Жылу сызбасын толық жетілдіру
Жылу сызбасын толық жетілдіру.
Жылуды алу көздері.
Жылу қозғалтқыштарын іске қосу үшін, жылуды алу көздерінің екі негізгі
түрі бар, олар – жанғыш заттарды жағу және кейбір заттардың ядроларының
бөлінуі.
Бұдан басқа бұл жерге күннің сәулеленуін кіргізуге болады. Мұнда жай
химиялық реакциялардың жүруі барысында сыртқа шығатын энергия мөлшерінің
есептелу әдістері қарастырылады. Зерттеу нәтижелері – жылудың әрбір керекті
жағдайларда қолданысқа келетін нақты көздерін алуға көмектеседі. Бірақ та
энергетика саласындағы шешімдер шешімдер техникалық емес, тек таза
экономикалық ойластырулар негізінде қабылданатынын естен шығармау керек.
АҚШ-да өндірілетін электроэнергияның орасан-зор бөлігі органикалық
(көбіне мұнайдан) және ядролық отындар базаларында бөлініп шығарылады.
Қазіргі уақытта мемлекеттің барлық аудандарында АЭС-нан шығатын
электроэнергияның өзіндік құны, көмірде жұмыс істеп жатқан ТЭЦ-нан шығатын
электроэнергияның өзіндік құнына қарағанда әлдеқайда төмен, жылдам
нейтромды реактор – көбейткіштерде пайда болатын плутоний энергияның одан
әрі арзан көзі болып есептелінеді, бірақ бұнымен көп жақсы дайындалған
мамандар келіспеушіліктерін білдіреді. Келесі бөлімде ядролық энергияның
қолданылуына қатысты сұрақтар нақты қарастырылады. Қазіргі кезеңдегі барлық
отынның түрі өте арзан тұрады, олардың сатылу бағасы, қазып алуға,
байытуға, өндіруге кеткен соммалық шығындарды расталамайды. Органикалық
отындардың бағасына, мысалға келтіретін болсақ, ландшафтың
рекультивациясының құны кірмейді. Олар мұндайды бұрғылау нәтижесінде пайда
болатын ойықтарды тегістеу, көмірді ашық әдіспен қазып алу нәтижесінде
бұзылған жерлердің өнімділігін қайта қалпына келтіру, т.с.с. әлеуметтік
ұсыныстар (ауруға шалдыққан шахтерларға төлем ақы енгізу) және төгілген
мұнайдан теңіз акваторийларын тазалуға кеткен маңызды шығындаға,
электроэнергияны сату барысында алынған қаражаттардан емсе, тұрғындардан
салық түрінде келіп түскен қаражаттан төленеді.
Бұдан басқа АЭС-да жұмыс кезінде пайда болатын төмен деңгейлі
радиоактивті заттардың биологияның әсері қатынасында көп нәрсені анықтау
қажет; радиоактивті қалдықтардың көп мөлшерде жойылу проблемаларының шешімі
әлі табылған жоқ, табылса да, ол өте қымбат тұратын жұмыс болар еді.
Электроэнергияның мөлшерден тыс болуы АҚШ-та өнеркәсіп пен
ауылшаруашылықтың дамуында жақсы көрініс береді. Бірақ сол мерзімде
электроэнергияның құнының төменділігі бірқатар қажет етпейтін
келеңсіздіктерге әкеліп соқты. Ол электроэнергияны тұтынудың әрқарай өсу
стимулы болып қызмет етеді; бірақ бұдан да шынайысы, ол бізге ыңғайлы болу
үшін энерго – үнемділікті құрбан ету. Мысалы, автокөлік қозғалтқыш
цилиндрлерінің блоктары қазіргі уақытта көбінесе алюминийден жасалады,
бұрын олар болаттан жасалынған.
Өзіндік іске қосылу (эксплуатациялық) мәнінде, болаттан жасалған
блоктар алюминийлерден ешбір жаман емес, тек олар ауырлау, ол дегеніміз
жұмыс кезінде өте ыңғайсыз. Алюминий блоктарын өндіретін өнеркәсіпте,
болаттан жасағанға қарағанда, энергия үш есе артығымен жұмсалады.
Мынаны мысалға келтіруге болады, электроэнергияның арзандығынан бізге
ыңғайлы болу үшін үнемділікті құрбан етуі қалай? – ол электрмен жылыту
(әрине, бөлмені электр көмегімен жылыту қымбат, бірақ жергілікті энергоұжым
біздерді керісінше ұғындырады).
Электроэнергияның жылу энергиясына айналуы – барынша эффективті үрдіс:
мысалы, электр сужылытқыштың ПЭК-ті тең 100%-ға.
Бірақ отынның электроэнергияға айналуы – эффективті емес. (ПЭК-ті тең
болады 30-40%). Осылайша электроэнергия арқылы жылуға айналған отынның
химиялық энергиясын тиімді пайдаланудың жалпы эффективті тиесілі үлкен
емес. Егерде отын, бөлмелерді 60-70%-ға тең ПЭК-мен бірге жылытуға
пайдаланылса, онда отынның біраз мөлшерін үнемдеуге болар еді және
энергияның жұмсалуын азайтуға болар еді.
Жылыту немесе технологиялық жылуды алу үшін, органикалық отын
базасында өңделіп шығарылған электроэнергияны қолдану экономикамен
энергетика көз қарасынан тура мәніне қарама-қарсы келеді; бұған
энергоресурстарды тиімді пайдалануға бағытталған көпшілік арасында қол
арасынан қарауға болмайды. Электроэнергияны көп мөлшерде жұмсауға арналған
жарнамалар көпшілік халықтың өмірлік қызығына зиянын келтіретініне
күмәніміз жоқ, алайда электроқамтамасыздандыру ұйымдар жағынан қарайтын
болсақ, жарнаманың мақсаты бізге түсінікті. Мынадай тарифтік жүйенің астын
сызып қою қажет – энергияны үнемді пайдаланатын тұтынушылар накладта
қалады, ал көп шығындайтындар жеңеді.
Өсіп келе жатқан органикалық отындардың және жоғары сапалы уран
кенінің тапшылығы, сондай-ақ энергоресурстарды табуға және пайдалануға
қойылған бақылаудың қаталдығы энергияның барлық түрлерінің ақырындап
қымбаттауына әкеп соғады. егер бағасы олардың барынша көтеріліске, онда
энергияның құрылған эффективтігі аз ғана, тұтыну тенденциясы біраз тұрақты
өзгерістерге ұшырауы мүмкін. Бұдан басқа, жылуды алудың альтерантивті
көздерін жылдамдатылған түрде игеру қажеттілігі туады; бірден келетін
ресурстарды оңтайлы пайдалану үшін, осы көзед туралы жақсы хабардар болу
керек.
Органикалық отындар
Жану деп, жылудың бөлінуімен бірге жүретін жылдам қышқылдану үрдісін
айтады. Бұл кейде өзін реакцияға қатысатын немесе оған дейінгі және одан
кейінгі потенциялды энергияның молекулаларының әртүрлілігімен көрсетеді.
Егерде әрдайым потенциалды энергияның көмегін үлкен нақтылықпен анықтасақ,
онда белгілі бір реакция үшін бөлініп шығатын жылу мөлшерін есептеуге болар
еді. Өкінішке орай заттың атомдық құрылымына байланысты проблемаларды тек
ең жақсы деген жағдайда атүсті ғана шешуге болады, егер атомдар электронның
саны көп болса, онда жылу мөлшерін, оны алдын-ала анықтап алудың орнына,
(жылудың эффектісін) тек реакция барысында белгілейміз.
* Жану үрдісінің физикасы.
Егер химиялық реакция атмосфералық қысым кезінде өтсе, онда бұл үрдіс
– изобралық, оны былай жазуға болады:
Q=ΔH
(6.1)
Бөлінетін (экзотермиялық реакция кезінде) немесе жұтылатын
(эндотермиялық реакция кезінде) жылудың калориметрде өлшеуі-іс барысында
энтальпияның ΔH әртүрлі реакциялар үшін таблица құрылған; таза күйде
тұрған реагентердің қатынасына энтальпияның барлық өзгерістері және таза
заттар (таза күйдегі заттар) ΔH =0 тіркеледі деп тұжырымдалады
(энтальпияның бұл өзгерістері көбіне ΔH түрінде жазылады, жоғары индекс 0
таза күйдегі заттарға қатынасы дегенді білдіреді).
250С температурада ағып өтетін химиялық реакцияда энтальпияның
өзгерісін анықтау үшін, келесі әрекеттесуді жазамыз:
аА+вВ+сС+dD
(6.2)
мұндағы тізбекті әріптер заттың мольдік санын көрсетеді. Осы арқылы
келесіні аламыз:
(6.3)
мұндағы , ... - нақты берілген қосылыстан пайда болатын жылудың,
таза заттардың тұрақты күйі үшін арналған аналогты көрсеткіштеріне қатынасы
(бұл көрсеткіштерді сұрақтар кестесінен табуға болады). Көп кестелерде
тұрақты шарттарға мыналар қойылған: температура 250С, қысым 0,1 МПа. Егер
реакция жоғары температурада өтсе, онда есептеудің сәл басқаша әдісін
қолдану керек. Егер температура 250С-ға тең болмаса, онда сол
температураның әртүрлілігінің әсерінен энтальпияның реагенттерінің өсуін
қадағалауымыз керек және мына мүшелерді қосу қажет:
(6.4)
мұнда Ср-А затының меншікті жылу сыйымдылығы.
Төменде кейбір, көп жағдайда органикалық қосылыстардың жануынан пайда
болатын жылудың берілгендері көрсетіледі:
Заттек
Жану жылуы
(Джкг)·107, [Джм3)·107)]
Аммиан
2,4
Спирт: метил 2,5
Этил
3,2
Гидразин
2,1
Сутегі
15
Метан
3,7
Таскөмір газы
[1,9]
Табиғи газ
[~4,7]
Синтетикалық
[~3,7]
Табиғи газ
Назар аударайық, сутегінің жану жылуы өте жоғары. Сутегі мотор отыны
ретінде қолданылған; оның бәсекеге түспейтін қасиеттері бар, өйткені зиянды
тастандалар мөлшері аз. Сұйық сутегіні бір кездері зымыран отыны ретінде
қолданған.
Жану үрдісінен алынған энтология шамамен энтальпияның өзгерісіне тең.
Жану – қағида бойынша адиабталық үрдіс; қоршаған ортамен жылу алмасу жоқ.
Бұл жағдайда қолданылатын энернгия: [(3.60)-дан].
ΔB=-T0ΔS
(6.5)
Бірақ дәл осы жағдайда термодинамикалық 1-ші заңына және энтальпияның
анықтамасына сәйкес:
ΔН=TΔ S
(6.6)
Келесі, ΔВ=-ΔН (6.7)
Әдетте абсолюттік мәндер қызығушылық білдіреді, сондықтан
ΔВ=ΔН
(6.8)
(6.8) қатынасы диффузияның әсерінен нақты орындалмайды, яғни энтопияны
үлкейтіп, реакция өнімдері атмосфераға енуі мүмкін, сонымен қолданылатын
жылудың мөлшерін азайтады.
* Синтетикалық көмірсутектер.
Жылуды алудың көп тараған әдісі – қазіргі уақытта, көмірсутекті отынын
жағу арқылы, біріншіден көмірді, мұнай өнімдерін және табиғи газ. Белгілі
болғандай, соңғы аталған органикалық отынның екі түрі жақында таусыла
бастайды, егер бұл кезең басталып кетпесе. Біздің энергетика мұнай мен
газға қайта тәуелді, сондықтан синтетикалық көмірсутегі кәсіпорынның
өндіріс жолымен, осы энергоресурстармен қамтамасыз ету және тұтыну арасында
пайда болатын айырмашылық жамылғысының мүмкіндігін қарастыру қажет.
* Көмірдің газификациясы
Табиғи газ негізінен метаннан (СН4) құрылғандықтан, оның синтетикалық
алмастырғышын өндіру үшін арзан табиғи көміртегі қажет. Бұл мақсатқа
бәрінен де көмір қолайлы, өйткені ол мол; бірақ та бұрынырақ мұнай өнімі –
нефте қолданылған. Көмірді газификациялау принципі жаңа емес. Көптеген ірі
қалаларда, XIX ғ. бастап екінші әлемдік соғыстың аяғына дейін, яғни табиғи
газды қажетті мөлшерде алу мүмкіндігіне дейін, көмірден қалалық газды өңдеу
шығарған. Көмір – жай ғана көміртегі емес; ол көптеген күрделі,
көмірсутегінің ұзыншынжырлы молекулаларынан құралған. Көмірдің молекулалары
құрылымда бірқатар микроэлементтер қатысады. 6.1. суретте көмірдің
мүмкіндік құрылымы көрсетілген. Молекула құрамына күкірт атомдары кіреді;
мұндай күкіртті көмірден бір ғана механикалық құрылғының көмегімен алу
мүмкін емес. Күкірттің басқа атомдары көмірдің қоспаларының құрамына
кіреді; бұл жерде күкіртті, көмірді жағу алдында оңай алуға болады.
6.1.- сурет. Көмір молекуласының гипотетикалық моделі.
6.2. кестесінде көмірдің және сұйық отынның әртүрлі сорттарының кейбір
компонеттері көрсетілген.
Көмірсутегі қосылыстарының кәдімгі құрамы.
Заттек Атомдық қатынасы
НС* SC NC
Метан (СН4) 4 0 0
Бензин (СН2) 2 0 0
Шикі мұнай ** 1,54-2,06 0,006-0,6 0,0014-0,15
Битуминозды көмір 0,6 0,016 0,018
Суббитоминозды 0,5 0,007 0,016
Көмір
Лигнит 0,25 0,005 0,015
Антрацит 0,05 0,004 0,001
Бұл элементтер әрдайым көмірдің құрамына кіреді. Олар мұнай мен мұнай
өнімдерінде айтарлықтай аз. Бізге белгілі, күкірт мұнайды өңдегенде
қолданылатын катализаторды қопарып жібереді.
Әртүрлі қалалық газдарды өндіру үшін сан алуан үрдістер қолданылған.
Синтетикалық газды алудың жалпы принципі 6.2. суретте көрсетілген.
6.2.-сурет. Көмірді газификациялау үрдісінің сатылары
(немесе мұнайды).
Таскөмір газының жану жылуы өте төмен; ол Н2+СО-50%, қалғандары СО2,
СН4 және т.б. компоненттерден құралған. Энергетикалық газ жанудың орташа
жылуымен қамтылған, ол өндірілетін орында электроэнергияны өңдеп шығаруға
жарамды және құрамы келесідей болады: СН4(14% жуық), СО(11%), Н2(16%),
СО2(11%), Н2О(28%), N2(30%). Сантез-газ-газ құбыры арқылы тасымалдауға
болатын жоғары сапалы өнім; оның құрамы: СН(10% жуық), СО(21%), Н2(40%),
СО2(28%), басқа компоненттер (1%). Синтетикалық газ 90%-ық метаннан (СН4)
тұрады.
