Termoenergetska postrojenja

1. Uvod u energetiku, osnovni pojmovi i definicije, mjere2. Energetske statistike3. Oblici energije i energetske transformacije4. Primarni oblici energije

UgljenNaftaPrirodni plinNuklearna gorivaVodne snageObnovljivi izvori energije

5. Proizvodnja termalne energijeIzgaranjeSustavi fosilnih goriva, pumpe, plamenici, kotloviSustavi fosilnih goriva, pumpe, plamenici, kotlovi

6. Nuklearni procesi i reaktori7. Proizvodnja mehanicke energije

MotoriTurbine

8. Procesi parnog postrojenja9. Nove tehnologije

Kombi-postrojenjaGorivni clanci

10. Pohrana energije11. Utjecaj elektrana na okolis –

EmisijeStaklenicki plinovi i globalno zatopljenje

coal

energy losses

resi

de

ntia

l

po

wer

pla

nts

renewables& nuclear

Primarni oblici

energije

transformirani oblici

energije

naturalgas

oil

use

ful e

nerg

y

trans

port

indus

tria

l

heat

electricity

transport

non energy use

korisni oblici

energije

Ugljen

Ugljen je gorivi sediment.

Sastoji se pretezno od produkata pretvorbe biljakakroz niz sukcesivnih pretvorbi:

Biljni ostaci i drvo → treset → lignit i mrki ugljen → kameni ugljen

Proces pougljenjivanja ostvaruje se postupkom povecanja relativnog udjela ugljika (C) uz istobno smanjivanje sadrzaja kisika relativnog udjela ugljika (C) uz istobno smanjivanje sadrzaja kisika (O2) i dusika (N2) te konacno uz sve manji sadrzaj vodika (H2)

Uz djelovanje tlaka i temperature

Sastav ugljena variraOgrijevna vrijednost ovisi o sastavu

Proksimativna analiza:

•Fiksni ugljik (FC), hlapljive tvari (VM), pepeo (A) i vlaga (M)•Težinski udio sumpora (S)•Gornja ogrijevna vrijednost (HHV)

Konačna analiza:

•Težinski udjeli ugljika (c) vodika (h), kisika (o), dusika (n) i sumpora (s)•Gornja ogrijevna vrijednost (HHV)•Gornja ogrijevna vrijednost (HHV)

Težinski udio u suhom ugljenu bez pepela = Težinski udio

1 – M – A

Ogrijevna vrijednost suhog ugljena bez pepela = Ogrijevna vrijednost

1 – M – A

Gornja:Hg = HHV = 33,95 + 144,2 (h – o/8) + 9,4s [MJ/kg]

Donja:Hd = LHV = HHV – 2,5(9h + w) [MJ/kg]

Kod ugljena se obicno daje gornja ogrijevna vrijednost.

Ogrijevna vrijednost

U europskoj literaturi ukoliko nije oznaceno obicno se podrazumijevaDonja ogrijevna vrijednost

U anglo-americkoj literaturi ukoliko nije oznaceno obicno se podrazumijevaGornja ogrijevna vrijednost

Primjer:

Proksimativna analiza primljenog ugljenaHlapljive tvari (VM): 38,0%Fiksni ugljik (FC): 52,3%Vlaga (M): 1,8%Pepeo (A): 7,9%

100%

Sastav suhog ugljena bez pepela

Sumpor (S): 2,4%HHV = 13770 Btu/lb( kJ/kg)

Sastav suhog ugljena bez pepela(1 – M – A) = 1 – 0,018 – 0,079 = 0,903Hlapljive tvari (VM): 38,0%/0,903 = 42,1%Fiksni ugljik (FC): 52,3%/0,903 = 57,9%

100,0%

Sumpor (S): 2,4%/0,903 = 2,7%HHV: 13770/0,903 = 15250 Btu/lb

N2 = 1,5% (pretpostavka za sve ugljene)

h = 5,8%

c + s/4 = 85,0%

Izračunate (procijenjene) vrijednosti:

