирование добавляет еще до 400 руб. за 1000 м 3 ПНГ.

По мнению специалистов, чтобы сделать добычу ПНГ рентабельной в настоящее время, цена на СУГ должна приблизиться к 40 долл. США за 1000 м 3 . Ввиду этого, уже в ближайшее 10-15 лет использование СУГ как альтернативного моторного топлива станет неперспективным.

Синтетический бензин

Сырьем для производства синтетического (не нефтяного) бензина может быть уголь, природный газ и другие вещества.

Наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. При этом природный газ окисляется в присутствии катализатора в синтез-газ, содержащий СО и Н 2 . Моторные топлива из синтез-газа производятся или с использованием процесса Фишера-Тропша, или с помощью так называемого Мобил-процесса через промежуточное получение метанола.

Из 1 м 3 синтез-газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом, в отличие от России, производство синтетических моторных топлив из природного газа освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии на установке фирмы «Мобил» из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. т моторных топлив.

Однако в настоящее время синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза дороже нефтяных (в зависимости от технологии получения). Учитывая тяжелое финансовое положение России и высокую стоимость создания производства синтетического бензина, в ближайшие 20-30 лет данный вид моторного топлива, не будет широко использоваться в РФ.

Метанол, как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Данные обстоятельства обеспечивают широкое применение метанола на гоночных автомобилях. Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки- метилтретбутилового эфира (МТБЭ).

В 1998 г. в США произведено около 12,5 млрд. л МТБЭ, при этом бензин с МТБЭ составляет примерно 30% от всего объема продаж бензина в США. В результате, в настоящее время МТБЭ замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые.

В России метанол производят для газовой промышленности: его закачивают в магистральные трубопроводы для снижения температуры конденсации примесей природного газа.

В качестве моторного топлива метанол ввиду его высокой стоимости (500 долл. США за 1 т) в России не используется.

Электромобили

Интерес к электромобилю, работающему на электричестве от аккумуляторных батарей, в начале XXI в. обеспечен, прежде всего, развитием технологий хранения энергии, которые позволили увеличить срок работы батарей между подзарядками и сократить время самой подзарядки, увеличить срок жизни аккумуляторов и снизить их стоимость.

Пока источником энергии в электромобиле служат в основном свинцово-кислотные батареи. Это — наименее дорогой из всех типов батарей. Стандартный комплект свинцово-кислотных аккумуляторов для электромобиля средней массы стоит порядка 3000 долл. США. Однако на подобных батареях без подзарядки нельзя проехать более 150 км, и менять их приходиться минимум раз в три года.

Существуют и более продвинутые технологии хранения энергии, позволяющие увеличить срок работы батарей, но они пока слишком дороги. В целом, как и прежде, цена электромобилей значительно превышает цену бензинового аналога. В России работы по созданию современных электромобилей практически не ведутся.

Автомобили на топливных элементах

Топливные элементы- это устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства, за счет процесса обратного электролизу, то есть в процессе реакции водорода и кислорода образуются вода и электрический ток.

В качестве водородосодержащего топлива, как правило, используется либо сжатый водород, либо метанол. В этом направлении работает достаточно много зарубежных автомобильных фирм, и если им в итоге удастся приблизить стоимость автомобилей на топливных элементах к бензиновым, то это станет реальной альтернативой традиционным нефтяным топливам в странах, импортирующих нефть.

В настоящее время стоимость зарубежного экспериментального легкового автомобиля с топливными элементами составляет порядка 100 тыс. долл. США. Ввиду этого, в России, обладающей значительными запасами первичных энергоносителей и низким уровнем благосостояния основной части населения, в ближайшие 30 лет это направление в автомобилестроении является не актуальным.

Этанол (спирт питьевой) обладает высоким октановым числом и энергетической ценностью, является отличным моторным топливом.

