Прикладная химия - Роза Рыскалиева, Ляйла Тугелбаева, Раушан Ашкеева (2016)

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:

C + H + O + N + S + W + Z = 100%

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.