Удельная теплота сгорания различных видов естественного топлива.

Топливо

Топливом называют органические вещества или их компоненты, способные при взаимодействии с О₂ поддерживать самопроизвольный процесс горения с выделением большого количества тепла. В этом качестве топливо имеет огромное народнохозяйственное значение. Оно является энергетической базой всех отраслей промышленности, сельского хозяйства, коммунально-бытового сектора. Не менее важна роль этих органических веществ как источников первичного сырья для ряда отраслей промышленности.

Можно отметить, что также большое количество теплоты выделяется и при окислении ряда неорганических веществ: например, алюминий, магний, натрий, калий, литий, фосфор. Однако по ряду причин (дефицитность, высокая стоимость и т.д.) указанные неорганические вещества в чисто энергетических целях практически не используются.

Поэтому можно сказать, что топливо – это вещество, при химических и ядерных превращениях которого выделяется количество теплоты, достаточное для использования в других технологических процессах.

Разработано несколько классификаций топлива: 1) по агрегатному состоянию – топливо подразделяется на твёрдое (угли, торф, древесина, сланцы), жидкое (нефть и нефтепродукты), газообразное (природный и попутный нефтяной газы); 2) топливо делят на естественное и искусственное, т.е. полученное при переработке естественного топлива или в качестве побочного продукта различных технологических процессов (доменного, коксового и др.)

Естественное топливо представлено в основном группой горючих ископаемых. Горючие полезные ископаемые относятся к числу невозобновляемых источников топлива. Эти ископаемые мы и рассматриваем сейчас.

В общей стоимости мировой добычи минерального сырья на топливо приходится 75%. Топливно-энергетический баланс (соотношение между различными видами горючих полезных ископаемых) с течением времени непрерывно изменяется. В начале 20 века главную роль играл уголь (больше 90%). С середины столетия стали широко использоваться более эффективные виды энергетического сырья (нефть и газ), в связи с чем доля угля в топливно-энергетическом балансе упала до 30%. В конце столетия в ряде передовых в промышленном отношении стран наметилась тенденция к увеличению доли угля. Непосредственным толчком к этому послужил энергетический кризис начала 70–х годов, когда выявилась сильная зависимость экономически развитых стран от внешних источников нефти, расположенных в политически неустойчивых регионах мира, прежде всего на Ближнем Востоке.

Наметившаяся тенденция увеличения доли угля в топливно-энергетическом балансе объясняется еще и тем, что запасы угля во много раз превышают нефтяные и газовые. В общих геологических запасах, залегающих до глубины 1800 м. они оцениваются в 12,8 млн. т. условного топлива и составляют 85%. Уголь рассматривается как надёжный источник энергии и химического сырья на многие столетия (440 лет).

Таким образом, основными источниками энергии являются: уголь, нефть, природный газ и запасы расщепляющихся материалов.

Использование энергетических источников в различных районах мира неравномерно. Так некоторые страны, например, Франция, на 70% удовлетворяют свои потребности в электроэнергии за счет развития атомной энергетики. Швейцария и Норвегия за счет гидроэнергии, используя малые электростанции, построенные на горных реках. Если даже использовать все реки Земного шара для выработки электроэнергии, то это удовлетворит потребности всего человечества не более, чем на 20%. В тоже время, энергия ветра превышает потребности всего человечества в 100 раз, а энергия Солнца в 30.000 раз, но как раз эти источники не используются должным образом.

Поэтому, пока основными видами топлива являются уголь, нефть и природный газ.

Основным показателем для всех видов топлива служит:

удельная теплота сгорания – количество теплоты, которое выделяется при полном сжигании единицы массы твёрдого и жидкого топлива или единицы объёма газообразного топлива (Дж/кг, Дж/м³). Для сведения , для приведения различных видов топлива к единому эквиваленту и для исчисления его общих запасов введено понятие условного топлива.

Условное топливо – топливо, теплота сгорания которого принята равной 29300 кДж/кг. Теплота сгорания реальных топлив обычно существенно отличается от этой величины. Так одна тонна бурого угля эквивалентна 0,4 тонны условного топлива (т.у.т.), каменного угля – 1 т.у.т., нефти – 1,4 т.у.т.

В топливе различают – горючая масса – это органическая часть (основной горючий компонент топлива), горючая неорганическая часть (сера и её соединения) и негорючая масса топлива – это зола (неорганический остаток) и влага. Обычно зола представлена оксидами кремния, алюминия, меди, магния, железа, натрия, калия. Зола – весьма нежелательная составляющая, поскольку:

1) уменьшает долю горючей части,

2) увеличивает механические потери топлива,

3) требует затрат на нагрев,

4) Порождает проблему зашлаковывания.

Выход золы значителен и в некоторых случаях достигает половины массы топлива. Это создаёт проблему её складирования и утилизации. В последние годы разработан ряд направлений использования золы в различных отраслях народного хозяйства – для производства строительных материалов и для извлечения рассеянных элементов (германия и др.)

Некоторые характеристики состава твёрдого топлива:

1) летучие – вещества, выделяющиеся из топлива при нагревании без доступа воздуха (сухая перегонка). В их состав входят СО_2, СО, СН₄, Н₂S, Н₂, N₂, C_mH_n, пары смолы и др. органические соединения. Состав и количество летучих веществ зависит от типа топлива и температуры сухой перегонки.

2) Под элементарным составом твёрдого топлива понимают содержание его в горючей массе основных компонентов: С, Н, О, N и S. Они присутствуют во всех видах твёрдого топлива, образуя сложные соединения, состав которых в большинстве случаев неустановлен. Содержание других элементов в горючей части топлива незначительно.

В современной технологии в основном используют природное топливо всех трех агрегатных состояний. В ряде случаев применяют не только природное топливо, но и продукты его частичной или полной переработки (мазут, кокс), а также отходящие газы ряда производств (доменный, кокосовый газ).

Водные ресурсы

Все стороны человеческого бытия связаны с водой, её определёнными свойствами. Основные запасы воды сосредоточены в мировом океане. Для промышленных и бытовых нужд применяется только пресная вода(3% всех запасов). Важнейшая проблема современности – дефицит пресной воды. Суточный расход воды на душу населения в США 600-700 л, в развивающихся странах – 50 л.

Огромное количество воды потребляет промышленность (для производства 1 т стали необходимо 600 м³ воды), орошаемое земледелие и т.д.

По происхождению все природные пресные воды разделяются на поверхностные (реки, озёра), атмосферные (атмосферные осадки) и подземные(ключевые, артезианские, минеральные). При этом вода, содержащая менее 1 г солей на 1 кг воды, называется пресной, более 1 г – солёной. В воде содержатся кроме этого расиворённые газы: кислород, диоксид углерода CO_2, а также сероводород, оксиды азота, кислородные соединения серы, бактерии.

В зависимости от назначения вода условно подразделяется на промышленную и питьевую. Естественно, что требования к составу воды зависят от назначения. Основными показателями качества воды являются жёсткость, общее солесодержание, прозрачность, окисляемость, вкус, запах, реакция среды. Для питьевой воды большое значение имеет токсичность примесей, количество содержащихся в ней микробов, запах, цвет и вкус. Для промышленных вод важными показателями являются жёсткость, солесодержание, количество растворённых газов и механические примеси. Солесодержание определяют по сухому остатку(мг) испарением 1 л воды и высушиванием остатка при 110 °С до постоянной массы. Для большинства производств основным показателем является жёсткость воды, обусловленная присутствием солей кальция и магния. Различают три вида жёсткости:

1. временную (устранимую), обусловленную присутствием гидрокарбонатов кальция и магния. Эти соли легко удаляются при кипячении.

