Титульная страница. Перспективный проект Утилизация и обезвреживание низкоконцентрированных газовых выбросов

1. Титульная страница.
Номинация: «Перспективный проект»
Тема проекта. Утилизация и обезвреживание низкоконцентрированных газовых выбросов
Организация, представляющая проект (если заявка подается от организации): Институт газа НАН
Украины
Руководитель проекта: Колесник Василий Васильевич, к.т.н., ст.н.сотр
2. Аннотация.
На текущий момент в мире имеется большое количество низкокачественного топлива,
промышленных отходов, нетрадиционных, возобновляемых и вторичных источников энергии,
суммарная энергия которых намного превышает нужды всех сфер производства и обслуживания.
В тот же время через низкую плотность накопленной в них энергии, наличия большого количества
вредных примесей и неприспособленность традиционных технологий для их вовлечения в
энергооборот, этот ресурс практически не используется.
Переработка низкоконцентрированных массовых выбросов традиционными методами
практически невозможна из-за необходимости привлечения такого количества дополнительной
энергии, что реализация их экономически нецелесообразна.
Предлагается
эффективный
методов
решения
проблемы
утилизации
низкоконцентрированных массовых выбросов на примере шахтного метана вентиляционных и
дегазационных выбросов (ССН4  1%), объемы которых составляют  70% от общих объемов
метана, который высвобождается в процессе угледобычи. Неиспользование этого ресурса означает
не только огромные энергопотери, а и способствует значительной нагрузке на окружающую среду,
поскольку метан есть одним из разрушителей озонового слоя Земли, а влияние его на создание
“парникового” эффекта превышает аналогичный показатель по диоксиду углерода больше чем в
двадцать раз. Поскольку проблема утилизации шахтного метана в мире не решена, предлагаемая
технология может представлять интерес для всех угледобывающих стран. При этом гарантировано
достигается полное окисление горючих примесей независимо от колебания их концентрации на
входе в установку с одновременной утилизацией энергии, полученной вследствие окисления
примесей низкой концентрации,
достигается надежное управление процессом поддержания
нестационарного режима окисления в рабочем состоянии.
Суть предлагаемой технологии в периодическом создании за счет тепла химических
реакций в слое катализатора тепловых высокотемпературных фронтов, в которых полностью
окисляются вредные примеси и концентрируется выделяемое тепло, используемое в дальнейшем
на поддержание собственно процесса окисления и на различные нужды потребителей.
3. Информация о заявителе.
Название организации: Институт газа Национальной Академии наук Украины
Адрес, в том числе юридический и фактический: Украина, 03113, Киев-113,
ул. Дегтяревская, 39
-
Адрес электронной почты, страницы в Интернете: [email protected], [email protected]
kpi.kiev.ua.
-
Фамилия, имя, отчество руководителя организации, номер телефона, факс: Бондаренко
Борис Иванович, (044)-456-44-71, факс. (044)-456-88-30
-
Направления деятельности организации: Промышленное использование газа, защита
окружающей среды, исследование процессов горения, процессы химической, металлургической и др.
отраслей промышленности
-
Производственный и трудовой потенциал: Институт является бюджетной неприбыльной
организацией
Руководитель проекта: Колесник Василий Васильевич, Институт газа НАН Украины, старший
научный сотрудник, к.т.н., Украина, 03113, Киев-113, ул. Дегтяревская, 39, 8 –0392900198,
[email protected].
1. В.Я.Конюх В.В.Колесник, Орлик В.М. Деякі нетрадиційні шляхи використання енергії
низькоякісних твердих палив, Доповіді НАН України, 1995, №7, с.76-78
2. В.В.Колесник, В.М.Орлик Комплексне знешкодження основних забруднювачів
навколишнього середовища вугледобуваючих регіонів, Уголь Украины, 1995, №8, с.22-24
3. И.Н.Карп, В.В.Колесник, В.М.Орлик, А.Д.Терещенко, И.А.Фарафонова Обезвреживание и
утилизация низкоконцентрированных метано-воздушных шахтных вентиляционных выбросов,
"Экотехнологии и ресурсосбережение", 1995, №5, с.18-21
4. М.О.Кононенко В.В.Колесник, В.М.Орлик Знешкодження та утилізація енергії викидів шахт,
"Уголь Украины", 1997, №12, с.25-26
5. Карп І.М., Колесник В.В., Орлик В.М., Колібабчук В.А. Концепція утилізації
низькоконцентрованого шахтного метану, "Вопросы энергетики", 2002г., №2
6. В.В.Колесник, В.М.Орлик Концепція утилізації та знешкодження масових промислових
відходів і залучення позабалансових джерел енергії з метою вирішення регіональних проблем
екології та енергозабезпечення, XIV Международная научно-практическая конференция
"Экология и здоровье человека. Охрана воздушного и водного бассейнов. Утилизация
отходов".Сб. научных статей, том ІІ, с.205-211, 5-9июня 2006г., г.Щекино, АР Крым, Харьков,
2006
7. Колесник В.В., Орлик В.М. Технология обезвреживания и утилизации низкоконцентрированных газовых выбросов, Оборудование и инструмент для профессионалов, №6,
2006г., с87-89
8. Колесник В.В., Орлик В.М., Карп І.М., П'ятничко О.І. Деклараційний патент України на
корисну модель "Спосіб утилізації та знешкодження низькоконцентрованих газових викидів", № i
- 2005 - 12486 от 22.03.2006
4. Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта.
Новизна предлагаемого подхода по сравнению с известными.
Предлагаемая технология использует известный принцип осуществления
химических
процессов в нестационарных условиях, но реализация ее выгодно отличается от пионерской
разработки Института катализа Сибирского отделения РАН (Матрос Ю.Ш.
Каталитические
процессы в нестационарных условиях, Новосибирск, "Наука", 1987, 290 с.) .
Реализация предлагаемой
технологии не требует периодического, довольно частого,
переключения направления движения больших объемов газовой смеси, что существенно
усложняет техническое оформление процесса, а также приводит в момент переключения к
проскоку неочищенного газа, доочистка которого требует дополнительной аппаратуры.
Предлагаемое решение лишено указанных недостатков, что, в итоге, существенно упрощает
аппаратурное оформление технологического процесса и управление им, а также увеличивает его
надежность.
Единичная мощность установки может варьироваться от нескольких тысяч м3/час до
десятков тысяч м3/час, в зависимости от конкретной потребности.
В настоящее время в промышленно развитых странах интенсивно ведутся разработки так
называемых нестационарных технологий, т.е. осуществление технологических процессов в
динамических режимах, в стационарных неустойчивых состояниях и т.п., что позволяет не только
существенно повысить производительность агрегатов, но и часто только в таких режимах
возможно осуществление желаемых процессов.
5. Сущность предлагаемой разработки.
На рисунке приведена схема, которая демонстрирует реализацию предлагаемого способа.
Входной поток газа с низким содержанием горючих примесей (1) после теплообменника
“газ - газ” (10) последовательно проходит слой катализатора (7) и слой инертной засыпки (8), в
которых
происходит
процесс
окисления
с
выделением
тепла.
После
охлаждения
в
теплообменниках “газ - вода” (9), “газ - газ” (10), “газ - вода” (11) обезвреженный газовый поток
(2) выбрасывается наружу.
Тепло, полученное при окислении горючих примесей, используется для получения горячей
воды или пара, выбор параметров которых (давление, температура, степень перегрева) зависит от
конкретных нужд потребителя. Холодная вода из промежуточной емкости (12) подается в
основной (9) и вспомогательный (11) теплообменники. Расход воды автоматически регулируется с
помощью вентилей (5) и (4), соответственно.
Основной отбор тепла происходит в теплообменнике (9) с получением горячей воды (пара)
необходимых параметров. Теплообменник (11) предназначен для предварительного подогрева
воды в промежуточной емкости (12) путем подачи необходимого количества воды в те периоды,
когда температура газового потока после теплообменника (10) - в точке (e) - превышает на
заданную величину температуру воды в емкости (12). Уровень воды в емкости (12) автоматически
поддерживается на заданном уровне подачей необходимого количества холодной воды (3).
Особенностью предложенной схемы есть то, что весь газовый поток непрерывно движется
в одном направлении, а коммутация относительно небольших по объему потоков воды в
теплообменниках (9) и (11) осуществляется без изменения направления их движения.
Указанная особенность предлагаемого варианта обезвреживания и утилизации энергии
больших объемов выбросов с низкой концентрацией вредных горючих веществ обусловлена тем,
что вся окислительная часть установки - слой катализатора (7) и слой инертной засыпки(8) выполняют роль динамического накопителя, который аккумулирует тепло, выделяющееся в
процессе окисления, в виде области нагретой твердой фазы, которая медленно продвигается от
начала (a) до конца (с) окислительной части.
6. Права на интеллектуальную собственность.
На предлагаемый способ получен декларационний патент Украины на полезную модель
"Способ утилизации и обезвреживания низкоконцнтрированных газових выбросов". (№ i – 2005 –
12486 от 22.03.2006).
7. Конкурентные преимущества.
Известны российские разработки в области нестационарной технологии, а также практически
аналогичные польские разработки, использующие принцип изменения направления потока
газовой смеси для удержания тепла химических реакций в реакционной зоне.
Преимущества предлагаемой технологии указаны в п.4.
8. Рынок сбыта.
Усовершенствование основных технологических процессов в химической, легкой и других
областях промышленности (производство пластмасс, мебели, искусственной и синтетических
материалов, процессы сушки, крашение, покрытие лаком и т.п.) приводит к снижению в
технологических выбросах концентрации вредных или нежелательных примесей. Но, в
подавляющем большинстве случаев, их величины все еще превышают допустимые нормы и
представляют значительную угрозу окружающей среде и здоровью людей. В то же время, эти
выбросы, имея значительную энергетическую стоимость, уже не могут быть обезвреженные и/или
полезно использованные с энергетической точки зрения традиционными методами, поскольку эти
обедненные смеси без обогащения не горят в факеле. И даже каталитическое окисление с
использованием
традиционных схем стационарного теплообмена не способно обеспечить
автотермический ход процесса сжигания.
Во всех этих случаях применение предлагаемой технологии позволяет оптимально решить как
экологические, так и энергетические проблемы.
На наш взгляд, наиболее эффектно можно было бы продемонстрировать преимущества и
достоинства предлагаемой работы при утилизации вентиляционных и дегазационных выбросов
угольных шахт.
Суммарная прибыль состоит из двух составляющих. Первая связана с получением прибыли от
использования бросовых энергоносителей, которые в настоящее время никак не используются.
Так, при среднем объеме вентвыбросов шахты 800 тыс. куб. м/час с концентрацией метана 1%,
использование предлагаемой технологии эквивалентно получению дополнительных 8 тыс. м 3
природного газа (ПГ)/час (~ 70 млн. м3 ПГ/год). Вторая составляющая прибыли связана с
уменьшением объема платежей за загрязнение воздушного бассейна. Конкретную оценку, в связи
со сложностями применения в Украине природоохранного законодательства, в настоящее время
дать трудно.
Но даже использование
только 70 млн. м3 ПГ/год,
полученного от утилизации
вентвыбросов средней шахты с помощью 10 установок, ориентировочной стоимостью 800 тыс.
US$ каждая, и стоимости ПГ порядка 230 US$/1000 м3 , обеспечит, после истечения срока
окупаемости (~ 0,6 года), с учетом амортизационных отчислений и эксплутационных расходов,
получение прибыли ~ 12 млн.US$/год.
К примеру, Украинский рынок для предлагаемой технологии довольно большой:
в
совокупности в Донецком и Львовско-Волынском бассейнах в атмосферу выбрасывается ежегодно
приблизительно 402 млн. м3 метана в составе дегазационных выбросов (концентрация 15-20%) и
2512 млн. м3 – с вентиляционными выбросами (концентрация 0,1-0,7%). Учитывая существенное
увеличение стоимости природного газа, ограниченность его запасов и широкое вовлечение в
последнее время в энергобаланс многих стран угля, перспективность предлагаемой технологии не
вызывает сомнений.
Кроме того, предлагаемая технология на сегодня практически безальтернативна во многих
производствах основной химии, нефтехимии, металлургии и др. отраслях характеризующихся
большими объемами вредных выбросов с низкой концентрацией горючих примесей, которые в
настоящее время выбрасываются в атмосферу.
Реальный экономический эффект будет непосредственно связан с объемом внедрения,
природы обезвреживаемых/утилизируемых газовых выбросов, видом конкретного потребителя
полученной дополнительной энергии.
Маркетинговые исследования и рекламные кампании для продвижения нашей технологии на
рынок, кроме публикаций в научно-технической литературе, не проводились.
9. Порядок коммерциализации результатов разработки.
Создание установок, которые реализуют предлагаемый подход, относится к области высоких
технологий (high-tech).
Стоимость, сроки разработки и внедрение новых перспективных технологий утилизации и
обезвреживания
непосредственно
зависят
от
качественного
уровня
привлеченного
математического обеспечения на этапах исследования, проектирования и оперативного
управления. Лишь в этом случае можно эффективно решать проблему масштабного перехода и
разрабатывать оборудование для обезвреживания и утилизации энергии газообразных выбросов
разнообразного происхождения, учитывая непосредственные нужды конкретного производства и
потенциального потребителя сэкономленной энергии.
В настоящее время авторами разработано математическое обеспечение, которое позволяет в
сжатые
сроки
на
этапах
исследования
и
проектирования
обеспечить
оптимизацию
конструктивных и технологических параметров для установки заданной производительности с
учетом существующей инфраструктуры, нужд конкретного производства и потенциального
потребителя.
Реализация
предлагаемой
технологии
может
быть
полностью
обеспечена
на
базе
отечественных мощностей – производство катализаторов, создание и монтаж необходимого
оборудования и т.п.
На данном этапе необходимы инвестиции для создания опытно-промышленной установки
производительностью 1015 тыс. м3 перерабатываемых низкоконцентрированных выбросов.
Ориентировочная стоимость данного этапа ~ 1млн. у.е.
Переход к серийному производству определенного ряда типоразмеров данных установок
гарантирует инвесторам выход на обширные рынки Украины, угледобывающих стран СНГ,
ближнего и дальнего зарубежья при практическом отсутствии конкуренции. Освоение только
рынка Украины может обеспечить ежегодную прибыль порядка 3.5 млрд. у.е.
10. Состояние и источники инвестирования в реализацию проекта.
До сих пор разработка нестационарной технологии обезвреживания низкоконцентрированных
газовых смесей финансировалась Национальной академией наук Украины (зарплата сотрудников)
и Государственным фондом научно-технических и фундаментальных исследований.
Дальнейшее финансирование возможно за счет государственных программ по использованию
внебалансовых источников энергии и защите окружающей среды, а также за счет предприятий,
производственная деятельность которых сопровождается большими объемами газовых выбросов,
содержащих вредные компоненты.
Поскольку в Украине практически не соблюдается законодательство по защите окружающей
среды и все еще игнорируются рациональные подходы при решении проблем энергоресурсосбережения, наши обращения в различные ведомства оставались безответными.
Наша команда готова работать с любым инвестором «за зарплату» до внедрения
демонстрационной установки, а в дальнейшем иметь оговоренный процент от прибыли за
проданные установки.
11. Предстоящие затраты по проекту.
На данном этапе необходимы инвестиции для создания опытно-промышленной установки
производительностью 1015 тыс. м3 перерабатываемых низкоконцентрированных выбросов.
Ориентировочная стоимость данного этапа ~ 1млн. US$.
Переход к серийному производству определенного ряда типоразмеров данных установок
гарантирует инвесторам выход на обширные рынки Украины, угледобывающих стран СНГ,
ближнего и дальнего зарубежья при практическом отсутствии конкуренции. Освоение только
рынка Украины может обеспечить ежегодную прибыль порядка 3.5 млрд. US$.