«Актуальные перспективы энергообеспечения, - Ким С.Г., Мамбетерзина Г.К.»

Перспективы энергообеспечения жизнедеятельности человечества можно разделить на актуальные и "перспективные". "Перспективные перспективы" энергообеспечения - это водородная энергетика, биоэнергетика, термоядерная энергетика, космическая энергетика, … . Они будут осваиваться, но лет через 50-200 и более. Актуальные же перспективы энергообеспечения - это то, что необходимо делать или начинать делать уже сейчас. Такая "поспешность" вызвана тем, что в условиях истощения углеводородных ресурсов, радиационной опасности атомной энергетики, экологической ущербности гидроэлектроэнергетики, которыми осуществляется львиная доля энергообеспечения всех сфер жизнедеятельности человечества, проблема достаточного энергообеспечения уже сейчас требует разработок и поэтапного освоения все новых и более эффективных технологий энергопроизводства. При этом необходимо максимально обеспечить экологическую безопасность не только местную, но и глобальную, поскольку прогрессирующие изменения климата и состояния озонового слоя атмосферы угрожают более бедственными, катастрофическими и трагическими последствиями, чем энергетическая "недостаточность".

В настоящее время более 80% энергии производится сжиганием жидкого и газообразного углеводородного топлива. Но на нефтяных и газовых глубинных "кладовых" природы по данным авторитетных источников человечество может продержаться в лучшем случае до конца текущего столетия. В то время как природных кладовых твердого топлива - углей, сланцев, торфа хватит на 600-1000 лет. К тому же стоимость твердого топлива на порядок ниже углеводородного топлива. Очевидно также, что разница в их ценах со временем будет только нарастать. При таких ресурсных и ценовых соотношениях вполне закономерно возрождение угольной энергетики, с которой начиналась промышленная революция в 19-м веке. В США, Германии, Великобритании и России уже ведутся обширные работы по увеличению доли угольной электроэнергетики. Однако, уровень экологической обстановки (и без того нестабильного) с возрождением твердотопливного энергопроизводства может обрушиться вследствие увеличения выбросов дымового углекислого газа, поскольку сжигание углей гораздо более "углекислотно" по сравнению со сжиганием углеводородов.

В последние годы разработано и испытано несколько способов эффективного сжигания углей со значительным сокращением вредных выбросов в атмосферу. Тем не менее, углекислотные выбросы угольных электростанций остаются все еще самыми высокими. Это не удивительно, поскольку полное сжигание, например, одной тонны чистого угля сопровождается выбросом в атмосферу около трех с половиной тонн углекислого газа.

Очевидно, что для перехода на угольную электроэнергетику необходимы топочные технологии, снижающие дымовые выбросы углекислого углекислого газа углекислого газа слого газа в атмосферу. В последние годы, в рамках мероприятий по сокращению выбросов углекислого газа в атмосферу, диктуемых Киотским Протоколом по борьбе с Глобальным Потеплением Климата, углекислый газ собирают, концентрируют, конденсируют и консервируют захоронением в подземных пустотах или в морских и океанических глубинах. Но затраты на такие мероприятия равносильны сокращению кпд электростанции на 8-10%. Поскольку кпд тепловой электростанции обычно составляет 37-39%, то это означает 25%-е сокращение мощности электростанции. Кроме того, нет уверенности в том, что захороненный углекислый газ не вырвется наружу со временем или в результате тектонических процессов как естественных, так и искусственных. Несмотря на то, что такая технология по рекомендации ООН уже практикуется (точечно) в некоторых развитых странах, ее повсеместное использование сомнительно и бесперспективно.

Приемлемым способом сокращения дымового углекислого газа может быть возврат дыма в топку. Но если возвращать 100% дыма в топку, то, очевидно, топка погаснет. Поэтому возвращать в топку можно только часть дыма, скажем, до 30%, чтобы топка не потухла. Но это означает снижение выбросов углекислого газа в атмосферу на 30%, что уже неплохо. Даже замечательно, поскольку одновременно пропорционально экономится топливо. Возвращенная часть углекислого газа взаимодействует с раскаленным углем при температуре уже 1200-1300 градусов Цельсия (в горящем угле достигаются гораздо более высокие температуры). Одна молекула углекислого газа при взаимодействии с раскаленным углем дает две молекулы угарного газа, которые в топке же и при более низких температурах (500-700 градусов Цельсия) сгорают до двух молекул дымового углекислого газа с выделением довольно большого количества теплоты.

Дым угольной топки обычно всегда содержит водяные пары, во-первых, от воды, которая обязательно содержится в загрузочном угле, во-вторых, во вдуваемом воздухе. Иногда специально впрыскивают воду в угольную топку для получения генераторного и водяного газов, состоящих из водорода и угарного газа в различных соотношениях. Обычно генераторный газ и водяной газ производят в газогенераторах и используют в промышленном синтезе других ценных материалов, например, метанола. В топке же угольной электростанции, образующиеся генераторный и водяной газы не имеет смысла отделять и собирать в отдельные емкости. Эти горючие газы для целей производства электроэнергии следует сжигать прямо в топке. Но это означает, что и углекислый газ и вода выступают в роли дополнительного топлива, что с учетом их практически нулевой стоимости экономит основное твердое топливо, а значит, повышает кпд электростанции и снижает стоимость электрической энергии. Конечно, не весь тепловой эффект от сжигания в топке генераторного и водяного газов идет на повышение кпд. Часть его идет, на покрытие эндотермичности реакций их образования.

Не только часть возвращенного в топку дыма и дополнительно впрыскиваемая с вдуваемым воздухом вода могут играть роль дешевого дополнительного топлива. В качестве дополнительного к углероду топлива возможно использование и других, широко распространенных в гидросфере, литосфере и атмосфере элементов, например, кремний, алюминий, магний, даже азот, … . Для определенности рассмотрим магний. Окись магния, взаимодействуя с раскаленным углем, образует металлический магний, сгорающий с очень большим тепловым эффектом, и горючий угарный газ. Но окись магния сравнительно дорогостоящий материал. Поэтому магний следует вводить в топку в составе дешевого минерала - доломита. Этот минерал представляет собой смесь карбонатов кальция и магния. Доломита в природе очень много. Есть доломитовые горы и мощные приповерхностные доломитовые пласты. Доломитовый щебень часто используют как насыпи в автодорожном и железнодорожном строительстве, а также в производстве строительных материалов и удобрений. При температурах 900-1000 градусов Цельсия карбонаты кальция и магния переходят в соответствующие окислы, эквимолекулярно выделяя углекислый газ (дополнительное топливо). Использование добавок доломита к твердому топливу привлекательно еще и тем, что окислы кальция и магния при высоких температурах захватывают примеси серы из угля, образуя твердые и инертные соединения серы с кальцием и магнием. При этом в отходящем дыме практически нет окислов серы, которые вредны для здоровья и являются главными причинами кислотных дождей.

Были проведены эксперименты по сжиганию бурого угля с добавками доломита в специально разработанном небольшом лабораторном устройстве, в котором были предусмотрены возврат в топку части отходящего дыма через специальное устройство и впрыскивание воды. Толща загрузки твердого топлива составляла только 10-15 см. Последовательное добавление отходящего дыма, воды и доломита в топочный процесс выявило 10-15%-е увеличение эффективности сжигания бурого угля и снижение выбросов углекислого газа на 15-20%. Данные при переходе от слоя твердого топлива 10 см к слою 15 см регулярно показывали превышение на 1-2%, т.е. экономия топлива и снижение углекислотного выброса оказались пропорциональны высоте слоя топлива. Это дает основание для ожидания повышения полезных эффектов при работе с более мощными топками, когда толща слоев топлива и доломита может составлять метры, или даже десятки метров, как в доменных печах. При массивных толщах твердого топлива расширяются возможности регулирования по высоте температурами, потоками возвращаемого дыма, вдуваниями воздуха и воды. Управляемость процессами по высоте толщи топлива позволит программно оптимизировать их на достижение максимальной экономии топлива и минимальных выбросов углекислого газа в атмосферу.

Таким образом, если увеличить масштабы котла до мощности хотя бы 5 МВатт на первом этапе, то можно получить и более высокие показатели по экономии топлива и снижению выбросов в атмосферу углекислого газа. Однако, для осуществления проекта с 5-ти МВаттным котлом необходимы инвестиции до 5 миллионов долларов США. Материализация первого этапа, при результатах даже менее ожидаемых, позволила бы перейти ко второму этапу - строительству и эксплуатации демонстрационной тепловой электростанции на угольном топливе мощностью 50-100 МВатт. Многолетние испытания такой демонстрационной электростанции позволили бы перейти к твердотопливному энергообеспечению человечества. Строительство и испытательно-демонстрационная эксплуатация подобной электростанции на твердом топливе обойдется в сотни миллионов долларов. Однако, актуальная перспектива энергообеспечения на твердом топливе требует непременной материализации второго этапа. В противном случае через 20-30 лет человечество может вступить в затяжной период катастрофической "энергетической недостаточности".

Ким С.Г. (доктор химических наук, академик ЕАЕН),
Мамбетерзина Г.К. (кандидат химических наук)

Источник - ЦентрАзия
Постоянный адрес статьи - http://www.centrasia.ru/newsA.php?st=1389472800