В настоящее время и в будущем будет нарастать актуальность эффективности производства вторичной энергии, в частности, тепловой и электрической, так как стоимость первичных (ископаемых) источников энергии будет возрастать.
Рост стоимости энергоресурсов – это закономерный, цивилизационный процесс, особенно в условиях современной парадигмы мирового, экономического развития, когда от стоимости энергоресурсов зависит успешность экономики различных по уровню развития государств, а значит их благосостояние и баланс интересов в мире.
На этот процесс накладывают свой отпечаток экологические проблемы применения ископаемых углеводородов. Темп увеличения мирового потребления природного газа (ПГ) особенно ярко характеризует эти процессы, в свете современной дилеммы мирового энергетического развития: с одной стороны – необходимость увеличения потребности в энергии (увеличение численности населения Земли), с другой – необходимость решения экологической проблемы применения ископаемых углеводородных топлив: выбросы СО2; утечки метана при его добыче и транспортировке; выбросы метана при добыче угля (метан угольных пластов); общее потепление климата, способствующее «размораживанию вечной мерзлоты», приводящей к неконтролируемым выбросам метана из оттаивающих пород Земли.
Именно поэтому встает вопрос эффективности производства и потребления электрической, а для «холодных» северно-широтных стран, и тепловой энергии. Парижское соглашение 2015 года о сокращении выбросов «парниковых газов» не приводит к существенному прогрессу в этом вопросе, более того, США - мировой лидер по потреблению вторичной энергии на душу населения, - выходят из этого соглашения, и вслед за ними в развитых странах мира нарастает тенденция к возобновлению угольной теплоэлектрогенерации.
Примером может являться увеличение угольной генерации даже в такой развитой стране как Германия, где возобновляемые источники энергии, в частности солнечные электростанции и ветропарки, уже не диковинка, а вполне устойчивая промышленная технология, не говоря уже о Китае – мировом лидере угольной электргогенерации. В этом аспекте, перспективой становится применение в электро-, теплогенерации нетрадиционных топлив, таких как синтетические, углеводородные топлива: газообразные (синтез-газ по технологии газификации угля) или жидкие (восстановление, поликонденсация «парникового газа» - СО2), а также до сих пор не нашедшего применения в качестве топлива синтетического аммиака.
Однако, эти топлива, до сегодняшнего дня, не нашли широкого применения в промышленной энергетике, в связи с большими затратами на производство синтетического углеводорода по известным технологиям и в связи с особенностями применения аммиака в качестве топлива – необходимость поддержания большой температуры горения (60-700 0С) и, как следствие, применение его в комбинации с высококалорийными топливами, в основном, газообразными – ацетилен (жидкостный ракетный двигатель), пропан и метан (двигатель внутреннего сгорания).
Технология «H (A) C O N» - это энергоэффективный и простой по технологическому оформлению способ утилизации газовых выбросов угольной или газовой (в зависимости от типа топлива) тепло-электростанции (ТЭС), по патенту RU №2620061, с получением синтетического аммиака и синтетического жидкого углеводорода (СЖУ); а также коммерческого продукта - серной кислоты (для варианта угольной ТЭС).
Ниже представлены расчеты эффективности применения указанной выше технологии для ТЭС мощностью 2400 МВт в следующих топливных вариантах:
Угольная ТЭС
1. Баланс веществ, применяемых и образующихся на ТЭС:
- Топливо (энергетический уголь) - 1000 т/час;
- Твердые и газовые выбросы (всего) - 4000 т/час, в том числе:
Твердые выбросы, улавливаемые электрофильтрами:
- Зола – 193,5 т/час,
- Шлак - 34,5 т/час;
Твердые выбросы, не улавливаемые электрофильтрами:
- Зола – 2,0 т/час.
Газовые выбросы в атмосферу через дымовую трубу, в том числе:
- NOx-газы - 9,4 т/час,
- Пар водяной (Н2О) – 251 т/час,
- Двуокись углерода (CO2) – 2350 т/час,
- Азот воздуха (N2) – 1125,6 т/час,
- Сернистый ангидрид (SO2) - 34 т/час.
2. По патенту RU №2620061 из указанного выше количества газовых выбросов можно получить следующие продукты:
- из двуокиси углерода (СО2) - синтетический, жидкий углеводород (СЖУ), в количестве - 235 т/час;
- из азота воздуха и NOx-газов - синтетический аммиак (NH3), в количестве - 1362 т/час;
- из сернистого ангидрида (SO2) – серную кислоту (H2SO4), в количестве – 36 т/час;
- из водяного пара – пресную, оборотную, технологическую воду, в количестве - 251 т/час.
3. Горючие продукты – СЖУ и аммиак, используются на ТЭС в качестве топлив, вместе с основным топливом – углем, в следующих количествах:
- уголь, с расходом ½ от необходимого значения - 500 т/час;
- СЖУ, с расходом - 117,5 т/час;
- аммиак (газообразный), с расходом - 307,3 т/час.
Суммарное количество выделяемого тепла при сгорании комбинации топлив составит:
По углю - 500,0 т/час х 22,0 Мдж/кг = 11000 х 103 МДж/час
По СЖУ - 117,5 т/час х 40,0 МДж/кг = 4700 х 103 МДж/час
По аммиаку - 307,3 т/час х 20,5 МДж/кг = 6300 х 103 МДж/час
Итого: 22000 х 103 МДж/час,
что эквивалентно сгоранию 1000 т/час угля для выработки электроэнергии, при указанной выше расчетной мощности ТЭС - 2400 МВт:
1000 т/час х 22 МДж/кг = 22000 х 103МДж/час.
4. При этом, для получения СЖУ в количестве 117,5 т/час и аммиака в количестве 307,3 т/час необходимо 1000 т (с учетом запаса на технологические потери) оборотной пресной воды в замкнутом цикле получения этих топлив, так как при сгорании СЖУ и аммиака образуется водяной пар (вода).
5. Около 0,2% вырабатываемой электрической мощности ТЭС затрачивается на технологию получения СЖУ и аммиака.
6. Получаемый при сжигании топлив водяной пар - пресную воду в количестве - 125 т/час, используют как оборотную, технологическую.
7. Из выбросов сернистого ангидрида (SO2) получают коммерческий продукт – серную кислоту (H2SO4).
Газовая ТЭС
1. Баланс веществ, применяемых и образующихся на ТЭС:
- Топливо (природный газ) - 520 тыс. м 3 /час.
- Газовые выбросы - 3500 т/час, в том числе:
Газовые выбросы в атмосферу через дымовую трубу, в том числе:
- NOx-газы - 3,3 т/час,
- Сернистый ангидрид (SO2) - 0,004 т/час,
- Водяной пар - 548 т/час,
- Двуокись углерода (CO2) - 1000 т/час,
- Азот воздуха (N2) - 1948 т/час.
2. По патенту RU №2620061 из указанного выше количества газовых выбросов можно получить следующие продукты:
- из двуокиси углерода (CO2) –синтетический жидкий углеводород (СЖУ), в количестве - 100 т/час;
- из азота воздуха и NOx-газов - синтетический газообразный аммиак (NH3), в количестве – 2300 т/час;
- из водяного пара – пресную, оборотную технологическую воду, в количестве – 548 т/час.
3. Горючие продукты СЖУ и аммиак, используются на ТЭС в качестве топлив, вместе с основным топливом – природным газом, в следующих количествах:
- природный газ – с расходом ½ от необходимого значения – 260 тыс.м3 /час;
- СЖУ, с расходом - 50 т/час; - аммиак (газообразный), с расходом – 551,2 т/час.
Суммарное количество выделяемого тепла при сгорании комбинации топлив составит:
По природному газу 260 тыс. м 3 /час х 33,5 МДж/м3 = 8700 х 103 МДж/час;
По СЖУ - 50 т/час х 40 МДж/кг = 2000 х 103МДж/час;
По аммиаку - 551,2 т/час х 22,5 МДж/кг = 11300 х 103 МДж/час,
Итого: 22000 х 103 МДж/час, что эквивалентно выработке 2400 МВт, в варианте угольной ТЭС.
4. При этом, для получения СЖУ и аммиака необходимо такое же технологическое обеспечение, как в варианте для угольной ТЭС (см. выше), при этом увеличиваются до 0,3% от выработки электроэнергии ТЭС, суммарные энергетические затраты на их получение, что связано с увеличенным расходом аммиака, по сравнению с угольной ТЭС.
5. Получаемый при сжигании топлив водяной пар – пресную воду, в количестве - 270 т/час, используют, как оборотную, технологическую.
Выводы. Технология утилизации газовых выбросов «H (A) C O N» позволяет для ТЭС мощностью 2400 МВт:
УМЕНЬШИТЬ В ДВА РАЗА потребление ископаемого, энергетического углеводорода – угля, с 1000 тонн/час до 500 тонн/час, или природного газа, с 520тыс. м3 /час до 260 тыс. м3 /час, что снижает сырьевые издержки и повышает рентабельность ТЭС;
Полностью утилизировать газовые выбросы ТЭС: NOx-газы, СО2 - «парниковый газ», превратив их в топлива ТЭС – синтетический аммиак и СЖУ, а в варианте угольной ТЭС получить из сернистого ангидрида (SO2) коммерческий продукт - серную кислоту;
Использовать водяной пар (пресную воду) в водооборотных технологиях ТЭС.
Спасибо всем, дочитавшим этот немаленький опус на тему будущего энергетики :) Надеюсь, что данный труд найдет отклик у заинтересованной публики, и мы продолжим изобретать новые технологии, возможно, уже вместе с вами.
