Конспект Энергетика

Энергетика – область народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии.

Энергетика делится на теплоэнергетику, гидроэнергетику, ветроэнергетику, ядерную энергетику.

Теплоэнергетика – охватывает получение тепла при сгорании органического топлива и преобразование его в другие виды энергии (механическую, электрическую).

Топливо - горючие вещества, основной составляющей которых является углерод применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии, а также как сырье в химической промышленности.

Наиболее часто используют следующие природные топлива: угли каменные, угли бурые, нефть, газы природные горючие, сланцы горючие, торф, древесину. Все они (кроме древесины) относятся к горючим ископаемым. В них содержится основная часть активного углерода планеты (более 90%, остальное - в живых организмах). За счет сжигания перечисленных топлив получают около 75%всей потребляемой энергии.

Охарактеризуем природные или ископаемые топлива:

Торф - геологически самый молодой среди горючих ископаемых. Образовался из скоплений болотных растений в условиях повышенной влажности и недостаточной аэрации. Торф - очень гидрофильное вещество. В процессе сушки объемная усадка достигает 50% первоначального объема. Но вода в торфе не только заполняет капилляры, на частично связана с ним. Это затрудняет сушку и препятствует механическому удалению влаги.

Содержание углерода в торфе возрастает с увеличением степени разложения растений. Зола торфа состоит главным образом из CaO, Fe₂O₃, Al₂O₃ и SiО₂.

Угли бурые - смесь в разной степени превращенных остатков высших наземных растений, водорослей и организмов планктона. Содержание минеральных примесей (зольность) бурых углей м.б. больше 30%, содержание влаги около 20%. От торфов, из которых они произошли, отличаются большей однородностью и отсутствием неразложившихся остатков растений.

Основные буроугольные бассейны - Канско-Ачинский (Красноярский край), Подмосковный, Украинский, Челябинский.

Угли каменные - по запасам заключенной в них тепловой энергии (вместе с близкими им антрацитами) занимают основное место среди горючих ископаемых. Каменные угли являются одним из членов генетического ряда твердых горючих ископаемых: торф - бурый уголь - каменный уголь - антрацит.

Процессы метаморфизма (действие температуры, давления, других веществ) привели к образованию из бурого угля каменного, а, в конечном счете, - антрацита и графита. Это обусловило такое многообразие марок каменных углей, которое определяется составом их и свойствами (Д - длиннопламенный, Г - газовый, Ж - жирный, К - коксовый, С - спекающийся, ОС – отощенный спекающийся, Т - тощий, А - антрацит).

Содержание гигроскопической влаги в каменных углях снижается с ростом их метаморфизма от 7-9% в Д до 0,2-0,4% в Т.

Если зольность угля более 40%, то такие угли называют горючими сланцами. Основные составляющие золы каменных углей - оксиды кремния. Fе, AI, встречаются некоторые редкие элементы - германий, ванадий, вольфрам, титан и драгоценные металлы - Аu, аg.

Основные каменноугольные бассейны – Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский, Кизеловский, Печорский.

Нефть - горючее ископаемое, смесь углеводородов с другими органическими соединениями (сернистыми, азотистыми, кислородными). Нефть - важнейший источник жидкого топлива, а также сырья для химической промышленности. Мазут - остаток после отгонки из нефти бензина и керосина.

Газы природные горючие - естественные смеси углеводородов различного состава. По способу добычи подразделяются на:

Ø собственно природные газы, добываемые из чисто газовых месторождений, практически не содержащие нефти;

Ø попутные газы, растворенные в нефти и добываемые вместе с ней;

Ø газы конденсатных месторождений;

Ø содержащие керосиновые, иногда соляровые фракции нефти.

Классификации топлив:

- по агрегатному состоянию (твердые, жидкие, газообразные);

- по происхождению (природные и искусственные, получаемые при переработке естественных - кокс, моторные топлива, газ коксовый и др.)

В золе топлива должны быть минимальные количества ванадия (0,001%) и натрия (0,0005%), являющихся основными коррозионными агентами.

Для сопоставления разных видов топлив принята условная единица - условное топливо - 1 тут= 7·10⁶ ккал = 2,93·10⁴ МДж.

Очевидно, что протекание процесса горения зависит как от свойств топлив, так и от организации самого процесса горения.

Свойства топлива определяются его химическим составом, горючей массой и балластом.

Химический состав топлива принято записывать символами элементов: С, Н, 0, N, S. Для содержания золы и влаги приняты обозначения А и W. Индексы справа сверху показывают, к какому топливу относятся данные: р - к рабочему, с - к сухому, г - к горюче массе, о - к органической массе.

Горючая масса - основные горючие составляющие: углерод (теплота сгорания 34,4 МДж/кг), водород (l43 МДж/кг), сера (9,3 МДж/кг).

Характеристики твердых и жидких топлив:

Сера содержится в топливе в 3-х видах: органическая (в составе сложных соединений), колчеданная (в соединениях с Fе и другими металлами) и сульфатная.

Негорючие вещества вместе с влагой топлива образуют балласт топлива. Минеральные примеси, характеризующие зольность, присутствуют в виде силикатов (кремнезем, глинозем, глина), сульфидов (FeS), карбонатов (Ca, Мg, Fе), сульфатов (Ca, Mg), оксидов металлов, фосфатов, хлоридов и других солей щелочных металлов в разных сочетаниях для разных месторождений.

Важнейшая характеристика топлива - теплота сгорания.

Высшая теплота сгорания топлива - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании твердого, жидкого или газообразного топлива, когда вся влага топлива переходит в продукты реакции горения.

Низшая теплота сгорания меньше высшей на то количество тепла, которое затрачивается на испарение воды, образующейся при сгорании топлива, а также влаги, содержащееся в нем.