Серьезность отношения в мире к спиртовым топливам определяется уровнем их применения в транспортных средствах. Так, Бразилия ежедневно с 70-х по 90-е гг. прошлого столетия замещала этанолом до 250 тыс. баррелей импортируемой нефти. В этой стране, начиная с 1976 г., 140 млн. м 3 бензинового эквивалента было замещено этанолом, что оценивается в 50 млрд. долл. США. В 90-х гг. в Бразилии чистый этанол в качестве моторного топлива использовали в более 7 млн. автомобилей и еще в 9 млн. ед.- его смесь с бензином (газохол). Однако в последние годы наметился спад в использовании этанола как моторного топлива.

США является вторым мировым лидером по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. В 1994 г. производство этанола оценивалось в 5,3 млрд. л и дополнительно строились новые предприятия для производства еще 900 млн. л в год. Этанол используется как «чистое» топливо в 21-м штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и используется более чем в 100 млн. двигателей.

Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. По некоторым оценкам, этанол становится глобально конкурентоспособным при цене нефти в 60 долл. США за баррель.

Всплеск интереса к использованию этанола в качестве моторного топлива за рубежом обусловлен налоговыми льготами. Так, в США эти льготы компенсируют продавцам убыток в случае, если они продают этанол по цене бензина. Срок действия льгот- до 2007 г. Цель проведения такой политики в США и Западной Европе- снизить зависимость от импорта нефти.

Для России, которая ежегодно вынуждена импортировать зерновые культуры, идея использования автомобиля на этаноле не актуальна и маловероятна.

Биодизельное топливо

В последние годы в США, Канаде и странах ЕС возрос коммерческий интерес к биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства из рапса.

В Австрии биодизельное топливо уже сейчас составляет 3% общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/г.; во Франции эти мощности составляют 20 тыс. т/г.; в Италии — 60 тыс. т/г. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях.

В России, как и в случае с этанолом, практически отсутствует сырьевая база для производства биодизельного топлива, что позволяет скептически оценивать возможность его широкого использования в автомобильном транспорте РФ.

Шахтный метан

В последнее время к числу альтернативных видов автомобильных топлив стали относить и шахтный метан, добываемый из угольных пород. К такому подходу есть серьезные основания. В настоящее время в мире уже достаточно много автомобилей используют шахтный метан как моторное топливо.

К 1990 г. в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов в угольных регионах страны.

Сущность такого промысла заключается в извлечении газа из скважин, пробуренных с поверхности, с применением методов стимулирования газоотдачи, при этом шахтный газ имеет в своем составе 95-98% метана, 3-5% азота и 1-3% диоксида углерода.

Например, в США за 10 лет (с 1988 по 2000 гг.) добыча угольного метана из специальных скважин возросла от 1 млрд.м 3 до 40 мрлд.м 3 и в будущем еще удвоится. Прогнозируется, что газовая добыча метана в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96-135 млрд.м 3 .

Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют по различным источникам 48-65 трлн. м 3 с учетом восточных и северо-восточных бассейнов. На территории России наиболее газоносными являются пласты угля Воркутинского месторождения и Кузнецкого бассейна.

Сегодня газообильность выработок составляет около 40 м 3 метана на тонну добываемого угля. Прогнозируемые ресурсы метана в угольных пластах только в Кузбассе до глубины 1,8 км составляют 14% мировых ресурсов метана в угольных пластах и около 6% прогнозных ресурсов традиционного природного газа в России.

В связи с этим шахтный метан уже в настоящее время может рассматриваться как наиболее перспективный источник альтернативного моторного топлива для угольных регионов России.

Биогаз представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения.

Биогаз относится к топливам, получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для производства моторных топлив из местного сырья достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов.

Особенно это актуально для России, 2/3 территории которой расположено в зоне умеренно холодного климата, а финансово-экономическое состояние оставляет желать лучшего. Пищевые культуры, как потенциальное сырье для производства моторного топлива, для России исключаются из баланса, поскольку являются не менее дефицитными сегодня для производства продуктов питания. Технические сельскохозяйственные культуры, в отличие от экваториальных стран, в России- сезонное сырье и их выращивание требует больших земельных площадей. Например, для производства в США 3,8 млрд. л в год этанола нужно собрать урожай технических культур с 2 млн. га.

