16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/165/12556.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 01-02 (165-166) январь 2011 года

Что нахимичили для энергетики, или Недооцененные разработки

Производство для энергетики К. т. н. Анатолий ЖУРАВЛЕВ, директор ООО «НПФ «ЛЕНА»

Широко простирает химия
руки свои в дела человеческие.
М. В. Ломоносов

Решением генеральной ассамблеи ООН 2011 год объявлен во всем мире Годом химии.

В последние десятилетия химическая наука и промышленность предложили немало новых разработок, но далеко не все из них широко используются в энергетике, где сильна инерция – особенно на малых энергетических объектах.



Вода общедоступная и бесценная

Кое-где в муниципальных котельных водоподготовка отсутствует вообще, не говоря уж о химической обработке воды. При этом производство тепла и электричества почти на 100 процентов связано с использованием воды (исключения – гелиоэнергетика да газовые турбины). При генерации тепла и электричества в двигателях внутреннего сгорания вода не является рабочим телом, но используется как охлаждающая жидкость.

Первоначально воду очищали лишь от солей жесткости, используя простые реагенты: кальцинированную соду, едкий натр (каустическую соду), тринатрийфосфат. Данный способ и сейчас популярен, особенно он выгоден для кислых вод, содержащих двухвалентное железо (болотные, подземные, шахтные воды). Одновременно достигается стабилизация водородного показателя, осаждение солей жесткости и железа. Частично идет очистка от органики и коллоидов, поскольку гидроксиды трехвалентного железа – неплохой коагулянт. Разумеется, необходима аэрация и достаточно большой резервуар для отстаивания осадков. Обезжелезивание важно и само по себе, в частности для продления срока службы ионообменных смол и обратноосмотических мембран.

В последнее время все шире используется каталитическое обезжелезивание воды. Процесс ускоряется в десятки раз. В качестве катализатора используется активированный диоксид марганца. Разумеется, нужна аэрация и очистка от взвесей выделяющегося трехвалентного железа путем фильтрации или отстаивания. Весьма эффективным современным средством борьбы с накипеобразованием являются комплексообразователи (комплексоны). Это органические вещества довольно сложной структуры, которые удерживают в растворенном виде катионы металлов (кальция, магния и др.), обуславливающих образование накипи, причем действуют в очень малых количествах, что позволяет использовать их даже в системах горячего водоснабжения. Данные соединения относительно безвредны (третий и четвертый классы опасности). Весьма эффективны они в открытых системах водооборота (градирнях), поскольку позволяют увеличить степень упаривания воды. Комплексоны широко применяются при очистке оборудования от накипи, где они предпочтительнее минеральных кислот. Комплексоны, закрепленные на твердых носителях, успешно справляются с задачей извлечения микроколичеств отдельных элементов из растворов, что важно для атомной энергетики. Заметную роль они сыграли при ликвидации последствий Чернобыльской аварии. Например, добавление сорбентов с комплексонами в корма животных позволяет получать молоко и мясо, чистые по радионуклидам, что немаловажно, так как радиоактивному заражению подверглись луга и пашни на территории в сотни тысяч квадратных километров.

Но при использовании комплексонов следует иметь в виду некоторые их особенности. Абсолютное большинство этих веществ – производные фосфора и азота, то есть биогенных элементов, вследствие чего они способны ассимилироваться водорослями и бактериями. Зачастую это требует параллельного применения биоцидов во избежание обрастания. Ряд комплексонов активно образует растворимые комплексы с медью и цинком, в силу чего ускоряется коррозия латунных теплообменников. Впрочем, соединения некоторых комплексонов с цинком – цинкфосфонаты – эффективные ингибиторы коррозии черных металлов. С производством комплексонов все в порядке, отечественный химпром вырабатывает широкий спектр этих соединений – главное: грамотно их применять.

Полного обессоливания воды добиваются применением ионообменных смол. Дело это освоенное, однако определенные трудности вызывает утилизация регенерационных растворов. В ряде случаев проблема решается подбором реактивов для регенерации: катионы и анионы следует подбирать таким образом, чтобы смесь регенерирующих растворов использовать в качестве жидких удобрений.

Безреагентное обессоливание обеспечивают мембраны обратного осмоса. Мембранноосмотические установки – самый дешевый и производительный способ получения деионизированнной воды. Производительность мембран обратно пропорциональна концентрации солей в исходной воде, поэтому их применение особенно эффективно в сочетании с другими способами водоподготовки: фильтрацией и ионообменом. Очень неплохо использовать природную воду с малой минерализацией, такую, как вода Онежского озера или горных рек Кольского полуострова. Благодаря внедрению новых химических способов водоподготовки деминерализация котловой воды становится все дешевле. Приближается время, когда расходы на оборот котловой воды (конденсация, доочистка, возврат в котел, эксплуатация градирен или прудов-охладителей) сравняются со стоимостью водоподготовки. Станет рентабельным прямой сброс пара в атмосферу, как у первых паровых машин. Особенно актуально это для атомных электростанций, тепловой КПД которых довольно низок. Разумеется, теплосодержание отработанного пара не возбраняется использовать для теплофикации.

Заметим. что новые способы водоподготовки применимы и для малых энергетических объектов. Так, установка глубокой деминерализации воды (получается дистиллированная вода по ГОСТу с электропроводностью менее 5 мк/см) производительностью 400‑600 литров в сутки занимает объем помещения 0,1 кубометра и размещается на стенке. Мощность встроенного насоса для функционирования обратноосмотической мембраны – менее 100 ватт. Такую установку можно разместить не только на паровозе, но и на космическом корабле. Схема очистки позволяет многократное повышение мощности и весьма эффективно для энергетики.
Теплофикационная вода также требует обработки – как минимум, осветления. Взвеси удаляются фильтрацией, коллоидные частицы – коагуляцией. На рынке имеется широкий выбор коагулянтов, включая флокулянты (органические вещества, например полиакриламид). Их можно было не упоминать, но на ряде энергообъектов до сих пор используется купоросно-известковый метод осветления, Он крайне неэффективен, вода перегружается солями жесткости и железом. Между прочим, изобретательные химики предложили способ борьбы с коррозией труб горячего водоснабжения путем создания контролируемой временной жесткости воды. В горячую воду вводится расчетное количество ионов, которые тонкой пленкой оседают на внутренней поверхности труб. Способ дешевый, изящный, но, насколько известно, пока нигде не внедренный.



Качество воды – безопасность людей

Вопрос о том, нужна ли дополнительная обработка теплофикационной воды, остается открытым. В частности, это касается ее обеззараживания. В 2007 году в городе Верхняя Пышма недалеко от Екатеринбурга произошла крайне неприятная история: совершенно неожиданно летом несколько человек скончались от быстротекущего нетипичного воспаления легких. Выяснилось, что это так называемая «болезнь легионеров», которая впервые дала вспышку в США во время слета «Американского легиона». Состоялся судебный процесс, в ходе которого причиной заболевания объявили наличие возбудителей в теплофикационной воде, которая летом в ходе опрессовок имела низкую температуру и стала средой размножения смертельно опасных микроорганизмов. Ответчики со стороны городских теплосетей выдвигали еще одну версию: капельный унос с близлежащей градирни одного из промышленных предприятий, что также вполне реально.

Самое скверное, что, несмотря на принятые меры, вспышка этого заболевания повторилась в 2010 году. Поскольку болезнь зарегистрирована еще в нескольких местах России, не исключено, что из соображений безопасности необходимо проводить дезинфекцию – дополнительную обработку воды, то есть ее обеззараживание тем или иным способом. Учитывая крайнюю опасность заболевания, причинно-следственные связи возникновения этого заболевания необходимо установить как можно скорее, пока оно не приняло характера эпидемии. С одной стороны, повсеместная дополнительная обработка воды требует многомиллиардных затрат, с другой – человеческая жизнь бесценна, что отражено в Конституции РФ. То, что по данному вопросу нет федеральной программы, кажется удивительным. Это не менее важно, чем проблема птичьего гриппа.

Кое-какие достижения в области химического машиностроения позволяют обойтись вообще без водоподготовки при получении тепла и, при технической проработке вопроса, электро­энергии. Имеются в виду аппараты погружного горения. Они успешно используются в химической промышленности как высокоэффективные тепломассообменные устройства для выпаривания рассолов и агрессивных жидкостей. Смысл процесса – горение факела жидкого или газообразного топлива в объеме раствора. Отсутствует теплопередача через стенку, снимаются проблемы накипеобразования. Существует надежная теория процесса и обширный список серийного оборудования. В энергетике такая схема используется на удивление редко, хотя в системе «Газпрома» изготавливаются установки прямого нагрева воды, преимущественно оросительного типа. Аппараты погружного горения позволяют получать парогазовую смесь из сильно минерализованных, мутных, загрязненных нефтепродуктами вод, жидких отходов, например продувочных вод градирен, промывных вод ионообменных колонн. При этом стоки концентрируются, что позволяет проводить их эффективную утилизацию.

Фундаментальные исследования механизмов коррозии и пассивации металлов академика Я. М. Колотыркина имели важные последствия для теплоэнергетики. Выяснилось, что при высоких давлениях и температурах кислород пассивирует сталь, а не ускоряет коррозию. Это позволило начать промышленную эксплуатацию мощных котлов и турбин без дорогостоящей деаэрации воды. Недостаток схемы – повышенная коррозия медных сплавов в паре и конденсате, содержащих кислород, в связи с чем конденсаторы приходится выполнять из нержавеющей стали. Заманчивая задача – изготавливать конденсаторы из алюминия, так как его стойкость в обессоленной воде в присутствии кислорода весьма велика.

В свете энергетического материаловедения целесообразно пересмотреть отношение к паровым машинам как к архаичному, тупиковому направлению энергомашиностроения. Вспомним, что шестьдесят лет назад паровики царствовали на железных дорогах, широко применялись на водном транспорте, в сельском и лесном хозяйстве. В старом фильме «Кубанские казаки» производят впечатление не столько песни и пляски, сколько локомобиль на зерновом току, использовавший в качестве топлива солому и дававший энергию для механизмов. Замечательный пример использования возобновляемого топлива.



Генерация без воды и пара

Немало поработали химики в области создания новых теплоносителей и рабочих тел. Очень перспективна диссоциирующая химическая система на оксидах азота: N2O4 = 2NO2 = 2NO + O2.

Повышение температуры сдвигает равновесие вправо, а повышение давления – влево. Теплоноситель не содержит атомов водорода и углерода, поэтому слабо взаимодействует с быстрыми и медленными нейтронами, в связи с чем может быть использован в атомных реакторах. Особенно привлекательно его применение в новых конструкциях реакторов на быстрых нейтронах, так как теплофизические характеристики выше, чем у жидкого натрия, который применяется в настоящее время. Весьма оксидно-азотистая система как рабочее тело энергетического цикла, она позволяет обеспечить мощность одновальной турбины 2‑3 ГВт при габаритах паровых турбин 0,8‑1 миллион кВт. Рост мощности паровых турбин существенно ограничен пределами механической мощности материала.

Весьма важен этот вопрос для атомной энергетики, где рост единичной мощности реактора является важным направлением повышения технико-экономических показателей АЭС, и весьма желательно, чтобы мощность турбины соответствовала мощности реактора. Так, в России разрабатывается реактор на быстрых нейтронах мощностью 1,5 ГВт. Интересно было рассмотреть вариант использования оксидно-азотной смеси в качестве реакторного теплоносителя взамен жидкого натрия и одновременно в качестве рабочего тела турбины мощностью 1,5 ГВт, которая будет иметь габариты не более, чем серийный пятисотмегаваттный турбоагрегат. При этом конструкторы уходят от потенциально взрывоопасной пары: «жидкий натрий – вода». Кстати, контакт жидкого горячего натрия с воздухом также взрывопожароопасен.

