Общая характеристика источников энергии

1 Общая характеристика источников энергии

1.1 Структура природных источников энергии

Энергетическими ресурсами называются природные источники энергии, преобразуемые в дальнейшем в формы энергии, которые используются в производственных процессах, на транспорте, в быту.

Основное место в балансах запасов, добычи и потребления занимают каменные угли, нефть и природный газ.

Такие виды топлив, как торф, дрова, отходы сельского хозяйства в современных энергобалансах составляют небольшой процент.

В общих энергобалансах роль гидроэнергии незначительна, а в производстве электроэнергии – существенна. В некоторых странах вся энергетика базируется на гидроэнергии.

Ветроэнергетические ресурсы мира составляют примерно 70 триллионов кВт∙ч в год. Однако фактическое их использование невелико. Основным недостатком ветровой энергии является ее пространственная рассредоточенность и связанная с этим относительно малая мощность установок (до 100 кВт). Второй существенный недостаток - непостоянство времени скорости ветра. Интересным для исследователей представляется вопрос об использовании энергии недр земли. Эта энергия исчисляется огромными цифрами. Однако на современном техническом уровне использование в полной степени этой энергии не представляется возможным.

Энергия солнечной радиации в настоящее время используется не полностью, т.к. не существует более-менее приемлемого технического решения о преобразовании ее в электрическую.

Рекомендуемые материалы

Огромную роль в энергетике в настоящее время играет энергия ядерных реакций. Это самый дешевый из всех видов энергии. Однако такой вид энергии является потенциально самым опасным, поэтому его использование требует особых подходов.

1.2 Энергетические ресурсы мира

Данные о мировых энергетических ресурсах мира не остаются постоянными и все время изменяются. Продолжающееся изучение недр Земли приводит к открытию новых месторождений угля, нефти, природного газа. Теоретически энергетические запасы Земли неисчерпаемы, однако запасы, добыча которых экономически оправдана, ограничены, поэтому говорить о неисчерпаемости является не совсем правильным.

Примерные данные о мировых запасах:

уголь -1,60000 млрд тонн, нефть – 520 млрд тонн, природный  газ-160·10¹² м³, торф – 261 млрд тонн, в то время как запасы, доступные для извлечения, составляют: уголь -4000 (25%), нефть-260 (50%), природный газ 140∙10¹² м³ (78%), торф -90 (25%), т.е. более 25% всех разведанных запасов.

Для возможности количественного сопоставления разных видов топлив параллельно с данными других видов вводится понятие значения тонны условного топлива (т.у.т). Тепловой эквивалент т.у.т составляет 7106 ккал (1 т.у.т.=7106 кКал=29,33∙10⁹ Дж=8,2103 кВт·ч).

1.3 Топливо. Виды топлива

После рассмотрения основных понятий об энергетических ресурсах и источниках энергии необходимо рассмотреть один из главных видов энергии, используемой человеком,- тепловую энергию.

Основным источником получения тепла в промышленности, транспорте, в сельском хозяйстве, в быту являются горючие вещества органического происхождения. Большое значение в настоящее время имеет и ядерное горючее. В зависимости от назначения различают топливо энергетическое, технологическое и бытовое.

Все виды органического топлива могут быть разделены по агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные, а по способу получения на естественные и искусственные.

К естественному твердому топливу относятся: антрациты, каменные и бурые угли, торф, дрова, опилки. Искусственные виды топлива: брикеты (торфяные, буроугольные, каменноугольный), кокс, полукокс, древесный уголь. Естественное жидкое топливо - сырая нефть. Искусственное жидкое топливо- бензин, керосин, мазут, спирт и т.д. Естественное газообразное топливо - природный газ. Искусственные виды - газы (доменный, коксовый, генераторный).

1.4 Общие характеристики топлива

Топливо в том виде, в каком оно поступает потребителю, называют рабочим топливом. Твердое и жидкое рабочее топливо состоит из углерода С, водорода Н₂, кислорода О₂, азота N₂, серы S, негорючих примесей А и влаги W.

Твердые негорючие примеси характеризуют зольность топлива. Поэтому величина А обычно означает содержание золы в топливе.

Состав твердого и жидкого топлива принято выражать в весовых процентах:

.

Топливо, из которого в результате сушки полностью удалена влага, называется абсолютно сухим топливом:

,

где составляющие - процент в абсолютно сухом топливе.

Если предположить, что из абсолютно сухого топлива удалены негорючие примеси А, то остаются пять компонентов, которые называют горючей массой топлива:

.

Сера в топливе содержится в различных соединениях:

- сульфатная S^c – входит в состав СaSO₄, NaSO₄, K₂SO₄;

- колчеданная S^k – в соединении с металлами и FeS₂;

- органическая – в составе органических соединений, S^op и S^k участвуют в горении топлива и их сумма составляет серу топлива S_л=S^op+S^k.

