Размещено на http://www.allbest.ru/

Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), г. Москва

Энерготехнологические комплексы - перспективный путь освоения топливных ресурсов

Д.т.н. В.М. Батенин, заместитель директора по научной работе;

д.т.н. В.М. Масленников, заведующий отделом

Л.С. Толчинский, заведующий отделом

Введение

Энергетическая стратегия - документ, формирующий и конкретизирующий цели и задачи долгосрочного развития энергетического сектора страны на предстоящий период. Особенность «Энергетической стратегии - 2030» в том, что она формирует стратегические ориентиры развития энергетического сектора в рамках перехода российской экономики на инновационный путь развития. Являясь составной частью экономики, энергетика также должна перейти на инновационный путь развития.

Анализ стоящих на этом пути проблем и способов их решения далеко выходит за рамки настоящей статьи. Сосредоточим внимание на одном из направлений научно-технического прогресса в энергетическом секторе, признанном приоритетным. Речь пойдет о создании головных образцов и освоении энерготехнологических комплексов совместной выработки энергии, синтетического жидкого и облагороженного твердого топлива при использовании исходного газообразного и твердого топлива.

Почему именно энерготехнологические комплексы? Причин несколько. Среди них важнейшими являются:

¦ высокая экономическая эффективность за счет синергетического эффекта, достигаемого при интегрировании производства нескольких видов продукции;

¦ использование самых современных технологий, вновь разрабатываемых и заимствованных в различных отраслях промышленности;

¦ кратное снижение экологической нагрузки на регионы размещения установок за счет снижения, а в ряде случаев и исключения, вредных выбросов;

¦ вовлечение в хозяйственный оборот наряду с традиционными таких первичных энергоресурсов, как низконапорный природный газ, попутные нефтяные газы и шахтный метан;

¦ возможность создания в необходимых случаях экономически выгодных энергонезависимых средне- и малотоннажных производств.

Энерготехнологические комплексы, использующие газообразные углеводороды

В основе создания рассматриваемых энерготехнологических комплексов лежит осуществление реакции частичного окисления исходных углеводородов с выделением энергии и образованием синтез-газа - смеси СО и Н₂. Выделяющееся тепло может быть использовано для производства энергии.

Соотношение СО/Н₂ в синтез-газе, а также наличие примесей Н₂0, СО и др. зависит от состава исходных углеводородов и технологии осуществления реакции частичного окисления.

Термодинамический анализ и рассмотрение кинетики комплекса химических реакций, приводящих в конечном итоге к образованию синтез-газа, показывают, что без катализатора процесс проходит эффективно и быстро при достаточно высоких температурах и давлениях. Созданная в ОИВТ РАН математическая модель процесса позволяет выбрать оптимальные параметры процесса, составы исходных компонентов и определить время, необходимое для осуществления реакции частичного окисления.

Первый генератор синтез-газа в ОИВТ РАН был создан на базе модифицированного дизельного двигателя. Цилиндр двигателя является уникальным аппаратом, сочетающим в себе качества компрессора, химического реактора повышенной температуры, преобразователя тепловой энергии в механическую работу.

На рис. 1 представлен внешний вид генератора синтез-газа, созданного на базе дизельного двигателя Д-245.

Генератор работает с использованием природного газа, либо природного газа с добавками пропан-бутановой смеси, что имитирует возможный состав попутных нефтяных газов. В качестве окислителя используется воздух. Коэффициент избытка воздуха, необходимый для образования синтез-газа, составляет 0,4-0,5, что абсолютно не характерно для нормальной работы дизельного двигателя. Перевод двигателя в режим генератора синтез-газа потребовал дополнительных усилий, увенчавшихся успехом.

Генератор синтез-газа в сочетании с каталитическим реактором синтеза метанола (рис. 2) названы установкой «Синтоп-300» производительностью около 800 л метанола в сутки. На ней выполнен обширный комплекс исследований.

Основными результатами этих работ являются:

¦ возможность осуществления некаталитической конверсии природных углеводородных газов в реакции частичного окисления воздухом при технически реализуемых параметрах;

¦ возможность осуществления эффективного каталитического синтеза метанола из синтез- газа, забалластированного азотом воздуха;

¦ возможность создания экономичных, энергонезависимых, промышленных мало- и среднетоннажных установок для переработки углеводородных газов в жидкие химические продукты.

При этом необходимо отметить, что генератор синтез-газа на базе модифицированного дизельного двигателя может работать с газами низкого давления, такими как газы забалансовых и выработанных месторождений, метан-угольных пластов, попутные нефтяные газы. С использованием полученных результатов в 2008 г. осуществлено проектирование головной опытно-промышленной установки производительностью по метанолу 12500 т/год. Определено и частично изготовлено базовое оборудование: генератор синтез-газа, компрессор, теплообменное оборудование и т.п. Генератор синтез-газа создан на базе дизельного двигателя 164 Н26/26 Коломенского машиностроительного завода.

Работы по созданию установки, к сожалению, в настоящее время приостановлены.

Дальнейшее развитие энерготехнологических комплексов связано с освоением проточного варианта генератора синтез-газа, что позволяет вместо дизельного двигателя использовать газовую турбину, а, следовательно, существенно повысить единичную мощность и перейти к созданию установок масштаба современных энергоблоков. Технологическая схема такого перспективного энерготехнологического комплекса представлена на рис. 3.

Важным в этой схеме является то обстоятельство, что совместная выработка электроэнергии и синтетического жидкого топлива не требует высокой степени превращения синтез- газа в метанол, т.к. непрореагировавший синтез-газ поступает в камеру сгорания газовой турбины. Совместное производство двух товарных продуктов позволяет получить существенное снижение стоимости отпускаемой электроэнергии даже по сравнению с современными парогазовыми электростанциями.

На рис. 4 представлены результаты сравнения относительных экономических показателей различных энергоблоков. За начало отсчета принята стоимость электроэнергии, вырабатываемой современным отечественным паротурбинным блоком мощностью 300 МВт.

Создание подобных энерготехнологических комплексов требует решения ряда проблем, среди которых на первом месте стоят отработка процесса конверсии природного газа в проточном реакторе и работа газовой турбины на синтез-газе, забалластированном азотом. Для решения этих и ряда других задач в ОИВТ РАН в соответствии с госконтрактом, выполняемым по заданию Минобрнауки, сооружена опытно-промышленная установка с газовой турбиной мощностью 1,2 МВт (рис. 5).

В ходе создания установки поэтапно отрабатывались все технические решения применительно к ее основным агрегатам. Проточный генератор синтез-газа первоначально отрабатывался на кварцевой модели, что позволило оценить относительную протяженность зон протекания основных реакций. Горелочное устройство, играющее немаловажную роль, отрабатывалось в натуральную величину на специальном стенде. За основу при проектировании реакторов синтеза метанола приняты решения, отработанные на установке «Синтоп-300».

Промышленный энерготехнологический комплекс может быть создан на базе, например, газотурбинной установки мощностью 20 МВт, производства ММПП «Салют». На базе двух таких ГТУ энерготехнологический комплекс может иметь электрическую мощность 50-60 МВт и вырабатывать до 150 тыс. т метанола в год. Стоимость генерируемой энергии в 2,5-3 раза ниже, чем на перспективной ПГУ большой мощности, а выбросы в атмосферу практически не содержат токсичных NO_x.

Энерготехнологические комплексы с использованием твердого топлива