Склад повітря і його властивості

 

Складові	Вміст, %	Густина, кг/м³	Температура кипіння, ºС	Молекулярна маса, а.о.м.
за об’ємом	за масою
Азот (N2)	78,15	75,6	1,25	–195
Кисень (О2)	20,9	23,1	1,43	–183
Аргон (Ar)	0,9	1,3	1,78	–196
Діоксид вуглецю (СО2)	0,03	0,04	1,96	– 78
Гелій (Не)	1∙10‾^3	7∙10‾^4	–	–	–
Неон (Nе)
Криптон (Kr)
Ксенон (Хе)
Озон (О3)	1∙10‾^6	3∙10‾^6	2,1	–
Водень (Н2)	5∙10‾^5	–	0,09	–253
Радон (Rn)	6∙10‾^18	–	–	–

 

Вміст водяної пари в повітрі коливається від долей відсотка до декількох відсотків і залежить від місцевих умов і температури. Визначеній температурі і тиску відповідає конкретне утримання водяної пари в повітрі. Відношення абсолютної вологості повітря до максимально можливої, виражене у відсотках, називається відносною вологістю по­вітря.

Горіння в чистому кисні відбувається швидше, ніж у повітрі, і тепло не втрачається на нагрівання азоту повітря. Цей ефект використовується для одержання високих температур до (3200ºС) при спалюванні (ацетилена, водню) у спеціальних пальниках, якими зварюють і розрізають метали.

Кисень інтенсифікує хімічні процеси багатьох виробництв. У доменному процесі при збагаченні киснем дуття підвищується продук­тивність плавки, у виробництві сірчаної й азотної кислот, у процесі полімеризації этилену. Суміш зрідженого кисню з органічною речовиною (вугіллям, деревиною) має сильні вибухові властивості, тому застосовується в гірничодобувній технології для вибухових робіт.

На противагу кисню, другий компонент повітря – молекулярний азот – хімічно малоактивний газ. Атмосферний азот у великих кількостях застосовується як вихідна речовина для синтезу аміаку і деяких з’єднань, а також як інертне середовище.

Аргон широко застосовується як інертний газ у спецметалургії, зварюванні, як робоче тіло в плазмотронах. Важливе значення для нових технологій мають й інші інертні гази.

 

Основні поняття

 

Технологія Штучна сировина

Високі технології Поліметалева сировина

Операційна карта Збагачення сировини

Маршрутна карта Концентрат

Виробничий процес Хвости збагачення

Технологічний процес Магнітна сепарація

Технологічний регламент Умовне паливо

Типи виробництв Жорсткість води

 

Питання для обговорення

 

1. Що таке технологія?

2. У чому полягає сутність виробничого процесу?

3. У чому полягає сутність технологічного процесу?

4. За якими ознаками класифікується сировина?

5. Що таке умовне паливо?

 

Змістовий модуль 2. Система технологій в енергетиці

 

2.1. Основні види і джерела енергії

 

Енергетичний потенціал планети включає практично невичерпні джерела енергії – сонце, вітер, води рік і морів – і непоправні, пов’язані з використанням корисних копалин – нафти, вугілля, природного газу, уранових руд, пальних сланців і торфу.

Джерела енергії першої групи, за винятком гідроенергії рік, дотепер посідають незначне місце у світовому енергетичному балансі.

Енергія необхідна як для проведення безпосереднього технологічного процесу, так і для транспортування сировини і готової продук­ції, допоміжних матеріалів. У структурі собівартості продукції витрати на електроенергію складають більш 30%, що свідчить про високу енергоємність деяких видів виробництв, які у 5 разів перевищують досягнуті у світі зі застосуванням новітніх технологій.

У промисловості використовуються різноманітні види енергії: електрична, теплова, ядерна, хімічна й енергія світла.

Електроенергію в Україні виробляють теплові (ТЕС і ТЕЦ), гідравлічні (ГЕС), гідроакумулюючі (ГАЕС) та атомні (АЕС) станції. У перспективі набуде поширення використання екологічно чистої енергії за рахунок нетрадиційних відновлювальних джерел енергії.