C = [(c + s/4) iz grafa] – s/4 = 85,0 – 2,7/4 = 84,3%H = h iz grafa = = 5,8%N = 1,5% (pretpostavljeno) = 1,5%S = S (iz proksimativne analize) = 2,7%O = 100 – suma svih drugih vrijednosti = 5,7%

100,0%100,0%

Konačna analiza:C = 84,3 x 0,903 = 76,1%H = 5,8 x 0,903 = 5,2%N = 1,5 x 0,903 = 1,4%S = 2,7 x 0,903 = 2,4%O = 5,7 x 0,903 = 5,1%M ili w = 1,8%A = 7,9%

100%

Vađenje ugljena – rudnici ugljena - ugljenokopi

U vrijeme nastanka slojevi su lezali vodoravno ali su tektonskim djelovanjemPresavijeni, nagnuti i ispremijesaniDo 20° nagiba nalaziste je povoljno a iznad 40 ° nagiba nije ekonomicno

Specificni troskovi eksploatacije su manji sto su slojevi debljiSlojevi od 1,2 do 2,0 m najjednostavniji za eksploatacijuDubina slojeva:Dubina slojeva:U SAD 50 do 100 mU Velikoj Britaniji 300 do 400 mU Njemackoj 700 mU poljskoj do 400 m

Mrki ugljen i lignit se najvise proizvode povrsinskom eksploatacijomVeci dio kamenog ugljena dobiva se jamskom eksploatacijom (samo SAD, Rusija, VB, Australija i Juzna Afrika povrsinski)

Ukupne rezerve: 910 miljardi “kratkih tona”1 “kratka tona” = 2000 lbs = 0,907 t

Potrošnja: 7 miljardi “kratkih tona” godišnjeZalihe ugljena: 910/7 = 130 godina

Sirova nafta

Tekuća ili polučvrsta tvar

Nalazi se u sedimentnim slojevima

Smeđezelena do smeđe-crna

Glavni sastojci su ugljikovodici (od metana do bitumena i asfalta)

Kao mjera za volumen u naftnoj industriji se koristi barel

1 barel = 0,159 m3

Gustoća nafte se izrazava u °API ili °Be (Baume)

1 °API = 141,5/ρ – 131,5

1 °Be = 140/ρ – 130 ρ = kg/l ili t/m3

Unatoč velikim razlikama u kemijskom sastavu i fizikalnim svojstvima sirovihnafta, njihov elementarni sastav obicno se moze svesti u ove uske granice:Težinski udjeliUgljik (c) 81 do 83%,vodik (h) 11 do 14%,sumpor (s) 0 do 3%,dušik (n) 0 do 1% ikisik (o) 0 do 2%.

Sastav sirove nafte

Sve sirove nafte imaju parafinske, naftenske i aromatske ugljikovodike. olefinski tipovi ugljikovodika nalaze se veoma rijetko u sirovim

naftama, dok je njihov sadržaj znatan u produktima sekundarne prerade nafte.

acetilenske grupe ugljikovodika (alkini) nisu do sada pronađene u sirovim naftama, jedino u produktima prerade.

Parafini (alkani) su zasićeni ugljikovodici lančane strukture molekula opće formule CnH2n+2, primjerice propan C3H8. , butan C4H10, oktan C8H18

Naftenski ugljikovodici – nafteni (cikloalkani), su zasićeni ciklički vezani ugljikovodici strukture C H , primjerice C H

H H H H H H H H

H—C—C—C—C—C—C—C—C—H

H H H H H H H H

n-oktanH H

H—C—C—H

H—C—C—H

ciklobutan

ciklički vezani ugljikovodici strukture CnH2n, primjerice C4H8(ciklobutan) C5H10 (ciklopentan)

Aromatski ugljikovodici su prstenasto spojeni ugljikovodici opće formule CnH2n-6. Samo su djelomično zasićeni vodikom. Najpoznatiji aromatski ugljikovodik je benzen C6H6.

