Введение (стр. 1 )

ВВЕДЕНИЕ

Под энергоресурсами понимаются материальные объекты, в которых сосредоточена возможная для использования энергия. Энергия - количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться друг в друга, условно подразделяется по видам: тепловая, химическая, механическая, электрическая, ядерная и т. д.

Из большого разнообразия энергоресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в больших количествах для практических нужд. К основным энергоресурсам относят энергию рек, водопадов, различные органические топлива (уголь, нефть, газ), ядерное топливо - тяжелые элементы урана и тория.

Энергоресурсы разделяют на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относят те, которые природа непрерывно восстанавливает (вода, ветер и т. д.), а ко вторым - ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например, каменный уголь).

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепла Земли, ядерная), называется первичной. Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках - станциях, называется вторичной (энергия электрическая, пара, горячей воды и т. д.).

Станции в своем названии содержат указание на то, какой вид первичной энергии в какую вторичную энергию на них преобразуется. Например, тепловая - электрическая станция (ТЭС) преобразует тепло (первичную энергию) в электрическую энергию (вторичную), гидроэлектростанция (ГЭС) - механическую энергию движения воды в электрическую и т. д.

Получение энергии необходимого вида и снабжение этой энергией потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделить пять стадий:

1. Получение и концентрация энергетических ресурсов: добыча и обогащение топлива, концентрация напора с помощью гидротехнических сооружений и т. д.

2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию, осуществляемая перевозками по суше и воде или перекачкой по каналам, трубопроводам и т. д.

3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную в данных условиях для распределения и потребления форму (обычно в электрическую энергию и тепло).

4. Передача и распределение преобразованной энергии.

5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в еще раз преобразованной.

Различные виды энергоресурсов неравномерно распределены по районам Земли, по странам, а также внутри стран. Места их наибольшего сосредоточения обычно не совпадают с местами потребления. Так, больше половины всех мировых запасов нефти, сосредоточены в районах Среднего и Ближнего Востока, а потребление энергоресурсов в этих районах в четыре с лишним раза ниже среднемирового. Концентрация потребления энергоресурсов в наиболее развитых странах привела к такому положению, когда 30% всего населения в мире потребляет 90% всей вырабатываемой энергии, а 70% населения - только 10%.

Органическое топливо в силу его специфических свойств и исторически сложившихся условий пока остается основным источником используемой человеком энергии.

Топливо по своей природе относится к невозобновляемым источникам энергии, так как оно образовалось в далекие доисторические эпохи и практически не восполняется. Запасы всех видов топлива, которое может быть извлечено из недр земли, ограничены и оцениваются, по данным мировой энергетической конференции (МИРЭК), в 28,3. млн. ТВт×ч или в 3480 млрд. т. у.т.

Рис. В.1. Структура потребления энергетических ресурсов в мире:

I - атомная энергия; II - гидроэнергия и прочие возобновляемые ресурсы; III - природный газ; IV - нефть;
V - уголь

Потребление энергоресурсов быстро растет, что вызывается непрерывным увеличением мирового промышленного производства (рис. В.1). Оставшихся после 2000 г. мировых запасов энергоресурсов без учета возможностей ядерной и термоядерной энергетики, видимо, хватит еще на 100-250 лет. Эти данные, конечно, ориентировочны, однако все же они дают некоторую картину будущего.

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ

1.1. Классификация и характеристика топлив

Любое вещество или смесь веществ, для получения теплоты называют топливом. В настоящее время известны две группы топлив, различающихся по принципу высвобождения энергии: органическое топливо, которое выделяет теплоту при окислении (горении) горючих элементов, входящих в его состав, и ядерное топливо, выделяющее теплоту в результате ядерных преобразований.

Органические топлива классифицируются:

1. По агрегатному состоянию - на твердые (уголь, торф, горючий сланец, растительное топливо), жидкие (нефть и продукты ее переработки: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и др.), газообразные (природный и искусственный газы);

2. По способу получения - на естественные (добываемые из земных недр) и искусственные (получаемые в результате физической или химической переработки естественных топлив и других природных веществ).

