Speaker
Description
В настоящее время более 30 % всей производимой тепловой и электрической энергии в мире вырабатывается из угля. При этом при добыче и переработке угля образуется более 20% отходов. Отходы угольной промышленности только в России превышают 260 млн. тонн и представляют собой крупные техногенные скопления полезных ископаемых, ежегодный прирост которых составляет 3 млн. тонн.
Выбор сценариев в отношении угольной генерации и собственного производства угля предопределяется позицией крупнейших участников угольного рынка – России, Китая и Индии. Эти страны активно обновляют свой парк угольных станций и заявляют о намерении бороться с экологическими проблемами путем дальнейшего развития технологий глубокой переработки угля и отходов производства, а не отказа от угольной генерации. Такие стратегии необходимы для ответа на глобальные вызовы - мировой энергетический переход, декарбонизация, глобальное изменение климата. В такой парадигме отказа от линейной экономики в пользу экономики замкнутого цикла ценность представляет не только энергия, но и экология.
Для сохранения конкурентоспособности угля на мировом энергетическом рынке необходима реализация концепции системного замыкания (продления) полного жизненного цикла угля в технологических звеньях топливно-энергетического комплекса с глубокой переработкой и получением дополнительной энергии и высокомаржинальной полезной продукции при обеспечении минимального воздействия на окружающую среду.
Одним из перспективных продуктов является водород. Ежегодно более 60 миллионов кубометров водорода производятся для целей химической промышленности и энергетики. При этом более 90 % производится с использованием твердого или газообразного ископаемого топлива - природного газа и угля. С ростом цены газообразного топлива, технологии получения водорода с использованием низкосортного угля и высокой степенью утилизации выделяемого СО2 становятся более актуальными. При этом их внедрение ограничивается отсутствием промышленных образцов подобных установок в мире, связанное с несовершенством описания процессов сопряженного тепломассопереноса и химического реагирования при газификации топлива в условиях, обеспечивающих максимально высокую концентрацию водорода в получаемом синтез-газе.
Одним из способов получения водорода из органических материалов является газификация. Работа посвящена разработке комплексной ресурсоэффективной технологии газификации угля и отходов угольной промышленности с получением водородсодержащего синтез-газа и утилизацией СО2.
Исследования выполняются на базе Научно-исследовательского центра "Экоэнергетика 4.0" Томского политехнического университета. В структуре Центра находится уникальная научная установка (регистрационный номер в реестре научно-технологической инфраструктуры РФ - 673587), представляющая собой локализованное современное оборудование по исследованию свойств и энергетических характеристик различных многокомпонентных энергетических, не энергетических ультрадисперсных порошков, а также гранул и брикетов с целью последующего обоснования энергетического использования разрабатываемых топлив в котлоагрегатах промышленной энергетики и крупных ТЭС.
В статье описаны результаты фундаментальных и прикладных исследований по получения максимальной концентрации водорода в составе синтез-газа при газификации сортовых, низкосортных углей и углеотходов с перспективой последующего разделения газов и полной утилизацией СО2.
Разделение газа для извлечения водорода обеспечивается мембранными, а также адсорбционными установками. Мембранные установки позволяют с минимальными потерями выделять водород из основных потоков. Достоинствами являются низкая стоимость, длительный срок службы и простота обслуживания и монтажа. Адсорбционные установки – более дорогие, но обладают преимуществом получения «чистого» водорода. Данные технологии уже отработаны и широко распространены на рынке. Актуальны методы, основанные на улавливании СО2 синтезированными в ТПУ материалами – карбид титана, карбид молибдена и др.
Для утилизации СО2 целесообразно использовать методы, применимые в местах получения газа, так как его транспортировка затруднительна. Наиболее эффективным и доступным способом можно назвать преобразование СО2 в карбонат кальция в присутствии никелевого катализатора, а также метод конвертации газа в метиловый спирт, который широко используется для технологических целей.
В части газификации углей в рамках прикладных исследований рассматриваемая технология доведена до TRL3 с элементами TRL4 и подтверждена серией успешных испытаний экспериментального образца промышленной установки слоевой газификации, созданной на Томской ТЭЦ-3, на различных марках углей, в том числе и низкосортных. Полученный в масштабах, максимально близких к индустриальным, состав синтез-газа и энергетическая ценность позволяет его использование как в качестве основного вида топлива для прямого сжигания, так и для технологического цикла получения водорода.
Предлагаемая концепция полного замкнутого цикла полностью соответствует приоритетному направлению Стратегии научно-технологического развития РФ – «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии».
Широкое внедрение технологии газификации с получением водородсодержащего синтез-газа позволит не только увеличить эффективность получения энергии, но и снизить углеродный след за счет большей экологичности процесса в целом. При этом внедрение не приведет к радикальной смене структуры экономики отдельных угольных регионов, что позволит более эффективно осуществить переход к энергетике будущего.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и образования Российской Федерации в рамках проекта № FSWW-2020-0022.
| Publication | IOP Conference Series: Earth and Environmental Science |
|---|---|
| Affiliation of speaker | Tomsk Polytechnic University |
| Position of speaker | student |