H HH

C

H—C C—H

H—C C—H

C

H

benzen

Destilacija sirove nafte

Destilacija sirove nafte

Benzin

Kerozin

Dizel gorivoDizel gorivo

Loz ulje

MazivaVosakAsfalt

Nalazišta nafte i plina

Nalazišta nafte i plina na Bliskom istoku

Nalazišta nafte i plina u Europi

Ukupno: 1341 miljardi barelaProizvodnja nafte: 73 milijuna barela na dan

26,6 miljarde barela godišnjeZalihe nafte: 1341/26,6 = 50 godina (uz sadašnju proizvodnju)

Rezerve nafte 1975 1700-2500 miljardi barela 2030 (srednja vrijednost)

Potrošnja nafte 1975 53 milijuna barela na dan20 miljardi barela na godinu

Zalihe: 2030/20 = 100 godina

Potrošeno od 1975 do 2007: 700 miljardi barela

Potrošnja povećana na: 73 milijuna barela na dan26,6 miljarde barela godišnje

Zalihe: 50 godina

Prirodni plin, tek izvađen iz zemlje sastoji se od:Metana (CH4): 70-90%Etana (C2H6): 5-15%Propana (C3H8)Butana (C4H10)Ugljičnog dioksida (CO2)Dušika (N2)Vodikovog sulfida (H2S)Helija (He)Helija (He)Žive (Hg)Sastav se razlikuje od izvora do izvoraPlin se prerađuje, tj. odvajaju se sve/većina komponenata

Komponenta Tipični sastav

(vol %)

Raspon

(vol %)

Metan 95.2 87.0 - 96.0

Etan 2.5 1.5 - 5.1

Propan 0.2 0.1 - 1.5

iso – Butan 0.03 0.01 - 0.3

normal – Butan 0.03 0.01 - 0.3

iso – Pentan 0.01 trag - 0.14

normal – Pentan 0.01 trag - 0.04normal – Pentan 0.01 trag - 0.04

Heksan plus 0.01 trag - 0.06

Dušik 1.3 0.7 - 5.6

Ugljični dioksid 0.7 0.1 - 1.0

Kisik 0.02 0.01 - 0.1

Vodik tragovi tragovi - 0.02

Specifična težina 0.58 0.57 - 0.62

Ogrijevna vrijednost (MJ/m3), suhi plin*

37.8 36.0 - 40.2

Schematic flow diagram of a typical natural gas processing plant.

Ogrijevna vrijednost prirodnog plina

HHVv = Σ (ri�HHVvi) (kJ/m3)

r = volumni udio pojedinih sastojaka

v =Ru�T

p�M(m3/kg)v =

p�M

M = Σ (ri�Mi)

HHVg = v�HHVv

(m3/kg)

(kg/kmol)

(kJ/kg)

primjer

Ukupno: 6262 trilijuna kubičnih stopaProizvodnja plina: 106 trilijuna kubičnih stopa godišnjeZalihe nafte: 6262/106 = 59 godina (uz sadašnju proizvodnju)

1 cu.ft. = 28,3 litara = 0,0283 m3

Proizvodnja električne energije

gorivniclanci

kemijskaenergija

nuklearnaenergija

geotermalnaenergija

vodne snage

energijavalova

energijavjetra

suncevozracenje

plinsketurbine

parneturbine

vodneturbine

vjetroturbine

FNelementi

motoriSUI

izgaranjeunutrasnjaenergija

clanci turbine turbine turbine turbine elementi

mehanickaenergija

elektricnigenerator

elektricnaenergija

SUI

proizvodnja instalirani faktorkapacitet iskorištenja

(TWh/god) (GW)

Elektrane na fosilna goriva 12740 2968 0,49

Proizvodnja električne energije u svijetu (2007)

Nuklearne elektrane 2593 379 0,78

Hidroelektrane 2971 921 0,37

Ukupno 18779 4428 0,49