Экоэнергетика – основа Экономического роста Украины

В процессе проведения исследований было обнаружено новое явление – при определенных условиях взаимодействия бурого угля с реакционной средой бурый уголь из твердого агрегатного состояния переходит в жидкое агрегатное состояние при комнатной температуре и атмосферном давлении, и установлены граничные условия фазовых переходов.

Это открытие позволило  на его основе создать современную  технологию получения синтетических  жидких топлив из бурого угля.

Эта технология включает следующие основные стадии: ожижение, очистку и плазмохимический каталитический крекинг.

На первой стадии осуществляется процесс ожиженния бурого угля. В размольно-смесительный аппарат, представляющий собой двухчервячный смеситель непрерывного действия, загружается бурый уголь и модифицирующие добавки. В процессе размола и гомогенизации компонентов смеси осуществляется модификация бурого угля: изменяется высокомолекулярная структура, состав фрагментов, разрушаются электронно-донорно-акцепторные связи, что приводит к деполимеризации бурого угля и превращению его в жидкую углеводородную смесь.

По физико-химическим свойствам полученная жидкая углеводородная смесь является близкой к нефти.

Дальнейшая  переработка жидкого бурого угля осуществляется в условиях, аналогичных процессам переработки нефти.

Содержание  минеральных веществ в буром угле превышает их содержание в нефтяном сырье. При переработке бурого угля в синтетическое жидкое топливо необходимо применение совершенных процессов фракционирования и разделения углеводородной и минеральной составляющих.

На второй стадии осуществляется очистка жидкого бурого угля от механических примесей, взвешенных частиц, солей, серы и других компонентов, подлежащих удалению. Очистка осуществляется оригинальным, не имеющим аналогов, способом – термо-гравитационной очисткой.

Установка термо-гравитационной очистки жидкого бурого угля не имеет вращающихся, изнашиваемых частей и фильтров, отличается низкими энергетическими затратами и эксплуатационными расходами.

На третьей  стадии осуществляется углубленная  переработка жидкого бурого угля в синтетическое жидкое топливо.

Группа ученых, работающих в области физики разрядных  явлений, создала принципиально  новую плазмохимическую технологию переработки жидкого бурого угля. В основу новой технологии заложены результаты фундаментальных научных исследований свойств плотной плазмы, позволившие обеспечить максимальную концентрацию электрофизического воздействия на объект обработки.

По новой  технологии углеводородное сырье, в  отличие от традиционного многоступенчатого  процесса, перерабатывается в одну стадию. На выходе получают низкооктановый бензин, высокооктановый бензин, дизельное топливо и жидкое топливо для энергетических установок.

Переработка углеводородного  сырья осуществляется в плазмохимическом реакторе, который представляет собой  стальной вертикальный аппарат колонного типа. В корпусе реактора размещен стационарный слой катализатора необходимой высоты. Очищенное и подготовленное углеводородное сырье при комнатной температуре равномерно подается  в колонну снизу. В колонну сверху подается мощный поток микроволнового излучения. В объеме катализатора генерируется микроволновая плотная плазма, катализатор и реагент разогреваются до рабочей температуры, в слое катализатора осуществляется каталитический крекинг углеводородного сырья и другие реакционные превращения.  В верхнюю зону колонны поступает катализат в газообразном виде, который выводится из колонны и подается на последующую стадию приготовления топлива. 

Для плазмохимической технологии переработки углеводородного  сырья создан специальный полифункциональный катализатор, позволяющий в одну стадию при одном  проходе углеводородного сырья проводить до 4-х реакций одновременно. При проведении процесса не требуется применение водорода.

Содержание  общей серы в углеводородном сырье  не лимитируется, при этом ее содержание в готовых продуктах составляет не более 0,01 %.

Определены  оптимальные параметры электрофизической  активации системы катализатор-реагент, обеспечивающие значительное повышение  эффективности каталитической конверсии  углеводородного сырья.

Температура каталитических преобразований снижена в среднем  в 2 раза. Каталитические процессы крекинга углеводородного сырья осуществляются в диапазоне температур от комнатной  до 300°С и атмосферном давлении. При этом скорость реакционных процессов возрастает в среднем в 200 раз.

Важным преимуществом  плазмохимической технологии переработки  углеводородного сырья является значительное упрощение и удешевление  традиционных процессов его переработки  с одновременным увеличением  выхода бензина, дизельного топлива и других целевых продуктов и повышением их качества.

