Аккумулирование и транспортирование тепловой и электрической энергии

 

1. Аккумулирование энергии и основные виды электростанций.

В настоящее время ни одна страна мира не может автономно решить весь спектр экологических проблем, которые сопутствуют человеку в его повседневной жизни. Однако выход из экологического кризиса возможен. Нужно только объединить усилия всех стран для осуществления международного сотрудничества в этом вопросе.

Энергетические ресурсы – это любые источники механической, химической и физической энергии. Запасы топлива в земных недрах складываются из угля, нефти, газа и урановых руд. Мировой запас угля оценивается в 9 – 11 трлн т при добыче более 4,2 млрд/г. Мировой запас нефти – 840 млрд т условного топлива, природного газа – 300 – 500 трлн м³, урана – 135 тыс.т. В расчете на 1 человека потребление энергии за период 1990 – 2000гг. увеличилось в 5 раз и будет расти и дальше.

Топливо – это вещество, которое при сжигании выделяет значительное количество теплоты и используется как источник энергии. Многие вещества при сжигании выделяют теплоту, однако не все они могут быть названы топливом. Важнейшими характеристиками последнего является: достаточность запасов, доступность или легкость добычи, возможность сжигания с высокой степенью использования получаемого тепла.

Топливо бывает:

1-горючее- выделяет тепло при окислении, окислитель- обычно 0_2,N₂.

2-расщепляющееся или ядерное топливо (основа ядерной энергетики уран 235).

Горючее делят на 1.1. органическое и 1.2. неорганическое.

1.1.Органическое топливо состоит из следующих составляющих:

горючая составляющая (органические ингредиенты – С-углерод, Н-водород, О-кислород, N-азот, S-сера)

негорючая составляющая (состоит из влаги, минеральной части).

Общепринятое слово "горючее" - это топливо, предназначенное для сжигания (окисления). Обычно слово "топливо" и "горючее" воспринимаются как адекватные. Однако следует знать и другие 1.2. неорганические разновидности топлива. Так, металлы алюминий, магний, железо и др. при окислении (оксиды кремния) так же могут выделять много теплоты. Сейчас в основном используется ископаемое органическое горючее с окислителем -кислородом воздуха.

Горючее также бывает 1.3 природное (добытое в недрах земли) и 1.4. искусственное (переработанное природное). К естественному топливу относятся все растительные виды (древесина, солома, лузга, камыш) и ископаемые (торф, каменный и бурый уголь, сланцы, нефть, природные горючие газы).

1.3 К природным газам относится газ, добываемый из чисто газовых месторождений, газ конденсатных месторождений, шахтный метан и др. Основной компонент природного газа -метан. В энергетике используется газ, концентрация СН₄ в котором выше 30% (за пределами взрывоопасности соединяется с кислородом).

1.4. Искусственные горючие газы - результат технологических процессов переработки нефти и других горючих ископаемых (нефтезаводские газы, коксовый и доменный газы, сжиженные газы, газы подземной газификации угля и др.). Искусственное в свою очередь делится на 1.4.1. композиционное (полученное механической переработкой естественного, бывает в виде гранул, эмульсий, брикетов) и 1.4.2. синтетическое (произведенное путем термохимической переработки естественного - бензин, керосин, дизельное топливо, угольный газ).

1.4.1 Из композиционных топлив, как наиболее употребительное, можно назвать брикеты -механическая смесь угольной или торфяной мелочи со связующими веществами (битум и др.), спрессованная под давлением до 100 МПа в специальных прессах.

1.4.2. Синтетическое топливо (полукокс, кокс, угольные смолы) в Беларуси не используется.

2. Расщепляющееся топливо - вещество, способное выделять большое количество энергии за счет деления тяжелых ядер. В качестве ядерного топлива используется природный изотоп урана 235. При делении 1 кг урана выделяется энергия(2х10⁷кВтч) эквивалентная сжиганию 2,5 тыс. т высококачественного к. угля.