Соңғы 40 жылда көмірді газификациялаудың әртүрлі технологиялары
жасалынған; олардың бәрінде қашан жетістіктері болса, сонша кемшіліктері де
бар. Бірақ бұл технологиялардың бәрінде бір жалпы белгісі бар: солардың
көмегімен алынған газ, табиғи газдан бес есе қымбат болып келеді.
Көмірді газификациялаудың технологиясы өзара жылумен қамтамасыз ету
әдісімен бөлінеді, ол жылу көп қажет нәрсеге; газификация реакциясының
жүруіне (автотермилық реакциялар, т.б), реагенттер арасындағы қатынасты
құру әдісіне (қозғалмайтын қатпар, қайнайтын қатпар), реагенттер ағымының
түріне (жол қозғалысымен ағым, ағымға қарсы), газификациялық ортада
(сутегі, оттегімен араласқан су буы, таза огттегі), қалдықтың жойылу
түрлеріне (сұйық шлак, құрғақ күл). Зертханалық құрылғыларда осы әртүрлі
әдістердің барлық түрлері зерттелген. Құрылғылардың тек кейбіреулері
пилотты сатыға дейін жұмыс істеген және оданда азы өнеркәсіптік пайдалануға
енгізілген. Уичді фирмасының технологиялары бойынша көмірді
газификациялаудың өнеркәсіптік құрылғылары әлемнің бірқатар елдерінде жұмыс
атқарады; АҚШ-та бұндай технологиялар жоқ. Бұл технология мейлінше
қаржысыйымдылықты; газды қажетті мөлшерде алу үшін, көп газ. Генераторларын
салу керек, ал оларға жақсы күтім керек, олар кәдімгі американдық
битуминозды көмірмен жұмыс істей алмайды. Қымбат тұратын газ
генераторларысыз-ақ газификациялау әдісі іске асырылмақ болған. Ол көмірді
жерасты газификациялаумен қорытындылады. Көмірдің жер астындағы иінінде
ұңғыманың беткі бөлігінен бұрғылайды, ауа кіру үшін иінді бөлшектейді
(қағида бойынша, жоғары қысыммен тартылған судың көмегімен), содан кейін
көмірді жағады. Алаулаған көмірдің иініне жану үрдісін үзбеу үшін, ауаны
желпиді. Жерасты газификациялауда, жергілікті электростанцияларда
электроэнергияны өндіруге қолданатын жану жылулығы төмен жанғаш газды алуға
болады. Егер ауаның орнына, жанып тұрған көмір иініне таза оттегі немесе су
буын желпісе, онда каталитикалық метанизацияға жарамды жоғары сапалы газ
алуға болады. Қазіргі уақытта көмірді жерасты газификациялаудың жүргізілген
іс шаралары үмітті ақтамайды.
Газ беткейге бөліп-бөліп шығады, оның жану жылуы тұрақты емес. Оның
үстіне көмірді пайдалану тиімділігі жайында анықтамалар жоқ. Грунт
суларының ластануы мен қолданылған көмір иініне келіп түскен грунт
тұнбаларына байланысты проблемалар шешілмейтін емес; көмірді жерасты
газификациялау – қаржыны көп қажет ететін көмірді жерүсті газификациялау
барысында тиісті альтернатива беруі мүмкін.
АҚШ-ң батысында көмірді жерасты және жерүсті газификациялау бір ірі
проблемамен соқтығысулары ғажап емес, ол су тапшылығы. Кейбір мамандар
батыс штатындағы көмір мекендеріне суды Миссисипи өзенінен алуды жөн
көреді.
Газификациялау үрдісінің экономикалық көрсеткіштері тіпті таң
қалдырады. 1978ж. бүкіл мемлекет бойынша табиғи газ 500 млрд-м3-тай
жұмсалған. Көмірді газификациялаудың, өнімділігі 7 млн.м3тәулігіне
құрылғысының бағасы 1 млрд.долл.тең. (1997 жылғы бағамен). 1980ж. АҚШ-те
табиғи газдың сұранысымен, оның іштей өндіру көлемінің айырмашылығы 2,8
млн.м3тәулігіне. Егер де бұл жетіспейтін газды көмірді газификациялау
зауыттарын қамтамасыз етуге 5 млрд.долл. жұмсалар еді. Басқа сөзбен
айтқанда, АҚШ-тағы газ өнеркәсібі өнімді өндіру көлемін 1,05 есеге көбейту
үшін, қондырғыға салынатын қаржыны 2 еседей көтеруге болады. Компаниялардың
көбісі қаржыны салу тәсілінің бұл түрін ақылсыз деп есептейді.
Көмірді газификациялаудың қондырғысы қымбат тұрады, ал оның өнімділігі
үлкен емес, сол үшін алынатын көмірдің өзіндік құны жоғары болуы керек. Әлі
енгізілмеген технология негізінде алынған өнімнің өзіндек құнының бағасы –
бұл әлдеқайда қиын жағдай. Есептеу кезінде төменде келтірілген
көрсеткіштерді есепке алу қажет.
- өнімділігі 7 млн.м3тәу. қондырғы біріншілік қаржы шығыны ~
1млрд.долл;
- қаржыға пайыз ~ 15;
- қойылған қуатты пайдалану коэффициенті ~ 0,2;
- көмір бағасы, доллГДж ~ 1;
- эксплуатациялық шығындар, доллГдж ~0;
- жанама өнімді реализациялаудан түсетін табыс, доллГДж ~0;
- тасымалдауға кететін шығын:
көмірді (1000т. км), центтер
16;
газды, центГДж
2;
суды, центГДж
20;
- қоршаған ортаны қорғауға шығын, центГДж
20;
Құрылғының орналасу орнына, қаржы пайызы, қолданылатын көмірдің сорты
және т.б. байланысты, өндірістің тікелей ұстанысы 4-тен 10 доллГДж-ға
дейін ауытқиды, ал бұл табиғи газдың қазіргі реттеулі бағасы – 50 центГДж-
ға қарағанда өлшеусіз жоғары.
Бұл қатты отынды өндіру технологиясының ары қарайғы тағдыры белгісіз,
оны алдынала болжау да өте қиын.
* Сұйылту
Көмірді сұйылту үшін, оны газификациялаудағы сияқты, технологиялық
үрдістерді қолдануға болады. Көмірдің ұзыншынжырлы молекулалары, шикі
мұнайдың күрделі молекулаларымен ұқсас (көмір молекулаларында сутегі аз, ал
оттегімен азот біршама көп).
Бұрынырақта көмірді сұйылтудың екі технологиялық үрдісі қолданылған;
ал қазір біраз жаңа технологиялар шығарылып жатыр. АҚШ-та тиісті зерттеулер
басталған, бірақ Техастың батыс бөлігіндегі мұнайға бай жерлердің ашылуы
кезінде Ұлы депрессияның басталуы ары қарайғы экспериметтердің
жүргізілуіне бөгет болды. Екінші әлемдік соғыстан кейін көмірді сұйылтуға
қызығушылық қайта оянады, бірақ ол Таяу Шығыста мұнайдың зор орындарының
ашылуына байланысты қайта жоғалды. Мұнай сөзсіз арқан болып шықты; көмірді
сұйылту облысындағы зерттеулер тез арада торға түсті, 1973-1974 жж.
энергетикалық дағдарыс, АҚШ-ң энергетикалық дағдырыс, АҚШ-ң энергетикасының
ресурстың базасы қаншалықты әлсіз екендігін атап көрсетпегенше.
Көмірді сұйылтудың өз уақытысында екі өнеркәсіптік үрдісі құрылған.
Оның біріншісі – қазіргі уақытта ешқандай жерде қолданылмайтын Бергиус
әдісі (Бергиус үрдісі ). Ұсақатлған көмір, осы үрдіс барасында көмірден
алынған маймен араласып, суспензия құрайды. Бұл суспензия сондай-ақ үлкен
қысымда (70МПа) және жоғары температурада (4500 С) көмірден алынған
сутегімен реакцияға түседі. Бұнымен бірнеше өнім алады, ауыр және жеңіл
майлар, бензин, сұйытылған мұнай газ. Бергиус үрдісі – реактор жұмыс
шарттарының күрделілігінен барынша қымбат тұрады. Bureau of Mines
басқармасының бағалауымен, Бергиуси әдісімен алынған бензин құны 22 центл
жуық болатын, ал мұндай қайта өңдеу жолымен алынған бензин құнын
салыстырсақ – 40 центл.
Әрине, мұнайдан алынған бензиннің фиктивті сипаты бар, ол өндіріс
шығынын шығармағаннан кейін, оны тиісті тәртіппен қашанда төмендетуге
болады. Ал Бергиус әдісімен алынған бензиннің құны өндіріс шығындарын нақты
көрсетеді, оны төмендету оңай емес. Екінші үрдіс – ол Фишер-Тропша әдісі
бойынша жүретін үрдіс. Бұл әдістің мәні мынада – көмірді газификациялаудан
кейін алынатын өнімнің каталитикалық конверсиясы орындалады. Тиісті
катализатор қолдана отырып, синтетикалық газдан әртүрлі көмірсутегінің
қосылыстарын алуға болады. Мысалы, кобальтті катализатордың қатысуымен
парафинді көмірсутегіге бар майлар бөлінеді, ал темір катализаторда –
құрамында олефиндер бар жоғары сапалы өнімдер алуға болады. Көмірді
гидрогенизациялау үрдісі (Бергиус үрдісі) шығарда хош иісті мұнай майын
береді. Фишер-Тропша үрдісінде тек 38% шығатын көлемі, сұйық отынға қайта
өңделеді, мұнда Бергиус үрдісіндегідей экстрималды жұмыс шарттары қажет
етілмейді. Бірақ есептеулер Бергиустің технологиялық үрдісінен, Фишер-
Тропша технологиясына қарағанда біршама арзан отын алуға болатынын
көрсетеді.
Қазіргі уақытта көмірден сұйық отын өндірудің келесі технологиясы
жасалуда: COED үрдісі (FOOD Machinery Corp. Корпорацияларының жасауларын),
Prodect Gasoline (Consolidated Oil корпорациясының жұмыстары), ғылыми-
зерттеу институтында жасалып жатқан H-Coal үрдісі, Bureau of Mines
басқармасымен жасалудағы Synthoil үрдісі.
Бұл технологияның үрдістерін барлығы зертханалық шартта зерттеліп,
үміттендіретін қорытындылар берген. Зертханалық қондырғылардың қуаттылығы
сағатына бірнеше жүз килограмм көмірді шығарады.
Көмірді газификациялау сияқты өнеркәсіптік масштабтағы көмірді сұйылту
қондырғылары айтарлықтай қаржы сыйымдылықты, сондай-ақ дайын өнімнің
өзіндік құны да жоғары. Жекешелендірілген энергоқамтамасыздандыру
компанияларының басшылары үлкен шығынға шешім қабылдау үшін неліктен өз
ойларын ауытқытып отыратындары бізге барынша түсінікті, әсіресе таяу Шығыс
мұнайын американдық нарыққа шығару мүмкіндігінің анықсыз екендігін есепке
алсақ.
Енді сентетикалық көмірсутегін өндіру қондырғыларының қоршаған ортаға
тигізетін жері туралы айта кетейік.
6.5.-сурет. Көмірді сұйылту және газификациялау үрдістері (қоршаған
ортамен әсерлесу облысында):
Хош иісті көмірсутек заттарының молекулаларында жоғары сн байланысы
бар, сондықтан көміртектің бір атомы екіншісінен тығыз байланысты. Қандайда
хош иісті көмірсутегі токсикалық, ал көмірден алынған – канцерогенді.
Бұндай қондырғыларды сумен қамтамасыз етудің өзі екі проблемалары:
біріншіден АҚШ батысында көмірдің шығу жерінде су жетіспейді; екіншіден,
отынды синтездеу үрдісі әрдайым ластанған ақаба су мөлшерін көбейтеді, егер
оларды тазаламаса, жергілікті өзендер мен су қомалары ластанады.
Қазіргі кезде көмір базасында көмірсутекті отындардың техникалық
жағынан синтезделуі әбден мүмкін, алынатын өнім табиғи көмірсутектеріне
қарағанда соншалықты қымбат, шетелден тасу тәуелділігін әлсірету және
энергоресуртардың жетіспеушілігін жоюдың басқа да альтернативаларын іздеу
керек. Бұдан басқа қоршаған орта проблемаларына синтетикалық көмірсутегін
өндіру жатады, алып жоспарларды нақталау кезінде осыған барынша қатал
көзбен қарау керек.
* Сутегі
Ірі масштабты энергетикалық ресурстардың адамзат қолданысындағы
тізімі тіпті жұпыны: органикалық отындар, ядролық жанғыш заттар, күн
энергиясы. Қазіргі дағдарыстар, аз ғана энергия көздерінің арасындағы
приоритеттің дұрыс тағайындалмағанымен түсіндіріледі. әрбір аса тапшы
энергоресурстардың аз тапшылықтыларға ауыстыру үлкен табыс әкелуші еді.
Дегенмен, егер біз органикалық тапшы отындарды энергияны босату мақсатымен
жақпай, оны нефтехимия аумағында қолдансақ, онда өзіміздің даму жолында
алға қарай жылжитын едік.
Міне, сутегі экономикасы негізіне қойылған идеялар осымен
қорытындылады.
Осы ұстанысқа сүйенсек, сутегі энергияның алғашқы көзі емес,
энерготасушы немесе энергияны жинақтау заты ретінде қарастырушы едік.
6.6.-сурет. Электроэнергия емес, сутегі түрінде энергияның жинақталуы
мен тасымалдануын іске асыратын су шаруашылығының
құрылымы.
1-сутегін өндіру үшін ядролық қондырғы; 2-жерасты құбырлар арқылы сутегіні
жіберу; 3-газтәрізді сутегіні жерастында сақтау; 4-сутегін криогенді
температурада сақтау; 5-жергілікті электростанциялары үшін отын;
6-өнеркәсіптік кәсіпорындар үшін.
Сутегін энергияның алғашқы көзі ретінде қолдану үшін, оны қазіргі
заман технологиясымен өндіру өте қымбатқа түсіп жатыр. Бұнымен қатар сутегі
өзінің бір қатар қасиеттеріне байланысты электроэнергияға қарағанда көп
жағыдайда эффективті. Ол мотор отыны болуға жарамды, осының өзі мұнай
өнімінің 20%-ын басқа да мақсаттарға қолдануға мүмкіндік беруші еді. Бұл
тарауда сутегінің кейбір қаситеттері, сондай-ақ, сутегі-болашақ отыны деп
ататын сутегі экономикасының энтузиастары дұрыс пікірде ма, осыны анықтау
үшін оны өндіру және қолдану әдістері қарастырылады.
6.3.-кестеде сутегімен метанның энерготасымалдаушылар ретінде қолдану
сипаттамасы жазылған. Назар аударайық, көлемі жағынан сутегі жануының
меншікті жылуы, метанға қарағанда үш есе аз. Оның тұтқырлығы де метаннан үш
есе аз.
