Прикладная химия - Раушан Ашкеева

К энергии, непосредственно не связанной с солнечной радиацией, относят тепловую энергию земных недр; энергию океанических и морских приливов; тепловую энергию, получаемую при сжигании биологических (древесина) и геохимических (торф, уголь, газ, нефть) «аккумуляторов солнечной энергии», электроэнергию, атомную энергию и энергию некоторых химических процессов (например, энергия взрыва, используемую в горном производстве).

Все способы получения энергии по характеру используемых ресурсов делятся на две группы. К первой группе относятся способы, использующие невозобновляемые источники энергии (горючие ископаемые, ядерное топливо). Во вторую группу входят способы, основанные на применении возобновляемых энергоресурсов (солнечной радиации, энергии ветра, воды).

Большинство промышленно развитых стран до 90 % своего энергопроизводства обеспечивают за счет гидроресурсов, полезных ископаемых и ядерного топлива. Следовательно, энергетика опирается на невозобновляемые ресурсы, то есть рано или поздно появится угроза истощения запасов. Поэтому возникает вопрос о поисках новых, более эффективных путей обеспечения человечества энергией, не связанных с исчерпаемыми ресурсами. Экоэнергетика – это наука о последствиях воздействия современных способов получения, хранения, передачи и использования энергии на окружающую среду, а также о возможных путях развития энергетики в направлении экологически чистых, эффективных способов получения, хранения, передачи и использования энергии.

ТОПЛИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Основными потребителями энергоресурсов являются промышленность, энергетика и транспорт. Энерговооруженность общества растет в основном за счет роста производства электроэнергии. Главный недостаток электроэнергии в том, что, несмотря на чистоту ее конечного потребления, использование первичных энергоресурсов для ее выработки неблагоприятно сказывается на окружающей среде. Известно много способов ее получения, но основной остается реакция горения. Наибольшее количество электроэнергии (около 70 %) вырабатывается при сжигании угля, нефти и природного газа, которые называют ископаемым топливом. Хотя эти ископаемые и образовались в результате биологических процессов (за счет растительных и животных остатков, в результате дегазации глубоких недр Земли), всякое пополнение их запасов по мере использования исключено по двум причинам:

• условия на Земле изменились так, что значительного накопления органического вещества уже не происходит;

• человечество потребляет горючие ископаемые со скоростью, намного превышающей необходимую для их образования.

Таким образом, запасы ископаемого топлива ограничены. Многие страны уже испытывают «энергетический кризис».

Состав топлива можно представить следующей обобщенной формулой:

где соответствующими символами обозначены углерод, водород, кислород, азот и сера; W – содержание влаги; Z – содержание золы. Количественное соотношение элементов в топливе различно и зависит не только от типа, но и от места его залегания. Но в любом случае основная доля (в среднем до 80 %) приходится на углерод. Поэтому именно этот компонент определяет теплотворную способность топлива: С + О2 → СО2 + 393,5 кДж/моль. Основным продуктом горения топлива является углекислый газ СО2, огромные количества которого выбрасываются в атмосферу заводами, теплоэлектростанциями (ТЭС), транспортом. Последствием этого является «парниковый эффект».

Реакция сгорания топлива требует значительных затрат кислорода. При недостатке кислорода О2 не достигается основная задача – получение тепла, так как становится возможным эндотермический процесс: С + СО2 → 2СО – 410 кДж/моль или процесс с выделением намного меньшего количества теплоты, чем в случае образования углекислого газа СО2:

С + 1/2О2 → СО + 110,5 кДж/моль. Параллельно образуется очень ядовитый угарный газ СО.

Опираясь на обобщенную формулу топлива, можно перечислить другие химические процессы, протекающие при его сгорании. Так, одной из самых вредных примесей в топливе является сера. В процессе сжигания топлива она выделяется в виде диоксида серы: S + О2 → SО2 + 296,9 кдж/моль. Известно, что диоксид серы SО2 – один из источников «кислотных осадков». Кроме этого сера можно выделяться и в виде серосодержащих соединений, обладающих высокой токсичностью и коррозионным воздействием.

В значительных количествах содержится в топливах и азот. Высокие температуры способствуют образованию оксидов азота – NOx:

N2 + O2 ↔ 2NO – Q (эндо); 2NO + O2 ↔ 2NO2 + Q (экзо).

NOx – компоненты «кислотных осадков» и разрушители озонового слоя.

