CC BY
79
■а о
Одним з найперспективніших напрямків вирішення енергетичної проблеми України є забезпечення держави альтернативним природному газу видом палива - отриманням штучного газу метану (CH4) з вуглекислого газу (CO2). Визначено, що вуглекислий газ (CO2 ) окрім шкоди, якої він завдає довкіллю своїм парниковим впливом на клімат, може ще й слугувати сировиною для перетворюючих енергетичних процесів, які на виході можуть давати цінні енергетичні сполуки у вигляді газу метану
Ключові слова: економічна ефективність, фінансовий розрахунок, термін окупності, газові енергетичні перетворення, забруднення довкілля
□------------------------------------□
Одним из наиболее перспективных направлений решения энергетической проблемы Украины есть обеспечение государства альтернативным природному газу видом топлива - получением искусственного газа метана CH4 из углекислого газа CO2. Определено, что углекислый газ CO2 кроме вреда, которого он наносит окружающей среде своим парниковым эффектом на климат, может еще и служить как сырье для превращающих энергетических процессов, которые на выходе могут давать ценные энергетические соединения в виде газа метана
Ключевые слова: экономическая эффективность, финансовый расчет, срок окупаемости, газовые энергетические превращения, загрязнения окружающей среды
□------------------------------------□
One of the most perspective directions of decision of power problem of Ukraine there is providing of the state the alternative to natural gas type of fuel - by the receipt of artificial gas of methane (CH4) from carbon dioxide (CO2). Certainly, that carbon dioxide (CO2) except for harm which he inflicts to the environment the hotbed influence on a climate can yet and serve as raw material for converting power processes which on an output can give valuable power connections as gas of methane
Keywords: economic efficiency, financial arrangements, term of recoupment, gas power transformations, contaminations of environment
УДК 658.01 (477)
ТЕХНОЛОГІЧНІ ТА ЕКОНОМІЧНІ АСПЕКТИ КАТАЛІЗУ ДВООКИСУ ВУГЛЕЦЮ В ГАЗ МЕТАН
B.А. Тарасенко
Академік, доктор економічних наук, професор, завідувач
відділення економіки* Контактний тел.: (0322) 29-59-90 Е-mail: ekonomist@polynet.lviv.ua
М.В. Тарасенко
Інженер проектувальник Українські магістральні газопроводи вул. Рубчака, 2, м. Львів Контактний тел.: (0322)97-83-61, 097-504-57-36 Е-mail: mariklviv@ukr.net
C.В. Тарасенко
Старший викладач відділення Кафедра обліку та аудиту* *Львівський науково-навчальний інститут Закарпатського
державного університету вул. Замарстинівська, 83А, м. Львів, 79058 Контактний тел.: (0322) 29-59-90 , 067-787-41-68
Е-і^іі: svyatoslav.t@i.ua
Р.С. Ден ькович
Директор компанії «NIKA-TERA” вул. Айвазовського, 23, м. Миколаїв, 54052 Контактний тел.: (0512) 67-08-60, 050-493-04-87
Е-і^іі: rd@sallbay.com
О.А. Єкімовських
Директор міжнародного центру впровадження нових технологій «Теплоцентр-Академія» вул. Заводська, 7, м. Львів, 79019 Контактний тел.: (0322) 97-00-68, 067-717-29-80
www.yekimovskikh.com Е-mail: know-tlow@yekimovskikh.com
1.5. Вступ джерел енергії і здійснення наукових досліджень в
галузі заміни традиційним видів палива на альтер-Світ вступив в еру дорогої, але нерівномірно дорож- нативні, в тому числі штучні. З врахування того, що
чаючої енергії. В світлі цього важливе значення має направлення розвитку енергетики тісно пов’язано з
вибір оптимального значення співвідношення різних аспектами політичними, соціальними і економічними,
З
і внаслідок цього чисто економічні оцінки і критерії виявляються недостатніми, щоб прийняти правильне рішення про забезпечення країни тим чи іншим видом палива.
Сучасні і майбутні масштаби енергоспоживання ставлять складні завдання в галузі виявлення, підготовки і використання енергетичних ресурсів. В найближчі 20 років знадобиться понад 500 мільярдів тон енергоресурсів в умовному вирахуванні. Для порівняння можна зазначити, що за весь час існування людства було вироблено і використано 460 мільярдів тон умовного палива. Основою енергетики в найближчій перспективі залишаться ресурси викопного органічного палива, не дивлячись на зростаючу роль атомної енергетики і відновлювальних джерел енергії [1].
Загальна кількість ресурсів органічного палива в світі складає 15,1 трильйони тон умовного палива, при цьому 83% з них - ресурси вугілля. Сумарні ресурси, які можна реально видобути з надр оцінюються в 8 трильйона тон умовного палива, з них 2 трильйона тон відносяться до розвіданих запасів. Серед останніх 7% приходиться на традиційну нафту, 9% на сланцеву і бітумну нафту, 5% на природній газ і біля 79% на вугілля. Окрім традиційних органічних палив оцінені світові запаси урану, вони складають 5,9 мільйона тон. Оцінка величини запасів нафти особливо важлива по причині, що розміри запасів інших видів палива є функцією вартості нафти-збільшення її ціни розширює кордони можливого освоєння природного газу. Сумарна кількість видобутого газу в середньому за рік в останній час складає понад 600 мільярдів метрів кубічних. Розподіл цих ресурсів вкрай нерівномірне. Значні запаси природного газу наявні в Російській Федерації, на Близькому Сході, в США, Африці і Австралії. До недавнього часу до оцінки ресурсів нафти проявлявся великий інтерес, чим до уточнення ресурсної бази природного газу. Такі обставини, як прогнозування обмеження добутку нафти вже до початку 2015 року
і можливу заміну дефіцитної нафти природнім газом в багатьох сферах використання, викликало великий інтерес до уточнення ресурсної бази природного газу в оцінці потенційних можливостей збільшення його добутку на перспективу [2].
