«ОСНОВЫ РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве учебного пособия для подготовки бакалавров и ...»

Е.В. ГЛЕБОВА, Л.С. ГЛЕБОВ,

Н.Н. САЖИНА

ОСНОВЫ

РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ

ТЕХНОЛОГИЙ

УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве учебного пособия для подготовки бакалавров и магистров по направлению 553600 «Нефтегазовое дело»

Издательство «Нефть и газ»

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина Москва PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com УДК 662. Глебова Е.В., Глебов Л.С., Сажина Н.Н.

Основы ресурсо-энергосберегающих технологий углеводородного сырья. Изд. 2-е, исправленное и дополненное - М.: ФГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. - 184 с. с илл.

ISBN Комплексно рассмотрена проблема ресурсо-энергосбережения в нефтегазовой промышленности. Изложены основы энергосберегающей политики РФ, приведены основные понятия и законы энергосбережения, энергетический и тепловой балансы, диаграммы Сенке, механизм горения топлива, рассмотрены вопросы техники сжигания топлива, современные энерготехнологии в нефте- и газохимии, нефте- и газопереработке, трубопроводном транспорте газа. Приведены примеры ресурсоэнергосбережения по технологическим блокам работы вертикально интегрированных нефтегазовых компаний.

Книга предназначена для студентов факультета магистерской подготовки вузов нефтегазового профиля, инженерно-технических работников ТЭК, аспирантов и слушателей курсов повышения квалификации.

Рецензенты:

А.С. Лопатин, д.т.н., профессор кафедры Термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина И.А. Голубева, д.х.н., профессор кафедры Газохимии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина ISBN © Е.В. Глебова, Л.С. Глебов, Н.Н. Сажина © Федеральное государственное унитарное предприятие Издательство «Нефть и газ»

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Введение Важной задачей, стоящей перед мировым сообществом, является формирование устойчивой общественно приемлемой энергетики с высокой энергетической, экологической и экономической эффективностью.

Мир с начала 70-х годов прошлого столетия живет в обстановке периодически возникающих энергетических кризисов. Поэтому в центре внимания промышленно развитых стран находились, находятся и будут находиться проблемы обеспечения национальной энергетической безопасности, связанные с надежным ресурсо – энергообеспечением.

По прогнозным оценкам спрос на первичную энергию в мире будет увеличиваться на 1-2% в год в течение трех последующих десятилетий.

От энергопотребляющих компаний, в частности от вертикально интегрированных нефтегазовых компаний, в рамках повышения эффективности их работы требуется экономить энергию и углеводородное сырье на всех технологических этапах «от скважины до бензоколонки».

Основы ресурсо-энергосберегающих технологий углеводородного сырья – это дисциплина, изучающая комплексное и рациональное использование углеводородного сырья и запасенной в нем энергии.

Усилия ученых, инженеров, конструкторов, технологов, работающих в областях топливно-энергетического комплекса (ТЭК) всегда были направлены на создание ресурсо-энергосберегающих технологий и оборудования. В результате проделанной за последние годы работы был накоплен значительный практический опыт в деле разработки и применения энергоэкологоэффективных техники и технологий.

В ВУЗах появились специальные программы и дисциплины, которые с разной степенью глубины и детализации освещают теорию и практику комплексного, эффективного и природозащитного использования топлива, энергии и углеводородного сырья. Эти дисциплины стали базовыми для подготовки и переподготовки квалифицированных кадров для отраслей ТЭК.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Однако по-прежнему ощущается недостаток учебной литературы по названной проблематике. Поэтому авторы в предлагаемом учебном пособии энергетический паспорт предприятия, положения программы Международной топливно-энергетической ассоциации по устойчивому развитию энергетики.

сгорания углеводородов в кислороде и воздухе, энергетический и тепловой балансы, диаграммы Сенке, механизм реакции горения топлива.

Главы 7 и 8 посвящены экологическим проблемам ТЭК, в том числе, государственным квотам на выбросы загрязняющих веществ.

В главах 9 и 10 представлена характеристика оборудования для сжигания топлива и основные виды теплоутилизационных аппаратов.

трубопроводном транспорте газа.

Учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Основы студентов факультета магистерской подготовки.

Авторы выражают надежду, что данное учебное пособие поможет специалистам ТЭК успешно решать стоящие перед ними задачи ресурсоэнергосбережения, рационально использовать углеводородное сырье на всех энергетическую стабильность России.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Состояние топливно-энергетического комплекса в России и мире достаточно велика, поскольку она обладает 13% мировых запасов нефти (в том числе 4.7% извлекаемые или 6,7 млрд. т) и 36% мировых запасов газа К настоящему времени разведанность европейских районов России и Западной Сибири достигает 65-70% по нефти и 40-45% по газу, в то время как Восточная Сибирь и Дальний Восток разведаны только на 6-8%, а шельфы морей – лишь на 1%. Но именно на эти труднодоступные регионы приходится около 46% перспективных и более 50% прогнозных ресурсов нефти и около 80% природного газа. Среди шельфовых зон морей по перспективам на нефть наиболее высоко оцениваются Баренцево, Карское и Охотское моря. На шельфах этих морей высока вероятность открытия крупных и гигантских нефтяных и газоконденсатных месторождений.

Имеющиеся оценки позволяют утверждать, что объем неразведанных ресурсов нефти и газа России превосходит неразведанные ресурсы в любом отдельно взятом государстве мира, хотя уступает суммарному объему неразведанных ресурсов нефти всех стран Ближнего Востока.

Россия полностью обеспечивает не только свои внутренние потребности в топливе и энергии, но и в значительной степени обеспечивает своими ресурсами спрос на энергоносители сопредельных стран Восточной и Центральной Европы. Поставки энергоносителей из России покрывают 80% потребностей Украины, 100% - Прибалтики, свыше 50% - Восточной Европы.

Спрос на российские энергоносители сохранится и в дальнейшем.

Однако экспорт российских энергоносителей даже на перспективу до 2015 года не превзойдет настоящего уровня и будет составлять 20-25% общего PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com объема их производства с повышением доли продуктов более глубокой Важнейшей задачей государственной энергетической политики является повышение эффективности использования всех видов энергии внутри страны с тем, чтобы экспорт, в основном, поддерживался не добычей новых объемов нефти и газа, а за счет энергосбережения внутри страны, потенциал которого энергоносителей расходуется нерационально, в то время как каждый процент экономии энергоресурсов дает прирост национального дохода на 0,35-0,4%.

Например, технологическое потребление газа, включая его потери, в ОАО «Газпром» достигает 10%, что составляет около 50 млрд. м3. Это в несколько раз превышает объем газа, который Газпром ежегодно планирует поставлять на экспорт по газопроводу «Голубой поток».

Расход энергии на единицу промышленной продукции в России в 2,5-5 раз выше, чем в индустриально развитых странах мира. Поэтому выгоднее экспортировать первичное топливо, а не конечную энергоемкую продукцию.

Сохранение современного уровня энергоемкости промышленного производства делает российскую продукцию неконкурентоспособной не только на мировом, но и на внутреннем рынке, поощряя тем самым импорт потребительских Топливно-энергетический комплекс производит более четверти всей промышленной продукции России, принося стране более половины всех Проблема надежности обеспечения страны топливом и энергией, в основном, сводится к созданию условий устойчивой работы и развития интегрированных нефтегазовых компаний (ВИНГК). Ключевое значение для гарантированного топливо- и энергоснабжения потребителей, соблюдения энергетического и топливного баланса имеют программы, связанные с PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com топливосбережением, конечная цель которых- достичь расхода топлива и энергии на единицу валового внутреннего продукта, характерного для наиболее энергосберегающих техники и технологий.

Разработана и утверждена Правительством РФ Федеральная целевая программа «Энергоэффективная экономика», рассчитанная на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 г. К 2005 г. энергоемкость ВВП намечено снизить на Уровень и масштаб производства различного углеводородного сырья и топлива огромны и в РФ, и в мире измеряются тыс. млн. т нефти и газового конденсата и тыс. млрд. м3 природного газа (см. табл. 1.1. и 1.2.).

Например, установка ЭЛОУ-АВТ-6 служит для переработки 6 млн. т нефти в год. Переработка 1 т нефти на такой установке характеризуется следующими энергозатратами: топливо жидкое – 33,4 кг; электроэнергия – 10, кВтч; вода оборотная – 4,3 м3; водяной пар (1,0 МПа) – 49,1 кг. Тепловая мощность трубчатых печей этой установки составляет около 140 млн. ккал/ч.

На рис. 1.1 приведена схема переработки нефти (ГОСТ 9965-76) в нефтепродукты: смесь пропана и бутана технических для коммунальнобытового потребления (СПБТ, ГОСТ 20448-90), автобензин (ГОСТы 2084-77, Р51105-97), авиакеросин (ГОСТ 10277-86), дизельное топливо (ГОСТ 305-82), PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Производство и переработка природного углеводородного сырья в РФ PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Часто для сравнения различных видов топлива пользуются такими понятиями как, условное топливо, нефтяной эквивалент и некоторые другие, которые позволяют сравнивать топлива, различающиеся по теплотворной способности. Условное топливо - это топливо с теплотворной способностью углеводородного сырья через его энергосбережение.

В табл. 1.2 приведены данные по энергетическим ресурсам, из которых видно, что на долю углеводородов нефти и газа, как источников энергии, энергоресурсов, а доля органических видов топлива в энергетическом балансе превышает 87%. Из табл. 1.2 следует, что экономия 1% энергоресурсов эквивалентна почти 97 млн. т. топлива.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Из представленных данных видно, что более 80% энергетических ресурсов приходится на природные ископаемые, в том числе углеводородные.

Поскольку более 90% нефти и газа используются как топливо, то предложенная идея курса представляется вполне обоснованной.

В мире все взаимосвязано и взаимозависимо. Рассмотрим обеспеченность мировой экономики энергией и природным углеводородным сырьем. В средствах массовой информации и специализированных изданиях нередко обсуждаются энергетический, нефтяной и экологический кризисы. Неужели ситуация с энергией и топливом настолько беспросветна?

На рис. 1.2 приведены энергетические ресурсы и время, в течение которого люди могут ими воспользоваться для поддержания современного жизненного уровня. По данным ЮНЕСКО среднестатистическое годовое потребление энергии на Земле в расчете на человека составляет около 2 кВтч.