Сондықтан газқұбырлары жүйесінің өткізу қабілеті – метанды
тасымалдағандай, сутегінің тасымалдауда да энергоқұрылымы жағынан сондай
болады.
6.3.-кестесі. Сутегі мен метанды салыстыру.
Көрсеткіштер Сутегі Метан
Балқу температурасы, 0 С - 254,1 - 182,5
Қайнату тепературасы, 0 С - 252,7 - 165,5
Ауаға қатысты газдың тығыздығы 0,069 0,554
өзіндік алулану температурасы, 0 С 585 538
Бірақ сутегіні тасымалдауда компрессорлардың үлкен қуаттылығы қажет
етіледі, ол әрине табиғи газбен салыстырғанда шығынды көбейтеді. Төменде
әртүрлі энерготасымалдаушылардың тасымалдау бағалық көрсеткіштері
салыстырылады.
Энерготасымалдаушы және тасымалдау Энергияны тасымалдаудың есепті
әдісі: шығындары, центиДж:
Метан (құбыр арқылы тасу) 3,0
Сутегі (құбыр арқылы тасу) 3,1
Электроэнергия (жоғары өткізгішті 20,0
электрожіберу сызығымен жіберу)
Бензин (танкермен тасу) 9,0
Электроэнергия үшін көрсеткіш, электро берілу ұзақтылығы 100км-ден
асады деген тұжырымнан алынған.
Газ құбырлары жүйесінде сутегінің тасымалдану, эксплуатациялық
шығындардан басқа қандай қасиеттерге ие? Біріншіден, егер табиғи газ өнімі
аяқ асты түссе, газқұбырлар иелері сутегіні тасымалдауға оларды қолдануды
жалғастыра береді, сол арқылы өздерінің ірі қаржы салымдарына табыс алады.
Екіншіден, сутегінің өндіру қондырғылары оны тұтыну жерінен алыс
орналасуы мүмкін, ол бәріненде тиімді. Мысалы, сутегі өндірілетін энергиясы
бар ірі ядролық энергетикалық кешендерді, энерготұтыну орталықтарынан үлкен
қашықтықта орналастыруға болады, онда оларға салқындататын су жеткілікті,
мысалға айтсақ, көл жағасында немесе ашық көлде. Сутегіні өндіру үшін,
алшақта тақыр аудандарда орналасқан ірі күн электростанциясын қолдануға
болады.
Мұнда бір сұрақ туады, сутегі неліктен жетіспейді? Сутегі метанға
қарағанда, герметикалық бұзылыстарда, құбыр өткізгіш жолында тез
диффундаларды, яғни таралады, сол үшін оның жоғалу қаупі үлкен. Бірақ осы
жоғары диффузиенді қабілетті, сондай-ақ молекулаларының басқа газдарға
қарағанда жеңіл болуының арқасында, сутегі метан тәрізді қойма бөлмелерінде
жинақталмайды және жарылыс жағдайын болдырмайды. Сутегінің метаннан гөрі
алаулағыштығы кең диапазонды болып келеді. Осы жағдай, сондай-ақ сутегінің
түссіз жалынмен жану факті тұрмыста қолданылуын қиындатады. Жалын бояу алу
үшін, сутегіге құрамында көміртегі бар зат қосу керек.
Табиғи газды тұрмыста қолдану алғашқы рет ұсынылғанда, жарылғышқауіпті
және оңай жалынданатын затты үйде қолдану қажет па деген үлкен
наразылықтар туды. Әрине қазіргі уақытта бұл адамдарды қобалжытпайтын
болды. Рас, сутегі алдында күшті қорқыныш сақталған, бұл негізде
Гинденбург синдромы деп аталатын едәуір үлкен апаттың үрейі жатыр, 1938
ж. 6 мамыр күні Лейкхрестетегі штат Нью-Джерсида неміс дирижаблі
Гинденбургпен болған апаттың әсері. Гинденбург дирижаблі ауадан да
жеңіл ұшқыш апарат болатын, қатты қабыршықты (жұмсақ қабыршықты әуе
шарларына қарағанда), оның көтерілу күші сутегінен құралады. Ол қону
матчына түсерде, аяқ асты апатқа ұшырап, соның нәтижесінде сутегі жалындап
кетті. Дирижабль жерге құлап, 36 адам қаза тапты. Олардың көбісі өрттен
емес, гондаланың жерге соқтығысуынан мерт болған. Сутегі ауадан жеңіл
болғандықтан, ол сыртқа шыққанда, жоғары қарай ұшырылады, сондықтан жалын
төменге емес, жоғары қарай көтеріледі. Жүктің айрықша түрлерінен тасымалдау
үшін, гелиймен толықтырылған дирижабльді қолдану идеясы туындаған.
Келесі келеңсіздік, ол сутегіні құбырлар арқылы өткізгенде, сутегі
молекулалары оңай диссорцияланады да, атомарлы сутегі таза металдармен
балқымалар атомдары арасындағы бос кеңістіктерге еніп кетеді. Осының
нәтижесінде болат әлсіз, әрине сынғыш болып келеді. Бұл сутектік
әлсіздендіру қысымының өсуімен күшейеді. Қазіргі кезде коррозияға тұрақты
балқымаларды шығару мақсатымен қарқынды зеттеулер жүргізілуде.
Сутегінің өзіндік жануының температурасы едәуір жоғары, бірақ жану
энергиясы айтарлықтай емес – тек 20 кДж, табиғи газға деген аналогты
көрсеткіштің 7%-дан төмен құрайды.
Сондықтан сутегіні каталитикалық жылу генераторларында қолдануға
болады, онда ол түссіз жалынмен ауаны ластамайды, төмен температурада (2000
С жуық) жанады. Азот қышқылы пайда болмайды; жалғыз жанама өнім – ол су,
оны бөлме ауасын ылғалдатуға қолдануға болады. Құрамында 4% -дан көп емес
сутегі бар газды қосылыстарды катализатор көмегімен жалғауға болады. Осының
арқасында оның түгелдей жануы қамтамасыз етіледі. Сутегіні каталитикалық
жағу, тұрмыстық қажеттіліктерге энергияны өндіру үрдісін түгелдей
дүрбелеңге салушы еді.
Сутегіні тұрмыста қолданудың тағы бір тәсілі-отындық элементтерді
қолдану. Сутегі-оттектік отын элементтерін тұрмыста қолдануға болады, мұнда
сутегінің жалындауынан қорқу себептері жоқ. отындық элемент сутегі
энергисын электроэнергияға айналдыруға мүмкіндік береді; ауаны
кондиционерлеу (тазалау) және бөлмелерді жылытуға арналған жылу насостарды
отын элементтерінің батарейясына қосуға болады, бұл экономикалық жағынан
расталған. Отындық элементтің жұмысы кезінде жалғыз жанама өнім су болып
табылады, ол көптеген тұрғын үйлерде өзінің құндылығымен ерекшеленеді.
Өнеркәсіптік масштабта сутегіні өндірудің бірнеше әдісі бар. Жоғары
сулы газдың каталитикалық конверсиясының үрдісі қарастырылған, онда көмірді
газификациялау құрылғысында алынған көміртек қышқылымен сутегі, катализатор
қатпарында су буымен әрекеттеседі; нәтижеде сутегі мен көміртегінің екі
еселенген қышқылын алады. Басқа әдіс, бұрынырақта кең қолданған, бірақ
болашақта қолданыста болатыны екі талай, ол метанның булы реформингінен
тұрады (табиғи газдың):
СН4+2Н2О→СО2+4Н2
(6.11)
Бұл технология аммион синтезін пайдалану үшін сутегіні алу мақсатында
қолданылады. Үшінші әдіс, қазіргі уақытта қолданылады – ол судың
электорлизі. Суды электролитикалық талдауда
Н2О→Н2+О2 – 242 кДжмоль
(6.12)
Эндотермиялық реакция; оны қолданғанда экономикалық жағынан расталған
деп бірғана шартта есептеуге болады, егер арзан электроэнергия артығымен
болса, су электролиз – эндотермиялық энегосыйымдылығы, электролиздің басқа
реакцияларына қарағанда еәдуір кіші; мысаыл, боксит электрлизі кезінде
(Аl2O3) энергия шығыны 1,97 МДжмоль құрайды.
Қазіргі уақытта сутегіні алудың бірнеше жаңа технологиялық таралуы,
фотолиз және биоконверсия.
Олардың біріншісі, ядролық реакторлар немесе басқа да көздерден
алынған төменпотенциалды жылуды және химиялық реакциялардың бірнеше түрін
қолдану арқылы судан сутегі алады, бұл қымбат тұратын электрометикалық
үрдісті пайдалану қажеттілігінен сақтап қалуға мүмкіндік береді.
Реакциялардың ең бір табысты тізбегінің бірі Еврома – Euratom Research
Genter (Италия, Испре қаласы) ядролық зерттеулер орталығында анализденген.
Mark – 1 технологиясын енгізуге қарсы аргумент – сынап, ол едәуір
қымбат тұрады. Әрине, кемшіліктері жоқ реакцияларды ойлап табуға болады,
бірақ бәрібір олардың барлығы, өздерінің жеке кемшіліктерін көрсетеді.
Осыдан суды таратудың экономикалық қолайлы термохимиялық технологиясы
әлі шығарылған жоқ деуге болады.
Термоядролық реакторда пайда болатын ультракүлгін сәулеленуді қолдана
отырып, судың тікелей фотолизін алуға болады. Реакцияның бұл түрі, дейтрий
– тритий қоспаларының термоядролық реакциясында ереже бойынша жүрмейді,
бірақ оны инжекцияның жасанды жолымен қандай-да бір ауыр металдың
термоядролық плазмасына шығаруға болады. Бұл бағыт термохимиялық әдіс
тәрізді қарқынды зеттелмеген. Әлі көптеген фундаментальды және таза
техникалық проблемалырды шешу керек. Мысалы, қайтылымды реакция барысында
алынатын газдардың – сутегі мен оттегінің мөлшері азаймас үшін қандай шара
қолдануға болады?
Сутегіні энерготасушы ретінде пайдалнудың тағы бір жолы – оның көлік
құралдарында қолданылуы.
Қазіргі іштей жану қозғалтқыштары сутегімен жақсы жұмыс атқарады; олар
сутегі жағар отынына ауыстырсақ, тек карбюратор конструкциясын және
оталдыру жылдамдығын өзгерту керек. сутегі көлік қозғалтқыштарына арнайы
отын ретінде қызмет етеуге жарайды. Жанғыш өнімдер – жалғыз су буымен азот
қышқылы, оларды каталитикалық конверсия реакторлары көмегімен реттеуге
болар еді. Оны қозғалтқыштарда қолдансақ, ауаға толық жанбаған көмірсутегі,
қорғасын қоспалары және көмірқышқыл тасталмас еді. Бірақ сутегіні мотор
отыны ретінде қолданудың өзінде үлкен кемшілік бар. Проблема газтәрізді
сутегінің сақталуында жатыр.
76л сиятын бакқа құйылған бензиннің массасы 53кг; газтәрізді сутегінің
энергоқұрамы жағынан экваваленттік мөлшерінің массасы 19кг ғана болушы еді,
оны қалай сақтау керек? Сутегінің осындай көлемі сиятын болат
резервуарларының массасы бірнеше тонна болар еді. Қазіргі уақытқа дейін
сутектік қозғалтқыштары бар көліктердің жанармай станциялары арасында жүру:
100 км-ге жетпейтін. Сутегіні сұйық күйде сақтасақ, оның жоғарғы тығыздығын
алуға болады. Бірақ сұйық сутегінің қайнау температурасының төмендігі және
оңай жалындауы бұндай тәсілдің автокөлікке қолдануын тиімді етіп жасамайды.
Сонда да ол авиацияда қолданылуы мүмкін.
Ұшақтарға дәл аэропоттағы орталық қондырғыда өндірілетін сұйық
сутегінің құйылуы, әуе көлігінің экономикалық көрсеткіштерін біраз көтеруші
еді.
6.4-кесте. Сұйық сутегі мен керосинде жұмыс жасайтын дыбыссыз
ұшақтардың эксплуатациялық сипаттамаларының салыстырылуы.
Дыбыссыз ұшақ Көрсеткіш
өзгерісі % !
Көрсеткіштер
Керосинмен Сұйық сутегімен
жөнделген жөнделген
Максималды коммерциялық 25000 25400 -
салмақ, кг
Ұшық ұзақтығы, км 6000 6100 -
Крейсерлік жылдамдық 0,820 0,820 -
Маха саны
Ұшақ массасы, кг 195000 146000 26
Максималды қону массасы, кг108700 97880 10
Құйылған отынның массасы,
кг 62300 21200 65,9
Отындық бактардың көлемі,
м3 82,7 313 278
Қанат ауданы, м3
Қанатқа түсетін меншікті 322 263 18,2
салмақ, кгм2 606 552 -
Отынның меншікті шығыны,
кг.сағкг 0,677 0,216 -
Қанаттың қағылуы, м
47 43 -
Алайда, сутегінің көлік отыны ретінде қолдануға сақталуының басқа да
әдісі – оның гидрид түрінде металдармен қосылысын қолдану. Айтылғандай,
сутегі атомдары реттеулі кристалл торларының атомдары арасында оңай еніп
кетеді. Гидридтің түзілу металдың құрылымының тығыздығын бұзып, оның
сынғыштығына әкеп соғады. Алайда сутегіні автокөлікке қолдану үшін сақтауға
қатысты гидридтің түзілу әдісі барынша табысты. Гидрид металдарында сұйық
сутегіге қарағанда, сутегі тығыздығы жоғары. Гидридті жылыта отырып, одан
сутегіні босатып алу өте оңай. Бірақ мұнда да қиындықтар туады. Осы мақсат
үшін қажетті металдар салыстырмалы сирек және қымбат (титан), сондай-ақ
гидрид металдарынан тұратын бак барынша ауыр, энергоқұрамы жағынан
сыйымдылығы 76л бензобакпен бірдей 638 кг массасы болар еді.
Айтылғандардың бәрінен мынадай қорытынды жасауға болады, сутегі
автокөлік үшін керемет матор отыны ретінде қолданыста болса да, оның
көліктерде кеңінен қолдануына мүмкіндік беретін сақтау және тарату жүйесін
енгізуді құру жұмысы тек тиісті экономикалық ұсыныстар пайда болғанда ғана
басталады. Бұндай ұсыныстардың болашақта болуы екі талай. Біз әлі сутегі
шаруашылығының экономикалық көрсеткіштері жеткілікті үнемді бола ма деген
сұраққа жауап берген жоқпыз. Алайда бұл, техникалық жетістіктер арасында
жағдайдың жақсы жағына қарай өзгеруін қадағалу қажеттілігін есептеп
алмайды, әсіресе таяу онжылдықта органикалық отындардың үнемділігіне
қатысты сұрақ аса қырлы болса.
Спирттер
Бәсекеге түспейтін сутегінің қасиеттері біздің назарымызда отынның
басқа да түріне аударады, құрамының жартысы сутегіден тұратын – бұл спирт.
