Projekt okładki i stron tytułowych: Jolanta Krafft-Przeździecka

Fotografia na okładce: Oleksiy Mark/Depositphotos

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Renata Ziółkowska

Redaktor: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Tomasz Szymański / konwersja.virtualo.pl

Stowarzyszenie Zbiorowego Zarządzania Prawami Autorskimi Twórców Dzieł Naukowych i Technicznych KOPIPOL z siedzibą w Kielcach – organizacja zbiorowego zarządzania prawami autorskimi do utworów naukowych – finansowała koszty wydania niniejszej pracy oraz wynagrodzenie autorskie jej Twórcy.

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2017 r., (wyd. I)

Warszawa 2017

ISBN 978-83-01-19419-2

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Przedmowa

Wykaz używanych skrótów

1. Wstęp

1.1. Wprowadzenie

1.2. Działania w zakresie efektywności energetycznej

1.3. Przedmiot i zakres pracy

1.4. Podstawowe określenia

2. Nośniki energii i system społeczno-gospodarczy

2.1. Energia wykorzystywana na Ziemi

2.2. Nośniki energii – rodzaje i określenia

2.3. System społeczno-gospodarczy kraju

2.4. Podsystem energetyczny kraju

2.5. Działalność społeczna i gospodarcza

2.6. Efektywność energetyczna

3. Pozyskiwanie i przetwarzanie energii nieodnawialnej

3.1. Paliwa i ich spalanie

3.1.1. Paliwa kopalne

3.1.2. Charakterystyka energetyczna paliw

3.1.3. Spalanie paliw

3.2. Wytwarzanie ciepła

3.2.1. Uwagi o ciepłowniach

3.2.2. Czynniki uwzględniane przy doborze kotłów małej mocy

3.2.3. Średnia sprawność i zużycie energii pierwotnej w ciepłowni

3.3. Urządzenia wytwórcze ciepła

3.3.1. Informacje ogólne

3.3.2. Zasilanie kotłów w paliwo i paleniska

3.3.3. Wyposażenie kotłów

3.3.4. Efektywność przemiany energetycznej w kotłach

3.3.5. Standardy techniczne

3.4. Wytwarzanie energii elektrycznej

3.4.1. Wytwarzanie energii elektrycznej w elektrowniach

3.4.2. Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej

3.4.3. Elektrociepłownie tradycyjne

3.4.4. Elektrociepłownie gazowo-parowe

3.4.5. Elektrociepłownie z tłokowymi silnikami spalinowymi

3.4.6. Zmniejszenie zużycia energii w wyniku gospodarki skojarzonej

4. Pozyskiwanie i przetwarzanie energii odnawialnej

4.1. Wprowadzenie

4.2. Wykorzystanie energii słonecznej

4.2.1. Sposoby wykorzystania energii słonecznej

4.2.2. Aktywne systemy wykorzystania energii słonecznej

4.2.2.1. Kolektory słoneczne

4.2.2.2. Wykorzystanie aktywnych systemów słonecznych

4.2.2.3. Przykłady aktywnych systemów słonecznych

4.2.3. Bierne wykorzystanie energii słonecznej

4.2.4. Wykorzystanie systemów fotowoltaicznych

4.2.5. Systemy fotowoltaiczne zintegrowane z budynkiem

4.3. Energetyczne wykorzystanie biomasy i biopaliw

4.3.1. Pochodzenie i klasyfikacja

4.3.2. Charakterystyka energetyczna biopaliw

4.3.3. Wykorzystanie energetyczne

4.3.5. Wykorzystanie biopaliw gazowych

4.4. Wykorzystanie energii ze źródeł geotermalnych

4.4.1. Energia wód geotermalnych

4.4.2. Ciepłownicze wykorzystanie wód geotermalnych

4.5. Wykorzystanie energii wody

4.5.1. Zasady wykorzystania energii wody

4.5.2. Rodzaje elektrowni wodnych

4.5.3. Znaczenie elektrowni wodnych

4.6. Wykorzystanie energii wiatru

4.6.1. Budowa i działanie siłowni wiatrowej

4.6.2. Cechy charakterystyczne wiatru

4.6.3. Ocena energetyczna wiatru

4.6.3.1. Strefy energetyczne wiatru

4.6.3.2. Sprawność przemiany energii wiatru w energię elektryczną

4.6.4. Charakterystyka mocy siłowni wiatrowej

4.6.5. Możliwości wykorzystania mocy zainstalowanej siłowni wiatrowej

5. Wybrane problemy przesyłania nośników ciepła

5.1. Wprowadzenie

5.2. Nośniki ciepła

5.2.1. Para wodna

5.2.2. Ciepła woda

5.2.3. Ciecze o podwyższonej temperaturze wrzenia

5.2.4. Inne nośniki ciepła

5.3. Układy sieci cieplnych

5.4. Regulacja dostarczania ciepła

5.5. Izolacja przewodów sieci cieplnej

5.6. Straty energii w sieciach cieplnych

5.6.1. Sieci parowe

5.6.2. Wodne sieci cieplne

5.7. Węzły cieplne

5.8. Izolacje cieplne

5.8.1. Wprowadzenie

5.8.2. Materiały termoizolacyjne

