КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2015, том 56, № 4, с. 445-452
УДК 544.2+544.7
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНАЯ ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ "КАТАЛИЗ: ОТ НАУКИ К ПРОМЫШЛЕННОСТИ"
(26-30 ОКТЯБРЯ 2014 г., ТОМСК) АДСОРБЦИЯ И КАТАЛИЗ ДЛЯ УСТОЙЧИВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
© 2015 г. Ю. И. Аристов
ФГБУНИнститут катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, просп. ак. Лаврентьева, 5, Новосибирск, 630090, Россия Новосибирский государственный университет, ул. Пирогова, 2, Новосибирск, 630090, Россия
E-mail: aristov@catalysis.ru Поступила в редакцию 02.11.2014 г.
В обзоре рассмотрены каталитические и сорбционные методы термохимического преобразования энергии (ТПЭ) тепловых отходов, образующихся при сгорании первичного органического топлива (в основном нефти, газа и угля), термодинамические основы этих методов, применяемые реакции и сорбенты, история и современное состояние научных исследований и практического внедрения, перспективы дальнейшего развития ТПЭ и способы увеличения эффективности и энергонапряженности преобразования.
Ключевые слова: термохимическое преобразование энергии, возобновляемые источники энергии, тепловые отходы.
DOI: 10.7868/S0453881115040036
Основными первичными топливами на Земле являются нефть, газ и уголь, общая добыча которых быстро растет [1—3]. Эти ископаемые топлива считаются не возобновляемыми и, соответственно, ис-черпаемыми (по нефти и газу в ближайшие 50 лет, по углю — 100 лет [1]). В общем производстве энергии доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — в основном гидроэнергии и природной биомассы (дров) — не превышает 10%. По данным Международного энергетического агентства [2], в мировой структуре потребления основное место занимают тепловая (~80%) и электрическая (~20%) энергии. В обоих случаях химическую энергию органического топлива сначала превращают в теплоту, часть которой затем используют для производства электричества. При этом 50—80% энергии первичного топлива рассеивается в виде тепловых отходов (ТО) [4, 5]. Использование хотя бы части ТО может обеспечить существенную экономию первичных топлив и значительное уменьшение выброса СО2 и других парниковых газов.
Основная проблема использования ТО состоит в несоответствии их потока и потребности в тепловой энергии по времени, месту или температуре [4]. Оценки показывают, что в США повторно можно использовать около 1/5 полного потока ТО, который составляет 55-60% от потребленной первичной энергии [6]. Это позволит сэкономить 12% первичного топлива и уменьшить выбросы СО2 на 13% [4]. Осуществление подобного анализа для Российской Федерации затруднено из-за нехватки необходимых статистических данных, однако можно ожидать, что потенциал использования ТО в этом случае будет еще выше из-за большего суммарного потока ТО.
Более общий анализ [5] показывает, что полный потенциал всех каналов энергосбережения в России может составить около 45%.
Эти показатели возможной экономии уже произведенной энергии существенно превышают тепловой вклад ВИЭ. Таким образом, в настоящее время рациональное использование производимой в мире энергии может дать больший эффект, чем новое производство с использованием ВИЭ. Это особенно верно для России, где потери произведенной энергии больше, чем в других развитых странах, а потенциальная доля ВИЭ ниже из-за более холодного климата. Утилизация тепловых отходов промышленности, транспорта и жилищно-коммунального сектора, рациональное использование энергии первичных топлив и возобновляемых источников энергии и составляют основу устойчивой энергетики будущего.
Важно отметить, что новые возобновляемые источники тепловой энергии, а также основные виды ТО имеют более низкий температурный потенциал, чем тот, который достигается при сгорании органических топлив [3, 4]. Из табл. 1 следует, что при производстве электроэнергии на тепловых станциях значительная часть теплоты рассеивается в конденсаторе или на стенке при температуре ниже 100°С. Около 35% теплоты сгорания топлива в различных двигателях рассеивается в системе охлаждения при 85—90°С [7]. Наиболее простые, дешевые и доступные плоские приемники солнечной энергии позволяют получить теплоту, носители которой имеют температуру 60—120°С [8]. Пониженный уровень температуры ТО и ВИЭ открывает новые возможности
Таблица 1. Термодинамические параметры различных циклов производства работы (по данным [4])
Данные о производстве Тепловые отходы Ссылка
цикл топливо эффективность, % производство, 106 ГДж/год доля, % Т, °С источник
Газовая турбина Природный газ 33.8 1045 59.4 543 Выхлопные газы [9]
6.8 50 Через стенку
Внутреннее сгорание Природный газ 29.6 28 22.5 650 Выхлопные газы [10]
48.0 85 Охлаждение
Внутреннее сгорание Жидкое топливо 31.8 22 34.0 455 Выхлопные газы [7]
34.2 85 Охлаждение
Паровая турбина Уголь 34.6 7413 20.3 70 Через стенку [11]
43.0 40 Конденсатор
Паровая турбина Природный газ 27.5 893 11.3 120 Выхлопные газы [12]
61.3 38 Конденсатор
для применения термохимического преобразования энергии (ТПЭ).
В предлагаемом обзоре рассмотрены каталитические (КПЭ) и сорбционные (СПЭ) методы ТПЭ, их термодинамические основы, пригодные для этой цели реакции и сорбенты, история, современное состояние и перспективы дальнейшего развития ТПЭ, а также резервы увеличения эффективности и энергонапряженности такого преобразования.
ТЕРМОХИМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
Термохимическое преобразование энергии имеет целью:
а) запасание теплоты для ее последующего использования, так чтобы согласовать во времени поток ТО или ВИЭ и потребность в тепловой энергии;
б) превращение энергии в теплоту с другим температурным потенциалом — более высоким для нагрева или более низким для охлаждения, с тем чтобы согласовать эти потоки по температуре;
в) транспортировку теплоты к месту ее потребления.
Именно эти процессы и будут рассмотрены ниже. Соответственно традиционные химические процессы в энергетике, такие как каталитическое сжигание, синтез вторичных топлив, контроль загрязнений и многие другие оказываются за пределами тематики данного обзора, как и адсорбционная очистка отработанных газов и жидкостей в энергетических производствах. Для более глубокого знакомства с этими вопросами автор отсылает интересующихся читателей к соответствующим монографиям [13—16] и обзорам [3, 17, 18].
Термодинамические основы ТПЭ
Химический процесс преобразования тепловой энергии можно условно представить как реакцию АВ ^ А + В, (1)
причем в ходе эндотермического процесса разложения вещества АВ теплота поглощается (запасается), а в обратном экзотермическом процессе синтеза выделяется. Термодинамика реакции (1) определяется температурной зависимостью изменения свободной энергии Гиббса ДG(T = АЛ(Г) — TAS(T) в ходе превращения. Температуру перехода Т* можно оценить из условия равенства потенциала Гиббса нулю ДG(T *) = ДЛ(Т*) - Т^(Т*) = 0, откуда следует, что
Т* = ДЛ(Т*)/ДБ(Т*). (2)
При Т = Т* равновесный состав в системе, содержащей АВ, А и В, определяется из условия К(Т*) = = ехр[-ДG(T*)/RT*] = 1, где К — константа равновесия реакции (1). При Т > Т* доминирует разложение (запасание теплоты), а при Т < Т * — синтез (выделение теплоты). Для эффективного запасания теплоты изменение энтальпии в прямой реакции (1) должно быть положительным (ДЛ > 0) и большим по величине. Изменение энтропии тоже должно быть положительным, поэтому реакция (1) условно рассматривается как реакция разложения, протекающая с увеличением числа молей.
Важнейшей характеристикой ТПЭ является его эффективность п. Ее предельное значение для любой тепловой машины определил в 1824 г. С. Карно [19]. Классическая тепловая машина потребляет теплоту от термостата с высокой температурой Т1, отдает теплоту 0>2 термостату с низкой температурой Т2 и производит работу Ж = — 02 = = 01(1 — Т2/Т1). Устройство для ТПЭ потребляет и производит только тепловую энергию и работает в
АДСОРБЦИЯ И КАТАЛИЗ ДЛЯ УСТОИЧИВОИ ЭНЕРГЕТИКИ
447
Т
II -Т-
III
АН
АН
I
~г ~г
АН + АНе АН + АН
АНе
АНе
1_ _1
Полезное Из среды
1 2
АН
Полезное АНе
Рассеивается Полезное
АН АНе
Рис. 1. Принцип работы устройства для химического преобразования тепловой энергии [22].
ё
простейшем случае между тремя термостатами (I, II и III): при высокой (Тё), промежуточной (Тс) и низкой (Те) температурах соответственно (рис. 1). Это устройство может преобразовывать тепловую энергию в трех режимах: охлаждения (1), нагревания (2) и повышения температурного потенциала (3).
Максимальная теоретическая эффективность преобразователя энергии [20—22], работающего между тремя термостатами, равна для охлаждения Пхол = (1/Т - 1/Т§)/(1/Те - 1/Тс), (3) для нагрева Пнаг = (1/Те - 1/Т8)/(1/Те - 1/Тс) (4) и для повышения температурного потенциала
Птп = (1/Те - 1/Тс)/(1/Те - 1/Тё). (5)
Для практических целей эффективность ТПЭ обычно определяют как
П = ^пол^за^ (6)
где 0пол - полезная, а 0затр - затраченная теплота. В случае равновесного процесса (1) определения эффективности через граничные температуры цикла (уравнения (3)-(5)) и теплоты процесса (уравнение (6)) являются эквивалентными [22, 23].
Важными являются и удельные характеристики ТПЭ - плотность преобразования
О = ШпОЯ/У или О = Абпол/т (7)
и его энергонапряженность (удельная мощность преобразования)
Ж = 1/У(ёА<2пол/аО или Ж = 1/т (ёАбпол/й?), (8) где У - объем устройства и т - его масса (или, например, масса катализатора/адсорбента).
Реакции, перспективные для ТПЭ
Некоторые каталитические реакции, предложенные для реализации ТПЭ, приведены в табл. 2 [24, 25]. В этих процессах реагенты и продукты находятся в газовой фазе, а температура перехода Т* составляет 200-800°С, т.е. они представляют интерес для преобразования средне- и высокотемпературного тепла. Речь идет, например, о тепловых отходах металлургического, химического или цементного производств [4] либо тепла от современных концентраторов солнечной энергии [26]. Преимуществами КПЭ являются высокая удельная мощность преобразования теплоты, которая может достигать 100 кВт/кг катализатора [25, 26], и быстрая "закалка" запасенного тепла, как только реакци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.