У відповідності з останніми оцінками більш активний, чим прогнозувався розвиток ресурсної бази газу змінює попередні прогнозні оцінки в сторону збільшення можливості добутку природного газу в 2010-2015 роках з перспективою в подальшому різкого зменшення його видобутку. Реальний видобуток на 2009 рік складав 5,9 мільярда тон умовного палива і зі зниженням до 3,4 - 4,0 мільярда тон в 2020 році. Таким чином, з одного боку, за рахунок збільшення сумарного вкладу вуглеводневих джерел енергії до 2015 року полегшуються умови підготовки нових технологій, з другого боку, активна розробка газових покладів в період до 2015 року звужує можливості постачання цим енергоресурсом в першій половині XXI сторіччя. Але ситуація буде складалися не однаково в різних регіонах світу.
1.6. Постановка проблеми
Самоціллю наукової розробки, яка висвітлена в даній статті, є побудова нового типу заводу працюючого
за рахунок переробки вуглекислого газу на газ метан. Метан і водень можуть стати тими енергетичними замінником багатьох видів пального, яке традиційно використовується в системах енергетики. Фактично по своїм теплотворним здатностям метан і водень не поступаються іншим енергетичним паливам. Для порівняння надається табл. 1:
Таблиця 1
Теплотворні характеристики основних первинних енергоносіїв
№ п/п Первинний енергоносій Теплотворна здатність ккал/кг, для газу ккал/м3
1. Доменний газ 1000
2. Торф фрезерний 2030
3. Буре вугілля 2300
4. Деревина 2440
5. Водень 3045
6. Коксовий газ 4300
7. Кам’яне вугілля Донбасу
7. а Газове ( Г ) 5900
7. б Парове жирне ПЖ 5980
7. в Антрацит АРШ 5660
7. г Антрацит АС 6400
7. д Тощий Т 8260
8. Кокс 7700
9. Мазут 9500
10. Зріджені гази 22000-28000
11. Нафтозаводські гази 8000-22000
12. Нафтопромислові гази 11000-15000
13. Природний газ 8100 - 8350
14. Метан 8558-9496
1.6.1. Аналіз останніх досліджень і публікацій
Проблематикою заміни природних органічних палив на штучні широко займалися вчені в середині 30-х років ХХ століття, але з відкриттям великої кількості газових покладів і видобутком дешевого природного газу, проблематика штучного газового палива перестали цікавити вчених, бо компонентні складові штучного газового палива були дорожчі від природного газу. Ситуація змінилася на початку XXI століття, коли природних газ почав мати вже не стільки комерційну ціну, а політичну. Ось чому зробити глибокий аналіз досягненням вчених починаючи з 1933 року по 2005 рік є недоцільним, бо технології є застарілі. Натомість, процесом відновлення дослідження зацікавилися українські вчені Тарасенко В.А., Тивонюк М.І., Чорний С.А. та інші [1;2], які почали відновлювати дослідження і вийшли на нові технологічні процеси, і розробили методологію отримання штучного метану з вуглекислого газу. Одночасно велися розрахунки рентабельності ведення цього процесу, який і визначив доцільність проведення
Е
подальших досліджень і впровадження наукових досягнень у виробництво.
1.6.2. Виклад основного матеріалу
Враховуючи той факт, що України не є самодостатньою державою в забезпеченні себе первинними енергоносіями, особливий інтерес викликають розробки вітчизняних науковців по впровадженню в народне господарство енергозберігаючих технологій. Але окрім енергозберігаючих технологій потрібно звернути увагу на новітні наукові розробки в галузі створення альтернативних вугіллю, нафті і газу видів палива. До таких палив відносить водень. Запаси водню по енергетичному потенціалу на Земній кулі в мільйони разів перевищують запаси всіх енергетичних палив разом взятих. Водень це паливо майбутнього і його використання почало свій могутній поступ в енергетиці розвитих країн. На водневому паливі працюють десятки електростанцій, запаси водню поповнюються за рахунок нічного провалу роботи атомних електричних станцій і накопичуються в спеціальних резервуарах. В світі функціонує десятки тисяч кілометрів воднепроводів і т.д. Окрім того водневе паливо є екологічного чистим продуктом. Тому привабливою є робота про штучне генерування газу метану з залученням до цього процесу водневої складової. Фактично тут йдеться мова про поєднання двох енергетичних компонентів - водню і вуглецю. В результаті такого каталізу утворюється речовина, яка має всі ознаки газу метану з деякими додатками інших енергоємнісних сполук, які не впливають на процеси подальшого використовування даної суміші в теплових процесах. Фактично поєднались здатність водню видавати при горінні високу температуру і здатність вуглецю видавати високий теплотворний потенціал.
З врахуванням того, що в технологічних ланцюжок входить досить невелика кількість технологічного обладнання утворюється проста схема для експлуатації. На відміну від складних і дорогих установок по отриманню інших газів (біогаз, синтез газ і т.д.) тут маємо найпростішу схему каталітичного перетворюючого процесу, який при його повному замкненому циклі буде викидати мінімум шкідливих речовин. Окрім цього, при роботі електролізного блоку одержується велика кількість чистого кисню, який потрібен для здешевлення процесів ліквідації забруднюючих довкілля речовин, не говорячи вже про його доцільне використання в інших галузях.
Перспективи переходу частини промислових підприємств України на генерацію власного палива досить привабливі з врахування того, що ціна на природний газ імпортних поставок буде постійно зростати, а запаси свого власного природного газу не великі. В цьому вбачається політико-енергетична самостійність нашої держави в далекоглядну перспективу.
Загальна величина викидів вуглекислого газу в Україні сягає майже півтрильйона метрів кубічних. Тому в першому наближенні запропонований метод знищення вуглекислого газу направлений на покращення екологічної ситуації в державі. Безумовно, не виключається варіант отримання додаткового виду палива - штучно генерованого газу метану. При цьому пропонується своєрідний коловорот вуглекис-
лого газу від його перетворення в газ метан - спалювання в чистому кисні -отримання в димових газах умовно чистого вуглекислого газу і повторне його перероблення. Фактично вирішуються дві проблеми: екологічна по знищенню вуглекислого газу і енергетична по генерації газу метану. Така розробка є дійсно унікальна в своєму підході і тому заслуговує на особливу увагу. Методологічна сторона винаходу не викликає сумніву, бо такі хімічні перетворюючі процеси вже пропонувались і в деякій мірі впроваджені у виробництво. Цінність винаходу полягає в тому, що запропоновані процеси проходять при низькотемпературному циклі і не вимагають додаткових витрат енергії, тим самим вони різко відрізняються від відомих таких самих процесів. Фінансова сторона винаходу виявляє свій позитив в стабільній вартості каталізатора на відміну від постійного росту ціни на природній газ. На сьогодні ціна на штучно генерований газ метан є майже адекватною ціні природного газу, але з додатковими економічними вигодами впровадження такого процесу - отримання кисню, виплата бонусу за знищення викидів, очищення довкілля, висока теплотворна здатність отриманого газу і економії природного газу при процесах горіння дають значні переваги даному методу отримання газу по зрівнянню з закупівлею природного газу, ціна на який перебуває в стадії невизначеності і реально постійно зростає.
Відбулося проникнення в поле хімічних перетворень на базі викидів С02 по простій причині - всім колись здавалося, що вуглекислий газ вже кінцевий продукт перетворення і витягнути з нього вже нічого не можна, але виявилось що це не так. Маючи в своїй структурі такий елемент, як вуглець (С), який є основою всієї органічної енергетики, вдалося поставити його в ланцюжок перетворень і отримувати достойні і цікаві результати, як у вигляді економічного виграшу по забезпеченню енергетичним носієм, так і в отриманні нових речовин.
Технологія процесу отримання штучного газу метану є наступна [3]:
1. Заповнення каталітичного реактора каталізатором.
2. Збирання бродильного вуглекислого газу С02 ^ передача на каталітичний реактор.
3. Подача води Н20 на електролізер і виробництво водню в електролізерах Н2 ^ передача на турбодетандер, запуск турбодетандера передача енергії обертання лопаток на електрогенератор і виробництво електроенергії.
4. Подача Н2 з турбодетандера на каталітичний блок.
5. Керування процесу каталітичного перетворення газів через електронну систему.
6. Генерація газу метану СН4.
7. Генерація газу кисню 02.
8. Подача газу метану СН4 ^ в топку котла (парогенератора).
9. Подача газу кисню 02 ^ в топку котла (парогенератора).
10. Спалювання газу метану в чистому кисні 02 на пальниках спеціальної конструкції з автоматичним запальником.
Умови ведення процеси подано в табл. 2.
З
Таблиця 2
Умови ведення процесу каталізу вуглекислого газу в газ метан
Стадії, вузли, апаратура обладнання Найменування особливостей обладнання Робоче значення показників і режими роботи Допустимі границі відхилень в режимі процесу
Подача вуглекислого газу і води Вуглекислий газ 99,5 % степені чистоти. Знесолена вода очищена від механічних домішок, без катіонів заліза, кальцію та магнію, аніонів сірчаної та соляної кислот Постійна подача вуглекислого газу і води Не більше - 2 %
Безперервна робота генераторів водню і кисню Без зміни навантаження і виконання роботи. Генератори водню і кисню є без діафрагмовими з комірковим відведенням електролізних газів Відсутність охолодження газоповітряної суміші, яка утворюється в генераторах водню і кисню. Відсутність лужного контакту з каталізатором. Не більше - 1 %
Генерація електричної енергії Турбодетандер виготовлений з спеціальних матеріалів. Уникнення іскро утворення Недопустимість відхилень
Компоновка системи: турбодетандер+ електрогенератор+ випрямляч електричного струму Два перші елементи розміщені на одному валу Часткове забезпечення електролізера електроенергією Згідно ДСТУ по генеруванню електроенергії
Хімізм процесу [3].
Перетворення вуглекислого газуС02 в метан СН4 шляхом гідрування стає помітними тоді, коли процес відбувається в зовнішньому перехідному режимі. Швидкість гідрування достатньо зростає при переході процесу в зовнішню дифузійну область. Рівняння швидкості процесу має вигляд:
W = 1.88 107ехр(-7.04 103 /Т)СС0 ,
де: W - швидкість процесу, моль С02 / сек см2;
СС0 - концентрація С02 ,моль /см3;
Т - температура , ° К.
Таким чином, реакція метанування вуглекислого газу С02 проходить в результаті взаємодії водню Н 2, адсорбованого каталізатором, і молекул С02, які знаходяться в газоподібному стані. Вводяться наступні позначення:
| | - вільний активний центр на поверхні каталізатора,
символи в дужках адсорбовані частини молекул;
е - вільний електрон, або електронна хмаринка.
О + 2е ^ 2 [Н] (швидко)
ОН
С
ОН
2 [Н] + СО2 ^[НСООН]^
^[СН2 ] = О2 (швидко)
+2 П + 2е (повільно)
ОН
С
ОН
[СН2 ]+ Н2 = СН4 (швидко)
Характерно те, що на каталізаторі типу МММ реакція взаємодії водню Н2 з киснем О2 не відбувається, тобто Н2 + 0.5 О2 Ф Н2О .
