Как сжечь топливо и не навредить планете.
Одна из актуальных задач современной энергетики - снизить выбросы парниковых газов. Ученые Московского энергетического института (НИУ МЭИ) разработали тепловую установку, способную сжигать торф с практически нулевым выбросом углекислого газа в атмосферу.
Темой низкоуглеродной энергетики в вузе занимаются давно. На кафедре моделирования и проектирования энергетических установок работает специализированная научная группа под руководством кандидата технических наук Константина Плешанова. Ее основа - коллектив научно-исследовательской лаборатории «Информационное проектирование энергетических установок», который сформировался еще в 2010-х годах в ходе исследований котлов на биотопливе. С тех пор команда занимается тепловыми схемами установок, способных эффективно работать на низкокалорийных и нестабильных видах топлива - от древесных отходов до торфа.
Кафедра сотрудничает с ведущими профильными предприятиями, такими как АО «ЗиО», АО «ВТИ», ООО «Интер РАО - Инжиниринг», АО «Биоэнерго», НПП «Белкотломаш», решая реальные инженерные задачи.
О новой технологии «Поиску» рассказал один из ее разработчиков - кандидат технических наук Дмитрий ХОХЛОВ (на снимке справа).
Вызов инженерный и климатический
– Актуальность темы очевидна: с одной стороны, торф - доступный, но капризный региональный ресурс, с другой - ужесточение требований к экологичности энергетики. Поэтому задача - научиться эффективно сжигать торф - так, чтобы при этом не уходил в атмосферу углекислый газ. Это вызов и инженерный, и климатический, - говорит Д.Хохлов.
Проект «Создание научно-технического задела для обоснования технических решений по использованию твердого биотоплива в парогазовом цикле», которым руководит кандидат технических наук Михаил Зайченко, был поддержан Российским научным фондом (РНФ).
Цель проекта - разработка научной основы, моделей, тепловых схем и обоснование ключевых инженерных решений. Иными словами, ученые создают задел, который в будущем может лечь в основу опытного образца или пилотной установки. Проект был успешно завершен в установленный срок.
До него в МЭИ был другой (также поддержанный РНФ), посвященный моделированию теплообмена в потоке продуктов сгорания под высоким давлением и обоснованию рабочих характеристик установки с высоконапорным котлом-утилизатором (ВКУ), но на природном газе как топливе.
Позднее в вузе было принято решение объединить эти наработки с результатами, полученными в рамках еще более раннего проекта по федеральной целевой программе, где исследовались котлы на биотопливе. Руководил обоими проектами К.Плешанов.
– Таким образом, в текущем исследовании мы перенесли идеи высоконапорного теплообмена на биотопливную базу и получили полностью новую конфигурацию установки, ориентированную на торф и улавливание углекислого газа. Это пример того, как несколько разрозненных исследовательских направлений могут сложиться в цельную и перспективную технологическую схему, - подчеркивает Д.Хохлов.
Компактная и легкая
В отличие от существовавшей в СССР парогазовой установки с высоконапорным парогенератором, в установке, разработанной учеными МЭИ, камера сгорания и парогенератор разнесены, что позволяет гибко управлять тепловыми потоками и повышать эффективность.
– Мы называем такую конструкцию парогенератора высоконапорным котлом-утилизатором. Она представляет собой двухступенчатую газовую турбину, где поток газа сначала проходит через ступень высокого, а затем - через ступень низкого давления. Между ними размещен ключевой элемент - котел-утилизатор, работающий под давлением продуктов сгорания, - рассказывает исследователь.
Работа котла под давлением дает ряд преимуществ. Прежде всего его металлоемкость (отношение массы металлических элементов к тепловой мощности) значительно ниже, чем у обычных котлов-утилизаторов, которые работают при атмосферном давлении.
При сопоставимых параметрах пара установка МЭИ имеет меньшие габариты и требует меньших затрат на производство.
По предварительным оценкам, экономия по массе корпуса и поверхности нагрева может составлять до 50% (по сравнению с традиционным котлом-утилизатором аналогичной мощности).
Благодаря новой схеме установка получается компактная, легкая и более доступная для потребителя, особенно в условиях ограниченного пространства или в мобильных вариантах. Раньше подобные котлы использовали в мобильных судовых энергетических установках.
Замкнутый цикл
Сначала торф в установке газифицируется - превращается в горючий синтез-газ, затем сжигается в смеси кислорода и углекислого газа без доступа воздуха. Образуются продукты сгорания с высокой концентрацией углекислого газа и без разбавления азотом, что сильно упрощает улавливание и последующую утилизацию СО2.
Например, в исследуемой установке на выходе из газовой турбины низкого давления расчетный состав продуктов сгорания таков: углекислый газ - 96,96%, вода - 1,76%, кислород - 0,71%, азот - 0,43%, сернистый газ - 0,16%.
При сжигании торфа с высокой влажностью водяной пар конденсируется прямо внутри установки, выделяемое при этом тепло не уходит в атмосферу, а возвращается обратно в цикл. То есть происходит процесс утилизации скрытой теплоты парообразования.