Қазіргі уақытта спирттік отындарға деген үлкен қызығушылық мынада, ең
алдымен олардың қайта қалпына келетін энергия көздері базасында алынуына
және мұнайды шетелдік әкелушілерден тәуелділіктің бәсеңдеуінде. Алайда бұл
қызығушылық пен қатар белгілі бір күдіктену пайда болады: спиртті отындарды
өндіргенде, сол өздерінің құрамындағы энергия құнымен салыстырғанда үлкен
шығындар болама ?
Осы сұраққа жауап беруге және спиртті отындарға, олардың алыну жолдары
мен соңғы пайдалануына дейін объективті сипаттама берейін. Күтпеген
нәтижелер!!!
Спирттің көптеген түрлері бар, бірақ олардың екеуі ғана отын
ретінде бағаланады – метилді (метанол) және этилді (этанол). 6.5-кестесінде
спирттің кейбір қасиеттері бензиннің қасиеттерімен салыстырылған.
6.5-кесте. Метанол, этанол және бензиннің салыстырулары
Көрсеткіштер Метанол Этанол Бензин
Меншікті энергосыйымдылық, Джл 13,3 18 27,65
Көлемді бірліктегі отынға ауаның 6,4 4,0 14,7
стехио-метриялық қатынасы
Қайнау температурасы, 0С 64,96 78,5 -
Қату температурасы (кристализацияның), 0С -93,9 -117,3 -
Өзіндік жалындау температурасы, 0С 467 535 -
Бірінші кезде, этанол мен метанолдың арасында айырмашылық жоқ
тәрізді, бірақ олар, отын ретінде қолданылуы үшін қажетті мағына беретін
көптеген негізгі көрсеткіштерімен айырылады. Кейбір көрсеткіштер 6.6
кестеде ұсынылған.
6.6-кесте. Этанол мен метанолдың технико-экономикалық сипаттамаларының
салыстырулары
Сипаттама Этанол Метанол
Алу тәсілі
Өндірістің өзіндік құны (1980ж. бағада), 0,40-0,53 0,13-0,20
доллл
Бензинмен спирттің 10%-дың қоспасының 0,46 0,1
тұрақтылығын бұзбайтын судың максималды
құрамы, %
Бірінші погондағы судың құрамы, % 4,4 0
Этанолды негізінен жеміс қантының (левулеза немесе дикстраза) немесе
фрунтоза ферментациясы көмегімен алынады. Оны тағы көміртегінің кейбір
түрлерін (тростник қанты – сахарозаны, солод қанты – мальтозаны? Крахмалды
немесе целлюлозаны), ферментация біреуіне ғана қалыптастыра отырып алуға
болады.
Бұл дәнектен алкогольді сусындар өндіру үшін қолданылатын үрдіс.
Метанолды жапырақты ағаштардың құрамындағы целлюлозаны құрғақ күйде
күйдіру арқылы алады; оны макулатура сияқты құрамында целлюлозасы көп
қалдықтардан да алуға болады. Бұл спирттердің екеуін де табиғи газдан,
мұнайдан, көмірден алуға болады, оларды шикідей – сутегі және көміртегінің
келесі каталитикалық реакциямен сутегіге айналдыру жолымен алуға болады.
әрине спирт өндірудің бұл әдісі сұйық жағдайды жақсартпайды.
Этанол мен метанолда 100%-ға тең таза деңгейде алу өте қиын. Бұл
спирттермен бірге жоғарғы ретті спирттер қоса пайда болады – пропонал,
изобутонал, т.с.с, ал этанол болса, күйдіру өнімі жақсы жағдайда
96,54% концентрациясы бар сулы ерітінді болып табылады. Метанолға бұл
спирттер қосымша қасиеттер береді, бұл туралы кейінірек айтамыз.
Метанолды отын ретінде қолдану үшін оны әрдайым басқа жоғары сапалы
спирттермен қосады, бұндай қоспаны метильді отын немесе жай ғана метанол
деп атайды. Спирттерді отын ретінде, мұнай өнімдерін және газды
қолданатын барлық жерде күйдіруге болады. Мұнай өнімімен салыстырғанда
спирттердің энергоқұрамы екі есе аз болғандықтан, сондай-ақ олардың
өндіруге құны бірдей болғандықтан, спирт отынын мұнай отынының орнына
қолдану – ешқандай сезілетін экономикалық табыс әкелмейді деп
ойлауымызға болады. Газохол – 10-20%-ын метанол құрайтын қоспа. Автокөлік
иелерінің көбісі газохолдың арқасында меншікті отын шығыны және
орнынан жылжу жылдамдығының уақыты сияқты сипаттамаларды жақсартуға қол
жеткізгендерін хабарлаған; қоршаған ортаны ластайтын тастандылар азайды.
Кейбіреулер, керісінше, ауа-райы суық кезде автокөліктердің іске қосылу
көрсеткіштерінің нашарлығына наразылық білдіреді, сондай-ақ
қозғалтқыштардың қосылуының қиындығына, отынның меншікті шығының
азаюына.
Таза спиртпен жұмыс істейтін қозғалтқыш, сол қуаттағы бензин
қозғалтқышына қарағанда шығарылатын газбен жану өнімін әлдеқайда аз
бөледі. Спирт буының температурасы салыстырмалы төмен болғандықтан азот
қышқылы да екі есе аз бөлінеді. Ауаның стехиометриялық мөлшері спирт
үшін бензинге қарағанда аз және спирттің булары жұпыны қоспада мейлінше
жақсы жанады. Сондай-ақ көміртек қышқылының мөлшері де азаяды – ол
бензин қозғалтқышымен салыстырғанда тек 50%-ға жуығын құрайды.
Бензинге қарағанда, спирттің молекулярлық құрылымы күрделі емес,
сондықтан толық жанбаған көмірсутектер мұнда болмайды десе де болады.
Бұдан басқа, спирт отының октандық санын көтеру мақсатымен қорға
қорғасынды қосу қажеттілігі тумайды, нәтижесінде атмосфераға тасталатын
қорғасын қоспалары төмендейді.
Таза спиртті отын ретінде қолдану екі кішкене және бір ірі
проблемаларды шешуді керек етеді. Белгілі болғандай, спирттерде көптеген
пластмассалар ериді және көптеген металдар коррозияға ұшырайды. Таза
спиртпен жұмыс істейтін автокөліктердің қоректену жүйесін коррозияға
төзімді балқымалардан жасау керек; резина немесе пластмассасы қолдану
мүмкін емес. Спиртпен жұмыс істейтін автокөліктің құрылымына бірқатар
өзгерістер енгізу керек: (6.7 сурет) таратқышта 1 оталдыру бұрышының
реттелуі орындалады; отын насосында 2 барлық пластмассалы және резинкалы
бөліктер ауыстырылады; жану свечаларында 3 от ұшқындарының (мскра)
температурасы төмендейді, карбюраторды 4 отынды – ауалы қосылыстың
массалық шығыны ұлғаяды; барлық резиналы және пластмассалы бөлшектер
ауыстырылады. Спирттің екпінділік күшінен, сондай-ақ спирттің жану
жылуы бензинге қарағанда көлем бірлігі есебінде төмен болғандықтан көп
өзгерістер енгізілуі тиіс.
6.7-сурет. Автокөліктің құрылымы, өзгеріс белгілерімен.
АҚШ-та спиртті матор отыны ретінде қолданудың ұлттық бағдарламасы
жоқ; автокөліктердің мұндай түрлері шығарылмайды. Бірақ американдық
компаниялар спиртпен жұмыс істейтін автокөліктерді, соындай бағдарламасы
бар Бразилия үшін көптеп шығарады.
Екінші проблема – ол спирт буларының тығыздығымен байланысты. Бұл
отындар бензин сияқты оңай ұшпайды, сондықтан ауа-райы суық кезде
қозғалтқышты іске қосқанда қиыншылықтар туады. Бұл қиыншылықтарды, отын
берілудің екілік жүйесін құру жолымен өткердік. Оталдырғанда
карбюраторға бензин беріледі, қозғалтқыш қашан жылығанда, спирт келіп
түсе бастайды. Ал ең басты проблема, АҚШ-та спиртті матор отыны
ретінде қолданумен байланысты, өйткені мұнда этанолды да, метанолды да
керекті мөлшерде шығармайды, бензинді жіберетіндей спирт отындарын
жіберетін автожанармай станцияларының жүйелері әлі кеңінен істейтін
автокөліктер жоқ. Спирттік отындарға көшу, біраз жылдар бойы біртіндеп
іске асырылушы еді, бірақ алғашқы қадамда жасауға кімнің батылы барады?
Автокөлік жасайтын фирмалар отынсыз қалатын көліктерді өндіруден бас
тартуда, ал спирт өндіретін зауыт иелері алдын-ала сұраныста жоқ
отынды, үлкен көлемде өндіргілері келмейді. Бастамаға, күрделілігі төмен
проблеманы шешудің бәр мәні болар еді – ол спиртті бензинге қоспа ретінде
енгізу.
Бензин мен спирттің қоспалары 40 жыл бұрын автокөліктерде кеңінен
қолданылған. Әрине бұл жерде де белгілі бір проблема бар, бірақ бензинге
деген бағаның үзіліссіз өсу шартымен, бұл проблемалардың көбісі ешқандай
мән бермеуші еді.
Бірнеше жыл бұрын, бензин мен спирттің қоспаларын қолдануға ұсыныс
жасағанда, эксперименттер, қайта жөнделмеген стандартты автокөліктердің
жұмыстық сипаттамалары, осы қоспада жұмыс істеуге көшкенде барынша
жақсарады деп көрсетті. Кейбір ұштардың конструкциясын, анықталғандай,
артынша бәрібір өзгерту керек. 6.7 суретте көрсетілген өзгерістер, бензин
мен метанол қоспасында жұмыс істейтін автокөліктерге жатады; этанол мен
бензин қоспасымен жұмыс істеуге көшу де өзгерістерді қажет етеді.,
Тағы бір ірі проблема туындайды – қоспаның қатпарлануы. Бензин мен
спирт қоспаларының тұрақтылығы, оның құрамындағы судың көлеміне
байланысты. 6.6 кестеде көрсетілгендей, 100 г қоспада 0,1 г су болса,
метанолдың ерітіндіден айырылуына жеткілікті болады. Егер қоспа
компоненті ретінде этанол қолданылса, онда судың қоспадағы реттік
мөлшері үш есе көп болады, және проблема бұндай өткір болмайды.
Мәселе мынада, спирт пен судың молекулалары полярлы болып келеді, ал
бензин молекулалары – жоқ. Спирттің молекулаларының жоғары поляризациялық
қабілеті, молекулярлық массасы аз қоспаның буының тығыздығының
төмендігімен түсіндіріледі: молекулалар өзара тартылыс күшімен тығыз
байланысты. Қоспаның қатпарлануын тоқтату үшін, оған 1% немес одан да
жоғары спирт – бутанолды және т.с.с. қосуға болады. Бірақ бұл әдіс,
бензинді спиртпен жиі алмастырудың арқасында алынған әртүрлі
потенциалды экономикалық басымдарын мейлінше азайтады немесе мүлде
нөлге әкеп жеткізеді. Кейбір деректер бойынша бұл тұнбалар да
проблеманы түгелдей шешуге көмектескен жоқ, әсіресе ауаның төменгі
температурасымен. Астын сызып қояйық, қоспаның қатпарлануынан болған
қиындықтар, бензинге этанолдық емес, метанолдық қоспа ретінде қолданылуымен
айқындалады. Спирт молекулаларының полярлы табиғатынан пайда болатын
басқа да проблема, спирт пен бензин қоспа буларының тығыздығының
жоғарылығынан тұрады, ол булы тығынның пайда болуына себеп болады.
Таза спирт буының тығыздығы төмен. Бірақ оның бензинмен қосылғандағы
болатын бензоспиртті будың тығыздығы, таза бензинге қарағанда, мейлінше
жоғары болады, өйткені бензиннің полярлы емес молекулалары полярлы
байланысты бұзып, спирт молекулаларын өзара физикалық түрде бөліп
тастайды. Бұндай шартта мынаны күтуге болады, заттың молекулярлық
массасы көп болмаса, будың тығыздығы да сондай болады. Булы
тығынның пайда болуымен байланысты проблеманы бензиннің құрамындағы
ұшқыштығы жоғары жеке компоненттерді алып тастау жолымен немесе
карбюратордың тиісті реттегіштігімен шешуге болады. Бұл әдістердің
екеуі де идеяның өзінің біртұтастығын жоққа шығарады. Бутан, пентан және
т.с.с. заттарды бензиннен алып тастау әдісі, оны тек қымбаттатпайды,
сондай-ақ меншікті жану жылуын төмендетеді.
Карбюратор реттегіші, бензоспиртті қосылыстарды қолданғандағы
автокөліктердің конструкциясын қайта қажеттілігінің болмауынан алынған
қасиеттерді алып тастауға қабілетті. Аавтокөлікті іске қосу
көрсеткіштері, метанол мен бензин қосылыстарына қарағанда, этанол мен
бензин қоспасын қолданғанда ғана жоғары болады даген ой туады. Бұл
шынымен осылай, тек экономикалық шешімдер қажет. Метанол отын ретінде
күшейтіле жарнамаланады, өйткені ол оңай табылады, ал этанол үш есе
қымбат. Этанолды тек алкагольді сусындар шығаратын зауыттардың
қажеттілігіне ғана өндіреді. Сондықтан да ол өте таза және жоғары
сапалы болуы керек. Барлық американдық спиртзауыттар қажетті технологиялық
жылуды мұнай отынын жағу жолымен өндіреді. Бірақ отын ретінде қолдану
үшін, өсімдік шикізат материалдар базасында этанолды өндіру мақсатымен
алкагольді сусындарды шығаратын зауыттарды салуға болады.
Қалдықтардан пайда болатын отындар
АҚШ-та адам басына тәулігіне 2 кг-ға жуық қалдықтың үлкен көлемі
шығады (1980ж), бұл көрсеткіш жыл сайын 2-3% өсіп отырады. Бір
кездері қатты қалдықтар көзді кедергі болып саналуын еді. Жақсы
деген жағдайда, тек ауылшаруашылықтағы кейбір қалдықтарды тыңайтқыш
ретінде қолданысқа алатын. Үйлерде электронды мусорбөлшектеуіштер
пайда болғанға дейін, қала қалдықтарының құрамы келесідей болатын:
тамақ қалдықтары, қағаз, текстиль, сауда кәсіпорындарының қалдықтары,
лай, пластмасса, көше мусорлы, өлген жануарлардың денелері, әйнек,
ағаш, орман материалдарының қиындылары, қара металл, түсті металл,
резина, былғары, күл. Бұл ылғалдатылған қалдықтарды, қағида бойынша,
жақын арадағы санитарлы үйінділерге апарып лас арнайы үйіндіге
учаскелерді табу қиынға соқты, қатты қалдықтарды жаға бастады. Тек
осы кезде ғана мұндай қалдықтарды ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Жылуды алу көздері.