Из рис. 1.2 видно, что открытых запасов природных углеводородов На рис. 1.3 схематично показана литосфера Земли и приведены средние значения глубин, на которых залегают разведанные природные углеводороды:

вышеназванных полезных ископаемых составляют большую часть земных PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Рис. 1.3 Средняя глубина эксплуатационных скважин при добыче Не умаляя значения экономического фактора на рынке топлива и энергии, вызванного соотношением предложения-спроса, из рис. 1.2 и 1.3 можно сделать энергетические, нефтяные и топливные кризисы пока еще определяются не исчерпанием возможностей существующих технологий разведки, разработки, добычи, переработки, транспорта, хранения и использования топливных и энергетических ресурсов природных углеводородов.

1.3. Получение тепла и электроэнергии на теплоэлектростанции теплоэлектростанции. При сжигании природного газа в паровом котле (1) вырабатывается водяной пар с высокой температурой и давлением. Пар вращает паровую турбину (2), на валу которой установлен электрогенератор утилизируется в конденсаторе-холодильнике (4), а сконденсированная вода вновь поступает в паровой котел. Продукты сгорания природного газа PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com (дымовые газы) после очистки от токсичных загрязняющих веществ (NO x, SO2, CO, C, несгоревшее топливо) выбрасываются через дымовую трубу (5) в Таким образом, для преодоления мировых энергетических кризисов энергосберегающие технологии в энергетике и производстве, на транспорте и в Законодательство РФ об энергосбережении состоит из Федерального закона «Об энергосбережении» № 28 от 03.04.96 г. (в ред. Федерального закона от 05.04.2003 № 42-ФЗ) и принимаемых в соответствии с ним других федеральных законов, иных нормативных правовых актов РФ, а также законов PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com разграничению полномочий между органами государственной власти РФ и органами государственной власти субъектов РФ.

Федеральный закон «Об энергосбережении» регулирует отношения, возникающие в процессе деятельности в области энергосбережения, в целях создания экономических и организационных условий для эффективного использования энергетических ресурсов.

В Федеральном законе используются следующие понятия:

энергосбережение - реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии;

энергосберегающая политика государства - правовое, организационное и энергетический ресурс - носитель энергии, который используется в настоящее время или может быть полезно использован в перспективе;

вторичный энергетический ресурс - энергетический ресурс, получаемый в виде побочного продукта основного производства или являющийся таким эффективное использование энергетических ресурсов - достижение экономически оправданной эффективности использования энергетических ресурсов при существующем уровне развития техники и технологий и соблюдении требований к охране окружающей природной среды;

показатель энергоэффективности - абсолютная или удельная величина потребления или потери энергетических ресурсов для продукции любого назначения, установленная государственными стандартами;

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com требований, установленных иными нормативными актами, технологическими регламентами и паспортными данными для действующего оборудования;

возобновляемые источники энергии – энергия солнца, ветра, тепла земли, естественного движения водных потоков, а также энергия существующих в природе градиентов температур;

альтернативные виды топлива – виды топлива (сжатый и сжиженный газ, биогаз, генераторный газ, продукты переработки биомассы, водоугольное топливо и др.), использование которого сокращает или замещает потребление энергетических ресурсов более дорогих и дефицитных видов.

Энергосберегающая политика государства в соответствии с Федеральным законом основана на следующих принципах:

• приоритет эффективного использования энергетических ресурсов;

использованием энергетических ресурсов;

оборудования, материалов, конструкций, транспортных средств, а также • сочетание интересов потребителей, поставщиков и производителей • заинтересованность производителей, поставщиков и потребителей в эффективном использовании энергетических ресурсов.

соответствующие показатели энергоэффективности.

При добыче, производстве, переработке, транспортировке, хранении и PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com использования, а также показатели расхода энергии на обогрев, вентиляцию, энергопотребления производственных процессов в установленном порядке включаются в соответствующую нормативно-техническую документацию.

государственными стандартами, техническими нормами и правилами, являются обязательными для выполнения на всей территории РФ.

В целях оценки эффективного использования энергетических ресурсов и снижения затрат потребителей на топливо- и энергообеспечение проводятся энергетические обследования.

• потребители ТЭР (собственные внутренние обследования);

• энергоаудиторские организации (работающие по контракту);

• органы надзора и контроля над эффективностью использования ТЭР.

Объектами энергетического обследования являются:

потребляющие ТЭР, преобразующие энергию из одного вида в другой для производства продукции, выполнения работ (услуг);

• технологические процессы, связанные с преобразованием и потреблением • процессы, связанные с расходованием ТЭР на вспомогательные нужды (освещение, отопление, вентиляцию).

Обязательным энергетическим обследованиям подлежат организации независимо от их организационно-правовых форм и форм собственности, если годовое потребление ими энергетических ресурсов составляет более шести тысяч тонн условного топлива или более одной тысячи тонн моторного топлива. Энергетические обследования организаций, если годовое потребление ими энергетических ресурсов составляет менее шести тысяч тонн условного топлива, проводятся по решению органов исполнительной власти субъектов PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Российской Федерации, ответственных за координацию работ по эффективному использованию энергетических ресурсов.

По этому определению большинство предприятий нефтяной и газовой отраслей подлежат обязательным энергетическим обследованиям. Фактически это означает создание на предприятии системы энергоменеджмента.

Так, например, целью энергетического обследования на ООО «Саратоворгсинтез» является установление показателей эффективности использования энергетических ресурсов, выработки экономически обоснованных мероприятий по энергосбережению, составление топливно-энергетического баланса и Энергетическое обследование включает следующие виды работ:

• анализ динамики энергопотребления предприятия;

• оценку структуры энергопотребления по основным производствам и определение показателей энергоэффективности;

• анализ систем коммерческого и технического учета всех видов • анализ системы электроснабжения и энергоемких электропотребляющих • обследование систем снабжения предприятия паром, теплом, водой, • диагностика теплопотребляющих установок;

• составление энергетического паспорта предприятия.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Федеральный закон определяет также экономические и финансовые механизмы энергосбережения.

Финансирование федеральных и межрегиональных программ в области энергосбережения осуществляется за счет средств государственной финансовой поддержки федерального бюджета, средств бюджетов соответствующих субъектов РФ, средств российских и иностранных инвесторов, а также за счет других источников в порядке, установленном законодательством РФ, законами и иными нормативными правовыми актами субъектов РФ.

В целях стимулирования эффективного использования энергетических ресурсов осуществляется установление сезонных цен на природный газ и сезонных тарифов на электрическую и тепловую энергию, а также внутри суточных дифференцированных тарифов на электрическую энергию.

международного сотрудничества в области энергосбережения:

иностранными и международными организациями;

• участие российских организаций в международных проектах в области • согласование показателей энергоэффективности, предусмотренных государственными стандартами РФ, с требованиями международных стандартов, а также взаимное признание результатов сертификации.

Залогом успеха при решении вопросов энергосбережения в любой отрасли служит комплексный подход к решению проблемы. При этом должны быть объединены усилия различных организаций всех уровней – от руководства соответствующего министерства или объединения до персонала, эксплуатирующего оборудование.

Комплексный подход к решению данной проблемы требует решения • нормативно-правовое обеспечение энергоснабжения отрасли, включая разработку концепции и программы энергосбережения;

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com • организация энергетических обследований и паспортизации предприятий • разработка информационно-аналитической системы энергосбережения • организация научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ • организация подготовки и переподготовки кадров и специалистов в • финансирование программы энергосбережения;

• нормирование потребления энергоресурсов;

• организация контроля и учета энергопотребления;

• создание региональных центров энергосбережения, сертификации и • развитие международного сотрудничества.

Энергетический паспорт промышленного потребителя топливноэнергетических ресурсов (ТЭР) - это нормативный документ, отражающий баланс потребления и содержащий показатели эффективности использования ТЭР в процессе хозяйственной деятельности объектами производственного назначения, а также содержащий энергосберегающие мероприятия.

Энергетический паспорт потребителя ТЭР разрабатывают в соответствии с ГОСТ 51379-99 «Энергетический паспорт промышленного потребителя топливно – энергетических ресурсов. Основные положения. Типовые формы»

на основе энергетического обследования, проводимого с целью оценки энергосберегающих мероприятий.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Энергетический паспорт состоит из следующих разделов:

1. Общие сведения о потребителе ТЭР (наименование, реквизиты предприятия, объем производства основной и вспомогательной продукции, численность подстанциях, мощности электроприемников, собственном производстве электрической и тепловой энергии, годовом балансе потребления • потребление тепловой энергии (информация о составе и работе использующем тепловую энергию, расчетно-нормативном потреблении тепловой энергии, а также годовой баланс потребления тепловой моторных топлив транспортными средствами, баланс потребления 3. Сведения об эффективности использования ТЭР (об удельных расходах PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Заключительный раздел энергетического паспорта потребителя ТЭР должен • перечень зафиксированных при обследовании потребителя фактов непроизводительных расходов ТЭР с указанием их величины в • предлагаемые направления повышения эффективности использования ТЭР с оценкой экономии последних в стоимостном и натуральном выражении с указанием затрат, сроков внедрения и окупаемости;

• количественную оценку снижения уровня непроизводительных расходов ТЭР за счет внедрения энергосберегающих мероприятий.

Типовые формы энергетического паспорта промышленного потребителя 2. Общие сведения о потребителе ТЭР - наименование, реквизиты продукции, численность персонала и другие сведения о предприятии 3. Сведения об общем потреблении энергоносителей - годовое потребление используемых потребителем ТЭР (приложение В);

информация о собственном производстве электрической и тепловой энергии (собственной теплоэлектростанции), а также годовой баланс потребления электроэнергии (приложения Г-К);

5. Сведения о потреблении (производстве) тепловой энергии - информация о составе и работе котельных (котельных агрегатах, входящих в состав PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com использующем тепловую энергию, расчетно-нормативном потреблении теплоэнергии, а также годовой баланс потребления теплоэнергии 6. Сведения о потреблении котельно-печного и моторного топлива, об использовании вторичных энергоресурсов, альтернативных топлив, возобновляемых источников энергии, информация о характеристиках топливоиспользующих агрегатов, об использовании моторных топлив транспортными средствами и др., а также балансы потребления котельнопечного и моторного топлива (приложения Р-Ф);

7. Сведения о показателях эффективности использования ТЭР - удельные 8. Сведения об энергосберегающих мероприятиях по каждому виду ТЭР промышленного потребителя ТЭР приведены некоторые Приложения согласно Энергетический аудит (энергоаудит) – это техническое инспектирование энергогенерирования и энергопотребления предприятия с целью определения возможностей экономии энергии и оказания помощи предприятию в осуществлении мероприятий, обеспечивающих экономию энергоресурсов на (организация, кроме надзорных органов), осуществляющее энергетическое обследование потребителей ТЭР и имеющее лицензию на производство этих В ходе проведения энергоаудита получают объективные оценки об PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com соответствия показателям энергетической эффективности в соответствии с ГОСТ Р 51541- 99 «Энергетическая эффективность. Состав показателей».