Элементарный химический состав твердых и жидких топлив: углерод С, водород Н2, кислород 02, азот N2, сера S , минеральные соединения А и влага W. Сера S может присутствовать в топливе в трех видах: органическая S0, колчеданная Sк и сульфатная Sc . Сумму Sо+Sк = Sл называют летучей серой.

В твердом топливе различают рабочую, сухую, сухую беззольную (горючую) и органические массы, а в жидком - рабочую и сухую массы. Сухой беззольной, или горючей, называют часть массы топлива, состоящую из углерода, водорода, кислорода и летучей серы. Влага и минеральные соединения негорючая масса топлива, называемая балластом. Сухая беззольная масса и минеральные соединения составляют сухую массу топлива. Сухая масса топлива и влага образуют рабочую массу топлива.

Состав твердых и жидких топлив принято представлять в виде суммы масс химических элементов:

(1.1)

Индекс "р" означает, что состав топлива рассчитан на рабочую массу.

В справочных данных приводится состав сухой беззольной массы

топлива. Пересчет состава топлива с сухой беззольной на рабочую или сухую массу производится с помощью коэффициентов:

(1.2)

Основными компонентами, газообразного топлива являются метан CH4, высшие углеводородные соединения CmHn, водород H2, азот N2, оксид углерода СО, диоксид углерода CO2, сероводород H2S, кисло­род O2, Аналогично (1.1) состав газообразного топлива может быть представлен в виде суммы долей объема составляющих его компонен­тов:

(1.3)

Количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема топлива, называется удельной теплотой сгорания, которую разделяют на высшую и низшую. Высшая теплота сгорания Qрв - это количество теплоты, полученное при сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 м3 газообразного топлива (при температуре 0° С и давлении 0,1013 МПа) и конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Низшая теплота сгорания Qрв кДж/кг, не включа­ет в себя теплоту конденсации водяных паров. Высшая и низшая теп­лота сгорания связаны между собой зависимостью:

(1.4)

Низшая теплота сгорания твердого и жидкого топлива с доста­точной для технических расчетов точностью вычисляется по формуле :

(1.5)

Теплоту сгорания газообразного топлива кДж/м3, определяют в расчете на сухую массу:

(1.6)

Ниже приводится удельная теплота сгорания некоторых видов органического топлива:

Бензин...................................МДж/кг

сырая нефть..........................МДж/кг

природный газ.....................МДж/м3

газовый конденсат...............МДж/кг

уголь.........................................МДж/кг.

Для сопоставления экономичности работы энергетических установок, использующих различные виды топлива, применяют понятие услов­ное топливо, теплота сгорания (Qрн)усл которого принята 29.3 МДж/кг. Пересчет расхода В. кг/с, используемого топлива с теплотой сгорания Qрв кДж/кг, на условное топливо (у. т.) производится по формуле:

(1.7)

где BУСЛ. Т - расход условного топлива, кг у. т./с.

Важным показателем при характеристике твердого и жидкого топ­лива является выход летучих веществ, представляющих собой смесь горючих и негорючих газов, которые выделяются из массы топлива при его нагревании от 110 до 1100° С.

Уменьшение массы пробы топлива при нагревании без доступа воздуха за вычетом содержащейся в топливе влаги, отнесенное к горючей массе топлива (масса пробы 1 г. температура нагревания 850° С, время нагрева 7 мин), характеризует величину выхода летучих ве­ществ Vг. Чем больше выход летучих веществ, тем ниже температура воспламенения топлива и легче его зажигание.

Выход летучих веществ зависит в основном от возраста топлива и условий его формирования. Так, выход летучих - веществ у торфа, имеющего самый молодой возраст, составляет 70%. бурого угля%, каменных углей%, у антрацита 3 - 4%.