Жылу қозғалтқыштарын іске қосу үшін, жылуды алу көздерінің екі негізгі
түрі бар, олар – жанғыш заттарды жағу және кейбір заттардың ядроларының
бөлінуі.
Бұдан басқа бұл жерге күннің сәулеленуін кіргізуге болады. Мұнда жай
химиялық реакциялардың жүруі барысында сыртқа шығатын энергия мөлшерінің
есептелу әдістері қарастырылады. Зерттеу нәтижелері – жылудың әрбір керекті
жағдайларда қолданысқа келетін нақты көздерін алуға көмектеседі. Бірақ та
энергетика саласындағы шешімдер шешімдер техникалық емес, тек таза
экономикалық ойластырулар негізінде қабылданатынын естен шығармау керек.
АҚШ-да өндірілетін электроэнергияның орасан-зор бөлігі органикалық
(көбіне мұнайдан) және ядролық отындар базаларында бөлініп шығарылады.
Қазіргі уақытта мемлекеттің барлық аудандарында АЭС-нан шығатын
электроэнергияның өзіндік құны, көмірде жұмыс істеп жатқан ТЭЦ-нан шығатын
электроэнергияның өзіндік құнына қарағанда әлдеқайда төмен, жылдам
нейтромды реактор – көбейткіштерде пайда болатын плутоний энергияның одан
әрі арзан көзі болып есептелінеді, бірақ бұнымен көп жақсы дайындалған
мамандар келіспеушіліктерін білдіреді. Келесі бөлімде ядролық энергияның
қолданылуына қатысты сұрақтар нақты қарастырылады. Қазіргі кезеңдегі барлық
отынның түрі өте арзан тұрады, олардың сатылу бағасы, қазып алуға,
байытуға, өндіруге кеткен соммалық шығындарды расталамайды. Органикалық
отындардың бағасына, мысалға келтіретін болсақ, ландшафтың
рекультивациясының құны кірмейді. Олар мұндайды бұрғылау нәтижесінде пайда
болатын ойықтарды тегістеу, көмірді ашық әдіспен қазып алу нәтижесінде
бұзылған жерлердің өнімділігін қайта қалпына келтіру, т.с.с. әлеуметтік
ұсыныстар (ауруға шалдыққан шахтерларға төлем ақы енгізу) және төгілген
мұнайдан теңіз акваторийларын тазалуға кеткен маңызды шығындаға,
электроэнергияны сату барысында алынған қаражаттардан емсе, тұрғындардан
салық түрінде келіп түскен қаражаттан төленеді.
Бұдан басқа АЭС-да жұмыс кезінде пайда болатын төмен деңгейлі
радиоактивті заттардың биологияның әсері қатынасында көп нәрсені анықтау
қажет; радиоактивті қалдықтардың көп мөлшерде жойылу проблемаларының шешімі
әлі табылған жоқ, табылса да, ол өте қымбат тұратын жұмыс болар еді.
Электроэнергияның мөлшерден тыс болуы АҚШ-та өнеркәсіп пен
ауылшаруашылықтың дамуында жақсы көрініс береді. Бірақ сол мерзімде
электроэнергияның құнының төменділігі бірқатар қажет етпейтін
келеңсіздіктерге әкеліп соқты. Ол электроэнергияны тұтынудың әрқарай өсу
стимулы болып қызмет етеді; бірақ бұдан да шынайысы, ол бізге ыңғайлы болу
үшін энерго – үнемділікті құрбан ету. Мысалы, автокөлік қозғалтқыш
цилиндрлерінің блоктары қазіргі уақытта көбінесе алюминийден жасалады,
бұрын олар болаттан жасалынған.
Өзіндік іске қосылу (эксплуатациялық) мәнінде, болаттан жасалған
блоктар алюминийлерден ешбір жаман емес, тек олар ауырлау, ол дегеніміз
жұмыс кезінде өте ыңғайсыз. Алюминий блоктарын өндіретін өнеркәсіпте,
болаттан жасағанға қарағанда, энергия үш есе артығымен жұмсалады.
Мынаны мысалға келтіруге болады, электроэнергияның арзандығынан бізге
ыңғайлы болу үшін үнемділікті құрбан етуі қалай? – ол электрмен жылыту
(әрине, бөлмені электр көмегімен жылыту қымбат, бірақ жергілікті энергоұжым
біздерді керісінше ұғындырады).
Электроэнергияның жылу энергиясына айналуы – барынша эффективті үрдіс:
мысалы, электр сужылытқыштың ПЭК-ті тең 100%-ға.
Бірақ отынның электроэнергияға айналуы – эффективті емес. (ПЭК-ті тең
болады 30-40%). Осылайша электроэнергия арқылы жылуға айналған отынның
химиялық энергиясын тиімді пайдаланудың жалпы эффективті тиесілі үлкен
емес. Егерде отын, бөлмелерді 60-70%-ға тең ПЭК-мен бірге жылытуға
пайдаланылса, онда отынның біраз мөлшерін үнемдеуге болар еді және
энергияның жұмсалуын азайтуға болар еді.
Жылыту немесе технологиялық жылуды алу үшін, органикалық отын
базасында өңделіп шығарылған электроэнергияны қолдану экономикамен
энергетика көз қарасынан тура мәніне қарама-қарсы келеді; бұған
энергоресурстарды тиімді пайдалануға бағытталған көпшілік арасында қол
арасынан қарауға болмайды. Электроэнергияны көп мөлшерде жұмсауға арналған
жарнамалар көпшілік халықтың өмірлік қызығына зиянын келтіретініне
күмәніміз жоқ, алайда электроқамтамасыздандыру ұйымдар жағынан қарайтын
болсақ, жарнаманың мақсаты бізге түсінікті. Мынадай тарифтік жүйенің астын
сызып қою қажет – энергияны үнемді пайдаланатын тұтынушылар накладта
қалады, ал көп шығындайтындар жеңеді.
Өсіп келе жатқан органикалық отындардың және жоғары сапалы уран
кенінің тапшылығы, сондай-ақ энергоресурстарды табуға және пайдалануға
қойылған бақылаудың қаталдығы энергияның барлық түрлерінің ақырындап
қымбаттауына әкеп соғады. егер бағасы олардың барынша көтеріліске, онда
энергияның құрылған эффективтігі аз ғана, тұтыну тенденциясы біраз тұрақты
өзгерістерге ұшырауы мүмкін. Бұдан басқа, жылуды алудың альтерантивті
көздерін жылдамдатылған түрде игеру қажеттілігі туады; бірден келетін
ресурстарды оңтайлы пайдалану үшін, осы көзед туралы жақсы хабардар болу
керек.
Органикалық отындар
Жану деп, жылудың бөлінуімен бірге жүретін жылдам қышқылдану үрдісін
айтады. Бұл кейде өзін реакцияға қатысатын немесе оған дейінгі және одан
кейінгі потенциялды энергияның молекулаларының әртүрлілігімен көрсетеді.
Егерде әрдайым потенциалды энергияның көмегін үлкен нақтылықпен анықтасақ,
онда белгілі бір реакция үшін бөлініп шығатын жылу мөлшерін есептеуге болар
еді. Өкінішке орай заттың атомдық құрылымына байланысты проблемаларды тек
ең жақсы деген жағдайда атүсті ғана шешуге болады, егер атомдар электронның
саны көп болса, онда жылу мөлшерін, оны алдын-ала анықтап алудың орнына,
(жылудың эффектісін) тек реакция барысында белгілейміз.
* Жану үрдісінің физикасы.
Егер химиялық реакция атмосфералық қысым кезінде өтсе, онда бұл үрдіс
– изобралық, оны былай жазуға болады:
Q=ΔH
(6.1)
Бөлінетін (экзотермиялық реакция кезінде) немесе жұтылатын
(эндотермиялық реакция кезінде) жылудың калориметрде өлшеуі-іс барысында
энтальпияның ΔH әртүрлі реакциялар үшін таблица құрылған; таза күйде
тұрған реагентердің қатынасына энтальпияның барлық өзгерістері және таза
заттар (таза күйдегі заттар) ΔH =0 тіркеледі деп тұжырымдалады
(энтальпияның бұл өзгерістері көбіне ΔH түрінде жазылады, жоғары индекс 0
таза күйдегі заттарға қатынасы дегенді білдіреді).
250С температурада ағып өтетін химиялық реакцияда энтальпияның
өзгерісін анықтау үшін, келесі әрекеттесуді жазамыз:
аА+вВ+сС+dD
(6.2)
мұндағы тізбекті әріптер заттың мольдік санын көрсетеді. Осы арқылы
келесіні аламыз:
(6.3)
мұндағы , ... - нақты берілген қосылыстан пайда болатын жылудың,
таза заттардың тұрақты күйі үшін арналған аналогты көрсеткіштеріне қатынасы
(бұл көрсеткіштерді сұрақтар кестесінен табуға болады). Көп кестелерде
тұрақты шарттарға мыналар қойылған: температура 250С, қысым 0,1 МПа. Егер
реакция жоғары температурада өтсе, онда есептеудің сәл басқаша әдісін
қолдану керек. Егер температура 250С-ға тең болмаса, онда сол
температураның әртүрлілігінің әсерінен энтальпияның реагенттерінің өсуін
қадағалауымыз керек және мына мүшелерді қосу қажет:
(6.4)
мұнда Ср-А затының меншікті жылу сыйымдылығы.
Төменде кейбір, көп жағдайда органикалық қосылыстардың жануынан пайда
болатын жылудың берілгендері көрсетіледі:
Заттек
Жану жылуы
(Джкг)·107, [Джм3)·107)]
Аммиан
2,4
Спирт: метил 2,5
Этил
3,2
Гидразин
2,1
Сутегі
15
Метан
3,7
Таскөмір газы
[1,9]
Табиғи газ
[~4,7]
Синтетикалық
[~3,7]
Табиғи газ
Назар аударайық, сутегінің жану жылуы өте жоғары. Сутегі мотор отыны
ретінде қолданылған; оның бәсекеге түспейтін қасиеттері бар, өйткені зиянды
тастандалар мөлшері аз. Сұйық сутегіні бір кездері зымыран отыны ретінде
қолданған.
Жану үрдісінен алынған энтология шамамен энтальпияның өзгерісіне тең.
Жану – қағида бойынша адиабталық үрдіс; қоршаған ортамен жылу алмасу жоқ.
Бұл жағдайда қолданылатын энернгия: [(3.60)-дан].
ΔB=-T0ΔS
(6.5)
Бірақ дәл осы жағдайда термодинамикалық 1-ші заңына және энтальпияның
анықтамасына сәйкес:
ΔН=TΔ S
(6.6)
Келесі, ΔВ=-ΔН (6.7)
Әдетте абсолюттік мәндер қызығушылық білдіреді, сондықтан
ΔВ=ΔН
(6.8)
(6.8) қатынасы диффузияның әсерінен нақты орындалмайды, яғни энтопияны
үлкейтіп, реакция өнімдері атмосфераға енуі мүмкін, сонымен қолданылатын
жылудың мөлшерін азайтады.
* Синтетикалық көмірсутектер.
Жылуды алудың көп тараған әдісі – қазіргі уақытта, көмірсутекті отынын
жағу арқылы, біріншіден көмірді, мұнай өнімдерін және табиғи газ. Белгілі
болғандай, соңғы аталған органикалық отынның екі түрі жақында таусыла
бастайды, егер бұл кезең басталып кетпесе. Біздің энергетика мұнай мен
газға қайта тәуелді, сондықтан синтетикалық көмірсутегі кәсіпорынның
өндіріс жолымен, осы энергоресурстармен қамтамасыз ету және тұтыну арасында
пайда болатын айырмашылық жамылғысының мүмкіндігін қарастыру қажет.
* Көмірдің газификациясы
Табиғи газ негізінен метаннан (СН4) құрылғандықтан, оның синтетикалық
алмастырғышын өндіру үшін арзан табиғи көміртегі қажет. Бұл мақсатқа
бәрінен де көмір қолайлы, өйткені ол мол; бірақ та бұрынырақ мұнай өнімі –
нефте қолданылған. Көмірді газификациялау принципі жаңа емес. Көптеген ірі
қалаларда, XIX ғ. бастап екінші әлемдік соғыстың аяғына дейін, яғни табиғи
газды қажетті мөлшерде алу мүмкіндігіне дейін, көмірден қалалық газды өңдеу
шығарған. Көмір – жай ғана көміртегі емес; ол көптеген күрделі,
көмірсутегінің ұзыншынжырлы молекулаларынан құралған. Көмірдің молекулалары
құрылымда бірқатар микроэлементтер қатысады. 6.1. суретте көмірдің
мүмкіндік құрылымы көрсетілген. Молекула құрамына күкірт атомдары кіреді;
мұндай күкіртті көмірден бір ғана механикалық құрылғының көмегімен алу
мүмкін емес. Күкірттің басқа атомдары көмірдің қоспаларының құрамына
кіреді; бұл жерде күкіртті, көмірді жағу алдында оңай алуға болады.
6.1.- сурет. Көмір молекуласының гипотетикалық моделі.
6.2. кестесінде көмірдің және сұйық отынның әртүрлі сорттарының кейбір
компонеттері көрсетілген.
Көмірсутегі қосылыстарының кәдімгі құрамы.
Заттек Атомдық қатынасы
НС* SC NC
Метан (СН4) 4 0 0
Бензин (СН2) 2 0 0
Шикі мұнай ** 1,54-2,06 0,006-0,6 0,0014-0,15
Битуминозды көмір 0,6 0,016 0,018
Суббитоминозды 0,5 0,007 0,016
Көмір
Лигнит 0,25 0,005 0,015
Антрацит 0,05 0,004 0,001
Бұл элементтер әрдайым көмірдің құрамына кіреді. Олар мұнай мен мұнай
өнімдерінде айтарлықтай аз. Бізге белгілі, күкірт мұнайды өңдегенде
қолданылатын катализаторды қопарып жібереді.
Әртүрлі қалалық газдарды өндіру үшін сан алуан үрдістер қолданылған.
Синтетикалық газды алудың жалпы принципі 6.2. суретте көрсетілген.
6.2.-сурет. Көмірді газификациялау үрдісінің сатылары
(немесе мұнайды).
Таскөмір газының жану жылуы өте төмен; ол Н2+СО-50%, қалғандары СО2,
СН4 және т.б. компоненттерден құралған. Энергетикалық газ жанудың орташа
жылуымен қамтылған, ол өндірілетін орында электроэнергияны өңдеп шығаруға
жарамды және құрамы келесідей болады: СН4(14% жуық), СО(11%), Н2(16%),
СО2(11%), Н2О(28%), N2(30%). Сантез-газ-газ құбыры арқылы тасымалдауға
болатын жоғары сапалы өнім; оның құрамы: СН(10% жуық), СО(21%), Н2(40%),
СО2(28%), басқа компоненттер (1%). Синтетикалық газ 90%-ық метаннан (СН4)
тұрады.
