Запасы топлива
Сейчас человечество использует в год столько топлива, сколько запасалось на планете в течение миллионов лет.
По уровню потребления топлива можно судить об уровне благополучия страны. В среднем на одного человека на Земле расходуется около 5 кг условного топлива (у.т.) в сутки, в промышленно развитых странах – около 30 кг у.т. в сутки. Общее потребление топлива в мире составляет около12 млрд. тонн условного топлива (т у.т.) в год.
Согласно последним данным Мирового энергетического совета (МИРЭС) запасы органического топлива в мире составляют 1220 млрд. т у.т., а общие извлекаемые запасы топлива – в 4…5 раз больше, т.е. достаточны для мирового спроса на многие десятилетия (до 500 лет).
Потребление и разведанные запасы топлива в мире приведены в табл. 1.1 [ ].
Таблица 1.1 – Потребление и запасы топлива
| Горючие ископаемые | Потребление | Разведанные запасы | |||
| Млрд. т у.т. | % | Млрд. т у.т. | % | Запас, лет | |
| Твердое топливо | 3,96 | 34,2 | 62,3 | ||
| Нефть (подвижная) | 4,72 | 40,9 | 15,1 | ||
| Нефть (тяжелая) | 0,27 | 2,3 | 3,4 | ||
| Природный газ | 2,48 | 21,5 | 5,3 | ||
| Нетрадиционный газ | 0,04 | 0,4 | 1,2 | ||
| Горючие сланцы | 0,08 | 0,7 | 12,7 | ||
| Итого | 11,55 |
Экспертная, оптимистичная оценка возможного количества топлива в недрах Земли по данным [ ] приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2 – Оценка количества топлива в недрах Земли и запас при нынешнем потреблении
| Горючие ископаемые | Оценка количества в недрах | ||
| Млрд. т у.т. | % | Запас, лет | |
| Твердое топливо | 2,1 | около 2000 лет | |
| Нефть (подвижная) | 0,1 | более 300 | |
| Нефть (тяжелая) | 0,3 | ||
| Природный газ | 0,1 | 140 тыс. лет | |
| Нетрадиционный (сланцевый) газ | 96,8 | ||
| Горючие сланцы | 0,4 | 20 тыс. | |
| Итого | 30 тыс. |
Важнейшей проблемой для каждой страны является обеспеченность ее энергией.
В табл. 1.3 представлены данные об обеспеченности Украины собственными энергоресурсы по данным [ ].
Таблица 1.2 – Обеспеченность Украины собственными энергоресурсами
| Горючие ископаемые | Ежегодная добыча | Перспективные запасы | |||||
| Млн. т | Млн. т у.т. | % | Млн. т | Млн. т у.т. | % | Запас, лет | |
| Уголь | 65,0 | 69,2 | 98,7 | ||||
| Нефть | 3,4 | 3,6 | 0,1 | ||||
| Природный газ | млрд. м3 | 25,5 | 27,2 | 700 млрд. м3 | 1,2 | ||
| Итого | 93,9 |
Украина принадлежит к странам с дефицитом собственных природных углеводородных ресурсов. Собственного топлива Украина добывает около 94 млн т у.т. в год, а потребность при нормальном состоянии экономики составляет около 300 млн. т у.т. в год. Потребность в импорте составляет около 206 млн т у.т., в том числе природного газа – 138 млн т у.т. (120 млрд. м3), нефти - 68 млн т у.т. (50 млн. т).
В Украине структура потребления первичных энергоресурсов выглядела в последние годы приблизительно так:
- природный газ – 43 %;
- нефть – 18 %; (газ + нефть – 61 %);
- уголь – 23 %;
- атомная энергия – 16 %.
Месторождения угля в Украине:
- Донецкий угольный бассейн Луганской области (уголь всех марок).
- Львовско-Волынский угольный бассейн (уголь марки Г).
