научная статья по теме АДСОРБЦИЯ И КАТАЛИЗ ДЛЯ УСТОЙЧИВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Химия

Текст научной статьи на тему «АДСОРБЦИЯ И КАТАЛИЗ ДЛЯ УСТОЙЧИВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»