Це означає, що
Н2^ = К = 0
Н2ч/Р
Хіміко-технологічні основи процесу базуються на каталітичному перетворенню вуглекислого газу в газ метан за допомогою водню, який отримуємо електролізом. Він ґрунтується на принциповій відмінності електролізу від хімічних процесів. Тільки електроліз дозволяє роздільно проводити процеси відновлення (на катоді) і окислення (на аноді). В одному апараті одержують гази високої чистоти. Відповідно до діаграми стану Е-рН для води, ділянка її термодинамічно стійкого стану знаходиться між лінією а, що відповідає електрохімічній рівновазі води з воднем, і лінією Ь - рівновазі з киснем, тобто практично при всіх рН розчину можна вести електрохімічний розклад на водень і кисень. Чиста вода характеризується малою електричною провідністю (при Т - 298° К, к
- 6.2 ■ 10-80м-1см-1). У зв’язку з цим, у промисловому електролізі води до неї додають електроліти: кислоти, луги або солі. Концентрацію лугу в електроліті визначають так, щоб остання мала питому електричну провідність, близьку до максимальної. Тому для електролітів використовується розчин КОН - 390450 гл-1 або №ОН гл-1. КОН (їдкий калій) розподілений на два види: а) технічний - плав, який міст КОН в продукті повинен бути 88-96%; б) електрокаталічна рідина, вміст (при 20°С) їдких лугів в продукті в перерахунку на гідроокис калію не менше 750 г/л. Їдкий натрій №ОН ( каустична сода, каустик ) розподілений на: а) твердий 96% №ОН ; б) рідкий марка А - 42% №ОН. Електроліз проводять у діафрагмових або бездіафрагмових електролізерах.
Основними процесами на електродах з електролізу води як у кислих, так і лужних розчинах є: на катоді відновлення води з виділенням водню Н2, а на аноді окислення води з виділенням кисню 02:
на катоді 2Н20 + 2е = Н2 + 20Н, ЕН0/Н2 =-0,828, на аноді 20Н - 2е = 0,5 02 + Н20 , ЕН 0/Н = 0,401.
У сумі Н20 + 2F = Н2 + 0,502, Е = 1,229 В.
Напруга на електролізері складається з різниці рівноважних електродів потенціалів анода Еа і катода Ер, перенапруги виділення Ди електроліт, газів на електродах ПН , П0 , падіння напруги на електроліті Ди електроліт, діафрагмі Дид , електродах Лиелір, кон-
€
тактах Ликонт, а також концентраційного ЛЕкп і дифузійного ДЕд потенціалів:
и = Еа- Ер + А Електроліт + Пн2 + По2 +
+Аи + Аи тр + Аи + АЕ + АЕ
д елтр кони кп д
Різниця рівноважних електродних потенціалів Ер = Еа - Ер називається рівноважною ЕРС електрохімічної системи. Із загальної втрати електроенергії при електролізі тільки та частина, яка відповідає теоретичній напрузі розкладу води, витрачається корисно на зміни внутрішньої енергії речовин, що беруть участь у реакції. Цей додаток визначається природою реагуючих речовин і їхніх термодинамічних характеристик. Величина Ет визначається зміною енергії Гіббса: AG298 = - 237,36 кДж ■ моль-1.
Відповідно до законів термодинаміки енергія Гіб-бса змінюється з підвищенням температури:
AGT = АН - TAS ,
де АН - ентальпія реакції;
AS -зміна ентропії.
Для води в рідкому і газоподібному стані зміна ентальпії
АНр = - 285,8 кДж ■ моль-1;
АНг = - 241,98 кДж ■ моль-1.
Тепловому ефекту (ентальпії) процесу відповідає
, . „ р АН
термонейтральна, або ентальпійна, напруга: ЕН = ,
для рідкої води Е =
- 285,8
= 1,48 В , для газоподібної
нр 296 5
- 241 98 ’
Е = 241,98 = 1,25В нг 296,5 .
Таким чином, у випадку каталітичного процесу можна написати:
Користуючись законом Гесса визначається, що S0p > 0. Це означає, що реакція буде проходити тим скоріше, бо AGp0 < 0 , тобто чим є меншим т.
Реакція термохімічного утворення метану, дає можливість промисловій утилізації великої кількості вуглекислого газу. Отриманий водень Н2 вступає в реакцію з вуглецем, яким в цей час активізується в реакторі. Енергія розриву хімічного зв’язку вуглекислого газу С02 складає 741 кДж/моль в результаті якої утворюється вуглець С.
Молекулярна вага М = 12,11.
Теплота згорання 9400 ккал/моль.
В земній корі знаходиться 0,14 % вуглецю С. У вигляді простих речовин вуглець зустрічається в природі у вигляді алмазу і графіту. Велика кількість вуглецю знаходиться у вугіллі. Найбільш чистий вуглець С - це сажа, яка отримується шляхом розкладу метану. В присутності каталізаторів Со, №, Fe реакція розкладу газу метану СН4 починається при температурі 12000°С. Сажа це мікрокристалічна форма вуглецю С. В сажі присутні рідкі вуглеводні, в дерев’яному вугіллі і коксі-солі. На холоді всі модифікації вуглецю С малоактивні. При нагріванні активність вуглецю зростає.
СН4 ^ С + 2Н2 - реакція є обернена і в зворотному порядку з елементів розпаду можна отримати газ метан СН4 і ця реакція при каталізаторі ЕТТ має такий вигляд:
С + 2Н2
4
СН = СН ^ 2СН = + Н2
4
СН2 = СН2 ^ 2СН2 =+ Н2
СО2 + тН2 ^ СН4 + Сх Нт-4 Оу + AH0p
Оскільки реакція не екзотермічна, ні ендотермічна, тоді AH0p = 0 .
Щоб визначити величину коефіцієнта, який стоїть біля водню застосовується об’єднаний закон термодинаміки у наступному вигляді:
AGp0 = AH0p - TAS0p p p p
де AG0p - енергія Гіббса;
AH0p - ентальпія реакції, яка в даному випадку AH0p = ±0 ;
Т -а бсолютна температура в 0 К. В даному випадку реакція відбувається при нормальній (кімнатній) температурі Т - 2 980 К;
AS0p - ентропія реакції.
Обов’язковою умовою протікання будь-якої реакції - те, щоб енергія реакції Гіббса була від’ємною. Це означає, що AGp0 < 0. Тоді другою обов’язковою умовою буде те, що ентропія реакції буде позитивною, а це означає, що в реакції AGp0 = AH0p - TAS0p сума ентропії продуктів реакції більша за суму ентропій реагентів, які вступають в реакцію. Звідси виникає, що т < 1.
Нехай т = 1 і знаючи, що
S0CH = 186,2 Дж/моль0К; S0O = 205,04 Дж/моль0К;
30со = 213,68 Дж/моль0К; S0H = 130,52 Дж/моль0К.
СН3 - СН3 ^2СН3- + Н2
2СН4 + Н
Маючи два компонента реакції - водень Н2 і вуглець С, низькотемпературний каталіз відновлення вуглекислого газу до стану метану проходить в дифузійній області. Тому швидкість реакції і коефіцієнт ефективності визначається з рівнянь, який описує процес на зерні каталізатора. В даному випадку протікає одна реакція, тому рівняння матеріального балансу можна записати тільки для основного компоненту двоокису вуглецю С02 , а концентрація основних компонентів визначається з рівняння дифузійної стехиметрії:
П* V
С'= С„ - П*-^ (Сі - С,)
де С, - концентрація компонентів в потоці;
V - стехиметричний коефіцієнт, додатній для вихідних продуктів і від’ємний для продуктів реакції.
Ефективність каталізатора ЕТТ досить висока, X /Ср >> П* і можна рахувати, що зерно працює в ізотермічному режимі. Розрахунки процесу на зерні, зроблені з врахуванням хімічної кінетики, внутрішньої і зовнішньої дифузії, показали, що лімітуючою стадією є внутрішня дифузія. Вплив зовнішньої дифузії на коефіцієнт ефективності п' не перевищує 5%. При об’ємних швидкостях практично рівновісна
і
і
З
концентрація вуглекислого газу С02 досягається вже в середніх шарах каталізатора, і можлива нормальна робота реактора при частковій дезактивації каталізатора. Внаслідок зміни температури по шару каталізатора, змінюється і коефіцієнт ефективності п' і може знизитись від 0,25 до 0,17. При зменшення діаметру d таблеток, можна підняти коефіцієнт ефективності в два рази. Але дрібні зерна каталізатора не придатні для промислових реакторів. Єдиний шлях - це збільшення пористості зерна.
Здатність водню Н2 дифундувати всередину металів є основою ефективної роботи реактора. Механізм дифузії водню Н2 протікає наступним чином:
1. Водень адсорбується на поверхні нікелю N і дисоціює на атомарний водень Н2 * .
2. Атомарний водень Н2 * , розчіплюючись на електрони і протони, проникає через метал.
3. На протилежній стороні мембрани електрони і протони знову об’єднуються в атомарний водень Н2 * , який адсорбується на поверхні.
4. Атоми водню Н2 приєднуються до атомів вуглецю С і вже у вигляді газу метану СН4 вуглець кисневмісних сполук виходять з реактора і, в якому відбувається реакція
пС02 + тН2 + 0,5т02 = СН4 + СпНт + СхНу02 + 02.
При цьом у отриманий штучний газ метан можна моментально направляти на теплові процеси, а отриманий кисень може використовуватися двояко: можна спорудити піч спеціальної конструкції, де той самий метан буде згорати в чистому кисні і на виході з димової труби отримується чистий вуглекислий газ, або кисень використовувати в процесах водоочистки. Спеціально такі технології в даному науковому дослідженні не висвітлювались, бо це виходить за рамки поставленої задачі. Але при бажанні такі процеси можуть бути глибоко вивчені і рекомендовані до впровадження.
Дана система є початковим етапом розвитку системи ефективного використання енергетичного потенціалу підприємства, тому тут немає розшифровки необхідного обладнання для роботи такого ланцюжка, а саме: холодного скрубера, ексгаустера, абсорбера, десорбера, а подається економіка ведення процесу на прикладі даних отриманих з Немирівського спиртового заводу Вінницької області. Основні показники по викидам бродильного вуглекислого газу і споживанню природного газу зведені в табл. 4.
Таблиця 4
Реальна величина техніко-економічних показників
№ Найменування показників Величина
1 2 3
1 Спалювання природного газу: а) 1доба б) 1 місяць в) 1 рік 15 000 м3 450 000 м3 4 500 000 м3
2 Плата за природний газ при ціні 1680/ 1000 м3 а) 1 доба б) 1 місяць в) 1 рік 25 200 грн. 756 000 грн. 9 072 000 грн.
Продовження таблиці 4
1 2 3
3 Парогенератори: а) котел 1 б) котел 2 ДКВ 10/13 ДЕ 90
4 Вода - артезіанська свердловина 65 м3/ доба
5 Електромережі а) лінія електромереж б) електропідстанція : трансформатор 1 трансформатор 2 10 кВ 3мВт. 630 кВа.
6 Виробництво спирту: доба рік 70 т 21350т
7 Викиди вуглекислого газу: доба рік 70 000 м3 21 350 000 м3
8 Плата за забруднення довкілля: доба рік 130,06* х 300**грн./т = = 39,018 тис. грн. 46301,3 х 300 грн./т = = 13890,4 млн.грн.
*Вага вуглекислого газу визначається Р = Ур
де У - об’єм вуглекислого газу;
р - питома вага вуглекислого газу 1,858 кг/м .
** Плата за викиди вуглекислого газу в довкілля з 01 січня 2009 р. збільшена в 100 разів.
Економічний розрахунок базується по встановленню каталітичного обладнання, яке буде працювати на з розрахунку викиду бродильного вуглекислого газу С02 в об’ємі 2916 м3/год. [4].
При такій щогодинний кількості викидів С02 його загальний щодобовий дебет становить 70 000 м3/доб., річний дебет становитиме 21,350 млн.м3 (виходячи з 305 робочих днів). З такої кількості бродильного С02 можна виробити 19,642 млн.м3 газу метану СН4. Грошова вартість штучно генерованого газу метану СН4 власного виробництва становитиме 19,642млн.м3 х 1680 грн./1000 м3 = 32,998 млн.грн. Необхідно визначити кількість електролізерів для отримання водню і подальшого каталізу для отримання такої кількості метану СН4, бо потрібно щогодини виробляти 5832м3 водню Н2.
Тут прорахунок здійснюється по Варіанту I і Варіанту II. По першому варіанту встановлюються елек-тролізери швейцарської фірми “Лонца”, по другому варіанту російської фірми “Уралхіммаш”.
ВАРІАНТ I
Для виробництва 5832 м3 водню Н2 і 2916 м3 кисню 02 необхідно 2 електролізери типу ІНТ -750 м3/год + 1 електролізер типу ІНТ - 400 м3/год. Вартість одного електролізера ІНТ-750 = 8,8 млн. грн. і одного електролізера ІНТ - 400 = 5,2 млн. грн. Вартість закупівлі реакторів 1,640 млн.грн.. Розмитнення 5% = 98,20 тис.грн., + транспортна доставка 16,0 тис.грн. + монтаж 40,0 тис.грн. Звідсіля загальна сума по доставці і встановленню електро-лізерів буде 64,268 млн.грн.
2. Вартість електрогенераторів Харківського заводу “Електромаш” 500,00 тис.грн. х 2 = 1,0 млн.грн.
Е
3. Вартість турбодетандерів С.Петербургського машинобудівного заводу - 720 тис.грн. Розмитнення 16,0 тис.грн, доставка 40 тис.грн. Разом 776,0 тис.грн.
Всього по обладнанню: 66,044 млн.грн.
ВАРІАНТ II
Вартість одного електролізера БЕУ-250/6-0 Сверд-ловського заводу “Уралхіммаш” становить 1,600 млн. грн, одного електролізера СЕУ 40/1.0 становить 800 тис. грн. Для виробництва 5832 м3 водню Н2 і 2916 м3 кисню 02 в годину необхідно 23 електролізери типу БЕУ 250/6-0 і 1 електролізер типу СЕУ 40/1.0 Тоді загальна сума їх вартості становитиме 37,6 млн. грн. Розмитнен-ня 5% = 600 тис.грн, + транспортна доставка 92,0 тис. грн + монтаж 816,0. Звідсіля загальна сума по закупівлі і встановленню електролізерів буде 39,108 млн.грн.
Вартість реакторів, допоміжного обладнання і всіх монтажних робіт для ув’язки всієї системи каталізу коштуватиме приблизно 3,5 млн.грн. Тоді з врахуванням витрат на придбання і монтаж електролізерів по Варіанту I загальна вартість встановленого обладнання становитиме 69,544 млн. грн. На підготовку технічного завдання 100 тис.грн. і на самі проектувальні роботи 200 тис.грн., тоді загальна сума становитиме 69,844 млн. грн. Тут приводились техніко-економічні розрахунки у прив’язці до того, що державний спиртовий завод має приміщення для розміщення обладнання.
По Варіанту I велика частина потреб у електроенергії буде покриватися за рахунок власного виробництва на турбодетандерах.
По Варіанту II загальна сума встановлення установки коштуватиме 39,108 млн.грн. + монтаж 2,5 млн. грн. + проектно-підготовчі роботи 250 тис.грн. = 41,858 млн.грн. Але тут не виробляється електроенергія для власних потреб.
Електролізери швейцарської фірми “Лонца” споживають на виробництво 1 м3 водню Н2 4,4 кВт.год. електроенергії. Для отримання 139968 тис. м3 водню Н2 необхідно витратити щоденно 615859 кВт.год. електроенергії.
В той самий час електролізери швейцарської фірми “Лонца” за рахунок перепадів тиску, бо вони працюють при тиску 30 атмосфер, а для установки потрібен тиск в 1,5-2 атмосфери, через турбодетандери виробляють власну електроенергію. Так , що споживання з 4,4 кВт.год. зменшується до 3,0 кВт. год. і становить 419904 кВт. год.
Останні моделі електролізерів Свердловського заводу “Уралхіммаш” для електролізу водню (Н 2 ) витрачають 5,4 кВт.год/м3. Для отримання 139968 м3 водню Н 2 необхідно 755827 кВт. - год. електроенергії.
Термін окупності визначається по виразу:
Тк = К/ А т
де К - вартість нововведеного об’єкту, грн. тут необхідно врахувати вартість облаштування додаткового приміщення зі всіма узгодженнями ~ 1,9 млн.грн. і вартість розширення підстанції ~ 5,0 млн.грн. по ВАРІАНТУ I і по ВАРІАНТУ II облаштування приміщення ~ 1,5 млн.грн. і розширення підстанції 6,9 млн.грн.
А т - економія коштів умовному спиртового заводу за рахунок зменшення закупівля природного газу взятого з магістральної труби, грн.
ВАРІАНТ I
При електролізерах швейцарського виробництва:
К = 66,044 +1,9 + 5,0 = 72,944 млн.грн.
2о|..................................................
Ток = 72,994 / 32,998 = 2,210 року
ВАРІАНТ II
При електролізерах російського виробництва за умовою, що існує ринок збуту кисню, який виробляється на установці:
К = 41858 +1,5 + 6,9 = 50,258 млн.грн.
Ток = 50,258/32,998 = 1,52 року
Необхідно для оцінки двох варіантів зробити порівняння (табл. 5), де можна вивести кінцеві цифри найбільш вигідного варіанту впровадження у виробництво установки. яка змінить структуру промислового виробництва з відповідним імпульсом до впровадження новітніх технологій, які можуть змінити економічне обличчя регіону.
Таблиця 5
Порівняння величини різних економічних показників по варіантам
№ Найменування показників Варіант I Варіант II
1. Сумарні затрати на закупівлю, доставку і монтаж обладнання 72,944 млн.грн. 50,258 млн. грн.
2. Затрати на закупівлю електроенергії в добу на виробництво водню Н, 209952 грн. 377 913 грн.
3. Виробництво власної електроенергії 195955 кВт.год. 0
4. Зменшення величини вартості виробленої власної електроенергії на суму 97977 тис.грн. немає
5 Різниця по вартості закупленої електроенергії з вирахуванням власно виробленої 111 975 грн. немає
6. Генерація газу метану СН4 власного виробництва 64,400 тис.м 3 /доба 64,400 тис. м 3 /доба
7. Ціна виробленого власного газу метану за добу 108,192 тис.грн. 108,192 тис.грн.
8. Виробництво кисню 02 32,2 тис.м 3 /доба 32,2 тис.м 3 /доба
9. Ціна 1000 м 3 кисню 02 4600,00 грн. без ПДВ 5360 грн. з ПДВ 4600 грн.без ПДВ 5360 грн. з ПДВ
10. Загальна ринкова вартість виробленого кисню 02 148,12 тис.грн./доб. 148,12 тис.грн./доба
11. Загальна величина виробленої товарної продукції у вигляді газу метану СН4 і у вигляді кисню 02 256,312 тис.грн./доб. 87,175 млн.грн./рік 256,312 тис.грн./доб. 87,175 млн.грн./рік
12. Різниця між вартістю електроенергії, яка була затрачена на виробництво водню Н2 і кисню 02 і валовим прибутком від використання або продажу цієї продукції (+) 256,312- 111,975=144,337 тис.грн./доб. 256,312-377,413= -121,601 тис. грн./доб
Економічне обгрунтування процесів паливної альтернативи заміни природного газу полютантами енергетичної діяльності людини може бути розглянуте через термодинаміку технології процесу.
Під рівноважними термодинамічними процесами розуміється перехід термодинамічної системи з одного рівноважного стану в інший. В процесі такого переходу параметри системи змінюються від значень Р1 V1 ,Т 1 до Р 2 V 2 ,Т 2. Будь-яка зміна хоч одного параметру стану системи зумовлює протікання термодинамічного процесу.
Процес вважається рівноважним, якщо параметри системи змінюються нескінченно повільно. В залежності від умов протікання відзначаються наступні термодинамічні процеси:
1. Ізотерміний процес, який відбувається за сталої температури.
2. Ізобарний процес, який відбувається за сталого тиску.
3. Ізохорний процес, який відбувається за сталого об’єму.
4. Адіабатний процес, який відбувається без обміну теплотою між системою і середовищем.
У будь-який довільний момент часу параметри системи пов’язані між собою згідно рівняння стану. Для того, щоб відбувся процес, системі потрібно надати або відвести від системи певну кількість теплоти. Умовно вважається, що ця кількість теплоти пропорційна до підвищення температури системи, тобто процес проходить за сталої теплоємності (С).Тоді:
ДЦ = CdT
Перший закон термодинаміки визначається:
ДЦ = dU + PdV,
де dU = С^Т - вираз для внутрішньої енергії;
С у - мольна теплоємність при сталому об’ємів ізохорному процесі;
PdV - робота термодинамічної системи.
Тоді CdT = CvdT + PdV, або (C - Cv) dT = PdV . Згідно рівняння Менделєєва-Клайперона P = RT/V . Тоді
(C - Cv) dT = PdV R T = V
Виконавши інтегрування отриманого виразу:
(C - C )
-----— - lnT = ln V + lnconst
R
Після потенціювання виразу маємо:
TC-Cv/R ■ V-1 = const
Знову скористаємося рівнянням Мендєлєєва-Клай-перона P = RT / V . Тоді
PVC-CP/C-Cv= const
Тут показник степеню в даному рівнянні C - Cp /C - Cv = n. Це є показник політропи, тобто маємо узагальнюючий процес, про що свідчить табл. 6.
Таблиця 6
Порівняльна характеристика різних політропних процесів
Процес Рівняння процесу Показник політропи Теплоємність
Ізотермічний PV=const 1 ± ^
Ізобаричний V/r=const 0 CP
Ізохоричний P/T=const ± ^ Ov
Адіабатний PV=const Y 0
З таблиці видно, що показник політропи п змінюється від - ~ до + ~ , а молярна теплоємність газу С набуває значень від - ~ до + ~. Отже, ця теплоємність залежить від показника політропи процесу. Це є дуже важливою властивістю політропної альтернативи, яка вперше продемонстрована в Україні і економічна вигода таких процесів показана в табл. 7.
Таблиця 7
Визначення економічної ефективності впровадження установки
№ Найменування показників Величина одиниці виміру Ціна за одиницю Величина Вартість додаткових вигод
1 Отримання бонусу по Кіотському протоколу за знешкодження викидів 21,350 м3 вуглекислого газу С02 56 євро за 1 тонну 21,350 х1,9858 =39,668 т. Де 1,9858 питома вага вуглекислого газу при переводі з об’ємних одиниць в вагові 39,668x56 = 2221,4 євро x 11 =24435,4 тис.грн.
2. Продаж квоти на зменшення викидів вуглекислого газу С02 46301,3 т вуглекислого газу С02 Невідома ціна Даною проблемою займаються на державному рівні Невідома вартість
3. Ліквідація сплати податку за викиду вуглекислого газу в довкілля 46301,3 т 300 грн./т. 46301,3 13890,4 млн.грн.
4. Визначення величини зекономленого газу за рахунок різниці в теплотворних здатностях природного газу і генерованого газу метану СН4 Генерований газ метан теплотворна здатність 10170 ккал/м 3 ,природній газ метан теплотворна здатність 8500 ккал/м 3 . Різниця 1690 ккал./ м 3 або 1,19 рази 1680 грн./1000 м 2 19.642 : 1,19 =16,505 19.642 - 16,505 =3,317 3,317 x 1680 = 5270,1 млн.грн.
Разом 43,595млн. грн.
Е
Експлуатаційні витрати визначаються амортизаційними нарахуваннями на знос будівель і обладнання, і вони орієнтовно будуть дорівнювати 0,5 млн. грн., заробітною платою обслуговуючого персоналу, який складається з двох операторів в зміну, одного інженера, одного електрика і начальника дільниці що дорівнює 0,280 млн. грн./рік, вартості розходу каталізатора, який витрачається на 1 млн. м3 виробленого газу метану в кількості 10 кг. при вартості 1630 грн./кг, що становить 16,3 тис. грн., а при загальній виробництві СН4 в об’ємі 21,350 млн. м це дорівнює 348,009 тис. грн., вартості води, яка йде на блок електролізерів і для виробництва того ж 1 млн.м3 СН4 витрачається 805 м3 води ( Н20 ) по ціні 2,4 грн./м3, що дорівнює 156,0 тис.грн. отриманого бродильного С02, умовно прийнятого 0,01 грн./ м3, що в загальному виразиться сумою 0,213 млн.грн. Для надійного ведення процесу
з використанням новітньої технології необхідного проводити технічне обслуговування установки, яке визначається сумою в 2,095 % від вартості вкладених в неї коштів і дорівнює по ВАРІАНТУ I 2,18 тис.грн./ рік., по ВАРІАНТУ II 1,50 млн.грн./рік.
Загальна сума експлуатаційних затрат буде визначатися сумою по ВАРІАНТУ I 2,897 млн. грн./рік. при власній когенерації електроенергії. При закупці електроенергії з електромережі по ВАРІАНТУ II загальна сума експлуатаційних затрат буде визначатися сумою 1,924 млн. грн./рік.
Розрахунок проводимо тільки для першого ВАРІАНТУ каталізу, де враховується тільки відбір чистого вуглекислого газу.
По першому ВАРІАНТУ каталізу виходить, що вартість виробленої продукції за ра хунок впрова д-ження установки на Державному спиртовому заводі тільки по газовій складовій становить 32,795 млн.грн.. Якщо відмінусувати від вартості виробленого газу експлуатаційні видатки, амортизаційні відрахування і вартість вуглекислого газу ( тут мається на увазі експлуатація при власній когенерації електроенергії ВАРІАНТ I):
ВП = 87,175 - 2,897 - 34,152 = 53,023 млн.грн., то отримаємо валовий прибуток (ВП). Надлишок генерованого газу власного виробництва доцільно направити на виробництво електроенергії, або продаж на газозаправній компресорній станції. У першому випадку тим самим скоротяться витрати на виробництво водню Н 2.
Якщо допустити, що у ВАРІАНТІ II витрати по електроенергії ^е) на виробництво водню будуть враховуватись по закупівельним цінам з електромережі тоді ВП є збитковим і варіант не розглядається і може бути розглянутий тільки при умові продажу кисню стороннім організаціям або для екологічної очистки стічних вод.
Відхилення від розрахунку становлять 1-2%, методично розрахунок зроблено по критеріям на яких основується така дисципліна , як “економіка енергетики” і тому він має достовірне тлумачення.
1.7. Висновки
Як видно, обидва варіанти мають позитивний баланс у випадку, коли у ВАРІАНТІ II враховується величина випуску всієї товарної продукції, коли ж береться тільки чиста газова складова, тоді цей варіант малоефективний. У ВАРІАНТІ I позитивний баланс рівний 56488 грн./доба. Звідсіля можна зробити висновок, що найбільш ефективним є впровадження обладнання, яке працює з системою турбодетандерів
і генерацією власної електроенергії. При ВАРІАНТІ II можливо впровадження установок, де є можливість продавати кисень іншим підприємствам [5].
1.8. Література
1. Тарасенко В.А., Тивонюк М.І., Чорний М.А., Чорний С.А,
Янишевський Л.З. Електрокаталітичне перетворення вуглекислого газу в штучний газ метан СН4 і вуглець-киснемісні сполуки. - Львів, Літературна Агенція «Піраміда», 2008.- 88 с.
2. Тарасенко В.А. Електрокаталітичне перетворення вугле-
кислого газу СО2 в штучний газ метан СН4 або енергетична незалежність України.-Львів, Літературна Агенція «Піраміда», 2008.- 65 с.
3. Тарасенко В.А. Електрокаталітичне знешкодження і пере-
творення парникового вуглекислого газу СО2 в штучний газ метан СН4 або енергетична незалежність Украї-ни.-Львів, Літературна Агенція «Піраміда», 2009.- 91 с.
4. Тарасенко В.А. Електрокаталітичне знешкодження і перетворення вуглекислого газу СО2 в штучний газ метан СН4.-Львів, Літературна Агенція «Піраміда», 2009.- 90 с.