Результаты энергоаудита в виде рекомендаций энергоаудитор представляет в Минэнерго РФ или иным заинтересованным организациям.

1.7. Международное сотрудничество в области энергосбережения В 2003 г. по инициативе Международной топливно-энергетической ассоциации (МТЭА) состоялся IV Московский Международный форум Главная задача МТЭА - развитие международных связей с целью концентрации научно-технического потенциала ученых и научных организаций различных рационального использования топливно-энергетических ресурсов. Сегодня учредителями которой являются крупные производители и поставщики нефти, газа, угля и электроэнергии, а девизом «За техническую политику создания эффективной и устойчивой энергетики».

национальные стратегии устойчивого развития общества.

«энергетика - экономика - природа – человек».

Устойчивое развитие общества предполагает устойчивое развитие превращаются в продукты человеческой цивилизации.

МТЭА разработала программу «Российскую энергетику – на путь устойчивого развития совместными усилиями власти и общества».

Устойчивое развитие энергетики обеспечивается системой управления топливно-энергетическим сектором, которая охватывает все стадии от PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com разведки, добычи энергоресурсов до их использования, и при которой соблюдается баланс требований развития экономики, экологии, роста качества жизни людей и ресурсо-энергосбережение.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Основными видами энергетических ресурсов в современных условиях являются горючие ископаемые: газообразные (природный газ), жидкие (нефть, газовый конденсат), твердые (угли каменный и бурый, сланцы, торф, дрова), атомная энергия, гидроэнергия и энергия ветра. В табл. 2.1 приведены С тех пор как человек научился пользоваться огнем, ему понадобилось топливо. Главное назначение топлива получение тепла и света, т.е. энергии. В процессе эволюции и развития требования к ассортименту топлива росли.

Первоначальными видами топлива были дрова, а также жир рыб и животных.

Эти виды топлива были основными и широко применялись не только в быту, но и в промышленности и на транспорте. Сейчас сегмент топливных ресурсов, приходящихся на эти виды, резко сузился.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Современные виды топливо - энергетических ресурсов подразделяют по:

Газообразные топлива – природный газ (бытовой, сжатый, сжиженный), сжиженная пропан-бутановая смесь, водород;

Жидкие – автомобильные и авиационные бензины, авиационный и осветительный керосины, дизельные топлива (летние и зимние), печные и Твердые – уголь (каменный, бурый), сланцы, торф, древесина и другое Естественные (ископаемые, природные) – газ, нефть, уголь;

Искусственные – кокс (коксованием углей), искусственное жидкое топливо (ожижением или гидрогенизацией углей), биогаз – продукт газификации Синтетические – полученные в результате химических реакций Фишера Тропша или Кельбеля-Энгельгарда синтетические углеводороды (газообразные, жидкие, твердые), различные неуглеводородные топлива – ракетные топлива (несимметричный диметилгидразин), ядерные топлива Возобновляемое топливо – гидроэнергия, геотермальная энергия, ветровая и солнечная энергия, древесина и другое растительное сырье;

Невозобновляемое топливо это синоним ископаемого топлива.

электрической энергии; т.е. первоначально из топлива получают энергию в PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com виде тепла, перегретого водяного пара, электроэнергии, энергетического Технологическое топливо (как сырье) – используется непосредственно в агрегатах без стадии предварительно получения из топлива необходимой энергии. Пример технологического топлива: уголь в процессе коксования Топливные энергоресурсы (газ, нефть, газовый конденсат, уголь и др.);

Не топливные энергоресурсы (гидроэнергия, энергия ветра, солнечная Атомную энергию относят одновременно к топливному и не топливному энергетического потенциала конкретного вида энергии или топлива;

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) – многократное использование энергетического потенциала конкретного вида энергии или топлива (тепло дымовых газов, сырьевых и продуктовых технологических потоков).

По виду энергии вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) разделяют на:

Топливные ВЭР – побочные горючие газы, жидкие и твердые продукты углеводородного или другого органического топлива (газы процессов водородсодержащий газ пиролиза углеводородов, доменные и конверторные газы, отходы лесохимической промышленности);

Тепловые ВЭР – тепло отходящих газов, отработанных теплоносителей ВЭР давления – потенциальная энергия газовых и жидкостных потоков с давлением, превышающем атмосферное.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Теплотворная способность топлива (теплота сгорания) Q – это количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг топлива. Для газа часто теплотворную способность рассчитывают на 1 м3.

Жаропроизводительность топлива (максимальная температура, tmax) это наивысшая температура, которую теоретически можно достигнуть при количественном сжигании топлива в адиабатических условиях, когда потери тепла равны нулю, а тепло, выделившееся при сгорании топлива, полностью идет на нагрев продуктов сгорания.

Кроме вышеназванных характеристик топлива в теплотехнических расчетах используют следующие понятия: высшая (Q В) и низшая (QН) теплоты сгорания топлива; объемы продуктов сгорания и воздуха при сгорании топлива; содержание Н 2О, СО2 и NO х в продуктах сгорания и другие.

Самым простым и распространенным путем получения из топлива тепла является сжигание топлива. Как правило, сжигание топлива проводят в воздухе, в котором содержание кислорода составляет около 21% об. Все реакции горения любых видов топлива в кислороде являются экзотермическими, т.е.

протекание таких реакций сопровождается выделением тепла. Тепловой эффект реакции зависит от условий, в которых протекает реакция горения. Поэтому тепловые эффекты при постоянном объеме или постоянном давлении различны.

Выделяющееся тепло реакции, если она проводится при постоянном давлении, называют энтальпией и обозначают Н.

Например, реакцию сжигания углеводородного топлива общей формулы CnHm в кислороде (О2) до углекислого газа (СО2) и воды (Н2О) в химической термодинамике принято записывать следующим образом:

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Количество тепла, которое можно получить из топлива, вычисляют согласно термохимическим законам Г.И. Гесса. На основе экспериментальных данных было установлено, что тепловой эффект химической реакции не зависит от пути (механизма) реакции, а определяется только природой и состоянием исходных реагентов и конечных продуктов реакции.

В соответствии с законами Гесса, теплота любой химической реакции (Н) равна сумме теплот образования конечных продуктов (ПiНобр)П за минусом суммы теплот образования исходных веществ (ИiНобр)И стандартные значения теплоты образования соединений. Стандартной теплотой образования соединения называют теплоту реакции образования одного моля конкретного соединения из простых веществ в стандартных условиях и обозначают символом (НоТ обр). Теплота образования из простых веществ для углеводородов означает образование из углерода (С) и водорода (Н2).

Стандартные значения теплоты образования различных соединений содержатся в специальных справочниках. В них для температуры 298К (25 оС) и давления 1 атм приведены стандартные значения теплоты образования разнообразных химических соединений и органических топлив, которые обозначаются Большинство данных по теплоте реакций, приведенных в справочной литературе, относится к температуре 298К. Для расчета энтальпии (теплового PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com эффекта) реакции при другой температуре используют уравнение Кирхгофа в где Сp – изменение теплоемкости при постоянном давлении в интервале Из уравнения видно, что для определения теплового эффекта реакции при температуре Т, необходимо знать его величину при другой температуре, например, при 298К, и зависимость теплоемкостей реагентов и продуктов реакции в температурном интервале от 298К до Т.

Темпоемкость вещества – это физическая величина, характеризующая Теплоемкость вещества при постоянном давлении (СР) выражается отношением энтальпии к температуре (дифференциальное уравнение Кирхгофа):

и численно равна количеству тепла, которое необходимо для нагревания единицы массы вещества на 1 градус. Наиболее употребительной единицей измерения СР является кал/мольград или Дж/мольград.

Теплоемкость i-го вещества зависит от температуры. Поэтому в экспериментальные значения СiР для различных температур, либо проводят ее PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com где а, b, c - коэффициенты уравнения зависимости теплоемкости от температуры. Значения коэффициентов уравнения приведены в справочниках.

При протекании химической реакции исходные реагенты превращаются в продукты реакции, в результате чего происходит изменение теплоемкости Очевидно, что изменение теплоемкости Ср также можно представить в виде где а, b, c – алгебраическая сумма соответствующих коэффициентов уравнений вида (2.5) для исходных реагентов и продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов для продуктов (Пi) и исходных реагентов После подстановки уравнения (2.4) в (2.2) и интегрирования в пределах от 298К до Т с учетом (2.7) получим выражение (2.8):

Достаточно часто для проведения оценочных расчетов вместо достаточно громоздкого уравнения (2.8) используют выражение (2.9):

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com со средней теплоемкостью (Cp)298T в интервале температур 298К Т.

Для оценочных расчетов в качестве (Cp)298T можно использовать среднее арифметическое значение теплоемкостей при температурах 298К и Т.

Таким образом, для расчета энтальпии (теплоты) химической реакции сжигания топлива при температуре Т необходимо знать: теплоемкости реагентов и продуктов реакции при температурах 298К и Т; энтальпию (теплоту) реакции при температуре 298К.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Водород входит в состав разнообразных газов нефтегазопереработки и нефтегазохимии, угле- и коксохимии. Так, водород содержат газы процесса риформинга бензиновых фракций нефти, паро-воздушной конверсии метана, коксовый и водяной газы. Кроме того, водород содержат все виды процессов горения с наиболее простого представителя горючих газов – молекулярного водорода (Н2).

Стехиометрическое уравнение реакции горения (глубокого окисления) молекулярного водорода имеет вид:

Реакция экзотермическая, ее протекание сопровождается выделением тепла Н.

Найдем энтальпию реакции (3.1) по уравнению (2.2), для чего воспользуемся справочными данными, представленными в табл. 3.1.

Из табл. 3.1 видно, что стандартная энтальпия образования простых веществ (Н2, О2 и др.) в термохимических расчетах принимается равной 0 ккал/моль. Энтальпия реакции сжигании 1 моля Н2 ( 22,4 л), например, при 400К составляет около 58 ккал или примерно 243 кДж. На основе данных табл.3.1 легко оценить, что при сжигании 1 м3 и 1 кг Н2 выделяется около и 29020 ккал или 10840 и 121420 кДж соответственно.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Стандартные состояния исходных реагентов и продуктов реакции В теплотехнике при сжигании водородсодержащего топлива (например, углеводородов), когда одним из продуктов реакции является вода, различают высшую и низшую теплоты сгорания топлива.

