Горение органического топлива

Горение – это окислительно-восстановительная реакция топлива с кислородом воздуха, сопровождающаяся выделением теплоты и света. Различают гомогенное и гетерогенное горение. Гомогенное горение протекает в объеме, когда топливо и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии (горение газа в воздухе). Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз, когда топливо и окислитель находятся в различных агрегатных состояниях (горение твердого и жидкого топлива). Скорость горения может быть различной – от медленного окисления горючих элементов (тление) до мгновенного (взрыв).

В энергетических установках должно соблюдаться определенное соотношение концентрации топлива и воздуха. При нарушении соотношения, например, при избытке воздуха (бедная смесь) или топлива (богатая смесь), скорость реакции снижается, следовательно, уменьшается тепловыделение на единицу объема. Су­ществуют нижний и верхний пределы концентрации топлива, вне которых горение становится невозможным. Соотношения масс элементов, вступающих в реакцию горения, при которых тепловыделение максимально, называют стехиометрическими:

, 12 кг + 32 кг = 44 кг,

, 32 кг + 32 кг = 64 кг,

, 4 кг + 32 кг = 36 кг.

Из реакции горения углерода С следует, что для полного сгорания 1 кг С необ­ходимо затратить 32/12 = 2,67 кг О₂ и при этом образуется 44/12 = 3,67 кг угле­кислого газа СО₂. Для аналогичных реакций окисления Н₂ и S требуется 8 кг (5,55 м³) O₂ и при этом образуется 11,1 м³ водяных паров, а для сжигания 1 кг S расходуется примерно 1кг (0,7 м³) О₂ и получается 0,7 м³ SO₂. Следовательно, теоретически необ­ходимое количество кислорода [кг/кг] с учетом его содержания в топливе для полного сжигания 1кг рабочей массы топлива:

. (3.7)

Так как содержание кислорода в воздухе составляет ≈ 21% по объему, то теоретически необходимое количество воздуха, м³, на 1 кг твердого или жидкого топлива:

. (3.8)

При рассмотрении горения газообразного топлива объемы воздуха и продукты сгорания относят к 1 м³ газа. Теоретически необходимое количество воздуха V^o на 1 м³ газового топлива:

. (3.9)

В реальных условиях горения газообразного топлива требуется больший объем воздуха V_B > V^o. Отношение а_B = Vв/V^o называют коэффициентом избытка воздуха. При сжигании твердых видов топлива а_B = 1,15÷1,25, а для газообразных: а_B = 1,02÷1,1.

Ядерное топливо

Доля используемой ядерной энергии в мировом энергетическом балансе составляет 6,5 %. Ядерное топливо (ЯТ) выделяет теплоту в результате ядерных преобразований: деления тяжелых ядер или синтеза легких ядер.

Ядерное деление

Цепная ядерная реакция представляет собой деление ядра на две части (осколки деления) с одновременным выделением 2-3 нейтронов, вызывающих деление следующих ядер. Осколки деления обладают большой кинетической энергией. Торможение осколков деления в веществе сопровождается выделением большого количества тепла. Осколки деления и продукты их радиоактивного распада называют продуктами деления, а вещества, претерпевающие деление, – ядерным топливом. В табл.3.2 приведено распределение энергии деления ядра ²³⁵U между различными продуктами деления (1 эВ=1,6×10^-19 Дж).

Таблица 3.2

Распределение энергии деления ядра ²³⁵U

Продукты деления ядра 235U	Энергия деления, МэВ
Кинетическая энергия осколков деления
Кинетическая энергия нейтронов деления
Энергия γ-излучения, сопровождающего захват нейтронов
Энергия γ-излучения продуктов деления
Энергия β-излучения продуктов деления
Энергия, уносимая нейтрино
Полная энергия деления	~200

В природе встречаются два изотопа урана: ²³⁵U и ²³⁸U. Запасы ²³⁸U составляют 99,3 % от общих запасов урана, а ²³⁵U – 0,7%. Ядро ²³⁵U неустойчиво и делится при попадании в него нейтронов любых энергий. Ядро ²³⁸U устойчиво и делится только при попадании быстрых нейтронов, но вызвать цепную реакцию ²³⁸U невозможно. Единственный встречающийся в природе делящийся изотоп ²³⁵U относится к невозобновляемым ЭР.

Классификация. По происхождению ЯТ делится на два вида: 1) природное урановое (ядра ²³⁵U, сырьё ²³⁸U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний ²³⁹Pu); 2) искусственное топливо (²³⁹Pu, изотопы ²³³U,образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория ²³²Th).

По химическому составу различают ЯТ: 1) металлическое; 2) оксидное (UO₂); 3) карбидное (PuC_x); 5) нитридное; 6) смешанное (PuO₂ + UO₂).

Большинство неорганических соединений урана растворимо в воде, поэтому уран в низких концентрациях широко распространен по всему земному шару. В большей части гранитов и сланцев его концентрация колеблется в пределах 10^-5 ÷ 10^-4 %. Концентрированная руда (уранит, карнотит, давидит и конгломераты) встречается во многих районах земного шара (Канаде, Южной Америке, США, Южной Африке и др.).

