СРАВНЕНИЕ УГЛЯ И ГАЗА В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ. - Студенческий научный форум

V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

СРАВНЕНИЕ УГЛЯ И ГАЗА В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ.

Курлов Д.О. 1
1Национальный исследовательский Томский Политехнический Университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Содержание.

I. Уголь.

1) Уголь.

2) Образование угля.3) Виды угля.4) Химический состав.5) Мировые запасы угля.6) Добыча угля.7) Добыча угля в России.

8) Уголь в качестве источника энергии.9) Вывод.

II. Природный газ.

1) Природный газ.

2) Химический состав.

3) Физические свойства.

4) Мировые запасы природного газа.

5) Добыча газа.

6) Газовая отрасль в России.

7) Природный газ в качестве источника энергии.

8) Вывод.

III. Сравнение угля и природного газа в качестве источника энергии.

1) Энергетический фактор.

2) Экономический фактор.3) Экологический фактор.

IV. Вывод.

Список использованных ресурсов.

I. Уголь.

1) Уголь. Уголь — вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива.

2) Образование угля. Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода (примерно 400 млн лет назад), накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах, где стоячая вода, обеднённая кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой стадии процесса выделяемые в ходе него кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф — исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в угол. Под давлением наслоений осадков толщиной в 1 километр из 20-метрового слоя торфа получается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра. На большей глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра. В результатах движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счёт эрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности. Образование наиболее мощных угольных пластов связано с областями земной коры, которые на протяжении значительного времени — в течение миллионов лет — подвергались постепенному тектоническому опусканию со скоростью накопления торфа на поверхности.

3) Виды угля. Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля — растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа: бурые угли (лигниты), каменные угли, антрациты и графиты.

Антрацит — самый глубоко прогревавшийся при своем возникновении из ископаемых углей уголь. Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800—8350 ккал/кг). Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.

Каменный уголь — осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений. По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Содержание углерода в каменном угле составляет от 75 % до 95 %. Содержит до 12 % влаги (3-4 % внутренней), поэтому имеет более высокую теплоту сгорания по сравнению с бурым углем. Содержит до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняется. Образуется из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.

Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65—70 % углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра. В качестве источника энергии в мире больше всего используется каменный уголь. 4) Химический состав.C – 70%-95%;H – 3%-7%;O – 4%-20%;N – 1%-25%;содержит до 30% золы. 5) Добыча угля. Способы добычи угля зависят от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при всё большем углублении угольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторождения подземным способом. Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. В угленосных отложениях наряду с углем содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырье для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Например, некоторые угли обогащены германием.

6) Мировые запасы угля. Общие мировые извлекаемые запасы угля составляют 908 млрд т, которых хватит на 190 лет при современном уровне потребления угля.Первые 10 стран по разведанным запасам угля.

Страна

Ресурсы, млрд. т

Страна

Ресурсы, млрд. т

США

445

ФРГ

106

Китай

296

Украина

47

Россия

202

Великобритания

45

ЮАР

116

Индия

78

Австралия

116

Казахстан

34

7) Добыча угля в России. Россия располагает разнообразными типами углей — бурыми, каменными, антрацитами — и по запасам занимает одно из ведущих мест в мире. Распределение углей по территории страны крайне неравномерно.95% запасов приходится на восточныерегионы, из них более 60% — на Сибирь. Основная часть общегеологических запасов угля сосредоточена в Тунгусском и Ленском бассейнах. По промышленным запасам угля выделяются Канско-Ачинский и Кузнецкий бассейны.По объемам добычи угля Россия занимает пятое место в мире (после Китая, США, Индии и Австралии), 3/4 добываемого угля используется для производства энергии и тепла, 1/4 — в металлургии и химической промышленности. На экспорт идет небольшая часть, в основном в Японию и Республику Корея.Открытая добыча угля в России составляет 2/3 общего объема. Этот способ добычи считается наиболее производительным и дешевым. Однако при этом не учитываются связанные с ним сильные нарушения природы — создание глубоких карьеров и обширных отвалов вскрышных пород. Шахтная добыча дороже и отличается высокой аварийностью, что во многом определяется изношенностью горного оборудования (40% его устарело и требует срочной модернизации).

8) Уголь в качестве источника энергии.

Энергетический фактор. В среднем, сжигание одного килограмма этого вида топлива приводит к выделению 2,93 кг CO2 и позволяет получить 23-27 МДж (6,4-7,5 кВт*ч) энергии или, при КПД 30 % — 2,0 кВт·ч электричества.Реакция горения угля: C+O2=CO2.Тепловой эффект р-ции ⌂H0r=-393,51 кДж.

Экономический фактор.Средняя стоимость тонны угля в 2012 году составила $119 (3570-3689 рублей).

Экологический фактор.Основная трудность использования угля состоит в высоком уровне выбросов от сжигания угля — газообразных и твёрдых (зола). Выходом из ситуации является использование различных фильтров (например, электрофильтров) в газоходах котлов. Зола, получаемая от сжигания угля, в ряде случаев может быть использована в строительной индустрии. Ещё в СССР были разработаны ГОСТы, предусматривающие добавку золы в шлакопортландцементы. Экологические проблемы добычи, переработки и использовании угля являются принципиальным рубежом, который придется преодолеть, если угольная промышленность и угледобывающие регионы хотят выдержать конкуренцию с газом. Уже при достигнутом уровне угледобычи, концентрации угольных предприятий, их влияние на окружающую среду, на поверхности и в недрах чрезмерно велико. А перевозка угля на дальние расстояния, сжигание, выбросы в атмосферу — масштабные процессы, происходящие и распространяющиеся далеко за пределами угледобывающих регионов. Нарушение поверхности без последующей рекультивации почв, расположение мест складирования твердых и жидких отходов, гибель сотен водных источников, малых рек, нарушение гидрологического и гидрохимических режимов подземных вод вызывает серьезнейшие последствия для природы, жизни и здоровья людей. В этой связи лицензирование малых участков для строительства карликовых разрезов и шахт может нанести непоправимый вред как природе, так и современному уровню технологий добычи угля

9) Вывод. Большие запасы, небольшая стоимость, энергетическая привлекательность - все это делает уголь очень хорошим источником энергии. Но при этом существует серьезные проблемы связанные с экологией угледобычи.

II. Природный газ.

1) Природный газ.

Природный газ — смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ относится к полезным ископаемым. В пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

2) Химический состав. Основную часть природного газа составляет метан (CH4) — от 92 до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды — гомологи метан:

  • этан (C2H6);

  • пропан (C3H8);

  • бутан (C4H10);

а также другие неуглеводородные вещества:

  • водород (H2);

  • сероводород (H2S);

  • диоксид углерода (СО2);

  • азот (N2);

  • гелий (Не).

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц) (т. н. одорантов). Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан (16г на 1000 куб.м.природного газа). Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают, охлаждая при повышенном давлении.

3) Физические свойства.Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано другое):

  • Плотность:

    • от 0,68 до 0,85 кг/м³ относительно воздуха (сухой газообразный);

    • 400 кг/м³ (жидкий);

  • Температура самовозгорания: 650 °C;

  • Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом от 5 % до 15 % объёмных;

  • Удельная теплота сгорания: 28—46 МДж/м³ (6,7—11,0 Мкал/м³);

  • Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120—130.

  • Легче воздуха в 1,8 раз, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

Свойство газа находиться в твердом состоянии в земной коре. В науке долгое время считалось, что скопления углеводородов с молекулярным весом более 60 пребывают вземной корев жидком состоянии, а более легкие — в газообразном. Однако российские ученые А. А. Трофим4ук, Н. В. Черский, Ф. А. Требин, Ю. Ф. Макогон, В. Г. Васильев обнаружили свойство природного газа в определенных термодинамических условиях переходить в земной коре в твердое состояние и образовыватьгазогидратные залежи. Это явление было признано как научное открытие и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 75 с приоритетом от 1961 г. Газ переходит в твердое состояние в земной коре, соединяясь с пластовой водой при гидростатических давлениях (до 250 атм) и сравнительно низких температурах (до 295°К). Газогидратные залежи обладают несравненно более высокой концентрацией газа в единице объема пористой среды, чем в обычных газовых месторождениях, так как один объем воды при переходе ее в гидратное состояние связывает до 220 объемов газа. Зоны размещения газогидратных залежей сосредоточены главным образом в районах распространения многолетнемерзлых пород, а также под дном Мирового океана. Газовые гидраты рассматриваются как потенциальный источник топлива. По различным оценкам, запасы углеводородов в гидратах составляют от 1.8·1014 до 7.6·1018 м³. Кристаллогидраты обладают высоким электрическим сопротивлением, хорошо проводят звук, и практически непроницаемы для свободных молекул воды и газа.

4) Мировые запасы природного газа. Мировые запасы природного газа составляют более 208,4 триллиона кубических метров, и их должно хватить более чем на 63 года.

5) Добыча газа. Природный газ находится в земле на глубине от 1000 метров до нескольких километров. Сверхглубокой скважиной недалеко от города Новый Уренгой получен приток газа с глубины более 6000 метров. В недрах газ находится в микроскопических пустотах (порах). Поры соединены между собой микроскопическими каналами — трещинами, по этим каналам газ поступает из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением до тех пор, пока не окажется в скважине. Газ добывают из недр земли с помощью скважин. Скважины стараются разместить равномерно по всей территории месторождения. Это делается для равномерного падения пластового давления в залежи. Иначе возможны перетоки газа между областями месторождения, а также преждевременное обводнение залежи. Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное. Таким образом, движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора. В 2005 году в России объём добычи природного газа составил 548 млрд м³. Внутренним потребителям было поставлено 307 млрд м³ через 220 региональных газораспределительных организаций. На территории России расположено 24 хранилища природного газа. Протяжённость магистральных газопроводов России составляет 155 тыс. км. В 2009 году США впервые обогнали Россию не только по объему добытого газа (624 млрд м³ против 582,3 млрд м³), но и по объему добычи товарного газа, то есть идущего на продажу контрагентам. Это объясняется ростом добычи сланцевого газа. В 2010 году Россия вернула себе лидерство в объемах добываемого газа, нарастив добычу до 647 млрд м³. США же, напротив, снизили добычу до 619 млрд м³. В 2011 году, согласно данным ЦДУ ТЭК РФ, добыча газа в России составила 670,5 млрд м³.

6) Газовая отрасль в России. Газовая промышленность – крупнейший элемент российской экономики и мировой системы энергообеспечения. Россия занимает первое место в мире по добыче, запасам и ресурсам газа, обеспечивает свыше 21% его мирового производства (табл. 1, рис. 1) и около 25% всех международных поставок. В 2010 г. валовая добыча природного и попутного нефтяного газа в России возросла до 665,5 млрд м3, из них эффективный объем, включая товарный газ, технологические нужды и закачку в пласт, составил около 650 млрд м3, сожжено в факелах – почти 16 млрд м3.

На протяжении двух последних десятилетий происходит устойчивое сокращение доли России в мировой добыче газа, что указывает на более медленное развитие российской газовой отрасли, чем в других газодобывающих странах (рис. 3). Такая ситуация не соответствует ни ресурсным, ни технологическим, ни производственным возможностям российского газового комплекса.

7) Природный газ в качестве источника энергии.

Энергетический фактор. Сжигание одного кубометра природного газа дает около 30 МДж.Реакции горения основных частей природного газа.СН4+2О2=СО2+2Н2О (метан), ⌂H0r =-802,3 кДж.

2C2H6 +7O2 = 4CO2 + 6H2O (этан), ⌂H0r=-2856,94 кДж

C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O (пропан), ⌂H0r=-2043,96 кДж.

2C4H10 + 13O2 = 8CO2 + 10H2O (бутан), ⌂H0r=-5311,88 кДж.

Экономический фактор. Цена за 1000 метров кубический природного газа составляет порядка $400 (12000-12400 рублей).

Экологический фактор. В процессе освоения нефтяных и газовых месторождений наиболее активное воздействие на природную среду осуществляется в пределах территорий самих месторождений, трасс линейных сооружений (в первую очередь магистральных трубопроводов), в ближайших населенных пунктах (городах, поселках). При этом происходит нарушение растительного, почвенного и снежного покровов, поверхностного стока, срезка микрорельефа. Предприятия по добыче и переработке газа загрязняют атмосферу углеводородами, главным образом в период разведки месторождений (при бурении скважин). Иногда эти предприятия, несмотря на то, что газ экологически чистое топливо, загрязняют открытые водоемы, а также почву. Природный газ отдельных месторождений может содержать весьма токсичные вещества, что требует соответствующего учета при разведочных работах, эксплуатации скважин и линейных сооружений. Так, в частности, содержание сернистых соединений в газе нижней Волги настолько велико, что стоимость серы как товарного продукта, получаемого из газа, окупает затраты на его очистку. Это является примером очевидной экономической эффективности реализации природоохранной технологии. Тем не менее, в экологическом отношении природный газ является самым чистым видом органического топлива. При его сгорании образуется значительно меньшее количество вредных веществ, чем при сгорании других видов топлива.

8) Вывод.Природный газ - это достаточно дорогой вид источника энергии, но имеет хорошую энергоемкость. Экологические проблемы, в основном, связаны не с газом, в с сопутствующими его добыче процессами.

III. Сравнение угля и природного газа в качестве источника энергии.

1) Энергетический фактор. По сравнению с углем, энергоемкость которого равна 23-27 МДж (6,4-7,5 кВт*ч) при сжигании 1м3 (750-800 кг), природный газ является более выгодным источником энергии, т.к. его энергоемкость выше (30 МДж при сжигании 1м3 (0,09 кг)).

2) Экономический фактор. Цена на природный газ ($400 (12000-12400 рублей) за 1000 м3) выше, чем цена на уголь ($119 (3570-3689 рублей) за тонну).

3) Экологический фактор. И угольная, и газовая отрасли являются экологически проблемными. Но если проблема газовой отрасли состоит больше в сопутствующих его добыче процессах (трубопроводы, бурение, застройка месторождений и т.д.), то проблема угольной отрасли заключается еще в самом угле, при сгорании которого, происходят обильные выбросы вредных газообразных (CO2) и твердых (золы) веществ.

IV. Вывод.

Сравнение показало, что в энергетическом и экологическом плане природный газ является более выгодным источником энергии, но экономически более выгоден уголь. Выгода нашей страны заключается в том, что мы обладаем большими запасами обоих ресурсов. Соответственно, в экономическом и энергетическом плане мы можем выбрать любой из данных источников энергии. Но, так как уголь более экологически вреден, а проблемы глобального потепления и загрязнения атмосферы никуда не делись, сейчас выгоднее использовать природный газ, который меньше вредит окружающий среде. Возможно, к окончанию его запасов будут изобретены более качественные методы очистки выбросов при использовании угля, чтобы обеспечить наименьший урон атмосфере.

Список использованных ресурсов.

1) Свободная энциклопедия "Википедия".

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%83%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D1%8C

2) "Большая советская энциклопедия".

http://bse.sci-lib.com/article058219.html

3) "www.Grandars.ru".

http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/ugolnaya-promyshlennost.html

4) "TradeDir.ru".

http://search.tradedir.ru/?page=0&act=search&site=1&q=%F6%E5%ED%E0%201%20%F2%EE%ED%ED%FB%20%20%EA%E0%EC%E5%ED%ED%EE%E3%EE%20%F3%E3%EB%FF%20%ED%E0%20%EC%E8%F0%EE%E2%EE%EC%20%F0%FB%ED%EA%E5

5) "Novostimire.com".

http://rss.novostimira.com/n_2813298.html

6) "Специализированный журнал "Бурение&Нефть".

http://burneft.ru/archive/issues/2011-10/1

Просмотров работы: 20293