1 Разработка технологических способов выделения СО 2 из генераторного газа газификационных установок, предназначенных для энерготехнологической переработки угля, с применением прямоточных аппаратах вихревого типа с последующей утилизацией или захоронением Государственный контракт от 14 июня 2007 г в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на годы» Докладчик: Шамсутдинов Эмиль Василович Казанский научный центр РАН Федеральное агентство по науке и инновациям ______________________________________________________

2 Цель работы: Разработка технологических схем улавливания СО 2 в высокоэффективных полых и многоступенчатых вихревых аппаратах из генераторного газа, полученного в результате газификации твердого топлива, и отходящих газов энергетических установок с ГТУ и ПГУ его использующих, с последующим выделением, утилизацией и захоронением СО 2. Разработка модельных образцов установок, проведение теоретических и экспериментальных исследований.

3 Краткий перечень выполненных работ I.Исследование процесса газификации твердого топлива II.Исследование способов поглощения СО 2 из газов и выделения в концентрированном виде III.Моделирование двухфазного закрученного потока в аппаратах вихревого типа IV.Экспериментальные исследования эффективности полых вихревых аппаратов при поглощении СО 2 из газов раствором моноэтаноламина V.Исследование способов утилизации СО 2. VI.Разработка технологической схемы утилизации СО 2 в производстве метанола с использование катализаторов – оксидов металлов VII.Разработка технологической схемы утилизации СО 2 в производстве бикарбоната аммония VIII.Оценка возможностей реализации способов утилизации и захоронения СО 2 в зависимости от региональных и технико- экономических условий IX.Исследование возможности захоронения СО 2 в угольных месторождениях

4 I. Исследование процесса газификации твердого топлива исследовано влияние режимных факторов – температуры и давления; проведен термодинамический анализ способов газификации; разработана методика расчета технологических схем; разработаны высокоэффективные технологические схемы газификации угля.

5 I. Определение целевых продуктов, которые необходимо получить в процессе газификации. II. Оценка имеющегося твердого топлива, его свойств и характеристик. III. Выбор типа газогенераторного процесса. IV. Расчет системы предварительной подготовки топлива. V. Расчет газогенератора. VI. Оценка термодинамической эффективности системы с газификацией твердого топлива. Методика расчета технологических схем сжигания и газификации твердого топлива

6 Принципиальная схема газификации угля в кипящем слое с последующим дожиганием топлива: 1 – газогенератор; 2 – дожигатель; 3 – охладитель; 4 – пылеуловитель; 5 – пылеуловитель; 6 – эжектор; 7 – эжектор; 8 - пылеуловитель; 9 – эжектор; 10 – вентилятор; 11 – вентилятор; 12 – точка разделения; 13 – сборник золы; 14 – теплообменник; 15 – вентилятор; 16 – точка разделения; 17 – скруббер; 18 – точка разделения; 19 – котел; 20 – воздухоподогреватель; 21 – точка разделения; 22 – точка разделения; 23 – вентилятор; 24 – точка разделения; 25 – точка смешения; 26 - блок очистки дымовых газов от СО 2

7 III. Моделирование двухфазного закрученного потока в аппаратах вихревого типа Для геометрических параметров вихревого аппарата и соответствующих им скоростей получены зависимости где r 0 – относительный радиус зоны обратного тока; L m – расход жидкости; G m – расход газа; r z – относительный радиус периферийной зоны аппарата; Wz гр – относительная осевая скорость газа на границе приосевой и периферийной зоны; Wz max – максимальная относительная осевая скорость; W - относительная окружная скорость газа; А - коэффициент крутки завихрителя

8 IV. Экспериментальные исследования эффективности полых вихревых аппаратов при поглощении СО 2 из газов раствором моноэтаноламина Разработка методики проведения экспериментальных исследований процесса тепло- и массообмена в прямоточных аппаратах различных типов. Модернизация экспериментальной установки; Экспериментальные исследования эффективности полых вихревых аппаратов при поглощении СО 2 из газов раствором моноэтаноламина; Экспериментальные исследования эффективности контактных элементов при абсорбции СО 2 раствором моноэтаноламина; Экспериментальные исследования эффективности контактных элементов при десорбции СО 2 водяным паром из раствора моноэтаноламина; Исследования дисперсного состава капель жидкости и гидродинамических параметров течения закрученной пленки в полом вихревом аппарате.

9 Экспериментальная установка

10 Массообменный вихревой аппарат: 1 – корпус; 2 – завихритель; 3 – ороситель; 4 – отверстия оросителя; 5 – лопасти завихрителя А А Г Г А Ж А Б-Б Б Б

11 Зависимость эффективности контактного элемента от соотношения расходов жидкости и газа при различных степенях карбонизации раствора в процессе абсорбции: Wвх = 30 м/с; yн = 0,15 моль. дол.; : 1 – 0,1; 2 – 0,15; 3 – 0,2; 4 – 0,3. (сплошная линия- расчет; точки – эксперимент) Зависимость эффективности контактного элемента от соотношения расходов жидкости и газа при различных начальных концентрациях СО 2 в газе в процессе абсорбции: Wвх = 30 м/с = 0,15;. yн, моль. дол.: 1 – 0,05; 2 – 0,1; 3 – 0,15; 4 – 0,2. (сплошная линия- расчет; точки – эксперимент)

12 V. Исследование способов утилизации СО 2 СО2 ПРОИЗВОДСТВО МЕТАНОЛА ПРОИЗВОДСТВО КАРБАМИДА ПРОИЗВОДСТВО СОДЫ ПРОИЗВОДСТВО УГЛЕАММИА- КАТНЫХ УДОБРЕНИЙ ПРОИЗВОДСТВО ПОЛИКАРБО-НАТА

13 Принципиальная схема технологической схемы процесса очистки газа и утилизации выделенного углекислого газа в виде метанола

14 Принципиальная схема аминовой очистки секции 200

15 Технологическая схема получения метанола в трехфазной системе на основе утилизации углекислого газа: К400/1, К400/2 – компрессоры; Н400/1, Н400/2 – насосы; Р400/1 – реактор кипящего слоя;Т400/1, Т400/2, Т400/3 – теплообменники; С400/1 – сепаратор; Кс400/1 – котел-утилизатор (кожухотрубчатый теплообменник)

16 VII. Разработка технологической схемы утилизации СО 2 в производстве бикарбоната аммония Технологическая схема получения бикарбоната аммония на основе утилизации углекислого газа: Е400/1 – накопитель; А400/1 – вихревой абсорбер; С400/1 – сборник; Т400/1, Т400/2 – теплообменники; Р400/1 – реактор; Г400/1 – гидроциклон; Ц400/1 – центрифуга; Г400/1 – газодувка; Н400/1, Н400/2 – насосы

17 VIII. Оценка возможностей реализации способов утилизации и захоронения СО 2 в зависимости от региональных и технико- экономических условий Региональные и технико-экономические условия: - обеспеченность топливно-энергетическими ресурсами; - уровень развития энергетики; - уровень развития основных отраслей промышленности; - наличие трубопроводного транспорта; - эмиссия СО 2.

18 Распределение регионов по группам: 1 группа - промышленно-развитые регионы с высоким уровнем эмиссии СО 2 (Москва и Московская область, Санкт-Петербург и Ленинградская область, Тульская, Самарская, Челябинская области); 2 группа - регионы с высоким уровнем развития отдельных отраслей промышленности и средним уровнем эмиссии СО 2 (Свердловская, Рязанская, Астраханская области); 3 группа - регионы с высоким уровнем добычи углеводородного сырья и средним уровнем эмиссии СО 2 (Кемеровская, Тюменская Тюменская области, Республики Татарстан и Башкортостан); 4 группа - регионы приморской зоны независимо от уровня эмиссии СО 2.(Калининградская, Сахалинская области, Хабаровский и Приморский край.

19 Оценка экономических затрат на реализацию способов утилизации и захоронения СО 2 Зависимость стоимости транспортировки от расстояния: 1- трубопровод в открытом море, 2- трубопровод на прибрежной территории, 3- затраты при использовании судна

20 Геологическое хранение - в нефтяных и газовых месторождениях стоимость приблизительно составляет от 0,5 до 8 $ на тонну вводимого CO 2 ; дополнительно учитывается контроль затрат, который составляет 0,1-0,3 $ за тонну CO 2 ; Захоронение в водоносные слои в открытом море - стоимость прибрежного захоронения составляет 1-7 евро за тонну, в нейтральных водах евро за тонну CO 2 ; Преобразование в минералы - стоимость влажного насыщения силикатов оливина приблизительно $ на тонну CO 2. Оценка экономических затрат на реализацию способов утилизации и захоронения СО 2

21 Зависимость стоимости транспортировки от расстояния: 1- трубопровод в открытом море, 2- трубопровод на прибрежной территории, 3- затраты при использовании судна

22 Вытеснение нефти оторочкой углекислого газа из обводненного пласта

23 IX. Исследование возможности захоронения СО 2 в угольных месторождениях Скважина для нагнетания СО 2 в метансодержащем угольном пласте: 1 – пласт; 2 – скважина; 3 - труба; 4 – обсадная колонна; 5 - трещина

24 Основные выводы: 1.Требования технического задания и календарного плана выполнены полностью 2.Разработаны модели и проведено численное исследование объемов выхода СО 2 при газификации твердого топлива, гидродинамики двухфазного потока и процессов тепломассообмена в полых вихревых аппаратах при абсорбции и десорбции диоксида углерода: - в зависимости от температуры и давления проведения процесса газификации возможно обеспечить содержание СО 2 не более 15%. Более однородное распределение температур достигается созданием монодисперсного кипящего слоя за счет гранулирования топлива, что позволяет увеличить скорость потока реакционной смеси в 2-3 раза и обеспечить термодинамическую эффективность технологической схемы более 40%; - выявлены зависимости влияния режимных и геометрических параметров на эффективность вихревых аппаратов. 3.Разработаны и созданы экспериментальные установки. Проведены экспериментальные исследования для определения степени адекватности математических моделей при концентрации СО 2 в газах 7-20%: - эффективность абсорбции СО 2 достигала 0,8, десорбции – 0,95 при увеличении скорости газа в 2 раза по сравнению с традиционными насадочными аппаратами, снижении металлоемкости на 30%, гидравлического сопротивления – на 40%.

25 4.Проведено сопоставление результатов эксперимента с результатами теоретических исследований, показавшее их удовлетворительное качественное и количественное согласование (погрешность результатов составляет от 15 до 20%). Затраты на удаления СО 2 в вихревых аппаратах составили около 380 руб. за 1 т СО 2. 5.Разработаны технологические схемы утилизации СО2 при производстве метанола и бикарбоната аммония. 6.Проведен сравнительный анализ и дано технико-экономическое обоснование способов утилизации и захоронения СО 2 с оценкой экологических по сравнению с прогнозируемым «парниковым» эффектом. 7.Разработано ТЗ на изготовление вихревых аппаратов для абсорбции и десорбции СО 2. 8.Достижение индикаторов - общее количество публикаций по теме проекта – 9/45, в т.ч. в отечественных научных журналах – 22, в сборниках конференций – 23; - общее количество патентов по теме проекта – 2/2 + 1 положительное решение о рассмотрении заявки на изобретение; - количество защищенных диссертаций – 2/2.

26 Предложения по использованию полученных результатов -Проведение ОКР по созданию абсорбционно- десорбционных установок для ТЭС на основе вихревых аппаратов -Разработка технологических схем подачи СО 2 к нефтяным месторождениям для повышения нефтеотдачи пластов высоковязких нефтей и битумов в сочетании с методами волнового воздействия на пласт -Разработка технологических схем подачи СО 2 к угольным месторождениям с целью десорбции из них метана, последующего его сбора и использования

27 Спасибо за внимание!