Классификация органического топлива

Тепловая энергия.

Источник энергии, в том числе и тепловой, — это вещество, энергетический потенциал которого достаточный для преобразо­вания в иные виды с целью следующего эффективного и целесо­образного использования.

Энергетическим потенциалом вещества называют параметр, который разрешает оценить принципиальную возможность и це­лесообразность ее использования как источника энергии. Энер­гетический потенциал выражают в джоулях (Дж) или киловатт-часах кВт (тепл.) • ч, 1 кВт (тепл.) • ч = 3600 кДж.

Источники энергии разделяют на первичные и вторичные. К первичным относят источники, которые являются результатом ес­тественных процессов. Их энергетический потенциал не зависит от деятельности человека. Первичными источниками энергии служат: ископаемые горючие вещества, ядерное топливо, тер­мальные воды, солнце, ветер, реки, океаны и т. п.

Вторичными источниками энергии являются побочные про­дукты деятельности человека: горючие отходы промышленных предприятий и тепловых станций в виде газов, пара и воды; бро­совой теплоты компрессорных станций магистральных газопро­водов; нагретые вентиляционные выбросы; отходы сельскохо­зяйственного производства и т. п.

Первичные источники энергии разделяют на невозобновляемые и возобновляемые. К невозобновляемым первичным источ­никам энергии относят ископаемые горючие вещества, уран и торий.

Возобновляемые первичные источники энергии являются продуктами деятельности и процессов на Земле: ветер, водные ресурсы, океан, гидро- и геотермальные источники, раститель­ные продукты биологической деятельности на Земле (древесина и прочие растительные вещества на Земле, в морях, океанах), а также энергия Солнца.

Если будет решен вопрос практического использования тер­моядерной энергии синтеза веществ, человечество будет иметь неисчерпаемый первичный источник энергии.

3.2 Конструктивные особенности теплоэнергетических установок и их классификация.

Теплоэнергетическая установка (ТЭУ) комплекс взаимосвязанного оборудования и устройств, предназначенных для производства, передачи, накопления, распределения и использования тепловой энергии.

Теплогенерирующей установкой (ТГУ) называют комплекс устройств и механизмов, предназначенных для производства тепловой энергии в виде водяного пара или горячей воды. Водяной пар используют для получения электроэнергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) или теплоэлектростанциях (ТЭС), технологических нужд промышленных предприятий и сельского хозяйства, а также для нагрева в паровых подогревателях воды, направляемой в системы теплоснабжения. Горячую воду используют для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и сооружений, а также для коммунально-бытовых нужд населения. Для отопления и вентиляции также используют и нагретый воздух.

В теплоэнергетической установке создают термодинамические условия с максимально возможной полнотой (коэффициентом полезного действия), при которых происходит преобразование различных видов энергии (химической, излучения, электрической) в тепловую энергию. Тепловую энергию требуемых параметров получают путем преобразования химической энергии органического топлива, энергии, выделяемой при расщеплении ядерного топлива, электрической энергии, энергии солнечного излучения, геотермальной и тепловой энергии низкого потенциала. В теплоэнергетических установках образуется рабочее тело или носитель тепловой энергии, с помощью которого тепловая энергия транспортируется к потребителю и реализуется в виде теплоты заданного потенциала. Как правило, рабочим телом для переноса тепловой энергии – теплоносителем – служат жидкости или газы.

В связи с разнообразием различных видов энергии, теплоносителей и условий работы применяют следующие теплоэнергетические установки и соответствующие методы производства тепловой энергии.

1. Котельные агрегаты

2. Атомные реакторы

3. Электродные котлы

4. Гелиоустановки

5. Геотермальные установки

6. Котлы-утилизаторы

7. Для систем теплоснабжения также используют производство тепловой энергии из биомассы, сельскохозяйственных и городских отходов, а также устройства, в которых энергия с низким энергетическим потенциалом преобразуется в высокопотенциальную тепловую энергию другого теплоносителя с затратами других видов энергии, подводимых извне (например, электроэнергии в тепловых насосах).

Эффективность ТЭУ определяется совершенством технологической схемы преобразования энергии, стоимостью исходного источника энергии, а также параметрами, которые должен иметь теплоноситель.

3.3 Атомные реакторы.

Атомные реакторы – устройства, в которых проходит цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер трансурановых элементов под действием нейтронов. В результате ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию теплоносителя (воды, в перспективе гелия), вводимого в активную зону атомного реактора, теплота от которого затем в атомном парогенераторе передается воде или пару.

Рис. 1.1 Принципиальная тепловая схема АТЭЦ:

1 – атомный реактор; 2 – циркуляционный насос; 3 – парогенератор; 4 – змеевики парогенератора; 5 – питательный насос; 6 – паровая турбина;7 –электрогенератор; 8, 12 – конденсатор; 9 – технологическое производство; 10, 11– паровые подогреватели; 13 – сетевой насос; 14 – потребитель.

