Научно-производственная фирма
Нанопорошковые технологии


Для тех, кому принципиально быть выше конкурентов!
 
 
Химические реакторы – альтернатива угольным котлам в энергетике
    АННОТАЦИЯ

Предлагается новая концепция децентрализованного наращивания производства энергии как побочного продукта в химических реакторах, где главным рыночным продуктом является высокотемпературный тонкодисперсный материал с высокой рыночной стоимостью. Снижение размеров котлов на два порядка и полное решение связанных с угольной энергетикой экологических проблем позволяет разрабатывать единый комплекс из эко-поселения, современных инновационных производств вокруг источника тепла и энергии с малыми сроками реализации и окупаемости. В период малого потребления энергии, вместо переброски энергии по часовым поясам в единой сети, будет осуществляться в основном производство кислорода, благодаря которому повышается эффективность малых котлов, обеспечивается высокое качество продукции, решается проблема оксидов азота. Для получения заданных материалов в реакторе угли будут перерабатываться на полифункциональной эко-технике ЭМК до микронного уровня, причем неорганическая компонента углей будет дошихтована до нужного уровня по химическому составу. Баланс материальных и энергетических потоков вокруг реактора обеспечит сильный эффект синергизма. Проект отвечает всем современным вызовам.

Основные тезисы доклада:
Все способы производства энергии в единую сеть, включая т.н. «зеленые» технологии или из возобновляемых источников, имеют немалые экологические издержки. В настоящее время в мире около 40% электрической энергии вырабатывается путем сжигания твердого органического топлива, в основном угля. Доля угля в балансе постепенно увеличивается, т.к. именно его разведанные запасы, относительно большие в сравнении с газом и нефтью, позволяют наращивать производство энергии. Однако тормозом для развития энергетики на угле является неизбежное производство громадного количества твердых отходов, значительные затраты на очистку отходящих газов от пыли, оксидов серы и азота, вызывающих кислотные дожди, эмиссия парниковых газов. При мировой добыче угля порядка 1 млрд тонн и средней его зольности 20%, твердых отходов прибавляется на 200 млн тонн ежегодно. Утилизируется в среднем по планете лишь десятая часть отходов, в основном в строительной отрасли. Усугубляет ситуацию близкое расположение ТЭС с их золоотвалами к мегаполисам – главным потребителям производимых тепла и электрической энергии. Особую остроту проблемы, связанные с энергетикой, приобрели в России из-за устаревших технологий и негодных коммуникаций, пренебрежения к экологии, сурового климата, монопольного характера основной части экономики, несовершенства законодательства. Производство энергии сжиганием твердого топлива наносит ущерб окружающей среде в зоне проживания основной массы населения, а также вносит главный вклад в изменение климата. Эволюционный путь развития угольной энергетики больших мощностей в принципе не позволяет изменить негативные тенденции, набирающие ход с ускорением. В обществе уже пришли к пониманию того, что необходима разумная децентрализация и диверсификация в производстве энергии, что позволит приблизить ее производство к потребителям и резко сократить затраты на ее передачу. Одним из главных аргументов для развития альтернативных источников энергии является как раз возможность производить энергию в удаленных от сети регионах. Однако энергетика на угле дает минимальную себестоимость (без учета экологической цены) только в громадных котлах. Для таких станций характерной единицей измерения произведенных твердых отходов является миллион тонн в год. Новая станция требует инвестиций в несколько миллиардов Евро, сроки проектирования, строительства и введения в эксплуатацию не менее 10 лет, об окупаемости в нынешних экономических условиях речи вообще не идет. Децентрализация угольной энергетики, когда твердые продукты сжигания углей по существующим технологиям априори считаются отходами, невозможна, потому что себестоимость энергии, как и ее экологическая цена, только вырастут.

Мы предлагаем перевернуть сложившуюся пирамиду – производство материалов в химических высокотемпературных реакторах должно стать основным продуктом, а тепло и вырабатываемая из него электрическая энергия – «отходом» или побочным продуктом. В такой постановке экологические «проблемы» выгодно решать полностью еще на стадии проектирования. Приближение малого производства энергии к потребителям без давления на окружающую среду станет возможным, а обычные потери и издержки исчезнут. В качестве доказательства экономической реальности предложения можно привести цены на уголь и переработанные твердые продукты его сжигания в 2008 году: цена Экибастузского угля с зольностью 40% составляла менее 50US$ за тонну, а только 2 компонента, выделенные из 1 тонны золы, по цене вдвое ниже реальной потребительской стоимости в летний строительный сезон – 100 US$. Даже частичная переработка обеспечивает сопоставимость по ценам основного продукта – энергии и твердых отходов, хотя возможна и комплексная технология переработки. Речь идет в данном случае не о производстве качественных продуктов в высокотемпературном реакторе, а об отходах энергетики, которые не всегда соответствуют даже устаревшим ГОСТ на золу уноса. Тонкие фракции, выделенные из золы уноса, позитивно влияют на прочность бетона.

Супер-альфа – самая тонкая часть золы уноса со средним размером около 8 мкм с примерным содержанием 5-10%, Альфа – тонкая фракция со средним размером около 15 мкм и содержанием 15-25%. Прочностные и все другие показатели бетона только улучшаются при замене до 30% цемента.
Детальному описанию различных зол уноса посвящена книга, в которой приведена характеризация всех компонент и пути комплексной переработки. Наиболее известным и коммерчески привлекательным компонентом зол уноса являются ценосферы – полые стеклянные микросферы с плотностью <1. Однако их содержание в золах порядка 1%. Основной компонент зол уноса – стеклянные микросферы, такие же полые, но с плотностью >1. Производство искусственных стеклянных шариков и полых микросфер стремительно нарастает. Одним из наиболее емких рынков для микросфер является производство наполнителей для красок и полимеров. Единственное ограничение для их быстрого и широкого распространения – высокая цена производства – от 8 до 100 US$/кг. Для многих приложений зольные микросферы вполне конкурентоспособны по качеству и находятся вне конкуренции по цене.

Другим интересным компонентом зол уноса являются магнитосферы, которые проявляют, например, селективные каталитические свойства в конверсии метана.
В технологии производства многих материалов используют высокие температуры, особенно в производстве цемента. Его дефицит остро ощущается в стране, причем качество запредельно низкое, а цены выше мировых. Нет никаких технических или технологических проблем, которые бы не позволяли производить в котле синтез минералов клинкера одновременно со сжиганием угля. Для производства таких вяжущих или других материалов требуется стабилизировать состав по неорганической компоненте углей, а также обеспечить устойчивое горение с минимальным остатком кокса.

Снижение эмиссии оксидов азота и серы также возможно, причем не обычным для большой энергетики способом. Необходимо обеспечить полное улавливание пыли, которая имеет максимальную рыночную стоимость и одновременно наиболее опасна при попадании в атмосферу. Именно пыль, улетающая в трубу на устаревших предприятиях цементной промышленности, определяет качество цемента. Введение этой пыли при изготовлении бетона – дорого и хлопотно. В новой постановке задачи требования к котлам – химическим реакторам, выбору и подготовке топлива с введением недостающих неорганических добавок для получения нужных высококачественных продуктов, а также к системе очистки газов меняются радикально.
С точки зрения экономической эффективности оптимальный размер котла-реактора будет определяться фактически емкостью регионального рынка на производимые продукты. Если производить в реакторе, например, вяжущий материал или его основной компонент, то объем котла будет на 2 порядка меньше существующих в энергетике. Увеличение размеров или количества котлов возможно при диверсификации продукции. Если в обычной энергетике стремятся увеличить размеры котла, чтобы снизить тепловые потери и стоимость энергии, и уменьшить размеры очистных сооружений, увеличивающих себестоимость, то при малых размерах реакторов увеличение системы пылеулавливания и очистки не критично.
Подготовка топлива требует увеличения дисперсности и улучшение гранулометрического состава для устранения недожога - остатков кокса в «золе» уноса. Введение неорганических добавок потребует подготовки прекурсоров продуктов уже на стадии помола, агломерации или классификации. Размер частиц продукта на выходе из реактора мало изменится, а морфология будет определяться степенью гомогенизации сырьевых компонентов. Все эти задачи легко решаются с помощью полифункциональной эко-техники класса Электромассклассификатор (ЭМК). При переработке углей до размеров ~1 мкм для введения в котел в виде суспензии возможно одновременно измельчение, сепарация и обогащение - отделение привнесенных неорганических примесей (акцессорных минералов), которые труднее измельчаются и тяжелее угля. Пробные эксперименты с бурым углем Канско-Ачинского бассейна показали перспективность такого подхода. В крупной фракции остаются не только тяжелые минеральные примеси, но и частицы кокса, которые горят существенно дольше, а в результате улетают вместе с золой уноса, резко снижая ее качество. (Для сжигания таких видов топлива, а также низкокачественных углей и органических отходов больше подходят эко-котлы с кипящим слоем, где время пребывания в зоне горения на порядки больше.) Подготовка неорганических добавок – природного сырья типа глин, мела и т.п., также возможна на ЭМК, т.к. сепарация наиболее активной тонкой фракции сырья намного выгоднее тонкого помола. В ЭМК операции обогащения сырья путем мягкого измельчения, дезагрегации, сепарации и идеальной гомогенизации компонентов можно провести в один проход в непрерывном режиме с производительностью порядка 1 тонны в час на аппаратах с диаметром ротора 1 м. Потребление энергии ЭМК в таком режиме составляет не более 10 кВт/час на 1 т сырьевой смеси.
Высокотемпературные реактора неминуемо приводят к образованию оксидов азота. Очистка отходящих газов существующими технологиями при маломасштабном производстве может сильно снизить рентабельность. Добавим сюда проблему суточных колебаний в потреблении энергии, которые относительно легко нивелируются в единой электрической сети переброской энергии в другие регионы. Обе эти проблемы, если их объединить, имеют нетрадиционное и простое решение: если цена очистки отходящих газов от оксидов азота высока, то можно использовать для горения кислород. Производство кислорода выгодно в ночное время путем сжижения воздуха. Отходы производства – жидкий азот и аргон востребованы на рынке, но если разрабатывать единый комплекс – реактор + эко-поселение с малыми и средними производствами, то низкая местная цена на отход производства – жидкий азот может стимулировать специализированные производства, требующие низких температур. При наличии двух отходов - жидкого азота и отходящих газов CO2, совсем несложно наладить выпуск углекислоты, которая становится одним из наиболее интересных растворителей в сверхкритическом состоянии. Бурный рост исследований и разработка новых технологий с использованием сверхкритического растворителя, имеющего огромный коммерческий потенциал, неминуемо упрется в его дефицит или высокую стоимость, например, из-за транспортировки. Использование кислорода в реакторах в свою очередь имеет много позитивных следствий:
1) резко повышается КПД реакторов, снимая с повестки низкую эффективность малых котлов;
2) гарантируется качество получаемых материалов по содержанию механического недожога;
3) устраняются органические загрязнители PM10, занимающие первые места в списке наиболее опасных веществ (в традиционной энергетике стараются не замечать эту проблему);
4) устраняется еще на стадии проектирования вся сложная и дорогая система очистки отходящих газов от оксидов азота и серы, т.к. очистка от небольших примесей серы решается автоматически подготовкой неорганической шихты, содержащей CaCO3.

В отходящих газах обычных ТЭС присутствует практически вся периодическая система элементов, включая самые опасные - ртуть, сурьму, мышьяк, свинец, кадмий, уран и т.д. Решением проблемы в существующей энергетике считается снижение выбросов ниже уровня ПДК путем разубоживания грязного чистым, например, увеличением высоты труб для рассредоточения вредных веществ. На самом деле, это пример бюрократического «решения», ведущего к прогрессирующему загрязнению окружающей среды. В природной среде происходит постепенное биоаккумулирование ртути, т.е. метилирование в биосистеме, и переход в пищевую цепочку с уровнем ПДК на 3 порядка меньше. Содержание ртути очень трудно контролировать. Аналитические приборы для мониторинга ртути на уровне ppb появились только недавно. По типичному содержанию ртути в золах уноса российских ТЭС порядка 0.1-1 ppm можно сделать вывод, что в атмосферу вокруг ТЭС улетело в 10 раз больше ртути из-за ее летучести. Если принять во внимание объемы сжигаемого угля и длительность воздействия, то становится ясным, что земля на многие километры вокруг ТЭС стала опасной для проживания из-за поражения биосферы. Для малых реакторов проблема улавливания летучих элементов решается путем адсорбции на углях при температуре ниже точки росы (для соединений ртути она минимальная и составляет около 200 С). Чтобы осуществить эффективное улавливание летучих элементов, необходимо утилизировать низкокалорийное тепло. На типичных ТЭС это практически осуществляется очень редко созданием парниковых хозяйств, на малых реакторах на это тепло будет рассчитан сектор дешевого агропроизводства и отопления домов. По мере накопления летучих элементов абсорбент может регенерироваться с получением дорогих и ценных продуктов, в первую очередь урана, кобальта, ванадия [1].
Изучение компонентов зол уноса различного происхождения показало [1-2], что спектр востребованных рыночных продуктов весьма широк. При дальнейшем проведении научных исследований и управлении режимом в котле-реакторе возможно в первую очередь поднять их качество, а за счет этого расширить и спектр потенциальных приложений.
Очевидно, что производство побочной энергии не даст большого эффекта при ее поставке в единые сети, хотя такая связь возможна и временами будет взаимно полезна. Намного более привлекательный и востребованный вариант связан со строительством вокруг реактора Эко-поселений из «умных» пассивных домов, которые не требуют центральных коммуникаций, в первую очередь водоснабжение и канализацию. Базовые проекты сбалансированных умных домов в эко-поселке вместе с пакетом технологических и организационных решений разработаны несколько лет назад. Расчеты показали, что на широте Новосибирска таким домам практически не требуется отопление, кроме резервного. Более того, эффект синергизма возникает при сбалансированном с производством побочной энергии количестве потребителей – в основном частных резиденций, а также малых предприятий.

Отходы от переработки углей могут сжигаться в низкотемпературном котле с кипящим слоем (ККС), вместе с органическими отходами эко-поселения. Достижение баланса в приведенной схеме возможно еще на стадии планирования и проектирования, но требует крупных инвестиций, хотя и не сопоставимых с возведением новой ТЭС.
Для Сибири, основного поставщика в бюджет России, где 98% населения живет в прижелезнодорожной зоне, освоение остальной территории невозможно при существующей ситуации. Концентрация населения вокруг производства энергии превысила все разумные пределы. Проблемы в современных мегаполисах не имеют решения, а строительство новых поселений на совершенно иной современной технологической и инфраструктурной базе фактически находится под запретом благодаря действующему земельному законодательству. Проблема старта для альтернативной «энергетики» очень сложна, но возможна при малых размерах реакторов-котлов. Этому способствует отсутствие качественного жилья, дороговизна и дефицит современных помещений для бизнеса, дефицит, низкое качество и высокие цены на многие строительные материалы, общее загрязнение окружающей среды в зонах, куда могут дотянуться стандартные коммуникации.
 Вверх
 
 
© 2018 ООО НПФ «Нанопорошковые технологии»
Любое использование материалов сайта в сети Интернет допустимо при условии указания названия ООО НПФ «Нанопорошковые технологии» и размещения гипертекстовой ссылки на источник заимствования. Использование материалов сайта вне сети интернет допускается исключительно с письменного разрешения правообладателя.
Данный Интернет-ресурс носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 ГК РФ