3.1Твердое топливо.

Твердое органическое топливо по степени углефикации делится на торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит.

Важной характеристикой, влияющей на процесс горения твердого топлива, является выход летучих веществ (убыль массы топлива при нагреве его без кислорода при 850°С в течение 7 мин). По этому признаку угли делят на бурые (выход летучих более 40%), каменные (10 - 40%), антрациты (менее 10%). Воспламеняемость антрацитов поэтому хуже, но теплота выше.

К самому распространенному и широкому применяемому топливу в мире относится каменный уголь, который одновременно является сырьем для получения ряда химических веществ, важное свойство многих видов – спекаемость, т.е. способность давать при нагревании без доступа воздуха (при т.850-1110) кокс, необходимый в доменном производстве при выплавке чугуна.

Бурый уголь. Является разновидностью ископаемых углей, но в отличие от каменного обладает высокой гигроскопичностью и влагоемкостью (15-60%). Он характеризуется полным отсутствием способности к спеканию (коксованию), а также склонностью к сомовозгоранию. Куски свежедобытого угля часто обладают большой механической прочностью, но на воздухе они растрескиваются и рассыпаются. В ряду антрацит (кокс) - каменный уголь- б. уголь – торф иногда выделяют лигнин как особый вид топлива, промежуточный между торфом и бурым углем.

Зола - порошкообразный горючий остаток, образующийся при полном окислении горючих элементов, термического разложения и обжига минеральных примесей.

Шлак - спекшаяся зола. Эти продукты сгорания оказывают большое влияние на КПД топочного оборудования (загрязнения, шлаки), надежность работы (пережог труб).

3.2.Жидкое топливо. В настоящее время широкое применение получила нефть. Основная часть нефти расходуется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания или в виде котельного топлива, сжигаемого в топочных устройствах. Ценнейшим качеством нефти является высокая теплота сгорания, относительная легкость добычи, удобство транспортировки, значительные запасы. Кроме того, нефть беззольна и при полном ее сгорании продукты сгорания значительно чище, чем у твердого топлива.

Физико-химические свойства нефти. Нефть представляет собой чрезвычайно сложную смесь переменного состава.

Плотность принадлежит к числу наиболее распространенных показателей при исследовании нефти. Величины плотности у нефти весьма различны, они колеблются в пределах 0,77-2,0г/см. куб., хотя в большинстве случаев они укладываются в более узкие пределы 0,83-0,96.

Вязкостью или внутренним трением. Значение вязкости при характеристике нефтей чрезвычайно велико. Наибольшее значение вязкость имеет при расчете нефтепроводов, связанных с подачей топлива и т. д.

Нефть характеризуется не температурами кипения, температурными пределами начала и конца кипения и выходом отдельных фракций. По результатам перегонки судят о фракционном составе.

• углеводородный газ (пропан, бутан)

• бензиновая фракция (температура кипения до 200 градусов)

• керосин (температура кипения 220-275 градусов)

• газойль или дизельное топливо (температура кипения 200-400 градусов)

• смазочные масла (температура кипения выше 300 градусов)

• остаток (мазут)

Керосин, применяется в небольших отопительных установках, а также служит топливом для турбинных двигателей. Газойл, или дизельное топливо, имеет подобное применение, но главным образом, используется, как топливо для дизельных двигателей. Смазочные масла, очищаются и применяются в качестве смазочных материалов. Это такие масла, как: подшипниковое, низкозастывающее, турбинное, компрессорное, автомобильное, авиационное. Остаток после перегонки мазут, используется, как топливо. Остатком является асфальт, служащий для покрытия мостовых и как изоляционный, влагозащитный материал. Попутные газы состоят из пропана и бутанов и выделяются из нефти. Пропан - используется в виде сжиженного газа, как топливо и служит ценным хим. сырьем

Температурой воспламенения называется та температура, при которой нагреваемый при определенных условиях нефтепродукт загорается и горит не менее 5 секунд.