Поэтому в России практически отсутствует сырьевая база для получения этанола и биодизельного топлива (необходимо отметить, что наиболее эффективными продуцентами для таких топлив являются представители тропической и субтропической флоры). Из всех видов моторных топлив, получаемых из местного сырья, только биогаз, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств, представляет серьезный практический интерес для России.

Природный газ

Уникальные физико-химические свойства природного газа (ПГ), значительные естественные запасы, развитая сеть его доставки от месторождений во многие регионы страны по магистральным газопроводам и экологические преимущества в сравнении с традиционными видами топлив позволяют рассматривать ПГ как наиболее перспективное и универсальное моторное топливо России в XXI в.

Природный газ является наиболее дешевым видом моторного топлива, поскольку согласно постановлению Правительства России от 15 января 1993 г. № 31 даже в условиях свободного рынка, стоимость 1 м 3 природного газа для транспортных средств не будет превышать 50% стоимости 1 л бензина А-76, эквивалентного ему по энергосодержанию.

Использование природного газа как моторного топлива- интенсивно развивающееся направление, которое уже в ближайшее время превратится в самостоятельную высокорентабельную подотрасль газовой промышленности.

Имеются все предпосылки к тому, чтобы через 7-10 лет годовые объемы использования ПГ на автотранспорте достигли 5-6 млрд. м 3 , а в более отдаленной перспективе- 20-25 млрд.м 3 .

Очевидно, что в России по экономическим и потребительским показателям только углеводородные газовые топлива представляют реальную альтернативу традиционным видам нефтяного топлива.

Основными преимуществами газовых топлив являются:

  • экономичность эксплуатации автотракторной техники, благодаря более низкой их стоимости по сравнению с нефтяными топливами,
  • увеличению срока службы двигателей и сроков замены свечей зажигания, масла,
  • более высокое октановое число топлива,
  • безнагарное сгорание.

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

НОВЫЕ ВИДЫ ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

Нефть «синтетическую» и газ, полученные из угля дополни­тельные углеводородные ресурсы, представленные органической составляющей горючих сланцев, битуминозных пород, топлив­ные спирты, а также водород относят к новым видам жидкого и газообразного топлива.

Уголь, горючие сланцы и битуминозные породы являются глав­ными перспективными источниками получения жидкого и газо­образного топлива. Потенциальные запасы содержащегося в них углеводородного сырья намного превосходят известные запасы нефти и природного газа.

Широко доступная и разнообразная сырьевая база и полно­стью отработанная и освоенная технология их производства яв­ляются одним из основных преимуществ энергетического исполь­зования спиртов в качестве топлива или добавки к нему. По мне­нию многих специалистов водород способен заменить ископае­мое органическое топливо в таких сферах его потребления, как авиация, автотранспорт, коммунально-бытовой сектор и т. д. При этом ресурсы водорода (если в качестве его источника рассмат­ривать воду) практически не ограничены.

Самым важным свойством водорода является универсаль­ность его использования. Он может применяться в качестве ос­новного топлива или как добавка к нефтяному при относительно небольших конструктивных переделках двигателя; энергия водо­рода может также преобразовываться в топливных элементах в электроэнергию; водород способен заменить природный газ и нефть почти во всех крупных химических производствах и т. д.


СИНТЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО ИЗ УГЛЕЙ

Большое значение имеет создание промышленной техноло­гии получения синтетических жидких топлив на базе огромных запасов бурых и каменных углей, в состав которых входят орга­нические и минеральные компоненты. Перечень и вещественное содержание этих компонентов предопределяет выбор направле­ний использования и методов комплексной переработки углей. Существенное влияние на дальнейшее расширение глубокой пе­реработки углей оказывает технический прогресс, представля­ющий собой непрерывное развитие и совершенствование орудий труда и технологических процессов в этой области.



К настоящему времени разработаны и проходят проверку но­вые технологические схемы и процессы, внедрение которых значительно расширит масштабы комплексной переработки уг­лей. К таким процессам в первую очередь относятся высокоско­ростной пиролиз, гидрогенизация и термическое растворение.

Высокоскоростной пиролиз (полукоксование) - процесс по­следовательного нагрева предварительно измельченного до пыле­видного состояния угля сначала газовым до температуры 300 °С (сушка), а затем твердым теплоносителем до температуры 650 °С (разложение с выделением основной массы паров смол и тяже­лых углеводородов). При взаимодействии с твердым теплоноси­телем происходит теплообмен с высокими скоростями. Это по­зволяет резко интенсифицировать процесс по сравнению с тради­ционными схемами полукоксования и обеспечить более чем в 2 раза выход продуктов пиролиза.

В результате такого интенсивного разложения получаются по­лукокс (68%), энергетический газ (15%) и смола (17%), которые характеризуются следующими качественными показателями:

Полукокс

Зольность,%................................. 12...20

Теплота сгорания, кДж................. 27,21 ...28,05

Насыпной вес, кг/м 3 ....................... 760

Смола, %

Карбены-карбоиды...................... .......... 5

Асфальтены.................................. .......... 5

Фенолы......................................... ......... 26

Нейтральные масла................ 47

Осмоляющиеся............................. 14

Пиридиновые основания.............. 2

Карбоновые кислоты................... 1


Энергетический газ,%

Углекислоты................................ ......... 23

Оксиды углерода......................... ..... 16,8

водорода........................ ..... 24,2

Удельные углеводороды.............. ..... 25,0

Непредельные углеводороды.. 4,7

Кислород..................................... ........ 0,5

Азот.............................................. ........ 6,2

Сероводород............................... ........ 0,3

Теплота сгорания, кДж/кг..... 20,09

Удельный нес, кг/м 3 ....................... 1,04

Исследованиями установлена возможность выделения из смо­лы до 47% дистиллятной части, из которой около 50% отгоняется в виде бензиновой фракции. Жидкие топлива из тяжелой части смолы могут быть получены при ее замедленном коксовании.

Гидрогенизация - процесс получения жидких и газообраз­ных продуктов из углей под давлением 10 МПа, при температуре 420...430 °С и объемной скорости 0,8... 1 ч " в присутствии пасто-образователя - донора водорода, катализаторов (солей железа и молибдена) и надбавок ингибиторов радикальной полимеризации.

К настоящему времени разработан ряд новых решений. В частности, это относится к предварительной сушке угля газо­вым теплоносителем в вихревых камерах, механохимической подготовке углемасляных суспензий, очистке газов низкотемпе­ратурной короткоциклонной адсорбцией, сжиганию шламов и сточных вод и регенерации катализаторов. Количество органи­ческой массы угля (ОМУ), превращаемое в жидкие и газообраз­ные продукты, составляет 90...92%. Жидкие продукты с темпе­ратурой кипения до 300 °С подвергаются переработке с примене­нием процессов гидроочистки, каталитического риформинга и гидрокрекинга с получением высокооктанового бензина и дизель­ного топлива, выход которых составляет 45...50% по отношению к исходному углю (ОМУ).

Термическое растворение - технология получения из углей тяжелых жидких экстрактов и выработки синтетической нефти и моторных топлив путем деструктивной гидрогенизации про­дуктов термического растворения. Работы ведутся в Институте горючих ископаемых, носят поисковый характер и проводятся на лабораторной аппаратуре. Процесс ведется при давлении 5 МПа, температуре 415 °С, объемной скорости 1...1,3 ч л по пасте с ис­пользованием дистиллятного растворителя с температурой кипе­ния 200...350 °С (содержащего до 33% донора водорода), в коли­честве 1,8 по отношению к углю. Последующая переработка жид-


ких продуктов включает фильтрование, коксование беззольного экстракта, гидрогенизационную переработку сырого бензина и части регенерированного растворителя. Выход продуктов состав­ляет: бензин автомобильный - 7,45%, электродный кокс - 12,45%, битум - 25,92%, газы - 12,17%, остаточный уголь - 25,92%, потери - 8,63%. Полученные предварительные резуль­таты свидетельствуют о значительно меньшем выходе моторных топлив, чем в процессе прямой гидрогенизации.