Конечно, у оксидов азота есть недостатки, прежде всего токсичность и повышенная коррозионная агрессивность к ряду металлов и сплавов, но достоинства, пожалуй, перевешивают недостатки. К тому же с научной точки зрения система отработана – термодинамические, коррозионные, кинетические показатели изучены и занесены в таблицы. Дело за технологами и конструкторами.

Еще большее значение для энергетики имел синтез фторуглеродных соединений. С ними, в виде фторопласта (полимера), знакомы все, так как из последнего состоят антипригарные покрытия на кастрюлях и сковородках. Фторуглеродов синтезировано великое множество, десятки и даже сотни наиболее перспективных освоены промышленностью. Эти вещества уже произвели переворот в холодильной технике, включая бытовые и автомобильные кондиционеры, они же – основное рабочее тело для тепловых насосов.



«Холодные» технологии

Достоинства хладонов – химическая инертность и термостойкость. Из числа освоенных промышленностью фторуглеродов можно подобрать рабочее тело для любого практически значимого интервала температур. Это открывает перед российской энергетикой поистине грандиозные перспективы, прежде всего в области генерации энергии из источников природного тепла. На территории Западной Сибири раскинулся самый большой на планете артезианский бассейн термальных вод. Воды сильно минерализованы, основные температуры – 60‑80оС, но общие запасы и, соответственно, энергетический потенциал огромны и намного превышают энергию сжигания нефтяных месторождений этого региона. Данные для оценки энергопотенциала можно взять из отечественного и зарубежного опыта, по результатам эксплуатации первой в России (в СССР) Паужетской геотермальной электростанции (Камчатка), обобщенного учеными Сибирского отделения АН СССР. Можно дать следующие показатели электрогенерации на фторуглеродах (хладонах) применительно к западносибирским геотермальным водам температурой порядка 80оС: выработка электроэнергии – 2,5 кВт-ч на тонну термальной воды, при этом отработанная термальная вода будет иметь температуру 50‑55оС, что достаточно для нужд местного отопления или бальнеологических целей (проще говоря, купания). Заметим, что зимой выработка электроэнергии будет больше, так как вырастает тепловой градиент «нагреватель – холодильник».
Очень заманчиво, что благодаря низкой коррозионной агрессивности хладонов возможно использование воздушных конденсаторов, изготовленных из алюминия. Для высокотемпературных термальных вод (120‑130оС) наработка составит 20‑25 кВт-ч на 1 тонну воды. Запасы таких вод имеются на Северном Кавказе, Камчатке, Курильских островах. Понятно, что источником энергии для хладоновой генерации может быть отработанный пар ГРЭС и АЭС. Например, мощность строящейся под Петербургом ЛАЭС-2 можно увеличить таким путем на 8‑10 процентов, что немало. Производство хладонов и других фторуглеродов развернуто в больших масштабах на Кирово-Чепецком химическом комбинате, который страдает от недозагрузки мощностей.

В чем же дело? Помимо привычного нежелания вкладывать капиталы в инновации есть и важная внешнеполитическая причина: в конце XX века появились глобальные научные страшилки. В их основе лежат наблюдения ученых, но своекорыстные политиканы и СМИ превращают не доведенные до конца исследования во вселенский ужас. Таковы «глобальное потепление» и «озоновая дыра». В «озоновой дыре» обвинили примесь хладонов в атмосфере. Состоялось международное соглашение по жесткому сокращению производства и применения хладонов, к которому присоединилась Россия, что, на мой взгляд, ошибочно.



Химия в моторах

В малой и средней энергетике широко применяются ДВС. Здесь возникла целая наука – химмотология, изучающая химические процессы, связанные с работой моторных агрегатов. Синтетические и полусинтетические масла позволили форсировать двигатели, одновременно увеличив их надежность и межремонтный пробег. Новые загустители (литиевые мыла и полимеры контролируемой молекулярной массы) и твердые модификаторы трения (дисульфид молибдена, нитрид бора, ультрадисперсный алмазный порошок) обеспечили надежность консистентных смазок при повышенных удельных нагрузках. В совокупности эти инновации отразились положительно на повышении кпд энергоагрегатов и вообще ДВС. В связи с появлением на рынке новых трансмиссионных масел, выдерживающих очень высокие нагрузки в парах трения, вызывает сомнение традиционная централизованная схема подачи масла в гидроагрегаты не только высокой, но и средней мощности. Авария на СШГЭС показала уязвимость этой схемы к внешним воздействиям. Я бы дерзнул рекомендовать при проектировании новых и реконструкции старых ГРЭС переходить на синтетические и полусинтетические масла индивидуальной системы смазки каждого агрегата. Между прочим, существуют синтетические гидрофильные смазочные материалы. Показатели по удельным нагрузкам у них средние, зато они пожаробезопасны, имеют высокую теплоемкость, неагрессивны по отношению к резиновым уплотнениям, экологичны.

Тенденции технологического развития таковы, что подшипники мощных энергоагрегатов надо заменять на магнитную подвеску. Это позволяют сделать новые магнитные материалы, а сверхпроводящие системы удержат в воздухе и машину в сотни тонн, обеспечивая вращение без вибрации и потерь на трение.

Практически полностью решена проблема накипеобразования и коррозии систем охлаждения ДВС. Даровой теплоноситель – вода, который тридцать – тридцать пять лет назад применялся повсеместно, сейчас используется в порядке исключения, на старой технике. Нормой стало использование всесезонных охлаждающих жидкостей на основе этиленгликоля. Комплекс присадок (антикоррозионные, антипенные, смазывающие и др.) обеспечивает устойчивый теплосъем и гарантирует антикоррозионную защиту всех металлов, резин и пластмасс. Основные отечественные разработки: антифризы М-40 и М-65 по ГОСТ 159‑52, «тосолы» разных марок и «ЛЕНА» по ТУ-113‑07‑02‑88. Последние две – всесезонные охлаждающие жидкости.
Что нахимичили для энергетики, или Недооцененные разработки

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 01-02 (165-166) январь 2011 года:

  • В поисках оптимальной модернизации
    В поисках оптимальной модернизации

    ЧТО: VI Международная специализированная выставка «ПТА-Урал 2010». ГДЕ: Екатеринбург, выставочный центр «Инэкспо». СОСТОЯЛОСЬ: 7‑9 декабря 2010 года. ...

  • Газопровод присоединили к сетям

    Филиал МРСК Северо-Запада ввел в эксплуатацию подстанцию 35/10 кВ «Шексна-Газ» в Шекснинском районе Вологодской области. ...

  • ФАС ополчилась на угольщиков
    ФАС ополчилась на угольщиков

    Министерство внутренних дел сообщило о возбуждении уголовного дела против Сибирской угольной энергетической компании (ОАО «СУЭК») и других участников рынка энергетического угля. ...

  • В Кемеровской области растут вложения в энергетику
    В Кемеровской области растут вложения в энергетику

    Объем инвестиций в развитие энергетической отрасли Кемеровской области в 2010 году увеличился в 1,6 раза по сравнению с 2009 годом и составил почти 4 миллиарда рублей. ...

  • Первый звонок
    Первый звонок

    Министерство энергетики РФ подготовило проект генеральной схемы развития российской нефтяной отрасли на ближайшие десять лет. Он предусматривает три сценария развития нефтедобычи в зависимости от налоговых условий в России. ...