Плазма против газа

Развитие водородной энергетики переплетается с самыми, казалось бы, далекими от нее проблемами.

В Институте газа НАН Украины ученые построили плазмотрон, позволяющий при сжигании бурых углей и биомассы, а также бытовых отходов получать водород для его дальнейшего использования в энергетике.

О перспективной разработке рассказывает один из ее авторов — Виктор Жовтянский, кандидат физико-математических наук заместитель директора Института газа НАНУ.

Водород как вторсырье

— Иногда водородная энергетика подается как некое Эльдорадо, где сразу решатся все энергетические проблемы. Это не так, — рассказывает В.Жовтянский. — Свободного водорода в атмосфере и вообще в условиях Земли нет, и самые дешевые и доступные ресурсы — это газ, нефть и уголь. Так что природный газ, например, — это первичный ресурс, а водород, как и электричество, — вторичный, его еще надо откуда-то добыть, затратив определенное количество энергии. Водородная энергетика задумывалась как альтернативный, экологически чистый ресурс для транспорта. Потому что при реакции водорода с кислородом получается обычная вода, и нет никаких вредных выбросов. Но это в идеале, а в реальности возникает много проблем. И когда говорят, что водородная энергетика снимет все вопросы по обеспечению энергией, надо отдавать себе отчет, что само по себе это невозможно.

С другой стороны, когда приверженцы газа и нефти утверждают, что, наоборот, водород — плохо, это тоже не так. У водородной энергетики есть своя ниша. Одно время нефть и газ стоили в мире буквально копейки, и получением энергии из водорода никто не занимался. А потом, когда стоимость углеродного природного сырья резко подскочила, мировая наука и экономика вспомнили, что, мол, хорошо было бы перейти на водород.

Сейчас самый масштабный метод его получения — переработка природного газа при помощи разогретого водяного пара. Теоретически на 1 тонну водорода необходимо затратить 2,5 тонны метана, а фактически — значительно больше. Основной недостаток этого метода — неминуемое в ближайшее время истощение запасов газа и нефти. Значит, надо искать подходы, в которых можно было бы использовать иное сырье, содержащее углерод. Например, твердые бытовые отходы, биомасса, а также другие низкокондиционные виды топлив. Один из таких методов получения водорода — плазменные технологии.

Результат превзошел задачу

— Виктор Андреевич, что представляет собой плазмотрон?

— В качестве источника термической плазмы обычно используется плазмотрон — устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма. Через плазменную дугу продувают струю газа, в которой можно достичь температуры в несколько тысяч градусов. Такой метод сегодня используют для обработки материалов или как источник света и тепла. Для генерирования плазмы необходимо подготовить плазмообразующую среду (воздух — водяной пар) с требуемыми давлением и температурой и нагнетать ее в реакторную зону плазмотрона, в которой находятся медные электроды, а между ними горит стабилизированная вихрем и магнитным полем электрическая дуга. Ее тепло и разогревает поток смеси газов. Генерируемая высокоскоростная плазменная струя является теплоносителем и реагентом для процессов плазмохимической переработки материалов. На выходе мы получаем смесь газов, состав которой зависит от температуры дуги и скорости потока.

— Как шла работа по этой теме?

— Года четыре назад Борис Евгеньевич Патон поставил задачу разработать плазменную установку, и мы в Институте газа совместно с Институтом электросварки в 2007 году такую работу выполнили. Предполагалось, что на плазмотроне можно будет перерабатывать медицинские отходы. После доработки в 2008 году создали плазмотрон следующего поколения типа ПЦР-ЗП мощностью до 160 кВт. Он спроектирован как высокотехнологичное устройство для переработки твердых бытовых отходов по заказу тогдашнего Министерства жилищно-коммунального хозяйства. Установка компьютеризирована, все параметры работы отслеживаются электроникой.

Идея состояла в том, что такой агрегат поработает сначала в небольшом городе с населением 20—30 тысяч, утилизируя его отходы с максимальной пользой и с наименьшим ущербом для окружающей среды. Следующий этап этой технологии предполагалось реализовать в среднем городе на 300 тысяч жителей, а далее — внедрить по всей Украине. Один из плюсов плазменной высокотемпературной обработки в том, что полностью выгорают все углеродные фрагменты, в отличие от золы на ТЭЦ, где остается довольно много углерода. Кроме того, остатки после плазменного горения представляют собой химически нейтральную твердую стеклообразную компоненту. Из нее можно даже изготавливать блоки для строительства.

В классическом варианте в плазмотронах применяется инертный газ, чтобы металл, на который направлена газовая струя, не окислялся. Такие установки используют для высокотемпературной резки металлов, для напыления слоя металла на заготовку. А у нас в институте предложили вместо дефицитного инертного взять смесь природного газа с воздухом. Он сгорает, выделяя дополнительную энергию. Оказалось, что по своим возможностям наш плазмотрон намного превышает первоначальное задание. Он может работать на обычном воздухе, на смеси воздуха с водяным паром.

Более того, сотрудник нашего института доктор технических наук Станислав Петров сделал плазмотрон, работающий на парах воды. Казалось бы, вода и пламень несовместимы. Но установка действует. Естественно, уголь в воде не горит. Но если вогнать в сгорание определенное количество энергии (эндотермический процесс), при реакции углерода С и воды Н2О получим газообразный монооксид углерода СО плюс водород Н2. Извлечь его из газовой смеси можно при помощи пористых мембран. У водорода в атоме один-единственный протон, этот газ хорошо проходит через некоторые пористые керамические структуры, а все другие газы задерживаются. Такие мембраны уже созданы, изучены и испытаны, поэтому в наших опытах мы не обременяем себя извлечением водорода из газовой смеси.

Диоксины —  в топку!

— Итак, плазмотрон создан. Что дальше?

— Проблемы, решаемые сегодня в Институте газа, — это безопасная переработка твердых бытовых отходов. Да, плазменная технология позволяет сжигать любые низкокачественные углеродистые соединения и после обработки горячим паром получать водород. Но беда в том, что многие отходы содержат серу. А при температуре порядка 650—800°С сера образует диоксины и фураны. Это опаснейшие яды, супертоксиканты, и никоим образом нельзя допускать их попадания в атмосферу. Сейчас принята технология работы со смесями, содержащими серу, в две стадии: после нагревания парогазовой смеси и получения водорода оставшийся газ надо дожечь. Для гарантированного уничтожения диоксинов и фуранов требуется выдержка продуктов газификации при температуре 1200°С не менее 0,4 секунды, дальнейшее их быстрое охлаждение и очистка от хлорсодержащих компонентов (преимущественно HCl). Газ пропускают через известковое молоко либо через раствор соды. Таким способом соляная кислота «гасится», получаются устойчивые соли.

Как показывает анализ на примере переработки целлюлозы С6Н10О5, обычный режим газификации без плазмы вообще не способен обеспечить указанные параметры процесса. Для перевода хлора в относительно легкое для очистки соединение HCl и предотвращения образования сажи необходимо поддерживать в газификаторе достаточную концентрацию водяного пара. Технологически это осуществляется при использовании промышленного компьютера, контролирующего параметры процесса.

— Какой выход водорода при такой технологии? Сможет ли она обеспечить промышленные масштабы производства?

— Водород составляет 50% объема получаемой смеси, СН4 (природный газ) — 2%, СО — 35%, остальное — СО2, балластные газы. Что касается промышленных объемов, то в Украине сейчас реализуется мощный проект по газификации бурых углей, на выходе планируют получать водород. Сырьевой базой станут разрезы Александрийского буроугольного месторождения в Кировоградской области. Предполагаемый годовой объем переработки угля — свыше 3 миллионов тонн, а производства водорода — около 1 миллиарда кубометров. Проект соответствует высочайшим экологическим требованиям, поскольку предусматривается депонирование (захоронение) всего объема получаемого углекислого газа.

А пока — все по-старому

— Есть ли аналоги вашей разработке в других странах?

— В отдельных институтах мира создают подобную аппаратуру. Плазмотронами, например, занимаются в Петербурге, в Институте электроэнергетики. С академиком Филиппом Рутбергом из этого института мы постоянно сотрудничаем. В Праге в Институте физики плазмы над похожей темой работает команда Милана Грабовского. Есть разработки в США. А в целом мы чувствуем себя вполне на уровне.

— Внедрена ли установка в серийное производство?

— При создании плазмотрона мы получили средства только на 2007 год. Героическими усилиями к концу года мы его спроектировали, собрали и запустили. А потом два года «вылизывали» — устраняли мелкие недоработки. Это уже делалось за счет внутренних резервов института. На дальнейшие работы денег нет.

В серию — для реальной работы по утилизации твердых бытовых отходов — установка не пошла, но это уже проблемы всей украинской науки и ее связей с производством. У нас сейчас все любят слова «инновационный» и «инвестиционный». При этом забывают, что ведомственная наука в Украине уже исчезла как явление, осталась только академическая. Средств на нее в бюджете выделяют намного меньше минимально допустимого уровня. Денег на серьезные разработки практически нет. Все, что мы можем реально показать, — это результат в пробирке. Ни один серьезный бизнесмен такую разработку в производство не возьмет, это слишком рискованно.

Тем не менее мы уже добились хорошего результата. Наши работы показали, что при плазменной технологии есть возможность снижения на 25% стоимости процесса утилизации отходов и, как минимум, на 10% — повышения эффективности производства водорода по сравнению с традиционной газификацией.