http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=5031
Ф.Г.Рутберг, д.т.н., проф. СПбГПУ, акад. РАН, директор Института электрофизики и электроэнергетики РАН (Санкт-Петербург), В.А.Кузнецов, к.т.н., с.н.с. ИЭЭ РАН
В России повсеместное использование энергосберегающих технологий осложняется ориентированностью на нефть, газ и ядерную энергетику, которая, безусловно, нужна, но имеет свои особенности. В настоящее время производство энергии из возобновляемых источников становится все более актуальным. Наряду с развитием солнечной, ветроэнергетики и гидроэнергетики, весьма существенным является получение энергии за счет переработки органосодержащих веществ, в том числе, различного рода отходов.
Использование плотной низкотемпературной плазмы придет на смену ядерным и органическим источникам энергии и создаст конкуренцию ведущему топливу мира – нефти. Таким образом, будет решена задача использования огромного источника возобновляемого сырья в интересах энергетики при одновременной ликвидации загрязняющих окружающую среду отходов.
Возможности применения низкотемпературной плазмы многообразны. Благодаря плазменным технологиям в процессе переработки разнообразных отходов можно получать синтез-газ, который считается более дешёвым и эффективным аналогом сжиженного природного газа.
Плотная низкотемпературная плазма (2000-10 000 °С) генерируется в плазматронах. Затем плазменная струя вводится в плазмохимический реактор, в котором размещается перерабатываемое вещество. Реактор представляет собой стальной цилиндр с внутренней футеровкой из высокотемпературной керамики, где поддерживается температура 1200- 1500 °С. Нижняя граница в 1200 °С обусловлена тем, что при температурах 800-1000 °С образуются диоксины – сильные канцерогены, от которых очистить среду практически невозможно. При температуре выше 1200 °С подобные вредные вещества уже не образуются. В реактор вводится струя низкотемпературной плазмы с температурой от 2000 до 6000 °С. При помощи этой струи сообщается такое количество энергии, которое необходимо, чтобы твердое или жидкое вещество перевести в газообразную фазу, разлагаемую впоследствии на молекулы и атомы. При этом не происходит горения и не образуется СО2, так как при нужной температуре кислород в плазменной струе присутствует в строго дозированном количестве – только для образования СО. На выходе получается синтез-газ – смесь водорода и СО. По энергосодержанию он ниже природного газа, но содержание водорода и СО оптимально для целого ряда применений. Его можно использовать в газовой турбине, в дизель-генераторе, в котле-утилизаторе. При помощи дальнейшего катализа из него можно получить синтетическое топливо, различные виды спиртов. Синтез-газ для этого оптимален, поскольку соотношение водорода и СО в нем можно регулировать посредствам изменения состава и теплосодержания плазмы при одновременном понижении содержания примесей и загрязнителей, что трудно достичь иным способом.
Такое топливо в России можно получать сравнительно дёшево, так как его можно производить из любой растительной органики, в том числе из древесины. Плазменный способ переработки обладает рядом уникальных возможностей, которых нет в любом другом методе. В первую очередь это эффективный ввод энергии при температурах, недостижимых в автотермических процессах. Причем эта энергия вводится с дислоцированным окислителем практически произвольного состава. Все вместе это дает плазменным технологиям преимущество, которое наиболее ярко выражено при переработке отходов. Затратив одну единицу энергии на переработку, в синтез-газе можно получить шесть единиц. КПД преобразования из газа в электричество на больших установках комбайн-цикла – 60% и более, а обычно – 40–50%. Таким образом, с килограмма мусора можно получить 1,5–2 КВт-часа. При этом не образуется загрязняющих выбросов.
Рис.1 Упрощенная схема плазменной технологии
Основа процесса – плазмохимический реактор производится у нас. Элементная база - зарубежная. Оборудование, которое используется до и после реактора – серийное.
Помимо переработки отходов, плазму можно использовать в металлургии для переплавки цветных металлов, в химической промышленности – плазмохимии, которая занимается расщеплением вещества на атомы, из которых потом строится другое вещество по заданным целям; в медицине, энергетике. В недалеком будущем это направление станет отдельной крупной отраслью, равной, например, металлургии.
Наиболее выигрышны плазменные технологии в энергетике. Для получения из синтез-газа жидкого топлива и спирта требуется стандартное оборудование: скрубберы, теплообменники, фильтры очистки, насосы, энергетические блоки комбайн-цикла, способные работать на слабообогащённом газе. В нашей стране это оборудование пока не производится. Нужна международная кооперация для создания таких заводов, но наши плазматроны конкурентоспособны. Мы первыми начали разрабатывать наиболее эффективные плазмотроны, вместе с американцами по межгосударственным соглашениям.
Самая совершенная полупромышленная плазменная установка уже несколько лет работает в институте (ИЭЭ РАН) (рис.2).
Рис.2 Плазменная установка ИЭЭ РАН
Отличительной особенностью плазменных процессов является их высокая селективность, обеспечивающая получение целевых продуктов при незначительном образовании побочных. Успех реализации этих технологий зависит от типа плазмохимического реактора, его рабочих режимов, характера теплообмена и т.д. Наиболее важным является выбор системы генерации плазмы, которая передает в реактор необходимую для организации процесса энергию и в значительной мере формирует состав синтез-газа. Наиболее эффективным методом генерации плазмы является использование плазмотронов, где дуги горят внутри разрядной камеры и струя плазмы вводится в объем реактора.
В этой связи необходимо исследование физических процессов в мощных сильноточных дугах, как постоянного, так и переменного тока, исследование приэлектродных явлений, исследование электродинамических процессов в системах энергопитания генераторов плазмы. Поскольку параметры генераторов плазмы в значительной мере определяют эффективность всего процесса плазменных технологий, прежде всего, следует обеспечить высокую эффективность передачи энергии от дуги к рабочему газу, длительный режим непрерывной работы электродов, устойчивости системы энергопитания дуг. Оптимальным для достижения этих целей является использование в дуговых камерах плазмотронов протяженных высоковольтных дуг.
В результате проведенных в ИЭЭ РАН исследований удалось создать типы генераторов плазмы, которые могут успешно конкурировать с лучшими образцами, разработанными ведущими мировыми компаниями.
По оценке экспертов, отечественная электротехника находится на крайне низком уровне, демонстрируя колоссальное отставание от промышленно развитых стран. КПД наших тепловых станций в среднем не превышает 25%. В мире тепловые станции давно оснащены установками комбайн-цикла: газовая турбина – котёл-утилизатор – паровая турбина. Электрический КПД таких станций 55–60% , плюс 30% – тепловой. У отечественных тепловых станций, оснащенных только паровой турбиной, электрический КПД порядка 20%. Остальные 80% идут на обогрев и загрязнение атмосферы.
Около 60% энергогенерирующих мощностей работает на изношенном оборудовании.
Эксплуатировать его более 25?30 лет просто опасно. В ещё худшем состоянии находятся распределительные сети, которые к тому же не закольцованы (крупные сети надо закольцовывать, чтобы в нештатных ситуациях можно было перебросить энергию). В сетях необходимо менять больше половины оборудования. Обновления оборудования не производилось в течение последних двадцати пяти лет, ввод новых мощностей был минимальный. Из 180–200 ГВт установленных мощностей ежегодно надо было вводить 7–8 ГВт новых мощностей, но это не делалось. Если в советские времена на нужды большой энергетики работало восемь заводов, то сейчас реально осталось только два – «Электросила» и Лысьвенский завод на Урале. Энергомашиностроение, как и всё остальное машиностроение, нуждается в срочном восстановлении.
ИЭЭ РАН участвует в проекте «Интеллектуальные сети», цель которого существенно повысить надежность энергоснабжения, снизить потери и расход энергоресурсов. Для России «умные» сети – это, прежде всего, одновременное и обязательно инновационное преобразование всех субъектов электроэнергетики. Предполагается объединение на технологическом уровне электрических сетей, потребителей и производителей электроэнергии в единую автоматизированную систему, используя новые принципы, технологии передачи и управления процессом. «Интеллектуальные» электрические сети позволят резервировать мощности на случай нештатных ситуаций в энергосистеме, накапливать избыток электроэнергии для использования его в часы пиковых нагрузок. Первым блоком интеллектуальной системы является блок сбора информации и управления компьютерными системами. Второй блок – исполнительный элемент, необходимый для того, чтобы покрыть пиковую мощность, когда она возникает в сетях, предусмотреть выдачу мощности в случае аварии. Здесь планируется применение новейших технологий – использование 100 МВт-ных машин с маховиками. Это позволит при прохождении пиковых нагрузок распределять нагрузку своевременно и надежно. Строить дополнительные электрические станции нецелесообразно, а за счет энергии маховиков все покрывается.
За счет переработки плазменным методом любого местного сырья, мусора, ночью, когда нет потребления энергии, будет накапливаться газ, с тем чтобы в случае пика, перебросить дополнительный газ для турбины и в течение нескольких часов обеспечить требуемую мощность.
В передовых странах Северной Европы, в Японии, около 5% электрической и тепловой энергии вырабатывается за счет мусора. Использование российского плазмотрона для переработки муниципального, органического мусора в 1,5-2 раза эффективнее технологий, предлагаемых в Японии и США. Действующие образец плазмотрона функционирует в Санкт-Петербурге, уже доказав свою эффективность и послужив основой для новых технологий, которые ИЭЭ РАН успешно продает иностранным партнерам.
В ближайшем будущем плазменные технологии будут составлять 50% от всех возобновляемых источников. Первичные прогнозы по ВИЭ на ближайшие десять-пятнадцать лет – 5% мировой энергетики, сегодня пересматриваются в сторону увеличения – до 15 до 20% в развитых странах.
По данным IEA, к 2030 г. потребуется заместить примерно две трети текущих объемов производства нефти, являющейся на сегодня одной из основ мировой энергетики (рис.3). Это потребует разработки новых источников энергии и повышения эффективности использования традиционных.
