Перспективы развития новой технологии сжигания топлива с попутным улавливанием и полезным использованием СО2 и её влияние на смежные производства

Экономический вестник Ростовского государственного университета Ф 2008 Том 6 №1 Часть 2

данной системе сертификации, подтверждается соответствие маркированной им продукции установленным требованиям. При обязательной сертификации действие сертификата и знака соответствия распространяется на всей территории России. Действие органического логотипа должно также распространяться на всю территорию России.

Для роста объемов производства и реализации экологически чистой сельскохозяйственной продукции большое значение имеет реализация принципа научно обоснованного сочетания экологических и экономических интересов общества. Такой подход позволит принять правильные решения к производству и реализации экологически чистой сельскохозяйственной продукции, обеспечить реальные гарантии прав человека на благоприятную окружающую природную среду и качественную продукцию.

ЛИТЕРАТУРА

1. Добкин В.Н. Системный анализ в управлении. М.: Радио и связь, 1994.

2. Егоров В.Место и роль кооперации в цивилизационном пространстве // Вопросы экономики. 2005. № 4.

3. Коновалов М.В. Эволюция развития кооперации в России // Аграрная Россия. 2004. № 3.

4. Чаянов А.В. О сельскохозяйственной кооперации. Избранные главы и статьи. Саратов, 1999.

5. Экологизация аграрного производства как алгоритм решения проблем современного землепользования // Социально-гуманитарные знания. 2005. № 1.

6. Organic agriculture, environment and food security. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2002.

ФЕДОРЧЕНКО А.А.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА С ПОПУТНЫМ УЛАВЛИВАНИЕМ И ПОЛЕЗНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СО2 И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА СМЕЖНЫЕ

ПРОИЗВОДСТВА

Проблема повышения экологичности современного производства является одной из важнейших, стоящих перед человечеством, и может считаться поистине одной из глобальных. Эффективные разработки в этом направлении относятся прежде всего к энергетической отрасли и могут быть использованы в силовых энергетических установках с целью получения электрической, механической и тепловой энергии. Однако этим их значение для экономики не ограничивается.

Известны газотурбинные установки (ГТУ), содержащие компрессор для подачи сжатого воздуха в качестве окислителя в камеру сгорания и в качестве вторичного воздуха для охлаждения продуктов горения ниже предельно допустимых температур для конструкционных материалов газовой турбины. При этом в камере сгорания осуществляется процесс сжигания топлива; высокотемпературные продукты сгорания под давлением подаются из камеры сгорания на лопатки газовой турбины, которая приводит во вращение электрогенератор или иную силовую установку (компрессор, насос и т.д.). А это уже, как легко догадаться, имеет прямое отношение к такой, скажем, социально значимой и одновременно запущенной сфере народного хозяйства, как ЖКХ.

Возникает вопрос: что происходит при этом с продуктами сгорания ГТУ? Классический вариант: они выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

С целью повышения экономичности ГТУ они применяются и в виде парогазовых установок (ПГУ). При этом применяют две основные схемы:

а) с высоконапорным парогенератором, который одновременно выполняет функции парогенератора паротурбинной установки (ПТУ) и камеры сгорания ГТУ;

б) со сбросом продуктов сгорания, имеющих высокую температуру (350-4500С) в поверхностный теплообменник в виде парогенератора для получения пара энергетических параметров или в виде котла-утилизатора - для получения тепловой энергии в виде пара низкого давления или горячей воды с температурой до 250°С.

При этом КПД ПГУ достигает 42,8-49,8%, в то время как КПД ГТУ - лишь 20-31% (см. табл. 1). Известные конструкции ГТУ имеют следующие отличительные особенности, которые наглядно можно продемонстрировать в сравнении с ПТУ.

В отличие от паровых турбин, на рабочие лопатки газовых турбин подаются непосредственно продукты сгорания. Теоретическая температура горения газотурбинных топлив (природный или попутный газ, легкие фракции жидких топлив) достигает 20000С. Между тем, даже самые дорогие жаропрочные металлы и сплавы допускают применение температур не более 9000С. На практике температура газов, поступающих на рабочие лопатки газовых турбин, находится в пределах 600-750°С.

