Сторінка
3

Матеріально-енергетичні баланси промислового виробництва і шляхи вирішення еколого-виробничих проблем

У табл. 26 наведено коефіцієнти конверсії двигунів різних конструкцій.

Проаналізуємо дані таблиці. Найнижчий коефіцієнт конверсії теплової енергії пального в роботу має місце в парових машинах, що зумовлено технічними складностями реалізації високих температур водяної пари, отже й тиску, «на вході» в машину перед поршнем робочого циліндра і малою залежністю температури пари «на виході» від конструкції машини. Саме за показником температури пари «на вході» парові турбіни мають перевагу над паровими машинами. Серед двигунів внутрішнього згоряння дизельні мають найвищий коефіцієнт конверсії, хоч за показниками якості дизельне пальне поступається бензину. У даному разі вирішальний вплив на коефіцієнт конверсії має конструкція двигуна, яка зумовлює наближення характеристики робочого циклу двигуна до циклу ідеальної машини Карно.

На щастя, напрями технічного вдосконалення конструкції двигунів щодо підвищення економічної та екологічної характеристик збігаються і полягають у забезпеченні найбільш повного згоряння палива у двигуні, що зменшує викиди токсичних канцерогенних органіч­них сполук типу бензопірену і не до кінця окисленого вуглецю СО. Є підстави сподіватись, що найбільш повно комплексній техніко-еко­номічній і екологічній характеристиці якості палива в перспективі відповідатиме молекулярний водень Н2, під час згоряння якого утворюються лише водяна пара чи конденсована (рідка) вода.

Сучасна економіка більшу частину вилучених з природи енергетичних ресурсів піддає технологічній конверсії у високоякісну і зручну для використання електричну енергію. Дані щодо виробництва електроенергії і видобування природних енергоносіїв у різних країнах світу наведено в табл. 27.

У наступних підрозділах ми розглянемо основні принципи технологій конверсії різних видів природних енергетичних ресурсів саме в електроенергію у зв’язку з економічними та екологічними проблемами їх реалізації.

Системи технологій ТЕС і шляхи розв’язування проблеми токсичних викидів

На теплових електростанціях (ТЕС) вихідним джерелом енергії є органічне паливо, передовсім вугілля, а також сланці, нафтовий мазут, газ. Система технологій теплоенергетики складається з таких ланок:

1) видобуток вугілля (шахтним чи відкритим способом);

2) збагачення і підготовка до спалювання;

3) спалювання вугілля і одержання водяної пари високого тиску;

4) конверсія теплової енергії пари послідовно в механічну енергію парової турбіни і в електричну (в одному блоці турбоелектрогенератора).

На рис. 47 зображено спрощену схему ТЕС. Реальні агрегати конструктивно значно складніші.

Рис. 47. Схема енергоматеріальних потоків теплової електростанції (ТЕС):

1 — топка; 2 — паровий котел з перегрівачем пари; 3 — парова турбіна; 4 — електрогенератор; 5 — теплообмінник; 6 — насос постачання водою (конденсатом) парового котла; 7 — насос циркуляції води в охолоджуючому контурі

Щоб з’ясувати екологічну проблему ТЕС, треба проаналізувати кількісні та якісні характеристики відходів у ланцюгу потоку енергії від видобутку вугілля до одержання електроенергії. Але розрахунки зручніше робити, задавшись потужністю електрогенератора і по черзі переходити до попередньої стадії конверсії.

Тобто, якщо (умовно) потужність досить великого електрогенератора становить 1000 MW, коефіцієнт корисної дії конверсії механічної енергії парової турбіни в електричну — 0,95, а енергії вугілля в енергію пари і далі в механічну — 0,37, то для ТЕС повний коефіцієнт конверсії дорівнюватиме добутку: η = 0,95·0,37 = 0,36.

Якщо питома теплота згоряння якісного кам’яного вугілля становить близько 28 J·kg-1, то щосекунди його треба спалювати

Отже, згідно з першим законом термодинаміки, тепло, що виділяється під час згоряння 100 kg вугілля за 1s (100kg × 28 MJ/kg) за енергією має бути еквівалентне сумі енергій, а саме 1000 MJ, які виробляє за одну секунду електростанція потужністю у 1000 MW, і одночасно втрачає [(100 kg × 28 MJ/kg) — 1000 MJ] = 1800 MJ. Відтак коефіцієнт конверсії (корисної дії — η) дорівнює відношенню отриманої електроенергії до енергії, яка виділилась під час згоряння енергоносія. У нашому випадку η збігається з орієнтовно визна­ченим вище.

Розглянемо матеріальні потоки за реалізації конверсії внутрішньої енергії під час згоряння 100 kg вугілля в електричну енергію. Склад різних видів кам’яного вугілля коливається в досить широких межах. Так, вміст вуглецю становить 75—97%, водню 2—5%, кисню 2—15%, сірки 1—4%, азоту до 1,5%. Крім наведених хімічних елементів вугілля містить у невеликій кількості інші, які утворюють до 6% золи (оксиди і солі), а також токсичні леткі сполуки. Виходячи з середніх значень наведених даних щодо складу вугілля, виконаємо розрахунки за вже відомою нам схемою (див. 1.2.4. Стехіометрія).

Вихід діоксиду вуглецю (СО2) і витрати кисню за повного згоряння вугілля визначимо за стехіометричним рівнянням:

С + О2 = СО2.

Молярні маси, g/mol:

С = 12; О2 = 32; СО2 = 44.

Маса діоксиду вуглецю і кількість речовини у 100 kg вугілля із середнім вмістом 86% вуглецю відповідно становить:

За аналогічним розрахунком маса і кількість речовини (mol) витраченого кисню становитимуть:

Вихід діоксиду сірки за стехіометричним рівнянням: S + O2 = SO2 за її вмісту у вугіллі 2,5% становитиме:

Молярні маси, g/mol: S = 32; O2 = 32; SO2 = 64.

Вихід оксидів азоту в перерахунку на NO2, якщо середній вміст азоту 1%, визначимо за рівнянням N + O2 = NO2.

Молярні маси, g/mol: N = 14; O2 = 32; NO2 = 46.