Под низшей теплотой сгорания (QН), применительно к реакции (3.1) понимают теплоту реакции горения водорода Н о, когда продукт реакции Н2О Под высшей теплотой сгорания (QВ) применительно к реакции (3.1), понимают теплоту реакции горения водорода Но, когда образующийся продукт реакции - водяной пар находится в виде сконденсировавшейся воды.

Высшая теплота сгорания по значению больше низшей теплоты сгорания на теплоту фазового перехода воды в водяной пар (НФП), т.е. на теплоту испарения воды (или конденсации водяного пара).

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Уравнение Кирхгофа для процесса испарения воды (вода пар) в дифференциальном виде можно записать так:

Это уравнение не вполне строго, поскольку записано для p=const, и не учитывает изменение давления водяного пара в зависимости от температуры.

Однако, если давление не слишком велико, то теплоемкость пара можно считать не зависящей от давления. Дополнительно примем, что теплоемкости пара и воды в узком интервале температур (например, 298-400К) от него не зависят и равны соответственно Српар 8,1 кал/мольград; Срвода 18, При температуре 298К теплота испарения воды равна Н298ФП = 10, ккал/моль. Легко показать, что при 400К теплота испарения равна:

Таким образом, отношение высшей теплоты реакции к низшей для реакции горения водорода в кислороде при 400К равно:

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com т.е. высшая теплота реакции больше низшей теплоты реакции примерно на 16%. Поскольку теплота испарения (конденсации) воды и теплоемкость водяного пара зависят от температуры, то, очевидно, при другой температуре это соотношение будет другим. Например, при температуре 298К QВ > QН на Следует отметить, что в теплотехнических расчетах обычно пользуются Попробуем оценить максимальную температуру (tmax) адиабатического разогрева продукта сгорания (водяного пара), образующегося при сжигании водорода в кислороде или жаропроизводительность.

стехиометрической реакции окисления водорода можно записать следующее Возникает вопрос, какие значения подставить в числитель и знаменатель уравнения (3.8). Дело в том, что энтальпия реакции окисления молекулярного водорода кислородом и теплоемкость единственного продукта реакции водяного пара зависят от температуры. Поэтому, наиболее надежные данные по жаропроизводительности (температуре адиабатического разогрева) можно получить лишь экспериментально, проведя реакцию в калориметрической бомбе с фиксированием температуры адиабатического разогрева реакционной смеси оптическим пирометром или термопарой.

возможна. Примем, что средняя температура сжигания определенного PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com количества водорода в кислороде в соответствии со стехиометрическим уравнением реакции составляет около 1000К. Это значение можно объяснить тем, что температура горения Н2 в О 2 в процессе горения изменяется от некоторой начальной температуры, когда степень превращения Н 2 близка к 0, например, до некой конечной температуры в конце процесса горения, когда степень превращения водорода становится близка к 100%, а температура продуктов реакции приближается к tmax.

Затем из табл. 3.1 выберем значения энтальпии реакции и теплоемкостей исходных реагентов и продукта реакции при температуре 1000К. Учитывая близость значений Сp для Н2, О2 и Н2О примем среднюю теплоемкость газовой смеси в процессе горения равной теплоемкости водяного пара.

молекулярного водорода, как газообразного топлива, при сжигании его в чистом кислороде, иначе говоря, в пламени водород-кислородной горелки, температура теоретически может достигать 6000К.

Оксид углерода (СО) – горючий газ, который получается в следующих 1. Каталитическая конверсия природного метана водяным паром в результате чего образуется синтез-газ (смесь СО и Н2) – сырье для промышленного синтеза метанола (СН3ОН) и аммиака (NH3).

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com газификации сопутствуют таким технологическим процессам, как выплавка чугуна и стали (реакция (а) и (b) – доменный, конверторный и коксовый газы), Стехиометрическое уравнение реакции горения (глубокого окисления) Реакция экзотермическая, ее протекание сопровождается выделением тепла Н. Найдем энтальпию реакции (3.10) по уравнению (2.2), для чего воспользуемся справочными данными, представленными в табл. 3.2.

Стандартные состояния исходных реагентов и продуктов реакции PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Из табл. 3.2 видно, что энтальпия экзотермической реакции горения 1моля СО ( 22,4 л) в кислороде, например, при 298К составляет около 68 ккал или примерно 283 кДж. На основе данных табл. 3.2 легко можно оценить, что при сжигании 1 м3 и 1 кг СО выделяется около 3020 и 2415 ккал или 12640 и Для реакции сжигания СО в кислороде с позиции теплотехники характерно наличие только одной теплоты сгорания топлива, поскольку топливо не содержит водород, следовательно, в продуктах реакции отсутствует Оценим жаропроизводительность оксида углерода при горении его в кислороде в расчете на 1 моль газовой смеси. Для этого воспользуемся данными табл. 3.2 при 1000К для энтальпии реакции, а среднюю теплоемкость примем равной теплоемкости СО2. После подстановки соответствующих Из приведенной оценки видно, что жаропризводительность оксида углерода, как газообразного топлива, при сжигании его в чистом кислороде теоретически может достигать 5200 К.

Отметим, что при температуре горения, превышающей 1700оС, всегда приходится считаться с протеканием реакций диссоциации продуктов горения.

Речь прежде всего идет о реакции распада молекул СО 2 и Н 2О на СО и О2 или Н2 и О2 соответственно. Реакции диссоциации молекул эндотермические, поэтому практически достижимая жаропроизводительность будет существенно ниже ее теоретической величины.

Для парциального давления СО2 в продуктах сгорания около 0,2 атм степень диссоциации (%) составит (табл. 3.3).

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com степень диссоциации углекислоты (табл. 3.4). Водяной пар при тех же температурах и давлениях диссоциирует в значительно меньшей степени, чем Зависимость степени диссоциации СО2 от его парциального давления Зависимость степени диссоциации Н2О от его парциального давления PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Стехиометрическое уравнение реакции горения метана (СН4) – основного компонента природного газа - имеет вид:

Реакция экзотермическая, ее протекание сопровождается выделением тепла Н. Найдем энтальпию реакции (3.12) по уравнению (2.2). Для чего воспользуемся справочными данными, представленными в табл. 3.6, из которой видно, что при 1000К в реакции горения 1 моля СН4 (22,4 л) выделяется около 192 ккал ( 803 кДж). На основе данных табл. 3.6 легко оценить, что при сжигании 1 м3 и 1 кг СН4 выделяется около 8570 и 12000 ккал или 35900 и Стандартные состояния исходных реагентов и продуктов реакции PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Оценим высшую и низшую теплоту сгорания метана в кислороде для температуры 298К, при которой теплота испарения воды Н298ФП = 10, ккал/моль. Из стехиометрического уравнения реакции горения метана в кислороде видно, что мольная доля водяных паров в продуктах горения составляет примерно 0,67. Поэтому в самом грубом приближении для 298К Таким образом, соотношение высшей и низшей теплоты сгорания для реакции горения метана в кислороде при 298К равно:

т.е. высшая теплота реакции больше низшей теплоты реакции примерно на 4%.

По аналогии с вышеизложенным проведем приближенный расчет tmax сгорания 1 моля СН 4 в кислороде, для чего воспользуемся уравнением (3.12).

Из табл. 3.6 возьмем значения энтальпии реакции и теплоемкостей исходных реагентов и продукта реакции при температуре 1000К. В процессе горения средняя теплоемкость исходной стехиометрической смеси (СН4+2О 2) (СО 2+2Н2О). Так, при температуре 1000К средняя мольная темплоемкость исходной смеси (Сp(И)) и продуктов реакции (Сp(П)) равна:

Учитывая близость значений Сp(И) и Сp(П) примем среднюю теплоемкость газовой смеси в процессе горения (Сp) равной 11,1 кал/мольград.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Из приведенного расчета видно, что в самом грубом приближении жаропризводительность метана, как газообразного топлива, при сжигании его в чистом кислороде теоретически составит примерно 5750К.

Расчетные максимальные температуры, достигаемые при количественном сгорании Н2, СН 4 и СО в кислороде, равны 6000, 5750 и 5200К соответственно Этот ряд является свидетельством того, что жаропроизводительность газообразного топлива тем выше, чем больше водорода в нем содержится.

Действительно чистый водород содержит 100% Н, метан – 25% Н, СО – 0% Н.

Становится понятным почему, когда говорят об энергетике будущего, то прежде всего имеют в виду водородную энергетику, как наиболее эффективную и экологически чистую, поскольку теоретически единственным продуктом PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com В промышленности, энергетике, на транспорте и в быту почти повсеместно сжигание топлива осуществляют в воздухе. При этом газообразное топливо, его расход удобно измерять в м3. Для простоты теплотехнических расчетов принимают следующий состав атмосферного воздуха (% об.): О 2 – 21, N2 – 79. Это означает, что на 1,00 м3 молекулярного кислорода в воздухе приходится около 3,76 м3 молекулярно азота.

В отличие от приведенной выше реакции (3.1) горения водорода в кислороде стехиометрическое горение водорода в воздухе можно записать в Разделив левую и правую часть уравнения (4.1) на 42, получим:

Таким образом, из уравнения (4.2) видно, что для сжигания 1 м3 водорода по стехиометрии требуется 2,38 (0,5 +1,88) м3 воздуха. Следует отметить, что по уравнению из 1 м3 Н2 при количественном сгорании образуется 1 м водяного пара, то есть объем продуктов сгорания Н2 в воздухе суммарно составляет примерно 2,88 (1+1,88) м3.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Выше была найдена энтальпия реакции горения 1 м3 водорода, которая оказалась равной 2590 ккал/м3. Легко видеть, что в расчете на 1 м образующихся продуктов сгорания энтальпия составит 2590/2,88 900 ккал/м3.

Попытаемся теоретически оценить жаропроизводительность сжигания 1м3 Н2 в воздухе. Для этого воспользуемся немного видоизмененным где Но- стандартная энтальпия реакции горения Н2 в О2 при температуре VП, стехиометрический объем продуктов сгорания Н2 в воздухе, м3;

Сp – средняя теплоемкость продуктов сгорания, ккал/м3град.

Затем из табл. 3.1 выберем значения энтальпии реакции и теплоемкостей исходных реагентов и продукта реакции при температуре 1000К (см. стр. 31).

Учитывая близость значений Сp для Н 2, О2, N2 и Н 2О примем среднюю теплоемкость газовой смеси в процессе горения равной теплоемкости водяного пара при 1000К, а именно Сp= 9,85 кал/мольград или 0,44 ккал/м3град.

В принципе такое значение жаропроизводительности следовало ожидать.

За счет увеличения объема продуктов сгорания водорода в воздухе до 2,88 м3, по сравнению с объемом продуктов сгорания Н2 в чистом кислороде (1,0 м3), жаропроизводительность снизилась тоже почти в три раза с 6000 до 2050К.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com В отличие от приведенной выше реакции (3.12) горения метана в кислороде стехиометрическое горение метана в воздухе можно записать Таким образом, для сжигания 1 м3 СН4 необходимо 9,52 м3 воздуха. При количественном протекании реакции образуется 10,52 м3 продуктов сгорания.

Найденная выше энтальпия реакции горения 1 м3 метана равняется 8750 ккал/м или 36580 кДж/м3. Легко видеть, что в расчете на 1 м3 образующихся продуктов сгорания энтальпия составит 8750/10,5 830 ккал/м3.

Оценим в первом приближении жаропроизводительность сжигания 1 м где Н о- стандартная энтальпия реакции горения СН 4 в О2 при температуре, например, 298оК, ккал/м3 (табл. 3.6);

VП, стехиометрический объем продуктов сгорания СН 4 в воздухе, м3;

Сp – средняя теплоемкость продуктов сгорания, ккал/м3град.

Из табл. 3.6 выберем значения энтальпии реакции и теплоемкостей исходных реагентов и продуктов реакции при температуре 298К. Учитывая близость значений Сp для СН4, О2, N2, СО 2 и Н2О примем среднюю теплоемкость газовой смеси в процессе горения равной теплоемкости водяного пара при 298 К, а именно Сp= 8,03 кал/мольград или 0,36 ккал/м3град.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com За счет увеличения объема продуктов сгорания метана в воздухе до 10,5 м3, по сравнению с объемом продуктов сгорания СН4 в чистом кислороде (3,0 м3), жаропроизводительность снизилась с 5750 до 2300К.

представляют собой природную смесь углеводородов различного строения и молекулярной массы. Основными видами жидкого топлива являются: бензин автомобильный и авиационный, авиационный и осветительный керосин, дизельное топливо летнее, зимнее и арктическое, печное и котельное (мазут) Теплоту сгорания углеводородных топлив (энтальпию сгорания) можно Калориметрическая бомба представляет собой, как правило, толстостенный цилиндрический сосуд, погруженный в сосуд с перемешиваемой жидкостью.

Из рис. 4.1 видно, что бомба представляет собой прочный стальной сосуд, погруженный в воду. Тепло, выделяющееся при сгорании точной навески вещества, определяют по подъему температуры калориметра. Типичная процедура сжигания топлива в калориметрической бомбе следующая. В чашку для образца помещается определенное количество горючего вещества из расчета 1 г 1/3 л емкости бомбы. Для насыщения внутреннего объема бомбы парами воды вносят дополнительно 1 г воды на 1/3 емкости бомбы. Затем в бомбе создается давление кислорода около 3,0 МПа (30 атм). Включается электрической дуги поджигают вещество в чашке и фиксируют температуру.

Образующийся в результате горения вещества СО 2 поглощается водой. Однако всегда следует считаться с тем, что смесь продуктов сгорания и не вступившего в реакцию О2 в бомбе не является идеальным газом. Поэтому в наблюдаемые измерения вносят необходимые поправки, а по повышению температуры судят о количестве выделившегося тепла при сгорании вещества. Очевидно, что PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com тепловой эффект при сжигании в бомбе калориметра определяется при постоянном объеме. Поэтому значение теплового эффекта реакции (QP) обычно пересчитывают на постоянное давление, получая в результате QP=H.

Рис. 4.1 Схема калориметрической бомбы для определения теплоты 3-оболочка калориметра, 4 – вода, 5 –воздух, 6-изолирующий корпус, 7- подставка, 8-мешалка, 9-электропровода для поджигания образца, Современные калориметрические методы позволяют определять количество выделяющегося в калориметре тепла с точностью 0,01%.

Углеводороды в калориметрической бомбе количественно сгорают до СО2 и Н 2О. Наличие в исходном углеводородном сырье топливного азота в виде органических N-содержащих соединений в процессе сжигания приводит к образованию оксида азота и азотной кислоты. Сера, входящая в состав углеводородных топлив, при сжигании образует SO2.

4.4. Формула Д.И. Менделеева для вычисления теплоты сгорания топлива нефтяных топлив, состоящих из углерода (С), водорода (Н), серы (S) и PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com кислорода (О), молекулярная структура которых неизвестна, можно рассчитать где С, Н, S, O, W – содержание в топливе углерода, водорода, серы, кислорода и воды соответственно, масс. доля;

600 – среднее значение теплоты испарения /конденсации воды, ккал/кг.

Для газообразного топлива теплоту сгорания рассчитывают для 1 м3.

Теплота сгорания газа сильно зависит от его параметров: температуры, давления, состава. Поэтому, чтобы рассчитать теплоту сгорания, необходимо задать параметры газа. Ниже приведена формула расчета применительно к 1 м где QН - низшая теплота сгорания газообразного топлива, ккал/м3;

СН4, С2Н 6, С3Н 8, С4Н 10, Н2, СО и Н 2S – содержание компонентов газообразного Числовые коэффициенты перед газообразными компонентами равны низшей теплоте их сгорания, ккал/м3.

Стехиометрический (по уравнению реакции) объем воздуха (LO), необходимого для количественного сжигания 1 кг сухого (безводного) топлива, в состав которого входят следующие элементы: Н,С, S и О, равен:

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com где Н, С, S и О – содержание в топливе указанных элементов соответственно, % 0,089; 0,267 и 0.033 – объем в м3 воздуха состава: 21% об. О2 и 79% об. N2, необходимого для сжигания 10 г каждого из элементов Н, С и S соответственно.

Стехиометрическое (по уравнению реакции) количество воздуха в кг (LO), необходимое для количественного сжигания 1 кг сухого (безводного) топлива, в состав которого входят следующие элементы: Н,С, S и О, равно:

где Н, С, S и О – содержание в топливе указанных элементов соответственно, 0,345; 0,115 и 0.043 – количество воздуха в кг, состава 21% об. О2 и 79% об. N2, необходимого для сжигания 10 г каждого из элементов Н, С и S соответственно.

Для обеспечения полного сжигания любого вида углеводородного топлива фактическое количество воздуха больше стехиометрического.

стехиометрического и рассчитывают по уравнению:

Значение всегда больше 1. Величина коэффициента избытка воздуха зависит от вида топлива и типа используемых горелок. Так, для газомазутных горелок с паровым распылением мазута (т.е. распылением водяным паром) = 1,31,4; для тех же горелок, но с воздушным распылением мазута = 1,21,3; для горелок беспламенного горения = 1,021,10.

Количество дымовых газов, получающихся при сгорании 1 кг сухого углеводородного топлива с его воздушным распылением, равно:

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com В большинстве теплоэнергетических производств стоимость исходного топлива составляет значительную часть производственных издержек. Поэтому эффективного использования сырья и энергии.

материального балансов процесса. В самом общем случае справедлив закон А. Энштейна, согласно которому полная энергия тела пропорциональна его где: E – энергия, m – масса, с – скорость света в вакууме, равная 3108 м/с.

Прежде чем перейти к составлению теплового баланса попробуем оценить с помощью закона Энштейна энергию покоя (всю внутреннюю энергию), которой обладает любое топливо, в том числе и углеводородное, Попробуем более наглядно представить 90 млрд. кДж. Всегда достаточно трудно говорить о больших цифрах, поскольку большим цифрам нелегко найти аналогии в жизни. Например, 90 млрд. лет или 90 млрд. долларов или 90 млрд.

кДж. С чем их сравнить, со средней продолжительностью жизни человека, со PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com студенческой стипендией, с энтальпией реакции горения метана, которая Если принять, что теплотворная способность лучшего российского малосернистого мазута (LSFO – Low Sulphur Fuel Oil) составляет около 410 4 кДж/кг, то вся внутренняя энергия 1 г того же мазута примерно равна количеству энергии, которое выделится при сжигании 2250 т мазута (или состава из 45 железнодорожных цистерн). Сравните: 1 г и 45 железнодорожных Эффективность расхода энергии в энерготехнологическом процессе устанавливается с помощью энергетического баланса. Основой его служит закон Энштейна. Однако когда в теплоэнергетической системе отсутствуют ядерные превращения, величина энергии в соотношении Эйнштейна с точностью по порядку величины 10-9 кДж/г постоянна.

Поэтому ниже и далее мы будем составлять не энергетический, а Уравнение баланса или просто баланс в физике, химии или экономике описывается простой формулой, которую в самом общем виде можно записать:

химический реактор, в котором протекает реакция горения органического Поэтому естественно к такой установке применить подход, обычно используемый в химической технологии при составлении теплового и материального балансов химических реакторов.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Составим тепловой баланс топки энергетической установки (печи) в виде:

С учетом возможных фазовых переходов как исходного органического топлива (например, испарения жидкого мазута - QФП), так и продуктов сгорания (например, конденсации паров воды + QФП) уравнение теплового баланса топки для нестационарного режима примет вид:

теоретических тепловых эффектов отдельных стадий процесса. Отклонения возникают по следующим причинам: (*) термодинамическое равновесие не позволяет проводить реакцию горения до конца; (**) вследствие относительно низких скоростей реакций не достигается полное сжигание топлива; (***) часть топлива и/или тепла расходуется на протекание побочных реакций с образованием, например, токсичных продуктов сгорания; (****) часть топлива PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Полосовые диаграммы потоков энергии и тепла (диаграммы Сенке) давно и широко применяют в энергетике. На этих диаграммах потоки энергии изображаются полосами, ширина которых пропорциональная соответствующим величинам энергии. Направление каждого потока энергии указывается В силу закона сохранения энергии полосы на диаграмме Сенке не могут менять свою ширину. Но они могут разделяться и сливаться. Такие диаграммы служат также для демонстрации перехода одного вида энергии в другой.

Следует отметить, что полосовые диаграммы также используются и для На рис. 5.1 приведена диаграмма Сенке, отражающая в определенном масштабе потоки тепла для некоторой печи. На входе в печь имеем два тепловых потока: QВХ – нагретая топливно-воздушная смесь, тепло реакции горения этой смеси QРГ. Выходят из печи три потока тепла: Q ВЫХ – полезная теплота дымовых газов (продуктов сгорания), QФП – теплота со знаком (-) предположительно израсходованная, например, на испарение топлива (мазута), теплообменника. При этом QФП и QТП представляют потери тепла.

В уравнении теплового баланса учитываются все потоки тепла, как входящие в топку, так и выходящие из нее. Если принять для стационарного режима работы печи QНАК = 0, то исходя из рис. 5.1 и сделанных предположений по закону сохранения энергии можно записать:

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Рис. 5.1 Поточная диаграмма Сенке для теплового баланса печи Определим тепловой КПД печи () в %, как отношение суммы полезно использованных энергий (QПИЭ), к сумме полных энергетических затрат PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com 5.5. Тепловой баланс печи в неизотермическом режиме идеального Расшифруем слагаемые уравнения теплового баланса печи, работающей в неизотермическом режиме реактора идеального перемешивания.

При составлении балансовых уравнений в качестве элементарного объема Тогда тепловые потоки за момент времени dt для объема топки (VТОП) где ВХ – объемная скорость топливно-воздушной смеси на входе в топку, м3/ч;

СР(ВХ) – средняя теплоемкость топливно-воздушной смеси на входе в топку ВХ – средняя плотность топливно-воздушной смеси на входе в топку, кг/м3;

ТВХ – средняя температура топливно-воздушной смеси на входе в топку, оС.

где ВЫХ – объемная скорость продуктов сгорания топливно-воздушной смеси СР(ВЫХ) – средняя теплоемкость продуктов сгорания топливно-воздушной смеси ВЫХ – средняя плотность продуктов сгорания топливно-воздушной смеси на ТВЫХ – средняя температура продуктов сгорания топливно-воздушной смеси на где HРГ – энтальпия реакции горения 1 м3 топлива, кДж/м3;

rРГ – скорость реакции горения, ч-1 (м3/м3ч).

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com где КТ – коэффициент теплопередачи, Дж/м2оС;

FТО – поверхность теплообмена, м2;

Т – средняя разность температур в топке и внешней среды, оС;

где QФП – теплота фазового перехода топлива и/или продуктов сгорания, кДж;

HФП – энтальпия фазового перехода топлива и/или продуктов сгорания, кДж/ч;

Итак, уравнение теплового баланса топки для нестационарного режима В стационарном режиме правая часть уравнения (5.13) равна нулю. Если принять, что ВХ =ВЫХ и ВХ = ВЫХ и СР(ВХ) = СР(ВЫХ), то для стационарного Для последующего анализа уравнения (5.14) его удобнее записать в Из уравнения (5.15) видно, что эффективность сжигания топлива в топке определяется энтальпией реакции горения топлива (H РГVТОПrРГ). Чем энтальпия выше, т.е. чем полнее протекает реакция горения топлива, и чем оно PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com калорийнее, тем больше тепла выделяется при сжигании единицы топлива и тем выше температура выходящих продуктов сгорания (ТВЫХ).

Эффективность сжигания топлива в печи уменьшается с ростом тепловых В случае использования жидкого топлива эффективность снижается вследствие затрат тепла на испарение мазута, а повышается в случае конденсации водяного пара из продуктов сгорания. Поэтому знак (+) или (-) HФП в уравнении определяется балансом, например, (+HФП) - если тепло, выделившееся при конденсации водяного пара, превысит тепло, затраченное на испарение мазута, и (-HФП) - если наоборот.

Аналогично рис. 5.1 выглядят поточная диаграмма Сенке материального баланса по воде для теплоэлектростанции (ТЭС), приведенная на рис. 5. В уравнении материального баланса (по воде) учитываются все потоки воды на входе в ТЭС и на выходе из нее. В приведенной на рис. 5.2 схеме для охлаждения воды ТЭС используют градирню (Г). Для стационарного режима работы ТЭС накопление воды в ТЭС (МНАКЖ) равно 0.

Из представленной на рис. 5.2 диаграммы в силу закона сохранения В ТЭС поступает холодный водяной поток (МВХЖ), состоящий из «свежей» воды речного водозабора (МРЖ) и циркулирующей воды (МЦЖ), Если пренебречь потерями воды в ТЭС при производстве тепловой и электрической энергии, то количество выходящей горячей воды (МВЫХ) равно:

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Рис. 5.2 Поточная диаграмма Сенке для материального баланса ТЭС Охлаждение воды ТЭС в градирне перед ее частичным сбросом в водоем (МСЖ) происходит за счет частичного испарения воды (МИП). Тогда уравнение Из уравнений 5.17 и 5.18 можно вычислить количество воды МИП, теряющейся за счет испарения в градирне:

Для анализа эффективности различных энерготехнологических схем превращения энергии и тепловых процессов часто используют понятие эксергии. Эксергия - это энергия, пригодная для использования. В процессах PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Совершенство аппаратов (печей, парогенераторов, паросиловых установок и др.), производящих тепло, оценивают эксергетическим КПД. Эксергию определяют через максимальную работу, которая может быть получена при обратимом переходе рассматриваемой системы в равновесное состояние с окружающей средой. Использование эксергии для термодинамического анализа называется эксергетическим методом.

Реально протекающие процессы необратимы. При совершении процесса качество эксергии понижается. Например, отработанный пар характеризуется более низкими значениями температуры и давления и вследствие этого может совершить меньше работы. Следить за потоками эксергии удобно с помощью эксергетических диаграмм Сенке.

термодинамического анализа различных систем выходит за рамки курса «Основы ресурсо-энергосберегающих технологий углеводородного сырья».

Более подробные сведения об эксергии содержатся в специальной литературе по технической термодинамике и теплотехнике.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com промышленности осуществляют в двух режимах.

Если цель окисления углеводородов - получение кислородсодержащих продуктов высокой потребительской ценности (спирты, альдегиды, кетоны, кислоты), то процесс окисления ведут, как правило, при сравнительно низких температурах (не выше 250оС). При этой температуре реакция окисления протекает сравнительно медленно по механизму вырожденного разветвления (через первичное образование гидроперекисей), и для ее ускорения требуется присутствие гомогенных или гетерогенных катализаторов.

В отличие от этого, при использовании углеводородного сырья исключительно в качестве энергетического топлива с целью получения тепла и энергии процесс окисления ведут при температурах выше 1000оС. В этих условиях реакция протекает по обычному механизму цепных разветвленных Рассмотрим механизм реакции горения углеводородов на примере реакции горения метана в кислороде (3.12):

Цепными реакциями называют такие, в которых превращение исходных веществ в продукты реакции протекает через регулярное чередование нескольких реакций с участием свободных радикалов.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Любая цепная реакция обязательно включает три основные стадии:

зарождение цепи, продолжение цепи и обрыв цепи.

Зарождением (инициированием) цепи называют стадию цепной реакции, в которой из валентно насыщенных молекул образуются свободные радикалы.

Реакциями продолжения цепи называют стадии цепной реакции, в которых с сохранением свободной валентности расходуются исходные реагенты и образуются продукты реакции.

Обрывом цепи называют стадии цепного процесса, в которых происходит исчезновение свободной валентности.

Элементарная стадия цепной реакции, в которой превращение активных промежуточных частиц приводит к увеличению числа свободных радикалов и атомов называется разветвлением цепи.

Образование свободных радикалов в результате превращений стабильных продуктов реакции окисления называется вырожденным разветвлением цепи.

В самом общем виде схему реакции горения можно представить Эндотермическая реакция инициирования (6.1) энергетически более выгодна, чем эндотермическая реакция (6.2):

Обусловлено это тем, что одновременно с реакцией (6.2) протекает экзотермическая реакция (6.3):

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Ключевой стадией продолжения цепи является образование перекисного Гидропероксидный радикал может распадаться с образованием молекулы Продолжение цепи окисления происходит также по реакции:

Наиболее часто обрыв цепи наблюдается в результате гибели радикала НО 2• на стенке и по так называемому механизму квадратичного обрыва в результате протекания реакции рекомбинации двух радикалов:

количественного горения метана в кислороде до СО 2 и Н2О являются радикалы PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Из рассмотренного выше механизма горения видны пути расходования исходного метана и кислорода и пути получения конечных продуктов СО2 и В условиях неполного сгорания углеводородные топлива частично окисляются до СО, а не до СО2 или разлагаются с образованием сажи (высокодисперсных частиц элементарного углерода). Топлива могут содержать и содержат в своем составе различные серосодержащие соединения, которые в условиях протекания реакции горения приводят к получению SO2. Следует отметить, что молекулярный кислород в качестве окислителя используют лишь для специальных целей. Как правило, сжигание ведут в воздухе, содержащем около 78% азота. Поэтому в условиях высоких температур горения топлива наблюдается образование оксидов азота.

На рис. 6.1 приведены результаты сжигания в факеле нефтезаводского газа, в основном состоящего из метана и имеющего теплоту сгорания около 410 4 кДж/м3 в газо-мазутной горелке. Показано распределение концентраций исходного газообразного топлива (СН4 и Н2), кислорода воздуха, продуктов горения метана СО2, СО, образующихся оксидов азота (NОx) и температуры по Длина факела приведена по оси абсцисс в условных единицах, как отношение длины факела к его диаметру, численно равному диаметру насадки Из рис. 6.1 видно, что факел имеет максимальную температуру в начале 2-ой четверти его длины. Следует отметить, что положение температурного максимума факела зависит от многих факторов, и определяется, прежде всего, конструкцией горелки, подачей воздуха и видом топлива.

Видно, что в согласии с представлениями о кинетике реакции идет монотонное снижение концентрации компонентов исходного топлива СН 4, Н2 и окислителя О2. Концентрация промежуточного продукта неполного окисления PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com метана – СО – проходит через максимум. Концентрация конечного продукта – СО2 (другой конечный продукт – вода – на графике не показан) нарастает, достигая максимума в конце факела.

место в материальной и духовной жизни человека. Именно добывание и широкое использование огня способствовало быстрой эволюции человека.

Одна из основных военных команд в русской, английской, немецкой и французской армиях звучит одинаково: «Огонь!», Fire!», «Fоer!», «Fue!». Люди упоминают огонь в стихах и песнях: знаменитое Б. Пастернака «…Свеча горела на столе, свеча горела…», или «Вьется в тесной печурке огонь…» и т.д.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Скорость горения смеси топлива с воздухом с повышением температуры увеличивается, как и скорость любой химической реакции в соответствии со вторым постулатом химической кинетики, известным как закон Аррениуса:

где k- константа скорости реакции горения, k0 –предэкспоненциальный множитель константы скорости, Е – энергия активации реакции, кДж/моль R- универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/Кмоль При температуре ниже определенного значения реакция горения не протекает. Поэтому, как правило, топливно-воздушную смесь, подающуюся на сжигание, подогревают до определенной температуры, которая зависит от вида топлива, соотношения воздух/топливо, от конструкции горелки.

Соотношения воздух/топливо, в которых возможно зажигание и горение топлива ограничены верхним и нижним концентрационными пределами воспламенения, которые определяют область воспламенения вещества.