Твердый остаток топлива после выхода летучих веществ называют коксом. Он может быть плотным, спекшимся или рыхлым. В энергетических установках используются топлива, непригодные для получения плотного кокса. Несгоревший остаток, образующийся после сгорания топлива и состоящий в основном из минеральных примесей, называется золой. Часть золы в процессе горения топлива под действием высоких температур оплавляется и превращается в шлак.

Отношение массы золы к массе топлива в процентах называют зольностью А. Бурые и каменный угли имеют зольность Ас% (в зависимости от месторождения), сланцы%, жидкие топлива 0,05 - 1%. Зольность топлива и свойства золотого остатка влияют на процесс горения. Зола уменьшает теплоту сгорания топлива, снижает интенсивность теплообмена вследствие осаждения на поверхностях нагрева, вызывает износ их, загрязняет окружающую среду.

Влажность W - это количество влаги (воды) в топливе, выражен­ное в процентах. Повышенная влажность снижает теплоту сгорания топ­лива и вызывает большие трудности при сжигании. Высокую влажность (до 50%) имеют бурые угли и торф, поэтому теплота сгорания их не­велика (8-10 МДж/кг). Влажность каменных углей значительно ниже и составляет 5 - 8%.

Для сравнения топлив с различной влажностью, зольностью и сернистостью используют приведенные характеристики, под которыми понимают характеристики рабочей массы топлива, отнесенные к низшей теплоте его сгорания. Приведенные влажность WПР, зольность АПР и сернистость SПР, ( %*кг)/МДж, определяются по следующим формулам:

(1.8)

Топлива с WПР < 0.7 считаются маловажными, а с WПР > 1.9 – высоковажными. Топлива с AПР £ 1 называют малозольными, а с AПР ³ 5 высокозольными.

1.1. Нефтяное топливо

Сырая нефть, поступающая из скважин, представляет собой смесь углеводородов от летучих газолинов до очень вязких гудронов. В ее состав входят парафины, циклопарафины, или лигроины, и ароматичес­кие смолы. В небольших количествах в ней содержатся также другие элементы, химически связанные с молекулами углеводородов: сера (до 6%), кислород (до 4%), азот (до 1%) и следы некоторых металлов. По своим характеристикам нефть неоднородна, и эта неоднородность обусловлена различным растительным происхождением её. Содержание парафина, серы, вязкость, цвет и многие другие характеристики значительно различаются, что определяет возможность производства тех или иных нефтепродуктов.

Нефть в сыром виде не находит широкого применения, но она мо­жет быть превращена в ценные нефтепродукты путем переработки, ко­торая включает три основных процесса: физическое разделение смеси, риформинг и ректификацию.

Нефть в жидком состоянии залегает в геологических осадочных породах, которые широко распространены. Поскольку этот тип геоло­гических формаций и их размещение на земном шаре хорошо изучены, можно произвести оценку суммарных ресурсов нефти. Оценки такого рода существуют, и согласно им общие геологические ресурсы нефти составляют млрд. т. Вероятно, суммарная мировая добыча неф­ти с 1857 г. (года начала добычи) до того момента в будущем, когда промышленная эксплуатация месторождений перестанет быть экономи­чески рентабельной, будет находиться в рамках этих двух крайних оценок: Введение

где Q¥ - общие геологические запасы; dQp/dt - темпы добычи нефти.

Рис. 1.1. Полные циклы мировой добычи нефти

На рис.1.1 приведены прогнозируемые циклы мировой добычи нефти исходя из C¥ = 185 млрд. т (кривая 1) и C¥ = 288 млрд. т (кривая 2). Как видно из этого рисунка для нижней оценки C¥ = 185 млрд. т 80% всех мировых ресурсов нефти будет извлечено из земли в 2020 г., а для верхней оценки C¥ = 288 млрд. т - в 2026г.

