Способ обеспечения углеродной нейтральности использования угля для генерации тепловой энергии при работе электростанций Российский патент 2023 года по МПК B01D47/00 E21C41/20 

Известен способ обеспечения углеродной нейтральности при генерации электроэнергии за счет поэтапного, а в перспективе и полного, отказа от использования ископаемого топлива (в том числе и угля) с заменой его на возобновляемые источники энергии [Рогалев Н.Ф., Тягунов М.Г., Шестопалова Т.А. Как повысить привлекательность электростанций на основе возобновляемых источников энергии // Энергетик РИНЦ. 2015. №1].

Недостатком данного способа является крайне низкая удельная энергоэффективность предлагаемых альтернативных источников, абсолютная зависимость устойчивости производства энергии от таких неуправляемых факторов, как изменение климата и стабильность погодных условий, а также - высокая степень неопределенности результатов при устранении неизбежных вторичных экологических последствий.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ улавливания и хранения двуокиси углерода при работе энергоустановок заключающийся в сепарации двуокиси углерода из потока отходящих газов, ее компрессии и закачки в искусственные или природные хранилища [«Улавливание и хранение двуокиси углерод» (Специальный доклад МГЭИК) стр. 4, рис. РП.3. https://www.ipcc.ch/site/assets/ uploads/2018/03/srccs_spm_ts_ru-1.pdf].

Недостатком этого способа является необходимость выполнения процесса сепарации СО₂ из потоков отходящих газов с использованием достаточно сложных и дорогих технологий, а также необходимость использования дополнительной технологии компрессии выделенного объема СО₂ перед подачей его к местам хранения (например, при геологическом хранении СО₂), а также необходимость предварительной подготовки мест хранения углекислого газа.

Технической задачей изобретения является обеспечение углеродной нейтральности использования угля для генерации тепловой энергии при работе электростанций за счет декарбонизации отходящих продуктов сгорания.

Указанная цель достигается тем, что, после очистки от тонкодисперсных твердых частиц, продукты сгорания угля подают в рабочий водоем, заселенный фитопланктоном, и очищают от углекислого газа, путем его преобразования в органическое вещество в процессе фотосинтеза с выделением свободного избыточного кислорода в атмосферу при проведении воздушно-пузырькового барботажа в активном слое воды, толщину которого (Н_а) определяют по формуле:

где: Q - доля углекислого газа в общем объеме отходящих газов, ед.; ρ_у - плотность углекислого газа, мг/м³; d_i - диаметр единичного пузырька, м; V_i - скорость всплывания пузырьков в воде, м/сек; ΔW_i - удельное поглощение углекислого газа фитопланктоном в процессе фотосинтеза, мг/м² ⋅ сек.

При расположении электростанций в приморских районах или при затоплении рабочих водоемов солеными водами, водная толща может быть заселена морским фитопланктоном.

В целях полной компенсации расхода кислорода на круглосуточное сжигание угля в рабочем водоеме создают условия для круглосуточного фотосинтеза и выделения кислорода путем равномерного распределения в активном слое воды дополнительных стационарных осветителей, расстояние между которыми (L) определяют по формуле:

где: α - прозрачность воды, м; и - соответственно, интенсивность светового потока осветителя и освещенность водоема в дневное время суток, люкс; е - основание натурального логарифма.

В угледобывающих регионах в качестве рабочего водоема используют затопленное выработанное пространство отработанных карьеров, а энергию для осветителей получают от солнечных батарей, располагаемых на поверхности отвалов вскрышных пород.

Образующийся в результате жизнедеятельности фитопланктона детрит осаждается и образует слой донных отложений. Эти отложения периодически откачивают и обезвоживают, с возвратом воды в рабочий водоем, а полученную биомассу используют в качестве источника растительного белка.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема, отражающая последовательность выполнения основных этапов очистки продуктов сжигания от углекислого газа. На фиг.2 показана общая схема организации воздушно-пузырькового барботажа отходящих газов. На фиг.3 показана схема установки круглосуточных стационарных осветителей активного слоя воды в рабочем водоеме. На фиг.4 показана схема для расчета оптимального расстояния между стационарными осветителями. На фиг.5 показана схема использования выработанного пространства отработанных угольных карьеров в качестве рабочего водоема и схема энергоснабжения стационарных осветителей в горнодобывающих регионах. На фиг.6 показана схема использования детрита в качестве источника растительного белка.

Способ обеспечения углеродной нейтральности использования угля для генерации тепловой энергии включает в себя: тепловую угольную электростанцию - 1; трубопровод для отвода продуктов сгорания угля - 2; блок физической очистки - 5; трубопровод для очищенных продуктов сгорания - 4; рабочий водоем - 5; фитопланктон - 6; распылитель - 7; активный слой воды - 8; пузырьки газа при барботаже - 9; стационарные осветители - 10; выработанное пространство карьера - 77; солнечные батареи - 12; отвал вскрышных пород - 13; слой донных отложений - 14; трубопровод для откачки детрита - 75; пресс-фильтр - 16; биомассу - 17.

Способ реализуется следующим образом.

При работе угольной тепловой электростанции - 7, образующиеся продукты сгорания поступают по трубопроводу - 2 в блок физической очистки - 3, где с помощью одной из известных технологий (например, с помощью фильтров) эти продукты очищают от тонкодисперсных взвесей. Затем, очищенные газы по трубопроводу - 4 поступают к рабочему водоему - 5, заселенному, в зависимости от состава воды, пресноводным или морским фитопланктоном - 6 (фиг.7). Через распылитель - 7, установленный на глубине, равной толщине (Н_а) активного слоя воды - 8, производят воздушно-пузырьковый барботаж - 9 газообразных продуктов сгорания угля и их очистку от СО₂, как парникового газа, в процессе реализации в водной среде рабочего водоема - 5 известной реакции фотосинтеза (фиг.2):

Толщину (Н_а) активного слоя воды 8 определяют из условия полного поглощения углекислого газа за время всплывания пузырьков -9 при барботаже:

где: Q - доля углекислого газа в общем объеме отходящих газов, ед.; ρ_у - плотность углекислого газа, мг/м³; d_i - диаметр единичного пузырька, м; V_i - скорость всплывания пузырьков в воде, м/сек; ΔW_i - удельное поглощение углекислого газа фитопланктоном в процессе фотосинтеза, мг/м² ⋅ сек.

Для полной компенсации расхода кислорода на круглосуточное сжигание угля в рабочем водоеме - 5 создают условия для круглосуточного фотосинтеза и выделения кислорода путем равномерного распределения в активном слое воды - 8 дополнительных, круглосуточно работающих стационарных осветителей - 10 (фиг.3), расстояние между которыми (L) определяют, исходя из известного закона ослабления светового потока при прохождении сквозь вещество (Закон Бургера-Ламберта-Бера) (фиг.4). Установив, что обязательным условием круглосуточного фотосинтеза является обеспечение в точке, равноудаленной от смежных осветителей - 10, освещенности, равной по величине освещенности в дневное время суток, получаем формулу для расчета расстояния (L) между осветителями:

где: α - прозрачность воды, м; и - соответственно, интенсивность светового потока осветителя и освещенность водоема в дневное время суток, люкс; е - основание натурального логарифма.

В угледобывающих регионах в качестве рабочего водоема - 5 используют выработанное пространство карьеров - 11. При этом энергоснабжение дополнительных стационарных осветителей - 10 производят за счет солнечных батарей - 12, устанавливаемых на поверхности отвалов вскрышных пород - 13 (фиг.5). Во всех случаях, образующийся в результате жизнедеятельности фитопланктона детрит осаждается в нижней части рабочего водоема - 5, образуя слой донных отложений - 14. Этот слой периодически откачивают через трубопровод - 15 и обезвоживают любым из известных способов, например, с использованием пресс-фильтров - 16. Воду возвращают в рабочий водоем - 5, а полученную биомассу - 17 используют в хозяйстве в качестве источника растительного белка (фиг.6).

Изобретение относится к области горного дела и, в частности, к горной экологии. Целью изобретения является обеспечение углеродной нейтральности использования угля для генерации тепловой энергии при работе электростанций за счет декарбонизации отходящих продуктов сгорания. Указанная цель достигается тем, что после очистки продуктов сгорания угля от тонкодисперсных твердых частиц отходящие газы подают в рабочий водоем, заселенный фитопланктоном, и очищают от углекислого газа путем воздушно-пузырькового барботажа в активном слое воды, толщину которого (Н_а) определяют по формуле:

где: Q - доля углекислого газа в общем объеме отходящих газов, ед.; ρ_у - плотность углекислого газа, мг/м³; d_i - диаметр единичного пузырька, м; V_i - скорость всплывания пузырьков в воде, м/сек; ΔW_i - удельное поглощение углекислого газа фитопланктоном в процессе фотосинтеза, мг/м² ⋅ сек. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ обеспечения углеродной нейтральности использования угля для генерации тепловой энергии при работе электростанций, включающий сжигание углей, удаление и складирование шлаков, очистку и отвод продуктов сгорания в атмосферу, отличающийся тем, что продукты сгорания угля подают в рабочий водоем, заселенный фитопланктоном, и очищают от углекислого газа путем его преобразования в органическое вещество в процессе фотосинтеза с выделением свободного избыточного кислорода в атмосферу при проведении воздушно-пузырькового барботажа в активном слое воды, толщину которого (Н_а) определяют по формуле:

где: Q - доля углекислого газа в общем объеме отходящих газов, ед.; ρ_у - плотность углекислого газа, мг/м³; d_i - диаметр единичного пузырька, м; V_i - скорость всплывания пузырьков в воде, м/сек; ΔW_i - удельное поглощение углекислого газа фитопланктоном в процессе фотосинтеза, мг/м² ⋅ сек.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в рабочем водоеме используют пресноводный или морской фитопланктон в зависимости от географического положения электростанции и от химического состава воды.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что в рабочем водоеме создают условия для круглосуточного фотосинтеза и выделения кислорода путем равномерного распределения в активном слое воды дополнительных стационарных осветителей, расстояние между которыми (L) определяют по формуле:

где: α - прозрачность воды, м; и - соответственно интенсивность светового потока осветителя и освещенность водоема в дневное время суток, люкс; е - основание натурального логарифма.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве рабочего водоема используют затопленное выработанное пространство угольных карьеров, а энергосбережение дополнительных стационарных осветителей активного слоя воды производят за счет солнечных батарей, располагаемых на поверхности отвалов вскрышных пород.

5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что детрит, образующийся в результате жизнедеятельности фитопланктона и осаждающийся на дно рабочего водоема в виде слоя донных отложений, периодически откачивают, обезвоживают с возвратом воды в рабочий водоем и используют в качестве источника растительного белка.