Под нижним (верхним) концентрационным пределом воспламенения содержание горючего в смеси «горючее вещество окислительная среда», при котором возможно распространение пламени по смеси на любые расстояния от Концентрационные пределы воспламения определяются природой и составом топлива. Например, концентрационные пределы воспламенения водород-воздушных смесей имеют интервал от 4 до 74% об. Иначе говоря, водород будет гореть в смеси с воздухом, если его концентрация в водородPDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com воздушной смеси находится в интервале 4-74% об. При концентрациях ниже 4% и выше 74% в смеси с воздухом его горение не происходит.

Концентрационные пределы воспламенения метана и СПБТ (смеси пропан-бутана технических) в горючих углеводородно-воздушных смесях равны (% об.) 5-15 и 1,8-9,5 соответственно.

Скорость реакции горения имеет существенное значение для обеспечения стационарных условий сжигания топлива.

Рассмотрим более подробно поведение плоского фронта пламени в трубе при различных скоростях подачи топливно-воздушной смеси (рис. 6.2).

Условием обеспечения нормальной работы горелки является равенство скорости горения (скорости распространения пламени) горючей смеси скорости ее подачи. В этом случае зона 2 неподвижна.

перемещения фронта пламени в направлении к нормали к поверхности фронта в единицу времени и определяется формулой:

где х – расстояние по нормали от поверхности фронта пламени.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Основным фактором, определяющим скорость распространения пламени, является химическая реакция, которая служит источником тепловой энергии.

Тепловая энергия поддерживает горение и обеспечивает распространение пламени. Величина ее при прочих равных условиях (например, горение проводят в воздухе) определяется природой топлива.

При подаче топливно-воздушной смеси со скоростью меньшей скорости горения, зона пламени 2 смещается в зону подачи горючей смеси 1. Иначе говоря, топливо выгорает быстрее, чем оно подается в зону горения. В этом случае наблюдается явление, называемое проскок пламени – т.е. пламя Если скорость горения топливно-воздушной смеси меньше скорости ее подачи, то зона горения 2 перемещается в зону выноса продуктов реакции горения 3 и возникает явление известное, как отрыв пламени горелки.

В этой связи становится понятным требование, предъявляемое к горелкам и направленное на обеспечение надежного и оптимального регулирования соотношения скоростей подачи топлива и его горения.

Однако в реальных условиях работы промышленных факельных горелок плоский фронт пламени (зона 2) при высоких скоростях горения топлива не стабилен, разрушается на множество локальных сравнительно небольших по размеру зон, в которых и происходит сгорание топлива.

Ниже приведены скорости распространения пламени (скорости горения) некоторых топливно-воздушных смесей (м/с): Н2 – 250, СН4 – 34, С2Н6 – 70, Энергия топлива, высвобождающаяся в ходе протекания экзотермической реакции, часто принимает форму лучистой энергии и сопровождается Прежде чем перейти к классификации пламен отметим, что химики давно обратили внимание на окрашивание бесцветного пламени в различные цвета PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com летучими соединениями. В аналитической химии хорошо известна проба Ф.Ф. Бельштейна. При внесении в пламя горелки платиновой проволоки с соединениями натрия, калия и меди оно окрашивается в желтый, фиолетовый и зеленый цвета соответственно.

Называя пламенем любое свечение, источником которого является химическая реакция, можно привести следующую классификацию пламен по К I типу относят пламена, горящие без предварительного перемешивания топлива и воздуха, называемые диффузионными. В них перемешивание газообразного топлива и воздуха (окислителя) происходит в результате молекулярной диффузии. В свою очередь диффузионные пламена делят на К числу холодных (400-500К) относят пламена, горящие при высоком разряжении (в вакууме). Их еще называют разряженные пламена. В таких относительно невысока. Поскольку все выделяющееся в зоне горения тепло отводится через стенки горелки, то температура пламени примерно равна температуре стенок горелки (сосуда). Примером холодного диффузионного пламени является реакция горения сероуглерода:

Примером горячего диффузионного пламени является пламя СН 4 или СО.

Например, так горит природный газ в бытовой газовой плите.

К типу II принадлежат пламена, горящие в заранее приготовленной топливно-воздушной смеси при любом давлении. Практически важное значение в теплоэнергетике имеют горячие пламена разнообразных топливновоздушных смесей, горящих как при атмосферном, так и давлении выше атмосферного. Температура такого пламени обычно составляет 2000-3000К.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com 6.5. Механизм образования загрязняющих веществ при сжигании Из рис. 6.1 видно, что кроме СО2 и Н2О в состав продуктов сгорания СН входит – NOx. Естественно возникает вопрос о происхождении оксидов азота.

Рассмотрим механизм образования NOx Содержащиеся в продуктах сгорания оксиды азота, принятое обозначение которых NОx, представляют собой в основном смесь двух оксидов NO 2 и NO.

Концентрация этих оксидов определяется условиями протекания реакции (температура, концентрация О2).

По происхождению NО x подразделяются на топливные и термические.

Основным путем получения NОx является окисление азота воздуха при горении топлива. Это было установлено в работах Я.Б. Зельдовича и Д.А. Франк-Каменецкого. Остановимся кратко на основных результатах этих 1. Было установлено образование NO после окончания горения топлива, в той зоне, где нет горючего и следовательно нет реакции горения, что прямо доказывают термическую природу реакции получения оксидов азота.

2. Количество образующегося NO не зависит от количества и типа горючего, но определяется концентрацией кислорода и азота.

3. Подогрев исходной горючей смеси повышает содержание NO в Таким образом, NO образуется в результате протекания обратимой PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Механизм реакции – цепной и включает следующие основные стадии.

где М* - частица (молекула) с избыточной энергией.

Если углеводородное топливо содержит N-содержащие соединения, то при их сгорании образуются так называемые топливные NOx.

Органические азотсодержащие соединения содержатся в российских нефтях в количестве до 0,6 масс.% и отсутствуют в природном газе и газовом конденсате. Поэтому источником топливных NОx являются углеводородные топлива, полученные из нефти. Содержание азота в топливах повышается с увеличением их температуры кипения. С позиций теплотехники наибольший интерес, как энергетические топлива, представляют мазут и другие котельные топлива. Основное количество азота в мазутах приходится на следующие соединения: пиррол, пиридин, пиперидин, пиколины, хинолин, индол, Таким образом, видно, что азот в нефтяных топливах представлен гетероциклическими вторичными (группа HN нефтедобывающая (8,4) > нефтеперерабатывающая (5,2) > угольная (3,4) > газовая (2,8) > нефте- и газохимическая (2,6). На долю отраслей ТЭК приходится суммарно более 50% выбросов в атмосферу ЗВ.

Рис. 7.1 Выбросы ЗВ в атмосферу отраслями промышленности ТЭК В РФ практически все добываемое ископаемое углеводородное сырье используется как топливо: газ природный и сжиженный, автомобильный и авиационный бензин, авиационный и осветительный керосин, дизельное и печное топлива, различные виды котельного топлива, прежде всего мазут, а также кокс. Расход углеводородного сырья для производства химической, PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com нефтехимической и газохимической продукции (полимерные материалы, синтетические ПАВы, каучуки, спирты, гликоли и др.) не превышает 5% от общего объема добываемых углеводородов.

характеризуется постоянством, что создает иллюзию неисчерпаемости ресурсов атмосферного воздуха. Однако с усилением антропогенного воздействия на биосферу, вызванным интенсивным развитием энергетики, промышленности ТЭК, транспорта, состав атмосферы, а вместе с ним и качество воздуха, непрерывно меняются вследствие увеличения содержания в нем загрязняющих Загрязняющее вещество (ЗВ) – это любое вещество природного или антропогенного происхождения, концентрация которого превышает среднюю, многолетнюю концентрацию этого вещества в биосфере.

На рис. 7.2 приведено распределение ЗВ в атмосфере по районам, из которого видно, что наиболее загрязненный воздух – в районе промышленных предприятий, а самый чистый - над Мировым океаном.

По влиянию на биосферу выделяют загрязняющие вещества глобального К числу ЗВ глобального (планетарного) действия относят те из них, которые вызывают парниковый эффект, кислотные дожди, озоновые дыры.

ЗВ, имеющие локальный характер действия, как правило, антропогенного происхождения. К их числу следует отнести ЗВ, содержащиеся в выбросах промышленных предприятий и транспорта, а также ЗВ, образующие смог.

При инвентаризации газовых выбросов выделяют источник выброса ЗВ и источник выделения (появления, образования, получения) ЗВ. Например, в PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com автомобиле источник выделения ЗВ - двигатель, а источник выброса ЗВ выхлопная труба.

Существуют различные классификации источников ЗВ. Источники выбросов ЗВ по виду разделяют на точечные и линейные.

Точечный источник характеризуется наличием отрицательного градиента концентрации ЗВ по всем координатам в пространстве. К числу точечных источников ЗВ, прежде всего, следует отнести дымовые и выхлопные трубы, В отличие от точечного линейный источник хотя бы в одном направлении не имеет отрицательного градиента концентрации ЗВ. Типичными линейными источниками ЗВ могут являться газо-, нефте и продуктопроводы.

Источники выбросов ЗВ разделяют: по времени действия - на постоянные (штатные, связанные с технологией) и периодические (аварийные, залповые);

по подвижности - на стационарные (технологическое оборудование) и подвижные (транспорт); по характеру действия - на организованные (через специальные выводы ЗВ – дымовые трубы, факелы) и неорганизованные (не имеющие специальных выводов ЗВ - свищи и утечки из технологического PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com оборудования); по параметрам - температуре, месту расположения, группам В атмосферном воздухе присутствуют тысячи разнообразных ЗВ, которые оказывают негативное воздействие на окружающую среду и человека.

Поэтому на сотни из них установлены нормы предельно допустимых В свою очередь выделяют пять наиболее распространенных групп ЗВ:

1. твердые частицы (сажа, зола, аэрозоли);

5. углеводороды (СН) и их функциональные производные.

На долю вышеназванных ЗВ приходится 90-98% всех атмосферных выбросов в городах и промышленных центрах. Все пять групп ЗВ присутствуют в выбросах топливно-энергетических установок и предприятий Человек осуществляет нормирование качества окружающей среды, то есть устанавливает пределы, в которых могут меняться ее состав и свойства.

Почти для каждого вещества, загрязняющего атмосферу, установлены различные нормы. В качестве наиболее употребительной нормы используют ПДК - предельно допустимую концентрацию.