Месторождения природного газа: Дашавское, Шебелинское, месторождение газа в Гоголево.
За счет шельфа Черного и Азовского морей планируется увеличить добычу нефти и газа.
Учитывая передовой мировой опыт важным и перспективным для Украины является:
- наращивание добычи угля для замещения им нефти и природного газа;
- использование энергосберегающих производств и технологий;
- безопасность действующих атомных блоков и получение собственного ядерного топлива, анализ возможности строительства новых блоков АЭС;
- поиск и производство новых видов топлива из растительного сырья, технических спиртов и т.п.
Состав топлива
У твердых и жидких видов топлива органическая часть состоит из сложных химических соединений, образованных пятью химическими элементами: углерод (С), водород (Н), сера (S), кислород (О) и азот (N). Кроме того, топливо содержит влагу (W) и минеральные примеси, которые при сжигании превращаются в золу (А). Поэтому их химический состав выражается не сложными химическими соединениями, а содержанием элементов в процентах, т.е. по элементному составу топлива.
Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера.
Углерод - основной горючий элемент топлива, имеет высокую теплоту сгорания (34,4 МДж/кг) и составляет основу горючей массы топлива (от 40 % у древесины до 93 % у антрацита).
Водород имеет высокую теплоту сгорания (120,5 МДж/кг), но его содержание невелико: 2…4% в твердом и 10…11% в жидком топливе.
Сера имеет теплоту сгорания только 9,3 МДж/кг и ее содержание в топливе невелико (0,3…0,5%), поэтому сера не представляет ценности как горючий элемент. Но поскольку при ее сжигании образуется токсичный диоксид серы SO2, то содержание серы является важной характеристикой.
В твердом топливе сера присутствует в трех видах:
- в органическом виде Sор,
- в составе горючих минеральных веществ Sп (пиритная или колчеданная сера FeS2, CuS),
- в составе негорючих минеральных веществ Sсфт (сульфатная сера CaSO4, MgSO4).
Общее содержание серы в топливе Sоб складывается из трех названных составляющих:
.
Содержание горючей серы Sг в топливе определяет сумма двух слагаемых:
.
Различают пять основных состояний (рабочих масс) топлива.
1. Рабочее состояние (рабочая масса) топлива – это состояние топлива с таким содержанием влаги и зольностью, с которым оно добывается, отгружается или используется (верхний индекс - р или международный - r):
. (1.1)
2. Аналитическое состояние топлива (верхний индекс - а (а)) – состояние топлива, характеризуемое подготовкой пробы. Подготовка предусматривает размол до размеров частиц 0,2 мм и приведение в равновесие с условиями лабораторного помещения (содержание влаги уменьшается Wа < Wр):
. (1.2)
Общая, рабочая влага Wр складывается из аналитической влаги Wа и внешней влаги Wвн:
Wр = Wа + Wвн.
3. Сухое состояние топлива (верхний индекс - с или - d от англ. dry – сухой, обезвоженный) – состояние топлива без содержания общей влаги (сухая масса топлива):
. (1.3)
4. Горючее или сухое беззольное состояние топлива (верхний индекс - г или daf – от англ. dry ash-free – сухое, свободное от золы) – условное состояние топлива, не содержащего общей влаги и золы (горючая масса топлива):
. (1.4)
5. Органическое состояние топлива (верхний индекс - о (о)) – условное состояние топлива без содержания влаги и минеральной массы (органическая масса топлива):
. (1.5)
Соотношение различных состояний топлива приведены на рис. 1.1
| Wвн | Wа | О | N | H | C | Sор | Sп | Sсфт | А |
| Органическое состояние (о) | |||||||||
  Горючее состояние (г)
| |||||||||
 Сухое состояние топлива (с)
| |||||||||
| Аналитическое состояние топлива (а) | ||||||||
 Рабочее состояние топлива (р)
|
Рисунок 1.1 - Схема состояний топлива
Для получения коэффициента пересчета состава топлива, например, из горючего в рабочее необходимо сделать следующие преобразования. Запишем уравнение для рабочего состояния (1.1) следующем виде, %:
, (1.6)
и разделим (1.6) на (1.4) . Получим выражение
. (1.7)
Таким образом, для каждого элемента, например для углерода, справедливо соотношение
, %. (1.8)
Аналогичным образом определяются коэффициенты пересчета для любых других состояний, представленные в табл. 1.1.
