от СО2 , H2S, SO2, сероорганики, NOx

Обзор состояния проблемы сокращения выбросов диоксида углерода и
развития методов сокращения этих выбросов.
1. Основные источники выбросов.
По материалам доклада Межправительственной Комиссии по изменению климата
(IPCC), в составлении которого я принимал участие, из 13,5 Мт СО2/год,
выбрасываемых в атмосферу к моменту выпуска доклада (2005 год), 10,5 Мт СО2/год
выбрасывается при производстве энергии (в основном электростанциями и
теплоэлектростанциями - ТЭС). Это составляет почти 80 % всех выбросов. Поэтому
основная задача заключается в уменьшении выбросов диоксида углерода при
производстве энергии.
Следует добавить, что в России на единицу валового продукта затрачивается в 3-4 раза
больше энергоресурсов, чем в развитых странах в силу отсталости энергетики.
Соответственно, таков же и выброс диоксида углерода и есть огромный резерв по
снижению этих величин.
2. Основные направления работ по снижению выбросов диоксида углерода.
Работы по снижению удельных затрат энергоресурсов при производстве
электроэнергии (и других видов энергии), то есть к увеличению КПД (коэффициента
полезного действия электростанций и ТЭС). Это достигается, в частности:
 Внедрение эффективных парогазовых циклов с современными газовыми
турбинами, работающих при высоких температурах сгорания газов и,
соответственно, снабженных термоустойчивыми лопатками.
 Внедрение когенерационных (тригенерационных) систем, то есть систем
одновременного производства электроэнергии и высокопотенциальной
тепловой энергии, холода имеющих более высокий КПД, чем циклы,
предназначенные только для производства электроэнергии. Наиболее
эффективны такие системы при использовании упомянутых выше газовых
турбин.
2.2. Работы по снижению выбросов диоксида углерода на действующих
электростанциях и на ТЭС.
По материалам доклада IPCC на различных стадиях разработки находятся следующие
методы:
1. Для действующих электростанций и ТЭС:
Выделение диоксида углерода из дымовых газов после сжигания топлива топлива (так
называемая система Post Combustion Capture). Преимущество этого метода –
возможность дооборудования действующих электростанций системами очистки этих
газов от СО2 без коренной реконструкции.
Недостатки:
 Огромные количества дымовых газов и, соответственно, гигантские размеры
аппаратуры.
 Низкое давление дымовых газов, что может потребовать установки новых
дымососов для преодоления гидравлического сопротивления абсорберов.
 Главное – низкая концентрация СО2 в дымовом газе (как правило около 8%),
что при сочетании с низким давлением газа приводит к к низкому
парциальному давлению СО2
и, соответственно, к невозможности
существенного снижения энергозатрат путем использования специальных а
освоенных в промышленности абсорбентов, применимых при повышенных
парциальных давлениях. ,
О созданных в нашей стране абсорбентах и конструкциях малогабаритных
абсорберов см. в последующих разделах.
2. Для новых электростанций и ТЭС.
2.1. За рубежом предложена система удаления СО2 перед сжиганием (так называемая
система Pre Combustion Capture). Суть процесса заключается в паровоздушнокислородной
конверсии метана под давлением с последующей конверсией оксида углерода (СО)
водяным паром до водорода и диоксида углерода. Далее следует очистка газа от диоксида
углерода. Эта технология по сути практически не отличается от одного из вариантов
известной технологии производства синтез - газа для синтеза аммиака. Однако далее
полученный газ, содержащий в основном водород, направляется не на синтез аммиака, а
на сжигание и на газовую турбину. Как известно, водород является абсолютно
экологически чистым топливом. За рубежом проведены успешные испытания газовой
турбины, работающей не на обычных дымовых газах, а на водороде.
2.2. Сжигание топлива в кислороде.
Эта система разработана под руководством бельгийского профессора Мэтьё (я с ним
познакомился в ходе работы в комиссии IPСС). Такая система требует установки
крупных агрегатов разделения воздуха. При сжигании топлива в чистом кислороде
образуется чистый СО2. В результате затраты на его выделение не требуются. Однако, повидимому, затраты на разделение воздуха могут превысить затраты на очистку газа.
Поэтому необходим более детальный анализ перспектив этого метода.
3. О захоронении, использовании и химическом связывании диоксида углерода.
3.1. Захоронение СО2 .
В связи
с предполагаемыми гигантскими количествами СО2, которые могут
захораниваться, реально по нашему мнению могут рассматриваться следующие
предложенные методы:
 Закачка в отработанные или временно законсервированные залежи
каменного угля. В журнале Greenhause Issues (он мне доставляется ) был
опубликован канадский опыт. В штате Альберта закачивали в пласт угля
диоксид углерода. Как известно, каменный уголь хорошо адсорбирует
метан, но еще лучше диоксид углерода, который вытесняет из угля метан.
Как известно, многочисленные взрывы в шахтах , в том числе и у нас в
Кемеровской области, вызваны накапливающимся метаном. При закачке в
шахту СО2 можно решить одновременно три задачи – захоронить его,
выделить метан, задача использования которого в энергетике и в химии
достаточно актуальна, и , наконец, обеспечить безопасность работ в шахтах.
 Закачка в толщи океана. Влияние повышенной концентрации диоксида
углерода в воде на жизнь морских животных изучено.
 Закачка в недра земли, особенно в пустоты, образовавшиеся при добыче
углеводородов.
3.2. Использование и химическое связывание СО2.
3.2.1. Тепличное хозяйство.
Во многих странах, в том числе в России СО2 используется для ускорения
роста растений в теплицах. Увеличение концентрации СО2 с 0,03% (как в
атмосфере) до 1,5 -2% урожай плодоовщной и цветочной продукции возрастает
в 2 и более раза. Этим активно пользуются, в частности, в Голландии ( по моим
наблюдениям). Я участвовал в пуске опытной установки по извлечению СО2 на
ТЭС в Роттердаме в 2008 году и в обработке результатов. Там намечено к 2018
году сделать Роттердам экологически чистым городом. При этом извлекаемую
СО2 намечено использовать в теплицах и там же использовать отбросное тепло
после обогрева системы десорбции СО2 при его извлечении с целью обогрева
тех же теплиц. В России также используется прием обогащения диоксидом
углерода атмосферы в телицах, но из-за недостатка СО2 его привозят в виде
более дорогого сухого льда (совхоз им. Ленина в Московской области).
3.2.2.Увеличение производительности отработанных нефтяных месторождений.
Доказано, что закачка диоксида углерода в нефтяные пласты позволяет на 1015% увеличить добычу нефти. Метод экономически эффективен, когда
давление нефти уже мало.
3.2.3. Химическое связывание диоксида углерода.
.
Среди множества вариантов , проработанных упомянутой выше комиссией и вне
её могут представлять некоторый интерес два процесса:
 Производство карбамида. Известно, что карбамид является не только ценнейшим
удобрением, но и является сырьем для производства разнообразных полимеров.
Для синтеза карбамида нужен аммиак и получаемый при синтезе аммиака диоксид
углерода. При этом диоксид углерода образуется и расходуется для синтеза
карбамида почти в эквивалентном количестве. Однако, если аммиак используется
для других целей, то СО2 выбрасывается в атмосферу. Отсюда следует вывод, что
во всех отношениях выгодно производить именно карбамид.
 Производство метанола.
При производстве метанола диоксид углерода также связывается.
Однако, при относительной многотоннажности указанных продуктов возможная
доля снижения выбросов диоксида углерода по отношению к общим выбросам
невелика.
4. Место России в современных технологиях и ключевые компетенции в этих
технологиях.
Берусь утверждать, что в области промышленной энергосберегающей технологии
выделения СО2 из газовых смесей до конца 90-х годов Россия занимала ведущее
место. В особенности, это относится к выделению СО2 раствором МЭА
(моноэтаноламина) – на сегодня единственным промышленным абсорбентом,
который реально можно применять для выделении СО2 из дымовых газов
электростанций. В частности, в Канаде на опытной установке был воспроизведен один
из вариантов нашей технологической схемы процесса, работающего на более, чем на
20 крупных промышленных агрегатах уже с 70-х годов.
Далее, в нашей стране долгое время работала опытная установка с уникальной
конструкцией малогабаритного абсорбера и с использованием уникального более
эффективного по сравнению с МЭА абсорбента. Наконец, был разработан и успешно
испытан способ снижения осмоления МЭА при работе на дымовых газах.
Далее, мы имеем опыт проектирования, строительства и эксплуатации подобных
установок в различных условиях, под атмосферным и под повышенным давлением,
при расходе очищаемого газа свыше 200 000 м3/час с отечественной уникальной
конструкцией массообменных устройств, до сих пор не воспроизведенных за рубежом.
За последние годы нами разработан способ термокомпрессии диоксида углерода,
позволяющий без затрат электроэнергии только за счет замены абсорбента и
изменения режима процесса получать диоксид углерода под давлением до 16 ат,что
достаточно для его захоронения или использовании в различных целях.
Однако, к сожалению, за последние годы в значительной мере уничтожены
прикладные институты, опытно-экспериментальная база, соответственно утеряны
кадры
специалистов в области исследования, экспериментальной проверки,
проектирования.
В то же время работы в данном направлении активно развиваются в Голландии,
Норвегии, Германии, в Канаде.
Предложение: установки по получению технической углекислоты на
промышленных площадках потребителей с использованием существующих печных
газов котельных установок
Отличие: используется оригинальная конструкция абсорбера радиального типа с
высокоэффективной насадкой, что позволяет в несколько раз снизить высоту абсорбера (снизить
материалоемкость) и создать транспортабельную модульно-блочную установку.
Рисунок. Установка выделения СО2 из дымовых газов
Предлагается
I. Спроектировать и создать на одной из электростанций демонстрационный головной
опытно-промышленный агрегат очистки дымовых газов от диоксида углерода с целью отработки
следующих технических решений:
1.
Испытание новой конструкции малогабаритного абсорбера.
2.
Испытание нового абсорбента.
3.
Испытание способов стабилизации абсорбента при длительной эксплуатации.
4.
Испытание новой энергосберегающей технологии.
5.
Испытание процесса термокомпрессии.
6.
Испытание новых массообменных устройств.
7.
Подготовка к массовому внедрению.
II. Спроектировать и создать демонстрационный опрытно-промышленный головной агрегат по
новой «чистой» технологии производства электроэнергии по принципу Pre-Combustion c
применением газовой турбины на водороде и экономичной технологии выделения диоксида
углерода
Профессор, д.т.н.
Лейтес И.Л.