При понижении температуры часть компонентов нефти становятся более вязкими и малоподвижными. Это весьма осложняет товарно-транспортные операции и эксплуатацию нефти при низких температурах. Эту температуру называют температурой застывания.

Крекинг изобрёл русский инженер Шухов в 1891 г. В 1913 г. изобретение Шухова начали применять в Америке. В настоящее время в США 65% всех бензинов получается на крекинг-заводах. Слово "крекинг" означает расщепление. На крекинг-заводах углеводороды не перегоняются, а расщепляются. Процесс ведётся при более высоких температурах (до 600°), часто при повышенном давлении. При таких температурах крупные молекулы углеводородов раздробляются на более мелкие. Мазут - остаток первичной перегонки. Мазут густ и тяжёл. На крекинг-заводе он снова подвергается переработке - крекингу. Часть углеводородов раздробляется на более мелкие, и из него, так же как из нефти, получают бензин, керосин.

На крекинг-установках всех систем получают бензин, керосин, соляр и мазут. Главное внимание уделяют бензину. Его стараются получить больше и обязательно лучшего качества.

При обычной перегонки нефти удаётся получить не больше 15-20% бензина. Крекинг позволяет повысить кол-во этого топлива в несколько раз.

В технике используется 2 вида крекинга -термический и каталитический. Термический крекинг - нагревание нефтепродуктов под давлением при температуре до 400—600 градусов; В аппаратах крекинг-заводов происходят сложные химические реакции. Эти реакции усиливаются, когда в аппаратуру вводят катализаторы. Одним из таких катализаторов является специально обработанная глина. Катализатор потом отделяется от углеводородов. Катализаторы - крупнейшее достижение нефтепереработки. Такие соединения обычно обладают более низкими температурами кипения и являются более ценным топливом для двигателей внутреннего сгорания.

3.3. К газообразному топливу относятся природный газ, попутный газ и сжиженный газ. Попутный газ получают при добыче нефти. Сжиженный газ получают при первичной переработке нефти и попутных газов. Электростанции работающие на пр. и попутном газе получили чистое, беззольное, легко транспортируемое и достаточно безопасное топливо. Если уровень загрязненности атмосферы от использования угля принять за 1, то от сжигания мазута он = 0,6, а от природного газа – 0,2.

Твердое и жидкое органическое топливо характеризуется сложностью химического состав а, поэтому обычно дается только процентное содержание химических элементов, без указания структур соединений.

С^р + Н^Р +S^Р + N^р +А^Р +W^р =100

за 100% могут быть приняты :рабочая масса - используемая непосредственно для сжигания; сухая масса - без влаги; сухая беззольная масса; органическая масса.

Основной элемент, выделяющий теплоту при окислении - это углерод С, менее важен -водород Н. Особое внимание следует уделять сере S. При сжигании сера влияет на коррозионную активность продуктов сгорания, поэтому это - нежелательный элемент. Влага W в продуктах сгорания представлена в мокром" топливе. Минеральная часть А - это различные окислы, соли и другие соединения, образующие при сжигании золу. Состав топлива необходим для определения важнейшей характеристики топлива -теплоты сгорания топлива.

Основной характеристикой топлива является количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы топлива, измеряется в кДж/кг для твердого и жидкого, в кДж/м³ - для газообразного топлива.

Горючими компонентами топлива являются углерод, водород и сера. Чем выше содержание углерода в топливе, тем больше выделяется теплоты. Кислород, чем больше кислорода (особенно в древесине), тем больше доля углерода топлива.

Для сравнения различных видов топлива их приводят к единому эквиваленту -условному топливу, имеющему теплоту сгорания 29308 кДж/кг (7000 ккал/кг).

Аккумулирование энергии.

Существуют самые различные способы аккумулирования:

Ø химические;

Ø тепловые;

Ø электрические, в форме потенциальной или кинетической энергии.