Углекислый газ из труб – выгодное топливо

Предисловие

Человечество движется к «Точке невозврата» Глобального Потепления климата, до которой осталось несколько десятилетий при нынешних выбросах углекислого газа в атмосферу. Чтобы отдалить, а далее удалить «Точку невозврата», необходимо решить две взаимосвязанные проблемы: Экологическую и Энергетическую.

Это вопрос жизни и смерти не только человечества, но всего живого на Земле. Авторитетные мировые аналитики утверждают, что запасов нефти и газа хватит не более чем на 60-70 лет, угля же по их данным на 600 и более лет. Возобновляемые источники энергии имеют хорошую перспективу, но энергия на их основе не сможет заменить традиционные источники энергии.

Отсутствие возможности сбалансировать их работу без накопительных устройств делает их неприемлемыми для основной генерации, только для дополнительной. Поэтому угольная электроэнергетика в решении энергетической проблемы развития цивилизации будет продолжать играть основную роль. Вопрос только в экологических проблемах. Как совместить противоречащие друг другу экологическую и энергетическую проблемы? Ответ может дать химия горения углекислого газа в электрическом поле высокой напряжённости.

Разложение углекислого газа в электрическом поле высокой напряжённости

Рассмотрим разложение молекул углекислого газа при малых энергозатратах. Пусть в некотором реакционном объеме содержится газообразный СО₂. В этом объеме имеется электродная система из заземленного анода и катода из тонких (~10 мкм в диаметре) нитей, на который подается высокое отрицательное напряжение (до 100 и более кВ). При подаче высокого отрицательного напряжения с тонких нитей катода происходит автоэлектронная эмиссия. Один вылетающий из катода электрон (е) заряжает (ионизирует) одну молекулу СО₂ по схеме:

CO₂ + е → (СO₂)^— (1)

При этом выделяется энергия сродства молекулы CO₂ к электрону, равная 43,2 кДж/моль. Выделяемую энергию будем обозначать знаком (+), т.е. +43.2 кДж/моль.

Молекула СО₂ может адсорбироваться (конденсироваться) на поверхности или другие молекулы СО₂ только при низких температурах и повышенных давлениях (производство «сухого льда»). Но если среди хаотически движущихся электронейтральных молекул СО₂ имеется ион (СO₂)^—, то другие электронейтральные, но полярные молекулы СО₂ «выстраиваются, подтягиваются и прилепляются» к иону (СO₂)^—. Такая «адсорбция», обусловленная электрическим зарядом иона (СO₂)^— и полярностью молекул СО₂, приводит к образованию частицы из множества молекул, формируемой вокруг центрального иона CO₂^—. Эта частица представляет собой некоторую наночастицу, поскольку размеры ее лежат в нанометрическом диапазоне.

В такой наночастице могут происходить как обычные процессы, так и необычные, которые при обычных условиях в газообразном CO₂ не происходят или происходят с очень малой вероятностью. Рост наночастицы вокруг иона протекает хоть и быстро, но постепенно – молекула за молекулой. При каждом акте «подсоединения» молекулы CO₂ выделяется адсорбционная (конденсационная) энергия, которая аккумулируется нано — частицей. При достижении некоторого критического числа «подсоединенных» молекул CO₂ накопленной конденсационной энергии может быть достаточно, чтобы расщепить центральный ион CO₂^— по реакции :

(СO₂)^— → (C + O₂)^— (2)

Это расщепление CO₂ на C и O₂ не обычное, поскольку происходит в ионизированном состоянии молекулы CO₂. Очевидно, и энергия диссоциации ионизированной молекулы отличается от энергии диссоциации нейтральной молекулы CO₂, настолько, насколько понизилось «энергосодержание» молекулы в результате ионизации. Очевидно, на: 392,9 – 43,2 = 349,7 кДж/моль.

Величина 392,9 кДж/моль — известная из промышленной практики теплота (энергия), выделяемая при сгорании одного моля углерода. Такая энергия должна быть поглощена, чтобы произошла реакция (2). Поглощаемую энергию будем обозначать знаком (-). Тогда для рассматриваемой реакции тепловой (энергетический) эффект составляет -349,7 кДж/моль. В процессе диссоциации иона по (2) происходит и перезарядка. Иными словами, отрицательный заряд «покидает» ион и «прилипает» к другому ближнему объекту – атому или молекуле.

Отрыв электрона от предыдущего иона (СO₂)^— сопровождается поглощением энергии сродства молекулы CO₂ и выделением энергии сродства к электрону другого объекта ионизации, у которого наиболее высокая энергия сродства к электрону, поскольку при выделении более высокой энергии система принимает энергетически более выгодное (стремление к минимуму энергии) состояние. Более высокая энергия сродства у атома углерода, +199,2 кДж/моль. Поэтому перезарядка идет на атом углерода по схеме:

(C + O₂)^— → (C^— + O₂) (3)

Энергетический эффект перезарядки составляет: — 43,2 + 199,2 = + 156 кДж/моль.

После такой диссоциации и перезарядки молекула кислорода, как нейтральная частица, покидает наночастицу, и наночастица оказывается сгруппированной вокруг иона C^—. При дальнейшем росте наночастицы накапливаемой адсорбционной (конденсационной) энергии может быть достаточно для новой перезарядки от иона C^— к иону CO₂^— (изначально базовому структурообразователю наночастицы) по схеме:

C^— + CO₂ → C + CO₂^— (4)

Очевидно, энергетический эффект такой перезарядки составляет: — 199,2 + 43,2 = — 156 кДж/моль, т.е. по величине такая же, как и в процессе (3), но с противоположным знаком.

Дальнейший рост наночастицы накапливает достаточно конденсационной энергии, чтобы в ядре наночастицы произошла очередная диссоциация иона CO₂^— на атом углерода и молекулу кислорода:

C + CO₂^— → C + (C + O₂)^— (5)

Диссоциация (5) сопровождается энергетическим эффектом — 392,9 + 43,2 = — 349,7 кДж/моль и перезарядкой:

C + (C + O₂)^— → C + (C^— + O₂) (6)

с энергетическим эффектом в — 43,2 + 199,2 = + 156 кДж/моль и вылетом молекулы кислорода за пределы наночастицы. Затем происходит перезарядка:

C + C^— + CO₂ → C + C + (CO₂)^— (7)

Далее два атома углерода в ядре наночастицы соединяются:

C + C + (CO₂)^— → C₂ + (CO₂)^— (9)

и в дальнейшем, как нейтральные частицы, могут покинуть наночастицу, или могут наращиваться очередными атомами углерода в ядре наночастицы до достижения наночастицей анода и разрядки ее на нем. Дальнейшие процессы могут быть различные, но здесь важно, то, что завершается некий базовый цикл превращений в наночастице. Процесс (9) сопровождается выделением энергии связи C-C, равной + 605 кДж/моль.

Суммируя правые и левые части переходов (1) – (9), можно записать итоговый переход:

2CO₂ → 2C + 2O₂ (10)

Суммарный же энергетический эффект составляет — 785.8+784.6 = — 1.2 кДж/моль.

Для расщепления двух молей CO₂ по рассмотренной схеме требуется всего 1.2 кДж энергии. В соответствии же с «Законом Сохранения Энергии» для диссоциации двух молей CO₂ необходимо затратить столько же энергии, сколько выделяется при окислении (сгорании) двух молей углерода, т.е. 2 · 392,9 = 785,8 кДж.

По рассмотренной же схеме затратить энергии нужно почти в 655 раз меньше или всего 0.15% от необходимой энергии. Такую энергию предоставляет устройство сепарации и расщепления дымового углекислого газа. В проведенных экспериментах были выявлены частицы выделившегося углерода размером до 0,2 мм. Их структура была аналогична структуре сажи. Но сажи быть не могло, потому что ничего не горело, а углекислый газ использовался баллонный.

ООН рекомендует утилизировать углекислый газ из труб электростанций путём отбора его, ожижения и захоронения в геологических пустотах. Делают это только при государственном субсидировании. Дело в том, что дополнительные затраты на мембранный сбор углекислого газа, его ожижение, загрузку в специальные контейнеры, их транспортировку и захоронение в подземных и подводных геологических пустотах равнозначны снижению эффективности (КПД) электростанции на 8-9%.

Мы рассматриваем способ не отбора и захоронения углекислого газа, а его повторное использование в качестве дополнительного топлива в угольной электростанции, путём возврата части дыма, обогащённого углекислым и другими парниковыми газами. В горящих углях возвращённый в топку углекислый газ превращается в угарный газ, который сгорает. Такой возврат части дымовых парниковых газов будет непрерывным и образуется некий оборотный дым, который сокращает выбросы в атмосферу парниковых газов с одновременным повышением эффективности (КПД) угольной электростанции.

Организация потока оборотного дыма, обогащённого парниковыми газами, начинается с их отделения от трубного дыма. В существующей технологии утилизации углекислого газа используются специальные мембраны, пропускающие молекулы углекислого газа, но не проницаемые для молекул других газов в трубном дыме. Эти мембраны не дешевы, имеют ограниченный ресурс работоспособности и для нормального функционирования требуют специальных установочных и рабочих условий, например, разница давлений в пространстве отбора и в объёме забора углекислого газа. Для непрерывного переменного потока дыма организация стабильной работы мембран сложна.

Мы рассматриваем метод электрической сепарации парниковых газов в электростатическом поле высокой напряжённости. В таком поле молекулы парниковых газов электрически заряжаются электронами из отрицательного электрода, эмитирующего электроны. Молекулы парниковых газов обычно полярны. Вследствие этого они «прилипают» положительно заряженными сторонами вначале к отрицательно заряженным молекулам парниковых газов, а далее к отрицательным концам уже «прилипших» молекул и т.д. по цепному механизму. Молекулы собираются (электрически конденсируются) в наночастицы.

Процесс электростимулированной конденсации сопровождается выделением «конденсационной энергии», которая накапливается в растущих наночастицах в виде повышения частоты и амплитуды колебаний молекул. По мере конденсации всё новых молекул конденсационной энергии может накопиться настолько, что в резонансном акте может произойти расщепление центрального иона (CO₂)^— на атом углерода и молекулу кислорода.

Атом углерода может соединиться с другим таким же атомом и выделить энергию на порядок большую суммы накапливаемой конденсационной энергии, что может привести к цепной реакции разложения молекул углекислого газа. Так может происходить образование наночастиц углерода из наноскоплений углекислого газа. Наночастицы углерода могут собираться в микрочастицы, видимые невооружённым глазом. В опытах наблюдалось выпадение частиц углерода размером до 0,2 мм.

Чем больше межэлектродное расстояние между отрицательным эмиттером электронов и положительным (заземлённым) корпусом, тем больше вероятность образования микрочастиц углерода. Потому что больше времени для электростимулированой конденсации молекул углекислого газа на заряженные наночастицы до их разряда на положительном электроде.

Структура выпавших частиц углерода была аналогична структуре сажи. Но сажи быть не могло, потому что ничего не горело. Исследования проводились с целью разработки технологии локального сокращения атмосферного углекислого газа, и в экспериментах использовался баллонный углекислый газ.

Ниже представлена схема испытательного стенда по использованию оборотного дыма для снижения выбросов парниковых газов при одновременном повышении эффективности (КПД) угольной топки.

Слева внизу изображена топка в форме квадрата. В топку снизу через воздуховод поступает воздух на решетку с горящим углём. Между слоями располагается керамический газовод, к которому подсоединяется выход из электрополевого сепаратора-расщепителя парниковых газов. Обогащённый парниковыми газами оборотный дым поступает к горящему слою угля, где на раскалённых углях происходит образование угарного газа из углекислого газа по реакции:

CO₂ + C = 2CO (11)

Обязательно присутствующие в дыме пары воды на горящих углях образуют водяной газ с молекулами водорода. Вместе с угарным газом по реакции (11) этот водяной газ образует смешанный газ. Моноокись углерода смешанного газа в этой зоне загорается по реакции:

2CO + O₂ = 2CO₂, (12)

А водород смешанного газа загорается по реакции:

2H₂ + O₂ =2 H₂O (13)

Продукты сгорания угля и смешанного газа поступают в дымоходную трубу в правом верхнем углу топки. Четырьмя стрелками показан выход дыма (в основном: N₂, CO₂, NO₂, N₂O) в трубу.

В трубу вмонтирован сепаратор-расщепитель молекул парниковых газов. По оси цилиндрического сепаратора-расщепителя молекул установлен вертикальный металлический стержень с электронноэмиттирующим слоем, на который подаётся высокое отрицательное напряжение относительно заземлённой внешней стенки сепаратора-расщепителя.

На стенке сепаратора-расщепителя имеются отверстия, куда выходят парниковые газы, а также микро и наночастицы углерода, образованные при расщеплении молекул углекислого газа. Они выходят в цилиндрический объём вокруг стенки сепаратора-расщепителя с отверстиями. От этого цилиндрического объёма вниз к газоводу в топку организован трубчатый газопровод, с таким расчётом, чтобы весь отделённый парниковый газ вместе с микро и наночастицами углерода поступил к раскалённым углям топки, где наночастицы углерода сжигаются.

Углекислый газ в сепараторе-расщепителе расщепляется по реакции (11), и сгорает по реакции (12). Не весь углекислый газ отделяется от дыма в сепараторе-расщепителе парниковых газов. Доля сепарированных парниковых газов зависит от многих факторов: величины подаваемого высокого напряжения, скорости дымового потока, расстояния между электродами, температуры дыма, содержания паров воды в дыме. Эта величина может варьироваться в широких пределах от 2 до 60 процентов.

Для определённости возьмём величину 25%. Это означает, что с использованием высоковольтного сепаратора-расщепителя молекул углекислого газа выбросы в атмосферу этого парникового газа сокращаются на 25%. Это довольно большое сокращение выбросов углекислого газа. В истории промышленного производства электроэнергии тепловыми электростанциями такого сокращения выбросов углекислого газа удалось добиться только с использованием газовых турбин, работающих на сжигании метана (природного газа).

При этом КПД газовых электростанций составлял 45-47%, что на 7-9% выше КПД угольных электростанций, сжигающих угольную пыль и использующих паровые турбины (КПД = 37-38%). На одинаковое сокращение выбросов углекислого газа можно ожидать одинакового повышения КПД. Но учитывая сгорание дополнительного топлива из микро и наночастиц углерода, образуемого в сепараторе-расщепителе из молекул углекислого газа, можно ожидать дополнительного повышения КПД не менее чем на 3%. Тогда КПД рассматриваемой топки составит 48-50%.

Следует заметить, что сокращение выбросов в атмосферу углекислого газа и сопутствующие повышения КПД взяты при заниженной доле оборотного дыма только в 25% основного потока дыма. Доля оборотного дыма в реальных условиях может доходить до 50%. Тогда в перспективе развития комбинированной электростанции на угле и смешанном генераторном и водяном газе от сжигания угля КПД может превысить 60%.

Вывод

Углекислый газ из труб электростанций, металлургических заводов, цементных заводов, химических заводов, … может стать топливом не только бесплатным, но и выгодно продаваемым на рынке международных карбоновых квот, устанавливаемых в рамках борьбы с Глобальным Потеплением климата.

С предложениями по реальным проектам можно обратиться непосредственно к автору метода, доктору Ким С.Г. по адресу: kimmak2014@yandex.ru