Па́ливо — горючі природні або штучні тверді, рідкі або газоподібні речовини, які при спалюванні слугують джерелом теплової енергії. Основною складовою частиною яких є вуглець.
Історія Першим відомим використанням палива було спалювання дров Homo erectus майже два мільйони років тому [потрібне цитування] Протягом більшої частини людської історії люди використовували лише види палива, отримані з рослин або тваринного жиру. Деревне вугілля, похідне деревини, використовувалося принаймні з 6000 року до нашої ери для плавлення металів. Він був витіснений коксом, отриманим з вугілля, коли європейські ліси почали виснажуватися приблизно у 18 столітті. Вугільні брикети зараз широко використовуються як паливо для приготування барбекю.
Сиру нафту переганяли перські хіміки, чітко описані в арабських довідниках, такі як Мухаммед ібн Закарія Разі. Він описав процес перегонки сирої нафти в гас, а також інші вуглеводневі сполуки, у своїй «Китаб аль-Асрар» (Книга таємниць). У той же період гас також вироблявся з горючих сланців і бітуму шляхом нагрівання гірської породи для вилучення нафти, яку потім переганяли. Разі також дав перший опис гасової лампи, яка використовує сиру мінеральну олію, називаючи її «naffatah».
Вулиці Багдада були вимощені смолою, отриманою з нафти, яка стала доступною з природних родовищ у регіоні. У 9 столітті в районі сучасного Баку, Азербайджан, почали розробляти нафтові родовища. Ці родовища були описані арабським географом Аль Масуді в 10 столітті та Марко Поло в 13 столітті, який описав видобуток нафти з цих свердловин.
З розвитком парової машини у Сполученому Королівстві в 1769 році вугілля стало більш поширеним, спалювання якого виділяє хімічну енергію, яка може бути використана для перетворення води на пару. Пізніше вугілля використовувалося для приводу кораблів і локомотивів. До 19 століття газ, видобутий з вугілля, використовувався для вуличного освітлення Лондона. У 20-му і 21-му століттях вугілля в основному використовувалося для виробництва електроенергії, забезпечуючи 40 % світового постачання електроенергії в 2005 році.
Викопне паливо було швидко прийнято під час промислової революції, оскільки воно було більш концентрованим і гнучким, ніж традиційні джерела енергії, такі як енергія води. Вони стали ключовою частиною нашого сучасного суспільства, оскільки більшість країн світу спалюють викопне паливо для виробництва електроенергії, але втрачають прихильність через глобальне потепління та пов'язані з ним наслідки, спричинені їх спалюванням.;
На даний момент спостерігається тенденція до відновлюваних джерел палива, таких як біопаливо, як спирт.
Загальний опис
Паливо застосовуються з метою отримання теплової енергії, що виділяється при його спалюванні.
Залежно від походження розрізняють:
природне паливо: нафта, вугілля, природний газ, горючі сланці, торф, деревина; штучне паливо: кокс, біопаливо, моторні палива, генераторні гази й інше.
Найпоширенішим є органічне паливо: вугілля викопне, нафта, торф, природний газ, бензин, генераторний газ, кокс, хімічне ракетне пальне тощо. До неорганічного палива належить, наприклад, металовмісне паливо, у складі якого є чисті метали або їхні хімічні сполуки.
Розвідані запаси викопного палива, млрд т у.п.:
Вугілля: 799,8 (Увесь світ); 72,6 (Європа); 34,00 (Україна)
Нафта: 199,4 (Увесь світ); 3,8 (Європа); 0,23 (Україна)
Природний газ: 172,8 (Увесь світ); 6,5 (Європа); 1,10 (Україна)
Усього:
у світі — 1172,0 у Європі — 82,9 в Україні — 35,33
За агрегатним станом і, відповідно, способом спалювання паливо класифікують на тверде грудкове, пилоподібне, газоподібне (природний газ), рідке (паливна нафта, мазут, нафтопаливо), комбіноване (водовугільне, нафтовугільне) та інші. Головна характеристика палива — ціна за МДж його теплоти згоряння, його агрегатний стан (перевага надається рідкому стану), екологічні властивості продуктів спалювання.