Соңғы 40 жылда көмірді газификациялаудың әртүрлі технологиялары
жасалынған; олардың бәрінде қашан жетістіктері болса, сонша кемшіліктері де
бар. Бірақ бұл технологиялардың бәрінде бір жалпы белгісі бар: солардың
көмегімен алынған газ, табиғи газдан бес есе қымбат болып келеді.
Көмірді газификациялаудың технологиясы өзара жылумен қамтамасыз ету
әдісімен бөлінеді, ол жылу көп қажет нәрсеге; газификация реакциясының
жүруіне (автотермилық реакциялар, т.б), реагенттер арасындағы қатынасты
құру әдісіне (қозғалмайтын қатпар, қайнайтын қатпар), реагенттер ағымының
түріне (жол қозғалысымен ағым, ағымға қарсы), газификациялық ортада
(сутегі, оттегімен араласқан су буы, таза огттегі), қалдықтың жойылу
түрлеріне (сұйық шлак, құрғақ күл). Зертханалық құрылғыларда осы әртүрлі
әдістердің барлық түрлері зерттелген. Құрылғылардың тек кейбіреулері
пилотты сатыға дейін жұмыс істеген және оданда азы өнеркәсіптік пайдалануға
енгізілген. Уичді фирмасының технологиялары бойынша көмірді
газификациялаудың өнеркәсіптік құрылғылары әлемнің бірқатар елдерінде жұмыс
атқарады; АҚШ-та бұндай технологиялар жоқ. Бұл технология мейлінше
қаржысыйымдылықты; газды қажетті мөлшерде алу үшін, көп газ. Генераторларын
салу керек, ал оларға жақсы күтім керек, олар кәдімгі американдық
битуминозды көмірмен жұмыс істей алмайды. Қымбат тұратын газ
генераторларысыз-ақ газификациялау әдісі іске асырылмақ болған. Ол көмірді
жерасты газификациялаумен қорытындылады. Көмірдің жер астындағы иінінде
ұңғыманың беткі бөлігінен бұрғылайды, ауа кіру үшін иінді бөлшектейді
(қағида бойынша, жоғары қысыммен тартылған судың көмегімен), содан кейін
көмірді жағады. Алаулаған көмірдің иініне жану үрдісін үзбеу үшін, ауаны
желпиді. Жерасты газификациялауда, жергілікті электростанцияларда
электроэнергияны өндіруге қолданатын жану жылулығы төмен жанғаш газды алуға
болады. Егер ауаның орнына, жанып тұрған көмір иініне таза оттегі немесе су
буын желпісе, онда каталитикалық метанизацияға жарамды жоғары сапалы газ
алуға болады. Қазіргі уақытта көмірді жерасты газификациялаудың жүргізілген
іс шаралары үмітті ақтамайды.
Газ беткейге бөліп-бөліп шығады, оның жану жылуы тұрақты емес. Оның
үстіне көмірді пайдалану тиімділігі жайында анықтамалар жоқ. Грунт
суларының ластануы мен қолданылған көмір иініне келіп түскен грунт
тұнбаларына байланысты проблемалар шешілмейтін емес; көмірді жерасты
газификациялау – қаржыны көп қажет ететін көмірді жерүсті газификациялау
барысында тиісті альтернатива беруі мүмкін.
АҚШ-ң батысында көмірді жерасты және жерүсті газификациялау бір ірі
проблемамен соқтығысулары ғажап емес, ол су тапшылығы. Кейбір мамандар
батыс штатындағы көмір мекендеріне суды Миссисипи өзенінен алуды жөн
көреді.
Газификациялау үрдісінің экономикалық көрсеткіштері тіпті таң
қалдырады. 1978ж. бүкіл мемлекет бойынша табиғи газ 500 млрд-м3-тай
жұмсалған. Көмірді газификациялаудың, өнімділігі 7 млн.м3тәулігіне
құрылғысының бағасы 1 млрд.долл.тең. (1997 жылғы бағамен). 1980ж. АҚШ-те
табиғи газдың сұранысымен, оның іштей өндіру көлемінің айырмашылығы 2,8
млн.м3тәулігіне. Егер де бұл жетіспейтін газды көмірді газификациялау
зауыттарын қамтамасыз етуге 5 млрд.долл. жұмсалар еді. Басқа сөзбен
айтқанда, АҚШ-тағы газ өнеркәсібі өнімді өндіру көлемін 1,05 есеге көбейту
үшін, қондырғыға салынатын қаржыны 2 еседей көтеруге болады. Компаниялардың
көбісі қаржыны салу тәсілінің бұл түрін ақылсыз деп есептейді.
Көмірді газификациялаудың қондырғысы қымбат тұрады, ал оның өнімділігі
үлкен емес, сол үшін алынатын көмірдің өзіндік құны жоғары болуы керек. Әлі
енгізілмеген технология негізінде алынған өнімнің өзіндек құнының бағасы –
бұл әлдеқайда қиын жағдай. Есептеу кезінде төменде келтірілген
көрсеткіштерді есепке алу қажет.
- өнімділігі 7 млн.м3тәу. қондырғы біріншілік қаржы шығыны ~
1млрд.долл;
- қаржыға пайыз ~ 15;
- қойылған қуатты пайдалану коэффициенті ~ 0,2;
- көмір бағасы, доллГДж ~ 1;
- эксплуатациялық шығындар, доллГдж ~0;
- жанама өнімді реализациялаудан түсетін табыс, доллГДж ~0;
- тасымалдауға кететін шығын:
көмірді (1000т. км), центтер
16;
газды, центГДж
2;
суды, центГДж
20;
- қоршаған ортаны қорғауға шығын, центГДж
20;
Құрылғының орналасу орнына, қаржы пайызы, қолданылатын көмірдің сорты
және т.б. байланысты, өндірістің тікелей ұстанысы 4-тен 10 доллГДж-ға
дейін ауытқиды, ал бұл табиғи газдың қазіргі реттеулі бағасы – 50 центГДж-
ға қарағанда өлшеусіз жоғары.
Бұл қатты отынды өндіру технологиясының ары қарайғы тағдыры белгісіз,
оны алдынала болжау да өте қиын.
* Сұйылту
Көмірді сұйылту үшін, оны газификациялаудағы сияқты, технологиялық
үрдістерді қолдануға болады. Көмірдің ұзыншынжырлы молекулалары, шикі
мұнайдың күрделі молекулаларымен ұқсас (көмір молекулаларында сутегі аз, ал
оттегімен азот біршама көп).
Бұрынырақта көмірді сұйылтудың екі технологиялық үрдісі қолданылған;
ал қазір біраз жаңа технологиялар шығарылып жатыр. АҚШ-та тиісті зерттеулер
басталған, бірақ Техастың батыс бөлігіндегі мұнайға бай жерлердің ашылуы
кезінде Ұлы депрессияның басталуы ары қарайғы экспериметтердің
жүргізілуіне бөгет болды. Екінші әлемдік соғыстан кейін көмірді сұйылтуға
қызығушылық қайта оянады, бірақ ол Таяу Шығыста мұнайдың зор орындарының
ашылуына байланысты қайта жоғалды. Мұнай сөзсіз арқан болып шықты; көмірді
сұйылту облысындағы зерттеулер тез арада торға түсті, 1973-1974 жж.
энергетикалық дағдарыс, АҚШ-ң энергетикалық дағдырыс, АҚШ-ң энергетикасының
ресурстың базасы қаншалықты әлсіз екендігін атап көрсетпегенше.
Көмірді сұйылтудың өз уақытысында екі өнеркәсіптік үрдісі құрылған.
Оның біріншісі – қазіргі уақытта ешқандай жерде қолданылмайтын Бергиус
әдісі (Бергиус үрдісі ). Ұсақатлған көмір, осы үрдіс барасында көмірден
алынған маймен араласып, суспензия құрайды. Бұл суспензия сондай-ақ үлкен
қысымда (70МПа) және жоғары температурада (4500 С) көмірден алынған
сутегімен реакцияға түседі. Бұнымен бірнеше өнім алады, ауыр және жеңіл
майлар, бензин, сұйытылған мұнай газ. Бергиус үрдісі – реактор жұмыс
шарттарының күрделілігінен барынша қымбат тұрады. Bureau of Mines
басқармасының бағалауымен, Бергиуси әдісімен алынған бензин құны 22 центл
жуық болатын, ал мұндай қайта өңдеу жолымен алынған бензин құнын
салыстырсақ – 40 центл.
Әрине, мұнайдан алынған бензиннің фиктивті сипаты бар, ол өндіріс
шығынын шығармағаннан кейін, оны тиісті тәртіппен қашанда төмендетуге
болады. Ал Бергиус әдісімен алынған бензиннің құны өндіріс шығындарын нақты
көрсетеді, оны төмендету оңай емес. Екінші үрдіс – ол Фишер-Тропша әдісі
бойынша жүретін үрдіс. Бұл әдістің мәні мынада – көмірді газификациялаудан
кейін алынатын өнімнің каталитикалық конверсиясы орындалады. Тиісті
катализатор қолдана отырып, синтетикалық газдан әртүрлі көмірсутегінің
қосылыстарын алуға болады. Мысалы, кобальтті катализатордың қатысуымен
парафинді көмірсутегіге бар майлар бөлінеді, ал темір катализаторда –
құрамында олефиндер бар жоғары сапалы өнімдер алуға болады. Көмірді
гидрогенизациялау үрдісі (Бергиус үрдісі) шығарда хош иісті мұнай майын
береді. Фишер-Тропша үрдісінде тек 38% шығатын көлемі, сұйық отынға қайта
өңделеді, мұнда Бергиус үрдісіндегідей экстрималды жұмыс шарттары қажет
етілмейді. Бірақ есептеулер Бергиустің технологиялық үрдісінен, Фишер-
Тропша технологиясына қарағанда біршама арзан отын алуға болатынын
көрсетеді.
Қазіргі уақытта көмірден сұйық отын өндірудің келесі технологиясы
жасалуда: COED үрдісі (FOOD Machinery Corp. Корпорацияларының жасауларын),
Prodect Gasoline (Consolidated Oil корпорациясының жұмыстары), ғылыми-
зерттеу институтында жасалып жатқан H-Coal үрдісі, Bureau of Mines
басқармасымен жасалудағы Synthoil үрдісі.
Бұл технологияның үрдістерін барлығы зертханалық шартта зерттеліп,
үміттендіретін қорытындылар берген. Зертханалық қондырғылардың қуаттылығы
сағатына бірнеше жүз килограмм көмірді шығарады.
Көмірді газификациялау сияқты өнеркәсіптік масштабтағы көмірді сұйылту
қондырғылары айтарлықтай қаржы сыйымдылықты, сондай-ақ дайын өнімнің
өзіндік құны да жоғары. Жекешелендірілген энергоқамтамасыздандыру
компанияларының басшылары үлкен шығынға шешім қабылдау үшін неліктен өз
ойларын ауытқытып отыратындары бізге барынша түсінікті, әсіресе таяу Шығыс
мұнайын американдық нарыққа шығару мүмкіндігінің анықсыз екендігін есепке
алсақ.
Енді сентетикалық көмірсутегін өндіру қондырғыларының қоршаған ортаға
тигізетін жері туралы айта кетейік.
6.5.-сурет. Көмірді сұйылту және газификациялау үрдістері (қоршаған
ортамен әсерлесу облысында):
Хош иісті көмірсутек заттарының молекулаларында жоғары сн байланысы
бар, сондықтан көміртектің бір атомы екіншісінен тығыз байланысты. Қандайда
хош иісті көмірсутегі токсикалық, ал көмірден алынған – канцерогенді.
Бұндай қондырғыларды сумен қамтамасыз етудің өзі екі проблемалары:
біріншіден АҚШ батысында көмірдің шығу жерінде су жетіспейді; екіншіден,
отынды синтездеу үрдісі әрдайым ластанған ақаба су мөлшерін көбейтеді, егер
оларды тазаламаса, жергілікті өзендер мен су қомалары ластанады.
Қазіргі кезде көмір базасында көмірсутекті отындардың техникалық
жағынан синтезделуі әбден мүмкін, алынатын өнім табиғи көмірсутектеріне
қарағанда соншалықты қымбат, шетелден тасу тәуелділігін әлсірету және
энергоресуртардың жетіспеушілігін жоюдың басқа да альтернативаларын іздеу
керек. Бұдан басқа қоршаған орта проблемаларына синтетикалық көмірсутегін
өндіру жатады, алып жоспарларды нақталау кезінде осыған барынша қатал
көзбен қарау керек.
* Сутегі
Ірі масштабты энергетикалық ресурстардың адамзат қолданысындағы
тізімі тіпті жұпыны: органикалық отындар, ядролық жанғыш заттар, күн
энергиясы. Қазіргі дағдарыстар, аз ғана энергия көздерінің арасындағы
приоритеттің дұрыс тағайындалмағанымен түсіндіріледі. әрбір аса тапшы
энергоресурстардың аз тапшылықтыларға ауыстыру үлкен табыс әкелуші еді.
Дегенмен, егер біз органикалық тапшы отындарды энергияны босату мақсатымен
жақпай, оны нефтехимия аумағында қолдансақ, онда өзіміздің даму жолында
алға қарай жылжитын едік.
Міне, сутегі экономикасы негізіне қойылған идеялар осымен
қорытындылады.
Осы ұстанысқа сүйенсек, сутегі энергияның алғашқы көзі емес,
энерготасушы немесе энергияны жинақтау заты ретінде қарастырушы едік.
6.6.-сурет. Электроэнергия емес, сутегі түрінде энергияның жинақталуы
мен тасымалдануын іске асыратын су шаруашылығының
құрылымы.
1-сутегін өндіру үшін ядролық қондырғы; 2-жерасты құбырлар арқылы сутегіні
жіберу; 3-газтәрізді сутегіні жерастында сақтау; 4-сутегін криогенді
температурада сақтау; 5-жергілікті электростанциялары үшін отын;
6-өнеркәсіптік кәсіпорындар үшін.
Сутегін энергияның алғашқы көзі ретінде қолдану үшін, оны қазіргі
заман технологиясымен өндіру өте қымбатқа түсіп жатыр. Бұнымен қатар сутегі
өзінің бір қатар қасиеттеріне байланысты электроэнергияға қарағанда көп
жағыдайда эффективті. Ол мотор отыны болуға жарамды, осының өзі мұнай
өнімінің 20%-ын басқа да мақсаттарға қолдануға мүмкіндік беруші еді. Бұл
тарауда сутегінің кейбір қаситеттері, сондай-ақ, сутегі-болашақ отыны деп
ататын сутегі экономикасының энтузиастары дұрыс пікірде ма, осыны анықтау
үшін оны өндіру және қолдану әдістері қарастырылады.
6.3.-кестеде сутегімен метанның энерготасымалдаушылар ретінде қолдану
сипаттамасы жазылған. Назар аударайық, көлемі жағынан сутегі жануының
меншікті жылуы, метанға қарағанда үш есе аз. Оның тұтқырлығы де метаннан үш
есе аз.