На рис.3.6 показаны производства ядерного топливного цикла.

Рис.3.6. Производства ядерного топливного цикла

Добыча урановой руды в зависимости от глубины залегания пластов осуществляется шахтным или карьерным способом.

Переработка заключается в отделении полезных минералов от пустой породы и получении химических концентратов урана путем измельчения исходной руды, выщелачивания (перевод урана из руды в раствор).

На стадии аффинажа завершается очистка соединений урана от примесей и элементов, обладающих большим сечением захвата нейтронов (гафний, бор и т.д.).

Обогащение урана. Современная ядерная энергетика с реакторами на тепловых нейтронах базируется на слабообогащенном (2 – 5%) урановом топливе. В реакторе на быстрых нейтронах используется уран с содержанием ²³⁵U до 93%. Следовательно, прежде чем изготавливать топливо, природный уран, содержащий только 0,72% ²³⁵U, необходимо обогатить – разделить изотопы ²³⁵U и ²³⁸U. Используются физические методы разделения изотопов.

Изготовление топлива.Обогащенный уран служит исходным сырьем для изготовления ЯТ. Конструкционной основой ЯТ в реакторе является тепловыделяющий элемент (твэл), состоящий из топлива в виде спеченных таблеток и трубчатой оболочки. Твэлы объединяют в тепловыделяющие сборки (ТВС).

Изотоп ²³⁸U может быть преобразован в элемент, поддерживающий цепную реакцию:

.(3.10)

Ядра ²³⁸U поглощают быстрые нейтроны, обладающие большой энергией. В образующихся ядрах ²³⁹U начинается b - распад, имеющий период полураспада 23,5 мин, после чего получается элемент нептуний ²³⁹Np. Этот изотоп распадается, испуская b - частицы, и превращается в плутоний ²³⁹Pu. Период полураспада равен 2,35 сут. Процесс (3.10) представляет собой расширенное воспроизводство ЯТ. ²³⁹Pu в большей степени, чем ²³⁵U подвержен реакции деления: за одно деление у него образуется в среднем большее число нейтронов.

Хранение отработавшего топлива. Выгоревшие твэлы, извлеченные из реактора, содержат высокоактивные изотопы. Их направляют в бассейн выдержки (хранилище), имеющийся при АЭС. Там твэлы проводят от 3 до 10 лет, пока не распадутся на короткоживущие нуклиды. После этого активность отработавшего ЯТ определяется продуктами деления (ПД) с большим временем распада. Среди них: ⁹⁰Sr (период полураспада Т=29,2 года), ⁸⁵Kr (10,8 года), ⁹⁹Tc (213тыс. лет) и ¹³⁷Cs (28,6 года). Кроме долгоживущих ПД, остаются трансурановые элементы (актиноиды): Np, Pu, Am, Cm. Они радиоактивны, с большими периодами полураспада (десятки и сотни тысяч лет).

Термоядерный синтез

Наиболее часто встречающимся в природе элементом является водород. Огромное его количество содержится в воде. Существуют и изотопы водорода: ¹Н, ²H, ³Н. Ядро ¹Н представляет собой протон. Дейтерий ²H устойчив и встречается в природе в количестве ≈ 0,015% количества изотопа ¹H. Тритий ³H неустойчив и имеет период полураспада 12,26 лет. Его легко получить в ходе различных ядерных реакций. Эти изотопы могут воспроизводить ядерные реакции, при которых суммарная масса конечных продуктов меньше, чем суммарная масса веществ, вступивших в реакцию. Разница в массах составляет кинетическую энергию продуктов реакции синтеза:

МэВ; МэВ.

Ядерная реакция, при которой, по крайней мере, одно из образующихся ядер имеет массу, большую, чем масса любого из первоначальных ядер, называется реакцией термоядерного синтеза. Энергия, содержащаяся в 1 км³ морской воды, эквивалентна энергии, запасенной в 180 млн т сырой нефти. Суммарный объем океанской воды, по оценке специалистов, равен примерно 1,5×10⁹ км³. Термоядерный синтез – экологически чистый и неограниченный источник энергии, однако является проблемой поддержание реакции синтеза в течение продолжительного периода времени в замкнутом пространстве, из которого можно было бы отводить теплоту для производства пара.

Геофизическая энергия

К геофизической энергии относят энергию солнца, воды, ветра и геотермальную энергию. Эти энергоресурсы являются возобновляемыми, экологически чистыми и дешевыми, однако широко используется только гидроэнергия.

Солнечная энергия

Солнце - неисчерпаемый дешевый и возобновляемый источник энергии, не загрязняющий окружающую среду. Рассеиваемая в течение года энергия Солнца оценивается в 3,48·10³⁰ кВт·ч. На поверхность Земли приходит в течение года 7,5·10¹⁷ кВт·ч, что намного превосходит все возможные суммарные расходы энергии на нужды человечества. Она запасена в виде химической энергии органического топлива и превращается в кинетическую энергию движения воды в реках и ветра. Поток солнечного излучения представлен всем спектром электромагнитных волн, но основная масса приходится на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную части спектра. Энергетическая освещенность земной атмосферы составляет примерно 1,4 кВт/м², а поверхности Земли - около 1 Вт/м².

