Плазма проти газу

Розвиток водневої енергетики переплітається з найбільш, здавалося б, далекими від неї проблемами.

В Інституті газу НАН України вчені побудували плазмотрон, який дозволяє під час спалювання бурого вугілля та біомаси, а також побутових відходів одержувати водень для його подальшого використання в енергетиці.

Про перспективну розробку розповідає один з її авторів — Віктор Жовтянський, кандидат фізико-математичних наук, заступник директора Інституту газу НАНУ.

Водень як вторсировина

— Іноді воднева енергетика подається як якесь Ельдорадо, де відразу буде роз­в’язано всі енергетичні проблеми. Це не так, — розповідає В.Жовтянський. — Вільного водню в атмосфері й узагалі в умовах Землі нема, і найдешевші й найдоступніші ресурси — це газ, нафта й вугілля. Тож природний газ, наприклад, — це первинний ресурс, а водень, як і електрика, — вторинний, його ще треба звідкись добути, затративши певну кількість енергії. Воднева енергетика створювалася як альтернативний, екологічно чистий ресурс для транспорту. Бо реакція водню з киснем дає звичайну воду, і нема ніяких шкідливих викидів. Але це в ідеалі, а в реальності постає багато проблем. І коли говорять, що воднева енергетика розв’яже всі питання із забезпечення енергією, треба усвідомлювати, що саме по собі це неможливо.

З іншого боку, коли прихильники газу й нафти говорять, що, навпаки, водень — погано, це теж не так. У водневої енергетики є своя ніша. Якийсь час нафта й газ коштували у світі буквально копійки, і одержанням енергії з водню ніхто не займався. А потім, коли вартість вуглецевої природної сировини різко підвищилася, світова наука та економіка згадали, що, мовляв, добре було б перейти на водень.

Зараз наймасштабніший метод його одержання — ­переробка природного газу за допомогою розігрітої водяної пари. Теоретично на  1 тонну водню необхідно затратити 2,5 тонни метану, а фактично — значно більше. Основний недолік цього методу — неминуче найближчим часом вичерпання запасів газу й нафти. Отже, треба шукати підходи, у яких можна було б використовувати іншу сировину, яка містить вуглець. Наприклад, тверді побутові відходи, біомасу, а також інші низькокондиційні види палива. Один із таких методів одержання водню — плазмові технології.

Результат перевершив завдання

— Вікторе Андрійовичу, що являє собою плазмотрон?

— Як джерело термічної плазми звичайно використовується плазмотрон­ — пристрій, у якому під час проходження електрично­го струму через розрядний проміжок утворюється плазма. Через плазмову дугу продувають струмінь газу, у якому можна досягти температури в кілька тисяч градусів. Такий метод сьогодні застосовують для обробки матеріалів або як джерело світла й тепла. Для генерування плазми необхідно підготувати плазмотворче середо­вище (повітря — водяна пара) із необхідними тиском і температурою й нагнітати її в реакторну зону плазмотрона, де знаходяться мідні електроди, а між ними горить стабілізована вихром і магнітним полем електрична дуга. Її тепло й розігріває потік суміші газів. Генерований високошвидкісний плазмовий струмінь є теплоносієм і реагентом для процесів плазмохімічної переробки матеріалів. На виході ми одержуємо суміш газів, склад якої залежить від температури дуги й швидкості потоку.

— Як тривала робота із цієї теми?

— Роки чотири тому Борис Євгенович Патон поставив завдання розробити плазмову установку, і ми в Інституті газу разом з Інститутом електрозварювання в 2007 році таку роботу виконали. Передбачалося, що на плазмотроні можна буде переробляти медичні відходи. Після доопрацювання в 2008 році створили плазмотрон наступного покоління типу ПЦР-ЗП потужністю до 160 кВт. Він спроектований як високотехнологічний пристрій для переробки твердих побутових відходів на замовлення тодішнього міністерства житлово-комунального господарства. Установка комп’ютеризована, усі параметри роботи відслідковуються електронікою.

Ідея полягала в тому, що такий агрегат працюватиме спочатку в невеликому місті з населенням 20—30 тисяч, утилізуючи його відходи з максимальною користю і найменшою шкодою для довкілля. Наступний етап цієї технології передбачалося реалізувати в середньому місті на 300 тисяч жителів, а згодом  упровадити по всій Україні. Один із плюсів плазмової високотемпературної обробки в тому, що повністю вигоряють усі вуглецеві фрагменти, на відміну від золи на ТЕЦ, де залишається досить багато вуглецю. Крім того, залишки після плазмового горіння являють собою хімічно нейтральний твердий склоподібний компонент. З нього можна навіть виготовляти блоки для будівництва.

У класичному варіанті в плазмотронах застосовується інертний газ, щоб метал, на який спрямовано газовий струмінь, не окислявся. Такі установки використовують для високотемпературного різання металів, для напилювання шару металу на заготівку. А в нас в інституті запропонували замість дефіцитної інертної взяти суміш природного газу з повітрям. Він згоряє, виділяючи додаткову енергію. Виявилося, що за своїми можливостями наш плазмотрон набагато перевищує початкове завдання. Він може працювати на звичайному повітрі, на суміші повітря з водяною парою.

Більш того, співробітник нашого інституту доктор технічних наук Станіслав­ Петров зробив плазмотрон, який працює на водяній парі. Здавалося б, вода й полум’я несумісні. Але установка діє. Звичайно, вугілля у воді не горить. Але якщо додати до згоряння певну кількість енергії (ендотермічний процес), за реакції вуглецю С и води Н2О одержимо газоподібний монооксид вуглецю СО плюс водень Н2. Вилучити його з газової суміші можна за допомогою пористих мембран. У водню в атомі один-єдиний протон, цей газ добре проходить через деякі пористі керамічні структури, а всі інші гази затримуються. Такі мембрани вже створено, вивчено й випробувано, тому в наших дослідах ми не обтяжуємо себе вилученням водню з газової суміші.

Діоксини — у топку!

— Отже, плазмотрон створено. Що далі?

— Проблеми, розв’язувані сьогодні в Інституті газу, — це безпечна переробка твердих побутових відходів. Так, плазмова технологія дозволяє спалювати будь-які низькоякісні вуглецеві сполуки й після обробки гарячою парою одержувати водень. Але погано те, що багато відходів містять сірку. А за температури близько 650—800°С сірка утворює діоксини й фурани. Це найнебезпечніші отрути, супертоксиканти, і жодним чином не можна допускати їхнього потрапляння в атмосферу. Зараз прийнята така технологія роботи із сумішами, що містять сірку, — у дві стадії: після нагрівання парогазової суміші й одержання водню газ, що залишився, треба допалити. Для гарантованого знищення діоксинів і фуранів потрібна витримка продуктів газифікації за температури 1200°С не менше 0,4 секунди, подальше їхнє швидке охолодження й очищення від хлоро­вмісних компонентів (переважно HCl). Газ пропускають через вапняне молоко або через розчин соди. Таким способом соляна кислота «гаситься», утворюються стійкі солі.

Як показує аналіз на прикладі переробки целюлози С6Н10О5, звичайний режим газифікації без плазми взагалі не здатний забезпечити ці параметри процесу. Для переведення хлору у відносно легку для очищення сполуку HCl і запобігання утворенню сажі необхідно підтримувати в газифікаторі достатню концентрацію водяної пари. Технологічно це здійснюється за допомогою промислового комп’ютера, що контролює параметри процесу.

— Який вихід водню за такої технології? Наскільки вона може забезпечити промислові масштаби виробництва?

— Водень становить 50% об’єму одержуваної суміші, СН4 (природний газ) — 2%, С — 35%, інше — СО2, баластові гази. Що ж до промислових обсягів, то в Україні зараз реалізується потужний проект із газифікації бурого вугілля, на виході планують одержувати водень. Сировинною базою стануть розрізи Олександрійського буровугільного родовища в Кіровоградській області. Передбачуваний річний обсяг переробки вугілля — понад 3 мільйони тонн, а виробництва водню — близько 1 мільярда кубометрів. Проект відповідає найвищим екологічним вимогам, оскільки передбачається депонування (поховання) усього обсягу одержуваного вуглекислого газу.

А поки — усе по-старому

— Чи є аналоги вашій розробці в інших країнах?

— В окремих інститутах світу створюють таку апаратуру. Плазмотронами, наприклад, займаються в Петербурзі, в Інституті електроенергетики. З академіком Філіппом Рутбергом із цього інституту ми весь час співробітничаємо. У Празі в Інституті фізики плазми над схожою темою працює коман­да Мілана Грабовського. Є розробки в США. А взагалі­ ми почуваємося цілком упевнено.

— Чи впроваджена установка в серійне виробництво?

— Створюючи плазмотрон, ми знайшли кошти тільки на 2007 рік. Героїчними зусиллями під кінець року ми його спроектували, склали й запустили. А потім два роки «вилизували» — усували дрібні недоробки. Це вже робилося за рахунок внутрішніх резервів інституту. На подальші роботи грошей немає.

У серію — для реальної роботи з утилізації твердих побутових відходів — установка не пішла, але це вже проблеми всієї української науки та її зв’язків із виробництвом. У нас зараз усі люб­лять слова «інноваційний» та «інвестиційний». При цьому забувають, що відомча наука в Україні вже зникла як явище, залишилася тільки академічна. Коштів на неї в бюджеті виділяють набагато менше від мінімально припустимого рівня. Грошей на серйозні розробки фактично немає. Усе, що ми можемо реально показати, — це результат у пробірці. Жоден серйозний бізнесмен таку розробку у виробництво не візьме, це занадто ризиковано.

Проте ми вже домоглися доброго результату. Наші роботи показали, що плазмова технологія може знизити на 25% вартість процесу утилізації відходів і, як мінімум, на 10% підвищити ефективність виробництва водню в порівнянні із традиційною газифікацією.