Паливо Питома теплота горіння

МДж/кг

Дрова 8,3-15,5

Пальний сланець 8,4-20

Торф 8,4-21

Буре вугілля 10,5-21

Кам’яне вугілля прибл. 29,4

Антрацит 32,8-32,6

Природний пальний газ на 1 куб. м 25,2-46,2

Нафта 42

 

За енергетичною цінністю види палива характеризуються наступним чином:

 

Паливо Енергетична цінність

кВт·г/кг

Дрова 2,33- 4,32

Пальний сланець 2,33- 5,82

Торф 2,33- 4,66

Буре вугілля 2,92- 5,82

Кам’яне вугілля прибл. 8,15

Антрацит 9,08- 9,32

Природний пальний газ на 1 куб.м 6,98-12,82

Нафта 11,63

 

Різноманітні види палива порівнюються за їх питомою теплотою горіння, тобто за кількістю енергії, що виділяється при спалюванні кілограма палива.

Для обчислення загальних запасів палива різноманітні його види умовно заміняють так званим умовним паливом із питомою теплотою горіння 29,4 МДж/кг. Якщо зазначити питому теплоту горіння даного палива через Q, а його кількість (у кілограмах або тоннах) через Т, знайдемо еквівалентну йому кількість Х умовного палива за однією з таких формул:

 

Х = ТQ / 29,4 або Х = ТQ / 8,15,

 

залежно від того, в яких одиницях (МДж/кг або кВт·г/кг) задано Q.

 

Практично при відповідних розрахунках приймають:

1т кам’яного вугілля = 1 т умовного палива.

1т бурого вугілля = 0,4 т умовного палива.

1т нафти = 1,4 умовного палива.

1000 м³ природного газу = 1,3 т умовного палива.

Дещо складніше порівняння паливних і непаливних енергетичних ресурсів. Потужність гідроенергії, що вимірюється в кіловатах, залежить від висоти (напору) води та її витрати, тобто кількості води, що протікає в обраному створі ріки за одиницю часу. Її обчислюють у такий спосіб.

Вода, падаючи з висоти, виконує роботу, рівну добутку її ваги на висоту падіння. Маса води пропорційна її об’єму. Якщо позначити через R її витрати, тобто кількість кубометрів води, що падає за секунду, а через Н – висоту падіння, виражену в метрах, можна обчислити потужність N водяного потоку в кіловатах за такою формулою:

 

N = (1000 / 102) RH = 9,8 RH.

 

У цій формулі 1000 – число кілограмів у кубометрі води, а 102 – число кілограмометрів у секунду, рівне одному кіловату потужності.

Приймаючи середній коефіцієнт корисної дії гідроспоруди рівним 0.80-0.85, одержуємо практичне вираження для потенційної (теоретичної) потужності водяного потоку:

 

N = 8RH, кВт.

 

Поняття умовного палива застосовують не тільки для обчислення загальних відходів палива, але і для обчислення енергетичних ресурсів будь-якого виду. Вихідною величиною при цьому служить середня кількість вагових одиниць умовного палива, що фактично витрачаються на теплових електростанціях для одержання однієї кіловат-години електроенергії при даному рівні енергетичної техніки (у даний час – біля 0,35 кг). За допомогою цього розміру визначають кількість умовного палива, еквівалентного ресурсам непаливних джерел енергії (кількість кіловат-годин електроенергії, які можна одержати від них за рік).

Запаси гідроенергії на визначеній території являють собою суму потенційної потужності усіх водотоків, помножену на число часів можливого її використання за рік. Це потенційні (теоретичні) гідроенергоресурси. Поряд із ними розрізняють: технічно придатні до використання гідроенергоресурси – частина потенційних, що при даному рівні техніки практично може бути використана; економічно ефективні гідроенергоресурси, використання яких за існуючих умов є економічно вигідним.

При порівнянні непоновлюваних і поновлюваних енергетичних ресурсів необхідно враховувати швидкість поновлення (приріст деревини, а іноді й торфу).