ГОРЮЧИЕ СЛАНЦЫ

Кроме России, добычу горючих сланцев и производство син­тетического топлива в промышленных масштабах осуществляют в КНР, где производство составляет 0,3 млн т в год, и в Бразилии, где производство сланцевой смолы доведено до 50 тыс т/год. На пороге промышленного освоения месторождений горючих сланцев находятся США, Марокко, Австралия. Разработаны раз­личные варианты добычи и переработки сланцев. Все они пре­дусматривают термическое разложение с получением синтетичес­ких топлив и побочных продуктов - серы, аммиака, кокса и т. д.

Перспективными способами переработки сланцев являются газификация на парокислородном дутье под давлением (Саратов­ский политехнический институт) и термическое растворение (ИГИ). Исходя из предварительных разработок при газификации, возможно получение газа с калорийностью 3000 ккал/кг в объеме 9 млн т у. т. (если газифицировать все сланцы), что позволит в перспективе в Поволжье сэкономить до 10% котельно-печного

При термическом растворении 40 млн т горючих сланцев возможно производство около 20 млн т у. т. высококипящего без­зольного экстракта и 2 млн т у. т. газа. По расчетам, целесообраз­но беззольный экстракт прямо использовать в качестве дорож­ных битумов, а высвобожденные битумы использовать в даль­нейшей переработке с производством энергетической продукции.

Большое значение для повышения экономичности исполь­зования волжских сланцев имеет выделение и утилизация попут­но залегающих полезных ископаемых, микрокомпонентов, редко­земельных металлов и серы.

Исходя из запасов, уровней подготовленности к промышлен­ному освоению и имеющегося опыта разработки сланцевых ме­сторождений возможна, начиная с 2008 г., разработка месторож­дений горючих сланцев Поволжья с доведением в перспективе до 30.. .40 млн т в год.


Глава 9

БИТУМИНОЗНЫЕ ПОРОДЫ

Значительным резервом развития в стране индустрии допол­нительного углеводородного сырья являются битуминозные по­роды. Это комплексное органоминеральное сырье, которое при термическом воздействии способно выделять органическую со­ставляющую, являющуюся заменителем нефти, а минеральные остатки, остающиеся после отделения «синтетической» нефти, являются прекрасным сырьем для строительной и дорожной ин­дустрии.

Месторождения и скопления битуминозных пород довольно многочисленны, и географическое размещение их крайне нерав­номерно. В связи с плохой изученностью прогнозные запасы «синтетического» топлива, содержащегося в битуминозных по­родах, варьируют от 20 до 30 млрд т.

Значительные разведанные запасы размещаются на террито­рии Татарстана, Ульяновской и Самарской областей, где они за­легают на глубинах до 400 м. Имеются месторождения природ­ных битумов на Северном Кавказе, Восточной Сибири, в Коми и других районах нашей страны.

За исключением Татарстана и Якутии специальных геолого­разведочных работ на битумы в стране не проводили.

Наиболее изученными считаются скопления битуминозных пород в пермских отложениях Татарстана. В соответствии с ре­шением ГКЗ в качестве основы для планирования геологоразве­дочных работ приняты запасы в размере 1,0 млрд т с битумона-сыщенностью свыше 5%. По степени разведанности эти запасы относятся к категории прогнозных.

СПИРТОВЫЕ ТОПЛИВА

Как компоненты моторных топлив спирты - метанол, эта­нол ранее в периоды острой нехватки топлива уже использова­лись. В настоящее время за рубежом наибольший практический опыт накоплен по использованию этилового спирта.

В начале 70-х годов XX в. в связи с возрастающими требова­ниями к качеству используемых топлив, необходимостью расши­рения сырьевой базы производства моторных топлив возрос ин­терес и к использованию метанола как топлива или добавки к нему. Известны такие топлива, как «газохол», «дизохол».

