Netradits_Energetika_Uch_1

СОВРЕМЕННЫЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ ТРУДЫ КОТЭС

Выпуск 1

Л.И. ПУГАЧ, Ф.А. СЕРАНТ, Д.Ф. СЕРАНТ

НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА – ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ, ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Ответственный редактор выпуска кандидат технических наук, профессор НГТУ Л.И. Пугач

НОВОСИБИРСК

2006

Серия «Труды КОТЭС» выпускается в соответствии с тематикой ЗАО «СибКОТЭС» и «КОТЭС-Сибирь».

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ

Ф.А. Серант – д-р техн. наук - главный редактор Л.И. Пугач – канд. техн. наук, профессор НГТУ –

заместитель главного редактора Н.Г. Зыкова – канд. техн. наук – ответственный секретарь,

ЧЛЕНЫ РЕДКОЛЛЕГИИ:

Г.В. Ноздренко – д-р техн. наук, проф. Ю.Н. Дубинский – канд. техн. наук, доц. Е.А. Евтушенко – канд. техн. наук, доц. П.Ю. Коваленко – канд. техн. наук

2

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Л. И. ПУГАЧ, Ф. А. СЕРАНТ, Д. Ф. СЕРАНТ

НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА – ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ, ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Учебное пособие

НОВОСИБИРСК

2006

3

УДК 621.9(075.8) П 88

Рецензенты: д-р. техн. наук, проф. Г. В. Ноздренко д-р. техн. наук, проф. А. П. Бурдуков

Работа выполнена на кафедре электрических станций и ЗАО «СибКОТЕС» и предназначена для студентов энергетических специальностей

Пугач, Л. И.

П 88 Нетрадиционная энергетика – возобновляемые источники, использование биомассы, термохимическая подготовка, экологическая безопасность: учеб. пособие / Л. И. Пугач, Ф. А. Серант, Д. Ф. Серант. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 347 с.

ISBN 5-7782-0561-9

В книге рассмотрена структура энергетики как энергетической системы, топливно-энергетические ресурсы и перспективы их использования. Показаны требования экологической безопасности, проанализированы положения Киотского протокола. Показана альтернативная традиционной – нетрадиционная энергетика; возобновляемые источники энергии; их ресурсы; классификация; перспективы использования в мире и России. Анализируются виды биомассы, их энергетические характеристики, способы использования в энергетике, включая предварительную термохимическую и биологическую переработку, методы ее сжигания как в прямом виде, так и в виде добавок к основному топливу.

Книга представляет большой интерес как учебное пособие для специальностей «Тепловые электрические станции», «Промышленная энергетика», «Охрана окружающей среды», «Природоохранная технология в энергетике» и др. Она будет полезна также для работников энергетических специальностей.

ВВЕДЕНИЕ

Ограниченность запасов органического топлива, возросшие экологические требования по снижению вредных выбросов при прямом сжигании топлива, обязательства государств по Киотскому протоколу, требующему снижения выбросов парниковых газов (диоксиды углерода, метана и др.), вызывают необходимость поисков нетрадиционных путей использования энергетических ресурсов.

К ним относятся:

–вовлечение в топливно-энергетический баланс нетрадиционных источников энергии;

–внедрение энергосберегающих технологий;

–реализация нетрадиционных технологий, обеспечивающих снижение всех видов вредных газов, при использовании энергетических ресурсов для выработки тепловой и электрической энергии;

–внедрение нетрадиционных способов предварительной, в том числе термохимической, подготовки топлива, а также других, кроме паросилового, циклов (парогазового – ПГУ и др.) нетрадиционных путей сжигания органического топлива.

Предлагаемое учебное пособие направлено на решение поставленных задач и состоит из трех частей.

Часть I. Структура энергетики как системы. Топливно-энергетиче- ские ресурсы. Экологическая безопасность.

Часть II. Нетрадиционная энергетика.

Часть III. Энергетическое использование биомассы.

Учебное пособие рассчитано на студентов ряда родственных специальностей и соответствует содержанию профессиональной образо-

5

вательной программы ГОС по специальностям «Тепловые электрические станции» (550900), «Технология производства электрической и тепловой энергии» (550906), «Оптимизация процессов генерации пара и режимов работы котельных установок» (550907), «Природоохранные технологии в энергетике» (550912), а также для специальностей «Охрана окружающей среды», «Безопасность жизнедеятельности в техносфере». Пособие может быть использовано для подготовки специалистов кафедры «Инженерные проблемы экологии», «Экономика энергетики», «Электрические станции», а также магистрами и аспирантами по специальностям «Промышленная энергетика» (151404), «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агре-

гаты» (151414).

Кроме этого, пособие полезно для работников проектных, научноисследовательских, экспериментально-наладочных предприятий, а также для эксплуатационного персонала тепловых электрических станций (ТЭС) и топливоиспользующих установок промышленной энергетики.

6

Ч а с т ь I

ЭНЕРГЕТИКА КАК СИСТЕМА. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ; ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

1.СТРУКТУРА ЭНЕРГЕТИКИ И ТЭР

1.1. СТРУКТУРА ЭНЕРГЕТИКИ КАК СИСТЕМЫ

Энергетика, как система, включает в себя весь топливно-энергети- ческий комплекс. В широком смысле для энергоресурсов и энергоносителей всех видов она предусматривает их получение, переработку, преобразование, транспортирование, использование.

Различают четыре стадиитрансформации первичных энергоресурсов.

1.Извлечение, добыча или прямое их использование.

2.Переработка (облагораживание) до состояния, пригодного для преобразования или использования.

3.Преобразование связанной энергии переработанных ресурсов в электрическую – на тепловых, атомных и гидравлических электростанциях (ТЭС, АЭС, ГЭС) и в тепловую – на теплоэлектроцентралях

икотельных (ТЭЦ и К).

4.Использование энергии.

Изложенные выше определения хорошо иллюстрируются структурной схемой (рис. 1.1).

7

1.2. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ (ТЭР)

Определяющими в энергетике и во всем топливно-энергетическом комплексе (ТЭК) являются топливно-энергетические ресурсы (ТЭР), перерабатывающие эти ресурсы предприятия, энергетические комплексы, включающие выработку электрической и тепловой энергии, и передачу (транспорт) потребителям этих двух видов энергии.

Как видно из рис. 1, невозобновляемыми источниками энергии являются газ, нефть, уголь и сланцы. Оценка извлекаемых запасов органического топлива в мире производится в зависимости от возможностей геологоразведки и отыскания новых месторождений этого топлива.

Так доля извлекаемого расходуемого органического топлива в мире в 2001 г. оценивалась следующим образом:

–уголь – 2281 т у.т. (тонн условного топлива), 25 % мирового потребления энергоресурсов;

–нефть – 3467 т у.т., 38 % мирового потребления энергоресурсов;

–газ – 2189 т у.т., 24 % мирового потребления энергоресурсов;

–всего 7937 млн ту.т. – 86 % мирового потребления энергоресурсов. При уровне мировой добычи девяностых годов (1993–1999 гг.)

теоретически запасов угля хватит на 1500 лет, нефти – на 250 лет, газа – на 120 лет [1] (в 1990 г. эти величины соответственно составляли

1000 лет и 50–60 лет).

Между тем теоретический потенциал только солнечной энергии, поступающей на Землю в течение года, превышает все извлекаемые запасы органического топлива в 10...20 раз, а экономический потенциал возобновляемых источников энергии на 2000 г. оценивается 20 млрд. т у.т., что более чем в 2 раза превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива [2].

2.ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ПОТРЕБЛЕНИИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Подробный анализ ситуации в энергопотреблении углеводородного сырья в балансе топливно-энергетических ресурсов в мире и регионах выполнен академиком Н. Симония (директором института миро-

9

вой экономики и международных отношении РАН) [31]. Из этих материалов видно, насколько ограничено реальное использование углеводородного сырья и насколько остро необходимы альтернативные источники с целью обеспечения энергобезопасности.

Энергетическая безопасность высокоразвитых стран определяется наличием надежных источников углеводородного сырья (в первую очередь, нефти и газа).

В то время как именно высокоразвитые государства являются основными потребителями нефти и газа, при этом значительное экспортное производство сконцентрировано в сравнительно небольшой группе развивающихся и с переходной экономикой странах. Так, доля США в общемировом потреблении нефти составляет 25,4 %, тогда как их удельный вес в мировой добыче всего 9,9 %. А развитые страны Северо-Восточной Азии (Япония, Южная Корея, Тайвань), не добывая нефти, потребляют 11 % ее мирового производства. Быстро развивающийся Китай после 1993 г. также входит в группу стран нефтеимпортеров: добывая 4,8 % мирового уровня производства нефти, потребляет 7,4 %.

Среди экспортеров нефти на первом месте стоит Ближний Восток, добывающий 28,5 % мировой нефти и потребляющий всего 5,9 %. Второе место твердо занимает Россия, добывая 10,7 % мирового уровня, потребляет всего 3,5 %.

США из 561 млн т потребляемой нефти и нефтепродуктов (26 % всего мирового импорта) 171,7 млн т получают из Мексики и Канады, 11 9,2 млн т – из стран Южной и Центральной Америки, 114,7 млн т – из стран Ближнего Востока, 69,1 млн т – из Африки, 57,0 млн т- из Европы, 12,8 млн т – из стран АТР, 9,8 млн т – из России. Таким образом, США обезопасили себя большим количеством поставщиков, смягчая возможность энергетического кризиса. Однако такая страна, как Япония, полностью зависит от поставок нефти.

При уровне добычи и потреблении 2003 г. ее хватит на 92 года. Одна только Саудовская Аравия может эксплуатировать свои 25 % мировых запасов в течение 86 лет. У Африки доказанных запасов значительно меньше и при нынешнем (2003 г.) уровне потребления добычи хватит на 27,3 года. Запасов сырья в Азиатско-Тихоокеанском регионе (АТР) хватит на 10–14 лет.

10