В настоящее время используется лишь малая часть солнечной энергии, поскольку существующие преобразователи имеют низкий коэффициент полезного действия и дороги в производстве.

Гидроэнергия

Гидравлическая энергия – одна из форм солнечной энергии: под лучами солнца испаряется вода из озер, рек и морей. Образуются тучи, идет дождь, и вода, в конце концов, возвращается в водные бассейны. С таким круговоротом воды в природе связаны колоссальные количества энергии.

Гидроэнергетические ресурсы на Земле оцениваются величиной в 32900 ТВт×ч в год, но около 25% по техническим и экономическим условиям оказываются пригодными для использования.

Общий гидропотенциал рек России исчисляется в 4000 млн МВт∙ч. К числу крупнейших рек относят Енисей – среднемноголетний сток 623 км³; Лена – 508; Обь – 397; Амур – 373, Волга – 251, Печора – 131.

В последнее время значительный интерес проявляется к использованию энергии приливов и отливов. Периодические повышения и понижения уровня моря при приливах и отливах определяются силами притяжения Земля – Луна – Солнце и центробежными силами. Со строгой закономерностью, в одних местах каждые 12 ч 25 мин, а в других через 24 ч 50 мин волна океанского прилива наступает на берег. Вызванный взаимодействием космических сил системы Земля–Луна–Солнце прилив плавно поднимает уровень моря у берега. Наивысший прилив (19 м) наблюдается на берегах залива Фанди (Канада). У берегов РФ высокие приливы наблюдаются в Пенжинском (до 13,4 м), Тугурском и Мезенском (до 10 м) заливах в Охотском и Белом морях. На Мурманском побережье прилив достигает 7,2 м. Мировой энергопотенциал морского прилива оценивается в 1000 ГВт, что в 2,5 раза больше, чем мощность всех существующих ГЭС на планете.

Энергия ветра

Энергия ветра также является одной из форм солнечной энергии: ветер возникает на Земле при неравномерном нагреве ее поверхности Солнцем. На циркуляцию воздушных масс влияет и вращение Земли.

По оценке Всемирной метеорологической организации потенциал энергии ветра в мире составляет 170÷200 тыс. ТВт·ч в год, причем развиваемая им мощность достигает (20÷25)×10⁶ МВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Однако реально можно полезно использовать только 5% энергии ветра.

В России наиболее перспективные зоны для использования ветровой энергии находятся на прибрежной полосе шириной 50÷100 км вдоль морей Северного Ледовитого океана, в отдельных прибрежных районах Дальнего Востока, в районах Балтийского, Черного и Каспийского морей. В этих районах среднегодовая скорость ветра равна 5÷6 м/с и более. По расчетам, с 1 км² поверхности земли в северных районах может быть получена мощность 1500-5000 кВт в зависимости от скорости ветра.

Геотермальная энергия

На основе геофизических исследований установлено, что температура земной коры возрастает на 1 °С при увеличении глубины на 30÷40 метров. Таким образом, на глубине 3÷5 км температура породы составляет 100÷200°С, а на глубине 10÷15 км – 1000÷1500 °С. Источником геотермальной энергии является горячая магма, которая проникает из недр Земли и подходит близко к ее поверхности. Источники глубинной теплоты расположены, как правило, вблизи районов геологической активности. Геотермальные месторождения разделяются на следующие виды:

1) гидротермальные системы (парогидротермы), залегающие на глубине до 3 км (с преобладанием пара или горячей воды);

2) системы аномально высокого давления (на глубине до 10 км);

3) сухие горячие горные породы (на глубине до 10 км).

В настоящее время широкое применение находят месторождения первого типа. Геотермальная вода с t = 100÷200^oС извлекается из скважин глубиной 2÷5 км, и каждая из скважин способна обеспечить электрическую мощность 4÷8 МВт с площади геотермального месторождения около 1 км².

Мировые запасы геотермальной энергии оцениваются в размере 4·10²²Дж.

В РФ источники геотермальной энергии имеются на Кавказе, Камчатке, острове Кунашир, Сахалине и в ряде мест Забайкалья.

Основы теплотехники

На рис.3.7 показаны основные стадии преобразования энергии органического и ядерного топлива в электрическую энергию, присутствующие в различных типах энергетических установок.

Рис.3.7. Стадии преобразования энергии топлива:

1 - химическая энергия топлива; 2 - ядерная энергия топлива; 3 -внутренняя энергия рабочего тела; 4 - кинетическая энергия; 5 -электрическая энергия; СТ - сжигание топлива; РЯТ - распад ядерного топлива; Р - расширение рабочего тела; ВРТ - вращение ротора турбогенератора

Закономерности преобразования энергии – предмет термодинамики. В основе расчета и проектирования паровых и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, паровых котлов, теплообменников лежит ее раздел – техническая термодинамика.