Вуглекислий газ з труб - вигідне паливо

Передмова

Людство рухається до «Точки неповернення» Глобального Потепління клімату, до якої залишилося кілька десятиліть при нинішніх викидах вуглекислого газу в атмосферу. Щоб віддалити, а далі видалити «Точку неповернення», необхідно вирішити дві взаємопов'язані проблеми: Екологічну та Енергетичну.

Це питання життя і смерті не тільки людства, але всього живого на Землі. Авторитетні світові аналітики стверджують, що запасів нафти і газу вистачить не більш ніж на 60-70 років, вугілля ж за їхніми даними на 600 і більше років. Відновлювані джерела енергії мають хорошу перспективу, але енергія на їх основі не зможе замінити традиційні джерела енергії.

Відсутність можливості збалансувати їх роботу без накопичувальних пристроїв робить їх неприйнятними для основної генерації, тільки для додаткової. Тому вугільна електроенергетика у вирішенні енергетичної проблеми розвитку цивілізації буде продовжувати грати основну роль. Питання тільки в екологічних проблемах. Як поєднати екологічну та енергетичну проблеми, що суперечать один одному? Відповідь може дати хімія горіння вуглекислого газу в електричному полі високої напруженості.

Розкладання вуглекислого газу в електричному полі високої напруженості

Розгляньмо розкладання молекул вуглекислого газу при малих енерговитратах. Нехай у певному реакційному обсязі міститься газоподібний СО2. У цьому обсязі є електродна система із заземленого анода і катода з тонких (ауд 10 мкм у діаметрі) ниток, на який подається висока негативна напруга (до 100 і більше кВ). При подачі високої негативної напруги з тонких ниток катода відбувається автоелектронна емісія. Один електрон, що вилітає з катода, заряджає (іонізує) одну молекулу СО2 за схемою:

CO2 + е  (СО2) - (1)

При цьому виділяється енергія споріднення молекули CO2 до електрону, що дорівнює 43,2 кДж/моль. Енергію, що виділяється, позначатимемо знаком (+), тобто + 43.2 кДж/моль.

Молекула СО2 може адсорбуватися (конденсуватися) на поверхні або інші молекули СО2 тільки при низьких температурах і підвищених тисках (виробництво «сухого льоду»). Але якщо серед хаотично рухомих електронейтральних молекул СО2 є іон (СО2) -, то інші електронейтральні, але полярні молекули СО2 «шикуються, підтягуються і приліпляються» до іону (СО2) -. Така «адсорбція», обумовлена електричним зарядом іона (СО2) - і полярністю молекул СО2, призводить до утворення частинки з безлічі молекул, що формується навколо центрального іона CO2 -. Ця частинка являє собою деяку наночастинку, оскільки розміри її лежать в нанометричному діапазоні.

У такій наночастинці можуть відбуватися як звичайні процеси, так і незвичайні, які при звичайних умовах в газоподібному CO2 не відбуваються або відбуваються з дуже малою ймовірністю. Зріст наночастинки навколо іона протікає хоч і швидко, але поступово - молекула за молекулою. При кожному акті «приєднання» молекули CO2 виділяється адсорбційна (конденсаційна) енергія, яка акумулюється нано - часткою. При досягненні деякого критичного числа «приєднаних» молекул CO2 накопиченої конденсаційної енергії може бути достатньо, щоб розщепити центральний іон CO2 - за реакцією:

( ) -  (C + O2) - (2)

Це розщеплення CO2 на C і O2 не звичайне, оскільки відбувається в іонізованому стані молекули CO2. Очевидно, і енергія дисоціації іонізованої молекули відрізняється від енергії дисоціації нейтральної молекули CO2, настільки, наскільки знизилося «енергоутримання» молекули в результаті іонізації. Очевидно, на: 392,9 - 43,2 = 349,7 кДж/моль.

