CC BY
20ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 10.12.13. Ред. рег. № 1901 The article has entered in publishing office 10.12.13 . Ed. reg. No. 1901
УДК 621.311.23/25.003.13
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГОСЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ АКВАТОРИЙ ШЕЛЬФА: ХИМПРОМ НА МОРСКИХ ПЛАТФОРМАХ
Ю.М. Запорожец
Институт возобновляемой энергетики НАНУ 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс: +38044 206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net
Заключение совета рецензентов: 15.12.13 Заключение совета экспертов: 20.12.13 Принято к публикации: 25.12.13
Приводится обоснование технической возможности создания комплексного производства каустической соды, хлора, гипохлорита натрия и аммиака на основе электролиза морской воды, который осуществляется за счет возобновляемых источников энергии в шельфовой зоне. Даются оценочные расчеты прогнозных объемов производства продукции и нужных инвестиций. Определяются факторы энергосбережения и экологические преимущества относительно традиционной технологии.
Ключевые слова: хлор, сода, аммиак, энергия, экология, море, платформа, сырье, вода, водород.
USE ENERGY RAW MATERIALS RESOURCES OF COMPLEX SHELF WATERS:
CHEMICAL INDUSTRY AT OFFSHORE
Yu M. Zaporozhets
Institute of Renewable Energy,National Academy of Scienceof Ukraine 20А, ul.Krasnogvardeyskaya,02094, Kiev, Ukraine Phone/fax: +38-044-206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net
Referred: 15.12.13 Expertise: 20.12.13 Accepted: 25.12.13
The article reports the feasibility study of the development of complex production of caustic soda, chlorine and sodium hypochloritevia electrolysis of seawater, which is carried out using the renewable energy sources in the offshore zone. The authors estimated the predictive production volume sand necessary in vestments and also determined the energy saving factors and environmental advantages of the proposed development over the conventional technologies.
Keywords: chlorine, soda, ammonia, energy, environment, sea, platform, raw materials, water, hydrogen.
Характеристика проблем украинского «химпрома»
Своеобразные принципы размещения производительных сил, практиковавшиеся в СССР, привели к тому, что территория Украины оказалась перегруженной горно-металлургическими и химическими комплексами, чем, собственно, и обусловлен экспортно-сырьевой характер ее современной экономики [1,2]. Вследствие такой структуры промыш-
ленного производства содержание вредных выбросов в атмосферу к началу 90-х годов в Украине превосходило всякие допустимые нормы: на 1 кв. м площади их приходилось в 6,5^7,5 раз больше, чем в общем по Союзу [2]. Вместе с тем, устаревшие технологии и физическая изношенность оборудования указанных производств приводит к избыточному энергопотреблению (к примеру, энергоемкость продукции металлургических предприятий Украины в 2^2,5 раза выше, чем у аналогичной продукции стран
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Европы и мира) [3], которое в значительной мере покрывается импортным газом. В конечном счете, экономическим результатом такого хозяйствования становится убыток и дефицит внешнеторгового баланса [4, 5]. Таким образом, в том виде, в каком нынче существуют указанные производства, они, по сути, сами становятся источниками экологическо-экономических кризисов [2].
Химическая промышленность традиционно занимала в украинской экономике видное место как в объеме создаваемого ВВП, так и в обеспечении занятости населения. Украина выпускала более 15% химических удобрений и 24% средств защиты растений, 17,5% серной кислоты, 25,3% - кальцинированной и 16,4% каустической соды, 13% химических волокон от союзного производства [6]. Однако в последние годы вместе с трансформацией экономики меняется и экологическая ситуация, но, по большей части, за счет банкротства и закрытия (консервации) целого ряда мощных предприятий, в первую очередь - в химической отрасли [7,8]. Тем не менее, химическая промышленность, вторая после металлургии по объемам потребления энергоресурсов, в год использует более 12 млн т у. т. [2].
Большую часть химической продукции, как у нас в стране, так и за рубежом, производят на основе аммиака и хлора. И практически половина всей энергии, потребляемой химической отраслью, расходуется на производство аммиака, этилена и хлора, причем на долю только одного топливного источника -природного газа - приходится более половины энергии, поставляемой этой отрасли промышленности.
Аммиак - ключевой продукт для получения многочисленных азотосодержащих веществ, применяемых в промышленности, сельском хозяйстве и быту. Ежегодное производство аммиака в мире превышает 150 млн т. На его основе в настоящее время производятся практически все соединения азота, используемые в качестве целевых продуктов и полупродуктов неорганической и органической технологии. Основная сфера применения аммиака - производство азотсодержащих удобрений (80% всего аммиака). Он используется для получения азотной кислоты и нитратов, эфиров, взрывчатых веществ, а также в качестве хладагента, при производстве бумажной массы, в медицинской промышленности [9].
Производство аммиака в Украине в 2012 г. составило около 4,5 млн т [10].
Главные проблемы аммиачно-азотной отрасли украинского «химпрома» проистекают непосредственно из характера применяемой технологии синтеза аммиака и процессов его переработки. Аммиак получают из смеси азота и водорода под давлением до 30 МПа, при температуре до 530 °С. Азот содержится в воздухе (78%), а водород в связанном виде содержится в обычной воде или в углеводородных соединениях, в частности, в природном газе. Для проведения синтеза требуется предварительное извлечение азота и водорода из первичного сырья.
Типовая промышленная технология производства аммиака основана на получении водорода методом паровой конверсии природного газа, который в то же время служит топливом для «выжигания» из воздуха кислорода, после чего освобожденный азот смешивается с водородом и поступает в колонну синтеза [11].
В издержках производства аммиака энергетические затраты составляют 68%. Средний расход природного газа на производство 1 тонны аммиака составляет 1100^1200 м3 и 3200 кВт-ч электрической энергии. Таким образом, на весь объем производства аммиака требуется более 5 млрд м3 природного газа и около 15 млрд кВт-ч.
Именно показатель потребления природного газа является одним из важнейших параметров, определяющих рентабельность производства аммиака [12]. Если у российских производств аммиака основным конкурентным преимуществом является дешевый природный газ (с внутренней ценой 120^150 $/м3, а 3 года назад вообще 50 $/м3), то для украинских предприятий нынешняя «братская» цена 430 $/м3 [13] выводит продукт за пределы рентабельности, и только спрос на удобрения удерживает рынок от крушения.
Поскольку процессы производства аммиака требуют высокой температуры, для ее поддержания сжигается большое количество топлива, в результате чего образуются дымовые газы, 90-95 % (об.) которых составляет двуокись углерода. Кроме этого в дымовом газе содержится диоксид азота, оксид углерода, сернистый ангидрид. Поэтому очистка дымовых газов и снижение содержания в них вредных веществ являются одной из важнейших экологических проблем производства аммиака [9].
Мировое производство хлора в настоящее время составляет около 30 млн т в год. Применяется он почти во всех отраслях народного хозяйства. Хлор используют для производства синтетического каучука, поливинилхлорида и других пластмасс, пестицидов, соляной кислоты, средств обеззараживания воды (гипохлорита натрия), а также в производстве фреонов, глинозема, мыла и в целлюлозно-бумажной промышленности и пр. [14].
В промышленности хлор получают с помощью электрохимических технологий, преимущественно электролизом водных растворов хлорида натрия. При этом одновременно получают три важных продукта - хлор, водород и гидроксид натрия (каустическую соду). Производство хлора в Украине в прошлом году уменьшилось до 22,64 тыс. т, а выпуск каустической соды снизился до 127,4 тыс. т [10].
Производство хлора с каустической содой, как и производство аммиака, является одним из наиболее экологически опасных и энергоемких - доля энергетических затрат в себестоимости хлорщелочного производства составляет около 70% [15]. Затраты электроэнергии на получение 1 т каустической соды по существующей электролизной технологии составляет 2400-2600 кВт-ч и больше в зависимости от примененного оборудования. При этом на 1 т 100%
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
каустика (№ОИ) получается 0,89 т 100% хлора и 25 кг или 275 нм3 водорода как побочного продукта или так называемого «сбросного» газа. В целом на производство этой продукции требуется около 350 млн кВт-ч.
Постоянный рост цен на электроэнергию приводит к росту себестоимости продукции, вследствие чего производство хлора находятся на грани экономической рентабельности. Отсутствие прибыли не позволяет предприятиям проводить модернизацию производств [16].
Из всего спектра производимых из хлора продуктов особо следует выделить поливинилхлорид (ПВХ). ПВХ - один из наиболее распространенных в мире пластиков. Уникальные свойства ПВХ и его относительная дешевизна по сравнению с другими крупнотоннажными полимерами делают его незаменимым во многих сферах. Из него получают свыше 3000 видов материалов и изделий, используемых в электротехнической, легкой, пищевой промышленности, тяжелом машиностроении, судостроении, сельском хозяйстве, медицине. Широкое распространение получили стройматериалы и изделия из ПВХ: трубы, профили и т. д. В Европе доля ПВХ-продуктов составляет 28% общего количества перерабатываемых синтетических материалов. ПВХ устойчив к воздействию влаги, основных кислот, щелочей, растворов солей и промышленных газов, безвреден для окружающей среды. Для его выпуска требуется меньше нефтяного сырья, чем для других полимеров. ПВХ обладает самым лучшим из всех пластиков соотношением цена/качество [17-19].
Динамика роста мирового производства и потребления ПВХ в последнее десятилетие (особенно в Китае, который из его импортера превратился в агрессивного экспортера, а по объемам потребления превзошел США) показывает, что ПВХ уверенно выходит на позиции одного из важнейших, можно сказать, стратегических материалов современной индустрии [18].
В то же время в России из 27 предприятий хлор-щелочной подотрасли, функционировавших в советское время, на начало 90-х годов осталось только 16. Производственные мощности сократились с 3 млн т до 1 млн. т в пересчете на каустическую соду; не развиваются отрасли, потребляющие хлор и каустик, в результате возник дефицит важнейших видов химической продукции, в том числе ПВХ [16].
Однако дефицит ПВХ - проблема не только российский переработчиков. Ситуация на рынке Украины сложнее и фатальнее. По сути, своего производства ПВХ сегодня здесь нет. Вся переработка работает за счет импорта. Причины такого «перекоса» на украинском рынке кроются в том же самом принципе географического разделения труда, который применяли в странах бывшего СССР для размещения производств. На Украине в г. Калуш были созданы крупнейшие мощности (ныне «Карпатнефтехим») по выпуску винилхлорида-мономера (370 тыс. т по про-
екту). Этот полупродукт поставлялся на предприятия Восточной Европы, где из него получали ПВХ. Сегодня же ситуация, когда ВХ из Калуша поставляется в Польшу, Венгрию, а откуда «обратно» поставляется готовый продукт, выглядит абсурдно. Очевидно, что в такой технологической цепочке все преимущества у производителя полимера [8]. Немудрено, что потребление ПВХ на душу населения в развитых странах составляет порядка 15 кг, а в Украине - всего 2,5 кг.
Мировой производственный опыт свидетельствует, что в нынешних условиях производство ПВХ может быть конкурентоспособным только при наличии сбалансированного комплекса «хлор-ВХ-ПВХ». При этом важен технологический уровень каждой стадии, а «ядром» комплекса является хлорный цех -именно от его работы зависит конкурентоспособность смолы. Обеспечение хлором - один из самых проблемных пунктов постсоветской индустрии ПВХ.
В настоящий период в Украине единственные сохранившиеся мощности по выпуску хлора и каустика на «Карпатнефтехиме» остановлены на капитальный ремонт. Еще на двух площадках - «Днепразоте» и «Химпроме» - остались простаивающие или законсервированные цехи, оснащенные нежизнеспособной в современных условиях технологией ртутного и диафрагменного электролиза, которые к дальнейшему применению непригодны. Попытки реанимировать производство «Химпрома» на прежней базе показали бесперспективность вложений средств в модернизацию оборудования существующих цехов -более эффективными оказываются инвестиции в создание производства каустической соды и хлора мембранным методом [20, 21], так что альтернативы переходу на современную технологию мембранного электролиза - более экономичную и экологически безопасную, ныне не существует.
Однако новые производства хлорного цикла экономика Украины за последние годы построить не смогла. Это означает, что на рынке данные продукты отечественного производства не будут представлены [7, 8].
Направления решения существующих проблем
Какие же факторы определяют возможности для создания новых производств содохлорного цикла и синтеза аммиака, а также повышения их конкурентоспособности?
Прежде всего рассмотрим те факторы, которые являются общими для обеих технологических систем, и составляют, условно говоря, их общий знаменатель. На этой основе представляется возможным определить основные направлений решения обозначенных проблем. Далее конкретный анализ специфических проблем каждой технологии позволит выявить предпосылки для их комплексного решения, ориентированного на достижение синергетического результата или, другими словами, мультипликативного экономического эффекта.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Итак, общие предпосылки.
Как уже отмечено, главенствующим фактором функционирования двух базовых производств химической отрасли является энергоемкость применяемых технологий. Затраты электроэнергии только на производство аммиака и хлора достигают почти 10% общего ее потребления в стране.
Поэтому важнейшее значение имеет не только наличие достаточных объемов и стоимость энергии, но и близость ее источников. Иными словами, производство должно располагаться вблизи от мощных электростанций и магистральных газопроводов, т. к. транспортировка газа и передача электроэнергии на расстояния более 100 км оказывается экономически неоправданной.
Вместе с тем, обе отрасли, впрочем, как и вся химическая промышленность, являются чрезвычайно водоемкими. Нормы расхода воды составляют от 50 м3 на 1 т продукции в производстве хлора и соды, О^и'^ до 1500 м3 на 1 т аммиака (в некоторых производствах и более).
Очевидно, покрытие этой «жажды» требует наличия в ближайшей окрестности от предприятия объемного и стабильного источника воды. Так, для сравнительно скромного производства в 10 тыс. т соды в год потребуется израсходовать более 500 тыс. кубометров воды, что соответствует, к примеру, объему бассейнов Краснополянской ГАЭС (Россия). В производстве аммиака хотя и предусматривается частично оборотное водоснабжение, но реальные расходы воды (пара) весьма велики. Таким образом, указанный фактор сильно ограничивает возможности выбора площадок при размещении предприятий химической промышленности [22], особенно в условиях острой вододефицитности большинства регионов Украины, где существует хотя бы минимальная энергетическая база и транспортная инфраструктура.
Следующий фактор - санитарно-экологические ограничения и требования взрывопожаробезопасно-сти. Водород, метан, оксид углерода, аммиак, сероводород, хлор при определенных соотношениях могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси. Взрывы газовых смесей могут произойти только под влиянием определенного внешнего воздействия, такого как нагревание смеси до температуры, превышающей температуру ее воспламенения или детонации. Для безопасной работы необходимо соблюдать нормы технологического режима, правила безопасного ведения процесса, использовать средства индивидуальной и коллективной защиты, но главное - их размещение как можно дальше от населенных территорий.
Основными вредными веществами в производстве аммиака являются оксид углерода (угарный газ), сероводород, диоксид азота, сернистый ангидрид, аммиак. При производстве хлора и каустической соды возможно выделение в окружающую среду вредных и ядовитых веществ: хлора, ртути, паров кислот и др.
В соответствии с требованиями «Санитарных правил и норм проектирования промышленных предприятий СН 245-71» эти производства относятся к классу I санитарной классификации химических предприятий и производств. Поэтому все предприятия-производители аммиака, хлора и каустической соды отделяются от жилой застройки санитарно-защитной зоной размером 1000 м. Однако, при необходимости и надлежащем технико-экономическом и гигиеническом обосновании, допускается увеличение размера санитарно-защитной зоны до 3 раз. На некоторых предприятиях размер санитарно-защит-ной зоны составляет от 2 до 3 км [23].
С этим обстоятельством тесно связан и территориальный фактор: кроме площадей, непосредственно отводимых под производственные сооружения, бассейны, газгольдеры, хранилища, отстойники, перегрузочные площадки и пр. [11, 15], необходимо отчуждать еще сотни (а то и тысячи) гектаров на порожние защитные зоны. Однако в Украине очень высока степень хозяйственного освоения территорий - 90^95%. Кроме того, следует учесть, что для поддержания нормального функционирования экосистем любого региона площадь «диких», не поврежденных человеческой деятельностью территорий, должна составлять не менее 12-15% общей площади. Во многих развитых странах этот показатель даже выше, а в Украине едва дотягивает в среднем до 2% [24]. В свете указанных обстоятельств с учетом общей вододефицитности территории Украины изыскание подходящих площадок для размещения крупных современных химических комплексов и реализации масштабных инвестиционных проектов в этой сфере может вызвать серьезные трудности.
Разумеется, весомым является сырьевой фактор, а именно наличие сырья в достаточном количестве и доступная цена с учетом его доставки и хранения. Что же служит сырьем для аммиачного и хлор-щелочного производства?
Выше приведены краткие характеристики промышленных технологий производства аммиака и хлора.
Для получения аммиака первичным сырьем являются воздух и природный газ (метан), который служит источником водорода, а вода в виде пара применяется как средство его извлечения из метана. А вот объем необходимого метана таков, что составляет практически 10% всего потребления природного газа в Украине. Однако водород может добываться и из других источников, в частности, непосредственно из воды, в том числе из соленой. Варианты технологии получения аммиака без природного газа будут рассмотрены ниже.
Для получения хлора и каустической соды сырьем служит водный раствор поваренной или каменной соли, при этом водород является сопутствующим продуктом.
Наконец, на рентабельность производства существенно влияет и транспортный фактор, а именно:
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
организация рациональной системы отгрузки и транспортировки произведенной продукции.
Итак, резюмируем. Для организации производства хлора и аммиака в современных условиях требуется: свободный природный ареал, сопряженный с транспортной инфраструктурой, в котором сконцентрировано много энергии, много воздуха, много воды и много соли (или много соленой воды), устойчивый к нормированному техногенному воздействию (т. е. способный к воспроизводству своего состояния в условия производственной деятельности).
Естественно, что такому сочетанию признаков отвечает единственный природный объект - морское пространство в достаточной близости от побережья, где имеется портовая инфраструктура.
Выдвижение в море на шельф и «глубокую воду» (в оффшор) во многих странах стало признанным направлением распространения возобновляемой энергетики как действенного средства снижения интенсивности выбросов и ускоренного накопления вредных для естественной среды и токсичных веществ, которые в значительных объемах продуцируются предприятиями большой энергетики. В Европе, США, Китае и других странах продолжают динамично наращивать гигаватты мощностей оффшорных ветроэнергетических установок [25].Более того, одним из наиболее перспективных путей совместного использования солнечных и ветровых ресурсов открытого моря считается создание энерготехнологических комплексов с электролизным водородным циклом [26-30]. Синтез позитивных факторов водородной энергетики с преимуществами плавучих энергетических платформ создает достаточные предпосылки для выведения электролитического водорода на конкурентные позиции в проблеме замещения природного газа в химических технологиях и маневренной энергетике [31, 32].
Логическим развитием этой схемы («аналитическим продолжением») является рациональная в своей основе идея приближения производственных площадок энергоемких потенциально опасных производств к источникам возобновляемой энергии и удаления их от заселенных территорий, путем вынесения их на морские плавучие платформы. Подобные предложения в разных вариантах - от красивых эскизов и презентаций «энергетических островов» до патентованных описаний «многомодульных морских энергетических установок с синергетическим эффектом» -уже представлялись вниманию научно-технического сообщества [33-35], однако профессиональных технико-экономических оценок их реалистичности и жизнеспособности никто не производил.
Целью статьи является обоснование возможности и целесообразности создания рентабельного производства хлорощелочных продуктов и аммиака с помощью электрохимических технологий на автономных морских платформах.
Предшествующие выкладки позволяют синтезировать «формулу» предлагаемой технологической
схемы: автономный энерготехнологический комплекс на плавучей морской платформе, который, используя энергию ветра и солнца, с помощью электролиза производит из воздуха и морской воды хлор, каустическую соду, аммиак и сопутствующую товарную продукцию.
Рассмотрим содержание этой формулы через призму вышеперечисленных факторов.
1. Беспрепятственный доступ до ветровой и солнечной энергии обеспечен практически в любой точке акватории шельфа Украины, где может разместиться платформа или целый их парк. Количество выработанной энергии предопределяется и ограничивается только характеристиками энергоустановок и энергопотенциалом природной среды в месте установки платформы.
Уместно заметить, что именно в оффшоре европейских и других стран развернуты беспрецедентные по масштабам мощности ветровых и солнечных энергетических установок - свыше 2500 МВт, и планируется довести их до 40000 МВт - почти вся объединенная энергосистема (ОЕС) Украины. И хотя Украина имеет 70 тыс. кв. км мелководного шельфа, как добрая половина Европы, но ни одного мегаватта мощностей возобновляемой энергетики в нем не разместила [29]. В то же время, оценка энерго потенциала, к примеру, в северо-западном секторе Черного моря (вблизи о. Змеиный), показывает, что на каждом квадратном километре в этой зоне можно установить 120^150 МВт мощности ветро-солнечных энергоустановок [36, 37].При этом годовая выработка электроэнергии может составить не менее 300^400 млн. кВт-ч, что практически перекроет всю потребность хлорно-содовой отрасли.
Энергетическая потребность аммиачного производства по существующей технологии на полтора порядка выше, однако, в данной работе рассматриваются альтернативные варианты синтеза аммиака, которым будет уделено отдельное внимание.
2. Проблема вододефицитности в предложенной схеме снята в принципе.
В хлорном производстве вода требовалась для приготовления раствора хлорида натрия из сухой соли, а в данном случае, наоборот, нужно удалять жидкую фракцию для увеличения концентрации соли в растворе до требуемого показателя. Фактически этот процесс представляет собой не что иное, как опреснение морской води с выходом рассола в качестве целевого продукта. Но полученная пресная вода также используется, в том числе, для приготовления электролита в электролитическом производстве водорода, который, в свою очередь, применяется в процессе прямого водородно-азотного синтеза аммиака.
Объем потребления опресненной воды реально не имеет ограничения - столько, сколько нужно для заданной производительности.
3. Санитарно-защитная и противопожарная зона вокруг производственных платформ формируется
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
естественным образом в результате удаления места их стоянки от берега, по крайней мере, на несколько миль. Дополнительным преимуществом схемы является отсутствие «горячего» передела по линии синтеза аммиака и, соответственно, выделения оксида и двуокиси углерода, сопровождающего сжигание природного газа.
4. Неоценимым преимуществом морской производственной площадки является отсутствие необходимости отвода и изъятия земель, а также последующей платы за нее. Пространство, которое занимает такая площадка, де-юре есть водоизмещением платформы, и специфические правоотношения, связанные с этим обстоятельством, регулируются морским законодательством и международными конвенциями.
5. Предложенная технологическая схема практически не требует доставки сколь-нибудь значительных объемов грузов на платформу, отгрузке и транспортировке подлежит лишь готовая продукция. Способы транспортировки могут быть различными, главное, что так или иначе задействуется водный транспорт, который требует наименьших издержек.
6. Состав сырья предопределяет особенности технологии каждого производства. Поэтому дальнейшее рассмотрение конкретных технологических процессов проводится раздельно для хлорно-содового и аммиачного циклов.
6.1. Электрохимическое получение хлора, гидро-ксида натрия и водорода в электролизерах с твердым катодом и ионообменной мембраной [11,14].
Исходными веществами производства служат хлорид натрия и вода.
Особенностью мембранного метода производства в отличие от диафрагменного является наличие не-фильтрующей полимерной мембраны, которая разделяет анодное и катодное пространство в электролизере (рис. 1.) Мембрана выполняет роль фильтра для селективного переноса ионов натрия из анодного пространства в катодное. Насыщенный рассол подается в анодную камеру. Ионообменная мембрана предотвращает попадание хлорид-ионов в катодную камеру и препятствует переносу гидроксид-ионов в анодную камеру. Хлор выделяется на аноде и выводится из анодной камеры с обедненным рассолом. Ионы натрия и частично вода проходят через мембрану в катодную камеру. В катодном пространстве происходит восстановление воды с выделением водорода и образованием гидроксид-ионов. Перенесенные из анодного пространства через мембрану катионы натрия образуют с гидроксид-ионами щелочь, которая выводится из катодной камеры.
Технологическая схема мембранного электролиза (рис. 2) включает процессы получения рассола, его очистку от примесей, сам процесс электролиза (основная стадия), выпарку раствора каустической соды, и первичную переработку хлора и водорода -охлаждение, осушку и компримирование.
Рис. 1. Схема мембранного электролизера Fig. 1. Scheme of a membrane electrolyzer
Поваренная соль
Вода
Растворение сопи
Сырой рассол
Обратный рассол
Кальцинированная сода
Очистка рассола
Соляная кислота -
Преобразование переменного тока в постоянный
Очищенный рассол
■- Электролиз
11
Электролитичес кая щелочь
Влажный хлор
Серная кислота
— Выпарка
1
Влажный водород
Обратный рассол
т
Каустическая сода жидкая
Осушка и перекачивание
Хлор
Промывка и перекачивание
Водород
b
Рис. 2. Технологическая схема мембранного электролиза: a - очистка рассола; b - основной процесс производства Fig. 2. Technological scheme of membrane electrolysis: a - brine purification; b - main production pipe-line
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
a
В действующих производствах растворы приготовляют из привозной каменной или самосадочной соли, которые содержат ряд примесей, отрицательно влияющих на процесс электролиза, поэтому рассолы перед подачей в электролизеры предварительно очищают от химических примесей - ионов Са и М^, путем перевода их в нерастворимые соединения СаСОэ и Мя(ОИ)2 (рис. 2, а).
Нормами технологического режима предусмотрен следующий состав рассола: концентрация поваренной соли 310±5 г/л; содержание ионов кальция не более 0,005 г/л; содержание ионов сульфата не более 5 г/л; содержание ионов магния - не более 0,001 г/л.
Основной процесс получения хлора, каустической соды и водорода осуществляется в отделении (цехе) электролиза (рис. 2, Ь). Влажный хлор из электролизеров поступает в отделение осушки серной кислотой, а затем компрессорами перекачивается на склад или потребителям. Водород охлаждают водой и передают потребителям.
Электролитическую щелочь из цеха электролиза перекачивают в цех выпарки и в виде 42-50%-го раствора передают на склад или в отделение плавки.
При электролизе раствора №С1 в электролизере протекают следующие основные процессы:
- диссоциация молекул поваренной соли и воды (протекает в электролите):
№С1 = №+ + С1-, И2О = И+ + ОН- ; (1)
- окисление ионов хлора (на аноде):
2С1- - 2ё = СЬ; (2)
- восстановление иона водорода и молекул воды (на катоде):
2H+ +2ё = H2, 2H2O + 2ё = H2 + 2OH-;
(3)
ассоциация ионов в молекулу гидроксида на-
трия (в электролите):
Na+ + OH- = NaOH.
(4)
Гидроксид натрия, хлор и водород выводятся из электролизера раздельно.
При этом имеют место побочные реакции на аноде, где по термодинамическим данным в первую очередь должен выделяться кислород. Однако подбором материала анода с высоким перенапряжением выделения кислорода и вариациями плотности тока, процесс удается сместить в сторону преобладания выхода хлора. Выделившийся на аноде газообразный хлор частично растворяется в анолите, при этом образуются соляная и хлорноватистая кислоты:
Cl2 + H2O = HCl + HClO.
(5)
При взаимодействии хлорноватистой кислоты со щелочью образуется гипохлорит натрия
HClO + NaOH = NaClO + H2O,
(6)
и с этим связаны безвозвратные потери хлора и щелочи при электролизе.
Гипохлорит натрия - сильный окислитель, который легко диссоциирует, что определяет его высокую бактерицидную активность. Получаемый электрохимическим способом раствор гипохлорита натрия находит широкое применение в качестве дезинфицирующего средства для обеззараживания питьевой воды, промышленных и сточных вод и считается наиболее эффективным и безопасным способом обеззараживания, в сравнении с жидким хлором и озоном, традиционно использующимся для этих же целей.
Сохраняя все достоинства хлорирования, метод обеззараживания с помощью водного раствора ГПХН позволяет избежать основной трудности -работы с высокотоксичным газом. Он безопасен при хранении и использовании, эффективен против большинства болезнетворных микроорганизмов, окисляет железо и марганец, обладает способностью консервировать обеззараживающий эффект на протяжении длительного времени транспортирования воды по трубам.
Поэтому ГПХН может рассматриваться как целевой продукт [38, 39].
Одним из методов получения хлорсодержащих растворов стал электролиз хлоридных растворов без диафрагмы. В этом случае при электролизе не происходит разделение электродных продуктов. Такой способ позволяет получить гипохлорит натрия из воды, минерализованной хлоридом натрия, или напрямую из морской воды [39].
Морская вода представляет собой природный электролит с многокомпонентным химическим составом (в г/кг морской воды): С1- - 19,35; Mg2+ -1,29; №+ - 10,76; Са2+ - 0,41; - 2,71; К+ - 0,40.
Как видно, основную часть ионного состава морской воды составляют ионы №+ и С1-.
Для воды океанов и открытых морей характерно примерно постоянное количественное соотношение основных ионов и солей при массовой доле хлорида натрия около 2,72%. Поэтому естественно, что электролиз морской воды, в основном будет определяться процессами, характерными для электролиза растворов №С1.
Процесс прямого электролиза морской воды в мембранном электролизере может быть представлен следующими уравнениями [34]:
8Н2О + 4№С1 + MgSO4 ^ 3Н2Т + СЬТ + О2Т + + 4№ОИ + Mg(OH)2| + 2ИС1 + И28О4. (7)
На катоде, как обычно, протекает процесс восстановления водорода, а на аноде происходит выделение кислорода и хлора. В прикатодном пространстве при этом образуется щелочь №ОИ, а растворенные соли магния и других металлов в щелочном католите превращаются в труднорастворимые оксиды и выпадают в осадок. Если получающийся гипохлорит не
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
является целевым продуктом, то его можно далее утилизировать, разлагая при нагревании на №С1 и О2.
Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования [34] показали, что несмотря на отмеченные особенности, прямой электролиз морской воды технически осуществим и является перспективным для масштабного производства водорода, хотя аппаратно этот способ еще не доработан до выпуска оборудования промышленного типа.
Поэтому в данном анализе будем ориентироваться на стандартный щелочной электролиз, для которого необходимо предварительно произвести подготовку питающего рассола из морской воды путем увеличения концентрации соли в растворе до показателя, требуемого нормами технологического режима (см. выше). Для этого можно воспользоваться любым из существующих типов опреснительных установок, отбирая в качестве целевого продукта концентрированный рассол. Разумеется, и полученная пресная вода находит надлежащее применение, о чем будет сказано далее.
Сопоставляя значение концентрации хлорида натрия в морской воде (27,2 г/кг) с той, какая требуется в приготовленном рассоле (310 г/л), найдем, что из каждого закачанного кубометра морской воды необходимо «изъять» 0,9 м3 жидкой фракции, т.е. получить 900 л опресненной воды, так что останется 0,1 м3 кондиционного рассола. Следовательно, ту часть технологической цепочки очистки рассола «растворение соли», которая на рис. 2, а очерчена пунктиром, необходимо заменить - вместо нее нужно установить «опреснитель». Здесь мы не будем конкретизировать способ опреснения и тип установки - это может быть любой экономически приемлемый вариант, включая солнечные опреснительные бассейны (в море!) [40], или например, установка обратного осмоса в паре с вакуумной выпарной установкой, представленная в [41]. Главным фактором, определяющим возможность их применения, является их энергопотребление.
Сделаем оценку необходимого объема опреснения морской воды на годовой выпуск продукции действующей электролизной установки выбранного типа (мембранной) и соотнесем его с годовой программой производства каустической соды и хлора для типового инвестиционного проекта, какие нынче разрабатываются применительно к условиям модернизации производства.
Промышленные мембранные электролизеры различных фирм («Асахи», «Де Нора», «Окситек», «МВС»,«МЭМ» российского производства) имеют диапазон производительности (по каустику) от 1,8 до 15 тыс. т/год, однако характеризуются примерно одинаковыми удельными показателями, т. к. представляют собой модули из электродных ячеек или блоков, собранных на рамных конструкциях в нужном количестве.
Типичные характеристики мембранных электролизеров приведены, например, в [14]:
Напряжение на ячейке, В 3,3-3,5 Расход электроэнергии на 1 т 100%-й
каустической соды, кВт-ч 2300-2600
Плотность тока, мА/м2 2,07-5,0
Выход по току, % 91-98
Тип мембраны Нафион
Площадь мембраны, м2 2,7
Температура в электролизере, °С 88-98
Однако наилучшими из присутствующих на рынке изделиями представляются электролизеры, которые совместно предлагается компаниями «Uhde» и «Uhdenora» [42]. Единичный элемент (ячейка) электролизера имеет активную площадь 2,72 м2, плотность тока до 7 кА/м2 (длительно - 5), напряжение на ячейке при 5 кА/м2 - 3 В, выход по току - 98%; при этом расход электроэнергии на 1 т 100%-й каустической соды составляет 1995 кВт-ч.
Модульная система для установок большой производительности позволяет составить сборки от 150/300/450... т/сут №ОН из 2/4/6... электролизеров и более. Конструктивное оформление ячеек и способы их сборки в модули как нельзя лучше приспособлены для их монтажа в трюмах понтонов плавучих платформ, поэтому оценочные расчеты произведем на основе характеристик именно этих электролизеров.
На рис. 3 показан общий вид установки из шести биполярных мембранных электролизеров (что соответствует производительности 450 т/сут или 164000 т/год).
Рис. 3. Шесть электролизеров в цехе электролиза фирмы «Norsk Hydro» (Норвегия). Каждый электролизер состоит
из 156 единичных элементов (78 элементов по раме) Fig. 3. Sixe lectrolyzers in «Norsk Hydro» electrolysis shop (Norway). Each electrolyzer comprised of 156 individual units (78 units in the frame)
Итак, возьмем за базовую производительность величину 10000 т/год, используемую в ряде инвестиционных проектов создания производства хлора и каустической соды. Известно, что в соответствии с соотношением электрохимических эквивалентов на каждую тонну соды производится 890 кг хлора. С другой стороны, из 1 тонны технической соли выхо-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
дит 750^800 кг хлора [43] (степень разложения поваренной соли при мембранном электролизе достигает 0,7 и более), т.е. фактически можно принять потребность в сухой соли по соотношению 1:1. Поскольку норма концентрации соли составляет 300 г/кг, то в электролизер должен подаваться рассол в объеме 1000 л пресной воды (1 м3), в которой растворено 300 кг NaCl. Выше было указано, что для получения такого состава из морской воды ее необходимо опреснить, выделив из нее 9 м3 обессоленной фракции. Таким образом, на производство 10000 т каустика в год требуется 10000 т хлористого натрия, который содержится в 30000 м3 концентрата. Отсюда следует, что в результате опреснения надлежит получить 270000 кубов воды или 740 м3/сут.
Теперь рассчитаем энергетику процесса.
Используя электролизеры «Uhde», непосредственно на выработку 10000 т придется истратить 20000000 кВт-ч или 20 млн кВт-ч электроэнергии.
Дополнительно к этому потребуется энергия на опреснение морской воды для получения ее концентрата. Оценить ее расход можно на основании удельных затрат на опреснение различными способами. Так, в [44] приведена таблица удельных энергозатрат на опреснение (табл. 1).
Таблица 1
Параметры работы опреснительных установок
Table 1
Parameters of the desalination units
Метод Удельные энергозатраты, на 1 м3 воды, кВт ч/м3 Затраты, усл. ед. на 1 м3 воды
капитальные эксплуатационные
Дистилляция до 18 до 0,7 0,4-0,5
Электродиализ 3,0-6,5 до 0,4 0,3-1,0
Обратный осмос 2-2,5 до 0,2 0,30-0,48
Вымораживание 9,2-10 0,2-0,3 0,4-0,45
Близкие данные указаны и в [41]. С ними согласуются и данные [45], где представлены показатели многих типов судовых опреснительных установок, в частности, тонкопленочных установок фирмы «Aquamax» производительностью от 100 до 1800 м3/сут, которые потребляют от 8,5 до 10 кВт-ч/м3.
Приняв осредненное значение энергозатрат на опреснение воды на уровне 10 кВт-ч/м3 получим годовой расход 2,7 млн кВт-ч, что составит 13,5% от потребления электроэнергии в основном процессе электролиза. Таким образом, суммарно на производство 10000 т в год каустика и хлора из морской воды потребуется 23^24 млн кВт-ч. Для выработки такого количества электроэнергии, считая в году с учетом простоев 8000 часов необходимо ровным счетом 3000 кВт или 3 МВт регулярной мощности. Рассчитывая обеспечить такую мощность с помощью во-
зобновляемых источников энергии - ветрогенерато-ров, гелиоколлекторов, солнечных батарей или волновых преобразователей, следует учесть фактор нерегулярности ее выработки. Для этого применяют коэффициент использования установленной мощности КУМ, зависящий и от статистических характеристик энергетического потенциала данного вида источника в зоне установки, и от технических характеристик конкретных конструкций преобразователей энергии. Для указанных типов источников значения КУМ варьируются в диапазоне 0,4^0,2 (в порядке их перечисления); тогда, ориентируясь на преобладание выработки энергии ветровыми установками, можно принять КУМ = 0,28. В таком случае необходимо иметь энергоустановки общей установленной мощностью не менее 3/0,28 = 11 МВт.
Итак, производство каустической соды из морской воды в объеме 10000 т/год дает одновременно 8900 т хлора и 250 т (2,85 млн нм3) водорода, при этом получается 270000 м3 опресненной воды (740 м3/сут).
Для этого требуется выработка 20 млн кВт-ч электрической энергии непосредственно для электролиза и около 3 млн кВт-ч (около 10 тыс. ГДж) энергии для опреснения морской воды (тепловой или электрической). Установленная мощность возобновляемых источников для производства такого количества энергии должна составить 11 МВт.
6.2. Синтез аммиака из газообразного азота и водорода
Во всем мире в 2010 г. было произведено 131 млн. тонн аммиака. Доминирующим способом производства аммиака является процесс Габера - Боша (Haber - Bosch), который требует высокой температуры (= 500 °С), высокого давления (150-300 бар) и применения эффективных катализаторов. В качестве источника энергии, а также водорода и азота используется природный газ или уголь и воздух. При этом на тонну аммиака выделяется 1,87 тонн СО2. Во всем мире в 2010 г. аммиачная промышленность «произвела» 245 млн тонн СО2. Из-за этого большие средства затрачиваются и на очистку дымовых газов, и на очистку водорода и азота, что значительно повышает общую стоимость процесса. Поэтому исследователи ищут более простые способы выделения азота из воздуха и получения водорода. Как указывают, например [46, 47], для применения в процессе Haber -Bosch потенциально можно использовать любой метод, каким производят чистый водород, исключая таким образом из процесса природный газ. Что касается азота, то сразу укажем, что существуют и широко применяются в промышленности установки непосредственного извлечения азота из воздуха. То есть, для приготовления азото-водородной смеси (АВС), которая подвергается реакции синтеза аммиака, имеются все предпосылки и без природного газа.
Реакция синтеза аммиака из газообразных азота и водорода протекает по уравнению:
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
N + 3Н2 о 2КН3, АН = -92 кДж/моль. (8)
Реакция каталитическая, обратимая, экзотермическая, протекает с уменьшением объема. Исходную смесь газов берут в соотношении: 1 объем N к 3 объемам Н2. Реагирующие газы тщательно очищают, затем подают в турбокомпрессор, где сжимают до 25-60 МПа, после чего смешивают с циркуляционным газом и направляют в колонну синтеза.
Для обеспечения высокой скорости образования аммиака реакцию необходимо проводить при достаточно высокой температуре. Практически синтез аммиака ведут при температуре 450-500 °С, при которой реакция протекает достаточно быстро, и содержание аммиака в газовой смеси сравнительно высоко. По закону действия масс для сдвига равновесия реакции синтеза аммиака вправо, т. е. в сторону увеличения выхода аммиака, необходимо в равновесной газовой смеси увеличить концентрацию азота и водорода или уменьшить концентрацию аммиака. Последнее осуществляется на практике. За один проход через катализатор в аммиак превращается 1730% исходной азото-водородной смеси. После того, как из азота и водорода образовалось некоторое количество аммиака, газовую смесь выводят из колонны и выделяют из смеси аммиак. Затем к газовой смеси добавляют свежие азот и водород и вновь пропускают ее через колонну синтеза. Повторяя этот процесс многократно, добиваются почти полного использования азото-водородной смеси. Таким образом, синтез аммиака осуществляют по циркуляционной схеме, которая предусматривает выделение аммиака и возвращение непрореагировавшей АВС в цикл синтеза.
Образовавшийся аммиак выделяют из газовой смеси его конденсацией. При давлении 30 МПа газ необходимо охлаждать до температуры -5 °С. В системах синтеза аммиака, работающих под давлением 300 атм, охлаждение газовой смеси проводят в две ступени: водой на первой ступени и испаряющимся жидким аммиаком на второй ступени. В системах, работающих под давлением 500 атм. и выше, охлаждение газовой смеси проводят водой в одну ступень.
Не приводя здесь технологической схемы синтеза аммиака, укажем на энергоемкие процессы: компрессия (сжатие) АВС, нагрев и поддержание температуры в колонне синтеза, и охлаждение, которым обеспечивается первичная и вторичная конденсация синтезированного аммиака.
Произведем оценку возможного масштаба производства аммиака по методу прямого синтеза АВС в условиях использования только ресурсов морской среды на плавучей платформе относительно объема хлорно-содового производства.
Первое: водород. В результате производства 10000 т каустика образовалось 270000 м3 пресной води, пригодной для получения электролитического водорода. На 1 нм3 Н2 уходит около 1 л воды. Расход щелочи для приготовления электролита весьма неве-
лик (только технологические потери), и его всегда можно восполнить имеющейся продукцией (NaOH). Указанного объема воды достаточно для получения 270 млн. нм3 Н2. Если взять осредненное значение удельного расхода электроэнергии 4,5 кВт-ч на выработку 1 нм3 Н2, то затраты энергии составят 1215 млн кВт-ч, что потребует около 150 МВт регулярной мощности. Такой объем переработки не сопоставим с масштабом хлорного производства, поэтому будем рассчитывать на такой же примерно ресурс мощностей, т.е. 10-15 МВт установленной мощности возобновляемых источников энергии. За счет такого количества энергии возможно получить 36 млн кВт-ч энергии и, соответственно, 8 млн нм3 Н2 в год. Для этого на электролиз уйдет 8 млн л или 8000 м3 опресненной воды, а остальной объем представит собой чистый товарный продукт.
Второе: азот. Сегодня в промышленной сфере самым неприхотливым к внешним условиям, но и надежным процессом является мембранное получение азота [48]. Мембранное получение азота основано на следующем: через мембраны проходит сжатый воздух. Мембраны состоят из многочисленных полых волокон - половолоконных мембран. Кислород, а вместе с ним часть других газов и пары воды через стенки волокон проникают внутрь. А азот проходит через волоконные стенки гораздо медленнее кислорода. В результате, один выход из мембраны предоставляет воздух, обогащенный кислородом, а другой - азот чистотой до 99,95%. В табл. 2 приведены характеристики существующих азотных станций мембранного типа.
Таблица 2
Основные технические характеристики модульных азотных станций
Table 2
The main technical parameters of modular nitrogen stations
Параметр Значение
Чистота азота, % 95 - 99,999
Производительность, м3/ч 0,04 - 7000
Давление азота на выходе из генератора (изб.), бар 0,1 - 350
Точка росы сжатого азота, С до -70
Температура окружающей среды, °С -60 - +50
Таким образом, основные компоненты для синтеза аммиака имеются в наличии:
- водород в количестве 8 млн нм3, полученный электролизом воды, и 2,85 млн нм3, полученного в хлорном производстве, т.е суммарно 10,85 млн нм3 в год или 1400 нм3/ч;
- азот в количестве, соответствующем его пропорции 1:3 в азото-водородной смеси, т.е. 450 м3/ч,
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
которое вполне обеспечено производительностью модульных азотных станций.
Поскольку на синтез 1 т аммиака теоретически требуется 1976,5 м3 водорода, а практически все 2000 м3 [49], то указанное количество смеси в годовом исчислении позволяет получить 5600 т аммиака в год. Это, разумеется, не много, однако на его «добычу» не пришлось расходовать ни одного кубометра природного газа.
Теперь платформа. В работе автора [31] произведена всесторонняя оценка технико-экономических показателей производства электролитического водорода на плавучих морских платформах с ветро-солнечными энергетическими комплексами.
Конструктивно плавучая платформа представляет собой сборное сооружение, составленное из четырех одинаковых железобетонных понтонов длиной 45 м, между которыми размещено три водоизмещающих газгольдера объемом 270 м3. Все они соединены между собой эстакадами и покрыты настилом, который образует верхнюю палубу размером 280x35 = 9800 кв. м или приблизительно 1 га. Полное водоизмещение платформы 3400 т. На палубе смонтированы ветроэнергетическая и фотоэлектрическая установки, энергия которых непосредственно обеспечивают технологическое оборудование для электролиза воды в режиме получения водорода как целевого продукта. Расчеты [31] проведены применительно к указанной базовой конфигурации платформы, принятой за единичный модуль. В строительную калькуляцию такого модуля заложены основные затраты материальных и финансовых ресурсов, а также объемы работ и дополнительные издержки, предопределяющие в итоге технико-экономические характеристики принятой схемы производства водорода и его продажную цену.
Для приспособления этой схемы к технологическому процессу хлорного-содового производства кроме доукомплектования платформ специфическим оборудованием, фактически никаких принципиальных изменений или доработок не требуется. Поэтому можно воспользоваться результатами расчетов, выполненных относительно «водородной» платформы, для оценки параметров «хлорной» платформы.
Так, удельная стоимость плавучего основания для ветро-солнечной энергетической установки составляет 238,74 $/кВт или 180 €/кВт. Соответственно, для энергетического комплекса получена оценка 802 €/кВт и для электролизного оборудования 340 €/кВт. С учетом стоимости различного дополнительного оборудования энергетического комплекса и платформы (якорное оборудование, системы жизнеобеспечения, швартовные и грузоподъемные устройства, компрессорные установки и пр.) удельная сумма капитальных вложений на постройку единичного модуля платформы составит 1634 €/кВт.
Разница в стоимостной оценке показателей «хлорной» и «водородной» платформы может заключаться в различии цен на электролизное обору-
дование, которое, на самом деле, невелико, т.к. конструктивно эти электролизеры вполне аналогичны, но в хлорном цикле имеются дополнительные процессы и аппараты для обработки реагентов. Поскольку удельный вес стоимости этого оборудования в общих затратах не превышает 25%, то в оценочных выкладках допустимо принять те же данные с поправкой в пределах 10%.
Тогда для «хлорной» платформы, оснащенной энергоустановками общей мощностью 11 МВт, получим полную строительную стоимость (сумму капитальных вложений) в размере: С = 1634х11-103х1,1 = = 19800 €.
Для оценки экономической реализуемости проекта воспользуемся той же методикой Life Cycle Cost (LCC) - «стоимости жизненного цикла», которая применена в [31]. Согласно этой методике определяются годовые затраты на производство каустика и хлора (annual total cost of production) на 1 кВт установленной мощности с учетом срока службы объектов капиталовложений (capital costs) и эксплуатационных расходов (operating and maintenance costs). Затем рассчитывается удельное значение полной приведенной стоимости мощностей нового производства (levelized total cost of production system). На основании приведенных выше данных они достигают 180 €/кВт. Тогда удельная стоимость 100% каустической соды, произведенной на платформе (себестоимость), составит 198 €/т = 262 $/т.
Сопоставляя эту величину с текущими экспортными ценами на жидкую каустическую соду (50%), которые в ноябре достигли 263 $/т, и «сухую» соду -450^500 $/т [16, 50], убедимся, что инвестиционный проект создания морских энерготехнологических комплексов хлорно-содового производства вполне жизнеспособен. Годовая выручка при таком уровне цен может составить $ 4,5 млн, и проект может окупиться менее чем за 5 лет. Дополнительным фактором реализуемости проекта является возможность продажи опресненной воды по цене 10 коп., что принесет 25 млн грн. ($3 млн) ежегодно.
Выводы
Вынесение производства каустической соды и хлора в морское пространство предоставляет беспрепятственный доступ не только к интенсивным источникам возобновляемых энергетических ресурсов, но и к неограниченной сырьевой базе. Перспективным является сопряжение этого производства с производством аммиака без использования природного газа.
Создание таких производств в незаселенном морском пространстве технически реализуемо, экономически вполне оправдано и, минимизируя одновременно факторы вредного воздействия опасного производства на людей и окружающую среду, предоставляет подобным проектам значительные экологические преимущества, повышая уровень его соответствия мировым нормам техногенной безопасности.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Список литературы
References
1. Розмщення продуктивних сил К.: Знання, 1998.
2. Iсторiя Украши: Неупереджений погляд: Факти. Мiфи. Коментарi Х.: Школа, 2008.
3. Грищенко С.Г. Текущие показатели работы отрасли и перспективы освоения новых технологий горно-металлургического комплекса Украины. Выступление на конференции 1ТМк3К / http://haresengineering.net/reports/Gri-shenko.doc.
4. News.ugmk.info: Доналоговый убыток металлургов в 2012 г. вырос в 3,3 раза // http://www.ugmk.info/news/donalogovyj-ubytok-metallurgov-v-2012-g--vyros-v-33-raza.html
5. Экспорт и импорт Украины. http://index. minfin.com.ua/index/gdp/eximp.php
6. Наше проигранное капиталистическое соревнование // Еженедельник. 2000. - 22.08.2013 /http://2000.net.ua/2000/derzhava/resursy/93105
7. Наталья Кабаш. «Днепразот» останавливает на ремонт производства хлора и каустика /http://www.capital.ua/news/5400-dneprazot-ostanavlivaet-na-remont-proizvodstva-khlora- i-kaustika
8. Украинские «ПВХ-перекосы» / http://newchemistry.ru/item.php?n_id=87
9. Дмитриев Е. А., Кузнецова И.К., Акимов В .В. Экологические аспекты производства аммиака. Мультимедийный курс. М.: Рос. хим-тех. ун-т им. Д.И. Менделеева, 2011.
10. Украина в 2012 г. снизила производство двуокиси титана / http://www.infogeo.ru/metalls/ news/?act=show&news=39830#ixzz2mFuuEL00
11. Згуро А., Григорьева Л., Чекрыжов С., Бородина И. Химические технологии. Учебное пособие // Йыхви, 2012. - 376 С. / http://www.innove.ee /UserFiles/ Kutseharidus/ Kutsehariduse% 20programm /%C3%95ppematerjalid/Keemiatehnoloogia.pdf
12. Современные технологии производства ам-миака/http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id =4156
13. Газпром поднял внутренние цены на газ для промышленности // Лига. Бизнес. 01.08. 2013 / http://biz.liga.net/all/tek/novosti/2557935-gazprom-podnyal-tseny-na-gaz-dlya-predpriyatiy.htm
14. Сосновский Г. Н. Электролиз водных растворов без выделения металлов. Учебное пособие // Ангарск: АГТА, 2005.
15. Якименко Л.М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов // М.: Химия, 1974.
16. Азизов Э.Э. Российская дехимизация или государственная промышленная политика?
17. Украина: производство поливинилхлорида (ПВХ) и полипропилена (ПП), 2011-2012 годы // http://newsper.net/ru/article/region/4/theme/8?id=22396 69&date=2013-03-09
1. Rozmisennâ produktivnih sil K.: Znannâ, 1998.
2. Istoriâ Ukraïni: Neuperedzenij poglâd: Fakti. Mifi. Komentari H.: Skola, 2008.
3. Grisenko S.G. Tekusie pokazateli raboty otrasli i perspektivy osvoeniâ novyh tehnologij gornometallur-giceskogo kompleksa Ukrainy. Vystuplenie na konferen-cii ITMk3R / http://haresengineering.net/reports/Gri-shenko.doc.
4. News.ugmk.info: Donalogovyj ubytok metallurgov v 2012 g. vyros v 3,3 raza // http://www.ugmk.info/news/donalogovyj-ubytok-metallurgov-v-2012-g--vyros-v-33-raza.html
5. Èksport i import Ukrainy. http://index. min-fin.com.ua/index/gdp/eximp.php
6. Nase proigrannoe kapitalisticeskoe sorevnovanie // Ezenedel'nik. 2000. - 22.08.2013 /http://2000.net.ua/ 2000/derzhava/resursy/93105
7. Natal'â Kabas. «Dneprazot» ostanavlivaet na remont proizvodstva hlora i kaustika /http://www.capital.ua/news/5400-dneprazot-ostanavlivaet-na-remont-proizvodstva-khlora- i-kaustika
8. Ukrainskie «PVH-perekosy» / http://newchemistry.ru/item.php?n_id=87
9. Dmitriev E.A., Kuznecova I.K., Akimov V.V. Èkologiceskie aspekty proizvodstva ammiaka. Mul'timedijnyj kurs. M.: Ros. him-teh. un-t im. D.I. Mendeleeva, 2011.
10. Ukraina v 2012 g. snizila proizvodstvo dvuokisi titana / http://www.infogeo.ru/metalls/ news/?act =show&news=39830#ixzz2mFuuEL00
11. Zguro A., Grigor'eva L., Cekryzov S., Borodina I. Himiceskie tehnologii. Ucebnoe posobie // Jyhvi, 2012. - 376 S. / http://www.innove.ee /UserFiles/ Kutseha-ridus/ Kutsehariduse% 20programm /%C3%95 ppema-terjalid/Keemiatehnoloogia.pdf
12. Sovremennye tehnologii proizvodstva ammiaka / http://www.newchemistry.ru/letter. php?n_id =4156
13. Gazprom podnâl vnutrennie ceny na gaz dlâ pro-myslennosti // Liga. Biznes. 01.08. 2013 / http://biz.liga.net/all/tek/novosti/2557935-gazprom-podnyal-tseny-na-gaz-dlya-predpriyatiy.htm
14. Sosnovskij G.N. Èlektroliz vodnyh rastvorov bez vydeleniâ metallov. Ucebnoe posobie // Angarsk: AGTA, 2005.
15. Âkimenko L.M. Proizvodstvo hlora, kausti-ceskoj sody i neorganiceskih hlorproduktov // M.: Himiâ, 1974.
16. Azizov È.È. Rossijskaâ dehimizaciâ ili go-sudarstvennaâ promyslennaâ politika?
17. Ukraina: proizvodstvo polivinilhlorida (PVH) i polipropilena (PP), 2011-2012 gody // http://newsper.net/ru/article/region/4/theme/8?id=22396 69&date=2013-03-09
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
18. Мировой рынок поливинилхлорида (ПБХ), 2005-20i2 годы / http://ukrchem.dp.ua/20i3/ 05/ 22/mirovoj-rynok-polivinilxlorida-pvx-2005-20i2-gody.html#more-i 8685
19. Поливинилхлорид в Украине //http://polimer. ucoz.net/news/polivinilkhlorid_v_ukraine/20i0-05-05-i29
20. Установка для производства хлора и каустической соды. г. Павлодар, Казахстан. - Нетехническое резюме // http://www.ebrd.com/pages/project/ eia/3956ir.pdf
21. Создание производства каустической соды и хлора мембранным электролизом / http:// www.airvo. ru/investproj/invest/7/i07
22. Химическая промышленность и охрана окружающей среды / http://upr-search.com.ua/ 22-ximicheskaya-promyshlennost-i-oxrana-okruzhayushhej-sredy.html
23. Дайджест - Промышленная безопасность / http://ru-safety.info/post/i0239690003002i/
24. Экологические проблемы Украины / http://www.coralintech.com/index.php?ln=rus&id =2&pid=58.
25. Future Wind Turbines go Offshore - Deep and Floating (Denmark) / htpp://www.offshore-wind. biz/20 i0/i i/i i/future-wind-turbines-go-offshore-%E2% 80%93-deep-and-floating- denmark/.
26. Кривцова B.И., Олейников А.М., Яковлев А.И. Неисчерпаемая энергия. Кн. 4. // Bетроводород-ная енергетика. Харьков: Нац. Аэрокосмич. ун-т, Харьк. Авиац. ин-т, 2007.
27. Прохоров И.Ю., Акимов Г.Я. Фотоэнергетика и водородная энергетика: возможности и достижения // Наука та шновацп. 2009. Т. 5, № 6. С. ii-24.
28. Андреев BM., Забродский А.Г., Когновиц-кий С. О. Интегрированная солнечно-ветровая энергетическая установка с накопителем энергии на основе водородного цикла // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2007. № 2. С. 99-i05.
29. Запорожец Ю.М., Кудря С.А. Bетросолнеч-ные энергетические комплексы с водородным циклом // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE. 20ii. № 4. С. 66-75.
30. Запорожець Ю.М., Кудря С.О., Щошн А.Р. Створення вiтросонячних енергетичних комплексiв з водневим циклом на морських платформах - ефек-тивний шлях вико-ристання вiдновлюваних ресурсiв шельфу // Biдновлювана енергетика. 20ii. № 4.
31. Запорожец Ю.М. «Морской водород» для экономики Украины // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 20i3. № 3. ССЛ3 - 26.
32. Ю.М. Запорожец, С.А. Кудря, B^. Резцов. Парогазовые технологии и нетрадиционное топливо - перспектива развития маневренной генерации в энергетике Украины // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 20i3. - № 8. СС. i0 - 22.
33. 2224ii7 Российская федерация МПК7 (2004) F01К13/00. Морская экологическая станция / BÄ Хомич, А.А. Старостин, М.М. Старостин. -2002120211/06, заявл. 31.07.2002, опубл. 20.02.2004.
18. Mirovoj rynok polivinilhlorida (PVH), 20052012 gody / http://ukrchem.dp.ua/2013/ 05/ 22/mirovoj-rynok-polivinilxlorida-pvx-2005-2012-gody.html#more-18685
19. Polivinilhlorid v Ukraine //http://polimer. ucoz.net/news/polivinilkhlorid_v_ukraine/ 2010-05-05129.
20. Ustanovka dlâ proizvodstva hlora i kausticeskoj sody. g. Pavlodar, Kazahstan. - Netehniceskoe rezûme // http://www.ebrd.com/pages/project/ eia/39561r.pdf
21. Sozdanie proizvodstva kausticeskoj sody i hlora membrannym èlektrolizom / http:// www.airvo. ru/investproj/invest/7/107
22. Himiceskaâ promyslennost' i ohrana okruzaûsej sredy / http://upr-search.com.ua/ 22-ximicheskaya-promyshlennost-i-oxrana-okruzhayushhej-sredy.html
23. Dajdzest - Promyslennaâ bezopasnost' / http://ru-safety.info/post/102396900030021/
24. Èkologiceskie problemy Ukrainy / http:// www.coralintech.com/index.php?ln=rus&id =2&pid=58.
25. Future Wind Turbines go Offshore - Deep and Floating (Denmark) / htpp://www.offshore-wind. biz/2010/11/11/future-wind-turbines-go-offshore-%E2% 80%93-deep-and-floating- denmark/.
26. Krivcova V.I., Olejnikov A.M., Âkovlev A.I. Neiscerpaemaâ ènergiâ. Kn. 4. // Vetrovodorodnaâ ener-getika. Har'kov: Nac. Aèrokosmic. un-t, Har'k. Aviac. int, 2007.
27. Prohorov I.Û., Akimov G.Â. Fotoènergeti-ka i vodorodnaâ ènergetika: vozmoznosti i dosti-zeniâ // Nauka ta innovaciï. 2009. T. 5, № 6. S. 11-24.
28. Andreev V.M., Zabrodskij A.G., Kognovickij S.O. Integrirovannaâ solnecno-vetrovaâ ènergeticeskaâ ustanovka s nakopitelem ènergii na osnove vodorodnogo cikla // Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ - ISJAEE. 2007. № 2. S. 99-105.
29. Zaporozec Û.M., Kudrâ S.A. Vetrosolnecnye èn-ergeticeskie kompleksy s vodorodnym ciklom // Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ - ISJAEE. 2011. № 4. S. 66-75.
30. Zaporozec' Û.M., Kudrâ S.O., Sokin A.R. Stvorennâ vitrosonâcnih energeticnih kompleksiv z vod-nevim ciklom na mors'kih platformah - efektivnij slâh vikoristannâ vidnovlûvanih resursiv sel'fu // Vidnovlû-vana energetika. 2011. № 4.
31. Zaporozec Û.M. «Morskoj vodorod» dlâ èko-nomiki Ukrainy // Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ -ISJAEE. 2013. № 3. S.13 - 26.
32. Û.M. Zaporozec, S.A. Kudrâ, V.F. Rezcov. Paro-gazovye tehnologii i netradicionnoe toplivo - perspek-tiva razvitiâ manevrennoj generacii v ènergetike Ukrainy // Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ - ISJAEE. 2013. -№ 8. SS. 10 - 22.
33. 2224117 Rossijskaâ federaciâ MPK7 (2004) F01K13/00. Morskaâ èkologiceskaâ stanciâ / V.I. Homic, A.A. Starostin, M.M. Starostin. -2002120211/06, zaâvl. 31.07.2002, opubl. 20.02.2004.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
34. Темеев А.А., Белокопытов В.П. и др. Производство водорода и сопутствующих продуктов путем электролиза морской воды // Наука и техника в газовой промышленности. 2008. № 3. С. 63 - 72.
35. Леонов В.Е., Гацан Е.А. Рациональное использование морского сероводорода для топливно-энергетических целей и химического синтеза // Херсон. Науковий вюник ХДМ1 №1 (2), 2010. С. 142- 148.
36. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветер и волны в морях и океанах. Справочные данные. Регистр СССР. Л.: Транспорт, 1974.
37. Ефимов В.В., Робустова Р.С. Численное моделирование ветрового энергопотенциала Украины // Ввдновлювана енергетика XXI столитя. XI мгж. нау-ково-практична конференщя, 2010, С. 200 - 203.
38. Семенюта В.Г., Колесник А.Р. Использование гипохлорита натрия при обеззараживании воды // Вода и водоочистные технологии. 2007. № 3.
39. Электролизные генераторы гипохлорита натрия / http://promtehvod.com.ua/ru/articles/ nid_12/
40. ArunkumarT., VinothkumarK., Ahsan A., et al. Experimental Study on Various Solar Still Designs. // ISRN Renewable Energy - V2012, Article ID 569381, 10 p. doi: 10.5402/2012/569381 / http://www.hindawi. com/isrn/re/2012/ 569381/
41. Кудря С.А., Яценко Л.В. и др. Система опреснения морской воды и утилизации рассолов с использованием энергии возобновляемых источников // Проблемы создания и использования возобновляемых источников энергии. Сб. науч. тр. /К.: Ин-т электродинамики АН УССР, 1991.
42. Технология электролиза хлора и каустика. Усовершенствованная мембранная технология // Компания группы «ThyssenKrupp Technologies» - «Uhde». -04/2008 / http://uhde-russia. com/files/ 07_elektroliz.pdf
43. Расходы на сырье / http://hlorgas.ru/rashody-na-syre/
44. Зубков Р.М., Аверин Г.В. Энергетические проблемы деминерализации шахтных вод /http:// masters.donntu.edu.ua/2002/fgtu/zubkov/library/freezing .html
45. Слесаренко В.Н. Опреснительные установки // Владивосток.: ДВГМА, 1999.
46. BartelsJ. R. A feasibility study of implementing an Ammonia Economy: Iowa State University, Graduate Theses and Dissertations, 2008
47. Rong Lan, John T. S. Irvine & Shanwen Tao. Synthesis of ammonia directly from air and water at ambient temperature and pressure // Scientific reports/ -Published 29 January 2013 / http://www. nature. com/srep/2013/130129/srep01145/pdf/srep01145.pdf
48. Мембранное получение азота/http://azotnaya. ru /proizvodstvo-azota/membrannoe-poluchenieazota
49. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат, 1991.
50. Украина: рынок неорганических химикатов, 2012 год 06.02.2013 / http://ukrchem.dp.ua/ 2013/02/06/ukraina-rynok-neorganicheskix-ximikatov-2012-god.html
34. Temeev А.А., Belokopytov V.P. i dr. Proiz-vodstvo vodoroda i soputstvuusih produktov putem elek-troliza morskoj vody // Nauka i tehnika v gazovoj pro-myslennosti. 2008. № 3. S. 63 - 72.
35. Leonov V.E., Gacan Е.А. Racional'noe is-pol'zovanie morskogo serovodoroda dla toplivno-energeticeskih celej i himiceskogo sinteza // Herson. Naukovij visnik HDMI №1 (2), 2010. S. 142- 148.
36. Davidan I.N., Lopatuhin L.I., Rozkov VA. Veter i volny v morah i okeanah. Spravocnye dannye. Registr SSSR. L.: Transport, 1974.
37. Efimov V.V., Robustova R.S. Cislennoe mo-delirovanie vetrovogo energopotenciala Ukrainy // Vidnovluvana energetika XXI stolitta. XI miznarodna naukovo-prakticna konferencia, 2010, S. 200 - 203.
38. Semenuta V.G., Kolesnik А.R. Ispol'zovanie gi-pohlorita natria pri obezzarazivanii vody // Voda i vodoocistnye tehnologii. 2007. № 3.
39. Elektroliznye generatory gipohlorita natria / http://promtehvod.com.ua/ru/articles/ nid_12/
40. ArunkumarT., VinothkumarK., Ahsan A., et al. Experimental Study on Various Solar Still Designs. // ISRN Renewable Energy - V2012, Article ID 569381, 10 p. doi: 10.5402/2012/569381 / http://www.hindawi. com/isrn/re/2012/ 569381/
41. Kudra SA., Acenko L.V. i dr. Sistema op-resnenia morskoj vody i utilizacii rassolov s is-pol'zovaniem energii vozobnovlaemyh istocnikov // Problemy sozdania i ispol'zovania vozobnovlaemyh is-tocnikov energii. Sb. nauc. tr. /K.: In-t elektrodinamiki АN USSR, 1991.
42. Tehnologia elektroliza hlora i kaustika. Us-oversenstvovannaa membrannaa tehnologia // Kompania gruppy «ThyssenKrupp Technologies» - «Uhde». -04/2008 / http://uhde-russia. com/files/ 07_elektroliz.pdf
43. Rashody na syr'e / http://hlorgas.ru/rashody-na-syre/
44. Zubkov R.M., Аverin G.V.Energeticeskie prob-lemy demineralizacii sahtnyh vod /http:// mas-ters.donntu.edu.ua/2002/fgtu/zubkov/library/freezing.ht ml
45. Slesarenko V.N. Opresnitel'nye ustanovki // Vladivostok.: DVGMА, 1999.
46. BartelsJ. R. A feasibility study of implementing an Ammonia Economy: Iowa State University, Graduate Theses and Dissertations, 2008
47. Rong Lan, John T. S. Irvine & Shanwen Tao. Synthesis of ammonia directly from air and water at ambient temperature and pressure // Scientific reports/ -Published 29 January 2013 / http://www. nature. com/srep/2013/130129/srep01145/pdf/srep01145.pdf
48. Membrannoe polucenie azota/http:// azotnaya.ru /proizvodstvo-azota/membrannoe-poluchenieazota
49. Korovin N.V. Elektrohimiceskaa energetika. M.: Energoatomizdat, 1991.
50. Ukraina: rynok neorganiceskih himikatov. 2012 god 06.02.2013/http://ukrchem.dp.ua/ 2013/02/06/ ukraina-rynok-neorganicheskix-ximikatov-2012-god.html
Транслитерация по ISO 9:1995
Г'-": - TATA — LXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