Таблиця – Найважливіші теплотехнічні характеристики палив
ПаливоHdaf, %Wp, % по масіAp, % по масі, МДж/м3 (газ), МДж/кг, МДж/м3 (газ), МДж/кгЖаропродуктивність tmax, °СМаксимальна ентальпія Iг, кДж/м3ВВоденьПриродний газЗріджений газБензинГасМазутДроваТорф грудковийБуре вугілля: — челябінське — підмосковне — олександрійськеКам'яне вугілля:ДовгополуменевеПіснеАнтрацитВуглець10025181514113,665,25,06,05,54,21,80-----340401733531355-------0,67,025,023,014,020,015,013,0-12,830,8100,644,043,240,610,210,715,810,56,921,528,327,733,911,728,692,244,043,240,610,210,715,810,56,920,327,427,233,9-201020802090210016101630197017201680205021202150-419041904100406040203350-37703350-3770385036403560393038903810-0,810,860,860,830,750,770,870,800,780,890,930,95
Таблиця – Розвідані запаси викопного палива , млрд. т у.п.*
Вид паливаУвесь світЄвропаУкраїнаВугілля799,872,634,00Нафта199,43,80,23Газ172,86,51,10Усього117272,935,33
Таблиця – Екологічна значущість основних характеристик палив
ХарактеристикаПараметри, що визначають екологічні властивостіЗаймистість:октанове числоцетанове числоПовнота згоряння палива, ККД двигуна, стукітПовнота згоряння палива, ККД двигуна, стукіт, димність ВГ, пускові властивостіФракційний склад:початок кипіннякінець кипінняПускові властивості, втрати при випарюванні, протильодові властивостіПовнота згоряння палива, утворення відкладень, фізична стабільність (колоїднохімічний стан)В'язкістьЕфективність сумішоутворення, витрата палива, димність ВГВміст сіркиВикиди SOx твердих частинок, утворення відкладенняАроматичні вуглеводніВикиди ПЦАВ**, твердих частинок, утворення відкладень у камері згорянняФактичні смолиУтворення відкладень у паливній системіОлефіниУтворення відкладень у паливній системіСвинецьТоксичність палив, викид сполук свинцю, утворення відкладень у камері згорянняПеріод індукції й інші показники, що характеризують хімічну стабільністьУтворення осаду при зберіганні палива й утворення відкладень на деталях двигуна і паливної апаратуриЙодне числоВміст неграничних сполук, що знижують хімічну стабільністьТиск насиченої париВтрати при випаріТемпература спалахуванняПожежонебезпекаДіелектричні властивостіПожежонебезпекаЗольністьВикиди твердих частинок, теплопередача, ККД котлів і турбінГустинаЕфективність сумішоутворенняТемператури затвердіння і помутніння, гранична температура фільтруванняПускові властивості, подача палива і час прогріву двигуна
ВГ — відпрацьовані гази ПЦАВ — поліциклічні ароматичні вуглеводні
Стабільність палив Під фізичною стабільністю розуміють втрату маси палива від випаровування (легкі фракції) і зміну колоїднохімічного стану, що виявляється в порушенні гомогенності палива і появі окремих фаз. Спроби розробити присадки, що знижують випаровуваність бензинів шляхом створення захисного шару поверхнево-активних речовин на поверхні палива, поки що не увінчалися успіхом.
Гомогенність бензинів, які не містять води і механічних домішок (вони практично миттєво осідають на дно), особливих турбот не викликає. Проблеми виникають при використанні спиртобензинових домішок, особливо виготовлених на базі метанолу. Їх стабілізують добавками спеціальних поверхнево-активних речовин чи речовин третього компонента. Наприклад, у бензини додають метанол, змішуючи його з трет-бутиловим спиртом — така суміш називається оксинолом.
Колоїдно-хімічний стан варто враховувати вже для середньодистилятних палив, що звичайно містять невеликі кількості смолистих речовин. Крім того, при зберіганні палив і в умовах працюючого двигуна їх хімічно нестабільні компоненти утворюють високомолекулярні продукти. Проблема фізичної стабільності палив тісно пов'язана із проблемою їхньої хімічної стабільності і вирішується за допомогою антиокисних і стабілізуючих присадок. Парафіни, що є в середньодистилятних і залишкових паливах, при зниженні температури утворюють упорядковану надмолекулярну структуру. Це призводить до втрати текучості палива і його затвердіння. Поліпшення низькотемпературних властивостей дизельних палив можливе за рахунок зниження температури кінця кипіння або використання депресорних присадок. Фізична стабільність залишкових палив цілком визначається їх колоїдною природою.
Основний вплив на старіння мазутів мають температура і контакт із киснем.
Проблеми хімічної і фізичної стабільності мазутів тісно пов'язані. Тому найкращими стабілізуючими присадками до залишкових палив є композиції антиоксидантів з дисперсантами.
Пожежо- і вибухонебезпечність палив Пожежонебезпечність палив визначається рядом показників, з яких найбільш часто застосовують температуру спалахування — мінімальну температуру, при якій пари нафтопродукту спалахують від відкритого полум'я. Її визначають у закритому (світлі палива) чи відкритому (залишкові палива) тиглі. Значення температур спалахування, визначених для того самого зразка різними методами, можуть дещо відрізнятися. Наприклад, для мазутів ця різниця може досягати 30оС. Тому обов'язково вказують метод визначення температур спалахування. Для авіаційних бензинів температура спалахування має негативне значення (від мінус 34 до мінус 38°С), тому її визначають рідко. Для дизельних палив вона нормується в залежності від умов застосування: літні палива для дизелів загального призначення повинні мати температуру спалахування нижче 40оС, а для суднових і тепловозних дизелів — не нижче 62оС.
Сучасні українські стандарти встановлюють межу температури спалахування 61оС, нижче якої палива відносять до легкозаймистих (ЛЗР), вище — до горючих (ГР) рідин. Це визначає категорію роботи з паливом і заходи передбачені технікою безпеки.
Крім температури спалахування, для палив визначають температуру займання (Тз) і температуру самозаймання (Тс). Дані з пожежо- і вибухонебезпечності — концентраційні межі займання (КМЗ), температурні межі вибуховості (ТМВ), а також вимоги ДСТУ 12.1010 щодо гранично допустимої вибухонебезпечної концентрації (ГДВК) парів палив у повітрі, представлені в таблиці.
Таблиця – Показники пожежо– й вибухонебезпечності палив
ПаливоТс, °СТМВКМЗ,%ГДВК,%ВерхнійНижнійАвіаційнийбензин380-480-4-370,98-5,50,46Автомобільний бензин255-300-7-0,75-5,20,53Дизельне зимове240119690,52-0,60,30
Вибухонебезпечність палив може бути усунута додаванням у пароповітряну суміш інертних газів в досить великих концентраціях щодо суміші: від 8 % — для тетрахлориду вуглецю до 43 % — для аргону.
Оскільки палива є діелектриками, на їхній поверхні може накопичуватися статична електрика, розряди якої приводять до утворення іскри. Особливо це істотно при роботі з реактивними паливами: їх заправлення в баки літаків супроводжується інтенсивним тертям. Тому стежать за питомою електричною провідністю реактивних палив. Електризації палив сприяють такі атмосферні умови, при яких провідність повітря невелика: низькі температури і мала вологість повітря. Для гарантування пожежної безпеки при перекачуванні палив з високими швидкостями (заправлення літаків, завантаження танкерів) у палива вводять антистатичні присадки, що забезпечують інтенсивне розсіювання електростатичних зарядів з маси палива.
Токсичність палива За токсичністю нафтові палива становлять меншу небезпеку, ніж продукти згоряння. Вуглеводні, що складають їх основну масу, для людини порівняно нешкідливі. Найбільш токсичні ароматичні, ненасичені і, нарешті, насичені вуглеводні. Особливо токсичний бензол, тому його вміст у бензинах нормується. У залишкових паливах присутні значні кількості конденсованих ароматичних сполук, багато з яких канцерогенні.
Гранично допустимі концентрації пари палив встановлені в перерахуванні на вуглець і коливаються від 100 (реактивне паливо) до 300 мг/м3 (бензин і дизельне паливо). Вміст пари палив у повітрі визначається леткістю і температурою навколишнього середовища. Леткість розраховують за формулою:
L=16•PM/(273+t), де L — леткість, мг/л; Р — тиск насиченої пари, мм. рт. ст.; М — молекулярна маса речовини; t — температура навколишнього середовища оС.
На практиці визначають тиск насиченої пари. Цей показник нормується для палив, що легко випаровуються. Його наближене значення може бути обчислене в такий спосіб: