Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

16.2: Гірничодобувна промисловість, переробка та генерація електроенергії

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    3830

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Викопне паливо повинно бути видобуто або видобуто перед використанням, а конкретний метод залежить від типу викопного палива. Вугілля та природний газ і в основному використовується для виробництва електроенергії, тоді як нафта переробляється для виробництва палива для транспортних засобів, літаків та опалення, а також інших продуктів.

    Вугілля

    Майнінг

    Вугілля видобувається двома основними методами, з яких існує безліч варіантів: поверхневий видобуток або видобуток надр. Поверхневий видобуток використовує великі машини для видалення ґрунту та шарів гірських порід, відомих як розкривні навантаження, для оголення вугільних пластів, близьких до поверхні Землі (малюнок\(\PageIndex{a}\)). Стрічковий видобуток - це вид поверхневого видобутку, при якому з кожної ділянки (смуги) землі послідовно видаляється вскришне навантаження. Після того, як з першої смуги видаляється вскришка, вугілля видаляють. Покриття з другої смуги потім відкладається в першу смугу, а з другої смуги видаляється вугілля. Покриття з третьої смуги потім укладається в першу смугу і так далі. Зняття гірської вершини - більш руйнівний вид поверхневого видобутку, при якому весь вскришне навантаження видаляється вибухівкою, розкриваючи відразу весь вугільний пласт (рис.\(\PageIndex{b}\)). Велика маса вскрилих (вершина гори) скидається в довколишню долину, а вугілля з них видаляють.

    Великий, жовтий машини вугілля, який виглядає як чорний порошок з більшими чорними грудочками в ньому
    Малюнок\(\PageIndex{a}\): Поверхневий видобуток вугілля в штаті Вайомінг. Зображення Бюро землеустрою (суспільне надбання).
    Контур колишнього контуру гори. Покриття було скинуто в прилеглу долину, щоб виявити вугільний пласт.Безплідний сплющений ландшафт ділянки видалення вершини гори
    Малюнок\(\PageIndex{b}\): Зліва: Видалення на вершині гори використовує вибухові речовини для розпушення розкривного навантаження на вершині гори, яка потім переміщується в сусідню долину (заливка долини). Потім видобувається підстилаючий вугільний пласт. Осадовий ставок збирає грунт, який розмивається з заливки долини. Зображення EPA (суспільне надбання). Праворуч: Місце видалення вершини гори. Зображення JW Randolph (суспільне надбання)

    Підземна розробка (глибока видобуток) використовує підземні тунелі для доступу до більш глибоких родовищ (рис.\(\PageIndex{c}\)) Деякі підземні шахти глибиною тисячі футів і простягаються на милі. Шахтарі їздять на ліфтах по глибоких шахтних шахтах і їздять невеликими поїздами в довгих тунелі, щоб дістатися до вугілля. Шахтарі використовують великі машини, які викопують вугілля. У дрейфових шахтах тунель виривається горизонтально в сторону гори. У схильних шахтах цей тунель діагональний. У шахтних шахтах елеватори використовуються для переміщення вугілля по вертикальних тунелів.

    Ділянка землі відкриває шахти елеваторів і горизонтальні і діагональні тунелі для доступу вугілля. Споруди і купи видобутого вугілля знаходяться на поверхні.
    Малюнок\(\PageIndex{c}\): Видобуток надр передбачає риття тунелів для доступу до родовищ вугілля, які знаходяться глибоко під зем Зображення Національного проекту розвитку енергетичної освіти/ОВД (суспільне надбання)

    Переробка вугілля

    Після видобутку вугілля може перейти на збагачувальний завод, розташований поблизу гірничого майданчика, де його очищають та обробляють для видалення домішок, таких як гірські породи та бруд, зола, сірка та інші небажані матеріали. Цей процес збільшує кількість енергії, яку можна отримати з одиниці вугілля, відомої як його нагрівальна здатність.

    Перевезення вугілля

    Нарешті, видобуте і перероблене вугілля необхідно транспортувати. Транспортування може коштувати дорожче, ніж видобуток вугілля. Майже 70% вугілля, що доставляється в США, транспортується, принаймні протягом частини поїздки, поїздом (рисунок\(\PageIndex{e}\)). Вугілля також можна транспортувати баржею, судном або вантажівкою. Вугілля також можна подрібнити, змішати з водою, і направляти по шламопроводу. Іноді вугільні електростанції будують поблизу вугільних шахт, щоб знизити транспортні витрати.

    Вагони поїзда, наповнені вугіллям у вигляді чорних шматків
    Малюнок\(\PageIndex{e}\): Вантажний поїзд, завантажений вугільними брикетами, утвореним з стисненого вугільного пилу, в місті Морвелл, штат Вікторія, Австралія. Зображення та підпис (модифіковані) CSIRO (CC-BY).

    Виробництво електроенергії з вугілля

    Потрапивши на електростанції, вугілля спочатку подрібнюють в дрібний порошок, а потім змішують з гарячим повітрям і видувають в піч (рис.\(\PageIndex{f}\)). Це дозволяє максимально повне згоряння (горіння) і максимальне виділення тепла. Очищена вода, що перекачується по трубах всередині котла, перетворюється в пар теплом від згоряння вугілля. Високий тиск пари, що штовхає на ряд гігантських лопаток турбіни, повертає вал турбіни. Вал турбіни з'єднаний з валом генератора, де магніти обертаються всередині дротяних котушок для отримання електроенергії. Після виконання своєї роботи в турбіні пар втягується в конденсатор, велику камеру в підвалі електростанції. На цьому важливому етапі мільйони галонів прохолодної води з сусіднього джерела (наприклад, річки чи озера) перекачуються через мережу трубок, що проходять через конденсатор. Прохолодна вода в трубках перетворює пар назад у воду, яку можна використовувати знову і знову в рослині. Охолоджуюча вода повертається до свого джерела без будь-яких забруднень, за винятком більш високої температури, ніж при першому видобутку з річки або озера.

    Дим, випущений з бурого, металевого вугілля електростанції на пагорбіРозділ через вугільну електростанцію показує спалювання вугілля в печі, виробляючи пар, який перетворює турбіну для вироблення електроенергії.
    Малюнок\(\PageIndex{f}\): Зліва: Вугільна електростанція в Хелпері, штат Юта. Праворуч: Схема типової вугільної електростанції парового циклу (виходячи зліва направо). Вугілля надходить в котел (топку), де і спалюється. При цьому кип'ятять воду, виробляючи пар. Пар повертає турбіну, жививши генератор. Отриману електрику пропускають через трансформатор (який змінює напругу) і потім направляється по лініях електропередачі. Пара охолоджується і конденсується назад до рідкої води в конденсаторі. Це фасилітатор, охолоджуючи воду з сусідньої річки. Праворуч зображення від органу долини Теннессі (суспільне надбання).

    У цьому відео показано, як теплова енергія може бути використана для виробництва електроенергії.

     

    Нафта і природний газ

    Видобуток звичайної нафти та природного газу

    Звичайна нафта і природний газ містяться під пасткою (ковпачком породи). Оскільки природний газ складається з більш легких молекул, які знаходяться в газоподібній формі при помірних температурах, він знаходиться поверх нафти, яка може плавати на грунтових водах. Для доступу до звичайної нафти і природного газу пастку спочатку проколюють. Спочатку вони знаходяться під досить високим тиском, і це виганяє їх зі свердловини (первинне відновлення). Далі вода (або газ) впорскується, щоб змусити більше викопного палива виходити (вторинне відновлення). Нарешті, посилене видобуток нафти (третинне відновлення) може бути використано для подальшого видобутку нафти шляхом застосування тепла (впорскування пари) або впорскування вуглекислого газу, інших газів або більших молекул. Наприклад, вуглекислий газ змушує масло розріджуватися і розширюватися, полегшуючи його видалення з гірських порід. Зверніть увагу, що вторинне відновлення просто збільшує тиск всередині пласта, тоді як третинне відновлення змінює властивості нафти, полегшуючи її видобуток (рис.\(\PageIndex{g}\)). Кожен етап відновлення обходиться все дорожче, а видобуток зі свердловини триває до тих пір, поки залишається прибутковим.

    Нагнітальні свердловини для водовідведення та підвищення видобутку нафти. Нафта рухається вгору через видобувну свердловину.
    Малюнок\(\PageIndex{g}\): Ін'єкційні свердловини переносять воду, вуглекислий газ або інші речовини на нафтовий родовище збільшують тиск або змінюють властивості нафти, полегшуючи видобуток. Праворуч знаходиться видобувна свердловина, по якій протікає видобута нафта. Цьому сприяє ін'єкційна колодязь для посиленого одужання. Зліва знаходиться нагнітальний колодязь для утилізації наскрізь зі стічними водами (добута вода) зберігається під землею. Кілька обмежувальних утворень затримують речовини під землею. Ближче до вершини знаходиться база підземних джерел питної води, що означає, що вся питна вода видобувається зверху цієї точки. Зображення урядової служби підзвітності (суспільне надбання).

    Нафта в основному отримують шляхом буріння або на суші (на суші), або в океані (на шельфі). Раннє морське буріння, як правило, обмежувалося районами, де вода була глибиною менше 300 футів. Бурові установки для нафти та природного газу тепер працюють у воді глибиною до двох миль. Плавучі платформи використовуються для буріння в більш глибоких водах (рис.\(\PageIndex{h}\)). Ці самохідні судна кріпляться до дна океану за допомогою великих тросів і якорів. З цих платформ пробурені свердловини, які також використовуються для спуску виробничого обладнання на дно океану. Деякі бурові платформи стоять на ходулоподібних ніжках, які вбудовані в дно океану. Ці платформи вміщують все необхідне бурове обладнання, а також житлові та складські приміщення для робочих бригад. Офшорне видобуток коштує набагато дорожче, ніж наземне видобуток.

    Чотири червоні стовпи підтримують платформу, яка виходить з океану, підтримуючи морське буріння
    Малюнок\(\PageIndex{h}\): Платформа для морського буріння нафти. Зображення Pixabay/КерідДжексон (ліцензія Pixabay).

    Видобуток нетрадиційної нафти та природного газу

    Щільне нафта та природний газ, що потрапили в сланці, а також природний газ у щільних пісках видобуваються за допомогою гідравлічного розриву пласта, неофіційно іменованого «фрекінгом». Цей процес використовує вибухові речовини для створення нових тріщин у цих породах з низькою проникністю, а також збільшення розміру, ступеня та зв'язності існуючих тріщин, а потім застосовує рідину високого тиску. Спочатку бур пронизує шари гірських порід, а потім йде горизонтально. Вибухові речовини потім руйнують гірські породи, звільняючи нафту і природний газ. Нарешті, вода, пісок і хімічні речовини і впорскуються, які вимивають нафту і природний газ (рис.\(\PageIndex{i}\)).

    Ділянка Землі показує взаємозв'язок між фрекінгом, сейсмічною активністю та підземними водами в неглибоких і глибоких водоносних горизонтах.Ділянка Землі з п'ятьма етапами в процесі фрекінгу
    Малюнок\(\PageIndex{i}\): Дві схеми фрекінгу. Вода змішується з піском та хімічними речовинами, а потім впорскується в сланці, що захоплює щільну нафту та природний газ або щільний пісок. Це вимиває викопне паливо з тріщин, які раніше були створені вибуховими речовинами. Вгорі: У цьому розділі показано чотири підземні шари. Зверху вниз вони являють собою неглибокий водоносний шар, водоносний шар (непроникний шар), глибокий водоносний шар і інший водоносний шар. Фракінг рідина нагнітається під землею через свердловину, оточену обсадною трубою в газоносний пласт. Метан (червоні стрілки) може втекти від гідравлічних переломів у цій формації. Крім того, коли переломи перетинаються з раніше існуючим розломом, можлива індукована сейсмічність (землетруси). Надземна рідина для фрекінгу зберігається в водоймах стічних вод. Сині стрілки та знаки питання вказують на місця, де токсичні стічні води можуть виходити та забруднювати ґрунтові води, такі як резервуари для зберігання, водойми для стічних вод, кожух або несправності. Дно: Правильна обробка та утилізація стічних вод необхідна для обмеження впливу на навколишнє середовище. 1: Вода придбана. 2: Хімічні речовини змішуються. 3: У свердловину впорскується рідина. Тут природний газ надходить з тріщин у свердловину. 4: Фракінг призводить до зворотного потоку та виробленої води (стічних вод). 5: Стічні води проходять очистку та утилізацію. Нижнє зображення USGS (суспільне надбання).

    Як уже згадувалося раніше, бітум в гудьогтяних пісках може бути витягнутий шляхом впорскування пари, або їх можна добувати для подальшої переробки. Дігтярні піски можуть видобуватися за допомогою стрічкового видобутку або видобутку відкритих кар'єрів, типу поверхневого видобутку, який передбачає формування поступово глибшої свердловини. Стінки ями настільки круті, наскільки можна сміливо керувати. Крута стіна означає, що є менше відходів перевантаження для видалення і є інженерним балансом між ефективною гірничодобувною промисловістю та масовими витратами. Нафтовий сланець видобувається шляхом стрічкового видобутку, створення підземних шахт, або видобутку відкритих кар'єрів. Масляний сланець можна спалювати безпосередньо як вугілля або запікати в присутності водню для видобутку рідкої нафти (рис.\(\PageIndex{j}\)).

    Жовте обладнання під землею збирає сланці. Скельні шари на задньому плані шаруваті.
    Ілюстрація\(\PageIndex{j}\): Підземна видобуток сланців в Естонії.

    Переробка сирої нафти

    Результатом видобутку нафти є сира нафта (нафта), яка містить багато видів вуглеводнів, а також деякі небажані речовини, такі як сірка, азот, кисень, розчинені метали та вода, змішані разом. Таким чином, необроблена сира нафта, як правило, не є корисною в промислових застосуваннях і повинна бути спочатку розділена на різні корисні продукти (нафтохімікати) на нафтопереробному заводі. Бензин (бензин), дизель, дьоготь та асфальт - приклади нафтохімії.

    Фракційна дистиляція є ключовим процесом, що використовується на нафтопереробних заводах для поділу компонентів сирої нафти. Під час фракційної перегонки сиру нафту нагрівають, а потім дають охолонути. Найважчі склади опускаються на дно у вигляді залишків. Компоненти випареної сирої нафти конденсуються на різних рівнях в ректифікаційній колоні в залежності від температури їх кипіння, що в першу чергу обумовлено їх молекулярними розмірами. Найважчі сполуки (конденсуються біля нижньої частини колони, де температура ще висока. Більш легкі сполуки конденсуються при більш холодних температурах вище в колоні. Деякі сполуки залишаються у вигляді газів у верхній частині колони (рис.\(\PageIndex{k}\)).

    Дистиляційна колона показує нафтохімічні речовини, розділені температурою кипіння
    Малюнок\(\PageIndex{k}\): Процес фракційної дистиляції передбачає нагрівання сирої нафти і надання компонентів охолонути. Коли вони рухаються вгору по ректифікаційній колоні, вони конденсуються на різних рівнях залежно від їх температури кипіння. Найважчі сполуки мають найвищу температуру кипіння і конденсуються внизу колони, тоді як легші сполуки (низька температура кипіння) конденсуються вгорі. Від найнижчої до найвищої точки кипіння виробляються нафтохімічні речовини - це залишковий мазут (1050° F), важкий газойль (650-1050° F), дизельне та нагрівальне масло (450-650° F), гас та реактивне паливо (350-450° F), нафта (використовується для виготовлення бензину, розчинників, очисних розчинів тощо; 185-350° F), компоненти змішування бензину (85- 450° F) 185° F), а також бутан і легші продукти (< 85° F). Зображення Адміністрації енергетичної інформації США (публічне надбання).

    Відео нижче пояснює процес фракційної перегонки. Маркована ректифікаційна колона о 3:00 показує нагріту сиру нафту (400° C), що розділяється на різні нафтохімічні речовини. Знизу вгору вони є бітумом (> 350° C), дизельним паливом (250-350° C), гасом (160-250° C), нафтою (70-160° C), бензином (20-70° C) та газом (< 20° C).

    Конверсія - це хімічна обробка, при якій деякі фракції (отримані в результаті фракційної перегонки) перетворюються в інші продукти. Наприклад, НПЗ може перетворювати дизельне паливо в бензин в залежності від попиту на бензин. Перетворення може включати розрив більших вуглеводневих ланцюгів на менші (розтріскування), об'єднання менших ланцюгів у більші (уніфікація) або перестановку молекул на створені бажані продукти (зміна).

    Обробка проводиться для фракцій для видалення домішок, таких як сірка, азот та вода серед інших. Нафтопереробні заводи також об'єднують різні фракції (оброблені та необроблені) в суміші для отримання бажаної продукції. Наприклад, різні суміші вуглеводневих ланцюгів можуть створювати бензини з різним октановим числом, з присадками і без них, мастила різної ваги і марок (WD-40, 10W-40, 5W-30 і т.д.), мазут для нагрівання і багато інших. Продукти зберігаються на місці, поки вони не можуть бути доставлені на різні ринки, такі як АЗС, аеропорти та хімічні заводи.

    The 42 американський галон бареля сирої нафти дає близько 45 галонів нафтопродуктів через збільшення переробки НПЗ (рисунок\(\PageIndex{l}\)). Це збільшення обсягу схоже на те, що відбувається з попкорном, коли він вискакує. Бензин становить найбільшу частку всіх одержуваних нафтопродуктів. Інші продукти включають дизельне паливо та мазут, реактивне паливо, нафтохімічну сировину (для виробництва пластмас, синтетичного каучуку або інших хімічних речовин), воски, мастильні масла та асфальт.

    Кольорові смуги, що заповнюють бочку нафти, масштабуються, щоб представляти галони кожного виробу, виготовленого з нього.
    Малюнок\(\PageIndex{l}\): Основна продукція (вимірюється в галонів), виготовлена з бареля сирої нафти в 2019 році. До них відносяться залишковий мазут (0,9 галонів), вуглеводневий газ (1,5), інші продукти (6,0), реактивне паливо (4,4), дистилят (12,5) та бензин (19,4). Примітка: 42-галонний (США) барель сирої нафти дає близько 45 галонів нафтопродуктів через збільшення переробки НПЗ. Сума кількості добутку на зображенні може не дорівнювати 45 через незалежне округлення. Зображення ОВД (суспільне надбання).

    Транспортування нафти та природного газу

    Після НПЗ створений бензин та інші види палива готові до розподілу для використання. Система трубопроводів проходить по всій території Сполучених Штатів для транспортування нафти і палива з одного місця в інше. Є трубопроводи, які транспортують сиру нафту з нафтової свердловини на НПЗ. На НПЗ є додаткові трубопроводи, які транспортують готову продукцію до різних складських терміналів, де її потім можна завантажити на вантажівки для доставки, наприклад, на АЗС.

    Як тільки природний газ видобувається з підземних скельних утворень, він направляється трубопроводами до сховищ, а потім до кінцевого споживача. Сполучені Штати мають велику трубопровідну мережу, яка транспортує газ майже в будь-яке місце в нижчих 48 штатах. Існує понад 210 систем газопроводів природного газу, що використовують понад 300 000 миль міждержавних та внутрішньодержавних транспортних трубопроводів (рис.\(\PageIndex{m}\)). Компресорні станції, які підтримують тиск на природний газ, щоб підтримувати його рух по системі. Є понад 400 підземних сховищ природного газу, які можуть утримувати газ, поки він не знадобиться назад в системі для доставки.

    Грунт зміщується, і збирається товста блідо-блакитна трубка (трубопровід доступу Dakota).
    Малюнок\(\PageIndex{m}\): Будівництво суперечливого трубопроводу доступу Dakota, який простягається від Північної Дакоти до Іллінойсу На фото частина трубопроводу знаходиться в Центральній Айові. Ви можете дізнатися більше про протести 2016 року проти цього трубопроводу тут. Зображення трубопроводу доступу Dakota (CC-BY).

    Виробництво електроенергії з нафти або природного газу

    Природний газ спалюється для отримання електроенергії за тим же загальним процесом, що використовується на вугільній електростанції (рис.\(\PageIndex{n}\)). Нафта іноді використовується для виробництва електроенергії, а також.

    Камера згоряння і турбіна. Нафта і газопроводи подають камеру згоряння.
    Малюнок\(\PageIndex{n}\): Ця камера згоряння спалює або природний газ, або нафту. Паливо надходить по магістралі природного газу або з нафтосховища в камеру згоряння. Повітря проходить через повітрозабірник і стискається в компресорі. Природний газ і стиснене повітря змішуються зі стисненим повітрям в камері згоряння і спалюються. Гази згоряння високого тиску обертають турбіну, яка приводить в рух генератор. Отриманий електричний струм потім пропускається через трансформатор, який змінює напругу. Зображення та підпис (модифіковані) Адміністрацією долини Теннессі (суспільне надбання).

    Атрибуції

    Модифікований Мелісою Ха з наступних джерел: