С л
мЕтвио-воаороаиоЕ топпиво
V_)
Доктор технических наук А.Я. СТОЛЯРЕВСКИЙ (ООО "Центр КОРТЭС")
Важным обстоятельством, определяющим неизбежность перехода к массовому использованию новых энергетических технологий, является качественное изменение экологических требований в энергетической сфере и на транспорте, предъявляемых законодательствами развитых государств.
Возрастание роли природного газа в региональной и мировой энергетике требует создания технологий, повышающих эффективность и расширяющих сферу его применения. В качестве примера можно назвать технологии применения в газовой промышленности водородсодержащих энергоносителей, производимых из природного газа, что позволяет на базе отработанных промышленных технологий, процессов и катализаторов повысить эффектив-
Рис. 1.
Изменение структуры мировой энергетики (1ЕА, 2011).
(л 5000
§ 4000 х
° 2 3000
0
* 2000
*
1 1000
§ п
2000 2010 2020 2030 2035 Годы
Ядерная энергия Другие возобновляемые источники
Гидро ,
ность использования природного газа. Такой технологией становится создание эффективного производства мета-но-водородных смесей (МВС) с содержанием водорода от 20 до 44-48%.
Роль водорода в процессах
использования природного газа
Возрастающая роль природного газа в мировом энергетическом балансе показана на рис.1. Как видно из графика (анализ Международного энергетического агентства, выполненный в 2011 г.), объём добычи газа в млрд т нефтяного эквивалента (т н.э.) к 2035 г. превысит 4 млрд и практически сравняется с вкладом нефти в мировом энергобалансе. Ежегодный спрос на газ возрастает на 2% при росте суммарного потребления энергии на 1.2%.
В дальнейшем на смену природному газу должно придти водородное топливо. Водород - самое эффективное и экологически чистое топливо (табл. 1). Мировое производство водорода превышает 550 млрд м3. По низшей теплоте сгорания единицы массы он в 2.75 раза превосходит бензин, имеет более высокий нижний предел и значительно более широкий интервал воспламенения в смеси с воздухом (от 4 до 75 объёмных %). Эти уникальные свойства водорода обеспечивают возможность повышения КПД тепловых двигателей в 1.5-1.7 раза, причём реальный цикл двигателя при работе на водороде существенно ближе к теоретическому, чем на любом углеводородном топливе. Перевод на альтернативное топливо становится важным этапом на пути применения чистого водорода в качестве топлива для автотранспорта (водородного электромобиля с топливным
1980 1990
Нефть Газ Уголь Биомасса
16
© А.Я. Столяревский
С л
Таблица 1
Результаты испытаний горелки ГТУ при работе на МВС
Р1 Р2 аЕ О2 мох N0 Ш2 со со2 Расход воды Ов оп
^изм. %
кг/см2 кг/см2 - % ррт РРт РРт ррт % г/с мощ-
ности
0 1 2 4 5 6 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 1.2 1.3 1.3 1.2 1.2 1.2 1.74 1.78 1.78 1.72 1.75 1.81 9 9 9 9 9 9 953 00 00 5 16 14 8 15 12 8 16 14 8 14 11 8 0 0 0 1 1 0 12 10 11 27-62 21 17 1Л со со со см см со сососососо 70.97 71.51 71.53 71.35 71.04 71.04 0 50 75 0 50 100 (погасла)
элементом и электроприводом). При этом резко (в 2-4 раза) снижается токсичность выбросов, эксплуатационный расход углеводородного топлива уменьшается на 35-40%, а эксплуатационная экономичность повышается на 20-25%.
Методы получения водорода
Разнообразие способов получения водорода (паровая конверсия метана и природного газа, газификация угля, электролиз воды, пиролиз, частичное окисление, биотехнологии) является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья. В сложившейся структуре в странах с развитой экономикой 77% водорода получали из природного газа и нефтепродуктов, 18% -из угля, 4% - из воды и 1% - из прочего сырья. Последние двадцать лет новейшие разработки в области получения водорода были направлены главным образом на поиск более эффективных технологий производства водорода из воды.
В данный момент наиболее доступным и дешё-
вым процессом является паровая конверсия, которая будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике. В долгосрочной перспективе произойдёт переход на экологически чистые источники энергии: солнечную, ветровую, ядерную энергию в сочетании с электролизом воды.
Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что снижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода потребителю. На рис. 2 дано сравнение энергетических
Рис. 2.
Сравнение методов получения водорода по энергозатратам.
со ГС О
ц
о *
о
0
1
о *
0
СК
Ф
1
О
Затраты энергии, кВт-ч/ нм3
16 14 12 10 8 6 4 2 0
АКМ-МГР ВТЭ-МГР
Электролиз
ТХЦ-МГР
Тип технологии
□ Ядерное тепло 1.2
15
10
□ Природный газ 2.6
Теплоноситель
ВТТ
ПГС
Теплоноситель
1-я секция 50% расхода
2-я секция
Котёл-утилизатор
Ввод природного газа
т
Вода
Рис. 3.