Т.к. при сгорании 1вес.ч. водорода образуется 9вес.ч. Н₂О, то общее количество испарившейся воды равно (W + 9Н)% от веса топлива, анизшая теплота сгорания Q_Н равна:

Q_Н = Q_В - 6(W + 9Н) ккал/кг.

Q_Н = Q_В - 25(W + 9Н) кДж/кг,

где W - содержание влаги в топливе, вес.%.

Н -содержание водорода в топливе, вес.%

Процесс горения твердого топлива проходит через несколько стадий:

- подсушка топлива,

- возгон летучих веществ и образование кокса,

- горение летучих веществ и кокса.

Процесс гетерогенного горения (коксового остатка) - основной процесс горения твердого топлива.

При горении твердых частиц наблюдаются две ситуации:

- на поверхности твердых частиц доступ воздуха к месту реакции не ограничен, реакция идет по типу С + О₂ == СО₂ и скорость горения определяется кинетикой химической реакции - кинетический режим горения;

- под поверхностью твердой частицы кислорода для полного окисления недостаточно, скорость реакции горения определяется скоростью диффузии кислорода к месту реакции. Реализуется диффузионный режим горения 2С + О₂ = 2СО

Дальнейшее окисление СО в топках не играет заметной роли из-за очень малой скорости реакции. Основная реакция, по которой выгорает СО - его реакция с гидроксидом: СО + ОН = СО₂ + Н

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂

Поэтому добавки пара и воды способствуют снижению выхода СО и дополнительному получению энергии.

В реакциях горения вещества проходят через промежуточные стадии, в результате которых образуются активные продукты - атомы и радикалы. В процессе горения эти продукты воспроизводятся, обеспечивая его дальнейшее протекание. Примером цепной реакции (теорию горения и закономерности его протекания изучал Семенов Ник.Ник - ак.АНСССР, создавший количественную теорию цепных реакций) может служить окисление водорода, в котором последовательная цепь реакций имеет вид:

Н + 0₂ = ОН + 0

О + Н₂ = ОН + Н

2ОН + 2Н₂ = 2Н₂О + 2Н

т.е. вступление 1атома Н в реакцию Н + 3Н₂ = 2Н₂О + 3Н вызывает появление 3-х атомов Н, которые, в свою очередь, могут вызвать развитие цепи.

При горении органических веществ рвутся связи в больших органических молекулах, образуются радикалы и с большими, и с малыми молекулярными массами, возможно образование канцерогенных веществ путем рекомбинации радикалов. Их наличие определяется индикацией бенз(а)пирена, который присутствует в продуктах горения различных агрегатных состояний топлива и может конденсироваться в виде капель или желтых иглообразных кристаллов.

Бенз(а)пирен – полициклический ароматический углеводород (С₂₀Н₁₂). В природе весьма устойчив (на протяжении более 40 дней не уменьшает свою активность в воде). Температурная зависимость выхода имеет максимум, который при времени реагирования 0,2 – 0,5 с соответствует температуре 1450 – 1550 К.

При горении следующего компонента горючей массы - серы - образуется один из наиболее токсичных газообразных выбросов – SO₂. Его количество определяется сернистостью топлива - S^р, %.

S + О₂ = SO₂

SO₂ составляет 98-99% от выброса сернистых соединений. Разные топлива существенно отличаются по содержанию серы. Наибольшую сернистость имеют топлива европейской части СССР; подмосковные и украинские бурые угли, донецкие и интинский каменные угли, эстонские горючие сланцы, мазуты из нефти Татарии и Башкирии. Сибирские угли (кузнецкие, канско-ачинские) как правило, имеют небольшое содержание серы. Бессернистым топливом является природный газ большинства месторождений, за исключением оренбургского, ряда месторождений Средней Азии и нижней Волги. Потоки SO₂, измеряемые млн.т/год пересекают государственные границы. В наиболее неблагоприятных условиях оказался восток и северо-восток Европы (из-за преобладающих западных потоков воздушных масс). Так, на территорию бывшего СССР ежегодно приносится 5-10 млн.т SO₂, а уходит на запад примерно 1,5 млн.т. Выпадение на территории Скандинавии кислых дождей приносит до 7ОО тыс.т SO₂ в год. Причем 75 – 90% попадает из других стран: 240тыс.т из США, 160 - из Италии, остальное -вклад теплоэнергетических объектов ФРГ и Англии.

Одним из вредных веществ, попадающих в атмосферу при горении топлив, являются оксиды азота. Их образование идет по 3 путям:

- образование топливных оксидов азота. Полное превращение азота топлива в оксиды наблюдается при N^р не менее 0,1%. При увеличении содержания азота в топливе количество его оксидов в отходящих газах не меняется, а увеличивается содержание пиридинов, хинолинов, смолистых веществ, NН₃, значительная часть азота переходит в нитриды и N₂. Время образования топливных оксидов азота – 10^–2 – 10^–3 с.

- образование быстрых оксидов азота. Эти оксиды обнаруживаются при времени горения 10^-4с. Предложен механизм их образования с участием радикалов, образующихся при горении, и азота воздуха:

СН· + N₂ = НСN + N·

НСN + (Н,ОН) = СN· + (Н₂, Н₂О)

СN· + О₂ = СО + NО

СN· + ОН· = СО + NН·

NН· + ОН· = NО + Н₂

- с увеличением температуры горения увеличивается доля термических оксидов азота, реакция идет по цепному механизму:

О₂ = О· + О· инициирование цепи

N₂ = N· + N·

О· + N· = NО + N· рост цепи

N· + О₂ = NО + О·

О· + О· = О₂ обрыв цепи

N· + N· = N₂