Основные понятия

Природное сырье

Искусственное сырье

Минеральное и органическое сырье

Рудное сырье

Полиметаллическое сырье

Обогащение сырья

Концентрат

Хвосты обогащения

Гравитационное обогащение

Магнитная сепарация

Флотация

Качество сырья

Проба благородного метала

Карат

Топливо

Условное топливо

Жесткость воды

Кислотность или щелочность

Фазовая диаграмма воды

Тройная точка

Относительная и абсолютная влажность

Сосуд Дьюара

Вопросы для обсуждения

1. Расскройте понятие “сырье”

2. По каким признакам классифицируется сырье?

Глава 3. Система технологий в энергетике

3.1. Основные виды и источники энергии

Энергетический потенциал планеты включает практически неистощимые источники энергии – солнце, ветер, воды рек и морей – и невосполнимые, связанные с использованием полезных ископаемых – нефти, угля, природного газа, урановых руд, горючих сланцев и торфа.

Источники энергии первой группы, за исключением гидроэнергии рек, до настоящего времени занимают незначительное место в мировом энергетическом балансе.

Энергия необходима как для проведения самого технологического процесса, так и для транспортировки сырья и готовой продукции, вспомогательных материалов. В структуре себестоимости продукции затраты на электроэнергию составляют более 30%, что свидетельствует о высокой энергоемкости некоторых видов производств, которые в 5 раз превышают достигнутые в мире с применением новейших технологий.

В промышленности применяются разнообразные виды энергии: электрическая, тепловая, ядерная, химическая и энергия света.

3.2. Система технологий тепловых электростанций

На тепловых электростанциях (ТЭС) источником энергии является органическое топливо, прежде всего уголь, а также горючие сланцы, нефтяной мазут, газ. Система технологий теплоэнергетики состоит из следующих звеньев (при работе на угле).

1. Добыча угля (подземным или открытым способом).

2. Обогащение и подготовка к сжиганию.

3. Сжигание угля и получение пара высокого давления.

4. Конверсия тепловой энергии пара последовательно в механическую энергию турбоэлектрогенератора и электрическую (в одном блоке турбоэлектрогенератора).

Основное оборудование паротурбинных ТЭС:

1. Котлоагрегат (паровой котел, пароперегреватель).

2. Турбогенератор (паровая турбина, соединенная с электрогенератором).

Тепловые электоростанции, на которых в качестве привода электрогенераторов применяют так называемые конденсационные турбины, называют конденсационными электростанциями (КЭС).

Паротурбинные электростанции, вырабатывающие и отпускающие потребителям одновременно 2 вида энергии: электирическую энергию и теплоту (получаемую в результате частичного использования отрабатываемого пара) называют теплоэлектроцентралью (ТЭЦ).

На рис. 3.1 изображена упрощенная иллюстрационная система ТЭС. Реальные агрегаты конструктивно значительно сложнее.

Рис. 3.1. Технологическая схема конденсационной ТЭС

1 – котлоагрегат, 2 – турбина, 3 – электрогенератор, 4 – конденсатор, 5 – циркуляционный насос, 6 – градирня, 7 – насос градирни, 8 – конденсационный насос 1 ступени, 9 – обессоливающая установка; 10 – конденсационный насос 2 ступени, 11 – подогреватель низкого давления;12 – деаэратор; 13 – бустерный питательный насос; 14 – питательный насос; 15 – подогреватель высокого давления.

При сжигании топлива в топке котлоагрегата 1 поступающая в него по трубам вода превращается в пар. Под высоким давлением пар подается в турбину 2, где он, воздействуя на лопасти ротора турбины, приводит его во вращающееся движение. Ротор турбины механически связан с ротором электрогенератора 3, в трехфазной статорной обмотке которого при вращении ротора образуется эдс., т.е. вырабатывается электроенергия.

Отработавший в турбине пар подается по трубопроводу в конденсатор 4, являющейся частью турбоагрегата. Конденсатор представляет собой теплообменник для осуществления перехода воды из парообразного состояния в жидкое. Конденсация пара происходит в результате попадания пара в паропровод теплообменника с более низкой температурой, чем температура насыщения пара при данном давлении. Конденсация пара сопровождается выделением теплоты,которая отводится от горячего паропровода при помощи охлажденной воды, циркулирующей с помощью циркуляционного насоса 5 через теплообменник 4 и градирню 6.

Градирня представляет собой пустотелое сооружение в форме усеченного конуса для охлаждения воды атмостферным воздухом. Насос 7 подает воду внутрь градирни, где она распыляется в виде фонтана. Охлаждение происходит в основном за счет испарения воды сквозным воздушным потоком, движущимся снизу вверх.

Превращению пара в воду, помимо охлаждения, способствует вакуум, создаваемый в паропроводе теплообменника конденсационными нососами 1 и 2 ступеней 8 и 10. Далее вода через обессоливающую установку 9, подогреватели низкого и высокого давлений 11, 15 и деаэратор 12 с помощью бустерного 13 и питательного 14 насосов направляется в котлоагрегат для повторного использования.