Электродные котлы.

Электродные котлы – устройства, в которых проходит преобразование электрической энергии в тепловую энергию путем разогрева нагревателя с высоким электрическим сопротивлением и последующей передачей теплоты от этого нагревателя рабочему телу.

Условные обозначения электродного котла: числитель – номинальная электрическая мощность, кВт; знаменатель – номинальное напряжение питающей сети, кВ (например, обозначение КЭПР-250/0,4 расшифровывается: котел электродный паровой регулируемый мощностью 250 кВт, номинальным напряжением питающей сети 0,4 кВ).

Электродные водогрейные котлы предназначены для выработки горячей воды. На рис. 1.2 приведена принципиальная схема электродного водогрейного регулируемого котла с плоскими электродами.

Рис. 1.2 Принципиальная схема электродного водогрейного котла:

1 – водопровод; 2 – фильтр-отстойник; 3 – питательный насос; 4 – клапан обратный проходной; 5 – электромагнитный клапан; 6 – байпас; 7 – входной патрубок воды; 8 – цилиндрический корпус; 9 – заземление; 10 – дренажная линия; 11 – фазные электроды; 12 – проходные изоляторы; 13 – трехфазная электрическая сеть; 14 – защитные пластины; 15 – диэлектрические пластины (антиэлектроды); 16 – крестовина; 17 – выходной патрубок горячей воды; 18 – шток; 19 – штурвал; 20 – термореле; 21 – предохранительный клапан

Электродные паровые котлы предназначены для выработки насыщенного пара давлением до 0,6 МПа (6 кгс/см²) и снабжения промышленных, сельскохозяйственных и бытовых объектов. В паровом электродном котле теплота, выделяющаяся при протекании электрического тока через воду, представляющую активное сопротивление, идет на ее нагрев и испарение.

Конструкция электродного парового регулируемого котла на напряжение 0,4 кВ показана на рис. 1.3 и предусматривает автоматическое регулирование паропроизводительности и электрической мощности котла в заданном режиме.

Рис. 1.3 Принципиальная схема электродного парового регулируемого котла:

1 – водопровод; 2 – фильтр-отстойник; 3 – питательный насос; 4 – клапан обратный проходной; 5 – электромагнитный клапан; 6 – байпас; 7 – входной патрубок воды; 8 – поплавковый регулятор уровня воды; 9 – поплавок; 10 – кран автоматической подпитки; 11 – патрубки; 12 – цилиндрический корпус; 13 – заземление; 14 – продувочная линия; 15 – фазные плоские электроды; 16 – проходные изоляторы; 17 – цилиндрическая обечайка; 18 – трехфазная электрическая сеть; 19 – диэлектрические пластины; 20 – указатель уровня воды; 21 – вытеснительная камера; 22 – парогенерирующая камера; 23 – пароотводящий патрубок; 24 – крышка; 25 – электродный датчик предельного уровня воды; 26 – воздушник; 27 – манометр; 28 – предохранительный клапан; 29 – регулятор температуры

3.5 Гелиоустановки.

Гелиоустановки – устройства, в которых солнечная (световая) энергия преобразуется в тепловую энергию инфракрасного излучения. В гелиоприемнике или солнечном коллекторе энергия Солнца трансформируется в тепловую энергию с последующей передачей теплоты рабочему телу – воде или воздуху.

Коллектор солнечной энергии (КСЭ) предназначен для улавливания энергии светового излучения, преобразования в тепловую энергию и передачи промежуточному теплоносителю. Улавливание солнечной энергии в коллекторе основано на способности веществ и материалов, таких как стекло, полимерные пленки, воды, пропускать световые лучи. Солнечная энергия в основном переносится световыми лучами, для которых указанные материалы практически прозрачны. Наибольшее применение имеет плоский коллектор солнечный энергии, представленный на рис. 4.

Тепловой поток энергии, подводимой к КСЭ солнечными лучами

Q_о = q_л F,

где q_л – суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на горизонтальную поверхность КСЭ, МДж/м²; F – площадь тепловоспринимающей поверхности, м².

Рис. 1.4. Схема коллектора солнечной энергии (КСЭ):

1 – светопрозрачная панель (стекло); 2 – корпус; 3 – теплоизоляция;

4 – трубки для теплоносителя; 5 – лучепоглощающая поверхность (абсорбер)

3.6 Геотермальные установки.

Геотермальные установки – устройства, в которых проходит передача теплоты от геотермальных вод к рабочему телу, нагреваемому за счет тепловой энергии этих вод до заданных параметров.

Рис. 1.5. Принципиальная схема геотермальной установки:

1 – действующая скважина; 2 – теплообменник; 3 – сепаратор; 4 – дренаж; 5 – насос; 6 – парогенератор;7, 8 – подогреватели сетевой воды; 9 – неработающая скважина; 10 – сетевой насос; 11 – потребитель

3.7 Котлы-утилизаторы.

Котлы-утилизаторы – устройства, в которых используется теплота газов, покидающих различное высокотемпературное технологическое оборудование (нагревательные, обжиговые и другие печи). Теплота от высокотемпературных газов передается другому теплоносителю (воде или пару), более удобному для дальнейшего использования.

Рис. 1.6. Принципиальная схема котла-утилизатора:

1 – высокотемпературные технологические газы; 2 – дымогарные трубки; 3 – барабан котла; 4 – питательная линия; 5 – устройство сепарации пара; 6 – паропровод сухого насыщенного пара; 7 – пароперегреватель; 8 – паропровод перегретого пара; 9 – газоход;

10 – зеркало испарения

3.8 Энергосберегающие технологии в теплоэнергетических установках и системах.

Приоритетные основные направления энергосбережения:

- повышение эффективности работы генерирующих источников за счет изменения структуры мощностей в сторону расширения внедрения парогазовых и газотурбинных установок (ГТУ), увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении;

- внедрение котельного оборудования, работающего на горючих отходах производства, сельского хозяйства, деревообработки;

- создание ГТУ на компрессорных магистральных газопроводах;

- замена отопительных электрических котельных на топливные;

- дальнейшее развитие системы учета всех видов энергоносителей, включая расходы на отопление;

- разработка и внедрение эффективных биогазовых установок;

- разработка и внедрение технологии использования бытовых отходов и мусора;

- внедрение теплонаносных установок;

- экономически целесообразное внедрение нетрадиционных источников энергии;

- техническое перевооружение автотранспорта и тракторов, включая перевод на дизельное топливо, сжиженный и сжатый природный газ;

- выращивание быстрорастущих деревьев для топливных целей;

- разработка, организация производства и внедрение энергосберегающего оборудования, приборов, материалов.

АПК является крупным потребителем энергоресурсов и имеет большие резервы (до 40%) энергосбережения.

Основными направлениями энергосбережения в АПК на ближайшую перспективу являются:

- внедрение энергоэффективных систем микроклимата, кормления, поения, содержания молодняка;

- внедрение эффективных сушильных установок для зерна, в том числе на местных видах топлива;

- применение солнечных нагревателей для воды, используемой на технологические нужды;

- внедрение частотно-регулируемого привода для технологических установок, вспомогательного оборудования котельных;

- перевод котельных в водогрейный режим;

- децентрализация схем теплоснабжения с внедрением газогенераторных установок;

- замена электрических котлов и неэкономичных чугунных котлов на котельные установки, работающие на местных видах топлива;

- внедрение газогенераторных установок с применением эффективных технологий преобразования низкосортных топлив в высококалорийные;

- создание мини-ТЭЦ на базе двигателей внутреннего сгорания, установка турбогенераторов малой мощности в котельных, строительство малых ГЭС;

- термореновация производственных помещений;

- внедрение энергоэффективных систем освещения производственных помещений, уличного освещения населенных пунктов;

- установка современной аппаратуры для технического обслуживания, регулирования двигателей внутреннего сгорания.

Первоочередные мероприятия:

- внедрение обогреваемых полов и ковриков на животноводческих фермах и комплексах;

- перевод содержания животных на глубокую подстилку;

- внедрение эффективных систем микроклимата;

- внедрение энергоэффективных систем поения, кормления, улучшенного содержания птицы, замена проточных поилок на ниппельные;

- термореновация производственных помещений;

- внедрение экономичных теплогенераторов, воздухоподогревателей для сушки зерна;

- замена неэффективных котлов на более экономичные, перевод котлов на местные виды топлива;

- ликвидация длинных теплотрасс и паровых трасс с внедрением установок локального обогрева помещений на местных видах топлива;

- внедрение систем зонного обогрева инфракрасными излучателями, гелиоколлекторных установок;

- внедрение приборов контроля и регулирования ТЭР.

Лекция №2 (2 часа)

Тема: «Топливо»

1 Вопросы лекции:

1.1 Общие сведения о топливе.

1.2 Состав и свойства твердого, жидкого и газообразного топлива.

1.3 Теплотехнические характеристики топлива.

1.4 Низшая и высшая теплота сгорания топлива.

1.5 Понятие условного топлива.

2 Литература.

2.1 Основная

2.1.1 Амерханов Р.А., Бессараб А.С., Драгонов Б.Х., Рудобашта С.П., Шмшко Г.Г. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства/ Под ред. Б.Х. Драганова. – М.: Колос-Пресс, 2002. – 424 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

2.1.2 Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. 240 с.

2.2 Дополнительная

2.2.1 Соколов Б.А. Котельные установки и их эксплуатация. – 2-е изд., испр. М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 423 с.

3 Краткое содержание вопросов

3.1 Общие сведения о топливе.

Топливо – это горючее вещество, выделяющее при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах и для обогрева, либо преобразуется в другие виды энергии.

В промышленной энергетике и коммунально-бытовом секторе для получения тепла используется, как правило, химическая энергия, содержащаяся в органической массе ископаемого топлива. Исключением являются электронагревательные приборы, солнечные коллекторы и геотермальные установки, использующие электроэнергию, энергию солнца и тепло земных недр. В настоящее время около 90% всей энергии, потребляемой нашей цивилизацией, обеспечивается процессами сжигания различных видов органического топлива.

В структуре мирового снабжения первичными ТЭР доля нефтяного топлива снижается при одновременном увеличении доли природного газа.

Определенные изменения наблюдались и в региональной структуре мирового топливно-энергетического баланса. Главные из них состояли в снижении доли промышленно развитых стран-членов Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), стран Центральной и Восточной Европы, а также стран СНГ в суммарном мировом потреблении первичных ТЭР при одновременном увеличении доли Китая, других стран Азии, а также Латинской Америки и Африки.

Более 25 лет назад из-за нефтяного кризиса многие страны приняли меры по рационализации структуры энергопотребления в сторону снижения в ней доли нефти. Несмотря на это, добыча ее из года в год увеличивается. Региональная структура мировой добычи нефти, %: Страны-члены ОЭСР – 29,3; Ближний Восток – 30,0; Африка – 10,6; Страны СНГ – 10,4; Латинская Америка – 9,7; Азия (без Китая) – 5,2; Китай – 4,6; Центральная и Восточная Европа – 0,2.

Добыча природного газа в мире по сравнению с нефтью увеличивалась более быстрыми темпами. Например, за период с 1976 по 1996 г. она возросла почти вдвое, при этом более 25% всего прироста добычи приходится на Россию. Другими крупнейшими производителями природного газа являются США (23,5%), Канада (7,1%), Нидерланды (4,1%), Великобритания (3,9%), Индонезия (3,3%), Алжир (2,6%), Узбекистан (2,1%), Саудовская Аравия (1,9%) и Норвегия (1,8%). Перечисленные выше страны в общей сложности добывают свыше 75% всего газа.

На долю России приходится почти 40% мирового экспорта природного газа из них в свою очередь почти 40% в страны СНГ. Другими крупнейшими экспортерами газа являются: Канада (48,7% от национальной добычи) Нидерланды (50%), Алжир (62,6%), Индонезия (48,1%), Норвегия (89,8%).

Несколько более низкими темпами, чем добыча природного газа, но более высокими темпами по сравнению с нефтью увеличивается мировая добыча каменного угля. При этом более трети мировой добычи приходится на Китай. Россия по добыче каменного угля занимает четвертое место в мире, уступая кроме Китая также США и Индии. Анализ статистических данных позволяет сделать несколько выводов. Основные из них:

- добыча каменного угля имеет тенденцию к росту;

- темпы развития мировой торговли каменным углем почти в 3 раза опережают темпы роста его добычи;

- крупнейшими экспортерами каменного угля в течение последних лет остаются Австралия, США и ЮАР, крупнейшими импортерами – Япония, Германия, Великобритания и Россия.

В настоящее время считается, что ресурсное обеспечение развития мирового энергетического хозяйства в ближайшие десятилетия не вызовет какой-либо озабоченности. Постепенное истощение наиболее экономически эффективных месторождений нефти и природного газа будет в перспективе в определенной мере компенсироваться благодаря научно-техническому прогрессу в соответствующих топливодобывающих отраслях, который призван обеспечить повышение нефте- и газоотдачи пластов, создать предпосылки для экономически обоснованной разработки более трудных для освоения месторождений и для широкого вовлечения в мировой энергетический баланс так называемых “нетрадиционных” видов углеводородов.

К категории “нетрадиционных” углеводородных энергетических ресурсов относятся залежи нефти и газа на очень больших глубинах на суше, месторождения газа с аномально высоким давлением, морские нефтегазовые месторождения с толщей воды над ними 300 м и более и т.д. Иными словами, это месторождения, на которых современные техника и технология, а также экономические показатели не позволяют вести не только разработку, но и разведку.

Классификация органического топлива

По агрегатному состоянию топлива органического происхождения разделяются на твердые, жидкие и газовые (газообразные).

По происхождению органические топлива делятся на природные (естественные) и искусственные, получаемые различными методами.

Таблица 2.1Классификация органического топлива

3.2 Состав и свойства твердого, жидкого и газообразного топлива.