Sagorevanje
Uvod Problem energije uz vodu i hranu predstavlja jedan od ključnih problema čovečanstva Sve veće potrebe u energiji kao i promene koje se dešavaju na svetskom tržižtu energije i sve veći uticaj proizvodnje energije na životnu sredinu doprineli su da Energetika, Ekologija, Ekonomija i Efikasnost postanu jedinstveni problem čovečanstva Strateški ciljevi za 21. vek: Pristupačnost u smislu cena, Raspoloživost u smislu dovoljnih količina, Prihvatljivost u smislu očuvanja životne sredine
Uvod Povezanost energetike sa ostalim privrednim granama, podloga ukupnog razvoja svake zemlje Stalan rast potreba energije (rast broja stanovnika i rast životnog standarda) Broj stanovnika, milijarde 7 6 5 4 3 2 1 0 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Zemlje Centralne i Istočne Evrope Zemlje u razvoju Zemlje OECD Svet Globalna potrošnja primarne energije Povećanje stanovništva sveta po grupacijama zemalja u periodu 1960-2000.godina
Uvod Drvo Drveni ugalj (za potrebe topljenja metala) Ugalj (Kina 1000 godina pre nove ere, Stari Rim, Engleska XII vek) Pronalazak parne mašine 1760. godina-industrijska revolucija Osnovni izvor energije do polovine XX veka
Uvod Nafta Mesopotamija za potrebe osvetljenja pre 9000 godina Prva duboka bušotina 1859. godine u Pensilvaniji Patentiranje i razvoj SUS motora: 1877. Otto, 1897. Diesel
Uvod Prirodni gas Stara Persija za religiozne potrebe, Kina pre 2200 godina Prvi gasovod dužine 23 km 1884. godine, Pitsburg Električna energija najplemenitiji vid energije mogućnost proizvodnje korišćenjem svih izvora energije Pronalazak parnih i vodnih turbina veće snage u XIX veku omogućio značajan razvoj proizvodnje Nuklearna energija Razvoj započeo 1942. godine ostvarenjem kontrolisane fisije jezgra urana Eksperimentalna elektrana 1954.godine u blizini Moskve, a 1956.godine prva komercijalna elektrana u Velikoj Britaniji Akcident u elektrani Ostrvo tri milje 1979. godine Akcident u Černobilu 1986.godine
Uvod Obnovljivi izvori energije (OIE) Sunčeva energija, Biomasa, Drvo i drveni ugalj, Geotermalna energija, Energija plime i oseke, Energija morskih talasa, Termalni gradijent mora, Vučna energija životinja, Hidroenergija, Vetar.
Sagorevanje- osnovni pojmovi Pojam sagorevanja Proces transformacije hemijske energije goriva u toplotnu energiju u prisustvu kiseonika naziva se sagorevanje. Šta podrazumevamo pod gorivima? Materije koje se nalaze u prirodi a imaju sposobnost oksidacije u prisustvu kiseonika nazivaju se goriva Najvažnije karakteristike goriva su: HEMIJSKI SASTAV TOPLOTNA MOĆ TEMPERATURA SAGOREVANJA PONAŠANJE GORIVA U TOKU PROCESA SAGOREVANJA
Sagorevanje- osnovni pojmovi HEMIJSKI SASTAV GORIVA može biti prikazan u odnosu na RADNU MASU SUVU MASU SAGORLJIVU MASU Šta je radna masa? Šta je suva masa? Šta je sagorljiva masa?
Sagorevanje- osnovni pojmovi Šta je toplotna moć? Šta je gornja a šta donja toplotna moć? Gornja toplotna moć, [MJ/kg, kj/kg] Količina toplote koja se oslobodi pri potpunom sagorevanju jednog kg uglja, pri čemu su produkti sagorevanja ohlađeni na temperaturu na kojoj su pre početka sagorevanja bili ugalj i vazduh pri čemu je vodena para kondenzovala i nalazi se u tečnom stanju Količina toplote koja se oslobodi pri potpunom sagorevanju jednog kilograma uglja pri čemu su produkti sagorevanja ohlađeni do temperature koju na kojoj su bili gorivo i vazduh pre početka sagorevanja pri čemu je vodena para u parnom stanju Manja je od gornje toplotne moći za toplotu kondenzacije vode
GORIVA Najopštija podela goriva je podela na čvrsta, tečna i gasovita
Konvencionalni izvori energije-ugalj
Proces stvaranja Proces stvaranja ugljeva Pripremna faza ili faza humifikacije-akumulacija, izmena i transformacija organske materije u sapropel Faza ugljenifikacije (karbonizacije)-proces povećanja sadržaja ugljenika u organskoj materiji dijageneza i metamorfizam
dijageneza metamorfizam
Osnovne karakteristike uglja Hemijski sastav (maseni) c+h+o+n+s+p+ca+mg+fe+w+a=1 c-ugljenik, h-vodonik, o-kiseonik, n-azot, s-sumpor, p-fosfor, ca-kalcijum, mg-magnezijum, fe-gvožđe, w-vlaga, a-pepeo Gornja toplotna moć, [MJ/kg, kj/kg] Količina toplote koja se oslobodi pri potpunom sagorevanju jednog kg uglja, pri čemu su produkti sagorevanja ohlađeni na temperaturu na kojoj su pre početka sagorevanja bili ugalj i vazduh pri čemu je vodena para kondenzovala i nalazi se u tečnom stanju
Osnovne karakteristike uglja Donja toplotna moć, [MJ/kg, kj/kg] Količina toplote koja se oslobodi pri potpunom sagorevanju jednog kilograma uglja pri čemu su produkti sagorevanja ohlađeni do temperature koju na kojoj su bili gorivo i vazduh pre početka sagorevanja pri čemu je vodena para u parnom stanju Manja je od gornje toplotne moći za toplotu kondenzacije vode Količina isparljivih materija, Sadržaj pepela, Sadržaj ugljenika u suvoj materiji, Sadržaj vlage u radnoj materiji
Klasifikacija ugljeva Klasifikacija: prema poreklu, nastanku, nameni, starosti, itd Prema klasifikaciji Ekonomske komisije OUN za Evropu, gornja granica je gornja toplotna moć bez pepela od 23,87MJ/kg Kameni ugalj Hd>23,87MJ/kg Mrki ugalj 12,5MJ/kg<Hd<23,87MJ/kg Lignit Hd<12,5MJ/kg
Klasifikacija ugljeva Antracit Kameni ugalj Mrki Lignit
Klasifikacija uglja prema sadržaju isparljivih materija - Nemačka Volatiles % C Carbon % H Hydrogen % O Oxygen % S Sulfur % Lignit - Lignite 45-65 60-75 6.0-5.8 34-17 0.5-3 Flammkohle (Flame coal) Gasflammkohle (Gas flame coal) 40-45 75-82 6.0-5.8 >9.8 ~1 35-40 82-85 5.8-5.6 9.8-7.3 ~1 Gaskohle (Gas coal) 28-35 85-87.5 5.6-5.0 7.3-4.5 ~1 Fettkohle (Fat coal) 19-28 87.5-89.5 5.0-4.5 4.5-3.2 ~1 Esskohle (Forge coal) 14-19 89.5-90.5 4.5-4.0 3.2-2.8 ~1 Magerkohle (Non baking coal) 10-14 90.5-91.5 4.0-3.75 2.8-3.5 ~1 Anthrazit (Antracite) 7-12 >91.5 <3.75 <2.5 ~1
Konvencionalni izvori energije-nafta i prirodni gas
Poreklo Teorija o organskom poreklu (1757. Mikhail Lomonosov) Postanak od biljnih i životinjskih ostataka, masti i ugljenih hidrata pod dejstvom bakterija koje su živele u mirnim vodama Katalitičko delovanje sredine
Karakteristike Hemijski sastav Nafta predstavlja složenu smešu ugljovodonika sa primesama kiseonika, azota i sumpora. Može biti u gasovitom, tečnom ili čvrstom stanju u zavisnosti od temperature i pritiska u ležištu. Osobine nafte određuju elementarni i komponentalni sastav Elementarni sastav nafte Ugljenik 83-88% Vodonik 11-15% Sumpor 0,1-5% Azot 0,1-2,5% Kiseonik 0,1-3,5% Mineralne primese 0,1-1,2%
Karakteristike Komponentalni sastav nafte Najčešći sastojci su ugljovodonici parafinske, naftenske i aromatske serije. Podela na osnovu sastava: metanska, metansko-naftenska, naftenska, naftensko-metansko-aromatska, naftensko-aromatska. Podela na osnovu sadržaja sumpora: Slatka, Kisela,
Karakteristike Klasifikacija na osnovu specifične težine Lake nafte 0,7-0,8 (u odnosu na specifičnu težinu vode) Srednje teške nafte 0,80-0,90 Teške nafte 0,90-1 Laka nafta Teška nafta Kvalitativne osobine opredeljuju energetsku i petrohemijsku vrednost nafte (API, GOST, ISO)
Prirodni gas
Karakteristike Hemijski sastav Prirodni gas predstavlja smešu uglavnom ugljovodonika, koji su na ptitisku i temperaturi okoline uglavnom u gasovitom stanju, od kojih je najzastupljeniji metan, a zastupljeni su i etan, propan, butan i neki viši ugljovodonici. Pored ugljovodonika u prirodnom gasu se nalaze ugljendioksid, sumporvodonik, azot i helijum, koji predstavljaju balast. Tip ležišta određuje sastav gasa Podela na osnovu tipa ležišta: Gas iz gasnih ležišta, Gas iz gasno-kondenzatnih ležišta, Gas iz naftnih ležišta sa rastvorenim prirodnim gasom, Gas iz naftnih ležišta sa gasnom kapom
Karakteristike. Hemijski sastav gasa iz različitih tipova ležišta Komponente Suvi gas mol % Vlažni gas mol % Gas iz gasokondezatnih ležišta mol % metan 94,41 78,87 70,96 etan 1,44 6,61 8,21 propan 0,34 3,32 3,37 i-butan 0,07 0,71 0,76 n-butan 0,10 1,32 1,61 i-pentan 0,04 0,57 0,77 n-pentan 0,64 0,60 0,54 heksan 0,04 0,92 1,47 heptan i viši ugljovodonici 0,44 3,34 10,88 azot 0,30 1,79 0,88 ugljendioksid 2,78 1,94 0,53 sumporvodonik - 0,11 0,02 gasni faktor* 27600 2720 1140 *odnos proizvedenih m 3 gasa prema proizvedenim m 3 tečnosti
Karakteristike gasa Ilustracija sastava gasa koji ide u transportnu i distributivnu mrežu Komponenta mol % metan 94,59 etan 3,02 propan 0,44 butan 0,14 azot 1,00 ugljendioksid 0,81 100,00 Ostali pokazatelji kvaliteta isporuke: pritisak i temperatura gasa, tačka rosišta gasa na vodu, tačka rosišta na ugljovodonike, prisustvo čvrstih materija, prisustvo, sumpora i ugljendioksida, toplotna moć i Wobbe-ov broj
Karakteristike gasa Tačka rosišta- definiše temperaturu na kojoj će vodena para na datom pritisku početi da se izdvaja iz gasa u vidu tečne faze Dehidracija gasa-dozvoljen sadržaj vode je od 0,1-0,13kg/1000Nm 3 gasa Fizičke i termodinamičke karakteristike prirodnog gasa Gustina prirodnog gasa, Viskoznost prirodnog gasa, Kritična temperatura, pritisak i zapremina, Toplotna moć prirodnog gasa, Specifična toplota, Wobbe-ov broj
Prirodni gas ekološki prihvatljivo gorivo Kоефицијент емисије угљендиоксида различитих горива Гориво Емисија, kgco 2 /GJ Биомаса * 109,6 Тресет 106,0 Камени угаљ 101,2 Дизел 77,4 Сирова нафта 74,1 Керозин 73,3 Бензин 71,5 Течнинафтнигас 63,1 Природни гас 56,1 + * Неконтролисана сеча, без пошумљавања
Biomasa-obnovljiv izvor energije
Biomasa Biomasa predstavlja akumulisani vid Sunčeve energije Pod biomasom podrazumevaju se šume, šumsko rastinje, poljoprivredni i životinjski otpaci (u nekim klasifikacijama i gradski otpad) Drvo učestvuje sa 6-7% u ukupnoj energetskoj potrošnji U Evropi i Severnoj Americi 3% U Africi 33% Korišćenje Za dobijanje toplotne enrgije Za proizvodnju električne energije Za dobijanje goriva za transportna sredstva
Karakteristike biomase Obnovljivost Toplotna moć Drvo 8,2-18,7 MJ/kg Biljni otpaci 5,8-16,7MJ/kg CO 2 neutralnost
Korišćenje biomase Pod korišćenjem drvne biomase podrazumeva se korišćenje drveta, drvenog uglja i crnog luga (black liquor-nusproizvod pri proizvodnji celuloze) Drveni ugalj Crni lug
Načini prerade biomase Osnovni problem kod biomase je mala energetska vrednost po jedinici mase, pa se biomasa prerađuje kako bi se dobio pogodniji oblik za transpotrt i skaldištenje NAČINI PRERADE BIOMASE: Briketiranje Biohemijske transformacije Anaerobno truljenje-produkt je biogas Fermentacija-produkt je bioetanol Esterifikacija-produkt je biodizel Termohemijske transformacije: Sagorevanje Piroliza Gasifikacija
Nekonvencionalna goriva-uljni škriljci, bitumenozni peskovi, treset
Uljni škriljci Uljni škriljci i bitumenozni peskovi spadaju u nekonvencionalna fosilna goriva pa su zbog toga veoma malo istraženi. Uljni škriljci su rudni materijali sedimentno-organogenog karaktera sa različitim sadržajem organske materije koja je raspršena u porama u obliku mikroskopski sitnih čestica. Sadržaj organske materije kerogena je različit i kreće se od nekoliko litara do 600 litara po toni rude u najbogatijim ležištima Najveći zanačaj-mogućnost dobijanja tečnih goriva koja mogu zameniti derivate nafte
Ekstrakcija kerogena Za izdvajanje kerogena potrebno je dejstvo toplote, a mogu se koristiti i kao gorivo u industrijskim pećima i kotlovima Ekstrakcija kerogena može se vršiti: In situ- u samom nalazištu Ex situ- na površini zemlje Ekstrakcija ex situ: Eksploatacija mineralne sirovine površinskom ili podzemnom eksploatacijom Mlevenje Destilacija na oko 500 C Problem 0.885-0.9t/t otpadnog materijala Ekstrakcija in situ: Prisup sličan podzemnoj gasifikaciji uglja
Ekstrakcija kerogena
Proizvodnja Ex-situ In-situ pilot projekat
Bitumenozni peskovi Bitumenozni peskovi (naftni peskovi) predstavljaju smešu peska, mineralnih materija, vode i bitumena U literaturi su poznati kao tar sands, bituminous sands, oil sands, extra heavy oil.
Proizvodnja Ex situ In situ
Treset Treset spada u nekonvencionalna goriva. To je najmlađe fosilno gorivo, kod koga nije došlo do faze ugljenifikacije. Nalazišta treseta nalaze se u močvarnim područjima sa vlažnom i hladnom klimom. Sadržaj vlage je i do 90% Niske je toplotne moći Sadržaj azota do 2%