На ТЭС топливо сжигается в топках паровых котлов, где его химическая энергия превращается в тепловую энергию пара. В паровой турбине энергия пара переходит в механическую, которая в турбогенераторе превращается в электрическую. Уголь перемалывается в угольную пыль и непрерывно подается в топки котлов; туда же в больших количествах непрерывно поступает вода, к чистоте которой предъявляются высокие требования. Пар, отработавший в паровых турбинах, охлаждаясь, превращается в воду и затем снова направляется в котлы. При этом происходит тепловое загрязнение водоема – охладителя. Кроме оксидов углерода, серы и азота при работе ТЭС в атмосферу выбрасывается огромная масса золы, пыли и дыма, содержащих до 25 элементов, в том числе тяжелых металлов. В последние годы было обнаружено, что радиационное загрязнение вокруг тепловой станции, работающей на угле, в среднем в 100 раз выше фона естественной радиации. Это связано с тем, что обычный уголь всегда содержит микропримеси урана-238, тория-232. Все это поступает в окружающую среду.

Каждый вид топлива имеет свои преимущества и недостатки.

Уголь: в зависимости от относительного содержания элементов различают бурые, каменные угли и антрациты. При переходе от бурых углей к антрацитам увеличивается доля углерода (от 65 % до 90 %) и соответственно снижается доля водорода и кислорода. Органическая масса углей включает в себя битумы (жидкие или твердые смеси и их кислородные, сернистые и азотистые производные), гуминовые кислоты (высокомолекулярные соединения с фенолгидроксильными, карбоксильными, аминогруппами) и остаточный уголь (полуароматические соединения). Теплотворная способность бурого угля – 12000 кДж/кг, каменного угля – 19000 кДж/кг, антрацита – 29000 кДж/кг. Добывают уголь открытым и подземным способами. При подземной добыче не менее половины угля приходится оставлять на месте во избежание обвала шахты. При открытой разработке почва и горные породы над угольным пластом вскрываются гигантскими экскаваторами. При этом полностью уничтожаются наземные экосистемы. Хотя остающиеся карьеры и их отвалы можно рекультивировать, то есть разровнять, удобрить грунт и высадить на нем растения, прежде чем восстановиться экосистема пройдет много времени. Наиболее значительные экологические недостатки угля как топлива – загрязнения диоксидом серы SО2, а также наличие больших зольных остатков. Кроме этого, отходы от сжигания угля в следовых количествах содержат мышьяк, свинец, ртуть, а также ряд радиоактивных веществ.

Торф и сланцы: теплотворная способность торфа и сланцев топлива 24000 кДж/кг. Но высокая зольность этих видов топлива, даже по сравнению с углем, делает их применение неэффективным, экологически сложным (зола составляет от 30 до 60 %).

Нефть: человечеству нефть известна с древнейших времен. Точных данных, когда именно впервые была обнаружена нефть, нет, но первая промышленная скважина глубиной 23 м была пробурена в 1859 г. в штате Пенсильвания в США. С 1880 г. добыча нефти растет по экспоненте, и сейчас ее ежегодно извлекают из недр Земли свыше 3,2.1012 л. Это смесь углеводородов трех типов – алканов (СnH2n + 2), циклоалканов (СnH2n) и аренов (СnH2n – 6). Кроме этого, в нефти в наибольших количествах содержатся сера S – до 4 %, азот N – 1 % и немного меньше кислорода О. Эти добавочные элементы обычно входят в состав молекул углеводородов. В качестве микропримесей нефть содержит до 27 элементов (фосфор Р, ванадий V, марганец Mn, хром Cr, кобальт Co, бор B, магний Mg, никель Ni, железо Fe, алюминий A1 и другие). Всего в различных нефтях идентифицировано 805 индивидуальных химических соединений. Нефть – маслянистая жидкость от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она немного легче воды и практически в ней не растворяется. Так как нефть – смесь различных углеводородов, то у нее нет определенной температуры кипения. Основное различие между нефтью, добытой в различных географических районах, обусловлено не химическим составом, а содержанием отдельных компонентов, что и влияет на химические и физические свойства сырой нефти. Некоторые нефтепродукты почти бесцветны, другие имеют черную, янтарную или зеленую окраску. Некоторые нефтепродукты имеют приятный запах эфира, скипидара и камфары, а другие – очень неприятный запах, вызываемый присутствием серосодержащих компонентов. Биологические и химические свойства различных углеводородов существенно различаются. Поэтому при оценке влияния компонентов нефти на окружающую среду необходимо знать состав определенного нефтепродукта.