Рис. 1.1. Основные виды топливно-энергетических ресурсов
и негорючую (влага, зола) массы. В состав природного твердого топлива кроме углерода и водорода практически всегда входит сера.
Уголь — наиболее потребляемое твердое топливо. Его запасы на Земле по сравнению с другими видами топлива наиболее значительны. Угли различаются по своему составу, а значит, и по теплоте сгорания. Плотность угля
колеблется в пределах 1100—1500 кг/м3, а низшая теплота сгорания — от 9,0 —16,0 (бурые угли) до 16,0—29,0 МДж/кг (каменные угли). Содержание серы в углях может доходить до 7 %.
Сланцы — ископаемое топливо с высокими зольностью (до 60 %) и влажностью. Низшая теплота сгорания сланцев составляет 6—10 МДж/кг. Они характеризуются высоким содержанием водорода и летучих веществ, поэтому легко воспламеняются.
Торф имеет высокую влажность (до 50 %) и низкую теплоту сгорания (8,4—10,5 МДж/кг). Поскольку период образования торфа в природных условиях гораздо меньше, чем период образования угля или нефти, его иногда относят к возобновляемым энергетическим ресурсам.
Сланцы и торф относятся к местным видам топлива.
К искусственному твердому топливу относится кокс, получаемый при нагревании естественного твердого топлива без доступа воздуха. Кокс содержит 96 — 98 % углерода. Каменноугольный кокс используется в качестве топлива при плавке чугуна в доменных печах, являясь одновременно восстановителем железа из его оксидов.
При переработке твердого топлива (газификации) может быть получено газообразное и жидкое топливо.
Жидкое топливо представляет собой в основном продукты переработки нефти. В настоящее время сама нефть практически не является топливом. Основная единица измерения количества сырой нефти — нефтяной баррель (в переводе с английского — «бочка»), равный 159 л.
Различные марки сырой нефти имеют разный состав, а следовательно, и разные плотность и теплоту сгорания, что во многом определяет их цену на мировом рынке энергоносителей. Плотность нефти является одной из основных ее характеристик. В зависимости от плотности нефть делится на легкую 3 3
(р = 650 -5- 870 кг/м), среднюю (р = 871 ч- 910 кг/м) и тяжелую (р = = 911-г 1050 кг/м3).
В качестве энергетического топлива используется тяжелый продукт переработки нефти — мазут (р = 890 ч-1000 кг/м3). В России марки мазута различаются по уровню содержания серы и по вязкости. Мазут также может быть использован для получения светлых нефтепродуктов при глубокой переработке (крекинге, реформинге).
Более легкие продукты переработки нефти — бензин, керосин и дизельное топливо используются в качестве моторного топлива.
Газообразное топливо. Природный газ, основу которого составляет метан, является наиболее экологически чистым видом топлива. При добыче и переработке природного газа производятся его осушка, очистка от сероводорода и отделение наиболее тяжелых фракций.
Рис. 1.2. Использование различных видов органического топлива при получении электроэнергии на тепловых электростанциях России (данные 2006 г.):
I — природный газ; 2 — уголь; 3 — мазут
К природному газообразному топливу относится также попутный нефтяной газ, залегающий вместе с нефтью в нефтяных пластах, а также образующийся при переработке нефти. Кроме метана он содержит этан, пропан, бутан и пары более тяжелых углеводородов. На газоперерабатывающих заводах из попутного газа отделяют бензиновые фракции.
Топливо транспортируется, но трубопроводам, перевозится морским и железнодорожным транспортом. Оно используется для выработки тепловой и электрической энергии, непосредственно сжигается в печах при осуществлении высокотемпературных технологических процессов (черная металлургия, получение стекла, цемента и др.).
Более 50 % всего органического топлива, используемого в России, сжигается на тепловых электростанциях (рис. 1.2) и в котельных.
К котельно-печному топливу относятся, в первую очередь, природный газ, мазут и каменный уголь, т.е. те виды топлива, которые сжигаются в котлах электростанций, отопительных и производственно-отопительных котельных, промышленных печах. Часто эти виды топлива также называют энергетическими.
В котлах электростанций и особенно в отопительных котельных нередко сжигается торф, древесные отходы и другие виды местного топлива. В масштабах страны и региона эти виды топлива редко относят к котельно-печному, хотя это часто делают при энергетическом обследовании предприятия, сопровождающемся заполнением энергетического паспорта.
Моторное топливо — это топливо, используемое в двигателях внутреннего сгорания, а также в реактивных и газотурбинных двигателях для привода машин и механизмов.
К моторному топливу относятся прежде всего бензин и дизельное топливо. Керосин используется как топливо для авиационных двигателей. Как бензин, так и дизельное топливо представляют собой смесь легких углеводородов различного состава и различной плотности. Теплота сгорания этих видов топлива меняется в зависимости от их марки. Например, низшая теплота сгорания бензина марки АИ-93 составляет 44 МДж/кг, а дизельного топлива марки Л — 42,6 МДж/кг [1].
В качестве моторного топлива все шире используется сжиженный газ.
Органическое топливо дорожает, поскольку его запасы постепенно сокращаются и растет сложность добычи за счет освоения труднодоступных месторождений. Удорожание органического топлива связано также и с тем, что оно служит в качестве ценного сырья для целого ряда химических производств.
Ядсрнос топливо. Кроме органического топлива в мировой энергетике широко используется ядерное топливо. Обычно различают понятия «ядерное топливо» и «ядерное горючее».
Ядерное горючее — это природный изотоп урана и" и получаемые искусственным путем в процессе ядерных реакций изотопы плутония
„ 239-242 а
Ри. Ядерное топливо, как правило, содержит не только изотопы вещества, поддерживающие цепную ядерную реакцию, но и изотопы (ядерное сырье), которые в процессе реакции превращаются в искусственно получаемое ядерное горючее.
На атомных электростанциях ядерное топливо используется в составе тепловыделяющих элементов (твэлов), состоящих из сердечника, выполненного из делящегося вещества, и оболочки.
Природная урановая руда содержит мало изотопов урана и требует предварительного обогащения.
Суммарная мощность работающих в мире атомных электростанций составляет примерно 300 ГВт. Выработка электроэнергии на АЭС крупнейших стран — производителей атомной энергии приведена в табл. 1.1 [2].
Таблица 1.1
Крупнейшие страны — производители атомной энергии
| Страна | Выработка электроэнергии на АЭС, млрд кВт • ч/год | Доля атомной энергии в общей выработке электроэнергии в стране, % |
| США | 821,5 | 19,4 |
| Франция | 452,6 | 78,7 |
| Япония | 293,0 | 25,8 |
| Германия | 163,0 | 26,3 |
| Россия | 149,7 | 15,7 |
| Южная Корея | 146,8 | 37,2 |
| Канада | 92,0 | 15,5 |
| Украина | 88,8 | 48,0 |
Установленная мощность атомных электростанций, работающих в России, в 2006 г. составляла 23 700 МВт [3].
Использование ядерного топлива оказывает гораздо меньшее негативное влияние на окружающую среду, чем сжигание органического топлива, поскольку не приводит к выбросу в атмосферу твердых частиц, оксидов серы и азота, а также диоксида углерода — основного парникового газа. Однако с использованием ядерного топлива связаны проблемы безопасности, возникающие не только на атомных электростанциях, но и на предприятиях по его обогащению и переработке; важной является, и проблема захоронения ядерных отходов.