До складу усіх видів палива входить пальна маса (органічна маса і пальні неорганічні речовини: сірка, її з’єднання і т. ін.) і непальна маса (зола, волога). Чим більше в паливі золи, вологи, тим нижче його теплота горіння. Чим вище в органічній масі вміст вуглецю й водню і чим нижче вміст кисню й азоту, тим більше теплота горіння палива.

Одним із найважливіших видів рідкого палива є нафта, що містить в органічній частині 83-87 % вуглецю і 12-14 % водню. Питома теплота горіння нафти коливається в межах 35,8-44 МДж/кг.

Природний газ містить до 98 % метану і є найефективнішим видом палива. На теренах України є практично усі види палива, у тому числі нафта і газ.

 

1.5.4. Основні джерела і характеристики води

 

Вода займає важливе місце в житті й діяльності людини. Поширення води: 97,57 % – у світовому океані, 2,14 % – у високогірних льодовиках і полярних льодах, 0,29 % – у річках і озерах; у водяних парах атмо­сфери – біля 0,001 %. Приблизно 7 % маси земної кори складають підземні води.

Для побутових і промислових потреб застосовується тільки прісна вода (вміст солей до 1 г/л), яка складає 3 % усіх запасів води.

Витрата води на душу населення у великих містах США і Європи складає 600-700 л на добу, у країнах, що розвиваються – 50 л.

Вода містить майже всі елементи таблиці Менделєєва. Її загальна маса 1,4×1018 т, у ній утримується 2,8 млрд. т урану. Якщо вилучити з неї тільки 0,01 % урану, то його вистачить на 100 років для вироблення електроенергії для всього людства.

Якість води визначається її хімічними і фізичними характеристиками, такими як жорсткість, загальний солевміст, прозорість, окислюваність і т. ін. Для питних потреб велике значення має кількість токсичних домішок (миш’як, стронцій, радій, радіоактивний уран), вміст мікробів, запах, колір і смак. Для технічних потреб важливі показники жорсткості, вміст солей, механічних домішок.

Жорсткість води характеризується вмістом у ній солей кальцію і магнію. Хоча жорсткість не впливає на життя та здоров’я людей, однак вона є небажаною з двох причин. По-перше, вона запобігає утворенню мильної води. По-друге, при нагріванні води вказані солі активно виділяються і відкладаються на нагрівальних поверхнях у виді осадку, який має теплоізолюючі властивості і може в кращому випадку знизити ефективність роботи нагрівача, а в гіршому – спричинити його поломку. Не весь осад залишається в нагрівачі. Деяка його частина осідає на трубах і за час багаторічної роботи може їх закупорити. Жорсткість, яка менша 50 млг/л, утруднює змивання мильної піни і посилює корозійні властивості води. Розрізняють жорсткість води трьох видів: тимчасову, постійну і загальну.

Тимчасова (переборна) жорсткість характеризується вмістом у воді бікарбонатів кальцію і магнію, що легко видаляються з води простим кип’ятінням. Бікарбонати переходять у нерозчинні вугле­кислі солі і випадають у виді щільного осадку.

Постійна жорсткість води пов’язана з присутністю в ній хлоридів, сульфатів, нітратів кальцію і магнію. Ці солі не видаляються при кип’ятінні води. Тимчасова і постійна жорсткість у сумі дають загаль­ну жорсткість. Вода має жорсткість, рівну одиниці, якщо в літрі її вміщуються 1 мг-екв іонів кальцію або магнію. Жорсткість викликає агресивність стосовно бетону. При утриманні 250 млг/л сульфатних іонів наступає руйнація бетонного каменю.

Загальний солевміст або сухий залишок – маса речовини, що залишилась після випару води і висушування отриманого залишку при 105...110°С до постійної маси. Сухий залишок виражається в міліграмах на 1 літр води.

Прозорість води визначається товщиною прошарку води, через який можна розрізнити хрест або шрифт визначеного розміру (без або за допомогою фотоелемента). У відкритих районах Чорного моря вона дорівнює 24...28 м.

Окислюваність води визначається масою (у міліграмах) перман­ганата калію, щовзаємодіє з 1 л води при кип’ятінні протягом
10 хвилин.

Кислотність або лужність води характеризується концентрацією водневих іонів або величиною pH = – 1g [H+, моль/л].

При pH = 6,5–7,5 вода вважається нейтральною, при pH < 6,5 воду називають кислотною, при pH > 7,5 – лужною.

1.5.5. Класифікація вод

Природні води розподіляються на три види, що різняться за наявністю домішок: атмосферні, поверхневі та підземні.

Атмосферна вода – це вода дощових і снігових опадів, вона характеризується порівняно невеличким вмістом домішок, головним чином розчинених газів: кисню, вуглекислого газу, сірководню, оксидів азоту, кисневих з’єднань сірки, органічних речовин, що визначають атмосферу в промислових районах. Атмосферна вода майже не містить розчинених солей, зокрема, солей кальцію і магнію.

Поверхневі води – річкові, озерні, морські містять, крім домішок, наявних в атмосферній воді, різноманітні речовини. В них є двовуглекислі солі кальцію, магнію, натрію і калію, а також сірчанокислі й хлорні солі. Якщо вода містить солей менше 1 грама на літр, вона називається прісною, а якщо більше одного грама – солоною.

Підземні води – артезіанських свердловин, криниць, ключів, гейзерів – характеризуються різноманітним вмістом солей, склад яких залежить від виду і структури грунтів і гірських порід, через які просочуються атмосферні води і води поверхневих водойм, створюючи водойми підземні. Фільтруюча спроможність грунтів і гірських порід обумовлює високу прозорість підземних вод і відсутність у них домішок органічного походження. Унікальною сировиною для хімічної промисловості є інеральні води, насичені різноманітними солями. Так, води насичені хлористим натрієм, служать сировиною для виробництва соди, їдкого натру і хлору. З підземних роп одержують також йодисті, бромисті з’єднання й інші солі.

Залежно від призначення вода умовно підрозділяється на промислову і питну. Питна вода в першу чергу звільняється від бактерій; до неї висуваються особливі вимоги стосовно смаку, кольору, запаху. Промислові води не можуть містити домішок більше припустимої норми, що встановлюється залежно від виду виробництва.

Вода для прямоточних парових котлів не має містити окисів вуглецю і кисню, що спричиняють корозійну руйнацію труб, і може містити сухий залишок не більш 0,2...0,3 мг/л. Солі в парових котлах відкладаються на внутрішніх поверхнях труб у виді накипу, знижують теплопровідність їхніх стінок, призводять до перегріву і передчас­ного їхнього зносу. Підвищених вимог стосовно чистоти води дотримуються при виробництві напівпровідників, люмінофорів і деяких інших матеріалів.

 

1.5.6. Очищення і знезараження води

 

Очищення води від домішок, тобто підготовка, складається з таких операцій: освітлення, знебарвлення, знезараження, зм’якшення, дегазація.

Освітлення і знебарвлення природної води провадиться з метою видалення з неї механічних домішок. Це досягається відстоюванням її в бетонованих резервуарах великої місткості (відстійниках) із наступним пропусканням через пісчані фільтри з зернистим фільтруючим прошарком. Для осадження колоїдних домішок у відстійники вводять коагу­лянти – сульфати заліза або алюмінію, в результаті чого вода знебарвлюється. Осадки видаляються з води при відстоюванні і фільтруванні.

Знезараження води – обов’язковий процес її очищення, що використовується для побутових потреб. Знищення хвороботворних мікробів і окислювання органічних домішок досягається хлоруванням – введенням газоподібного хлору, хлорного вапна, гіпохлориду кальцію, а також озонуванням і кип’ятінням. При обробці води хлором вода насичується його запахом, при озонуванні запах відсутній, що є перевагою даного методу. Вода знезаражується також обробкою іонами срібла і під впливом ультрафіолетових променів і ультразвукових коливань.