Энергия, полученная при конденсации водяных паров, утилизируется в турбине низкого давления и работает на генерацию электроэнергии.
– Это одно из ключевых новшеств, которое позволило эффективно использовать даже «мокрое» биотопливо вроде торфа, - подчеркивает Д.Хохлов.
За счет этого удалось довести общий КПД установки до 46,6% - с учетом затрат на собственные нужды (то есть затраты на улавливание углекислого газа и производство кислорода), что превышает стандартные значения для ТЭС в 42-45%. Без их учета КПД достигает 57,3%.
Важно, что речь идет о цикле, замкнутом по газовому тракту: продукты сгорания не уходят в атмосферу, а циркулируют по внутреннему контуру. После сжигания синтез-газа выделившийся углекислый газ снова используется как инертная среда для следующего цикла горения. Из системы выводятся только конденсат (вода, выделившаяся из продуктов сгорания) и часть углекислого газа, подготовленного к хранению.
После запуска в работу в установку непрерывно вводится небольшое количество воздуха, которое компенсирует потери или используется для контроля состава потока продуктов сгорания.
А главное преимущество в том, что на выходе из установки получается почти чистый СО2 (концентрация его в выделяемом газе превышает 96%), который не нуждается в сложной очистке.
Такой углекислый газ считается «готовым к безопасному хранению» - его можно собрать и направить в геологические пласты или подземные хранилища, использовать в химической промышленности.
Для целого района или предприятия
Как отмечает Д.Хохлов, в рассмотренной модели мощность установки составляет 366,4 МВт - это уже уровень промышленной тепловой электростанции, способной снабжать энергией целый район или предприятие.
Технология актуальна для регионов России, где имеются значительные запасы торфа как недоиспользованного ресурса и одновременно стоит задача повышения применения местных источников топлива. Это Карелия, Архангельская, Вологодская, Тюменская области, Республика Коми и т. д.
Востребована технология будет и там, где отсутствует подключение к централизованным магистралям газа или требуется создание мобильных автономных энергетических станций с низким углеродным следом.
Такие установки могут применяться как в стационарных ТЭЦ, так и в модульных энергетических комплексах для добывающих, лесозаготовительных, арктических или других удаленных объектов, считает Д.Хохлов.
И добавляет, что бизнес уже заинтересовался разработкой - поступил официальный запрос от компании из реального сектора энергетики, сейчас ведутся предварительные переговоры, обмен техническими материалами. Речь идет о возможной адаптации технологии под конкретный объект и совместной доработке под производственные условия.
Дальнейшая судьба технологии - это либо внедрение в виде пилотной установки, либо выход на более крупные программы поддержки, такие как гранты Минпромторга, проекты по декарбонизации или государственно-частное партнерство в энергетике.
Точки роста
Технологии сжигания биотоплива развиваются сегодня во многих странах - от Финляндии до Канады. Там, где торф доступен как ресурс, он тоже используется, особенно в скандинавских странах, в которых он законодательно является «зеленым» топливом.
Разработка МЭИ отличается принципиально тем, что торф не просто сжигают, а делают это в замкнутом цикле с улавливанием углекислого газа, минимизируя выбросы.
– В мировой практике пока не существует полноценных энергетических установок, которые были бы одновременно ориентированы на сжигание влажного твердого биотоплива и на интеграцию СО2-контроля в таком объеме, - подчеркивает Д.Хохлов.
В разных подразделениях НИУ «МЭИ» разрабатываются и другие технологии низкоуглеродной энергетики, связанные с использованием биотоплива и отходов древесины, созданием гибридных энергетических установок, с цифровым управлением режимами генерации с учетом выбросов СО2, а также технологии для водородной энергетики.
Низкоуглеродная энергетика - широкое и перспективное направление, и создание технологии сжигания торфа с практически нулевым выбросом углекислого газа - лишь одна из точек роста в этом поле.
Слово эксперту
Прокомментировать разработки ученых МЭИ редакция попросила члена-корреспондента РАН, доктора технических наук, профессора Леонида Яновского:
– Работы, связанные со снижением эмиссии СО2 при работе энергоустановок различного класса, являются весьма актуальными во всем мире, - рассказал ученый. - В этом плане проект научного коллектива МЭИ, безусловно, интересен, причем именно для эксплуатации энергоблоков на торфе как «зеленом» горючем, в отличие от других видов ископаемого топлива. Идея складирования СО2 привлекательна для многих практических приложений в глобальном тренде декарбонизации энергетики и других энергоемких отраслей экономики, и технический проект МЭИ дает такую возможность. Естественно, говоря о преимуществах разрабатываемого проекта, необходимо учитывать эмиссию СО2 в полном жизненном цикле - от добычи торфа, его транспортировки, различных видов подготовки к утилизации и собственно переработки в энергоустановках. При этом очевидно, что техническое решение МЭИ имеет преимущество по этому показателю по сравнению с другими классическими энергоустановками.
Татьяна УШАНОВА
Обложка: фото предоставлено Д.Хохловым
