Энергетические ресурсы Земли (стр. 1 )

Энергетические ресурсы Земли

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...................................... 46 МДж/кг

сырая нефть............................. 43 МДж/кг

природный газ........................ 37 МДж/м3

газовый конденсат.................. 35 МДж/кг

уголь............................................ (30-55) 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 45 - 50%, каменных углей 25 - 40%, 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 10 - 55% (в зависимости от месторождения), сланцы 40 - 60%, 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.