Раздел 4. Топливно-энергетические ресурсы
4.1. Виды энергетических ресурсов
Развитие энергетики и энергоснабжения базируется на широком ис-пользовании природных источников энергии: тепловой (солнечное излуче-ние, тепловая энергия недр земли), механической (энергия водных и воз-душных потоков, морских приливов и волн), химической (энергия ор-ганического топлива, растительного и минерального), ядерной (ядерное горючее).
По уровню современных научных знаний и технических достижений все перечисленные источники природной энергии могут быть использова-ны и используются в той или иной мере для производства энергии. Однако техническая возможность и экономическая целесообразность получения и преобразования отдельных видов природных ресурсов в масштабах, соот-ветствующих потребностям экономики страны, весьма различны. По этой причине к энергетическим ресурсам относят те источники энергии, запасы которых выявлены, изучены и могут быть широко использованы.
Все энергоресурсы можно разделить на возобновляющиеся и невозоб-новляющиеся. К первой группе относятся периодически возобновляемые энергоресурсы: солнечная радиация, гидроэнергия, ветровая энергия, энер-гия температурного перепада поверхностных и глубинных слоев океана, энергия приливов. Ко второй группе принадлежат энергонесущие полез-ные ископаемые, образование которых происходит в течение длительных геологических периодов и возобновление которых практически невозмож-но (уголь, нефть, газ, уран, торий).
Почти все современное производство энергии базируется на исполь-зовании органического топлива, гидроэнергетических ресурсов, а также ядерного горючего.
4.2. Топливо, его основные характеристики
Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве ис-точника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопи-тельных установках.
45
зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теп-лота из топлива, различают органическое и ядерное топливо.
органических топливах теплота выделяется в результате химиче-ской реакции окисления его горючих частей при участии кислорода, а в ядерных топливах — в результате распада деления ядер тяжелых элемен-тов (урана, плутония).
Основной составной частью органического топлива является углерод. При сжигании топлива выделяется большое количество теплоты на едини-цу массы или объема. По агрегатному состоянию различают твердое топ-ливо — ископаемые угли, торф, сланцы, дрова; жидкое — нефть и нефте-продукты; газообразное — природные и промышленные горючие газы.
Ископаемое твердое топливо образовано из растительного вещества, которое в сложных геологических условиях за всю историю Земли посте-пенно освобождалось от кислорода и частично от водорода и обогащалось углеродом. По содержанию углерода ископаемое твердое топливо распо-лагают в следующем порядке: торф — 60 %, бурый уголь — 70 %, камен-ный уголь — 80-90 %, антрацит — 95-97 %.
Происхождение нефти и природных газов также связано с разложением органических веществ и образованием сложных углеводородов, в результа-те накопления которых в пористых породах и пустотах земной коры возни-кали месторождения нефти и газа. В природе нефть и газ часто встречаются совместно.
Своеобразным видом топлива являются сланцы, представляющие со-бой минеральную породу, обильно пропитанную горючей массой, имею-щей большое сходство с нефтью.
Твердое топливо. Важнейшими техническими характеристиками твердого топлива являются состав горючей массы, влажность, зольность, выход летучих веществ, коксовый остаток.
Элементарный состав твердого и жидкого топлива дается в процентах
массе 1 кг топлива. При этом различают рабочую, сухую и горючую мас-сы топлива.
Горючая масса топлива состоит из углерода, водорода, летучей серы, кислорода и азота:
-
Сг Н г S лг Oг N г 100 % .
(4.1)
Кроме того, твердое топливо всегда в том или ином количестве со-держит минеральные примеси, находящиеся с горючей массой в связанном46
состоянии и выделяющиеся в виде твердых остатков при горении топлива. Процентное содержание минеральных примесей в единице массы топлива называют его зольностью и обозначают через А. Таким образом, сухая масса топлива равна:
Топливо в естественном состоянии содержит также воду в виде меха-нической, капиллярной и коллоидной влаги. Процентное содержание влаги в топливе обозначается через W и называется влажностью. Топливо в том состоянии, в котором оно поступает для сжигания, называется рабочим топливом. Элементарный состав рабочей массы выражается уравнением
Зола и влага в сумме образуют внешний балласт топлива. Азот и ки-слород составляют его внутренний балласт. Те и другие не участвуют в го-рении, однако, требуют расхода теплоты на свое нагревание, испарение и плавление, снижая тем самым энергетическую ценность топлива. Чем больше в топливе балласта, тем меньше доля его горючей массы, что вы-зывает увеличение расхода топлива для получения одного и того же ко-личества теплоты. При этом ухудшаются также технико-экономические показатели добычи и транспорта топлива.
При нагревании без доступа окислителя топливо разлагается на га-зообразную и парообразную части, называемые летучими веществами, и твердый остаток, называемый коксом.
Количество образующихся летучих веществ, выраженное в процентах к горючей массе топлива, называется выходом летучих (Vлг ). В состав ле-
тучих входят водяной пар, кислород, водород, окись углерода, углеводоро-ды. Основная масса летучих выделяется при температуре до 850 °С, пол-ное выделение их заканчивается при 1100–1200 °С. Выход летучих харак-теризует способность топлива к газификации, быстрому воспламенению и выгоранию. Чем геологически моложе топливо, тем больше оно выделяет летучих.
Характеристика твердого остатка — кокса используется для оценки сте-пени спекаемости топлива, играющей важную роль при определении его тех-нологической пригодности для производства металлургического и литейного кокса. В качестве энергетического топлива используются только неспекаю-щиеся и плохо спекающиеся угли.
47
Жидкое топливо. Природным жидким топливом является нефть, представляющая собой смесь жидких углеводородов с растворенными в них твердыми углеводородами. Она является ценнейшим сырьем для по-лучения различных видов моторного топлива и химических продуктов. Поэтому сырую нефть как топливо не используют, а подвергают перегонке для извлечения из нее светлых нефтепродуктов (бензинов, керосинов, ди-зельного топлива) и сырья для химической промышленности.
Вязкий остаток нефти после отбора светлых продуктов называется мазутом, который и используется в энергетических установках в качестве топлива.
По элементарному составу мазут мало отличается от сырой нефти. В горючей массе мазута содержится 85-88 % углерода, 10-12 % водорода, 0,6-1 % кислорода и азота, 0,5-3,5 % серы. Теплота сгорания горючей сме-си составляет 42 МДж/кг.
Количество мазута, его вязкость зависят от характеристики исходной нефти и глубины ее перегонки. Вязкие сорта мазута требуют предвари-тельного нагрева для возможности транспортирования его по трубопрово-дам, слива, а также распыления при сжигании.
Газообразное топливо. Естественное газообразное топливо добыва-ется из природных месторождений трех типов: чисто газовых, газоконден-сатных и нефтяных.
Газы месторождений первого типа называются природными, содер-жащими до 90 % и более метана, а также другие компоненты (окись угле-рода, водород, сернистый газ, азот, углекислый газ).
Газы газоконденсатных месторождений отличаются большим содер-жанием высших гомологов метана (5 % и выше). При извлечении этих га-зов на поверхность они образуют конденсат, являющийся ценнейшим сырьем для получения газового бензина, сжиженных (жидких) газов, по-лупродуктов для химической промышленности.
Газы нефтяных месторождений называют попутными газами. Они растворены в нефти и выделяются из нее при извлечении на поверх-ность. В состав попутных газов входит значительное количество этана, пропана, бутана и высших углеводородов.
К искусственным горючим газам относятся доменные и коксовые газы, являющиеся побочными продуктами коксохимических и доменных процес-сов, крекинг-газ и пиролизный газ — продукты нефтехимического производ-ства, а также так называемые генераторные газы — продукт газификации
48
твердого топлива. Для искусственных газов характерно высокое содержание водорода, оксида углерода, а также балластного азота и углекислоты.
Перечисленные газы используют в пределах того производства, где их получают в качестве топлива для технологических и энергетических установок.
Физико-химические свойства газообразного топлива, представляюще-го собой смесь различных горючих и негорючих газов, определяются свойствами составляющих его компонентов. Среди свойств наиболее рас-пространенного в быту и в котельной технике природного газа особо важ-ное — взрывоопасность в смеси с воздухом при соприкосновении с пламе-нем. Обычно взрывоопасной считают смесь с содержанием 5-15 % газа в воздухе. При меньшем содержании газа смесь не горит и не взрывается, при большем — только горит.