Новая технология исключает затраты на проведение целого ряда сложных процессов. За счет этого капитальные и эксплуатационные затраты по сравнению с традиционной технологией снижаются в среднем  в 10 раз.

Плазмохимическая  технология переработки углеводородного  сырья снижает энергоемкость   производственных процессов.

Себестоимость синтетического жидкого топлива, получаемого  из бурого угля, ниже, чем себестоимость жидкого топлива, получаемого из нефтяного сырья.

Главным преимуществом  плазмохимической технологии переработки   углеводородного сырья, безусловно, является предоставляемая ею возможность  получения моторных топлив из альтернативного  нефти твердого органического сырья - бурого угля, в экономически рентабельных условиях.

Моторные топлива (бензин, дизельное топливо), полученные из бурого угля, по физико-химическим свойствам аналогичны моторным топливам, полученным из нефтяного сырья. Сжигание этих топлив в двигателях внутреннего сгорания не требует модификации  двигателей.

Плазмохимическая  технология переработки углеводородного  сырья по совокупности параметров мировых  аналогов не имеет.

Основные технологические  процессы новой технологии исследованы  и испытаны на пилотных установках.

Запасы бурого угля в Украине, мощность угледобывающих щахт, разрезов и предприятий по первичной переработке бурого угля позволяют на этой сырьевой и производственной базе организовать изготовление синтетического жидкого топлива в объеме 5,0 млн. тонн в год.

Наличие в топливно-энергетическом балансе страны столь значительного количества топлива, изготовленного из собственного энергетического сырья, приведет к снижению импорта нефти и стабилизирует энергетическую отрасль Украины.

Мощная ресурсная  база позволяет поэтапно наращивать добычу бурого угля и производство синтетического жидкого топлива.

Для обеспечения  потребностей Украины в энергоносителях  с учетом перспективы их непрерывного роста, Украина должна будет ежегодно производить 50 млн.тонн синтетического жидкого топлива.

Достижение  такого уровня производства синтетического жидкого топлива за счет собственных источников энергетического сырья на основе применения плазмохимической технологии производства синтетического жидкого топлива из бурого угля является реальной задачей.

Даже в этом случае запасы бурого угля в Украине  не будут исчерпаны за 150 лет.

Производство  синтетического жидкого топлива  из бурого угля – это путь к энергетической независимости Украины.

 

4.Система  нетрадиционного сжигания топлива

Обеспечение энергетической безопасности Украины требует отказа от импортируемых видов энергетических ресурсов: нефти, нефтепродуктов, газа и увеличения потребления собственных энергоресурсов: каменного и бурого угля и других видов низкосортных и некондиционных топлив. Увеличение содержания в топливно-энергетическом балансе страны угля и других видов низкосортных и некондиционных топлив неизбежно приведет к увеличению техногенной нагрузки энергетики на окружающую среду. Тепловая энергетика традиционно имеет наибольшую долю экологически вредных углеродных выбросов, а украинские ТЭС, учитывая их техническое состояние усилят генерирование экологических рисков.

Решить одновременно две кардинальные проблемы: увеличить потребление низкосортных и некондиционных топлив и уменьшить техногенную нагрузку энергетики на окружающую среду невозможно с помощью традиционных технологий сжигания топлива.

Эту сложную, но чрезвычайно важную для энергетики Украины задачу можно решить только на основе создания современной технологии сжигания низкосортных и некондиционных топлив.

Именно такую  систему нетрадиционного сжигания топлива предложила группа ученых и  изобретателей.

 Группа ученых  осуществила цикл фундаментальных  научных исследований в области  аэрогазодинамики, теплофизики и  химической кинетики рабочих процесов горения топливных смесей. Результатом проведенных научных исследований стало создание системы нетрадиционного сжигания твердых, жидких и газообразных видов топлива.

Принципиальная новизна решения заключается в переходе от традиционного диффузионного горения в области умеренных дозвуковых скоростей пламен (порядка десятков метров в секунду) к кинетическому горению, путем перевода процесса сжигания в область трансзвуковых течений (со скоростями порядка тысяча м/с). Визуально этот процесс напоминает догорание в атмосферном воздухе реактивной струи, истекающей из сопла ракетного двигателя. Такое решение позволило на порядки повысить уровень экологической безопасности процесса сжигания топлива и кардинальным образом изменить технический облик энергетических установок и условий их эксплуатации.

Созданы промышленные установки высокоскоростного высокотемпературного сжигания топлива.

Главным отличительным  признаком системы нетрадиционного сжигания топлива является организация процесса многостадийного горения в области трансзвуковых течений. С этой целью специально создается трансзвуковой высокотемпературный окислительный газогенератор. В нем генерируется окислительный рабочий газ, в котором сжигается топливо в условиях, существенно отличающихся от горения в диффузионных пламенах. Для получения генераторного газа используется в небольших количествах обычное углеводородное топливо. Его сжигание в реакционной камере осуществляется в атмосферном воздухе, обогащенном  кислородом, количественно составляющим до 50% общего кислородного потенциала при сжигании топлива. Массовый расход генераторного газа, его состав (стехиометрический коэффициент избытка окислителя, α) и параметры состояния (температура и давление, Т и р) всецело зависит от свойств сжигаемого топлива. Температура рабочего газа подбирается из условия, чтобы в дальнейшей стадии термохимического разложения сжигаемого топлива процесс горения носил кинетический характер. Обычно для этого необходимо превышение температуры на ∆Т = 100 – 200⁰ по сравнению со средней температурой диффузионного пламени. Коэффициент избытка окислителя в рабочем газе формируется из условия обеспечения устойчивости горения в газогенераторе и может составлять значение α ≤ 4. Газодинамические параметры истекающего газогенераторного газа должны обеспечить волновой характер течения при дальнейшем смешении со сжигаемым топливом. Далее в трансзвуковой высокотемпературный окислительный поток генераторного газа вводится сжигаемое топливо. С помощью геометрических, расходных и режимных факторов в рабочем канале реакционной камеры искусственно формируется система мостообразных скачков уплотнения. Попадая в спутный поток со скоростью порядка 1000 м/с, а затем тормозясь в волне уплотнения до скоростей порядка 100 м/с, практически любое вещество (независимо от его физикохимических свойств) дробится и смешивается с генераторным газом вплоть до молекулярного состояния с образованием гомогенной топливной смеси. При повышенном уровне температур термохимический процесс горения в образовавшейся смеси носит кинетический характер и происходит практически на длине свободного пробега молекул. Такие условия являются фактически идеальными для качественного сжигания топлива.

 Процесс  горения в области трансзвуковых  течений приобретает новый характер  устойчивости, так как оказывается, практически, изолированным от внешнего воздействия. Высокие скорости и динамизм изменения параметров, в частности, реально достижимый темп охлаждения рабочего газа (порядка миллион градусов в секунду) на заключительной стадии процесса позволяет, практически, полностью избежать образования вторичных диоксинов. 

Самым важным результатом  такого сжигания топлива является достижение рекордно высокого для промышленных условий уровня экологической безопасности – коэффициента эффективности разложения и удаления (ЭРУ) не ниже 99,9999%, который удовлетворяет наиболее строгим национальным и международным нормам.

 Принципиально  важной особенностью в системе нетрадиционного сжигания топлива является предоставляющаяся возможность одновременной обработки различных композиций сжигаемых топлив. Эти топлива без предварительной подготовки обособленно вводятся в поток генераторного газа и после смешения с ним гарантированно образуют равномерно перемешанную топливную смесь. Такое свойство универсальности позволяет более экономно осуществлять одновременный процесс утилизации низкосортных и некондиционных топлив с токсичными веществами и отходами.  

Конструктивное воплощение технических решений является предельно  простым и представляет собой  канал переменного сечения, в который осуществляется ввод различных компонентов, не требующий специальных сложных форсунок, обеспечивающих дисперсность и равномерность топливной смеси. Общее конструктивное воплощение выполненной разработки кардинальным образом отличается от традиционных технических решений. В связи с высокими скоростями проведения рабочего процесса общие габариты установки на порядки снижаются. 

Принципиально новые возможности открывает оснащение энергетических газотурбинных установок системами нетрадиционного сжигания топлива.  Энергетические газотурбинные установки, предназначенные для применения в качестве автономных источников электро- и теплоснабжения, будут работать в этом случае на специально подготовленном жидком топливе, изготовленном из каменого или бурого угля.

Анализ и расчеты показывают, что в условиях Украины, как и во всем мире, в период до   2030 года должны произойти радикальные изменения в структуре источников энергоснабжения. Основным фактором, который обуславливает эти изменения, станет резкое повышение мировых цен на природный газ, нефть и нефтепродукты.

С учетом прогнозируемого роста мировых цен на природный газ и нефть преимущество в структуре топлива для производства энергии в Украине будет отдаваться собственным источникам энергетического сырья – каменному и бурому углю.