Geum.ru

Современные технологии продуцирования альтернативных топлив позволяют существенно расширить сырьевую базу для их производства. Например, сейчас для этой цели все более широкое применение находят плазменные технологии

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
Современные технологии продуцирования альтернативных топлив позволяют существенно расширить сырьевую базу для их производства. Например, сейчас для этой цели все более широкое применение находят плазменные технологии. На основе их использования можно газифицировать даже самое низкокачественное углеродное сырье, как-то твердые бытовые отходы, а в случае опасных отходов – витрифицировать (другими словами, оплавить и покрыть стекловидной массой в условиях высоких температур) твердые остатки их переработки; это позволяет безопасно хранить их в почве или использовать как строительный материал. К тому же эти остатки получаются в минимальном количестве (на уровне процентов от начальной массы). Кроме того, за счет высоких температур, характерных для плазменной среды, возможна значительная интенсификация процессов. Не случайно плазменные технологии в этой сфере стали предметом детальных исследований мирового научного сообщества, и в частности, активно финансируются Департаментом энергетики США [1 – 3].

Развитие технологий производства альтернативных топлив предусматривает, что используемое для этих целей сырье может быть не слишком качественным по сравнению с традиционными энергоресурсами. В этом смысле можно говорить даже не только о перспективах расширения использования углеводородных ресурсов, а в более широком смысле – об углеродсодержащем сырье. Действительно, современные технологии его газификации с участием водяного пара решают проблему включения водорода в продукты газификации.

Обычно в состав продуктов газификации входит газообразный водород, являющийся также альтернативным топливом, а кроме того – предметом пристальных исследований в рамках примыкающей проблемы водородной энергетики.

Многие представители «большой энергетики» имеют определенный скепсис относительно целесообразности развития водородной энергетики, отталкиваясь от наиболее известной технологии получения водорода на основе электролиза воды. Действительно, вода является конечным продуктам окисления водорода как топлива и поэтому важность развития таких технологий с точки зрения получения энергии является довольно сомнительной. Очевидно, что общий энергетический эффект от получения водорода в процессах электролиза воды является негативным, учитывая неизбежные потери энергии в процессах ее преобразования.

Софизм состоит в том, что сторонники водородной энергетики не всегда четко позиционируют роль водорода среди других ТЭР. Действительно, никого не смущает, например тот факт, что из тех же соображений даже электрическая энергия является не очень эффективным энергетическим продуктом. Если говорить о потерях энергии в процессах ее превращение из тепловой в электрическую и дополнительные потери последней в процессе транспортировки к потребителю (так называемые потери в сетях), то суммарный коэффициент использования топлива в производстве этого энергоресурса в большинстве стран не превышает 0,25. Иными словами, электроэнергия (как и водородная) не является первичным энергетическим ресурсом. Однако несомненные ее преимущества – касательно, по крайней мере, гибкости использования – делают этот продукт абсолютно привлекательным для широкого применения. Такой же несомненной привлекательностью – например, в транспортных технологиях – видится в перспективе использование водорода.

С учетом отмеченных обстоятельств вполне логичным представляется интерес исследователей к получению водорода на основе непосредственного использования углеродсодержащего сырья. Иными словами, речь идет о прямом преобразовании в этих процессах химической энергии первичного топлива, максимально избегая довольно неэффективной стадии промежуточного производства электрической энергии. Приемлемым в этом смысле компромиссом являются плазменные технологии газификации, особенно, если в них основная часть энергии, расходуемая на генерацию плазмы, является значительно меньшей, чем составляющая химической энергии исходного сырья.

Согласно ряду бытующих прогнозов считается, что разведанных запасов хватит: нефти – на 30-40 лет, природного газа – на 60-70, а угля – на 250-300. За одним из таких авторитетных прогнозов 1975 года [4], человечество должно было бы уже чувствовать сокращение мировой добычи нефти. Нагнетание этих обстоятельств в общественное сознание обусловило беспрецедентный рост стоимости нефтегазовых ресурсов на мировых рынках: от 1,90 доллара за баррель сырой нефти (160 л) течение 1949-70 гг. до уровня 11 – в период первого энергетического кризиса и до 150 долл. / баррель несколько лет назад. Реально мировая экономика не ощущает уменьшение запасов традиционных видов топлив благодаря открытиям новых месторождений ТЭР. А в будущем ожидается включение в оборот, например, огромных залежей гидратов метана. Запасы метана в них превышают даже мировые запасы угля. Однако энергетические стратегии многих стран мира, в частности – Украины, предусматривают сокращение импорта газа в пользу потребления собственных ресурсов ТЭР. Это отвечает также общим принципам обеспечения энергетической безопасности государств.

Независимо от этого доступ к ресурсам нефти и газа по мере истощения действующих месторождений становится все более сложным и требует применения более совершенных технологий, способствуя постепенному увеличению их стоимости. Этот комплекс проблем довольно давно осознали развитые страны мира, создавая условия для расширения применения в национальных экономиках источников энергии, альтернативных традиционным. Однако их развитие требовало и сейчас часто требует дотаций.

Вместе с тем, рост мировых цен на нефтегазовые ресурсы последних десятилетий мало связан с себестоимостью их производства. Дело в том, что мощные энергетические системы и потоки – это продукт и предмет непрерывного взаимодействия (чаще всего закулисного) политической и деловой элит как в отдельных странах, так и на мировом уровне; привычные рыночные механизмы здесь не слишком эффективны. Поэтому тем более важен прецедент, который произошел в 2009 г., когда объемы добычи сланцевого газа – альтернативного топлива – по своим масштабам обеспечили весь прирост добычи метана в США и обусловили заметное уменьшение цены на природный газ в этой стране. Это означает, что наступает качественно новый этап развития рынка альтернативных топлив, когда они начинают формировать предел роста рыночной стоимости традиционных ТЭР.

Существенно также, что те или иные виды альтернативных топлив могут производиться в странах, лишенных ресурсов нефти или природного газа, объективно способствуя развитию высоких технологий в топливно-энергетическом комплексе. Особенно привлекательным в этом отношении в соответствии с идеями устойчивого развития является использование возобновляемых источников энергии.

Значительными возможностями для переработки углеродсодержащего сырья в альтернативные топлива обладают плазменные технологии, активно развивающиеся в последнее время [5 – 9].

Для получения аль­тер­нативных газовых топлив в настоящее время широко используются твердые бытовые отходы (ТБО), являющиеся одним из видов углеродсодержащего сырья. Беспрецедентный рост мировых цен на нефтепродукты обусловил интерес к наращиванию энергетического использования ТБО путем производства электрической и тепловой энергии. При этом принимается во внимание, что калорийность 1 т ТБО несколько превышает калорийность 1 барреля нефти. Получаемые в минимальном количестве витрифицированные твердые остатки переработки можно безопасно хранить или использовать их в качестве строительного материала.

Особую проблему в процессах газификации составляет конденсированный углерод С(с), который обычно осаждается в виде сажи на элементах установки для газификации (часто – совместно со смолами), препятствуя ее нормальной работе. В случае хлорсодержащих компонентов (например, при переработке медицинских отходов), особую опасность представляет образование высокотоксичных диоксинов и фуранов. В этом случае для их гарантированного уничтожения требуется выдержка продуктов газификации при температуре 1200 °С не менее 0,4 с и дальнейшие их быстрое охлаждение и очистка от неорганических хлорсодержащих компонентов.

С точки зрения минимизации образования конденсированного углерода С(с) и одновременно – максимального получения водорода H2 предпочтительны технологии с применением водяного пара в качестве одного из исходных компонентов реакции газификации. Дополнительная энергия, необходимая для проведения этих процессов, может быть введена в систему за счет подачи части водяного пара в плазменном состоянии либо введения тепловой энергии непосредственно от электрической дуги.

Таким образом, высокие технологии становятся реальным фактором развития производства альтернативных топлив.

Эта работа выполнена при финансовой поддержке Национальной академии наук Украины (проекты 44-10 НАНУ-РФФД) и Российского фонда фундаментальных исследований (10-08-90445-Укр­_а).

Литература

1. Roberts M., Rabovitser J., Knight R. end et al., AIChE-Chicago 2006 Symposium “Befinery Processing and In-Plant Energy Conservation and Optimization, October 9-10, 2006, Chicago, Illinois.

2. Moustakas K., Fatta D., Malamis S. end et al., О. Hazard Mater 2005; 123(1-3): 120-126.

3. Xiaojun He, Tengcai Ma, Jeshan Qiu and et al. Plasma Sources Sci. Technol., 2004; 13: 446-453.

4. Шелдон Р.А. Химические продукты на основе синтез-газа. М.: Химия; 1987. 248 с.

5. Rutberg Ph.G., Plasma Physics and controlled fusion, 45, 957 (2003).

6. Патон Б. Е., Чернец А. В., Маринский Г. С., Коржик В. Н., Петров С. В., Современная электрометаллургия, №3, 54 (2005).

7. Жовтянский В.А., Пром. теплотехника, 29, № 4, 13 (2007).

8. Rutberg P., Kumkova I., Międzynarodowa Konferencja Naukovo-Techniczna “Efectywność Energetyczna 2009”, Kraków, 21 – 23 września 2009, Prace Instytutu Nafty i Gasu. – Nr 162, 27 ( 2009).

9. Borysenko M., Lyutyk M., Petrov S., V. Zhovtyansky, et al., Ibid, 52 ( 2009).