2. постоянную, обусловленную присутствием в воде сульфатов, хлоридов и нитратов кальция и магния, которые при кипячении не удаляются.

3. Общую, как сумму временной и постоянной.

Присутствие солей и газов в воде вызывает преждевременный износ оборудования.

Окисляемость воды обусловлена наличием органических примесей и определяется количеством перманганата калия(мг), израсходованного при кипячении 1 л воды в течение 10 мин.

Реакция воды (кислотность и щелочность) характеризуется показателем концентрации водородных ионов pH. Реакция природных вод близка к нейтральной(pH 6,8-7,3). Допустимое количество примесей так же регламентируется соответствующими стандартами.

Прозрачность определяется толщиной слоя воды, через который можно различить визуально или с помощью фотоэлемента изображение креста или определённого шрифта.

Промышленная водоподготовка включает следующие технологические процессы:

1. отстаивание, осветление и обесцвечивание;

2. фильтрование;

3. обеззараживание;

4. умягчение и обессоливание.

Все технологические процессы в промышленности связаны с затратой или выделением энергии, или с взаимными превращениями энергии одного вида в дру­гой. Энергия необходима как для проведения самого тех­нологического процесса, так и для транспорта сырья и готовой продукции, для вспомогательных операций (сушки, дробления, фильтрации и др.). Поэтому все тех­нологические процессы являются потребителями энергии.

Энергия

Наиболее широкое практическое применение в про­мышленности имеют электрическая, ядерная, тепловая, химическая и другие виды энергии.

Электрическая энергия в промышленности применяется для получения механической энергии, для осуществления физических и механических процессов обработки материалов, дробления, измельчения, переме­шивания, центрифугирования и т. д., для нагревания, про­ведения электрохимических реакций, использования элек­тростатических явлений (осаждение пылей и туманов, электрокрекинг). Источником электрической энергии является энергия воды на гидростанциях (ГРЭС) и пре­вращение тепловой энергии, полученной при сгорании топлива (тепловые электростанции — ТЭЦ) или в резуль­тате ядерных реакций (атомные электростанции — АЭС), в механическую, а затем механической в электрическую.

Всестороннее развитие промышленности требует электровоору­женности труда, электрификации силовых и вспомога­тельных процессов, комплексной механизации и автома­тизации производства, на осуществление которых преду­смотрено использовать около количества энергии, потребляемой всей промышленностью в целом. Совре­менный период развития промышленности характери­зуется все возрастающим применением электроэнергии в электрофизических и электрохимических процессах, в электрометаллургии стали, ферросплавов, цветных ме­таллов.

Весь дефицит топливно-энергетического баланса дол­жен в перспективе покрываться за счет существенного расширения доли атомной энергетики. Мировые запасы ядерного горючего обладают энергией, превосхо­дящей в десятки раз потенциальную энергию разве­данных запасов угля, нефти и природного газа, вместе взятых. С целью экономии и правильного использования природного невозобновляемого горючего сырья необхо­димо интенсивно развивать атомную энергетику.

Атомные электростанции (АЭС) обладают высоким коэффициентом полезного действия и являются важными поставщиками электроэнергии. Так, например, при распа­де 1 г урана-235 выделяется такое количество тепловой энергии, которое затем превращается в 1000 кВт • ч элек­троэнергии. Иными словами, при распаде 1 т урана-235 выделяется количество теплоты, эквивалентное сгоранию 300000 т высококачественного каменного угля.

