Горива

Под горива се разбират такива вещества, независимо от агрегатното състояние, които са способни да отделят голямо количество топлина при взаимодействието си с кислорода на въздуха и да развуват висока температура; срещат се широко в природата или пък могат да се получат от природни суровини при сравнително простата им разработка; достъпни са и евтини; не отделят вредни за здравето на хората и животните продукти и сравнително лесно да се запалват. При това дали са природно дадени, или пък са получени при подходяща обработка на природни суровини биват естествени и изкуствени. Те се класифицират по агрегатно състояние - твърди, течни и газообразни и по техния елементен състав. Едни горива са само въглерод (кокс, дървени въглища и прочие), а трети въглерод, водород и кислород (дърва, торф, каменни въглища, воден газ, спирт и прочие). При обикновени условия едни горива не търпят промяна, други търпят в състава си по-малка или по-голяма промяна - някои въглища, редица течни горива и прочие.

Почти във всички горива съществуват две рязко различаващи се съставки - горлива органична част и негорлива част (баласт), която се състои от влага и минерални вещества. Така че може да се даде общият израз на горивото - органична част + баласт=100. Минералната част след изгаряне на горивото, т.нар. пепел, се състои главно от карбонати, сулфати, силикати, фосфати и прочие на калия, калция, желязото, натрия и прочие. При газообразните горива баластът се състои от CO₂, азот и водни пари. Отрицателните страни на негорливата част се изразява в намаление на полезната горлива част и участва в транспорта (разходите) по него; отнема част от топлината, като се сгрява; при наличието на влага и негорящи газове те се сгряват и отнасят част от топлината навън през комина в атмосферата; когато негорливата част е твърда, понякога се стапя и образува шлака, която запушва скарата на пещта и по този начин правилното горене се нарушава, а освен това чат от горивото остава включено в шлаката, без да изгори. По правило тъмнооцветената пепел се стапя при по-ниска температура от светлата.

Съдържанието на влагата в горивото зависи от начина на получаването му и съхраняването. И според това се различават следните състояния на горивото: работно, когато то не е подлагано на изсушаване, тоест състояние, в което идва горивото до потребителя; въздушно сухо е влагата при лабораторно съхраняване (на въздуха) при обикновени условия - понякога се нарича хигроскопична или лабораторна влага; абсолютно сухо е влагата, останала след като горивото е било изсушавано при 105 градуса по Целзий на въздуха до постоянно тегло.

Най-същественият фактор за качествата на горивото е съставът на горливата част. Тя определя калоричният ефект, способността на горивото да дава дълъг или къс пламък, да отделя летливи продукти, колко висока ще бъде температурата и прочие. Състои се от съединения на въглерода, водород, кислорода и понякога на азота и сярата. Най-важни са въглеродът и водородът и тяхното съдържание определя качеството на горивото. Ако въглеродът е повече при твърдите горива, те горят с къс пламък или безпламъчно. По-голямото количество водород пък определя получаването на летливи смолести вещества, които като горят, дават пушлив пламък. Кислородът понижава качеството на горивото, тъй като при горивния процес дава с водорода вода, която отнема част от топлината. Съдържанието на азот практически е без значение върху калоричния ефект на горивото. Сярата в зависимост от съединенията, в които се намира горивото при изгарянето му, дава или SO₂, който действа кородиращо върху стените на отоплителните прибори, или не изгаря, ако е сулфатно свързана.

Твърди горива

Ще бъдат разгледани само каменните въглища. Те са плод на овъглителен процес под влиянието на ред гео- и биохимични агенти на низшите растения - водорасли, мъхове, треви и прочие през минали геологични епохи. Делят се на млади или кафяви каменни въглища с немного напреднал овъглителен процес и стари, истински или черни каменни въглища със значително напреднал овъглителен процес.

Кафяви каменни въглища

Имат светлокафяв до тъмнокафяв цвят. Съдържанието на въглерод е 65-75%, водата в момента на добиването им е 40-50%, а във въздушно сухо състояние 10-20%. Доста богати на сяра и азот. Калоричният ефект за килограм въглища се движи от 3 000 до 6 000 kcal. Според физичните си свойства степента на овъглителния процес и чистотата на въглищата се делят на няколко вида - дървесните - с дървесна структура, землести - без растителна структура, мочурни или блатни - с останки от блатни растения и прочие. От голямо значение е съдържанието на битум, тоест вещества, които са разтворими в бензом и могат да се екстрахират с този разтворител.

Битумът е кафяво-черна маса с ниска температура на стапяне. По съдържанието си на битум кафявите въглища се делят на постни (под 5% битум), мазни и битуминозни (над 15% битум). Съдържанието на битум е от съществено значение за качеството на кафявите каменни въглища. То определя тяхната годност за брикетиране. От него се получава минерален восък, катран и прочие. Годни за брикетиране са само мазните въглища. Отрицателната страна на брикетите е, че те, хвърлени в огнището се "стапят", разронват и падат под скарата.

Черни каменни въглища

Те са получени при значително напрднал стадий на овъглителния процес. Цветът е черен (матов или гланцов). Съдържат 75-90% въглерод, водното съдържание в момента на добиването е около 7%, във въздушно сухо състояние е обикновено под 1%. Съдържат и известни количества сяра и азот. Калоричният ефект средно взето е 8500 kcal, отнесен към чистата горлива маса. Някои видове черни каменни въглища имат свойството да се спичат в по-едри късове в огнището и по такъв начин не пропадат под скарата, други при условията на коксуване дават яки късове кокс. И те са съответно богати на битум.

Техническото класифициране на черните каменни въглища става върху основата на летливи продукти (дължина на пламъка) и степента на спичане (качеството на получения кокс). И според това се различават сухи каменни въглища, тлъсти каменни въглища, същински тлъсти каменни въглища, постни или антратизувани каменни въглища или същински антрацити. Във връзка с летливите продукти, които правят въглищата годни за коксуване, са тлъстите каменни въглища. Сухите и постните въглища не дават качествен кокс.

Течни горива

Предимствата на тези горива пред твърдите е, че не дават пепел, могат да се вкарват непрекъснато и правилно в огнището, и имат значително голям калоричен ефект. Отрицателната страна е, че вкарани под формата на струя или капки недобре се размесва с въздуха в огнището и при непълното горене се получава обилен пушек. С оглед на тази страна са развити специални горелки, с помощта на които горивото преди запалването му се "разпрашва" и добре смесва с въздуха. От естествените течни горива се различава земното масло или нефтът, а от изкуствените - нефтени продукти, каменовъглените дестилати и дестилатите от битуминозните шисти.

Земно масло, нефт или суров петрол

Състои се от твърди и течни въглеводороди. Относно произхода му съществуват две теории - неорганичен произход, смята се, че то е резултат от взаимодействието на водата с металните карбиди, образувани от огнетечната маса в земните недра, и органичен произход, образувано е от животински масти и восъчни материали, които под влиянието на високата температура и високо налягане и геохимични агенти са дали в крайна сметка нефта - смес от въглеводороди.

Земното масло не е пригодно за технически цели. Затова то се подлага на фракционно дестилиране. Фракциите са:

Фракция 20-150 градуса по Целзий, дори до 200 градуса по Целзий. Общо тя се нарича бензин. Състои се главно от въглеводородите C₅H₂₃ до C₉H₂₀. Тази фракция по-нататък се подлага отновно на фракционна дестилация, като се улавя петролеев етер или газолин от 40-90 градуса Целзий, с относителна плътност 0,46-0,49; петролеев бензин от 70-120 градуса по Целзий, лигроин 120-135 градуса по Целзий, с относителна плътност 0,66-0,71 и масло за чистене от 135-150-200 градуса по Целзий. Бензинът се употребява най-вече като моторно гориво, а освен това като много добър разтворител на мазнини и на растителни масла. Маслото за чистене е най-честият заместител на терпентина и е известно още като минерален терпентин.
Фракция 150-200-300 градуса по Целзий. Известна е под названието петрол (газ за осветление). Състои се от въглеводородите C₉H₂₀ до C₁₆H₃₄ (газ за осветление). Лампеният петрол не трябва да съдържа нискокипящи фракции, тъй като може да даде при употребата му избухлива смес. Пламната му температура (измервана по съответен начин) не трябва да е по-ниска от 28 градуса по Целзий. Не трябва да съдържа и високи кипящи въглеводороди, тъй като фитилът клеясва.
Фракция 300-360 градуса по Целзий. Това е така наречената нафта, газьол или дизельол, която се употребява за гориво в дизеловите мотори и в нафтените домашни печки. Тя не е огнеопасна. След отдестилирането на бензина и петрола остатъкът се нарича мазут или пъкура и е отличен горивен материал - в параходите и индустриалните пещи.
Ако частта, която остава над 350 градуса по Целзий се обработи с прегрята водородна пара, получава се така наречената парафинова маса, от която се получават смазочните масла, вазелинът и парафинът. Вазелинът е добре обезцветена вискозна маса, която замръзва между 35-40 градуса по Целзий. Понякога е оцветен жълто. Употребява се за фармацевтични цели и прочие. Парафинът кристализира при охлаждане на смазочните масла. Това е безцветна, кристална твърда маса без миризма с температура на стапяне, която се движи в широки граници и според това имаме твърд и мек парафин. Употребява се за свещи, за импрегниране на хартия и прочие. Под името "течен парафин" се употребява в практиката и медицината щателно обезцветено смазочно масло, което представлява гъста течност.