Рис.3 Прогноз по использованию нефти до 2030 г.
Применение плазменной газификации позволит частично восполнить прогнозируемое сокращение добычи нефти. Традиционная или автотермическая газификация позволяет получать водород и монооксид углерода из твердых топлив за счет частичного сжигания сырья, что ограничивает ее применение. Использование плазмы снимает эти ограничения, делая возможным газификацию практически любых углеродосодержащих веществ, в том числе низкокалорийных отходов. Низкокалорийное сырье обладает высоким содержанием кислорода. В древесине с влажностью 20% оно таково, что при ее газификации практически нет необходимости во введении окислителя, необходима только энергия – примерно 2 кВтч на 1 кг. Эффективная передача такого количества энергии при температуре, обеспечивающей полное превращение органической массы в целевые продукты газификации, возможна только посредствам использования плазмы. Повышение температуры газификации приводит к более глубокой деструкции сырья.
Плазменный процесс имеет ряд преимуществ, в том числе, увеличение удельного выхода энергии, снижение требований к сырью, улучшение состава синтез-газа, повышение энергетической эффективности, увеличение производительности.
Рис.4 Экспериментальная установка плазменной газификации1 – реактор-газификатор; 2 – плазмотрон; 3 – дожигатель; 4 – зажигающий плазмотрон; 5 – циклон; 6 – оросительный скруббер; 7 – насадочный скруббер; 8 – вытяжной вентилятор; 9 – выхлопная труба; 10 – газоаналитический комплекс; 11 – система питания; 12 – труба отвода синтез-газа; 13 – шлаковыводящее устройство.
Одним из самых термостабильных углеводородов является метан. Разработав способ эффективной конверсии метана, мы фактически получаем эффективный метод конверсии любого природного углеводорода. Регулируя соотношение CO2 и H2O в плазмообразующем газе, можно получать синтез-газ целевого состава.
Стехиометрия плазменной конверсии:
0,775 CH4 + 0,55 H2O + 0,225 CO2 + 297,2 кДж = 2,1 H2 + CO + 308,9 кДж
Метод позволяет конвертировать: природный газ, попутный нефтяной газ, биогаз, свалочный газ и др. Плазменная конверсия является перспективным способом получения синтез-газа для производства жидких топлив. Плазма, как новый вид окислителя, позволяет улучшить параметры процесса газификации. При газификации древесных отходов полезный выход электроэнергии увеличивается на ~20 %, а выход жидких топлив возрастает в ~2 раза.
В отличие от атомной отрасли, производящей радиоактивные отходы при производстве энергии, плазменные технологии позволяют получать энергию, уничтожая при этом отходы муниципальные, промышленные, сельскохозяйственные и др.
За рубежом отходы сельского хозяйства, канализационный ил, водоросли, муниципальные отходы, токсичные отходы и др. уже частично используются. Но для того чтобы уничтожить негорючую часть, требуется жидкое или газообразное топливо. На сегодняшний день в мире функционирует более 40 тыс. мусоросжигающих заводов. Каждый городской житель в Европе сегодня производит в среднем до 3 кг мусора в день. Обычное сжигание мусора, производимое при температурах 800-1000оC, приводит к выбросам фуранов, цианидов и диоксинов в атмосферу. Технология очистки выбросов сложная, дорогая и не всегда успешная. Использование плазменных технологий позволяет получать синтез-газ с максимальным выходом и без этих вредных примесей благодаря высоким температурам. С переходом на плазменные технологии при расходе 0,6 кВтч на 1 кг муниципального мусора на выходе получается до 3 кВтч энергии в виде сингазного топлива. За рубежом промышленные установки выпускают фирмы «Хитачи» и «Вестингауз». Наша отечественная установка не уступает зарубежным, и по ряду параметров превосходит их.
ИЭЭ РАН ведёт переговоры о строительстве подобных установок в Ленобласти, которые могут работать на отходах деревообрабатывающей промышленности – сырье, которого хватит на сотни лет.
С помощью плазменных методов можно обезвредить токсичные отходы и отравляющие вещества, которые в достаточном количестве были созданы военной и гражданской промышленностью.
[27/01/2014]
Редакционная справка:
В 2011 г. лауреатом международной премии «Глобальная энергия» стал Филипп Григорьевич Рутберг за разработку в области плотной низкотемпературной плазмы. Российский ученый создал новое направление в физике и технике плотной низкотемпературной плазмы, а также принципиально новые сильноточные плазменные системы, позволяющие разработать технологию для утилизации опасных отходов при одновременном получении бесплатного топлива. Получение возобновляемой энергии с минимальными затратами путем переработки отходов позволяет решить сразу две проблемы, столь актуальные для человечества в XXI веке. Инновационные разработки Ф.Г.Рутберга и его коллег обеспечивают получение около 2 киловатт-часов электроэнергии за счет плазмохимической переработки одного килограмма мусора или других органосодержащих веществ.
Размещено на сайте 27.01.2014
Статьи других авторов
На главную