 

2.2. Система технологій теплових електростанцій

 

На теплових електростанціях (ТЕС) джерелом енергії є органічне паливо, насамперед вугілля, а також пальні сланці, нафтовий мазут, газ. В стадії промислового випробування знаходяться ТЕС, що працюють на значно дешевих від газу пиловугільному та водовугільному видах палива. Система технологій теплоенергетики складається з таких ланок (при роботі на вугіллі).

1. Видобуток вугілля (підземним або відкритим засобом).

2. Збагачення і підготовка до спалювання.

3. Спалювання вугілля й одержання пари високого тиску.

4. Конверсія теплової енергії пари послідовно в механічну енергію турбоелектрогенератора й електричну (в одному блоці турбо­електрогенератора).

Основне устаткування паротурбінних ТЕС:

1) котлоагрегат (паровий котел, пароперегрівник).

2) турбогенератор (парова турбіна, сполучена з електро­генератором).

Теплові електростанції, на яких у ролі приводу електрогенераторів застосовують так звані конденсаційні турбіни, називають конденсаційними електростанціями (КЕС).

Паротурбінні електростанції, що виробляють і відпускають споживачам одночасно 2 види енергії: електричну і тепло (одержуване в результаті часткового використання відпрацьованої пари), називають теплоелектроцентраллю (ТЕЦ).

При спалюванні палива в топці котлоагрегату 1 вода, що надходить до нього по трубах, перетворюється в пару. Під високим тиском пара подається в турбіну 2, де вона, діючи на лопаті ротора турбіни, призводить його до обертового руху. Ротор турбіни механічно пов’язаний із ротором електрогенератора 3, у трифазній статорній обмотці якого при обертанні виробляється електроенергія.

Пара, що відпрацювала в турбіні, подається трубопроводом в конденсатор 4, що є частиною турбоагрегату. Конденсатор являє собою теплообмінник для здійснення переходу води з пароподібного стану в рідке. Конденсація пари відбувається в результаті потрапляння пари в паропровід теплообмінника з більш низькою температурою, ніж температура насичення пари при даному тиску. Конденсація пари супроводжується виділенням тепла, яке відводиться від гарячого паропроводу за допомогою охолодженої води, що циркулює за допомогою циркуляційного насоса 5 через теплообмінник 4 і градирню 6.

Градирня – пустотіла споруда для охолодження води атмосфер­ним повітрям. Насос 7 подає воду усередину градирні, де вона розбризкується у виді фонтана. Охолодження відбувається в основному за рахунок випару води наскрізним повітряним потоком, що рухається знизу вгору.

На рис. 2.1 зображено спрощену технологічну систему ТЕС. Реальні агрегати конструктивно значно складніші.

 

u

 

Рис.2.1. Технологічна схема конденсаційної ТЕС:

 

1 – котлоагрегат, 2 – турбіна, 3 – електрогенератор,

4 – конденсатор, 5 – циркуляційний насос, 6 – градирня,

7 – насос градирні, 8 – конденсаційний насос 1-го ступеню,

9 – знесолююча установка; 10 – конденсаційний насос 2-го ступеню, 11 – підігрівник низького тиску;12 – деаератор;

13 – бустерний живильний насос; 14 – живильний насос;

15 – підігрівник високого тиску.

 

Перетворенню пари у воду, крім охолодження, сприяє вакуум, утворюваний у паропроводі теплообмінника конденсаційними насосами 1-го і 2-го ступенів (8 і 10). Далі вода через знесолюючу установку 9, підігрівники низького і високого тисків 11, 15 і деаератор 12 за допомогою бустерного 13 і живильного 14 насосів спрямовується в котлоагрегат для повторного використання.

Деаератор являє собою апарат для видалення з води розчинених у ній кисню і диоксиду вуглецю, що викликають корозію труб та іншого устаткування. За принципом дії деаератори бувають термічні, хімічні та інші.

Бустерний насос – це вакуумний насос, установлений між конденсаційними насосами з метою приведення у відповідність різних рівнів їхнього випускного тиску.

Таким чином утворюється замкнений пароводяний тракт: котлоагрегат – парова турбіна – конденсатор-котлоагрегат.