С оглед изчисленията, че след години нефтените залежи ще бъдат изчерпани, развиха се методи за превръщане на твърдото гориво в течно. При първия метод (Бергиус) въглищата се разбиват с тежко минерално масло и се подлагат при 400-450 градуса по Целзий и налягане 150-200 атмосфери, и повече, на действието на водорода. При тези условия сложните органични вещества се хидрират и разлагат на по-прости въглеводороди. При втория метод (Фишер-Тропш) въглищата се превръщат във воден газ (CO и H₂), който при обикновено налягане и 270 градуса по Целзий при катализатори Co и Cr₂O₃ и други се превръща в бензиноподобни въглеводороди.

Газообразни горива

Те имат голямото преимущество пред твърдите и течните горива, че много добре се регулира отношението въздух-газообразно гориво, не дават остатък и прочие. Това са:

Въздушният газ. Получава се в инсталации - генератори, които в най-простия случай представляват желязна шахта, облицована отвътре с огнеупорни тухли, в която се поставя твърдото гориво - кокс или антрацит. Отдолу през скарата се вдухва в запаленото гориво въздух. Съставът му е CO (около 25%), N₂ (около 70%), малки количества CO₂, H₂ и други. Процесите, които протичат, са: близко до скарата C+O₂=CO₂+97,7 kcal, а в горните части на генератора CO₂ се редуцира от C до CO: CO₂+C=2CO.
Калоричният ефект не е много голям. За кубически метър възлиза на 800-1000 kcal, тъй като в състава му в голям процент участва негорливият азот от въздуха. Гори със слабосин пламък. Отровен. За икономичното му използване пещта, в която ще гори, трябва да бъде поставена близо до генератора, очевидно да няма загуби на топлина. Употребява се като гориво в индустриални пещи - в стъкларската промишленост и прочие. Понякога намира приложение като моторно гориво, но трябва щателно да бъде пречистен. Намира приложение и като изходен материал, от който се получава водород за амонячния синтез. Понякога въздушният газ се нарича генераторен газ.
Водният газ. Ако през генератора се пропуска водна пара при сгрят до бяла жар кокс или антрацит, протича процесът C+H₂O=CO+H₂-28kcal. H₂ и малък процент N₂, CO₂ и други представлява водния газ. Тъй като реакцията е съпроводена с поглъщане на топлина, температурата на генератора се понижава. И за да не загасне при определена висока температура автоматично се изключва водната помпа и се вдухва в генератора въздух, който разгаря до бяла жар горивото, тъй като процесът гориво-въздух е екзотермичен. Така че генераторът тук работи на две фази, при които последователно се получава воден газ, след това въздушен, пак следва воден газ и така нататък. Тъй като двете главни съставки на водния газ са горливи, той има значително по-висок калориен ефект, отколкото въздушния газ - около 2500 kcal за кубичен метър газ. Генераторният газ, който се получава, се използва на място за нагряване на нагревателите за водна пара. Водният газ се употребява за осветление (той гори със син пламък), като предварително се карбурира, за да бъде пламъкът му светъл. Освен това намира приложение в металната техника за спояване и стапяне на метали, като отоплителен газ и прочие. Водният газ е по-отровен от въздушния, има по-голямо съдържание на отровния CO, затова при всички случаи на употреба той се одоризира (умирисва обикновено с най-миризливото вещество, което ние познаваме - меркаптана (C₂H₅SH).
Смесеният газ. Получава се при едновременно вдухване в генератора на въздух и водна пара, взети в такова съотношение, че двата процеса, екзотермичният за въздушния газ и ендотермичният за водния газ, в термохимично отношение да бъдат уравновесени. Приблизителният състав е 15% H₂, 30% CO, 5% CO₂ и 50% N₂. Притежава калоричен ефект около 1300-1400 kcal. Употребява се като моторно и като индустриално гориво.
Светилният газ. Получава се при сухата дестилация на каменните въглища. Състои се от 50% H₂, 35% CH₄, 8% CO и в съответно малки количества C₆H₆, C₂H₂, CO₂ и други. Преди да се пусне в газопроводи, той се очиства от отровните H₂S и HCN. Употребява се в домакинството за отопление и осветление, като индустриално гориво и прочие.