Величина 392,9 кДж/моль - відома з промислової практики теплота (енергія), що виділяється при згорянні одного моля вуглецю. Така енергія повинна бути поглинута, щоб відбулася реакція (2). Енергію, що поглинається, будемо позначати знаком (-). Тоді для розглянутої реакції тепловий (енергетичний) ефект становить -349,7 кДж/моль. У процесі дисоціації іона по (2) відбувається і перезарядка. Іншими словами, негативний заряд «залишає» іон і «прилипає» до іншого ближнього об'єкта - атома або молекули.

Відрив електрона від попереднього іону (СО2) - супроводжується поглинанням енергії споріднення молекули CO2 і виділенням енергії споріднення до електрону іншого об'єкта іонізації, у якого найбільш висока енергія споріднення до електрону, оскільки при виділенні більш високої енергії система приймає енергетично більш вигідний (прагнення до мінімуму енергії) стан. Більш висока енергія споріднення у атома вуглецю, + 199,2 кДж/моль. Тому перезарядка йде на атом вуглецю за схемою:

(C + O2) → (C + O2) (3)

Енергетичний ефект перезарядки становить: - 43,2 + 199,2 = + 156 кДж/моль.

Після такої дисоціації і перезарядки молекула кисню, як нейтральна частинка, залишає наночастинку, і наночастинка виявляється згрупованою навколо іона C -. При подальшому зростанні наночастинки накопичуваної адсорбційної (конденсаційної) енергії може бути достатньо для нової перезарядки від іона C - до іона CO2 - (спочатку базового структуроутворювача наночастинки) за схемою:

C + CO2 → C + CO2 (4)

Очевидно, енергетичний ефект такої перезарядки становить: - 199,2 + 43,2 = - 156 кДж/моль, тобто за величиною така ж, як і в процесі (3), але з протилежним знаком.

Подальше зростання наночастинки накопичує достатньо конденсаційної енергії, щоб в ядрі наночастинки відбулася чергова дисоціація іона CO2 - на атом вуглецю і молекулу кисню:

C + CO2 → C + (C + O2) (5)

Дисоціація (5) супроводжується енергетичним ефектом - 392,9 + 43,2 = - 349,7 кДж/моль і перезарядкою:

C + (C + O2) → C + (C + O2) (6)

з енергетичним ефектом в - 43,2 + 199,2 = + 156 кДж/моль і вильотом молекули кисню за межі наночастинки. Потім відбувається перезарядка:

C + C + CO2 → C + C + (CO2) (7)

Далі два атоми вуглецю в ядрі наночастинки з'єднуються:

C + C + (CO2) → C2 + (CO2) (9)

і надалі, як нейтральні частинки, можуть покинути наночастинку, або можуть нарощуватися черговими атомами вуглецю в ядрі наночастинки до досягнення наночастинкою аноду і розрядки її на нім. Подальші процеси можуть бути різні, але тут важливо, те, що завершується якийсь базовий цикл перетворень на наночастинці. Процес (9) супроводжується виділенням енергії зв'язку C-C, що дорівнює + 605 кДж/моль.

Підсумовуючи праві та ліві частини переходів (1) - (9), можна записати підсумковий перехід:

2CO2 → 2C + 2O2 (10)

Сумарний же енергетичний ефект становить - 785.8 + 784.6 = - 1.2 кДж/моль.

Для розщеплення двох молей CO2 за розглянутою схемою потрібно всього 1.2 кДж енергії. Відповідно ж до «Закону Збереження Енергії» для дисоціації двох молей CO2 необхідно витратити стільки ж енергії, скільки виділяється при окисленні (згорянні) двох молей вуглецю, тобто 2· 392,9 = 785,8 кДж.

За розглянутою ж схемою затратити енергії потрібно майже в 655 разів менше або всього 0.15% від необхідної енергії. Таку енергію надає пристрій сепарації і розщеплення димового вуглекислого газу. У проведених експериментах були виявлені частинки вуглецю розміром до 0,2 мм. Їх структура була аналогічна структурі сажі. Але сажі бути не могло, тому що нічого не горіло, а вуглекислий газ використовувався балонний.

ООН рекомендує утилізувати вуглекислий газ з труб електростанцій шляхом відбору його, ожиження і поховання в геологічних пустотах. Роблять це тільки при державному субсидуванні. Справа в тому, що додаткові витрати на мембранний збір вуглекислого газу, його опіщення, завантаження в спеціальні контейнери, їх транспортування і захоронення в підземних і підводних геологічних пустотах рівнозначні зниженню ефективності (ККД) електростанції на 8-9%.

Ми розглядаємо спосіб не відбору та захоронення вуглекислого газу, а його повторне використання як додаткового палива у вугільній електростанції, шляхом повернення частини диму, збагаченого вуглекислим та іншими парниковими газами. У палаючих вугіллях повернений у топку вуглекислий газ перетворюється на чадний газ, який згорає. Таке повернення частини димових парникових газів буде безперервним і утворюється якийсь оборотний дим, який скорочує викиди в атмосферу парникових газів з одночасним підвищенням ефективності (ККД) вугільної електростанції.

Організація потоку оборотного диму, збагаченого парниковими газами, починається з їх відділення від трубного диму. В існуючій технології утилізації вуглекислого газу використовуються спеціальні мембрани, що пропускають молекули вуглекислого газу, але не проникні для молекул інших газів в трубному димі. Ці мембрани не дешеві, мають обмежений ресурс працездатності і для нормального функціонування вимагають спеціальних установчих і робочих умов, наприклад, різниця тисків у просторі відбору і в обсязі забору вуглекислого газу. Для безперервного змінного потоку диму організація стабільної роботи мембран складна.

Ми розглядаємо метод електричної сепарації парникових газів в електростатичному полі високої напруженості. У такому полі молекули парникових газів електрично заряджаються електронами з негативного електрода, емітуючого електрони. Молекули парникових газів зазвичай полярні. Внаслідок цього вони «прилипають» позитивно зарядженими сторонами спочатку до негативно заряджених молекул парникових газів, а далі до негативних кінців вже «прилипших» молекул і т. д. за ланцюговим механізмом. Молекули збираються (електрично конденсуються) в наночастинки.

Процес електростимульованої конденсації супроводжується виділенням «конденсаційної енергії», яка накопичується в зростаючих наночастинках у вигляді підвищення частоти і амплітуди коливань молекул. У міру конденсації все нових молекул конденсаційної енергії може накопичитися настільки, що в резонансному акті може статися розщеплення центрального іону (CO2) - на атом вуглецю і молекулу кисню.

Атом вуглецю може з'єднатися з іншим таким же атомом і виділити енергію на порядок більшу суми накопичуваної конденсаційної енергії, що може призвести до ланцюгової реакції розкладання молекул вуглекислого газу. Так може відбуватися утворення наночастинок вуглецю з наноскоплений вуглекислого газу. Наночастинки вуглецю можуть збиратися в мікрочастинки, видимі неозброєним оком. В дослідах спостерігалося випадання частинок вуглецю розміром до 0,2 мм.

Чим більша міжелектродна відстань між негативним емітером електронів і позитивним (заземленим) корпусом, тим більша ймовірність утворення мікрочастинок вуглецю. Тому що більше часу для електростимульованої конденсації молекул вуглекислого газу на заряджені наночастинки до їх розряду на позитивному електроді.

Структура частинок вуглецю, що випали, була аналогічна структурі сажі. Але сажі бути не могло, тому що нічого не горіло. Дослідження проводилися з метою розробки технології локального скорочення атмосферного вуглекислого газу, і в експериментах використовувався балонний вуглекислий газ.

Нижче представлена схема випробувального стенду з використання оборотного диму для зниження викидів парникових газів при одночасному підвищенні ефективності (ККД) вугільної топки.

Ліворуч внизу зображена топка у формі квадрата. У топку знизу через повітровод надходить повітря на ґрати з палаючим кутом. Між шарами розташовується керамічний газовод, до якого приєднується вихід з електрополевого сепаратора-розщепителя парникових газів. Збагачений парниковими газами оборотний дим надходить до палаючого шару вугілля, де на розпечених вугіллях відбувається утворення чадного газу з вуглекислого газу за реакцією:

CO2 + C = 2CO (11)

Обов'язково присутні в димі пари води на палаючих вугіллях утворюють водяний газ з молекулами водню. Разом з чадним газом з реакції (11) цей водяний газ утворює змішаний газ. Моноокис вуглецю змішаного газу в цій зоні загоряється за реакцією:

2CO + O2 = 2CO2, (12)

А водень змішаного газу загоряється за реакцією:

2H2 + O2 =2 H2O (13)

Продукти згоряння вугілля і змішаного газу надходять в димохідну трубу в правому верхньому кутку топки. Чотирма стрілками показано вихід диму (в основному: N2, CO2, NO2, N2O) в трубу.

У трубу вмонтований сепаратор-розщепитель молекул парникових газів. По осі циліндричного сепаратора-розщепителя молекул встановлено вертикальний металевий стрижень з електронноемітуючим шаром, на який подається висока негативна напруга щодо заземленої зовнішньої стінки сепаратора-розщепителя.

На стінці сепаратора-розщепителя є отвори, куди виходять парникові гази, а також мікро і наночастинки вуглецю, утворені при розщепленні молекул вуглекислого газу. Вони виходять у циліндричний обсяг навколо стінки сепаратора-розщепителя з отворами. Від цього циліндричного обсягу вниз до газоводу в топку організований трубчастий газопровід, з таким розрахунком, щоб весь відокремлений парниковий газ разом з мікро і наночастинками вуглецю надійшов до розпечених вугіллям топки, де наночастинки вуглецю спалюються.

Вуглекислий газ в сепараторі-розщепителі розщеплюється по реакції (11), і згорає по реакції (12). Не весь вуглекислий газ відокремлюється від диму в сепараторі-розщеплювачі парникових газів. Частка сепарованих парникових газів залежить від багатьох факторів: величини поданої високої напруги, швидкості димового потоку, відстані між електродами, температури диму, вмісту парів води в димі. Ця величина може варіюватися в широких межах від 2 до 60 відсотків.

Для певності візьмемо величину 25%. Це означає, що з використанням високовольтного сепаратора-розщепителя молекул вуглекислого газу викиди в атмосферу цього парникового газу скорочуються на 25%. Це досить велике скорочення викидів вуглекислого газу. В історії промислового виробництва електроенергії тепловими електростанціями такого скорочення викидів вуглекислого газу вдалося домогтися тільки з використанням газових турбін, що працюють на спалюванні метану (природного газу).

При цьому ККД газових електростанцій становив 45-47%, що на 7-9% вище ККД вугільних електростанцій, що спалюють вугільний пил і використовують парові турбіни (ККД = 37-38%). На однакове скорочення викидів вуглекислого газу можна очікувати однакового підвищення ККД. Але враховуючи згоряння додаткового палива з мікро і наночастинок вуглецю, що утворюється в сепараторі-розщепителі з молекул вуглекислого газу, можна очікувати додаткового підвищення ККД не менш ніж на 3%. Тоді ККД розглянутої топки складе 48-50%.

Слід зауважити, що скорочення викидів в атмосферу вуглекислого газу і супутні підвищення ККД взяті при заниженій частці оборотного диму тільки в 25% основного потоку диму. Частка оборотного диму в реальних умовах може доходити до 50%. Тоді в перспективі розвитку комбінованої електростанції на вугіллі і змішаному генераторному і водяному газі від спалювання вугілля ККД може перевищити 60%.

Вивід

Вуглекислий газ з труб електростанцій, металургійних заводів, цементних заводів, хімічних заводів,... може стати паливом не тільки безкоштовним, але і вигідно продаваним на ринку міжнародних карбонових квот, що встановлюються в рамках боротьби з Глобальним Потеплінням клімату.

З пропозиціями щодо реальних проектів можна звернутися безпосередньо до автора методу, доктора Кім С.Г. за адресою: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.