Экологически чистый энергетический биотехнический комплекс по переработке углекислоты дымовых газов электростанций

Газообразное и дизельное топливо необходимо получать в промышленных масштабах путем преобразования солнечной энергии генетически модифицированными циан-бактериями (сине-зеленые водоросли), которые для развития используют CO2, что приводит к быстрому превращению углекислого газа в углеводороды. При использовании загрязненных сточных вод предприятий пищевой промышленности достигается двойной эффект – получение смеси газообразного и дизельного топлива и очистка сточных вод.

Недостатком применения углекислоты дымовых газов является содержание в нем различных токсичных соединений, которые подавляют процесс фотосинтеза и будут загрязнять окружающую среду при сжигании биодизеля. Решение проблем снижения выбросов углекислоты в атмосферу и создание оптимальных условий для ее переработки возможно только при комплексном подходе к решению ряда конкретных технологических задач.
1. Дымовые газы электростанций, как источник загрязнения
Опасными компонентами дымовых газов являются: твердые частицы (особенно размером менее 10 мкм); диоксид серы SO2; окислы азота NOx; углекислый газ CO2. Кислые соединения накапливаются в жидкой фазе в процессе фотосинтеза, что приводит к резкому снижению скорости роста сине-зеленых водорослей. Кроме того, в дымовых газах содержатся ароматические углеводороды канцерогенного воздействия (бенз(а)пирен), формальдегид, пары соляной и плавиковой кислот, токсичные металлы (мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, таллий, хром, натрий, никель, ванадий, бор, медь, железо, марганец, молибден, селен, цинк, сурьма, кобальт, бериллий), долгоживущие радионуклиды (уран, торий, полоний). В дымовой пыли (аэрозолях) много оксидов алюминия и кремния. Эти соединения также целесообразно извлечь до фотосинтеза. Уловленная зола-унос и шлак образуют большое количество трудно утилизируемых отходов. Их опасность в обилии химических соединений и радиоактивных элементов. Причем, на каждой станции свой состав золы в зависимости от марки угля.
2.  Предлагаемые методы подавления образования токсичных соединений
Минимизацию содержания оксидов азота и оксида углерода (II) необходимо осуществлять уже на стадии сжигания топлива. Была поставлена и решена фундаментальная научная проблема: изучить и разработать аппаратуру метода электрокатализа − метода снижения энергии активации процесса горения в присутствии катализатора при внесении последнего в зону тихого электрического разряда. В процессах электрокатализа преодоление энергии активации осуществляется за счет следующих актов: синтеза и гашения кислородсодержащих радикалов; получения энерговозбужденных и реакционноспособных атомов и молекул за счет потока свободных электронов; волнового влияния разряда на систему в зоне катализа; ультрафиолетового облучения; термического влияния тихого разряда. Была поставлена и технически решена задача снижения величины энергетического барьера термической активации молекул и атомов за счет: а) применения озона или электрокатализа в зоне разряда; б) синтеза и использования кислородсодержащих радикалов.
3.  Влияние жидкофазного озонирования на процессы горения топлива
Для реализации реакций проводилось предварительное насыщение жидкого топлива озоно-воздушной смесью; при этом образуются кислородсодержащие радикалы. Изучение влияния малых доз озона на роботу двигателей внутреннего сгорания проводилось на стендовой установке КАИ – 2139Б с карбюраторным двигателем “Урал 353 − А”. По полученным результатам исследований был определен уровень и характер влияния микродозирования озона на радикальные окислительные процессы горения. Рост концентрации радикалов НО∙, НО2∙, RO∙, RO2∙ приводит: к более полному сгоранию топлива; к подавлению образования NOx (на 10-20 %) в связи с ростом концентрации радикалов НО∙ и НО2∙ и связыванию радикала О∙, ответственного за образование оксида азота (II); к снижению концентрации СО на 60-80 % (на некоторых режимах содержание СО снижалась до нуля). Была спроектирована и создана бортовая технологическая система генерирования и использования озона. Проверка её работы осуществлена на действующем автомобиле ГАЗ-2410. Результаты проверки полностью подтвердили лабораторные и стендовые испытания.
4. Электрокатализ при горении топлива.
Эксперименты по оптимизации горения  топлива  проводились на установке, которая состоит: из камеры сгорания с разрядным устройством; термостата; источника питания разрядного промежутка и компрессора. Разрядное устройство представляет собой комплект сетчатых электродов с нанесенным на них катализатором. Электроды помещены в керамическую трубку камеры сгорания.
Выход тепла определяли по нагреву постоянного количества воды. Замер температуры воды производили через каждые 2 минуты, время окончания горения угля определялось по Δt = 0. Суммарное время подъема температуры воды принимали за время выгорания порции топлива максимальная температура до которой проводили нагрев была 90 °С. При более высоких температурах начинался процесс локального кипения, при котором возможны ошибки в определении количества тепла из-за протекания процесса фазового перехода.
Для сравнения результатов уголь сжигали без включения разрядного устройства (холостой опыт) и с включением разрядного устройства, до полного сгорания угля. При этом получали зависимости изменения температуры воды и время выгорания угля. При сжигании угля с разрядом на всех режимах наблюдается ускоренный нагрев воды, что свидетельствует о выделении большего количества тепла, чем при холостых опытах. Удельное количество тепла, которое выделялось при холостых опытах достигает в среднем 2251,3 Вт/мин., тогда как при использовании разряда составляет 3076,84 Вт/мин., что больше на 26,8 %. При этом разность тепла расходуется на дополнительный нагрев теплоносителя, что снижает расход топлива на ту же величину. Потребляемая разрядом удельная мощность не превышала 50,5 % от удельного количества тепла. Определена степень выгорания угля при проведении обоих серий экспериментов. Для этого была определена зольность угля и степень выгорания угля при горении без разряда и с разрядом. Степень выгорания угля при холостом опыте составляет приблизительно 72 %; при использовании разряда − 89 %. Таким образом, степень увеличения выгорания составила в среднем 17,45 %.
При использовании метода электрокатализа наблюдается снижение оксида углерода (ІІ) в дымовых газах на 60-80 %, оксидов азота − 40 %, альдегидов и бенз(а)пиренов − 40-55 %, сажи − 60 %. Наблюдается устойчивая работа при коэффициенте избытка воздуха меньше 1,2, что приводит к снижению объема отходящих газов на 5-15 %. Таким образом, предлагаемый способ интенсификации процесса горения приводит к более полному выгоранию твердого топлива и повышению КПД котлоагрегатов.
5. Гетерофазный озоно-радикальный метод снижения токсичности дымовых газов
Вторая стадия снижения токсичности газового потока заключается в хемосорбции большинства вредных для фотосинтеза соединений. Изучена возможность реализации высокоэффективных окислительных свойств конденсированных озоносодержащих фаз. Было установлено, что при повышенных давлениях жидкости в водном туманообразном потоке Rt = 1 для ≤1 с; величина L* в осциллирующей капле при дросселировании составила 2,4∙10−3 м/с, что на порядок выше, чем L при барботаже; “время жизни“ радикалов варьировалась от 10−2 до 10-4 с. Результаты испытаний совместного процесса очистки электрокаталитическим методом и методом озоно−радикального поглощения NOx в отходящих газах привели к снижению их практически до 0 %, содержание токсичных металлов и SO2 – на 99 % ,оксида углерода (II) − на 95-98 %, углеводородов, альдегидов, бенз(а)пирена – на 96 % по сравнению с исходным содержанием. Достигнутое снижение содержания токсичных примесей дает возможность использовать поток очищенных дымовых газов в качестве сырья для эффективного синтеза сине-зеленых водорослей.
6. Фотосинтез сине-зеленых водорослей дает возможность рационально превращать углекислый газ в топливо с сопутствующим получением удобрений для сельского хозяйства.
В технологии максимально используется углекислый газ, который является продуктом сжигания того же топлива с промежуточной очисткой дымовых газов.
При растущей потребности в чистом топливе, наиболее интересным является производство «зеленого» биодизельного топлива, получаемого из органических масел. Спрос на него исчисляется в миллионах тонн, но синтез его из растительных продуктов, таких как рапс, соя и кукуруза, ограничен высокой стоимостью самих продуктов и лимитом площадей под их выращивание для переработки на биодизель. Получение биодизеля из масленичных водорослей является намного более выгодным процессом.
Микроводоросли признаны учеными всего мира новым, эффективным, альтернативным, возобновляемым источником энергии. В последнее время взят уклон в сторону производства биотоплива из растительного сырья, которое предполагается выращивать специально для этой цели. Среди биообъектов – растений, носителей жирных кислот и масел, пригодных для переработки, на биодизельное топливо предлагалось использовать: рапс, сою, кукурузу, подсолнечник и другое. Однако в настоящее время абсолютное предпочтение отдают производству растительного масла из одноклеточных микроводорослей типа спируллины, хлореллы морской и пресноводной, цианобактерий и других сине-зеленых водорослей. Добытое масло затем является сырьем для биотоплива. Используются процессы катализа, биокатализа, конверсии, крекинга, ректификации, прессования, отжима, фильтрования, центрифугирования, сепарирования (сепаратора, циклона) и прочее. Полученное масло перерабатывается в углеводороды топлива, разгоняется на ректификационных колонах на газообразное топливо, бензин, авиационный керосин, биодизельное топливо для реактивных авиадвигателей и остается кубовый остаток – тяжелая фракция – мазут.
Водоросли, в отличии от другого растительного сырья, питаются не дорогостоящими удобрениями, а CO2. Причем водоросли усиленно потребляют очищенный СО2, в 15 раз быстрее увеличивая свой рост. Если их выращивать на загрязненной, фекальной сточной воде от пищевых предприятий масло-жиркомбинатов, мясокомбинатов, свеклосахарных заводов, спиртовых заводов, маргариновых предприятий и т.д. – то достигается двойной эффект – очистка воды от загрязнений и масса водорослей будет увеличиваться каждый день вдвое.
Очистка углекислого газа обязательна по двум причинам. Во-первых, все токсичные примеси, которые без очистки попадут транзитом в масло и биодизель, будут при сжигании в автотранспорте выбрасываться уже на уровне нашего дыхания без рассеивания. Во-вторых, оксиды азота в дымовых газах находятся в виде NO или NO2 с низкой степенью окисления. Из них будет синтезироваться на стадии фотосинтеза нитрит-ион, который подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, тормозя фотосинтез. Радионуклиды, бенз(а)пирен, формальдегид, пары соляной и плавиковой кислот, токсичные металлы (мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, таллий, хром, натрий, никель, ванадий, бор, медь, железо, марганец, молибден, селен, цинк, сурьма, кобальт, бериллий) – также не способствуют росту сине-зеленых микроводорослей.
7. Технология производства топлива из биологического сырья, которая существует в настоящее время, базируется на использовании трех основных компонентов: растительного масла (рапсового, соевого, подсолнечного и т. п.); метилового спирта и катализатора
Сырьевая база первого компонента для производства биодизеля не является проблемой для страны в плане высококачественных видов семян, размеров посевных площадей, получения высоких урожаев, с учетом запланированного на перспективу покрытия 10 % (до 2020 г.) потребностей в энергоресурсах за счет биомассы.
Второй компонент – метиловый спирт – наиболее эффективный для процессов этерификации. Но производство метилового спирта полностью зависит от зарубежного (Россия) уровня поставки сырья – природного газа, а также от его себестоимости. В настоящее время наблюдается стойкая тенденция роста стоимости этого вида сырья. На начало 2011 года цена значительно выросла и составляла 3400-3500 гривень за тонну. Получаемые метиловые эфиры − биодизель − по своим топливно-энергетическими показателям уступают нефтяному дизельному топливу, что приводит к перерасходам биодизеля на 8-12 %. Однако, по экологическим свойствам биодизель имеет несравненные преимущества: на 30-60 % снижается выброс оксидов азота; на 95-98 % снижается выброс оксида серы; на 50 % уменьшается загрязнение сажей, альдегидами, углеводородами. Применение биодизеля приводит к увеличению ресурса двигателя, он работает „мягче” и тише, он дешевле дизельного горючего. Была решена проблема производства биодизеля из другого вида сырья, в частности, этилового спирта. Это дало возможность расширить сырьевую базу производства биодизеля, снизив зависимость страны от импорта газа или метилового спирта.
Для уменьшения зависимости от импортных поставок метилового спирта и природного газа проведено комплексное исследование по синтезу и использованию этилового спирта для процессов этерификации. При использовании этилового спирта (из возобновляемого сырья, например, мелассы) стране не угрожает рост цен на метиловый спирт и зависимость (в будущем) стоимости биотоплива от конъюнктуры международного рынка. Кроме того, такая технология даст возможность на полную мощность загрузить спиртовые заводы, многие из которых сейчас простаивают. Из калькуляций ряда предприятий следует, что стоимость спирта составляет 20 грн./дал., что приблизительно отвечает 2500 грн за 1 тонну. С учетом отмены акцизного сбора, перевода производства этилового спирта на дешевое сырье (мелассу), роста стоимости метанола возможно снижение стоимости биодизеля из этиловых эфиров в 1,86-2,05 раза по сравнению с метиловыми эфирами. Синтез биодизеля осуществляется в стандартных реакторах с мешалкой и подогревом.

Экологически чистый энергетический биотехнический комплекс по переработке углекислоты дымовых газов электростанций [Електронний ресурс]  / [Столяренко Г.С.] // Режим доступу: http://eco.com.ua/

Оцінка: 
0
No votes yet