таблица 1

Сравнительная характеристика конструкций ГТУ и ПТУ

Наименование показателей Размерность ПТУ ГТУ

1. Коэффициент избытка воздуха, а. - 1,05 4,0-8,0

2. Теоретический объем кислорода, УО2. м3/м3 2,09 2,09

м3/кг у. т. 1,82 1,82

3. Расход воздуха, УВ. м3/м3 10,45 39,8-79,6

м3/кг у. т. 9,12 34,7-69,5

4. Состав продуктов горения, в том числе:

- азот (N2), УМ2; м3/м3 8,25 31,4-62,8

м3/кг у. т. 7,2 27,4-54,8

- кислород (О2ИЗБ), УО2; м3/м3 0,091 6,27-14,63

м3/кг у. т. 0,07 5,47-12,77

- диоксид углерода (СО2), УСО2; м3/м3 1,014 1,014

м3/кг у. т. 0,885 0,885

кг/кг у.т. 1,69 1,69

- водяные пары (Н2О), УН20. м3/м3 1,97 1,97

м3/кг у.т. 1,72 1,72

кг/кг у.т. 1,38 1,38

5. Общий объем продуктов горения, УГ , в м3/м3 11,34 40,69-80,48

том числе: м3/кг у.т. 9,9 35,52-70,26

- сухие газы, УСГ. м3/м3 9,37 38,72-78,51

м3/кг у.т. 8,18 33,8-68,54

6. Концентрация газов в продуктах % от объема

горения: - азот ^2); _ _ 72,76 77,26-78,12

- кислород (О2изб); _ _ 0,92 15,41-18,18

- диоксид углерода (СО2); _ _ 8,93 2,49-1,26

- водяные пары (Н2О). _ _ 17,37 4,84-2,44

7. Концентрация в продуктах горения % от объема

сухих газов: _ _ 88,06 81,19-80,08

- азот ^2); _ _ 1,12 16,19-18,63

- кислород (О2изб); - диоксид углерода _ “ _ 10,82 2,62-1,29

(СО2). 2

В связи с этим с целью снижения температуры продуктов сгорания на выходе их из камеры сгорания применяют чрезвычайно высокий коэффициент избытка окислителя

а, который с учётом вторичного охлаждающего воздуха достигает 4-8. Для сравнения можно указать, что современные технологии позволяют сжигать указанные выше виды топлива при предельно низких коэффициентах избытка воздуха вплоть до 1,02-1,05 (см. табл. 2).

таблица 2

Характеристика параметров сжигания видов топлива

Параметры Размерность I II III

Начальная температура ОС 660 660 660

Конечная температура ОС 373 373 373

Степень расширения - 4,1 9,2 9,2

КПД ГТУ % 34,9 40 40

Экономический вестник Ростовского государственного университета Ф 2008 Том 6 №1 Часть 2

Экономический вестник Ростовского государственного университета Ф 2008 Том 6 №1 Часть 2

К чему приводят эти различия, рассмотрим на примере сжигания природного газа следующего состава: СН4 = 95%, С2Н6 = 1,0%; С3Н8 = 0,6%; С4Н10 = 0,4%. Теплота сгорания такого газа составляет: высшая - Qв = 9456 и низшая - Qн = 8018 ккал/м3.

Результаты балансовых расчетов при сжигании такого газа в топке парогенератора ПТУ при коэффициенте избытка воздуха а = 1,05 и при сжигании в камере сгорания ГТУ при а = 4-8 представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы, на выходе из камеры сгорания содержание химически чрезвычайно активного и агрессивного при высоких температурах избыточного кислорода в 70-160 раз, а содержание азота в 2,8-6,7 раз выше, чем при сжигании топлива в парогенераторах ПТУ.

Что касается таких продуктов реакции, как диоксид углерода (СО2) и водяные пары (Н2О), то их общее содержание сохраняется неизменным, хотя концентрация резко уменьшается из-за разбавления избыточным количеством окислителя.

В связи с указанными обстоятельствами современным ГТУ свойственны следующие существенные недостатки:

1. Весьма высокое содержание избыточных количеств кислорода и азота в высокотемпературной среде продуктов горения, что способствует интенсивному образованию вредных для окружающей среды оксидов азота (ЫОХ).

2. Резкое снижение в продуктах сгорания концентрации СО2 с 10-12% до 1,5-3,0% при неизменном их общем количестве, что полностью исключает возможность извлечения этого опасного для климата Земли парникового газа экономически доступными средствами.

3. В ГТУ продукты сгорания используются в качестве рабочего тела и вступают в непосредственный контакт с высоконапряженными конструкционными материалами.

В отличие от паровых турбин, где рабочим телом является инертный пар с температурой не выше 560°С, температура агрессивных газов с чрезвычайно высоким содержанием кислорода достигает 800-900°С и имеет тенденцию к дальнейшему повышению.

В этих условиях, с одной стороны, резко снижаются эксплуатационный ресурс и надежность, с другой стороны, возрастают требования к применению дорогостоящих жаропрочных и коррозионно-стойких металлов и сплавов.

4. Используемые в качестве рабочего тела продукты сгорания состоят в основном из практически несжимаемого азота. В связи с этим коэффициент расширения газов в газовой турбине крайне низок и обычно находится в пределах всего лишь 1,5-5, в то время как в паровых турбинах этот показатель для пара достигает 1000-2500. Это приводит к снижению термодинамической эффективности ГТУ.

5. Реально используемый теплоперепад продуктов сгорания в газовой турбине ДТ составляет разницу между средним значением температур газов на выходе из камеры сгорания около Т = 700°С и Т2 = 400°С - на выходе из последней ступени газовой турбины (ДТ = Т - Т2 = 300°С).

В то же время теплоперепад продуктов сгорания в парогенераторе ПТУ составляет разницу между средней температурой газов на выходе из топки парогенератора около Т1 = 1600°С и температурой газов на выходе из газоходов после конвективных поверхностей нагрева Т2 = 160°С (ДТ = Т - Т2 = 1440°С), т.е. в 4,8 раза больше. Низкий теплоперепад приводит к снижению термического КПД ГТУ.

6. Современные ГТУ рассчитаны на сжигание только высококачественных топлив с высокой теплотой сгорания. Использование в них низкокалорийных сильно забалластированных газов весьма проблематично.

Так, например, в мире, и особенно в США, широко используется практика закачки СО2 в нефтяные пласты с целью повышения нефтеотдачи. При этом в попутных нефтяных газах увеличивается содержание СО2 и теплота сгорания такого газа постепенно снижается. При снижении теплоты сгорания ниже определенных значений попутные газы, все еще представляющие энергетическую ценность, не могут быть использованы в ГТУ.

7. При сжигании газотурбинных видов углеводородного топлива образуется значительное количество водяных паров (пирогенетическая влага). При этом полезно не используется ни сама опресненная вода, ни теплота их конденсации, что снижает тепловую экономичность.

8. В процессе эксплуатации ГТУ ни один из таких ценных компонентов продуктов горения, как диоксид углерода (СО2), азот (Ы2) и пресная пирогенетическая влага (Н2О), не используются в народнохозяйственных целях.

Исходя их всего вышесказанного, целью разработки и развития новой технологии сжигания топлива является устранение в значительной мере указанных недостатков и обеспечение существенного повышения экологической безопасности, надежности, экономичности и рентабельности эксплуатации газотурбинных установок.

Поставленные цели достигаются за счет следующих технических решений:

1. При сжигании топлива в камере сгорания в качестве окислителя применяется не воздух, а искусственная смесь кислорода с диоксидом углерода (О2 + СО2). При этом источником кислорода (О2) является предвключенная воздухоразделительная установка (ВРУ), разделяющая воздух на кислород и азот.

2. Смешение этих компонентов в смесителе для обеспечения полного сжигания топлива осуществляется при концентрации кислорода в смеси, равной примерно 21% (как и в воздухе). В зависимости от типа и конструкции топливосжигающего устройства коэффициент избытка окислителя в зоне горения может находиться в пределах а = 1, 05 - 1,15.

3. Для охлаждения камеры сгорания и снижения температур газов на выходе из нее в качестве вторичных газов используется не окислитель, как в обычных ГТУ, а диоксид углерода (СО2) без примеси кислорода (О2).

4. Диоксид углерода (СО2) подается как в смеситель, так и непосредственно в камеру сгорания с помощью рециркуляционного дымососа с отбором части наиболее охлажденных газов за последним из теплообменных аппаратов, установленных на тракте отвода дымовых газов.

5. Для более глубокого охлаждения продуктов сгорания на их пути за газовой турбиной устанавливается парогенератор или котел-утилизатор с получением пара энергетических параметров или горячей воды с температурой до 250°С.

Успешное техническое решение позволяет достичь следующих результатов:

1. Резко сокращается в продуктах сгорания количество азота (Ы2) с 27,4 - 54,8 до 0,1-0,36 куб.м/кг у.т. ( в 270-2000 раз), а также кислорода (О2) с 6,27 - 14,63 до 0,07 куб.м/кг у.т. ( в 78-180 раз), что обеспечивает радикальное сокращение выбросов в атмосферу такого опасного соединения как оксиды азота (Ы0Х).

2. Рост концентрации диоксида углерода (СО2) в продуктах сгорания с 1,5-3% до 95,099,5%, а при сжижении и до 100% обеспечивает реальную возможность для извлечения этого опасного для климата Земли парникового газа для полезного использования в экологически безопасных технологиях в качестве товарной продукции.

3. В проточной части камеры сгорания в отличие от агрессивной высокотемпературной газовой среды с чрезвычайно высоким содержанием кислорода создается защитная среда с большим содержанием диоксида углерода (СО2) высокой концентрации и крайне низкими примесями.

4. Глубокое охлаждение продуктов горения ниже точки росы позволяет эффективно использовать теплоту конденсации водяных паров, которая составляет примерно 600 ккал/кг.

5. В отличие от практически несжимаемого азота (Ы2) коэффициент сжимаемости диоксида углерода (СО2) весьма высок. В связи с этим коэффициент расширения газов в проточной части газовой турбины возрастает по крайней мере на порядок.

6. В отличие от обычных ГТУ, в предлагаемом варианте можно сжигать и сильно забалластированные виды горючих газов, в которых содержание диоксида углерода достигает 90-95%, а теплота сгорания составляет всего 400-600 ккал/м3, что достигается за счет снижения коэффициента рециркуляции продуктов горения и/или обогащения окислителя кислородом.

7. В процессе эксплуатации ГТУ можно получить такие ценные и полезные продукты, как диоксид углерода (СО2), азот (Ы2) и опресненная вода (Н2О), которые могут найти применение в качестве товарной продукции.

Поскольку стационарные ГТУ находят широкое применение в нефтяной и газовой промышленности можно отметить наиболее перспективные направления использования этих видов продукции.

Экономический вестник Ростовского государственного университета Ф 2008 Том 6 №1 Часть 2

Экономический вестник Ростовского государственного университета Ф 2008 Том 6 №1 Часть 2

Так, например, в нефтегазовой промышленности диоксид углерода и карбонизированная вода находят широкое применение (особенно в США) для закачки в пласты с целью весьма существенного повышения нефтеотдачи.

Азот достаточно широко применяется для поддержания высокого пластового давления на нефтяных месторождениях и имеет серьезные преимущества перед их заводнением. Широко используется азот и для создания газовой подушки с целью вытеснения и интенсификации добычи газа на истощенных газовых месторождениях, а также для повышения эффективности эксплуатации подземных газовых хранилищ.

ФЕТЮХИНА О.Н.

МЕЖСТРАНОВАЯ И ПРОДУКТОВАЯ СЕГМЕНТАЦИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ

РЫНКОВ ПРОДУКЦИИ АПК

Глобальные рынки продукции АПК формируют модели спроса и потребления, имманентные как отдельным странам и регионам, так и конкретным группам продуктов [2, 4]. Наиболее масштабное дифференцирование этих факторов можно продемонстрировать, сравнивая энергетические структуры потребляемого продовольствия во всём мире и в развитых странах (рис. 1).

0 Весь мир П Развитые страны

Продукт ы живот поиодстии

Рис. 1. Энергетическая структура потребляемого продовольствия во всём мире и развитых странах, %.

Модели спроса и потребления продовольствия в большинстве стран мира существенно изменились за последние 30-50 лет. Жители России, европейских стран и Северной Америки в зимнее время теперь могут покупать свежие овощи и фрукты со всех континентов вместо традиционных консервированных продуктов местного изготовления. По всему миру в повседневном меню получают распространение блюда так называемой этнической кухни (ethnic food) - корейская, китайская, мексиканская и др. Время, необходимое на подготовку питания, так же резко изменилось: можно купить уже подготовленные, нарезанные овощи, замороженные обеды, ежедневно заказывать в ресторанах различную пищу на вынос (carryout service). Изменения в моделях потребления продовольствия привели к существенным количественным и качественным изменениям ассортимента питания. Например, в США в те-