5.8.3. Podstawowe wymagania w odniesieniu do materiałów izolacyjnych

5.8.4. Ekonomicznie uzasadniona grubość izolacji cieplnej

6. Charakterystyka sfery użytkowania energii

6.1. Wprowadzenie

6.2. Działalność gospodarcza

6.2.1. Procesy produkcji wyrobów

6.2.2. System produkcji wyrobu

6.2.3. Przepływ materiałów i energii w cyklu istnienia wyrobu

6.3. Wybrane procesy produkcji przemysłowej

6.3.1. Wytwarzanie energii elektrycznej

6.3.2. Produkcja wyrobów ceramiki budowlanej

6.3.3. Produkcja stali

6.3.4. Produkcja cementu

6.4. Procesy wznoszenia obiektów budowlanych

6.5. Procesy transportu

6.6. Procesy użytkowania i eksploatacji

6.7. Likwidacja i poużytkowe przetwarzanie wyrobów

6.7.1. Problem wykorzystania poużytkowych i poprodukcyjnych odpadów

6.7.2. Schematy zagospodarowania zasobów poużytkowych

7. Wpływ działalności społecznej i gospodarczej na środowisko

7.1. Wprowadzenie

7.2. Oddziaływanie na środowisko według sektorów gospodarki

7.2.1. Energetyka

7.2.2. Przemysł

7.2.3. Budownictwo i gospodarka komunalna

7.2.4. Transport

7.2.5. Rolnictwo

7.2.6. Materiały eksploatacyjne w działalności gospodarczej

7.3. Obciążenie środowiska w wyniku wykorzystania zasobów

7.3.1. Rodzaje zasobów środowiska

7.3.2. Wykorzystanie surowców nieenergetycznych

7.3.3. Wykorzystanie surowców energetycznych

7.3.4. Wykorzystanie zasobów wody

7.3.5. Wykorzystanie zasobów gruntów i gleby

7.4. Charakterystyka zanieczyszczeń wprowadzanych do środowiska

7.4.1. Powstawanie i przenoszenie zanieczyszczeń

7.4.2. Główne zanieczyszczenia chemiczne

7.4.2.1. Dwutlenek i tlenek węgla

7.4.2.2. Tlenki siarki

7.4.2.3. Tlenki azotu

7.4.2.4. Ciężkie metale

7.4.2.5. Substancje rozproszone

7.4.2.6. Metan i inne węglowodory

7.4.3. Inne obciążenia środowiska

7.4.4. Obciążenia środowiska pracy

7.5. Skutki w środowisku wywołane wprowadzaniem obciążeń

7.5.1. Wprowadzenie

7.5.2. Uszczuplenie zasobów naturalnych

7.5.3. Oddziaływanie zanieczyszczeń na zdrowie ludzkie

7.5.4. Zmiany klimatyczne

7.5.4.1. Efekt cieplarniany

7.5.4.2. Degradacja stratosferycznej warstwy ozonowej

7.5.5. Skażenie środowiska

7.5.5.1. Zakwaszenie środowiska

7.5.5.2. Smog letni i zimowy w atmosferze

7.5.5.3. Eutrofizacja środowiska

7.5.6. Oddziaływanie obciążenia środowiska na materiały i budowle

7.5.7. Inne skutki środowiskowe

7.5.8. Skutki obciążenia środowiska pracy

7.6. Wykorzystanie energii odnawialnej a środowisko

7.6.1. Skutki wykorzystania energii słonecznej

7.6.2. Skutki energetycznego wykorzystania biomasy

7.6.3. Skutki wykorzystania energii wiatru

7.6.4. Oddziaływanie małej energetyki wodnej

7.6.5. Skutki wykorzystania złóż geotermalnych

7.6.6. Porównanie wybranych wskaźników charakteryzujących oddziaływanie na środowisko

8. Określanie zużycia energii pierwotnej dla wyrobów i nośników energii

8.1. Potrzeba określania zużycia energii pierwotnej

8.2. Skumulowane zużycie energii

8.3. Skumulowane obciążenie środowiska

8.4. Nakład nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii do miejsca wykorzystania

8.5. Skumulowana sprawność energetyczna pozyskania i dostarczenia nośnika energii do miejsca wykorzystania

8.6. Przykład określania sprawności użytkowej energii wykorzystywanej w budynku

8.7. Zasady obliczania zużycia energii pierwotnej w miejscu wykorzystania

8.8. Analiza energetyczna i energetyczno-ekologiczna

8.9. Możliwości poprawy charakterystyki energetyczno-ekologicznej przetworzonych nośników energii

8.9.1. Charakterystka energetyczno-ekologiczna nośników energii

8.9.2. Możliwości wpływu na charakterystykę energetyczno-ekologiczną nośników energii

8.9.3. Zwiększenie sprawności obecnych technologii energetycznych

8.9.4. Zwiększenie udziału skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej

8.9.5. Poprawa wskaźników ekologicznych obecnych technologii energetycznych

8.9.6. Wprowadzanie nowych technologii energetycznych

8.9.7. Zwiększenie wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych

8.9.8. Udział energetyki jądrowej

9. Możliwości wpływu na zużycie energii w cyklu istnienia obiektu

9.1. Wprowadzenie

9.2. Przekształcenia obiektu technicznego w cyklu istnienia

9.3. Wpływ rozwiązań urbanistycznych i architektonicznych na energochłonność obiektów budowlanych

9.4. Możliwości wpływu na zużycie energii w fazie projektowania

9.4.1. Czynniki proekologicznego oddziaływania

9.4.2. Możliwość wpływu przez wybór nośników energii

9.4.3. Maksymalne zapotrzebowanie na nośniki energii końcowej

9.4.4. Możliwości wpływu na zużycie materiałów, wyrobów i nośników energii

9.4.5. Możliwości wpływu na wytworzenie i dostarczenie energii podczas użytkowania

9.5. Możliwości wpływu na zużycie energii w fazie realizacji obiektu

9.6. Możliwości wpływu na zużycie energii w fazie użytkowania

9.6.1. Czynniki uwzględniane w fazie użytkowania

9.6.2. Znaczenie trwałości wyrobów i obiektu

9.6.3. Rola systemu eksploatacji w zużyciu zasobów i oddziaływaniu na środowisko

9.6.4. Możliwości wpływu na zużycie materiałów i wyrobów

9.7. Możliwości wpływu na zużycie energii w fazie likwidacji

9.8. Możliwości wpływu na zużycie energii przez racjonalizację wyrobów

9.8.1. Działania w cyklu istnienia

9.8.2. Projektowanie wyrobów

9.8.3. Wytwarzanie wyrobów

9.8.4. Eksploatacja wyrobów

9.8.5. Likwidacja i poużytkowe przetwarzanie wyrobów

9.8.6. Racjonalna gospodarka odpadami i zasobami poużytkowymi

9.9. Doskonalenie praktyki działalności gospodarczej

9.10. Projektowanie proekologiczne i rozwój

10. Formułowanie przedsięwzięć usprawniających użytkowanie energii

10.1. Działalność o charakterze modernizacyjnym

10.2. Podejmowanie decyzji gospodarczych

10.2.1. Wprowadzenie

10.2.2. Podejście przy podejmowaniu problemu modernizacji

10.2.3. Stosowanie rachunku efektywności ekonomicznej

10.3. Rodzaje przedsięwzięć usprawniających użytkowanie energii

10.3.1. Wprowadzenie

10.3.2. Podział przedsięwzięć usprawniających użytkowanie energii

10.3.2.1. Podział ze względu na poziom występowania w procesach

10.3.2.2. Podział ze względu na wielkość nakładów niezbędnych na realizację

10.3.2.3. Podział ze względu na motywację przy podejmowaniu decyzji o realizacji

10.3.2.4. Podział ze względu na sposób uzyskiwania efektów

10.3.2.5. Podział ze względu na charakter wprowadzanych zmian

10.3.3. Wykorzystanie surowców wtórnych

10.4. Obszary poszukiwania oszczędności energii według ustawy o efektywności energetycznej [U10, U11]

10.5. Audyting energetyczny i zasady jego wykonywania

10.5.1. Wprowadzenie

10.5.2. Podstawowe określenia

10.5.3. Wykonywanie audytingu energetycznego

10.5.3.1. Przygotowanie do wykonywania audytingu

10.5.3.2. Opracowanie zbioru danych o użytkowaniu energii

10.5.3.3. Obserwacje przebiegu procesów produkcji i pomiary

10.5.3.4. Zestawienie bilansu energii

10.5.3.5. Sformułowanie propozycji przedsięwzięć usprawniających użytkowanie energii

10.5.3.6. Obliczanie energetycznych efektów modernizacji

10.5.4. Uwagi o audytingu energetycznym obiektów budowlanych

11. Problemy określania kosztów i efektów w działalności gospodarczej

11.1. Uogólnione koszty i efekty społeczne

11.2. Efekty w realizacji przedsięwzięć racjonalizujących działalność gospodarczą

11.3. Instrumenty polityki ekologicznej w racjonalizacji gospodarczej

11.4. Zasady określania efektów w działalności jednostek wykorzystujących energię

11.4.1. Jednostki gospodarcze

11.4.2. Jednostki niekreujące dochodu

11.5. Uwagi o określaniu nakładów na realizację przedsięwzięć

11.5.1. Nakłady inwestycyjne

11.5.2. Uwagi o określaniu nakładów na modernizację

11.6. Możliwości wpływu na koszty w pełnym cyklu istnienia obiektu

12. Określanie kosztów, dochodu i przepływów pieniężnych

12.1. Koszty w przedsiębiorstwie

12.1.1. Wprowadzenie

12.1.2. Koszty i wyniki działalności operacyjnej

12.2. Określanie kosztów i dochodu w analizach efektywności ekonomicznej

12.2.1. Określanie kosztów realizacji i funkcjonowania przedsięwzięć

12.2.2. Określanie kosztów eksploatacji

12.2.3. Dochód netto związany z funkcjonowaniem przedsięwzięcia

12.3. Przepływy pieniężne podczas funkcjonowania obiektu technicznego

12.3.1. Określenia

12.3.2. Określanie wartości przepływów pieniężnych

12.3.3. Określanie przyrostu przepływów pieniężnych po modernizacji

12.4. Określanie składników kosztów eksploatacji

12.4.1. Koszt nośników energii

12.4.1.1. Wprowadzenie

12.4.1.2. Rozporządzenia taryfowe i taryfy opłat za nośniki energii

12.4.1.3. Koszt ciepła

12.4.1.4. Koszt paliw gazowych

12.4.1.5. Koszt energii elektrycznej

12.4.1.6. Koszt paliw ciekłych i stałych

12.4.2. Opłaty za korzystanie ze środowiska

12.4.2.1. Wprowadzenie

12.4.2.2. Wprowadzanie zanieczyszczeń gazowych i pyłowych do środowiska

12.4.2.3. Umieszczanie odpadów na składowisku

13. Metody oceny efektywności ekonomicznej przedsięwzięć

13.1. Koncepcja podejścia

13.2. Okres eksploatacji i stopa dyskontowa

13.2.1. Okres eksploatacji przedsięwzięcia

13.2.2. Zmiana wartości pieniądza w czasie

13.2.3. Obliczanie wartości zaktualizowanej przychodów

13.3. Metoda wartości zaktualizowanej kosztów w pełnym cyklu istnienia

13.4. Metoda wartości zaktualizowanej netto w pełnym cyklu istnienia

13.4.1. Wartość zaktualizowana netto

13.4.1.1. Obliczanie wartości zaktualizowanej netto

13.4.1.2. Podstawowe czynniki wpływające na wartość NPV

13.4.2. Wewnętrzna stopa zwrotu

13.4.3. Zmodyfikowana wewnętrzna stopa zwrotu

13.4.4. Ocena przedsięwzięć o różnym okresie eksploatacji i różnym poziomie ryzyka

13.4.4.1. Metoda zastępowania łańcuchowego

13.4.4.2. Metoda nieskończonej powtarzalności wartości NPV

13.5. Metoda dynamicznego kosztu i efektu społecznego

13.6. Koszt uzyskania oszczędności kosztów energii i kosztów eksploatacji

13.7. Okres zwrotu nakładów

13.7.1. Prosty okres zwrotu nakładów

13.7.2. Zdyskontowany okres zwrotu nakładów

13.8. Ocena wiarygodności wyników analizy

13.8.1. Potrzeba oceny wiarygodności wyników analizy ekonomicznej przedsięwzięcia

13.8.2. Niepewność wynikająca z oceny poziomu nakładów inwestycyjnych

13.8.3. Niepewność ze względu na ocenę efektów

13.8.4. Niepewność wynikająca z przygotowania projektu

13.8.5. Metody oceny ryzyka

13.8.5.1. Jednoparametrowa analiza wrażliwości

13.8.5.2. Metody statystyczne

13.8.5.3. Przykład analizy wrażliwości dwóch przedsięwzięć modernizacyjnych

14. Przykładowe przedsięwzięcia modernizacyjne i ocena ich opłacalności ekonomicznej

14.1. Wprowadzenie

14.2. Problem odzysku ciepła odpadowego wentylacji w budynku użyteczności publicznej

14.2.1. Określenie możliwości modernizacji

14.2.2. Opis istniejącej instalacji

14.2.3. Proponowany zakres przebudowy instalacji

14.2.4. Bilans cieplny instalacji wentylacyjnej przed modernizacją

14.2.5. Bilans cieplny układu po modernizacji

14.2.6. Przystosowanie charakterystyki nagrzewnicy

14.2.7. Obliczenie sprawności energetycznej układu rekuperacji

14.2.8. Energetyczne efekty modernizacji instalacji wentylacyjnej

14.2.9. Ocena efektywności ekonomicznej przedsięwzięcia

14.3. Modernizacja ciepłowni komunalnej wyposażonej w kotły typu WR

14.3.1. Wprowadzenie

14.3.2. Charakterystyka modernizowanego obiektu

14.3.2.1. Opis kotłowni

14.3.2.2. Wyposażenie i stan techniczny ciepłowni

14.3.2.3. Charakterystyka techniczna kotłów WR 10

14.3.2.4. Ocena pracy jednostek kotłowych

14.3.2.5. Wykres uporządkowany zapotrzebowania na moc cieplną

14.3.3. Zakres modernizacji kotłów

14.3.3.1. Informacje ogólne

14.3.3.2. Propozycja zakresu modernizacji

14.3.3.3. Analiza przebiegu obciążenia jednostek kotłowych po modernizacji

14.3.3.4. Określenie poziomu nakładów i kosztów eksploatacji

Bibliografia

3. Pozyskiwanie i przetwarzanie energii nieodnawialnej

3.1. Paliwa i ich spalanie

3.1.1. Paliwa kopalne

W działalności społecznej i gospodarczej wykorzystuje się paliwa stałe, ciekłe i gazowe. Do paliw stałych należą paliwa węglowe (węgiel kamienny, węgiel brunatny, antracyt), paliwa przetworzone (koks, brykiety węgla kamiennego i brunatnego) oraz drewno i torf.

Paliwa węglowe są produktami powstałymi przed milionami lat jako efekt przeobrażenia nagromadzonych szczątków roślin. Z biegiem czasu nagromadzone szczątki roślin tworzyły grube pokłady biomasy, które następnie na skutek procesów erozyjnych i górotwórczych przykryte zostały wierzchnimi warstwami geologicznymi. W wyniku złożonych procesów chemicznych, zachodzących bez dostępu powietrza, pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze, przez miliony lat następował proces wzbogacania biomasy w węgiel pierwiastkowy. Podstawowe właściwości paliwa węglowego zależą od czasu zalegania pod powierzchnią ziemi.

Węgiel brunatny jest zaliczany do młodszych tworów geologicznych niż węgiel kamienny, zawiera 62–79% węgla pierwiastkowego, do 60% wilgoci, 45–50% części lotnych, a także 1,5–3% siarki. W Polsce jest wydobywany w kopalniach odkrywkowych. Węgiel brunatny zawiera stosunkowo dużą ilość siarki, w odniesieniu do energii chemicznej węgla stanowi to 0,6–1,6 g/MJ. Starszy geologicznie węgiel kamienny jest wydobywany w kopalniach głębinowych, zawiera 75–90% węgla. Najstarszą geologicznie i najbardziej uwęgloną formą węgla kamiennego jest antracyt, zawiera 93–97% węgla pierwiastkowego.

Torf jest produktem niepełnego rozpadu roślin i stanowi najmłodszą geologicznie odmianę paliw kopalnych. Zawiera pewną ilość substancji mineralnych (piasek, wytrącone związki żelaza, niekiedy związki fosforu). Stanowi typowe paliwo wykorzystywane lokalnie, do spalania stosuje się go w stanie podsuszonym, o zawartości wilgoci 40–50%; w stanie surowym może zawierać 85–90% wilgoci. Stosowany jest w postaci elementów formowanych. W przeliczeniu na masę suchą zawartość popiołu wynosi 3–10%. Przy wilgotności 30% wartość opałowa wynosi 12,56 MJ/kg, a przy wilgotności 50% – 8,37 MJ/kg. Torf jest suszony w sposób naturalny, wartość opałowa podsuszonego torfu wynosi 11,3–15,9 MJ/kg.

Jako paliwa stałe przetworzone należy wymienić przede wszystkim koks i w mniejszym stopniu brykiety węglowe. Brykiety węglowe otrzymuje się w brykietowniach, gdzie węgiel jest suszony i prasowany w postaci kostek. Wartość opałowa brykietów z węgla kamiennego wynosi 23,5–26,8 MJ/kg, a z węgla brunatnego 19,0–20,0 MJ/kg.

Koks jest paliwem otrzymywanym z węgla kamiennego specjalnego rodzaju (tzw. koksowego) na drodze odgazowania w piecach koksowniczych w wysokiej temperaturze i bez dostępu powietrza. Produktem ubocznym powstającym w procesie produkcji koksu jest gaz koksowniczy wykorzystywany w działalności przemysłowej. Koks charakteryzuje się małą zawartością substancji lotnych.

Ropa naftowa, ciecz lepka o konsystencji oleistej, jest złożoną mieszaniną związków chemicznych węglowodorowych i niewęglowodorowych, a jej podstawową masę (80–95)% stanowią związki ciekłe wraz z rozpuszczonymi w nich węglowodorami parafinowymi, często również gazowe parafiny. Przewagę w tej mieszaninie mają parafiny i nafteny. Oprócz węglowodorów ropa naftowa zawiera: żywice i asfalteny (wielopierścieniowe związki zawierające tlen, siarkę, azot, wanad, nikiel i inne metale ciężkie), związki siarki, związki azotu i kwasy naftenowe [44].

Ropa naftowa, podobnie jak węgiel, pochodzi z substancji organicznej nagromadzonej przed milionami lat, przy czym była to biomasa utworzona z glonów i niższych gatunków organizmów (planktonu) i zapewne również zwierząt o wyższym stopniu rozwoju. Według [44] ropa naftowa jest pozyskiwana jako ciecz lepka o konsystencji oleistej i stanowi jednorodną mieszaninę wielu związków chemicznych, głównie węglowodorów parafinowych, naftalenowych i aromatycznych w stanie ciekłym, gazowym i stałym wzajemnie w sobie rozpuszczonych. Orientacyjny elementarny wagowy skład chemiczny ropy naftowej według [44] jest następujący: węgiel (83–87)%, wodór (12–14)%, siarka (0,01–0,8)%, azot (0,01–12,2)%, tlen (0,05–4)%. Popiół ze spalania ropy może zawierać w ilościach śladowych pierwiastki: wanad, nikiel, żelazo, wapń, sód, potas, miedź, chlor, fosfor, krzem, arsen i inne.

Ropa naftowa bezpośrednio po wydobyciu zawiera zanieczyszczenia mechaniczne oraz pewną ilość gazu ziemnego i wody z rozpuszczonymi w niej solami (głównie chlorkami). Woda występuje w ropie w postaci emulsji, stanowiącej fazę rozproszoną. Ze względu na wymagania transportu i poprawność przebiegu procesów przeróbki ropa jest odwadniana i odsalana, najpierw wstępnie po wydobyciu, a następnie w przygotowawczej części procesu technologicznego. W wyniku wstępnych procesów oczyszczania w miejscu wydobycia ropa naftowa transportowana do przetwarzania charakteryzuje się zawartością wody w granicach 0,5–1,5% i zawartością soli poniżej 60 mg/dm^3 [44].

Surowa ropa naftowa nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania jako paliwo, dlatego jest przetwarzana w procesach rektyfikacji, dzięki którym możliwe jest wyodrębnienie wielu użytecznych składników: benzyna, nafta, oleje, parafiny, smary, asfalty i inne. Zawartość popiołu w olejach opałowych jest stosunkowo niewielka i wynosi (0,01–0,5)%, ale mimo to ma on wpływ na zanieczyszczenie powierzchni ogrzewalnej ścian komór spalania. Istotne znaczenie ma obecność w popiele pięciotlenku wanadu V_2O_5, który w wysokiej temperaturze ma wpływ na korozję materiałów.

W działalności społecznej i gospodarczej wykorzystuje się również paliwa gazowe. Podstawowym paliwem gazowym jest gaz ziemny, który podobnie jak ropa naftowa jest również pochodzenia organicznego. W Polsce rozróżnia się gaz ziemny wysokometanowy (zawartość metanu powyżej 90%) i zaazotowany (zawierający 10–45% azotu i odpowiednio mniejszą ilość metanu). Bezpośrednio po wydobyciu gaz ziemny jest mieszaniną węglowodorów w postaci gazowej (metan, etan, propan i butan), zawiera też pewne ilości węglowodorów ciekłych oraz substancje nieorganiczne jak azot, dwutlenek węgla, siarkowodór i wodór, także w znacznie mniejszych ilościach domieszki gazów szlachetnych (hel, argon, czasami neon i krypton). Gaz ziemny bezpośrednio po wydobyciu jest oczyszczany z zanieczyszczeń cząstkami stałymi, podlega też osuszaniu i usuwaniu dwutlenku węgla i związków siarki. Gaz ziemny wydobywany ze złoża zawiera też parę wodną, dlatego jego osuszenie przed transportem i przeróbką jest niezbędne.

Paliwo jądrowe jest to substancja zawierająca materiał rozszczepialny, wykorzystywana do wytwarzania energii w reaktorach jądrowych. Zawiera najczęściej wzbogacony uran lub pluton, stosowany w postaci ciała stałego. Każdy rodzaj paliwa wymaga budowy reaktorów jądrowych o odpowiedniej konstrukcji. W Polsce istnieją rozpoznane znaczne zasoby surowców rozszczepialnych, jednak są to surowce o małej zawartości uranu, a ich wykorzystanie w obecnej sytuacji byłoby nieopłacalne [116]. Budowa pierwszej elektrowni jądrowej w Polsce jest przewidywana na ok. 2030 r.

3.1.2. Charakterystyka energetyczna paliw

Paliwo składa się z substancji palnej i balastu. Podstawowymi składnikami substancji palnej są: węgiel elementarny C, wodór H oraz występująca w niewielkich ilościach siarka S. Do balastu zalicza się w paliwach stałych i ciekłych popiół i wilgoć, w paliwach gazowych natomiast – azot, dwutlenek węgla i parę wodną. W tabeli 3.1 zestawiono podstawowe cechy charakterystyczne paliw stałych, mające wpływ na sposób prowadzenia procesu spalania. Z kolei w tabeli 3.2 podano skład elementarny masy organicznej paliw stałych oraz ich ciepło spalania.

Tabela 3.1. Cechy charakterystyczne paliw stałych wg [92]

Rodzaj paliwa

Wartość opałowa

MJ/kg

Zawartość substancji lotnych

%

Zawartość wilgoci

%

Zawartość popiołu

%

Drewno

8,0–15,0

do 85

15–50

1–2

Torf

11,7–15,5

do 70

25–35

5–15

Węgiel brunatny

7,5–20,9

do 50

15–60

10–20

Węgiel kamienny

16,7–29,3

20–40

5–30

5–35

Antracyt

20,9–29,3

1–5

5–20

5–35

Tabela 3.2. Skład elementarny masy organicznej paliw stałych i ciepło spalania wg [92]

Rodzaj paliwa

Węgiel pierwiastkowy C

%

Wodór H

%

Tlen O

%

Ciepło spalania MJ/kg

Drewno

50

6

43

20

Torf

53–60

6–5,5

29–33

21,3–24,6

Węgiel brunatny

62–79

4–6

27–17

26,3–30,1

Węgiel kamienny płomienny

75–80

6–4

9–7

31,4–34,4

Węgiel kamienny bitumiczny

83–90

5–4

7–5

34,4–36,4

Antracyt

93–97

3–1

3–1

33,6–34,9

Łupki palne

60–75

8–10

8–10

29,3–37,6

Węgiel elementarny C stanowi podstawowy składnik paliw stałych i jest głównym źródłem ciepła wydzielanego w procesie spalania. Wodór jest również ważnym składnikiem paliw, jednakże występuje głównie w postaci związków węglowodorowych CmHn. Średni udział siarki w polskim węglu kamiennym wynosi około 1,1%. Siarka występuje w paliwach głównie w formie związków organicznych, takich jak niepalne siarczany i palne piryty. Najczęściej bezpośrednio po wydobyciu węgiel jest poddawany procesom przeróbki mechanicznej polegającym na usuwaniu części mineralnych, w tym również zawierających siarkę w postaci pirytów, dzięki temu można usunąć 40–60% siarki, która jest składnikiem niepożądanym. W wyniku jej spalania powstają związki siarki SO_2 i SO_3, które w połączeniu z wodą działają niszcząco na elementy metalowe kotła. Wydalane w dużych ilościach do atmosfery wraz ze spalinami są jednym z głównych składników powodujących szkody w środowisku. Zawartość tlenu w paliwach stałych zależy od rodzaju tych paliw. Tlen bierze udział w procesie spalania, jednakże jego ilość w paliwie jest niewielka i nie jest wystarczająca do spalania. Azot nie jest gazem biorącym udział w procesie spalania i stanowi jedynie zbędny balast. Jego obecność w procesach spalania wynika z konieczności dostarczania powietrza do spalania paliwa. W wysokiej temperaturze w komorze spalania jest utleniany do tlenków azotu NOx, których szkodliwość jest równie duża jak tlenków siarki.

Popiół stanowi pozostałość po spalaniu paliwa, a w jego skład wchodzą różne związki chemiczne. Obecność popiołu obniża wartość opałową paliwa, utrudnia proces spalania, powoduje zanieczyszczenie powierzchni ogrzewalnych kotła, a unoszony w spalinach popiół zanieczyszcza środowisko.

Ważną cechą paliw stałych jest zawartość substancji lotnych. Substancje lotne wydzielają się podczas spalania w postaci gazów, jak CO, CO_2, CH_4, H_2O, CmHn i ułatwiają zapłon paliw stałych. Najważniejszymi wielkościami charakteryzującymi paliwa z punktu widzenia ich przydatności do celów energetycznych jest ciepło spalania Ws i wartość opałowa Wd.

W paleniskach kotłowych w Polsce spalane są gazy palne: ziemny, koksowniczy, wielkopiecowy. Gaz ziemny jest najbardziej pożądanym paliwem między innymi ze względu na niewielką ilość szkodliwych dla środowiska zanieczyszczeń. Jego zaletą, z punktu widzenia użytkownika, jest również to, że nie wymaga magazynowania na własnym terenie. Przykładowe składy chemiczne i wartość opałową krajowych paliw gazowych podano w tabeli 3.3 [92].

W paleniskach kotłowych spala się często trociny z tartaku; wysuszone trociny zawierają ok. 14% wilgoci, 0,6% popiołu, a ich wartość opałowa wynosi ok. 17 MJ/kg.

Tabela 3.3. Charakterystyka krajowych paliw gazowych – skład chemiczny i wartość opałowa [92]

Nazwa gazu

CO

%

H_2

%

CH_4

%

CmHn

%

CO_2

%

N_2

%

Wd

MJ/m^3

Ziemny wysokometanowy

–

1,0

92,0

–

0,4

6,0

35,6

Ziemny zaazotowany

–

0,5

56,0

–

0,3

43,0

20,9

Koksowniczy

3,4

56,8

23,9

2,2

2,2

9,7

17,6

Wielkopiecowy

31,0

2,3

0,3

–

9,0

57,4

3,98

Torf, produkt rozkładu roślin, jest typowym paliwem, które może być wykorzystywane lokalnie. Do spalania stosuje się go w stanie podsuszonym o zawartości wilgoci 40–50%; w stanie surowym może zawierać 85–90% wilgoci. Stosowany jest w postaci elementów formowanych. W przeliczeniu na masę suchą zawartość popiołu wynosi 3–10%. Przy wilgotności 30% wartość opałowa wynosi 12,56 MJ/kg, a przy wilgotności 50% – 8,37 MJ/kg. Przykładowy skład chemiczny i wartość opałową masy palnej torfu zamieszczono w tabeli 3.4 [92].

Tabela 3.4. Skład chemiczny masy palnej torfu, części lotne i wartość opałowa [92]

Rodzaj torfu

C

%

H

%

O

%

N

%

S

%

Części lotne

%

Wartość opałowa MJ/kg

Torf młody

53,5

5,2

39,0

2,3

0,2

75

20,4

Torf stary

61,5

6,2

29,0

3,3

0,3

67

23,3

W procesach przeróbki ropy naftowej otrzymuje się benzyny, oleje napędowe i oleje opałowe. Oleje opałowe są stosowane jako paliwo w kotłach, rzadziej do tego celu są stosowane oleje napędowe. Właściwościami olejów, których znajomość jest niezbędna z punktu widzenia ich transportu i spalania, są: gęstość, skład chemiczny, zawartość wody, popiołu, lepkość (w tym również zawartość tlenków wanadu w popiele), wartość opałowa, temperatura krzepnięcia.

Oleje opałowe wymagają magazynowania na terenie zakładu i następnie przetłaczania do spalania w kotle. Ciężkie oleje opałowe wymagają podgrzewania zarówno przy rozładunku, podczas transportu do kotłów, jak i bezpośrednio przed spalaniem. Podgrzewanie to jest niezbędne w celu uzyskania dobrego rozpylania i w przypadku ciężkich rodzajów olejów opałowych na potrzeby ogrzewania zużywa się nawet do 2% pary produkowanej w kotle.

Z paliw ciekłych do opalania kotłów lub w instalacjach rozpałkowych stosuje się najczęściej ciężkie oleje opałowe, które wymagają wstępnego podgrzewania. Przy rozładunku z cystern wymagana jest temperatura ok. 60°C. Aby umożliwić podawanie pompą, olej jest podgrzewany do temperatury 80°C; w tej temperaturze lepkość oleju wynosi 100–150°E. W celu zapewnienia prawidłowego rozpylania w palniku, lepkość powinna być obniżona do 3–5°E, co wymaga podgrzania do temperatury 120–140°C. Jako czynnik grzejny stosuje się parę wodną lub, co ma miejsce rzadziej, energię elektryczną.

Oleje opałowe zawierają znacznie większą liczbę substancji chemicznych niż gaz ziemny i z tego powodu spaliny zawierają większą liczbę składników gazowych i większą ilość popiołu. Spalanie olejów powoduje, szczególnie w niekorzystnych warunkach, powstawanie cząstek sadzy, która osiadając na powierzchniach wymiany ciepła po stronie spalin pogarsza intensywność wymiany ciepła i tym samym zmniejsza sprawność kotłów. Obecność znacznych ilości siarki powoduje, że przy temperaturze ścianek niższych od temperatury punktu rosy powstaje kwas siarkowy oddziałujący korozyjnie na ścianki podgrzewaczy powietrza, podgrzewaczy wody oraz metalowych elementów kanałów spalinowych i komina.

Zawartość popiołu w oleju, mimo że jest stosunkowo niewielka, 0,01–0,5%, ma wpływ na zanieczyszczenie powierzchni ogrzewanych kotłów. Szczególnie uciążliwa jest obecność tlenku wanadu V_2O_5 w popiele, który działa jak katalizator, ułatwiając tworzenie SO_2, a w temperaturze powyżej 450°C oddziałuje korozyjnie na stale stopowe.

3.1.3. Spalanie paliw

Spalanie paliw polega na szybkim procesie utleniania pierwiastków palnych: węgla C, wodoru H, siarki S zawartych w paliwie, z równoczesnym wydzielaniem się ciepła i wzrostem temperatury powstających produktów spalania. Paliwo składa się z substancji palnej i balastu. Do balastu w paliwach stałych i ciekłych zalicza się popiół i wilgoć, a w paliwach gazowych – azot, dwutlenek węgla i parę wodną.

Substancje doprowadzane do komory paleniskowej (powietrze i paliwo) są nazywane substratami procesu spalania, a produktami spalania są substancje wyprowadzane z komory paleniskowej; są to spaliny w postaci gazowej, cząstki stałe i ciekłe. W tabeli 3.5, na podstawie [92], są przedstawione równania reakcji zupełnego spalania pierwiastków palnych i niektórych paliw gazowych.

Tabela 3.5. Reakcje zupełnego spalania pierwsiastków palnych i niektórych paliw gazowych, wg [92]

Lp.

Reakcja

Ciepło spalania

Wartość opałowa

1

C + O_2 = CO_2

33 913 kJ/mn^3

33 913 kJ/mn^3

2

H_2 + ½O_2 = H_2O

12 770 kJ/mn^3

10 760 kJ/mn^3

3

S + O_2 = SO_2

9064–12 351 kJ/kg

4

C + ½O_2 = CO

10 216 kJ/kg

10 216 kJ/kg

5

CO + ½O_2 = CO_2

12 644 kJ/mn^3

12 644 kJ/mn^3

6

CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2O

39 858 kJ/mn^3

35 672 kJ/mn^3

7

C_2H_4 + 3O_2 = 2CO_2 + 2H_2O

64 016 kJ/mn^3

59 955 kJ/mn^3

W zależności od warunków, w których odbywa się spalanie, może występować spalanie całkowite lub niecałkowite oraz zupełne lub niezupełne. Spalanie zupełne i spalanie całkowite polega na spaleniu w całości substancji palnych zawartych w paliwie w taki sposób, że końcowymi produktami spalania odbywającego się według wymienionych reakcji są tylko gazy CO_2, SO_2, H_2O. Na skutek niedoskonałości procesów spalania jego produkty zawierają pewne ilości substancji palnej (sadza, lotny koksik, przesyp pod ruszt, pozostałości węgla w żużlu), co zmniejsza ilość uzyskanej energii użytecznej. Jeżeli produkty spalania zawierają stałe składniki palne, to jest to spalanie niecałkowite. Przyjmuje się, że jedynym składnikiem palnym w stałych produktach spalania jest pierwiastek węgiel. Natomiast jeżeli w produktach spalania znajdują się gazy palne, takie jak CO, H_2, CH_4, to jest to spalanie niezupełne. Spalanie węgla według reakcji 4., związane z wydzielaniem się tlenku węgla CO, jest przykładem spalania niezupełnego. Reakcja ta występuje głównie wtedy, gdy proces spalania odbywa się przy niedostatecznej ilości tlenu. Możliwe jest dopalenie CO według reakcji 5.