Деаэратор представляет собой аппарат для удаления из воды растворенных в ней кислорода и диоксида углерода, вызывающих коррозию труб и другого оборудования. По принципу действия деаэраторы бывают термические, химические и др.

Бустерный насос -это вакуумный насос, установленный между конденсационными насосами с целью приведения в соответсвие разных уровней их выпускного давления.

Таким образом, получается замкнутый пароводяной тракт: котлоагрегат – паровая турбина-конденсатор-котлоагрегат.

Повышение давления и температуры пара перед турбинами и снижение конечной температуры и давления отработанного пара увеличивает КПД конденсационной электростанции. При работе КЭС практически вся энергия, сообщенная пару при сжигании топлива, преобразуется в электрическую. Часть выработанной электроенергии расходуется на обеспечение собственных нужд электростанции (работа вспомагательного оборудования, освещение, вентиляция и пр.). Общий КПД современных КЭС достигает 35-42%. Обычно КЭС работают на местных твердых топливах, мазуте и природном газе.

Конденсационные электростанции являются основным типом мощных тепловых электростанций.

Тепловые конденсационные электростанции чаще всего называют ГРЭС, т.е. государственные районные электростанции. Это название устарело и не соотвествует действительности. Раньше, когда не было энергосистем, каждая ТЭС обеспечивала потребителей в пределах того района, где сама распологалась. В настоящее время при наличии единых энергосистем страны слово "районная" потеряло смысл.

ТЭЦ оборудуют преимущественно теплофикационными турбинами, т.е. турбинами без конденсатора. В таких турбинах давление на выходе последней ступени выше атмосферного. Отработавший в турбине пар либо отводится в теплофикационную сеть, либо направляется в специальные водонагреватели, где пар отдает тепло воде, которая идет на отопление жилищ, обеспечение коммунально-бытовых потребностей в горячей воде и технологических нужд промышленных предприятий.

Комбинированное производство электороэнергии и тепла способствует более эффективному использованию топлива по сравнению с раздельной выработкой электроэнерги на КЭС и тепла в местных котельных. Кроме того, местные котельные не всегда рационально используют отпускаемое им топливо, загрязняют атмосферу выбросами продуктов сгорания и тем самым ухудшают окружающую среду населенных пунктов. Такие города как Киев и Харьков для тепло – и электроснабжения используют по нескольку ТЭЦ.

Пример. Чтобы уяснить экологическую проблему ТЭС, следует проанализировать количественные характеристики отходов в цепи потока энергии от добычи угля до получения электроэнергии.

Но расчеты удобнее производить, задаваясь мощностью электрогенератора и по очереди переходить до предыдущей стадии конверсии.

Поэтому, если мощность достаточно большого турбогенератора составляет 1000МВт, коэффициент полезного действия конверсии механической энергии паровой турбины в электрическую – 0,95, а энергии пара в механическую – 0,37, то коэффициент конверсии химической энергии угля в тепловую энергию пара и далее в электрическую будет равнятся произведению:

η = 0,95 х 0,37 = 0,36

Если удельная теплота сгорания качественного каменного угля составляет около 28 МДж/кг, то ежесекундно нужно сжигать

1000 МДж

------------------------------------ = 100 кг

0,36 х 28 МДж х кг^-1

То есть 100 кг угля, которые сжигаются за 1с,эквивалентны 1000 МДж, то есть мощности в 1000 МВт.

Рассмотрим материальные потоки при реализации конверсии химической энергии 100 кг угля в электрическую. Состав разных видов каменного угля колеблется в довольно широких пределах. Так, содержание углерда составляет 75...97%, водорода 2...15%, серы 1... 4%, азота до 1,5%. Кроме приведенных химических элементов уголь содержит много металлов и неметаллов, которые, сгорая, образуют до 6% золы и легкие соединения, многие из которых ядовиты. Исдходя из средних значений приведенных данных состава угля, выполним расчеты (на 100кг угля).

Выход диоксида углерода (СО₂) и расход кислорода для полного сгорания согласно стехиометрическим уравнениям: С+О₂ = СО₂

Молярные массы кг/моль: С=12; О₂ = 32; СО₂= 44

Масса полученного СО₂ из 100 кг угля со средним содержанием 86% углерода составит:

44 х 86

СО₂= ------------------------------ = 315 кг

12

315 кг

Количество вещества СО₂ = ------------------------------- = 7,15 моль

44 кг х моль ^-1

Масса расходуемого кислорода на сжигание 100 кг угля составляет

32 х 86

О₂= ------------------------ = 229,3 кг

12

229,3 кг

Количество вещества О₂ = ------------------------------- = 7,16 моль

32 кг х моль^-1

Выход диоксида серы из 100 кг угля определим исходя из среднего содержания серы в угле 2,5% согласно уравнению: S+ O₂= SO₂

Молярные массы, кг/моль: S=32; O₂ =32; SO₂= 64

64 х 2,5 кг

Масса SO₂ = ---------------------------- = 5 кг

32

5 кг

Количество вещества SO₂ = --------------------------- = 0,08 моль

64 кг х моль^-1

3,3

Выход оксидов азота в пересчете на NO₂ = ---------- = 0,07 моль

46

Расход суммарного количества вещества кислорода на окисление серы и азота определим исходя из того, что согласно уравнению на один моль SO₂ и NO₂ расходуется по одному молю О₂, поэтому на получение 0,08 моль SO₂ и 0,07 NO₂ будет израсходовано 0,08 + 0,07 = 0,15 моль О₂ или 0,15 х 32 = 4,8 кг. Вместе с расходами на окисление углерода 7,31, или 7,31 х 32 = 233,9 кг.