Для того, щоб після обробки у воді не залишався надлишок хлору, її дехлорують. При цьому надлишок хлору або хімічно зв’язується, або видаляється при пропусканні води через вугільні фільтри. Зм’якшення і знесолення води – основні процеси її підготов­ки. Видалення з води всіх солей (усіх катіонів і аніонів) називається знесоленням, але тільки солей кальцію і магнію – зм’якшенням. Повне знесолення води (дистиляція) застосовується порівняно рідко. Засоби зм’якшення води розділяються на фізичні, хімічні та фізико-хімічні.

До фізичних засобів належать – кип’ятіння, дистиляція і виморожування.

Дистильовану (цілком знесолену) воду одержують перегонкою на спеціальних дистиляційних установках.

Сутність хімічних методів зм’якшення полягає в зв’язуванні іонів кальцію і магнію за допомогою реагентів у нерозчинні осадки, що легко виводяться. Залежно від застосовуваних реагентів розрізняють засоби: а) вапняний – обробка гашеним вапном; б) содовий – діють кальцинованою содою; г) натровий – обробка їдким натром; д) фос-фатний – впливають тринатрійфосфатом.

Сутність іонообмінного (фізико-хімічного) засобу полягає у видаленні з води іонів кальцію і магнію за допомогою іонітів (іонообмінних солей), спроможних обмінювати свої іони на іони, що утримуються у воді.

Сучасним фізико-хімічним методом зм’якшення води є електрохімічний, зокрема електрокоагуляція, що провадиться в електролізерах із розчинними електродами.

Дегазація води – видалення з неї розчинених газів – здійснюється хімічним і фізичним засобами.

Фізичні засоби видалення газів полягають в аерації або нагріванні води у вакуумі.

Виробничі й побутові стічні води звичайно містять різноманітні органічні та неорганічні домішки, які при зливі у водойми забруднюють їх. Спуск промислових стічних вод у водойми провадиться відповідно до санітарних правил, якими визначене гранично припустиме утримання речовин у стічних водах.

Засоби очищення і знешкодження стічних вод підрозділяються на механічні, фізико-хімічні, хімічні та біологічні.

Механічні засоби очищення стічних вод від домішок полягають у їхньому відстоюванні і фільтруванні, зокрема, через полупроникаючі мембрани під тиском.

Фізико-хімічні методи засновані на застосуванні флотації, екстракції й адсорбції шкідливих домішок, відгонки їх із водяною парою. Різновидом фізико-хімічних методів є термічні, наприклад, випар води при нагріванні й спалюванні органічної частини сухого залишку.

Хімічні методи очищення стічних вод засновані на використанні окислювально-поновлюючих, електрохімічних процесів, реакцій нейтралізації і переводу шкідливих речовин у неактивну нешкідливу форму. Біологічний метод полягає у розкладанні й окислюванні шкід­ливих домішок за допомогою мікроорганізмів. Серед мікроорганізмів, що зустрічаються у грунті, найбільш численними є гриби, водорості й бактерії. Вони “атакують” органічні речовини, що утримуються у стічних водах, які являють собою прекрасне живильне середовище для мікробів, і розкладають вуглеводи, жири й інші з’єднання на двоокис вуглецю, воду і мінеральні солі. Розрізняють процеси біологічного очищення, що протікають у природних і штучно створених умовах, які здійснюються на спеціальних очисних станціях.

 

1.5.7. Повітря у технологічних процесах

 

Поряд із природною водою широко використовується і повітря в різноманітних технологічних процесах.

Насамперед повітря витрачається в енергетичних агрегатах під час горіння органічних енергоносіїв (вугілля, газу, мазуту, бензину) – на теплових електростанціях і у двигунах внутрішнього згорання. Великі об’єми повітря використовують у металургії: на виробництво 1т сталі його витрачають біля 15 · 103 м³; на 1т міді – приблизно 60 · 103 м³. Повітря широко використовується для транспортування матеріалів (пневмотранспорт), для теплопередачі й охолодження технологічних об’єктів, як робоче тепло в пневматичних системах. Деякі фізичні харак­теристики атмосферного повітря: щільність – 1,293 кг/м3; середня молярна маса (умовно) – 29; критична температура – 140,7°С, критичний тиск – 3,72 МПа.

Істотну роль у промисловості грають окремі складові повітря, характеристики яких наведені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1