Значительный интерес к спиртовым топливам, особенно ме-танольному, обусловлен рядом причин, из которых главными являются: в экологическом отношении такие топлива более прием-


ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

немы, чем синтетический бензин и другие не нефтяные топлива, хранение и распределение аналогично бензину, их применение дает возможность достичь повышения топливной экономичности двигателя. Все это достигается при одновременном расширении ресурсов моторных топлив нефтяного происхождения.

Технически доказана возможность использования метанола: в качестве 5 и 15% добавки к бензину; для производства высоко­октановой добавки к топливу - МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир); для производства бензина из метанола; в чистом виде.

Бензометанольная смесь, содержащая 5% метанола, ввиду расслаивания при температуре -3 °С может быть использована как летний вид топлива. Если использовать 1,5 млн т метанола в качестве такой добавки, расширение ресурсов моторных топ­лив может составить 0,8 млн т. В целом бензометанольные смеси стабильны в эксплуатации, выхлопы компонентов в отработан­ных газах значительно снижены: углеводородов на 10...20%, ок­сидов азота - на 30...35%.

В настоящее время в лабораториях проводят работы по ис­пользованию метанола в чистом виде. Однако такое использова­ние требует значительных изменений конструкций серийных дви­гателей, которые не могут быть осуществлены на современном уровне развития техники. Отрабатывают раздельную подачу ме­танола от бензина. Такие двойные топливные системы имеют ряд преимуществ. По данным ГосНИИметанолпроекта, при внедре­нии двойных топливных систем потребуется расход метанола в объеме до 10% объема бензина и он может использоваться во всех климатических зонах. Такая подача топлива позволяет так­же использовать низкооктановый бензин.

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

В настоящее время основным сырьем в России для производ­ства водорода является природный газ, из которого производят более 90% водорода.

Уже разработаны и внедряются перспективные методы извле­чения водорода из водородо содержащих газов различных произ­водств: низкотемпературная конденсация, адсорбция, абсорбция, мембранная технология. Производство водорода этими методами значительно экономичнее, чем на специальных установках паро­вой конверсии углеводородных газов, считающейся наиболее де­шевым методом производства водорода. Перспективным источ­ником является уголь. Однако в программе развития водородной


ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

энергетики в стране на перспективу предусмотрено, что основ­ным сырьевым источником получения водорода станет вода, для разложения которой должно быть использовано тепло высокотем­пературного ядерного реактора (ВТЯР).

Водород обладает очень высокой теплотой сгорания: при сжигании 1 г водорода получают 28,6 кал тепловой энергии (при сжигании 1 г бензина - 11,2 кал), его можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ.

Главным преимуществом водородной энергетики является возможность экономии традиционного энергетического сырья за счет широкого использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (как в чистом виде, так и в виде добавки) и газотурбинных двигателей (авиатранспорт, электро­энергетика).

Испытания показали, что более эффективно использовать водород в виде 5... 10% добавки к бензину, поскольку использо­вание чистого водорода ведет к нарушению рабочего процесса двигателя и выделению больших количеств NO x , а также к ус­ложнению хранения больших количеств водорода на борту авто­мобиля. Такая смесь позволяет повысить топливную экономич­ность двигателя на 20...25%, снизить эксплуатационный расход бензина на 35...40% и токсичность отработавших газов по СО в 15-20 раз, по углеводородам в.1,5-2,0 раза и окислам азота в 10-15 раз.

В связи с отсутствием товарных ресурсов водорода на началь­ном этапе перевод автомобильного транспорта на бензоводород-ные композиции целесообразно проводить по определенным ре­гионам, в которых имеются либо достаточные ресурсы вторично­го водорода, являющегося побочным продуктом химических и нефтехимических производств, либо имеются достаточные ресур­сы технологических газов, из которых может быть получен деше­вый водород.