Объем воздуха (при нормальных условиях содержания О₂ =2,3%), который забирается из окружающей среды и выбрасывается в виде дыма в измененном химическом составе через трубу просто в небо:

V_В= 1015 : 1,29 = 775 м³ ( Ѕ_возд = 1,29 кг/м³)

С воздухом поступает азот соответственно содержанию (76% массы) 1015 х 0,76 =771 кг. Состав дыма (без учета излишков воздуха и влаги) можно определить исходя из того, что количество израсходованного кислорода (7,3 моля) эквимолекулярно будет заменено диоксидами СО₂, SO_2, NO₂.

Таким образом, если на входе в топку с воздухом на каждые 100 кг угля за секунду поступает 7,4 моля кислорода и 771 : 28 = 27 молей азота, т.е. 7,31 + 27 = 34,31 моля, то на выходе получим более 34,3 моля газа. Суммарное количество вещества соответственно вышеприведенным вычислениям

27 N₂+7,15 СО₂+0,08 SO₂ + 0,01 NO₂= 34,3 моля

Состав дымовых газов в объемных процентах будет соответствовать процентному соотношению молей каждого из них.

21 х 100 7,16 х 100

Так % N₂ = ------------- = 79%; % СО₂= ------------------ = 21%

34,3 34,3

0,08 х 100 0,07 х 100

% SO₂ = ------------------ = 0,24%; % NO₂= -------------------- = 0,2%

34,3 34,3

Откуда % (масс): N₂ = 10; СО₂ =29; SO₂ =0,5; NO₂ = 0,3

В реальном дымовом газе соотношение компонентов будет отличаться, кроме СО₂, а также других оксидов азота и других газов. Вычисленные результаты относятся к сжиганию 100 кг угля соответственно мощности 1000 МВт, то есть на каждые 1000 Дж за секунду (280 кВтч). Для большей наглядности рассмотрим ситуацию, сложившуюся около мощной современной электростанции с установленной мощностью 3000 МВт.

За сутки, т.е. за 86400 с, выбросы составляют:

по СО₂ 3 х 315 х 8,04 х 10⁴ = 8127 х 10⁴кг (81270 т);

по SO₂ 3 x 5 x 8,04 x 10⁴ = 129 x 10⁴ кг (1290 т);

по NO₂ 3x 33 x 8,04 x 10⁴ = 86 x 10⁴ кг (860 т) и поглощение О₂

3 х 233 х 6 х 8,04 х 10⁴ = 6027 х 10⁴ кг (60270 т)

При этом на станцию необходимо доставить угля 3 х 100 х 86400 = 24120000 кг (24120т) и вывезти шлака 3х 5,2 х 86400 = 2340000 кг (2340 т)

Под отвалы шлака и золы ( высотой до 10м) необходимо ежегодно отводить площадь до 3га. Ежесуточно такая станция вырабатывает электроэнергию 3000 х 10⁶ = 8,04 х 10⁴ = 25,8 х 10³ Дж, или 25,8 х 10¹³ х 2,8 х 10 ^-7 = 7224 х 10⁶ кВтч

Соответственно на тепловых электростанциях Украины при их нормальной загрузке выброс составляет 281,5 х 10⁹ х 1,12 = 315 х 10⁹ кг (315 млн. т), где 281,5 х 10⁹ максимальное годовое количество электроэнергии, вырабатываемой в Украине, кВт·ч.

В атмосфере оксиды серы и азота образуют с парами воды соответствующие кислоты, которые губительно действуют на растительность и фауну водоемов. Обычная дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара в атмосфере, имела бы нейтральную реакцию (рН), но даже в чистом воздухе из-за наличия СО₂, она приобретает значение РН-5,6...5,7.

Сегодня в промышленных регионах, где в атмосфере в значительной степени содержаться оксиды серы и азота, дождевая вода обычно имеет рН от 3 до 4. Уменьшение pН на единицу означает увеличение кислотности в 10 раз, на два – в 100 раз. Известны случаи выпадения дождей с рН около 2,5, т.е. кислотность равнялась уксусу. Озера и водоемы, содержащие воду с такой кислотностью, мертвы.

Ниже приведены уровни рН дождевой воды в сравнении с известными веществами.

Вещество Уровень рН

Лимонный сок 2

Уксус 3

Томатный сок 4

Дождевая вода 5,6

Морская вода 8