Таблица 1.1 - Коэффициенты пересчета из одного состояния в другое
| Исходное, заданное состояние топлива | Искомое состояние топлива | ||
| Рабочее | Сухое | Горючее | |
| Рабочее | 
| 
| |
| Сухое | 
| 
| |
| Горючее | 
| 
|
Газообразное топливо - это механическая смесь горючих и негорючих газов. Поэтому в отличие от твердого и жидкого топлива состав газообразного топлива задается в объемныхпроцентах отдельных газов к объему сухого газа при нормальных условиях.
Теплота сгорания топлива
Теплота сгорания топлива характеризует его энергетическую ценность. Теплота сгорания - это количество тепловой энергии, выделяющейся в ходе окисления горючих элементов топлива кислородом.
Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива.
Высшей теплотой сгорания Q в называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (или 1 м3 газообразного топлива) при условии конденсации водяных паров и охлаждении всех продуктов сгорания до температуры 0 °С.
Низшая теплота сгорания Q н отличается от высшей на величину теплоты конденсации влаги топлива и влаги, образующейся при горении водорода.
При сжигании топлива в энергетических установках температура уходящих газов превышает 100 °С, при этом влага, содержащаяся в продуктах сгорания, остается в парообразном состоянии и теплота конденсации теряется. В Украине базовой характеристикой топлива является низшая теплота сгорания Q н.
Количество водяного пара (кг) в продуктах сгорания - это сумма количества влаги, содержащейся в 1 кг исходного топлива Wр/100 (кг) и влаги, образовавшейся при окислении водорода топлива 9Hр/100 (кг). Согласно реакции окисления водорода из 1 кг водорода образуется 9 кг влаги
.
Удельная теплота конденсации водяного пара в нормальных физических условиях составляет 2500 кДж/кг. В итоге теплота конденсации всех водяных паров, образовавшихся из 1 кг топлива, составляет, кДж/кг:
. (1.9)
Тогда взаимосвязь высшей и низшей теплоты сгорания имеет вид, кДж/кг:
. (1.10)
Наиболее надежным способом определения теплоты сгорания является ее экспериментальное измерение на специальных установках – калориметрах (рис. 1.2). Сущность метода заключается в том, что навеску топлива сжигают в атмосфере сжатого кислорода в герметически закрытом металлическом сосуде – калориметрической бомбе, которую погружают в определенный объем воды. Количество выделившейся теплоты, определяют по повышению температуры этой воды.
В практике электростанций теплоту сгорания топлива определяют опытным путем, дающим более точные результаты.
В твердых и жидких видах топлива химические элементы С, H и О связаны между собой в сложные молекулы с различными энергиями связи, на разрыв которых при сжигании затрачивается различное количество энергии. Поэтому нет универсальной формулы, позволяющей рассчитывать теплоту сгорания твердого и жидкого топлива.
Для определения удельной теплоты сгорания твердых и жидких топлив наиболее простой является формула Д.И. Менделеева с эмпирическими коэффициентами для горючих элементов, кДж/кг:
, (1.12)
где С, H, S, О и W - содержание элементов и влаги в процентах.
Для газообразных топлив (при известном составе) теплота сгорания 1м3 сухого газа определяется по следующей формуле, МДж/м3:
, (1.13)
где Н2, СО, СН4 и т.д. – содержание газовых компонентов в процентах, а коэффициенты перед ними – теплота сгорания каждого газа в МДж/м3.
Условное топливо
Топочные устройства и горелки могут потреблять разные виды и количества топлива, так как теплота сгорания у разных видов топлива меняется в широких пределах.
Для сравнения экономичности работы оборудования на различных видах топлива введено понятие условного топлива, для которого принята теплота сгорания
Q ут = 29,35 МДж/кг (Q ут = 7000 ккал/кг).
Тепловая мощность N топочного устройства связана с расходом топлива B и теплотой сгорания 
очевидным соотношением, МВт
. (1.14)
Расход условного B ут топлива связан с расходом натурального топлива В соотношением (N ут = N):
,
или (при , МДж/кг)
.
Влага твердого топлива
Влага является балластом – нежелательным компонентом топлива. Влага в твердом топливе находится в виде капель и пленок воды, капиллярной влаги и адсорбированных молекул H2O на поверхности. Влага также может входить в состав минеральных соединений.
Различают четыре вида влаги:
1. Гидратная влага – вода, входящая в состав минеральных соединений, примесей топлива: силикатов (Al2O3·2SiO2·2H2O) и сульфатов (CaSO4·2H2O). Доля гидратной влаги - несколько процентов. Удаление ее происходит при высоких температурах.
2. Сорбционная влага включает в себя адсорбционную влагу на поверхности раздела фаз и коллоидную влагу, входящую в органическое топливо. Содержание зависит от температуры и влажности воздуха.
3. Капиллярная влага заполняет поры. Поры с диаметром более 10-5 мм заполняются при контакте с водой, а в порах с меньшим размером возможна конденсация влаги из воздуха.
4. Поверхностная влага располагается снаружи частиц топлива. Зависит от начальной влажности топлива, температуры и влажности воздуха.
Общую влагу угля подразделяют на внешнюю влагу и влагу воздушно-сухого топлива. При высушивании угля на воздухе удаляется поверхностная влага и капиллярная влага из открытых пор (два последних вида). В воздушно-сухом угле остается сорбционная и гидратная влага. При высушивании угля при t = 105 °С удаляется вся влага, кроме гидратной.
Общую влагу Wоб рассчитывают как сумму внешней влаги Wвн и влаги воздушно-сухого топлива W h.
Определение внешней влаги Wвн – проводят сушкой навески угля до постоянной массы при комнатной температуре или в сушильных шкафах: бурых углей - при t = 40 °С, каменных углей и горючих сланцев - при t = 50 °С.
Определение влаги воздушно-сухого топлива W h – проводится из пробы в воздушно-сухом состоянии и измельченной до размеров менее 3 мм высушиванием при 105…110 °С в течение 3…4 часов. Либо ускоренным методом высушивания при температуре (160±5)°С за 5…10 минут.
При расчете внешней влаги Wвн убыль массы относят к навеске исходного топлива, а при расчете влаги воздушно-сухого топлива W h – к навеске воздушно-сухого топлива. Чтобы сложить эти величины, необходимо отнести их к исходному топливу. Для пересчета содержания влаги воздушно-сухого топлива на содержание влаги в исходном угле надо умножить W h на коэффициент 
.
Отсюда найдем содержание общей влаги по формуле, %:
. (1.15)
Наличие в топливе влаги снижает теплоту сгорания, увеличивает объем продуктов сгорания, что приводит к снижению КПД топочных устройств.
Увеличение влажности ведет к снижению подвижности частиц топлива вплоть до полной потери сыпучести. Влага сыпучести – это влага, при которой полностью теряется сыпучесть топлива.
При отрицательных температурах происходит смерзание топлива. Наибольшее содержание влаги, при котором еще не происходит смерзание топлива называется влагой смерзания. На практике применяются такие способы борьбы со смерзанием:
- обезвоживание путем отстаивания и нагревания,
- добавка несмерзающихся материалов,
- омасливание нефтепродуктами,
- разгрузка с применением дробления,
- обогрев бункеров и разогрев топлива в вагонах.