Сондықтан газқұбырлары жүйесінің өткізу қабілеті – метанды
тасымалдағандай, сутегінің тасымалдауда да энергоқұрылымы жағынан сондай
болады.
6.3.-кестесі. Сутегі мен метанды салыстыру.
Көрсеткіштер Сутегі Метан
Балқу температурасы, 0 С - 254,1 - 182,5
Қайнату тепературасы, 0 С - 252,7 - 165,5
Ауаға қатысты газдың тығыздығы 0,069 0,554
өзіндік алулану температурасы, 0 С 585 538
Бірақ сутегіні тасымалдауда компрессорлардың үлкен қуаттылығы қажет
етіледі, ол әрине табиғи газбен салыстырғанда шығынды көбейтеді. Төменде
әртүрлі энерготасымалдаушылардың тасымалдау бағалық көрсеткіштері
салыстырылады.
Энерготасымалдаушы және тасымалдау Энергияны тасымалдаудың есепті
әдісі: шығындары, центиДж:
Метан (құбыр арқылы тасу) 3,0
Сутегі (құбыр арқылы тасу) 3,1
Электроэнергия (жоғары өткізгішті 20,0
электрожіберу сызығымен жіберу)
Бензин (танкермен тасу) 9,0
Электроэнергия үшін көрсеткіш, электро берілу ұзақтылығы 100км-ден
асады деген тұжырымнан алынған.
Газ құбырлары жүйесінде сутегінің тасымалдану, эксплуатациялық
шығындардан басқа қандай қасиеттерге ие? Біріншіден, егер табиғи газ өнімі
аяқ асты түссе, газқұбырлар иелері сутегіні тасымалдауға оларды қолдануды
жалғастыра береді, сол арқылы өздерінің ірі қаржы салымдарына табыс алады.
Екіншіден, сутегінің өндіру қондырғылары оны тұтыну жерінен алыс
орналасуы мүмкін, ол бәріненде тиімді. Мысалы, сутегі өндірілетін энергиясы
бар ірі ядролық энергетикалық кешендерді, энерготұтыну орталықтарынан үлкен
қашықтықта орналастыруға болады, онда оларға салқындататын су жеткілікті,
мысалға айтсақ, көл жағасында немесе ашық көлде. Сутегіні өндіру үшін,
алшақта тақыр аудандарда орналасқан ірі күн электростанциясын қолдануға
болады.
Мұнда бір сұрақ туады, сутегі неліктен жетіспейді? Сутегі метанға
қарағанда, герметикалық бұзылыстарда, құбыр өткізгіш жолында тез
диффундаларды, яғни таралады, сол үшін оның жоғалу қаупі үлкен. Бірақ осы
жоғары диффузиенді қабілетті, сондай-ақ молекулаларының басқа газдарға
қарағанда жеңіл болуының арқасында, сутегі метан тәрізді қойма бөлмелерінде
жинақталмайды және жарылыс жағдайын болдырмайды. Сутегінің метаннан гөрі
алаулағыштығы кең диапазонды болып келеді. Осы жағдай, сондай-ақ сутегінің
түссіз жалынмен жану факті тұрмыста қолданылуын қиындатады. Жалын бояу алу
үшін, сутегіге құрамында көміртегі бар зат қосу керек.
Табиғи газды тұрмыста қолдану алғашқы рет ұсынылғанда, жарылғышқауіпті
және оңай жалынданатын затты үйде қолдану қажет па деген үлкен
наразылықтар туды. Әрине қазіргі уақытта бұл адамдарды қобалжытпайтын
болды. Рас, сутегі алдында күшті қорқыныш сақталған, бұл негізде
Гинденбург синдромы деп аталатын едәуір үлкен апаттың үрейі жатыр, 1938
ж. 6 мамыр күні Лейкхрестетегі штат Нью-Джерсида неміс дирижаблі
Гинденбургпен болған апаттың әсері. Гинденбург дирижаблі ауадан да
жеңіл ұшқыш апарат болатын, қатты қабыршықты (жұмсақ қабыршықты әуе
шарларына қарағанда), оның көтерілу күші сутегінен құралады. Ол қону
матчына түсерде, аяқ асты апатқа ұшырап, соның нәтижесінде сутегі жалындап
кетті. Дирижабль жерге құлап, 36 адам қаза тапты. Олардың көбісі өрттен
емес, гондаланың жерге соқтығысуынан мерт болған. Сутегі ауадан жеңіл
болғандықтан, ол сыртқа шыққанда, жоғары қарай ұшырылады, сондықтан жалын
төменге емес, жоғары қарай көтеріледі. Жүктің айрықша түрлерінен тасымалдау
үшін, гелиймен толықтырылған дирижабльді қолдану идеясы туындаған.
Келесі келеңсіздік, ол сутегіні құбырлар арқылы өткізгенде, сутегі
молекулалары оңай диссорцияланады да, атомарлы сутегі таза металдармен
балқымалар атомдары арасындағы бос кеңістіктерге еніп кетеді. Осының
нәтижесінде болат әлсіз, әрине сынғыш болып келеді. Бұл сутектік
әлсіздендіру қысымының өсуімен күшейеді. Қазіргі кезде коррозияға тұрақты
балқымаларды шығару мақсатымен қарқынды зеттеулер жүргізілуде.
Сутегінің өзіндік жануының температурасы едәуір жоғары, бірақ жану
энергиясы айтарлықтай емес – тек 20 кДж, табиғи газға деген аналогты
көрсеткіштің 7%-дан төмен құрайды.
Сондықтан сутегіні каталитикалық жылу генераторларында қолдануға
болады, онда ол түссіз жалынмен ауаны ластамайды, төмен температурада (2000
С жуық) жанады. Азот қышқылы пайда болмайды; жалғыз жанама өнім – ол су,
оны бөлме ауасын ылғалдатуға қолдануға болады. Құрамында 4% -дан көп емес
сутегі бар газды қосылыстарды катализатор көмегімен жалғауға болады. Осының
арқасында оның түгелдей жануы қамтамасыз етіледі. Сутегіні каталитикалық
жағу, тұрмыстық қажеттіліктерге энергияны өндіру үрдісін түгелдей
дүрбелеңге салушы еді.
Сутегіні тұрмыста қолданудың тағы бір тәсілі-отындық элементтерді
қолдану. Сутегі-оттектік отын элементтерін тұрмыста қолдануға болады, мұнда
сутегінің жалындауынан қорқу себептері жоқ. отындық элемент сутегі
энергисын электроэнергияға айналдыруға мүмкіндік береді; ауаны
кондиционерлеу (тазалау) және бөлмелерді жылытуға арналған жылу насостарды
отын элементтерінің батарейясына қосуға болады, бұл экономикалық жағынан
расталған. Отындық элементтің жұмысы кезінде жалғыз жанама өнім су болып
табылады, ол көптеген тұрғын үйлерде өзінің құндылығымен ерекшеленеді.
Өнеркәсіптік масштабта сутегіні өндірудің бірнеше әдісі бар. Жоғары
сулы газдың каталитикалық конверсиясының үрдісі қарастырылған, онда көмірді
газификациялау құрылғысында алынған көміртек қышқылымен сутегі, катализатор
қатпарында су буымен әрекеттеседі; нәтижеде сутегі мен көміртегінің екі
еселенген қышқылын алады. Басқа әдіс, бұрынырақта кең қолданған, бірақ
болашақта қолданыста болатыны екі талай, ол метанның булы реформингінен
тұрады (табиғи газдың):
СН4+2Н2О→СО2+4Н2
(6.11)
Бұл технология аммион синтезін пайдалану үшін сутегіні алу мақсатында
қолданылады. Үшінші әдіс, қазіргі уақытта қолданылады – ол судың
электорлизі. Суды электролитикалық талдауда
Н2О→Н2+О2 – 242 кДжмоль
(6.12)
Эндотермиялық реакция; оны қолданғанда экономикалық жағынан расталған
деп бірғана шартта есептеуге болады, егер арзан электроэнергия артығымен
болса, су электролиз – эндотермиялық энегосыйымдылығы, электролиздің басқа
реакцияларына қарағанда еәдуір кіші; мысаыл, боксит электрлизі кезінде
(Аl2O3) энергия шығыны 1,97 МДжмоль құрайды.
Қазіргі уақытта сутегіні алудың бірнеше жаңа технологиялық таралуы,
фотолиз және биоконверсия.
Олардың біріншісі, ядролық реакторлар немесе басқа да көздерден
алынған төменпотенциалды жылуды және химиялық реакциялардың бірнеше түрін
қолдану арқылы судан сутегі алады, бұл қымбат тұратын электрометикалық
үрдісті пайдалану қажеттілігінен сақтап қалуға мүмкіндік береді.
Реакциялардың ең бір табысты тізбегінің бірі Еврома – Euratom Research
Genter (Италия, Испре қаласы) ядролық зерттеулер орталығында анализденген.
Mark – 1 технологиясын енгізуге қарсы аргумент – сынап, ол едәуір
қымбат тұрады. Әрине, кемшіліктері жоқ реакцияларды ойлап табуға болады,
бірақ бәрібір олардың барлығы, өздерінің жеке кемшіліктерін көрсетеді.
Осыдан суды таратудың экономикалық қолайлы термохимиялық технологиясы
әлі шығарылған жоқ деуге болады.
Термоядролық реакторда пайда болатын ультракүлгін сәулеленуді қолдана
отырып, судың тікелей фотолизін алуға болады. Реакцияның бұл түрі, дейтрий
– тритий қоспаларының термоядролық реакциясында ереже бойынша жүрмейді,
бірақ оны инжекцияның жасанды жолымен қандай-да бір ауыр металдың
термоядролық плазмасына шығаруға болады. Бұл бағыт термохимиялық әдіс
тәрізді қарқынды зеттелмеген. Әлі көптеген фундаментальды және таза
техникалық проблемалырды шешу керек. Мысалы, қайтылымды реакция барысында
алынатын газдардың – сутегі мен оттегінің мөлшері азаймас үшін қандай шара
қолдануға болады?
Сутегіні энерготасушы ретінде пайдалнудың тағы бір жолы – оның көлік
құралдарында қолданылуы.
Қазіргі іштей жану қозғалтқыштары сутегімен жақсы жұмыс атқарады; олар
сутегі жағар отынына ауыстырсақ, тек карбюратор конструкциясын және
оталдыру жылдамдығын өзгерту керек. сутегі көлік қозғалтқыштарына арнайы
отын ретінде қызмет етеуге жарайды. Жанғыш өнімдер – жалғыз су буымен азот
қышқылы, оларды каталитикалық конверсия реакторлары көмегімен реттеуге
болар еді. Оны қозғалтқыштарда қолдансақ, ауаға толық жанбаған көмірсутегі,
қорғасын қоспалары және көмірқышқыл тасталмас еді. Бірақ сутегіні мотор
отыны ретінде қолданудың өзінде үлкен кемшілік бар. Проблема газтәрізді
сутегінің сақталуында жатыр.
76л сиятын бакқа құйылған бензиннің массасы 53кг; газтәрізді сутегінің
энергоқұрамы жағынан экваваленттік мөлшерінің массасы 19кг ғана болушы еді,
оны қалай сақтау керек? Сутегінің осындай көлемі сиятын болат
резервуарларының массасы бірнеше тонна болар еді. Қазіргі уақытқа дейін
сутектік қозғалтқыштары бар көліктердің жанармай станциялары арасында жүру:
100 км-ге жетпейтін. Сутегіні сұйық күйде сақтасақ, оның жоғарғы тығыздығын
алуға болады. Бірақ сұйық сутегінің қайнау температурасының төмендігі және
оңай жалындауы бұндай тәсілдің автокөлікке қолдануын тиімді етіп жасамайды.
Сонда да ол авиацияда қолданылуы мүмкін.
Ұшақтарға дәл аэропоттағы орталық қондырғыда өндірілетін сұйық
сутегінің құйылуы, әуе көлігінің экономикалық көрсеткіштерін біраз көтеруші
еді.
6.4-кесте. Сұйық сутегі мен керосинде жұмыс жасайтын дыбыссыз
ұшақтардың эксплуатациялық сипаттамаларының салыстырылуы.
Дыбыссыз ұшақ Көрсеткіш
өзгерісі % !
Көрсеткіштер
Керосинмен Сұйық сутегімен
жөнделген жөнделген
Максималды коммерциялық 25000 25400 -
салмақ, кг
Ұшық ұзақтығы, км 6000 6100 -
Крейсерлік жылдамдық 0,820 0,820 -
Маха саны
Ұшақ массасы, кг 195000 146000 26
Максималды қону массасы, кг108700 97880 10
Құйылған отынның массасы,
кг 62300 21200 65,9
Отындық бактардың көлемі,
м3 82,7 313 278
Қанат ауданы, м3
Қанатқа түсетін меншікті 322 263 18,2
салмақ, кгм2 606 552 -
Отынның меншікті шығыны,
кг.сағкг 0,677 0,216 -
Қанаттың қағылуы, м
47 43 -
Алайда, сутегінің көлік отыны ретінде қолдануға сақталуының басқа да
әдісі – оның гидрид түрінде металдармен қосылысын қолдану. Айтылғандай,
сутегі атомдары реттеулі кристалл торларының атомдары арасында оңай еніп
кетеді. Гидридтің түзілу металдың құрылымының тығыздығын бұзып, оның
сынғыштығына әкеп соғады. Алайда сутегіні автокөлікке қолдану үшін сақтауға
қатысты гидридтің түзілу әдісі барынша табысты. Гидрид металдарында сұйық
сутегіге қарағанда, сутегі тығыздығы жоғары. Гидридті жылыта отырып, одан
сутегіні босатып алу өте оңай. Бірақ мұнда да қиындықтар туады. Осы мақсат
үшін қажетті металдар салыстырмалы сирек және қымбат (титан), сондай-ақ
гидрид металдарынан тұратын бак барынша ауыр, энергоқұрамы жағынан
сыйымдылығы 76л бензобакпен бірдей 638 кг массасы болар еді.
Айтылғандардың бәрінен мынадай қорытынды жасауға болады, сутегі
автокөлік үшін керемет матор отыны ретінде қолданыста болса да, оның
көліктерде кеңінен қолдануына мүмкіндік беретін сақтау және тарату жүйесін
енгізуді құру жұмысы тек тиісті экономикалық ұсыныстар пайда болғанда ғана
басталады. Бұндай ұсыныстардың болашақта болуы екі талай. Біз әлі сутегі
шаруашылығының экономикалық көрсеткіштері жеткілікті үнемді бола ма деген
сұраққа жауап берген жоқпыз. Алайда бұл, техникалық жетістіктер арасында
жағдайдың жақсы жағына қарай өзгеруін қадағалу қажеттілігін есептеп
алмайды, әсіресе таяу онжылдықта органикалық отындардың үнемділігіне
қатысты сұрақ аса қырлы болса.
Спирттер
Бәсекеге түспейтін сутегінің қасиеттері біздің назарымызда отынның
басқа да түріне аударады, құрамының жартысы сутегіден тұратын – бұл спирт.