При исключении из горючей массы колчеданной серы останется топливо такого состава С_о+Н_о+О_о+N_o+S_o=100%. Такой состав топлива называется органической массой. В большинстве случаев содержание серы в топливе невелико (десятые доли процента). Поэтому состав органической массы иногда записывают упрощенно:

.

Основной горючий элемент топлива - углерод, составляющий большую часть рабочей массы (50-75% для твердых топлив и 83-85% для мазутов). Количество углерода в твердых топливах невелико. Сера же, несмотря на малое содержание ее в топливе (0,2-0,5%), при сгорании образует вредные соединения и вызывает коррозию оборудования.

Влажность топлива колеблется в широких пределах: для каменных углей W_p=5-14%, для бурых - до 40%. Влага в топливе нежелательна, потому что из-за нее уменьшается доля горючих компонентов в единице массы топлива, удорожается его транспорт, усложняется разгрузка, возникают трудности при сжигании, снижается тепловой эффект горения, т.к. часть теплоты затрачивается на испарение.

При проектировании и эксплуатации устройств для производства тепла часто приходится пересчитывать состав топлива. Состав рабочего топлива может изменяться, т.к. величины А^р и W^р могут колебаться в широких пределах. В то же время состав горючей массы топлива более стабилен. Это позволяет с приемлемой точностью находить состав рабочего топлива путем пересчета, не производя каждый раз полного элементарного анализа топлива. Если известны состав горючей массы (С^Г, Н^Г и т.д.) зольность А^р, влажность W^р рабочего топлива, то можно найти состав рабочего топлива:

.

Пользуясь этим же коэффициентом, можно найти содержание в рабочем топливе остальных компонентов (Н_р, О_р и т.д.).

1.5 Горение

Горением называют процесс интенсивного соединения горючего вещества с окислителем (кислородом), протекающий при высокой температуре (1000-2000⁰С) и характеризующийся интенсивным тепловыделением.

Механизм горения достаточно сложен и для некоторых веществ мало изучен. Тем более он сложен для таких комплексных органических соединений, как органическое твердое топливо. Однако для выполнения первого, самого простого этапа тепловых расчетов тепловых агрегатов (котлов, печей) достаточно знать начальное и конечное состояние системы горючее - окислитель, не рассматривая механизма горения.

Формулы газовых расчетов получают из соотношений реагирующих веществ в молях, единицах массы, единицах объема:

С + О₂=СО₂ ;                                         S + O₂=SO₂;

12кг+32кг=44 кг;                                 32,07кг+32кг=64,07кг;

2C + O₂=2CO;                                      2H₂+O₂=2H₂0;

24кг+32кг=56 кг;                                 4,032кг+32кг=36,032 кг;

Рекомендуем посмотреть лекцию "20 Тональные рельсовые цепи ТРЦ-ЭТ00".

2СО + О₂=СО₂ ;                                  СН₄ + 2О₂=СО₂+2Н₂О;

2м³    1м³    3 м³ ;                                 1м³     2 м³  1 м³   2 м³.

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, называется теоретическим количеством воздуха.

Балластом рабочего топлива являются сера, зола и влага. Несмотря на то что сера - горючий элемент, ее относят к балласту, т.к. в результате ее сохранения образуются вредные продукты: сернистый и серный ангидриды. Они отравляют атмосферу и вызывают коррозию оборудования. Процентное содержание серы в горючей массе разных видов топлива S^Г: торф, древесина, нефть - 0,3-0,4%, антрацит, каменный уголь и бурый уголь - 2-6%.

Зольность топлива состоит из внутренней и внешней (порода, минеральные вещества, внесенные в процессе добычи и транспортировки). Зольность некоторых топлив: 0,3% - нефть, 5-35%- уголь, 4-20% - торф. При нагревании топлива без доступа воздуха (сухой перегонке) происходит термическое разложение топлива с выделением летучих веществ и образованием твердого остатка. Летучие вещества - смесь газов и паров. Кокс – твердый остаток, состоит из углерода и золы. Процесс сухой перегонки при температуре 1050-1100⁰С называется коксованием и широко применяется для получения высококачественного металлургического кокса. Реже применяется полукоксование - перегонка при 500-600⁰С. Основная цель такого процесса - получение ценных жидких и газообразных продуктов.

В современных устройствах для сжигания топлива практически достигается полное сгорание топлива. В этом случае продукты сгорания состоят из углекислого газа СО₂, сернистого ангидрида SO₂, неиспользованных в процессе горения азота N₂, избыточного кислорода О₂ и водяного пара Н₂О. Сумма - объем сухих газов водяного пара. Полный объем газа: .