Технологическая схема адиабатической конверсии метана (АКМ).
затрат на получение водорода методом адиабатической конверсии метана или природного газа (АКМ) в сравнении с другими современными технологиями: электролизом воды с применением электричества из сети, термохимическим разложением воды (тХц) и высокотемпературным электролизом воды (ВТЭ) с применением модульного гелиевого реактора (МГР). Как видно из представленного графика, суммарные затраты энергии по технологии получения водорода методом АКМ в 3-4 раза ниже, чем в альтернативных процессах.
Адиабатическая конверсия метана для производства МВС
В России разработана технология адиабатической конверсии метана (АКМ), которая позволяет при использовании сторонних высокотемпературных энергоисточников (ядерных, солнечных) из 1000 м3 природного газа производить более 4000 м3 водорода. При работе на природном газе с производством метано-водородной смеси (МВС) без сторонних энергоносителей в процессе АКМ её выход с содержанием водорода 48% составляет 1800 м3 на 1000 м3 природного газа.
На рис. 3 показана схема технологического процесса адиабатической конверсии метана (АКМ). После смеше-
ния природного газа с водяным паром образовавшаяся парогазовая смесь (ПГС) поступает в высокотемпературный технологический теплообменник (ВТТ), а затем с температурой 640-680 оС направляется в адиабатический реактор, заполненный катализатором. ВыходМВС ) В ряде технологических
применений, например, в описанной ниже схеме "Тандем", МВС в смеси с водяным паром может без удаления влаги направляться в камеру сгорания газотурбинной установки.
Технология адиабатической конверсии метана существенно упрощает промышленный процесс, поскольку получение метано-водородной смеси происходит при существенно более низких температурах (до 680 оС), чем в традиционных промышленных процессах получения водорода из природного газа, построена на отработанных в крупнотоннажной химии технологических решениях, режимах и катализаторах и позволяет менять как температуру нагрева газовой смеси, так и содержание водорода.
Основная концепция применения ме-тано-водородной смеси для описанной ниже схемы "Тандем" состоит в следующем:
использование в качестве топливного газа не чистого водорода, а смеси водорода с природным газом на порядок дешевле;
использование процесса адиабатической конверсии метана происходит с температурой конверсии не более 650-680оС, вместо 800 оС - при паровой или 1350-1450оС - при автотермической конверсии;
создание установки компактно-блочного исполнения (рис. 4) по производству тройной смеси (МВС) - "природный газ-водород-водяной пар" - можно осуществить при газотурбинном приводе на объектах ОАО "ГАЗПРОМ".
В технологии АКМ температуры нагрева парогазовой смеси не превышают 700 оС, что позволяет получать
Рис. 4.
Общий вид установки производства МВС.
МВС с высоким содержанием водорода (рис. 5), которое может изменяться от 0 до 44-48% как путём изменения температуры нагрева парогазовой смеси, так и путём разбавления товарной МВС природным газом. Повышение содержания водорода в МВС позволяет при относительно небольшом снижении индекса Воббе1 существенно уменьшить эмиссию СО2 за счёт вывода углекислоты в процессе АКМ.
Применение МВС как топлива для газотурбинной техники
Получаемая метано-водородная смесь может применяться в качестве топлива в газотурбинном приводе. Определены компонентные составы исходного продукта - природного газа и товарного газа на выходе из установки получения МВС.
При создании на компрессорных или электрических станциях с современными ГТУ блоков утилизации тепла на основе АКМ с производством мета-
1 Число Воббе газообразного топлива (низшее
или высшее) - отношение объёмной (соответственно, низшей или высшей) теплоты сгора-
ния к корню квадратному из относительной плотности газообразного топлива (то есть из отношения его плотности к плотности воздуха при стандартных условиях).
но-водородной смеси КПД может превысить 50% даже без применения регенерации и паровых энергоустановок, а при подключении тепловых отопительных нагрузок полезное использование газа может быть доведено до 60-62% при резком снижении эмиссионных показателей ниже 10-25 ррт (20-50 мг/м3) по 1\Юх, а также устранении выбросов НОЫ (синильной кислоты) и этилена.
Роль водородной компоненты в ме-тано-водородном топливе состоит в том, чтобы снять ограничения на состав топливно-воздушной смеси и повысить устойчивость горения "сверхбедных" смесей.
Важно также то, что повышенное содержание водорода (до 40-44%) в ме-тано-водородном топливе позволяет снизить углеродный индекс топлива и уменьшить выбросы углекислого газа и других парниковых газов.
Одним из основных направлений повышения эффективности газотурбинных установок является утилизация
Рис. 5.
Изменение содержания водорода и метана в МВС в зависимости от температуры нагрева парогазовой смеси.
£ 100
90
\о 80
о
70
60
50
40
30
20
10
0
- метан
-
450 525 630 645
Температура, °С
Дымовые газы
▲
Конденсатор
МВС Компрессор
Водяной пар
Камера сгорания
Парогене
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.