Характеристика топливно-энергетических ресурсов

Все источники энергии условно подразделяют на первичные и вторичные (см. рис. 4.1) [23]. Первичными источниками энергии называют вещества, энергетический потенциал которых основан на действии природных явлений и процессов и не зависит от деятельности человека. К первичным источникам энергии относятся: ископаемые горючие и расщепляющиеся вещества, нагретые до высокой температуры воды недр Земли (термальные воды), солнце, ветер, энергия воды рек, морей, океанов и др. Вторичными источниками энергии называют вещества, обладающие определенным энергетическим потенциалом. Например, отработавшие горючие органические вещества, горючие отработанные теплоносители промышленных производств (газ, вода, пар), нагретые вентиляционные выбросы. Как правило, это побочные продукты деятельности человека.

Рис. 4.1 Классификация энергетических ресурсов

Первичные источники энергии условно разделяют на невозобновляющиеся и возобновляющиеся. К невозобновляющимся первичным исследованиям источникам энергии относят ископаемые горючие вещества (уголь, нефть, газ, сланец). К возобновляемым первичным источникам энергии относят все возможные источники энергии – продукты деятельности Солнца и природных процессов на поверхности Земли: ветер, водные ресурсы рек, океан, растительные продукты биологической деятельности (древесина и другие растительные вещества), а также энергия Солнца. Оценка ресурсов источников энергии на Земле такова:

Таблица 4.1

В промышленности используется главным образом не возобновляющиеся источники энергии, среди которых основную долю составляют горючие ископаемые – уголь, нефть, природный газ и сланцы. Из этой группы источников энергии в химической промышленности для обеспечения тепловой энергии используются преимущественно газовое и жидкое топливо.

Виды первичных энергоресурсов. Понятия условного топлива, первичного условного топлива, нефтяного эквивалента.

Теплота сгорания топлива

Для получения тепловой энергии и ее возможного дальнейшего превращения в механическую и электрическую энергию сжигают органическое топливо в энергетических котлах, промышленных печах и транспортных двигателях.

Теплота сгорания топлива - это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива. Часто теплоту сгорания называют также теплотворной способностью топлива.

На практике теплота сгорания чаще всего определяется экспериментальным путем. Для топлива известного химического состава можно приближенно определить теоретически по формулам, таким, например, как известная формула Менделеева.

Высшая теплота сгорания топлива – это максимальное количество теплоты, которое можно получить в результате химической реакции горения топлива.

Низшая теплота сгорания топлива отличается от высшей на то количество тепла, которое затрачиваетя на испарение воды, содержащейся в топливе, а также образующейся в результате химической реакции горения топлива.

Если сжигают абсолютно сухой уголь, который по химическому составу представляет собой углерод, то значения низшей и высшей теплоты сгорания будут совпадать. Однако, если сжигают сухой природный газ, состоящий, в основном из метана, то вода образуется в результате химической реакции.

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О.

На испарение этой воды требуется определенное количество теплоты и высшая теплота сгорания не будет равна низшей. Поскольку теплота, затраченная на испарение влаги чаще всего удаляется из энергетических установок в виде паров с дымовыми газами, то она редко полезно используется на практике. Поэтому в теплотехнических расчетах теплоты, получаемой при сжигании топлива используется низшая теплотворная способность топлива.

Условное топливо

Для сопоставления энергетической ценности различных видов топлива и его суммарного учета введено понятие условного топлива. В качестве единицы условного топлива принимается топливо, которое имеет низшую теплоту сгорания, равную 7000 ккал/кг (29,33 МДж/кг).

Введение понятия условного топлива позволяет, например, сопоставить энергетические затраты двух различных регионов страны, не уточняя какое количество тех или иных конкретных видов топлива сжигается в этих регионах.

Этот способ применим и для перевода тепловой и электрической энергии в условное топливо. Так как 1 Гкал равна 1000 тыс. ккал, а 1 т у.т. имеет теплотворную способность 7000 тыс. ккал, то 1 Гкал эквивалентна 0,143 т у.т. Экономию энергии также удобно представлять в тоннах условного топлива (т.у.т.).
Зная теплотворную способность любого вида топлива, можно определить его эквивалент в условном топливе.
1 т.у.т. эквивалентна:
1,2–1,8 тонн каменного угля;
1,8–3,2 тонны бурого угля;
0,7 – 0,75 тонны мазута;
0,8 – 0,9 тыс. куб.м. природного газа.

Надеемся, читателю понятно, что разброс цифр связан с тем, что различные марки угля, мазута и других топлив имеют различную низшую теплоту сгорания.