Большинство современных АЭС работает с реактора­ми на тепловых медленных нейтронах, использующих в качестве ядерного горючего дефицитный уран-235. В ядерных реакторах теплота, возникающая в результате деления ядер урана, нагревает жидкость, прокачиваемую через ураносодержащие тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ); тепловая энергия в турбинах превращается в ме­ханическую, а затем в электрическую. Наиболее высокой эффективностью отличаются реакторы-размножители, работающие на быстрых нейтронах и использующие на­иболее доступное ядерное горючее уран-238. Строитель­ство АЭС на быстрых нейтронах большой мощности — генеральная линия дальнейшего развития атомной энер­гетики

Тепловая энергия, получаемая при сжигании топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, выпарки, сушки, перегонки и т. д.), а также в качестве источника теплоты для проведения эндотерми­ческих реакций. В виде теплоносителей могут быть ис­пользованы топочные газы, водяной пар, перегретая во­да, органические теплоносители, что обеспечивает равно­мерный обогрев, высокое качество получаемой промыш­ленной продукции. Топливо широко применяется в энергетике для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Химическая энергия, выделяющаяся в процес­се экзотермических химических реакций, служит ценным источником теплоты для обогрева реагентов, использует­ся для проведения эндотермических химических процес­сов. Например, в производстве аммиачной селитры теплота, выделяющаяся в результате экзотермической ре­акции, используется для выпаривания реакционной массы и ее кристаллизации.

Химическая энергия применяется в гальванических элементах и аккумуляторах, где она преобразуется в электрическую.Эти химические источники энергии ха­рактеризуются высоким к. п. д.

Помимо невозобновляемых источников энергии (по­лезных ископаемых) существуют также возобновляемые ресурсы, которые имеют в настоящее время сравнитель­но небольшое применение. Это энергия ветра, течения воды рек, морских приливов, терминальная и геотермальная энергия (теплота подземных источников, морей и океанов).

Геотермальная энергия — это запасы теплоты, имею­щейся в глубинах земли. Особенный практический инте­рес представляют горячие источники воды и пара (гей­зеры). Они используются как для отопления, проведения высокотемпературных процессов, так и для производства электроэнергии.

Ветер как носитель кинетической энергии использует­ся человеком уже многие века (парусный флот, ветряные мельницы). Созданы и применяются ветродвигатели для сельскохозяйственных работ, подачи и перекачки воды.

Энергия рек широко используется в производстве электроэнергии в странах, богатых гидроресур­сами. Например, в Норвегии гидроэлектроэнергия соста­вляет 99,7% в энергетическом балансе, а во Франции и Италии она соответственно равна 50 и 58 %.

Энергия морских приливов есть разновидность гидро­энергии водного потока. Морские приливы обладают огромной энергией, зависящей от высоты приливной вол­ны, которая достигает 10-20 м. Мировой технический потенциал морских приливов составляет около 500 млн. т условного топлива в год. В нашей стране предста­вляет интерес использование этого источника энергии для районов побережья Баренцева, Белого и Охотского морей. Сделаны первые исследования на пути к практи­ческому использованию этого источника энергии

Световая энергия приобретает все большее значение в промышленности, используется при создании фотоэлементов, фотоэлектрических датчиков, автоматов и т. д., а также для реализации большого числа фотохи­мических процессов в химической технологии. Перспек­тивным источником энергии является энергия Солнца. Благодаря атомным реакциям синтеза ядер водорода и углеводорода Солнце излучает в мировое пространство колоссальное количество световой и тепловой энергии. Человечество уже давно применяло тепловую энергию солнечных лучей. В настоящее время широко известно применение солнечных батарей на космических кораблях. Солнечную тепловую энергию целесообразно применять в южных районах для промышленных и бытовых целей (плавление металлов в солнечных печах, кипячение воды, нагревание жидкостей и др.).

Крупные масштабы современных промышленных предприятий обусловливают все возрастающую потреб­ность во всех видах энергии. Капитальные затраты на энергетическую базу при строительстве многих пред­приятий составляют от 13 до 53%. Показателем энер­гоемкости того или иного процесса служит расход энер­гии (в кВт • ч или Дж) на единицу получаемой продукции (например, на 1 т). Расход энергии на единицу промыш­ленной продукции неодинаков для различных про­изводств. Большой энергоемкостью характеризуются процессы черной и цветной металлургии, электрохимиче­ские процессы, получение фосфора, карбидов и т. д., а та­кие процессы, как биохимические, некоторые физико-хи­мические (адсорбция, экстракция), химические процессы получения большинства минеральных удобрений и дру­гие, отличаются незначительной энергоемкостью. Напри­мер, для производства 1 т алюминия требуется около 20000 кВт-ч, 1 т магния - 18000 кВт·ч, 1 т фосфора - в среднем 15000 кВт· ч, а для производства 1 т аммиачной селитры и суперфосфата—соответственно 10 и 5 кВт·ч. В мало энергетических производствах доля энергии состав­ляет около 10% себестоимости продукции и менее, в то время как в производстве металлов, фосфора, хлора, кар­бидов это одна из главных статей расхода.

Снижение энергоемкости и материалоемкости продук­ции становится важным критерием научно-технического уровня производства. Критерием экономического исполь­зования служит коэффициент использования энергии (к.и.э.), который выражается отношением количества энергии, теоретически необходимого на производство этой продукции, к фактически затраченному.

Тепловой к. п. д. процесса является частным случаем коэффициента использования энергии. Во многих про­изводствах к.и.э. еще довольно низок и не превышает 40-60%. Например, к.и.э. паротурбинных электростан­ций составляет около 40%, а тепловой к.и.э. процесса об­жига известняка составляет только 65 % и т. д. Поэтому проблема рационального использования энергии, умень­шение потерь теплоты в окружающую среду, использова­ние так называемых вторичных энергетических ресурсов играют важную роль в промышленности.

На многих промышленных предприятиях широко используется теплота отходящих газов и газообразных и жидких продуктов реакции, которая может быть утили­зирована в теплообменниках — рекуператорах, каме­рах — регенераторах и котлах — экономайзерах. В ряде производств используется отходящий пар после его при­менения для нагрева реакционных аппаратов. Вторичные энергетические ресурсы могут быть использованы для подогрева сырья, сушки, выпаривания, дистилляции, го­рячего водоснабжения, отопления и различных производ­ственных нужд. Например, в сернокислотном производ­стве используется теплота обжиговых газов, в технологи­ческих процессах производства соды, цемента главным источником вторичных энергоресурсов являются отходя­щие дымовые газы и т. д. Расход электрической энергии, например, в электрохимических производствах снижается устранением омических потерь в контактах и токопроводящих шинах, уменьшением сопротивления электролита за счет повышения его электропроводимости и сокраще­ния расстояния между электродами, а снижение расхода электроэнергии в электрометаллургических процессах до­стигается повышением количества электродов и улучше­нием конструкции печей.

В ряде химико-технологических процессов величина потерь аппаратами в окружающую среду достигает 10-15% от общего количества затраченной теплоты. Эти потери уменьшают тепловой изоляцией аппаратуры, ее конструктивным оформлением и выбором таких габа­ритов, которые обеспечивают минимальную поверхность теплоотдачи в окружающую среду.

Утилизация вторичных энергоресурсов и устранение потерь теплоты ведут к снижению себестоимости продук­ции, сокращению капитальных затрат в энергетические отрасли и обеспечивают экономию топлива в народном хозяйстве. В современных условиях нельзя рассматривать топливо только как источник тепловой энергии, так как оно является также ценнейшим сырьем химической про­мышленности. Комплексное энергохимическое использо­вание топлива служит основой его рационального приме­нения в народном хозяйстве.

Сбережение теплоты и энергии является важнейшей государственной задачей. Достижение этой цели должно быть обеспечено проведением целого комплекса энерго­сберегающих мероприятий. Одним из важнейших на­правлений в технологии является создание малоёмких производств за счет применения эффективных катализа­торов, ультразвука, магнитного поля, вакуума и других прогрессивных методов интенсификации технологических процессов.