Коллектив ученых Уральского федерального университета и Института теплофизики Сибирского отделения РАН (ИТ СО РАН, Новосибирск) под руководством профессора кафедры тепловых электрических станций УрФУ Александра Рыжкова создал уникальную технологию. Она помогает превращать угольную электрогенерацию в безотходное, экологически чистое и экономически более эффективное производство.

Статья с результатами исследования опубликована в высокорейтинговом журнале Fuel. Как отмечают авторы, эти результаты — один из этапов более чем десятилетних поисков решений по снижению выбросов парниковых газов энергетическим сектором экономики. Достаточно сказать, что технология, предложенная учеными УрФУ и ИТ СО РАН и включающая энергоустановку на твердом топливе и систему улавливания, депонирования и утилизации техногенного углерода, снижает выбросы СО₂ в объеме 90–99%.

Статья посвящена решению задачи интенсификации процесса газификации (конверсии) угля. В существующих технологиях этот результат достигается путем обогащения кислородом дутьевого воздуха, который подается в первую ступень традиционных двухступенчатых воздушных газификаторов: увеличение концентрации кислорода ведет к ускорению конверсии угля. Теоретически тот же результат достигается дополнительным нагревом дутьевого воздуха в воздушном котле до высокой температуры, порядка 1200 °С, однако ввиду технологической сложности этот способ в реальном производстве еще неприменим. Уральские и сибирские ученые предлагают более экономичное и простое решение.

«Разрабатываемый нами воздушный газификатор напоминает песочные часы: он представляет собой две ступени, соединенные конфузорно-диффузорной перемычкой. В первую, нижнюю, ступень подается уголь и окислитель — воздух, более доступный и дешевый, чем кислород. Объем подаваемого воздуха меньше, чем необходимо для полного сгорания угля. Во вторую ступень с помощью азота подается уголь, который, реагируя с продуктами конверсии из первой ступени, газифицируется с образованием топливного синтез-газа — смеси горючих CO, H₂ и негорючих CO₂, H₂O, N₂», — объясняет доцент кафедры тепловых электрических станций УрФУ Николай Абаимов.

Отличительная особенность технологии газификации угля, разработанной в УрФУ, состоит в том, что в газификатор подается уголь микропомола, диаметр его частиц — 30–40 микрон — существенно меньше диаметра частиц угля стандартного помола, составляющего около 100 микрон.

Благодаря микронизации угля удельная площадь его реагирования становится больше, доступ окислителя к углю — легче, следовательно, процесс сгорания угля и его газификации происходит быстрее. Полученный таким образом синтез-газ сжигается в камере сгорания газовой турбины с образованием углекислого газа и водяного пара с присутствием азота и некоторых примесей, например, серы и оксидов азота.

«В России под конверсией угля обычно понимается его сжигание в энергетических котлах тепловых электрических станций, основанных на паросиловом цикле, так называемом цикле Ренкина. КПД таких станций — 35–40%, это существенно ниже, чем у предлагаемого нами цикла на базе парогазовой установки (цикла Брайтона-Ренкина) с внутрицикловой газификацией, ее КПД может достигать 50–55%. Предлагаемая нами технология улавливания и утилизации подразумевает очистку и сжатие синтез-газа CO₂, образующегося в результате сжигания. В итоге получаем жидкий СО₂, депонировать который, то есть закачивать под землю, гораздо удобнее», — продолжает Николай Абаимов.

Однако, по словам ученого, «складирование» газа — наиболее примитивное решение. В то же время, например, закачивание сжиженного углекислого газа в нефтеносные пласты заметно увеличивает их отдачу. СО₂ имеет и массу других полезных применений — в пищевой промышленности, в производстве пластмасс, в системах пожаротушения и так далее.

«Более того, мы видим возможность непосредственно на теплоэлектростанциях наладить производство углекислоты разных характеристик — давления, температуры, чистоты, в зависимости от запросов тех или иных потребителей. Таким образом, они будут избавлены от необходимости „доводить“ СО₂ под собственные нужды. Оставшиеся примеси — серу, оксид азота — также можно реализовывать, к примеру, в сельском хозяйстве, медицине, автомобильной промышленности и так далее», — добавляет Николай Абаимов.

В УрФУ разрабатываются концепция и ключевые технологические решения перспективной установки, которая обеспечит малозатратную передачу углекислого газа промышленным потребителям. Использование технологии минерализации — реагирования СО₂ с горными породами или отходами производств с образованием карбонатов — открывает возможность, утилизируя углекислый газ, а также золу, шлак, отходы стройиндустрии, получать новую продукцию.

Наиболее подходящими для применения в схемах утилизации СО₂ являются искусственные материалы. Если для карбонизации горных пород, как правило, необходимы высокие давление и температуры, то карбонизация искусственных материалов может быть осуществлена при низком, в том числе атмосферном, давлении и небольшой температуре. При этом конечный продукт карбонизации гораздо более стабилен, чем в других технологических решениях утилизации углекислого газа, и находит множество промышленных применений, в том числе в рамках кампании по реновации жилья.

Своей целью группа ученых под руководством Александра Рыжкова видит превращение отходов теплоэлектростанций в полезный продукт, товар, а угольной электрогенерации — в безотходное, экологически чистое и при этом экономически выгодное производство, оснащенное современными, высокотехнологическими системами улавливания и утилизации углекислого газа.

Отдельные этапы работы поддержаны грантами Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований, Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007–2013 годы».