Данные оценки являются ориентировочными, так как открытие новых месторождений нефти продолжается. Кроме того, они не учитывают за­пасы нефти в твердом состоянии в битуминозных песках и сланцах. Процесс дистилляции битуминозных песков и сланцев не вызывает принципиальных технических трудностей, однако стоимость нефти, по­лучаемой таким образом, значительно возрастает. Ниже дана оценка разведанных запасов нефти в мире по состоянию на начало 1980 г., млрд. т:

СССР....................................................................................................... 5,7

Западная Европа.................................................................................... 1,9

Африка.................................................................................................... 7,9

Ближний Восток.................................................................................... 49,2

Азия. Дальний Восток.......................................................................... 3,2

Океания.................................................................................................. 2,2

США....................................................................................................... 3,7

Латинская Америка............................................................................... 9,2

Добыча нефти по основным регионам мира %. составляла:

СССР....................................................................................................... 19

Остальные страны Европы................................................................... 3

Страны Ближнего и Среднего Востока.............................................. 35,2

Остальные страны Азии....................................................................... 8,2

США....................................................................................................... 14,3

Венесуэла............................................................................................... 3,8

Остальные страны Американского континента................................ 6,5

Ливия...................................................................................................... 3,2

Нигерия.................................................................................................. 3,2

Остальные страны Африки.................................................................. 3,6

Из этих данных видно, что на страны Азии, Африки и Южной Аме­рики, в основном экспортирующие нефть, приходится около 2/3 ее ми­ровой добычи. Стоимость добычи нефти также резко неравномерна. На­именьшая стоимость добычи в районах Ближнего и Среднего Востока, наибольшая - в ряде районов США и Западной Европы.

Доля нефти в мировом энергетическом балансе составляет около 40%. В связи с ограниченными запасами и ростом цен на нее многие страны пошли по пути "бега от нефти", т. е. по пути замены ее дру­гими энергоносителями. Больших успехов в этом направлении добились Япония и Германия.

Как видно из приведенного анализа, мировые ресурсы нефти ог­раничены. Разведанные запасы нефти составляют около 60% ее общих ресурсов. Эффективной мерой, с помощью которой можно добиться их скорейшего увеличения, является внедрение методов, повышающих неф­теотдачу пластов. Способы добычи, применяемые в настоящее время, позволяют извлекать из пластов всего около 30% нефти, оставляя в земле 70% содержащихся в ней запасов. Новые методы, способствующие увеличению нефтеотдачи пластов на% путем закачки воды и газа под давлением, могут повысить, мировые извлекаемый запасы неф­ти не менее чем на 30-60 млрд. т. В результате этого обеспеченность мира извлекаемыми запасами нефти может быть продлена на 10-20 лет. Большие надежды на рост запасов нефти связываются с разработками континентальных шельфов в США, России, Норвегии и других странах.

Рассмотрим состояние дел с нефтедобычей в бывшем СССР и в РФ.

В довоенный период в СССР в основном были известны запасы нефти лишь на Кавказе. В послевоенное время были открыты запасы нефти в Поволжье (Татарстан и Башкирия), Казахстане, а затем в Ко­ми АССР и на севере Западной Сибири (Тюменская и Томская области). В стране была создана Единая нефтеснабжающая система. В табл.1.1 приведены данные о динамике добычи нефти в бывшем СССР и РФ, млн. т.