Нефтяной эквивалент

Другой универсальной мерой потребления топлива и энергии, является нефтяной эквивалент. Это понятие чаще встречается в зарубежной литературе. Различные марки нефти имеют различный химический состав, а следовательно и различную теплотворную способность, что во многом определяет их цену на мировых рынках энергоносителей. В среднем, 1 тонна нефти имеет теплотворную способность 10000 тыс. ккал, и она эквивалентна 1,57 тонн условного топлива (т у.т.). Зная эту цифру легко выразить любое количество другого топлива в нефтяном эквиваленте. Например, 1000 куб. м. природного газа с низшей теплотворной способностью 8400 тыс. ккал эквивалентна 0,76 т в нефтяном эквиваленте.

Первичное условное топливо

При использовании в понятия условного топлива для оценки полученной тепловой и электрической энергии не учитывается того обстоятельства, что коэффициент полезного действия энергетических установок всегда меньше 100%, т.е. при преобразовании топлива в тепловую и электрическую энергию теряется существенная часть получаемой при его сжигании теплоты. Кроме того, при добыче топлива, его транспортировке потребителю, его подготовке или переработке также используется энергия.

Учесть эти обстоятельства при анализе энергопотребления позволяет введение другой единицы – 1 тонны первичного условного топлива.

Что дает эта единица измерения? Представим себе, что мы рассматриваем энергопотребление конкретного промышленного предприятия. Нам известно количество использованной электрической энергии, тепловой энергии в виде пара и горячей воды, поступающих на предприятие от внешних источников тепло и электроснабжения, а также количество различных видов топлива, сжигаемых в котельных и печах непосредственно на предприятии.

Путем перевода всех составляющих энергопотребления предприятия в первичное условное топливо, можно определить фактические затраты топлива для обеспечения работы предприятия. Таким образом, можно сопоставить фактические энергетические затраты предприятий, имеющих различные источники энергоснабжения и различную структуры потребления энергии.

Пересчет различных видов энергоресурсов в первичное условное топливо.

Топливо. На добычу 1 т нефти всеми способами расходуется в настоящее время 80,8 кВт·ч электроэнергии, 0,225 Гкал тепловой энергии и 74,3 кг у.т. котельно-печного топлива. В пересчете на условное топливо в целом расход ТЭР на добычу 1 т нефти составляет 154,5 кг у.т. Расчеты показали, что для получения 1 т у.т. мазута на все перечисленные нужды необходимо израсходовать 107 кг у.т., т.е. для полезного использования 1 т у.т. мазута необходимо добыть 1,107 т у.т., или в расчете на 1 т мазута —1,46 т у.т. На добычу 1 тыс. м куб. газа в среднем по стране расходуется 0,6 кВт·ч электроэнергии, 0,0057 Гкал тепловой энергии и 5,5 кг у.т. котельно-печного топлива. В пересчете на условное топливо на добычу 1 тыс. м куб. газа затрачивается 7 кг у.т. На переработку 1 тыс. м куб. газа расход ТЭР составляет 16,9 кг у.т., в том числе электроэнергии 14,5 кВт·ч тепловой энергии 0,023 Гкал и котельно-печного топлива 6,5 кг у.т. Энергоемким процессом является транспортирование газа. Всего же суммарная величина затрачиваемых ТЭР на добычу, транспортирование и переработку 1 т у.т. природного газа составляет 167 кг у.т. Это означает, что для полезного использования 1 т у.т. газа необходимо добыть 1,167 т у.т., или в расчете на 1 тыс. м куб. природного газа —1,35 т у.т.

При использовании угля в качестве котельно-печного топлива наибольшие энергозатраты расходуются на его добычу: электроэнергии —32,4 кВт·ч, тепловой энергии —0,0265 Гкал и котельно-печного топлива —26,5 кг в расчете на 1 т угля. Кроме того, энергозатраты расходуются при обогащении угля, а также при его транспортировании железнодорожным, автомобильным и речным транспортом. Суммарный расход первичного топлива на все перечисленные нужды составляет 65 кг у.т. на 1 т у.т. угля энергетического, т.е. для использования 1 т у.т. угля в качестве котельно-печного топлива необходимо добыть 1,065 т у.т., или в расчете на 1 т угля энергетического (с калорийностью 4400 тыс. ккал) — 0,655 т у.т.

Таким образом, коэффициенты пересчета потребленного котельно-печного топлива в первичное составляют для 1 т у.т. мазута —1,107; для 1 т у.т. газа — 1,167 и для 1 т у.т. энергетического — 1,065 т у.т. В 1985 г. для полезного потребления 1 т у.т. котельно-печного топлива необходимо было добыть 1,134 т у.т. первичных энергоресурсов, т.е. усредненный коэффициент пересчета равен 1,134.