Обзор проекта тепловой электростанции, работающей на диоксиде углерода

ОБЗОР ПРОЕКТА ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ, РАБОТАЮЩЕЙ НА ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА

Сергеев Д.Е.

Сергеев Дмитрий Евгеньевич - студент, кафедра электромеханики, факультет авионики, энергетики и инфокоммуникаций, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа

Аннотация: в статье проводится общий обзор и рассматривается принцип действия экспериментальной тепловой электростанции, работающей на диоксиде углерода. Делается вывод о перспективах применения данного проекта ТЭС в будущем.

Ключевые слова: тепловая электростанция, цикл Аллама, сверхкритический флюид, диоксид углерода, КПД, экологичность.

Для улучшения экологического состояния планеты без снижения темпов роста технического прогресса, в частности, в области генерирования электроэнергии тепловыми электростанциями, необходимо найти пути оптимизации технологического процесса в ТЭС.

Один из таких путей был предложен в 2016 году американской компанией «Net Power», которая выдвинула идею использования углекислого газа в качестве рабочего топлива для вращения паровых в генераторах электростанции. Экспериментальный проект ТЭС мощностью 50 МВт был разработан американским профессором, лауреатом Нобелевской премии Родней Джоном Алламом, и уже в 2018 году станция была построена. В ближайшем будущем «Net Power» совместно с «Exelon generation» и «CB&I» планируют запустить ТЭС. Внешний вид рассматриваемой ТЭС представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид экспериментальной ТЭС

На рисунке 2 представлена схема, поясняющая технологический процесс, происходящий в ТЭС.

Рис. 2. Схема, поясняющая технологический процесс ТЭС: 1 - блок разделения воздуха и выделения из него чистого кислорода; 2 -чистый кислород; 3 - камера сгорания; 4 -газовая турбина; 5 - смесь «вода-диоксид углерода»; 6 -теплообменник; 7 - сточные воды; 8 - насосы; 9 - диоксид углерода, поступающий под землю; 10 - диоксид углерода, поступающий в камеру сгорания как вторичное топливо; 11 - топливо; 12 - здание ТЭС

Как известно, в состав стандартного топлива - природного газа и угля, используемых для сжигания в камере сгорания, входят преимущественно углеводороды: метан, этан, бутан и др., причем подавляющую часть занимает метан. При сжигании его в среде чистого кислорода образуются вода в виде пара и углекислый газ и выделяется огромное количество энергии:

СН4+202=2Н20+С02+891 кДж

Следует отметить, что такая реакция возможна лишь при горении метана в чистом кислороде 2, не содержащем примесей, который выделяется из воздуха в блоке 1. В противном случае помимо углекислого газа и воды будут выделяться побочные продукты сгорания, которые впоследствии станут вредными отходами,

выбрасывающимися в атмосферу.

Представленный химический процесс лежит в основе получения чистого диоксида углерода. Однако есть еще один нюанс в технологическом процессе рассматриваемой ТЭС. Полученный углекислый газ под воздействием высокого давления (порядка 30 МПа, или 300 атм.) и температуры в 1200 градусов Цельсия сильно сжимается с последующим нагреванием, переходя из газообразного состояния в состояние так называемого сверхкритического флюида.

При этом плотность СО2 приближается к плотности жидкости, а вязкость практически не изменяется, что обусловливает высокую диффузионную способность полученного состава. Таким образом, сверхкритический флюид обладает одновременно свойствами жидкости и газа. Далее смесь поступает в замкнутый контур и, обладая огромной энергией за счет высоких показателей давления и температуры, вращает специальную турбину 4, которая и приводит в движение ротор генератора станции 12.

После этого охлажденная система «углекислый газ -водяной пар» 5 поступает в теплообменник 6, где охлаждается еще больше. Тепло, полученное таким образом

теплообменником, идет на нагревание потоков диоксида углерода, который вновь возвращается в цикл. В итоге чистая прохладная вода 7 сбрасывается в сточные воды, не причиняя особого теплового вреда окружающей среде; часть диоксида углерода 10 с помощью насосов 8 снова проходит через теплообменник, где нагревается, обмениваясь теплотой с системой 5, и возвращается в камеру сгорания 3 для поддержания необходимой циркуляции газа в системе «камера сгорания - турбина - теплообменник», становясь вторичным топливом 11. Этот процесс получил название «Цикл Аллама». Что касается другой части СО2 9, то она утилизируется глубоко под землю, превращаясь в твердые минералы. Рассмотрим подробнее этот аспект технологического процесса.

Рассмотрим процесс превращения диоксида углерода в твердые минералы как гарантию отсутствия его негативного влияния на атмосферу.

При взаимодействии кальция, магния и железа, содержащихся в базальтовых породах, со сверхкритическим флюидом СО2 возникает химическая реакция, в ходе которой за время около одного года диоксид углерода становится твердым карбонатом, который в природе содержится в виде минерала.

Как показывают расчеты, в таком виде углекислый газ может храниться под землей, не освобождаясь, порядка миллиона лет. Возникает вопрос: каким способом и на какую глубину при этом нужно закачивать жидкий диоксид углерода? Одним из путей решения данной проблемы является его транспортировка по уже имеющимся нефтяным скважинам или, если таковые отсутствуют, по специальным трубопроводам 13. Но, как известно, в России нефтяных месторождений и, следовательно, скважин достаточно много, поэтому применительно к нашей стране можно воспользоваться первым способом. Что касается глубины транспортировки углекислого газа, то, согласно исследованиям, оптимальная глубина, где еще присутствуют базальтовые месторождения и будет исключен выброс СО2 в

атмосферу, составляет порядка 1000 - 1500 метров. Именно на такую глубину и рассчитываются длины трубопроводов.

Помимо захоронения диоксида углерода в виде карбонатов «Net Power» рассматривает его утилизацию путем полезного применения в различных технологических процессах. Как вариант предлагается закачка СО2 в нефтяные скважины для увеличения отдачи при добыче нефти за счет его высокого давления.

Список литературы

1. Запущена первая в мире ТЭЦ, работающая на основе цикла Аллама. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://teknoblog.ru/2017/02/26/75321/ (дата обращения: 27.03.2019).

2. Инновационная теплоэлектростанция работает без выбросов СО2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://econet.ru/articles/155469-innovatsionnaya-teploelektrostantsiya-rabotaet-bez-vybrosov-co2/ (дата обращения: 27.03.2019).

3. Строительство ТЭС для демонстрации нового рабочего цикла. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http s: //engineering-ru.livejournal .com/464420.html/ (дата обращения: 28.03.2019).