7.4 Основные источники энергии и топлива. Условное топливо

В соответствии с классификацией, приведенной Дж. Твайделлом в книге "Возобновляемые источники энергии", на нашей планете существует пять основных источников энергии, которые лежат в основе всех остальных источников, используемых человеком. Этими источниками являются:

1. солнечное излучение;

2. движение и притяжение Солнца, Земли и Луны, которое проявляется в виде приливно-отливных явлений на морях и океанах (гравитационная энергия);

3. тепловая энергия ядра Земли, а также химических реакций и радиоактивного распада в ее недрах (геотермальная энергия);

4. химические реакции различных веществ;

5. ядерные реакции.

Источники 1, 2 и 3 являются источниками возобновляемой энергии, а источники 4 и 5 - невозобновляемой энергии.

7.4.1 Виды топлив.

Минеральное топливо, находящееся в недрах земли, является основным источником энергии для промышленности и энергетики, а также важнейшим промышленным сырьем.

Топливо, в зависимости от его агрегатного состояния, подразделяют на следующие четыре группы: твердое, жидкое, газообразное и ядерное.

1. Твердое топливо.

К твердому виду топлива относят: уголь (каменный, бурый); горючие сланцы; торф; древесину и другие продукты растительного происхождения;

Ископаемые твердые топлива (за исключением сланцев) являются продуктом разложения органической массы растений. Самое молодое из них - торф представляет собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли - землистая или черная однородная масса, затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью [32].

Твердое топливо состоит из двух составляющих: горючей и негорючей.

Горючей составляющей в органическом топливе являются следующие химические элементы: углерод (С), водород (Н) и сера (S). С увеличением возраста топлива содержание углерода увеличивается (от 40% у древесины до 93% у самого старого вида каменного угля - антрацита).

При полном сгорании углерода образуется относительно безвредный диоксид углерода СО₂ и выделяется при этом 32,8 МДж теплоты на 1 кг сожженного углерода.

Теплотворная способность антрацита равна Q_в = 31 МДж/кг; бурого угля – 21 МДж/кг; сухих дров – 15 МДж/кг.

Негорючей составляющей (балластом топлива) являются минеральные примеси – зола и влага.

Зольность твердого топлива находится в широких пределах, так, например, зольность древесины, торфа, некоторых видов углей составляет не более 10%, а максимальное значение зольности доходит до 50%.

2. Жидкое топливо.

Одним из методов переработки нефти с целью получения жидких видов топлива является ректификация. Сырую нефть нагревают до 350 - 370°С, после чего полученные пары подают в ректификационные колонны, где и происходит ее разделение на фракции, конденсирующиеся при различной температуре. Основными продуктами ректификации являются:

• сжиженный газ (выход около 1 %);

• бензиновую фракцию (около 15 %);

• керосиновую фракцию (около 17 %);

• дизельное топливо (около 18%).

Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 - 350⁰С называется мазутом [32].

Мазут используется в качестве топлива для паровых и водогрейных котлов или может подвергаться дальнейшей переработке в светлые нефтепродукты путем крекинг-процесса, т.е. расщепления тяжелых молекул нефти на более легкие. Различают два вида крекинга: термический и каталитический. Термический крекинг осуществляется под действием высокой температуры и давления, а каталитический происходит при одновременном воздействии высокой температуры и катализаторов. При крекинг-процессе получают до 50 - 60% бензиновой фракции. Выход мазута сокращается до 20%. При этом процессе глубина переработки нефти увеличивается до 80%.

Теплотворная способность жидкого топлива составляет: мазут – 41 МДж/кг, бензин – 42 МДж/кг, дизельного топлива – 42,7 МДж/кг.

3. Газообразное топливо.

Газообразными видами топлива являются природный газ. Основным его компонентом является метан (СН₄) и в небольшом количестве присутствуют азот (N₂), высшие углеводороды (C_nH_m), и двуокись углерода (СО₂). Природный газ является наиболее широко распространенным видом газообразного топлива.

При добыче нефти выделяется, так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому отдающий при сгорании большее количество теплоты.

В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов. Он состоит из пропана и бутана.

Температура конденсации паров пропана при атмосферном давлении составляет ─ 44,5⁰С, а бутана - + 5⁰С. Эти газы транспортируют в жидком виде в баллонах и цистернах под небольшим избыточным давлением 1,6 МПа.

На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы. Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. Коксовый газ после очистки иногда применяют для бытового газоснабжения прилегающих жилых массивов [32].

В последнее время в энергетике проявляется интерес к газам, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив.

Все большее применение находит биогаз - продукт анаэробной ферментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т. д.).