Підвищення тиску і температури пари перед турбінами і зниження кінцевої температури і тиску відпрацьованої пари збільшує коефіцієнт корисної дії (ККД) конденсаційної електростанції. При роботі КЕС практично вся енергія, надана парі при спалюванні палива, перетвориться в електричну. Частина виробленої електроенергії витрачається на забезпечення власних потреб електростанції (робота допоміжного устаткування, освітлення, вентиляція й ін.). Загальний ККД сучасних КЕС досягає 35-42%. Зазвичай КЕС працюють на місцевих твердих паливах, мазуті та природному газі.

Конденсаційні електростанції є основним типом потужних теплових електростанцій.

Теплові конденсаційні електростанції часто називають ДРЕС, тобто державні районні електростанції. Але зараз ця назва застаріла і не відповідає дійсності. Раніш, коли не було енергосистем, кожна ТЕС забезпечувала споживачів у межах того району, де сама розміщувалась. В даний час за наявності єдиних енергосистем країни слово “районна” втратило сенс.

ТЕЦ обладнують переважно теплофікаційними турбінами, тобто турбінами без конденсатора. В таких турбінах тиск на виході останнього ступеню вище атмосферного. Пара, що відпрацювала в турбіні, або подається в теплофікаційну мережу, або направляється в спеці­альні водонагрівники, де віддає тепло воді, що йде на обігрівання житла, забезпечення комунально-побутових потреб у гарячій воді і технологічних потреб промислових підприємств.

Комбіноване виробництво електроенергії і тепла сприяє ефек­тивнішому використанню палива в порівнянні з роздільним виробітком електроенергії на КЕС і тепла в місцевих котельнях. Крім того, місцеві котельні не завжди раціонально використовують паливо, забруд­нюють атмосферу викидами продуктів згорання і тим самим погір­шують навколишнє середовище населених пунктів. Такі міста як Київ і Харків для тепло- і електропостачання використовують декілька ТЕЦ.

Приклад. Щоб усвідомити екологічну проблему ТЕС, варто проаналізувати кількісні характеристики відходів у ланцюзі потоку енергії від видобутку вугілля до одержання електроенергії.

Але розрахунки зручніше робити, задаючись потужністю електрогенератора і по черзі переходити до попередньої стадії конверсії.

Тому, якщо потужність достатньо великого турбогенератора складає 1000 МДж/с, коефіцієнт корисної дії конверсії механічної енергії парової турбіни в електричну – 0.95, а енергії пари в механічну – 0.37, то коефіцієнт конверсії хімічної енергії вугілля в теплову енергію пари і далі в електричну буде дорівнювати добуткові:

 

η = 0,95 × 0,37 = 0,36.

 

 

Якщо питома теплота горіння якісного кам’яного вугілля становить біля 28 МДж/кг, то щомиті потрібно спалювати

 

P

q =,

η · Q

 

де P – потужність турбогенератора, МДж;

η – коефіцієнт корисної дії;

Q – питома теплота горіння, МДж/с;

 

1000 МДж

q = = 98,2 кг.

0,36 × 28 МДж × кг^-1

 

Тобто 98,2 кг вугілля, що спалюється за 1с, еквівалентні
1000 МДж, тобто потужності у 1000 МВт.

На ТЕС сумарні річні викиди шкідливих речовин, в які входять оксиди сірки, азоту, вуглецю, альдегіди і пилюка золи на 1000 МВт встановленої потужності складають орієнтовно від 1300т на газових до 165000т на пиловугільних.

Впровадження в експлуатацію на Старобешевській ТЕС котла з циркуляційним киплячим спалюванням пиловугільного палива позволило вдвоє знизити собівартість електроенергії, питомі викиди золи – в 20 раз, SO₂ – в 11 раз, окислів азоту – в 3,3 рази, виключити викиди CO.

У атмосфері оксиди сірки й азоту утворюють із парами води відповідні кислоти, що згубно діють на рослинність і фауну водойм. Крім того великий питомий (на одиницю виробленої електроенергії) викид радіоактивних речовин дає ТЕС, що працює на вугіллі. У вугіллі завжди містяться природні радіоактивні речовини, при спалюванні вугілля вони практично повністю потрапляю у навколишнє середовище.

 

2.3. Система технологій ГЕС

 

Рушійною силою в гідроелектростанції є потік річкової води, що запускає гідротурбіну, сполучену з електрогенератором.

Основне устаткування ГЕС:

1. Гребля для створення необхідного напору води шляхом підняття рівня з однієї сторони й опускання – з іншої.

2. Гідротурбіна, яка перетворює енергію падаючої води в механічну енергію обертання.

3. Гідрогенератор (електрогенератор), який механічну енергію перетворює в електричну.

Основне енергетичне устаткування розміщують у будинку ГЕС:

· у машинному залі – гідроагрегати, допоміжне устаткування, пристрої автоматичного управління і контролю;

· на центральному посту управління – пульт оператора-диспетчера або автооператор ГЕС.

Енергетичне джерело безперервно відновлюється природою. Основні витрати при спорудженні гідроелектростанції складають роботи зі спорудження греблі для забезпечення перепаду води. Чим вище гребля, тим більше потенційна енергія води на “вході” конверсії в кінетичну, яка перетворюється послідовно в механічну енергію турбіни й електрич­ну на “виході” з електрогенератора.

Коефіцієнт корисної дії конверсії енергії потоку води в електроенергетичну незрівнянно вище, ніж у системах конверсії теплових і атомних електростанцій і складає більш 90 %. Ці переваги стимулюють будівництво гідроелектростанцій у всьому світі.

Приклад. Гребля однієї з найбільших гідроелектростанцій світу Саяно-Шушенської (на р. Єнисей, Росія) забезпечує натиск води L на турбіну в 200 т (висота греблі 245 м і довжина 1060 м) при витраті води V за хвилину 21 400 м³. Коефіцієнт конверсії енергії води в електричну h = 0,92. Визначте потужність (Р) одного гідроелектроагрегату і всієї ГЕС (10 гідроелектроагрегатів) і порівняйте потужність такого гідроелектроагрегату з потужністю одного енергоблока РБМК-1000 Чорнобильської АЕС.

 

Рішення

А

Визначальна рівність потужності Р =,

t

 

де Р – енергія (робота), Дж; t – час, с.

 

Енергія падаючої води (А) буде прямо пропорційна натиску і масі m, що обумовлює силу F, яка діє на лопасті гідротурбіни:

 

F = mg,

 

де g – прискорення вільного падіння на земну поверхню – 9,8 м/с².

Масу води m, що проходить через турбіну за хвилину, знайдемо із рівняння:

 

m = rН₂О × V = 1000 кг/м³ × 21400 м³ = 21,4 × 10⁶ кг.

 

Сила потоку води F = mg = 21,4 × 10⁶ кг × 9,8 м/с² =

= 209,7 × 10⁶ (кгм/с²) = 209,7 МН.

Робота, що виконує потік за 1 хвилину:

А = F × L = 209,7 × 10⁶ Н × 200 м = 41,9 × 10⁹ ГДж.

Електрична потужність одного гідроелектрогенератора з урахуванням коефіцієнта конверсії h = 0,92 складе:

 

41,9 × 10⁹Дж × 0,92

––––––––––––––––– = 642 × 10⁶ Дж = 642 МДж.

 

Тобто потужність ГЕС (10 блоків) складає 6,4 ГВт.

Потужність одного блока РБМК-1000 (1000 МВт) більше, ніж гідроелектрогенератора, у 1,5 рази.

Діючі ГЕС України – Київська, Канівська, Кременчуцька, Дніпродзержинська, Дніпровська, Каховська та Дністровська.

При будівництві й експлуатації ГЕС багато аспектів не було враховано. Насамперед, це стосується водоймищ, що заливають великі площі сільськогосподарських угідь і лісів. На кожний кіловат потужності гідроелектростанції затоплюється біля 300 м² землі.

У басейнах рік рівнинних регіонів значна частина площ таких водоймищ є мілководна (до 2 м), де створюються сприятливі умови для широкого розміщення синьозелених водоростей. Небезпека цього явища – насиченість води токсичними хімічними сполуками (фенолом, індолом і т. ін.), що виділяються в процесі відмирання і розкладання водоростей. Це явище спостерігається як “цвітіння” води й особливо розповсюдилося в різноманітних регіонах світу в другій половині ХХ сторіччя. Пояснюють це тим, що через застосування на полях добрив у мілководні площі водяних басейнів, що добре прогріваються сонцем, із дощовими потоками з грунту потрапляє велика кількість живильних для водоростей елементів – азот, фосфор, калій. У таких водоймищах зникає риба, а вода, перед тим, як вона надійде до споживача, потребує збільшення коштів на її очищення.

Крім того, утворення величезних водоймищ змінює мікроклімат регіону і часто не в кращій бік. Так, утворення глибокого (понад 100 м) Красноярського водоймища на Єнисеї (Росія) спричинило зниження температури води влітку більш ніж на 10°С, а взимку, навпаки, у сорокаградусний мороз річка вкрита густим туманом, не замерзає протягом 300 км униз за течією. При спорудженні цієї ГЕС були затоплені найцінніші сільськогосподарські угіддя краю.

Але існує й інша сторона проблеми. Для потужних ГЕС у 2000...3000 МВт необхідні великі водяні артерії, які б забезпечували потік води понад 1000 м³ за секунду. Таких річок мало, а в Європі – зовсім немає.

Перспективний напрямок у гідроенергетиці – електростанції, що гідроакумулюють (ГАЕС). Вони включаються в регіональну електромережу з іншими електростанціями і виконують роль демпфера – самі споживають електроенергію, коли вона є в надлишку, і повертають її в мережу, коли її недостатньо. Електричні машини станції можуть працювати як насоси, коли перекачують воду у верхнє водоймище, і як блок гідротурбіни з електрогенератором, коли вона з верхнього водой­мища перетікає в нижнє. Такі станції дозволяють не тільки раціонально витрачати електроенергію, не знижуючи її виробництва всіма станціями електромережі, але й забезпечувати використання води з верхніх водоймищ для сільськогосподарських угідь. Перша гідроакумулююча електростанція була споруджена в 1971 році на правому березі Київського водоймища потужністю 225 МВт із натиском 65 м, довжиною водой­мища 275 м. Нижнім є Київське водоймище. Після 1980 р. побудовані ще дві ГАЕС: Загорська (Московська область) на річці Кум’я потужністю 1200 МВт і найбільша у Литві на р. Німан – 1600 МВт. У 1999 р. запущено в експлуатацію ГАЕС на річці Дністер.

 

2.4. Система технологій АЕС і проблеми

радіаційного захисту

 

Перший атомний реактор було побудовано у 1942 році в США під керівництвом італійського вченого Е. Фермі, а на європейському континенті – в колишньому СРСР – у 1946 році під керівництвом
І.В. Курчатова. Його потужність складала 0,5 МВт (м. Обнінськ поблизу Москви). В Україні зараз експлуатуються 4 атомних електростанції: Ровенська, Хмельницька, Південо-Українська і Запорізька (табл. 2.1). Атомна електростанція (АЕС) – складна технічна споруда, в якій атомна (ядерна) енергія перетворюється в електричну.

У загальному виді це відбувається в такий спосіб (рис. 2.2). Тепло, яке виділяють при розщеплені ядра радіоактивних речовин (ядерне пальне – на сьогодні це – уран (ізотопи, плутоній та торій), нагріває теплоносій, який прокачують через активну зону реактора (рідина/вода, що містить 16 % борної кислоти або газ), який відбирає тепло від

ядерного пального. Ця замкнена система з теплоносіями називається першим контуром. У теплообміннику тепло першого контуру нагріває до кипіння воду другого контуру. Пара, що утворюється, надходить до звичайної турбіни, за допомогою якої виробляється електрика, а також використовується

для обігріву будинків. Отже, атомні електростанції відрізняються від інших тільки засобом перетворення води в пару, що використовується для виробництва електроенергії.

 

Таблиця 2.1