С целью получения пиковой электроэнергии использование водорода в энергетике необходимо рассматривать одновременно с использованием электроэнергии АЭС для производства водоро­да электролизом воды с дальнейшим сжиганием его для выработ­ки электроэнергии в часы максимальных нагрузок, либо в паро­вой турбине, в парогенераторе и МГД-генераторе, либо в МГД-генераторе и парогенераторе. Расчетные значения затрат на маги­стральный транспорт водорода на большие расстояния при той же передаваемой мощности оказываются в 3-5 раз ниже затрат на транспорт электроэнергии.


9.7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВИЭ

Если в 1980 г. доля производимой электроэнергии на ВИЭ в мире составляла 1%, то по оценке Американского общества инженеров-электриков к 2005 г. она достигнет 5, к 2020 - 13 и к 2060 г. - 33%. По данным Министерства энергетики США, в этой стране к 2020 г. объем производства электроэнергии на базе ВИЭ может возрасти с 11 до 22%. В странах Европейского Союза планируется увеличение доли использования ВИЭ для производства тепловой и электрической энергии с 6 (1996) до 12% (2010). Исходная ситуация в странах ЕС различна. И если в Дании доля использования ВИЭ с 3% в 2000 г. достигла 10%, то Нидерланды планируют увеличить долю ВИЭ с 3% в 2000 г. до 10% в 2020 г. Основной результат в общей картине определяет Германия, в которой планируется увеличить долю ВИЭ с 5,9% в 2000 г. до 12% в 2010 г. в основном за счет энергии ветра, солнца и биомассы. Главными причинами, обусловившими раз­витие ВИЭ, являются:

· обеспечение энергетической безопасности;

· сохранение окружающей среды и обеспечение экологической безопасности;

· завоевание мировых рынков ВИЭ, особенно в развивающихся странах;

· сохранение запасов собственных энергоресурсов для будущих поколений;

· увеличение потребления сырья для неэнергетического ис­пользования топлива.

Масштабы роста использования ВИЭ в мире на ближайшие 10 лет представлены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

ПРОГНОЗ РОСТА УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ ВИЭ В МИРЕ, ГВт


Примечания: 1. В строке «фотоэлектричество» в скобках указано го­довое производство фотоэлементов. 2. I, II сценарии развития геотер­мальной энергетики, соответственно при ежегодном росте 10% и 15%.

Контрольные вопросы

1. Какие новые виды жидкого и газообразного топлива могут быть
использованы в перспективе?

2. Как можно получить «синтетическое» топливо?

3. Где в России размещены основные залежи сланцев и какова перспек­тива их вовлечения в ТЭБ страны?

4. Для каких целей можно использовать спиртовые топлива?

5. Каковы перспективы развития водородной энергетики?

6. Каковы перспективы развития ВИЭ?

7. Что образуется из пылеугольного топлива при высокоскоростном пиролизе?

8. Как происходит гидрогенизация углей?

9. В чем преимущества спиртовых топлив по сравнению с синте­тическими бензинами и другими не нефтяными топливами?

10. На сколько процентов можно на автомобильном транспорте при эксплуатации снизить расход бензина при использовании 5... 10% до­бавки водорода?


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

L. Бурман А. П. и др. Основы современной энергетики. - М. МЭИ. 2002.

2. Безруких П. П., Арбузов Ю. Д., Борисов Г. А. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии. С.-Пб. Наука. 2002.

3. Бушу ев В. В. Об энергетической стратегии России // Вестник электроэнергетики, 1998, № 3.

4. Гриценко А. И. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии.- М.: ВНИИГАЗ. 1996.

5. Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигении топлива в котлах.- М.: М.О Гидроме-теосздат. 1985.

6. Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю. Технология энергосбережения. Учебник. М.: Форум-Инфра-М. 2006.

7. Ятров С. Н., Жилина Л. В., Сибикин Ю. Д. и др. Энергосбере­гающие технологии в СССР и за рубежом в 2 т. М.: Фирма «Энергосбережение». 1993.

8. Будрейко Е. Н., Зайцев В. А. Введение в промышленную эколо­гию. М.: Профобр. 1991.