Қазіргі уақытта спирттік отындарға деген үлкен қызығушылық мынада, ең
алдымен олардың қайта қалпына келетін энергия көздері базасында алынуына
және мұнайды шетелдік әкелушілерден тәуелділіктің бәсеңдеуінде. Алайда бұл
қызығушылық пен қатар белгілі бір күдіктену пайда болады: спиртті отындарды
өндіргенде, сол өздерінің құрамындағы энергия құнымен салыстырғанда үлкен
шығындар болама ?
Осы сұраққа жауап беруге және спиртті отындарға, олардың алыну жолдары
мен соңғы пайдалануына дейін объективті сипаттама берейін. Күтпеген
нәтижелер!!!
Спирттің көптеген түрлері бар, бірақ олардың екеуі ғана отын
ретінде бағаланады – метилді (метанол) және этилді (этанол). 6.5-кестесінде
спирттің кейбір қасиеттері бензиннің қасиеттерімен салыстырылған.
6.5-кесте. Метанол, этанол және бензиннің салыстырулары
Көрсеткіштер Метанол Этанол Бензин
Меншікті энергосыйымдылық, Джл 13,3 18 27,65
Көлемді бірліктегі отынға ауаның 6,4 4,0 14,7
стехио-метриялық қатынасы
Қайнау температурасы, 0С 64,96 78,5 -
Қату температурасы (кристализацияның), 0С -93,9 -117,3 -
Өзіндік жалындау температурасы, 0С 467 535 -
Бірінші кезде, этанол мен метанолдың арасында айырмашылық жоқ
тәрізді, бірақ олар, отын ретінде қолданылуы үшін қажетті мағына беретін
көптеген негізгі көрсеткіштерімен айырылады. Кейбір көрсеткіштер 6.6
кестеде ұсынылған.
6.6-кесте. Этанол мен метанолдың технико-экономикалық сипаттамаларының
салыстырулары
Сипаттама Этанол Метанол
Алу тәсілі
Өндірістің өзіндік құны (1980ж. бағада), 0,40-0,53 0,13-0,20
доллл
Бензинмен спирттің 10%-дың қоспасының 0,46 0,1
тұрақтылығын бұзбайтын судың максималды
құрамы, %
Бірінші погондағы судың құрамы, % 4,4 0
Этанолды негізінен жеміс қантының (левулеза немесе дикстраза) немесе
фрунтоза ферментациясы көмегімен алынады. Оны тағы көміртегінің кейбір
түрлерін (тростник қанты – сахарозаны, солод қанты – мальтозаны? Крахмалды
немесе целлюлозаны), ферментация біреуіне ғана қалыптастыра отырып алуға
болады.
Бұл дәнектен алкогольді сусындар өндіру үшін қолданылатын үрдіс.
Метанолды жапырақты ағаштардың құрамындағы целлюлозаны құрғақ күйде
күйдіру арқылы алады; оны макулатура сияқты құрамында целлюлозасы көп
қалдықтардан да алуға болады. Бұл спирттердің екеуін де табиғи газдан,
мұнайдан, көмірден алуға болады, оларды шикідей – сутегі және көміртегінің
келесі каталитикалық реакциямен сутегіге айналдыру жолымен алуға болады.
әрине спирт өндірудің бұл әдісі сұйық жағдайды жақсартпайды.
Этанол мен метанолда 100%-ға тең таза деңгейде алу өте қиын. Бұл
спирттермен бірге жоғарғы ретті спирттер қоса пайда болады – пропонал,
изобутонал, т.с.с, ал этанол болса, күйдіру өнімі жақсы жағдайда
96,54% концентрациясы бар сулы ерітінді болып табылады. Метанолға бұл
спирттер қосымша қасиеттер береді, бұл туралы кейінірек айтамыз.
Метанолды отын ретінде қолдану үшін оны әрдайым басқа жоғары сапалы
спирттермен қосады, бұндай қоспаны метильді отын немесе жай ғана метанол
деп атайды. Спирттерді отын ретінде, мұнай өнімдерін және газды
қолданатын барлық жерде күйдіруге болады. Мұнай өнімімен салыстырғанда
спирттердің энергоқұрамы екі есе аз болғандықтан, сондай-ақ олардың
өндіруге құны бірдей болғандықтан, спирт отынын мұнай отынының орнына
қолдану – ешқандай сезілетін экономикалық табыс әкелмейді деп
ойлауымызға болады. Газохол – 10-20%-ын метанол құрайтын қоспа. Автокөлік
иелерінің көбісі газохолдың арқасында меншікті отын шығыны және
орнынан жылжу жылдамдығының уақыты сияқты сипаттамаларды жақсартуға қол
жеткізгендерін хабарлаған; қоршаған ортаны ластайтын тастандылар азайды.
Кейбіреулер, керісінше, ауа-райы суық кезде автокөліктердің іске қосылу
көрсеткіштерінің нашарлығына наразылық білдіреді, сондай-ақ
қозғалтқыштардың қосылуының қиындығына, отынның меншікті шығының
азаюына.
Таза спиртпен жұмыс істейтін қозғалтқыш, сол қуаттағы бензин
қозғалтқышына қарағанда шығарылатын газбен жану өнімін әлдеқайда аз
бөледі. Спирт буының температурасы салыстырмалы төмен болғандықтан азот
қышқылы да екі есе аз бөлінеді. Ауаның стехиометриялық мөлшері спирт
үшін бензинге қарағанда аз және спирттің булары жұпыны қоспада мейлінше
жақсы жанады. Сондай-ақ көміртек қышқылының мөлшері де азаяды – ол
бензин қозғалтқышымен салыстырғанда тек 50%-ға жуығын құрайды.
Бензинге қарағанда, спирттің молекулярлық құрылымы күрделі емес,
сондықтан толық жанбаған көмірсутектер мұнда болмайды десе де болады.
Бұдан басқа, спирт отының октандық санын көтеру мақсатымен қорға
қорғасынды қосу қажеттілігі тумайды, нәтижесінде атмосфераға тасталатын
қорғасын қоспалары төмендейді.
Таза спиртті отын ретінде қолдану екі кішкене және бір ірі
проблемаларды шешуді керек етеді. Белгілі болғандай, спирттерде көптеген
пластмассалар ериді және көптеген металдар коррозияға ұшырайды. Таза
спиртпен жұмыс істейтін автокөліктердің қоректену жүйесін коррозияға
төзімді балқымалардан жасау керек; резина немесе пластмассасы қолдану
мүмкін емес. Спиртпен жұмыс істейтін автокөліктің құрылымына бірқатар
өзгерістер енгізу керек: (6.7 сурет) таратқышта 1 оталдыру бұрышының
реттелуі орындалады; отын насосында 2 барлық пластмассалы және резинкалы
бөліктер ауыстырылады; жану свечаларында 3 от ұшқындарының (мскра)
температурасы төмендейді, карбюраторды 4 отынды – ауалы қосылыстың
массалық шығыны ұлғаяды; барлық резиналы және пластмассалы бөлшектер
ауыстырылады. Спирттің екпінділік күшінен, сондай-ақ спирттің жану
жылуы бензинге қарағанда көлем бірлігі есебінде төмен болғандықтан көп
өзгерістер енгізілуі тиіс.
6.7-сурет. Автокөліктің құрылымы, өзгеріс белгілерімен.
АҚШ-та спиртті матор отыны ретінде қолданудың ұлттық бағдарламасы
жоқ; автокөліктердің мұндай түрлері шығарылмайды. Бірақ американдық
компаниялар спиртпен жұмыс істейтін автокөліктерді, соындай бағдарламасы
бар Бразилия үшін көптеп шығарады.
Екінші проблема – ол спирт буларының тығыздығымен байланысты. Бұл
отындар бензин сияқты оңай ұшпайды, сондықтан ауа-райы суық кезде
қозғалтқышты іске қосқанда қиыншылықтар туады. Бұл қиыншылықтарды, отын
берілудің екілік жүйесін құру жолымен өткердік. Оталдырғанда
карбюраторға бензин беріледі, қозғалтқыш қашан жылығанда, спирт келіп
түсе бастайды. Ал ең басты проблема, АҚШ-та спиртті матор отыны
ретінде қолданумен байланысты, өйткені мұнда этанолды да, метанолды да
керекті мөлшерде шығармайды, бензинді жіберетіндей спирт отындарын
жіберетін автожанармай станцияларының жүйелері әлі кеңінен істейтін
автокөліктер жоқ. Спирттік отындарға көшу, біраз жылдар бойы біртіндеп
іске асырылушы еді, бірақ алғашқы қадамда жасауға кімнің батылы барады?
Автокөлік жасайтын фирмалар отынсыз қалатын көліктерді өндіруден бас
тартуда, ал спирт өндіретін зауыт иелері алдын-ала сұраныста жоқ
отынды, үлкен көлемде өндіргілері келмейді. Бастамаға, күрделілігі төмен
проблеманы шешудің бәр мәні болар еді – ол спиртті бензинге қоспа ретінде
енгізу.
Бензин мен спирттің қоспалары 40 жыл бұрын автокөліктерде кеңінен
қолданылған. Әрине бұл жерде де белгілі бір проблема бар, бірақ бензинге
деген бағаның үзіліссіз өсу шартымен, бұл проблемалардың көбісі ешқандай
мән бермеуші еді.
Бірнеше жыл бұрын, бензин мен спирттің қоспаларын қолдануға ұсыныс
жасағанда, эксперименттер, қайта жөнделмеген стандартты автокөліктердің
жұмыстық сипаттамалары, осы қоспада жұмыс істеуге көшкенде барынша
жақсарады деп көрсетті. Кейбір ұштардың конструкциясын, анықталғандай,
артынша бәрібір өзгерту керек. 6.7 суретте көрсетілген өзгерістер, бензин
мен метанол қоспасында жұмыс істейтін автокөліктерге жатады; этанол мен
бензин қоспасымен жұмыс істеуге көшу де өзгерістерді қажет етеді.,
Тағы бір ірі проблема туындайды – қоспаның қатпарлануы. Бензин мен
спирт қоспаларының тұрақтылығы, оның құрамындағы судың көлеміне
байланысты. 6.6 кестеде көрсетілгендей, 100 г қоспада 0,1 г су болса,
метанолдың ерітіндіден айырылуына жеткілікті болады. Егер қоспа
компоненті ретінде этанол қолданылса, онда судың қоспадағы реттік
мөлшері үш есе көп болады, және проблема бұндай өткір болмайды.
Мәселе мынада, спирт пен судың молекулалары полярлы болып келеді, ал
бензин молекулалары – жоқ. Спирттің молекулаларының жоғары поляризациялық
қабілеті, молекулярлық массасы аз қоспаның буының тығыздығының
төмендігімен түсіндіріледі: молекулалар өзара тартылыс күшімен тығыз
байланысты. Қоспаның қатпарлануын тоқтату үшін, оған 1% немес одан да
жоғары спирт – бутанолды және т.с.с. қосуға болады. Бірақ бұл әдіс,
бензинді спиртпен жиі алмастырудың арқасында алынған әртүрлі
потенциалды экономикалық басымдарын мейлінше азайтады немесе мүлде
нөлге әкеп жеткізеді. Кейбір деректер бойынша бұл тұнбалар да
проблеманы түгелдей шешуге көмектескен жоқ, әсіресе ауаның төменгі
температурасымен. Астын сызып қояйық, қоспаның қатпарлануынан болған
қиындықтар, бензинге этанолдық емес, метанолдық қоспа ретінде қолданылуымен
айқындалады. Спирт молекулаларының полярлы табиғатынан пайда болатын
басқа да проблема, спирт пен бензин қоспа буларының тығыздығының
жоғарылығынан тұрады, ол булы тығынның пайда болуына себеп болады.
Таза спирт буының тығыздығы төмен. Бірақ оның бензинмен қосылғандағы
болатын бензоспиртті будың тығыздығы, таза бензинге қарағанда, мейлінше
жоғары болады, өйткені бензиннің полярлы емес молекулалары полярлы
байланысты бұзып, спирт молекулаларын өзара физикалық түрде бөліп
тастайды. Бұндай шартта мынаны күтуге болады, заттың молекулярлық
массасы көп болмаса, будың тығыздығы да сондай болады. Булы
тығынның пайда болуымен байланысты проблеманы бензиннің құрамындағы
ұшқыштығы жоғары жеке компоненттерді алып тастау жолымен немесе
карбюратордың тиісті реттегіштігімен шешуге болады. Бұл әдістердің
екеуі де идеяның өзінің біртұтастығын жоққа шығарады. Бутан, пентан және
т.с.с. заттарды бензиннен алып тастау әдісі, оны тек қымбаттатпайды,
сондай-ақ меншікті жану жылуын төмендетеді.
Карбюратор реттегіші, бензоспиртті қосылыстарды қолданғандағы
автокөліктердің конструкциясын қайта қажеттілігінің болмауынан алынған
қасиеттерді алып тастауға қабілетті. Аавтокөлікті іске қосу
көрсеткіштері, метанол мен бензин қосылыстарына қарағанда, этанол мен
бензин қоспасын қолданғанда ғана жоғары болады даген ой туады. Бұл
шынымен осылай, тек экономикалық шешімдер қажет. Метанол отын ретінде
күшейтіле жарнамаланады, өйткені ол оңай табылады, ал этанол үш есе
қымбат. Этанолды тек алкагольді сусындар шығаратын зауыттардың
қажеттілігіне ғана өндіреді. Сондықтан да ол өте таза және жоғары
сапалы болуы керек. Барлық американдық спиртзауыттар қажетті технологиялық
жылуды мұнай отынын жағу жолымен өндіреді. Бірақ отын ретінде қолдану
үшін, өсімдік шикізат материалдар базасында этанолды өндіру мақсатымен
алкагольді сусындарды шығаратын зауыттарды салуға болады.
Қалдықтардан пайда болатын отындар
АҚШ-та адам басына тәулігіне 2 кг-ға жуық қалдықтың үлкен көлемі
шығады (1980ж), бұл көрсеткіш жыл сайын 2-3% өсіп отырады. Бір
кездері қатты қалдықтар көзді кедергі болып саналуын еді. Жақсы
деген жағдайда, тек ауылшаруашылықтағы кейбір қалдықтарды тыңайтқыш
ретінде қолданысқа алатын. Үйлерде электронды мусорбөлшектеуіштер
пайда болғанға дейін, қала қалдықтарының құрамы келесідей болатын:
тамақ қалдықтары, қағаз, текстиль, сауда кәсіпорындарының қалдықтары,
лай, пластмасса, көше мусорлы, өлген жануарлардың денелері, әйнек,
ағаш, орман материалдарының қиындылары, қара металл, түсті металл,
резина, былғары, күл. Бұл ылғалдатылған қалдықтарды, қағида бойынша,
жақын арадағы санитарлы үйінділерге апарып лас арнайы үйіндіге
учаскелерді табу қиынға соқты, қатты қалдықтарды жаға бастады. Тек
осы кезде ғана мұндай қалдықтарды ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz