V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электричество из угля
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Древесный уголь используется людьми уже много тысяч лет назад: его находили при раскопках в поселениях пещерных людей. Вряд ли они изготавливали его сами, скорее собирали на пожарах или сохраняли остатки костров, но, видимо, знали о его свойствах и умели пользоваться [2].
Что такое уголь?Уголь — твёрдые горючие полезные ископаемые осадочного происхождения. В состав угля входят следующие основные компоненты: органическое вещество — продукт преобразования высших и низших растений с участием микроорганизмов планктона, минеральные примеси (условно не более 50%) и влага. С развитием угледобывающей промышленности все больше людей стало использовать каменный уголь: он дает больше тепла, горит дольше. При правильной закладке печи порция угля, засыпанного в котел с вечера, будет поддерживать стабильную температуру всю ночь[2].
Эра электрификации началась в XIX в. Для производства больших количеств электроэнергии требовалось дешевое и легкодоступное топливо. Этим требованиям удовлетворял каменный уголь.
Электричество создается генератором, который работает от пара, а пар из воды получают из тепла сжигаемого угля. Первая электростанция, построенная в конце XIX в. Томасом Алва Эдисоном работала на угле [1, 3]. По мере того как в мире строилось все больше и больше электростанций, зависимость от угля возрастала.
Сильно ли нужен совремённой энергетике уголь?
Угольная энергетика таких стран, например, как Китай, Индия и США занимает больше половины вырабатываемой электроэнергии в стране. Хотя при производстве энергии с использованием угля высок уровень выброса в атмосферу загрязняющих веществ, что наносит существенный вред окружающей среде [1, 3].
Для того чтобы оценить значение достижений в технологии сжигания угля в наше время, в работе рассматривается работа теплоэлектроцентрали на угольном топливе.
Цель работы:
Изучение работы ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) и создание макета для получения электричества с помощью парового двигателя.
Задачи:
Рассмотреть процесс образования каменного угля, его виды и способы добычи; Узнать основные места добычи угля в России;
Показать структуру генерации электроэнергии по видам топлива в России и других странах мира.
Узнать принцип работы ТЭЦ. Подробно рассмотреть на примере Хабаровской ТЭЦ; Рассмотреть преимущества и недостатки ТЭЦ.
Создать собственный макет для получения электричества с помощью парового двигателя.
Содержание работы:
«... Носят эти ископаемые вещества
название антрацита (или угля) ...
они вспыхивают и горят
подобно древесному углю...»
Теофраст Эресский
Каменный уголь был известен ещё в древнем мире. Первое упоминание о нём связывают с Аристотелем (IV в. до н. э.). Несколькими десятилетиями позже, его ученик Теофраст Эресский в «Трактате о камне» писал:«... Носят эти ископаемые вещества название антрацита (или угля) ... они вспыхивают и горят подобно древесному углю...»
Что такое каменный уголь? Разложение погибших растений началось 300 млн. лет назад. Ил и песок покрывали их слоем за слоем, останки растений были сжаты весом воды и осадочных пород. Со временем они затвердели и превратились в каменный уголь [1, 5].
Почему этот камень горит? Основной химический элемент в угле, обладающий полезными свойствами, – углерод. В зависимости от условий образования, процессов и возраста пластов каждое месторождение каменного угля содержит свой определенный процент углерода. Уровень теплоотдачи связан напрямую с количеством окисляемого в процессе горения углерода. Чем выше теплота сгорания данной породы, тем она наиболее пригодна в качестве источника тепла и энергии [2, 3, 5].
Процесс образования угля
Весь процесс образования угля можно разделить на два основных этапа: формирование торфа и собственно процесс углефикации – преобразования торфа в уголь, рис.1. Торф формировался на обширных покрытых водой пространствах из растительных остатков разной степени разложения. Обязательное условие для формирования торфа, — отсутствие кислорода [1, 2].
Под толщей воды кислорода было мало, при разложении остатков выделялся сероводород, метан и углекислота, которые способствовали затвердению остатков. Образовывался торф. Но не все торфяники преобразовывались в уголь. Для процесса углефикации необходимо: высокое давление, высокая температура и большой промежуток времени. В зависимости от наличия этих условий и происходило или нет образование каменного угля. Сначала торф заносился осадочными породами, что увеличивало давление и повышало температуру внутри торфяного слоя [1, 2, 3].
Рис.1. Образование угля Рис.2.Отпечаток растений
В таких условиях образовывался бурый уголь – первая ступень углефикации. В некоторых областях происходило смещение пластов, в результате которых пласты бурого угля опускались (некоторые из обнаруженных месторождений находятся на глубине более 6000 метров).
Высокое давление, отсутствие кислорода и высокие температуры способствовали тому, что влаги и природных газов в буром угле становилось все меньше, углерода все больше. По мере вытеснения воды и газов, бурый уголь превращался в битуминозный, затем, при наличии высокой температуры, в антрацит [3, 5]. Возраст угля определяют по содержащимся остаткам растительности. Иногда отпечатки очень четкие, рис.2.
Виды угля
Уголь классифицируют в зависимости от содержания влаги, природных газов и углерода. С повышение количества углерода повышается его теплотворная способность. Чем меньше влаги и летучих веществ (газов), тем лучше он переносит хранение и транспортировку [1, 2, 5].
Лигнит или бурый уголь — уголь первой стадии углефикации, рис.3а. Он отличается от бурого угля меньшим количеством воды (45%) в составе и большим выделением тепла. Структуру имеет волокнистую, цвет — от коричневого до черного, используется в энергетике (на теплоэлектростанциях) [2]. Суббитоминозный уголь – цвет черный, менее выраженная волокнистая структура, более высокая по сравнению с лигнитом теплотворность, меньшее содержание влаги (30%). При перевозке крошится, а на открытом воздухе выветривается. При сгорании выделяет 5-6кВт/кг. Используется как в энергетике, так и в ЖКХ для отопления [2]. Битуминозный уголь отличается самой высокой теплотворной способностью, не теряет своих качеств при транспортировке и хранении. Выделяет при горении 7-9 кВт/кг тепла [2, 3, 5]. Антрацит — уголь смоляно-черного цвета, рис.3б. Отличается самым высоким содержанием углеводорода. Его тяжело разжечь, но горит долго и без копоти, выделяет большое количество тепла (более 9 кВт/кг) [2, 3, 5].
а б
Рис.3 Уголь: а – лигнит; б – антрацит
Способы добычи угля
Работа на угольных разрезах и под землёй – главные способы добычи ископаемого. Большая часть работ в России и в мире ведётся открытым способом. Это обусловлено финансовой выгодой и высокой скоростью добычи. Но залежи угля на небольшой глубине содержат примеси грязи и других пород. Более чистым и качественным считается уголь, добытый подземным способом. Подземный способ позволяет добыть большое количество ископаемого, но он имеет существенные недостатки: высокая стоимость и повышенная опасность для рабочих [1, 2, 3].
Открытый способ добычи. При помощи специального оборудования снимается верхний пласт земли, покрывающий месторождение (примерно 30 метров). Если верхний слой мягкий и небольшой, его снимают с помощью экскаватора. Толстый и плотный слой земли предварительно дробится. Угольные залежи отбивают и увозят для дальнейшей переработки [1, 3, 5].
Закрытый способ добычи. Главной задачей этого метода является транспортировка угля с больших глубин на поверхность. Для этого создаются проходы: штольня (горизонтальный) и шахта (наклонный либо вертикальный). В тоннелях специальными комбайнами рубятся пласты угля и грузятся на конвейер, поднимающий их на поверхность [1, 3, 5].
Основные места добычи угля в России
Самыми значимыми месторождениями угля в России являются: Кузнецкое (добыча коксующегося и каменного угля). Канско-Ачинское (добыча бурого угля). Тунгусский угольный бассейн (бурый и каменный уголь). Печорский угольный бассейн (добыча коксующегося угля). Иркутско - Черемховский угольный бассейн [2, 3, 5] и др.
Современная энергетика
За последнее десятилетие производство электроэнергии в мире выросло. Крупнейшими производителями электроэнергии в мире являются Китай (4,7 трлн кВт-ч) и США (4,3 кВт-ч).
Сильно ли нужен совремённой энергетике, уголь?Китай – одна из немногих стран в мире, где подавляющая часть электроэнергии вырабатывается на угле, рис.4. Угольная энергетика стран Индии и США - это ПОЛОВИНА вырабатываемой электроэнергии. Хотя в России на 52% -это газовые электростанции, а вот на угле работают только около 14%[1, 2, 3, 5].
Рис.4 Структура генерации электроэнергии по видам топлива в странах мира: США; Европы, России, Бразилии, Индия, Китай
Принцип работы ТЭЦ. Хабаровская ТЭЦ.
ТЭС существуют с конца 19 века. Первая электростанция «Перл Стрит», построенная Томасом Алва Эдисоном, работала на угле, рис.5 [3, 6]. ТЭЦ является разновидностью тепловой электростанции (ТЭС).
ТЭЦ отличается тем, что на ней тепло отработанного пара передаётся в теплосеть, а на остальных ТЭС — в окружающую среду. За счёт этого коэффициент полезного действия (КПД) у ТЭЦ заметно выше.
Рис. 5. Электростанция Эдисона Рис. 6. Хабаровская ТЭЦ
Для того чтобы оценить значение достижений в технологии сжигания угля в наше время, рассмотрю работу тепловой электростанции на угольном топливе. В качестве примера возьму Хабаровскую ТЭЦ, рис.6.
Хабаровская ТЭЦ№1 является одной из самых крупных ТЭЦ Дальнего Востока, ее территория 520000 кв.км. Электрическая мощность станции 435000 кВт. Тепловая мощность станции 1200 Гкал/час.
а б
Рис.7. Вагоноопрокидывающее устройство
Технологическая цепочка станции начинается с вагоноопрокидывающего устройства (рис.7 а, б) который способен перевернуть целый вагон с углем. Таких устройств на ТЭЦ два. Производительность каждого – 30 вагонов в час.
Уголь ссыпается в подземный распределитель (рис.8а) глубиной 13 метров, из которого по конвейерам (рис.8 б) транспортируется к котлам.
а б
Рис.8 Подземный распределитель с конвейером
Рис.9 Молотковая дробилка
Уголь, подающийся к котлам, предварительно попадает в молотковую дробилку (рис.9), где огромные молоты, разбивают уголь до 15 мм.
Котлы, висящие на специальных металлических опорах (высотой 33 метра и весом 5000 тонн), обмурованные специальным теплоизоляционным материалом, состоят из: топки с горелками (рис.10а), системы водяных труб (рис.10б), барабана (рис.10в), пароперегревателя, паросборной камеры (рис.10г).
В трубы котла подается очищенная, химически обессоленная вода. Каждый котел оснащен тремя системами пылеприготовления (рис.11), состоящий из питателей сырого угля (1), шахтной молотковой мельницы (2) и трех горелочных устройств (3). Паропроизводительность котла 210 тонн пара в час. Всего на электростанции 15 котлов: 10-ть работают на угле.
а б
в г
Рис.10 Котел: а - выделенный элемент топки с горелками; б – выделенный элемент системы водяных труб; в – выделенный элемент барабан; г – выделенный элемент пароперегревателя и паросборной камеры
Продукты сгорания угольного топлива отводятся из котла устройством гидрозолоудаления (рис.12) в специальный золоотвал за пределы станции. Отходящие дымовые газы после мокрой очистки уносятся дымососами через дымовую трубу высотой 100 метров в атмосферу, рис.13.
Основным устройством для производства электрической энергии является турбоагрегат (рис.14) состоящий из турбины (1) и генератора электрической
энергии (2). Всего на станции установлено 7 турбоагрегатов.
Рис.11 Котел, оснащенный Рис.12. Устройство гидрозолоудаления
системами пылеприготовления
Пар из котла под давлением 140 ст. атм. и температурой 540 0С подается через главный паропровод в турбину. Где проходит последовательно через цилиндры высокого, среднего и низкого давления. Здесь потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию механического вращения лопаток ротора турбины со скоростью 3000 оборотов в минуту, который жестко соединен с валом электрогенератора. Цилиндр турбины и ротор с лопатками выполнены из специально высокопрочной, высоколегированной и жаростойкой стали. Вес турбины мощностью 100000 кВт составляет 210 тонн, его длина 25 метров, а высота 10 метров.
Рис.13 Дымовая труба Рис.14. Турбоагрегат
Одна часть пара после турбины направляется в конденсатор (рис.15а), конденсатор отмечен красными стрелками), где превращается в воду и через специальные подогреватели поступает обратно в котел, рис.15б.
а б
Рис.15 Циркуляция пара
Используемая для охлаждения пара вода подается брызгальный бассейн и в градирни, где охлаждается и возвращается обратно в конденсатор по замкнутому кругу, рис.16а,б. Другая часть отработанного пара для теплофикации города, холодная вода нагревается до 70 0С летом и 120 0С. Затем сетевыми насосами подается в общую камеру смешивания и по шести тепломагистралям поступает в город.
а б
Рис.16 Циркуляция воды
Электрический генератор.Основными частями электрического генератора является статор – высоковольтная электрическая обмотка, в металлической оболочке, и, вращающийся со скоростью 3000 оборотов в минуту - ротор (рис.17). При вращении ротора в обмотке статора наводится напряжение 10500 В. Внутри корпуса генератора статор охлаждается водяными регистрами. Мощность самого крупного генератора на ТЭЦ составляет 100000 кВт.
Рис.17 Генератор: статор и ротор
Электрический ток с обмотки статора подается на повышающий трансформатор с помощью специальных закрытых токопроводов, далее электрическая энергия по линиям электропередач подается в город.
Преимущества и недостатки ТЭЦ
Современная электроэнергетика имеет немало проблем: при производстве энергии с использованием угля высок уровень выброса в атмосферу оксида азота NOx (NO+NO2), что наносит существенный вред окружающей среде. В России, как и в других высокоразвитых странах, принято ограничение по выбросам оксида азота NO2 (0,2 мг/м3). Проблема выбросов летучей золы и диоксида серы решается на тепловых электростанциях путем очистки дымовых газов. Работают ТЭЦ на невозобновляемых ресурсах.
Отметим преимущества ТЭЦ: 1. Используемое топливо достаточно дешево. 2.Требуют меньших капиталовложений по сравнению с другими электростанциями. 3. Могут быть построены в любом месте независимо от наличия топлива.
В России многие тепловые станции Урала и Европейской части России переведены на газ.Для ТЭЦ переход с угля на газ способствует резкому сокращению объемов выбросов углекислого газа в атмосферу. А вот основной вид топлива в Сибири и на Дальнем Востоке - уголь.
Практическая часть проекта:
В практической части работы я изготовлю (макет) для получения электричества с помощью парового двигателя, рис.19. Для изготовления макета необходимо: паровой котел (1 шт.), пароотводящая трубка (1 шт.), двигатель (1 шт.) и генератор (1 шт.).
За счёт сжигания топлива (рис. 18) вода в котле превращается в пар с высокой температурой и давлением, и направляется в двигатель (рис. 19). Вращение с двигателя передается на генератор, который создаёт электрический ток. Ток по линиям электропередач направляется к домам.
Рис. 18Котел Рис.19 Макет для получения электричества
Выводы:
В своей работе я рассмотрел процесс образования каменного угля, его виды и способы добычи. Узнал, что разложение погибших растений началось 300 млн. лет назад. Со временем они затвердели и превратились в каменный уголь. Привел классификацию угля в зависимости от содержания влаги, природных газов и углерода. Узнал основные места добычи угля в России;
Показал структуру генерации электроэнергии по видам топлива в России и других странах мира. Привел страны - лидеры по добыче угля для производства электроэнергии. Узнал что, например, угольная энергетика стран Китая, Индии и США - это больше половины вырабатываемой электроэнергии. А вот в России: 52% электроэнергии вырабатывается за счет сжигания газа и только 14 % за счет сжигания угля.
Узнал принцип работы ТЭЦ, они устроены довольно просто. Уголь сгорает, нагревает котел с водой, превращая воду в пар. Пар вращает турбину, а турбина генератор, вырабатывающий электрический ток. Подробно рассмотрел работу теплоэлектроцентрали на примере Хабаровской ТЭЦ. Отмеил преимущества и недостатки ТЭЦ.
В практической части создал собственный макет для получения электричества с помощью парового двигателя.
В практической части создал собственный макет для получения электричества с помощью парового двигателя.
Список литературы:
- Уголь. Добыча, использование, польза и вред/
Пьюп Д издательство: Росмэн/ Серия: детская энциклопедия/2016 г;
Угольная промышленность и энергетическая безопасность стран мира / Климов С.Л/ Изд-во Моск. гос. гор. ун-та/2002 г.- 672 c;
[электронный ресурс] https://www.syl.ru/article/292247/kamennyiy-ugol-obrazovanie-v-nedrah-zemli-istochniki-i-protsess-obrazovaniya-kamennogo-uglya;
[электронный ресурс] http://fb.ru/article/325380/ugol-dobyicha-v-rossii-i-v-mire-mesta-i-sposobyi-dobyichi-uglya;
[электронный ресурс] http://teplowood.ru/ugol-buryj-kamennyj-drevesnyj;
[электронный ресурс] https://energoworld.ru/blog/pervaya-elektrostantsiya-v-ssha/.
|
Миллионы лет назадСолнце трепетней сиялоИ его лучистый взглядЗелень ласково встречала.Под тяжёлые дожди,В сладко-дремлющих болотах,Папоротники, хвощиЕли солнце, пили воду.И энергии потокЛился, лился, лился…Что же стало с ним потом? –Он под землю погрузился. |
Миллионы лет прошлиИ теперь теплом старинным,Извлечённым из земли,Топят печи и камины.Плавят сталь и льют чугун,Греют воду для котельных,В проводах передаютЖизнь невиданных растений.Подземельная обительСолнечный хранит костёр.И в неё, как небожитель,Погружается шахтёр. «Как родился уголь»С. Аксёненко. 1992 г |