Ресурсоэффективная технология газификации угля и отходов угольной промышленности с получение водородсодержащего синтез-газа и утилизацией СО2

23 Apr 2021, 10:35
15m
1226 (Lomonosov st. 9)

1226

Lomonosov st. 9

oral Environmentally-Friendly Energy Conversion and Supply Enviromentally-Frendly Energy Conversion and Supply

Speaker

Anastasia Reef (Tomsk Polytechnic University)

Description

В настоящее время более 30 % всей производимой тепловой и электрической энергии в мире вырабатывается из угля. При этом при добыче и переработке угля образуется более 20% отходов. Отходы угольной промышленности только в России превышают 260 млн. тонн и представляют собой крупные техногенные скопления полезных ископаемых, ежегодный прирост которых составляет 3 млн. тонн.
Выбор сценариев в отношении угольной генерации и собственного производства угля предопределяется позицией крупнейших участников угольного рынка – России, Китая и Индии. Эти страны активно обновляют свой парк угольных станций и заявляют о намерении бороться с экологическими проблемами путем дальнейшего развития технологий глубокой переработки угля и отходов производства, а не отказа от угольной генерации. Такие стратегии необходимы для ответа на глобальные вызовы - мировой энергетический переход, декарбонизация, глобальное изменение климата. В такой парадигме отказа от линейной экономики в пользу экономики замкнутого цикла ценность представляет не только энергия, но и экология.
Для сохранения конкурентоспособности угля на мировом энергетическом рынке необходима реализация концепции системного замыкания (продления) полного жизненного цикла угля в технологических звеньях топливно-энергетического комплекса с глубокой переработкой и получением дополнительной энергии и высокомаржинальной полезной продукции при обеспечении минимального воздействия на окружающую среду.
Одним из перспективных продуктов является водород. Ежегодно более 60 миллионов кубометров водорода производятся для целей химической промышленности и энергетики. При этом более 90 % производится с использованием твердого или газообразного ископаемого топлива - природного газа и угля. С ростом цены газообразного топлива, технологии получения водорода с использованием низкосортного угля и высокой степенью утилизации выделяемого СО2 становятся более актуальными. При этом их внедрение ограничивается отсутствием промышленных образцов подобных установок в мире, связанное с несовершенством описания процессов сопряженного тепломассопереноса и химического реагирования при газификации топлива в условиях, обеспечивающих максимально высокую концентрацию водорода в получаемом синтез-газе.
Одним из способов получения водорода из органических материалов является газификация. Работа посвящена разработке комплексной ресурсоэффективной технологии газификации угля и отходов угольной промышленности с получением водородсодержащего синтез-газа и утилизацией СО2.
Исследования выполняются на базе Научно-исследовательского центра "Экоэнергетика 4.0" Томского политехнического университета. В структуре Центра находится уникальная научная установка (регистрационный номер в реестре научно-технологической инфраструктуры РФ - 673587), представляющая собой локализованное современное оборудование по исследованию свойств и энергетических характеристик различных многокомпонентных энергетических, не энергетических ультрадисперсных порошков, а также гранул и брикетов с целью последующего обоснования энергетического использования разрабатываемых топлив в котлоагрегатах промышленной энергетики и крупных ТЭС.
В статье описаны результаты фундаментальных и прикладных исследований по получения максимальной концентрации водорода в составе синтез-газа при газификации сортовых, низкосортных углей и углеотходов с перспективой последующего разделения газов и полной утилизацией СО2.
Разделение газа для извлечения водорода обеспечивается мембранными, а также адсорбционными установками. Мембранные установки позволяют с минимальными потерями выделять водород из основных потоков. Достоинствами являются низкая стоимость, длительный срок службы и простота обслуживания и монтажа. Адсорбционные установки – более дорогие, но обладают преимуществом получения «чистого» водорода. Данные технологии уже отработаны и широко распространены на рынке. Актуальны методы, основанные на улавливании СО2 синтезированными в ТПУ материалами – карбид титана, карбид молибдена и др.
Для утилизации СО2 целесообразно использовать методы, применимые в местах получения газа, так как его транспортировка затруднительна. Наиболее эффективным и доступным способом можно назвать преобразование СО2 в карбонат кальция в присутствии никелевого катализатора, а также метод конвертации газа в метиловый спирт, который широко используется для технологических целей.
В части газификации углей в рамках прикладных исследований рассматриваемая технология доведена до TRL3 с элементами TRL4 и подтверждена серией успешных испытаний экспериментального образца промышленной установки слоевой газификации, созданной на Томской ТЭЦ-3, на различных марках углей, в том числе и низкосортных. Полученный в масштабах, максимально близких к индустриальным, состав синтез-газа и энергетическая ценность позволяет его использование как в качестве основного вида топлива для прямого сжигания, так и для технологического цикла получения водорода.
Предлагаемая концепция полного замкнутого цикла полностью соответствует приоритетному направлению Стратегии научно-технологического развития РФ – «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии».
Широкое внедрение технологии газификации с получением водородсодержащего синтез-газа позволит не только увеличить эффективность получения энергии, но и снизить углеродный след за счет большей экологичности процесса в целом. При этом внедрение не приведет к радикальной смене структуры экономики отдельных угольных регионов, что позволит более эффективно осуществить переход к энергетике будущего.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и образования Российской Федерации в рамках проекта № FSWW-2020-0022.

Position of speaker student
Affiliation of speaker Tomsk Polytechnic University
Publication IOP Conference Series: Earth and Environmental Science

Primary authors

Vladimir Gubin (Tomsk Polytechnic University) Dr Alexander Zavorin (Tomsk Polytechnic University) Dr Dmitry Gvozdyakov (Tomsk Polytechnic University) Anastasia Reef (Tomsk Polytechnic University) Varvara Tsvetkova (Tomsk Polytechnic University) Anna Kaydashova (Tomsk Polytechnic University)

Presentation Materials