определенный период времени не оказывает ни прямо, ни косвенно вредного места определения. Так, в населенном пункте различают следующие ПДК:

ПДКМ.Р.- максимально разовая; ПДКС.С.- среднесуточная. В рабочей зоне ПДКР.З.. Единица измерения ПДК в атмосферном воздухе мг/м3.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com биоэлектрической активности головного мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном (до 20 мин) воздействии атмосферных ЗВ.

Среднесуточная ПДК - с целью предупреждения общетоксического, канцерогенного, мутагенного влияния ЗВ на организм человека.

Концепция ПДК. Существо концепции ПДК тесно связано с Декларацией по окружающей среде и развитию, принятой на Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.). Существо этой концепции (от англ. sustainable development - устойчивое развитие) состоит в балансе социальных, экономических и экологических требований к чистоте биосферы, экологическая емкость которой по отношению к ЗВ ограничена. В настоящее время этот баланс регулируется рынком, на котором чистота Человек быстро и неэффективно расходует природные ресурсы, в результате чего образуется много отходов и ЗВ. Живущее поколение должно удовлетворять свои потребности, оберегая потребительские возможности разрешения противоречия между ростом промышленного производства и уровнем потребления им разнообразных благ. Поэтому человек на современном этапе развития производства и потребления с целью сохранения социального развития вынужден мириться с компромиссным, социально приемлемым загрязнением окружающей среды.

Уровень такого компромиссного загрязнения определяется ПДК по каждому ЗВ и устанавливается каждым государством независимо.

Предположим, что в воздухе в результате антропогенного загрязнения появилось i-ое ЗВ, которое атмосфера не содержит. Тогда концентрация i-го ЗВ Сi, например, в воздухе находится в пределах допустимой нормы, если индекс загрязненности атмосферного воздуха (ИЗАi), рассчитанный по формуле, PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Если содержится несколько ЗВ однонаправленного действия, то расчет При допустимом содержании смеси ЗВ в атмосфере суммарный индекс загрязненности атмосферного воздуха (ИЗАi) не должен превышать 1.

Нормирование качества окружающей среды и содержания в ней ЗВ проводится с использованием санитарно-гигиенических нормативов ПДК, Если i-ое, ЗВ в концентрации отличной от 0, присутствует в атмосферном воздухе, то для предприятий устанавливают ПДВ – предельно допустимый ПДВ - это выброс, создающий в воздухе концентрацию i-го ЗВ равную СiПДВ, которая в сумме с фоновой концентраций CiФ того же ЗВ не превысит ПДКi этого ЗВ. В этом случае расчет ИЗАi проводят по формуле:

почве, определяются индексы загрязненности воды (ИЗВi) и почвы (ИЗПi) соответственно. Помимо этого, так же, как ПДВ для воздуха, применительно к воде и почве используют предельно допустимые сбросы (ПДС) ЗВ.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Уровни ПДК в каждом государстве свои. В табл. 7.1 приведены значения ПДК, установленные в РФ для некоторых ЗВ в атмосферном воздухе, из которой видно, что ПДК изменяются в широких пределах и определяются * Максимально разовые ПДК H2S в воздухе рабочей зоны и смеси H 2S с углеводородами равны 10 и 3 мг/м3 соответственно.

7.3. Воздействие продуктов сгорания углеводородного топлива Основными продуктами сгорания углеводородного топлива являются СО2, Н 2О, NО x и SO 2. Кроме того, продукты сгорания часто содержат Углекислый газ относится к числу газов, вызывающих парниковый эффект - увеличение температуры приповерхностного слоя атмосферы за счет поглощения теплового излучения поверхности Земли молекулами газов, содержащих в своем составе три и более атомов.

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Относительный вклад газов в парниковый эффект (без учета Н2О) Наряду с СО2 парниковый эффект вызывают следующие компоненты атмосферы: H2O, CH 4, NO 2, фторхлоруглероды и фторхлоруглеводороды (CFC);

SO 2+COS+H 2S, обозначенные на рис. 7.3 как (SO2) и некоторые другие.

Из рис. 7.3 видно, что основной вклад в парниковый эффект вносит СО2, значительная часть которого имеет антропогенное происхождение.

Некоторые парниковые газы, такие как СО 2, Н2О, СН4, всегда входили в состав земной атмосферы. Другие появились в атмосфере в результате человеческой деятельности.

Парниковые свойства газов различаются по степени поглощения теплового излучения Земли и по своей стабильности в атмосфере.

Если сравнить данные, приведенные на рис. 7.3 с составом атмосферы, то можно заметить, что содержащиеся в атмосфере 310-2 % об. СО2 вызывают 64% парникового эффекта, а 210-4 % об. СН4 – 19%. Иначе говоря, молекула метана по своему парниковому воздействию примерно в 45 раз сильнее молекулы углекислого газа. Кроме того, молекулы СН4 в силу своей относительной устойчивости в атмосфере сохраняют парниковые свойства на PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Каждый из газов, представленных на рис. 7.3, имеет характерное время жизни в атмосфере, в течение которого он или продукты его превращений могут вызывать парниковый эффект. По времени парникового воздействия газы можно расположить в следующий ряд: СО2 < CH 4 < NOx < CFC.

На рис. 7.4 представлена схема парникового эффекта на примере СО 2.

Углекислый газ с молекулярной массой (м.м.) 44 тяжелее воздуха, (м.м. 29) скапливается у земной поверхности. Падающие солнечные лучи с энергией hvП свободно проникают через слой, содержащий СО2, достигают поверхности и частично поглощаются ею. Тепловое излучение Земли с энергией hvИ поглощается молекулами СО 2, поскольку частота валентных колебаний СО2 совпадает с частотой теплового излучения поверхности. Таким приповерхностном слое атмосферы, что приводит к увеличению температуры у поверхности Земли и возникновению парникового эффекта. В той или иной степени парниковый эффект на Земле проявлялся всегда. Другое дело, что в последнее время концентрация некоторых парниковых газов в атмосфере стала нарастать, и появилась реальная возможность воздействия парникового PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com эффекта на климат Земли и в целом на биосферу, усилились ожидания Парниковый эффект и связанное с ним повышение температуры имеют отрицательную (-) и положительную (+) стороны:

(-) наблюдается ускорение таяния ледников, что может сопровождаться подтоплением низко расположенных участков суши;

(+) отмечается потепление климата, что приводит к ускорению протекания реакции фотосинтеза.

В табл. 7.2 приведены выбросы СО2, образующегося при сжигании различных видов органического топлива.

В рамках защиты атмосферы от ЗВ государства - участники рамочной конвенции ООН об изменении климата приняли протокол (Киото, 1997г.), в котором все страны были разделены на три группы: индустриально развитые, с переходной экономикой и развивающиеся. Для каждой группы были установлены квоты выбросов «парниковых газов» в атмосферу. Так к 2008гг. страны ЕС, США и Япония должны снизить выбросы на 8, 7 и 6% соответственно по сравнению с базовым уровнем 1990 г. При этом PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Исландия, разрешено даже увеличить выбросы по сравнению с 1990 г. на 1, 8 и Каждый процент сокращения выбросов это немалые затраты по внедрению экологически чистых технологий. Квоту на выбросы ЗВ для РФ сохранили на уровне 19% от общемировых, в то время как реальные выбросы российскими предприятиями в период 1990-1997 гг. сократились на 10%. В этой связи на конференции было принято решение, относящееся к сфере международного бизнеса - торговля государственными квотами выбросов парниковых газов и других ЗВ. Поэтому у индустриально развитых стран появилась реальная альтернатива сокращению атмосферных выбросов в виде покупки недостающей квоты на ЗВ у других государств.

В атмосфере каждая капля воды представляет собой химический микрореактор, в котором протекают разнообразные химические превращения.

Характерная особенность таких превращений состоит в том, что реакции в дождевой капле протекают в мягких условиях при атмосферном давлении и температуре окружающей среды. Для примера рассмотрим один из вероятных механизмов образования сернокислотного дождя (рис. 7.5).

PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Образующийся при сгорании топлива сернистый газ (SO2) попадает в атмосферу, где растворяется в капле дождя. Присутствующий в атмосферном воздухе озон (О 3) окисляет раствор до серной кислоты, превращаясь при этом в В химической промышленности получить серную кислоту (H 2SO4) из SO намного сложнее, поскольку процесс протекает в две стадии и на первой из них требуется температура 550 оС и гетерогенный катализатор (V2O5).

Для анализа и определения содержания ЗВ в воздухе используют классификация методов по времени проведения анализа, согласно которой методы подразделяют на непрерывные (мониторинг), периодические и Методы анализа атмосферного воздуха классифицируют также на химические, электрохимические, спектральные, газо-хроматографические и 7.4. Защита атмосферы от продуктов сгорания углеводородных топлив В энергетике, нефтяной, газовой, нефтегазоперерабатывающей и нефтегазохимической промышленности существует множество способов очистки газообразных выбросов от ЗВ. Применяются они на всех стадиях производства от подготовки сырья, его переработки до отгрузки товарной продукции. Строго говоря, если бы удалось обеспечить полное извлечение ЗВ на производстве, PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com когда ЗВ находятся в замкнутом объеме реакторов, аппаратов, резервуаров, трубопроводов, иначе говоря, создать безотходные технологии, то очистка газовых выбросов, как Проблема, перестала бы свое существовать.

Правило Сохранение экологии атмосферы (воздуха) Земли необходимое условие жизни и устойчивого развития человека.

Правило 2. Полностью элиминировать ЗВ из газовых выбросов в атмосферу технически возможно, но экономически не эффективно.

Правило 3. Очистку газовых выбросов проводят, исходя из паритета экологических и экономических ценностей.

Рассмотрим некоторые способы очистки газовых выбросов.

Следует отметить, что существует большое количество способов очистки газов от твердых частиц. Рассмотрим лишь два из них.

Для очистки газовых выбросов от твердых частиц (сажи) широко применяют фильтры (рис. 7.6) из пористых материалов. Фильтры используют для очистки газов, содержащих частицы сажи, золы, аэрозолей и пыли размером 5-25 мкм в концентрации около 100 мг/м3. Степень удаления твердых Принцип действия инерционного пылеуловителя (рис. 7.7): движущийся запыленный газ наталкиваются на непроницаемую перегородку. Крупные частицы, двигаясь по инерции, останавливаются перегородкой, оседают на ней и постепенно ссыпаются на дно пылеуловителя. Поток очищенного воздуха, PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Инерционные пылеуловители предназначены для улавливания твердых частиц с размером 50-500 мкм. Степень очистки - ниже 50%.

содержание в атмосферном воздухе составляет около 0,03%. В этой связи очистку газовых выбросов от СО2, как правило, не проводят.