Таблица 1.1

СССР	РФ
1970	1980	1984	1985	1990	1993	1995	2000
353	603	613	542	515	300	170-180	330-360

Потребности РФ в нефтяном топливе и сырье для нефтехимии в будущем будут возрастать. Сырьевая база нефтедобычи по объемным показателям в целом удовлетворительная, однако в перспективе будет происходить ухудшение структуры промышленных запасов нефти, что вызовет рост затрат на подготовку запасов и особенно добычу. Поэ­тому необходимо расширение геологоразведочных работ. Динамика до­бычи нефти будет зависеть от сроков подготовки и широкого освоения наиболее совершенных технологий повышения нефтеотдачи пластов: го­ризонтального бурения, гидроразрыва пластов, разработки глубоко залегающих нефтяных пластов и залежей тяжелой, нефти, мобильного оборудования для разработки мелких месторождений и т. д. Основное значение в обеспечении страны моторным топливом и сырьем для неф­техимии будет иметь углубление нефтепереработки с 63% в настоящее время до 74-76% в 2000 г. и до% в 2010 г., это вызовет не­обходимость коренной реконструкции действующих нефтеперерабатывающих заводов.

1.2. Природный газ

Природный газ, в основном метан, обнаруживается во многих случаях вместе с месторождениями нефти. Однако некоторые специа­листы считают, что месторождения нефти и газа не связаны между со­бой. Новейшие достижения в области энергетики, а также создание газопроводов большого диаметра и больших океанских танкеров, в ко­торых можно поддерживать достаточно низкую температуру, чтобы пе­ревозить сжиженный газ, обеспечивают хорошие перспективы для ис­пользования большей части всего имеющегося в недрах земли газа. Более тяжелые компоненты природного газа - этан, бутан, пропан и др. - при нормальных температуре и давлении (20°С и 0,1 МПа) находятся в жидком состоянии. При выходе природного газа из скважин их удаляют из газового потока для того, чтобы их конденсат не зат­руднял передачу газа.

В последнее время газ вместе с нефтью и углем является одним из трех основных мировых источников энергии. Это вызвано действием следующих факторов:

1) значительным ростом рентабельно извлекаемых запасов;

2) относительным увеличением спроса на газ, прежде всего в основных центрах потребления энергии, вызванным преимуществами этого вида топлива, включая универсальность применения, безотходное сжигание и эффективную транспортировку по подземным газопроводам;

3) возрастанием внимания рынка к ранее сжигавшемуся в факелах попутному нефтяному газу;

4) успешным изысканиям газовых месторождений в акваториях мо­рей и вечной мерзлоты.

Мировые ресурсы природного газа на конец 1982 г. оценивались приблизительно в 220 млрд. т нефтяного эквивалента или 263000 млрд. м3. При годовой добыче природного газа на уровне 1982 г. 1.3 млрд. т у. т. (1550 млрд. м3) извлекаемых запасов природного газа, составляющих 72 млрд. т у. т. (86000 млрд. м3), хватит более чем на 50 лет. т. е. до 2032 г.

Распределение запасов газа по странам и регионам приведено в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Страна, регион	% от мировых достоверных запасов
США	27,5
Канада	4,3
Страны Латинской Америки	6,2
Средний и Ближний Восток	20,6
Африка	15,1
Страны Дальнего Востока	2,3
Россия	14,4

Рассмотрим состояние с добычей газа в бывшем СССР и РФ.

На долю СССР приходилось более 2/5 разведанных запасов и свы­ше 1/3 всех геологических ресурсов природного газа, залегающих в недрах земли. Была создана Единая газоснабжающая система страны (ЕГС, которая по производству газа уступала только США, а по про­тяженности магистральных газопроводов являлась уникальным сооруже­нием. В 1970г. в СССР было добыто 184,5 млрд. м3 газа, в 1980 г. 405,6, в 1Динамика добычи газа в процентах показана в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Районы	Добыча, %
1970	1980	1984
Европейская часть	68,7	25	-
Урал	1,2	10	-
Восточные районы	30,1	65	-

Запасы газа в РФ оцениваются на уровне 47 трлн. м3. В будущем он должен заменить, где это экономически обосновано и технически возможно, нефть как топливо и сырье. Газ и впредь будет важным средством решения экологических проблем в большинстве районов страны, замещая низкокачественные твердые топлива и высокосернистый мазут. Для обеспечения необходимого роста добычи газа потребу­ется повысить уровень технологической и организационной подготовке