Эксергетический анализ энергоблока тригенерации с улавливанием диоксида углерода из дымовых газов



В докладе Международного энергетического агентства представлено несколько альтернативных сценариев развития мировой экономики на период до 2050 года [1], в том числе инновационный сценарий Ускоренного развития технологий (Accelerated Technology scenarios, АСТ). В рамках этого сценария в качестве наиболее важных отмечены следующие актуальные направления:

– энергоэффективность и энергосбережение (в том числе, когенерация);

– улавливание и захоронение СО₂ (Carbon Capture and Storage, CCS), в том числе для повышения нефтеотдачи на месторождениях.

Самыми масштабными источниками диоксида углерода являются дымовые газы, образующиеся при сжигании различных видов ископаемого топлива. При этом дымовые газы, выбрасываемые в окружающую среду, имеют остаточный тепловой потенциал, который суммируется с общим трендом повышения температуры в результате выбросов диоксида углерода.

Наибольшего эффекта в решении комплекса современных проблем возможно достичь в многоцелевых установках ко-три и полигенерации. Однако такие системы являются сложными, требующими системных подходов к их созданию (проектированию) с целью достижения синергетических свойств или эмерджентности в их организации. В работе дается сравнительный эксергетический анализ технологической системы, объединяющей последовательно объединенные подсистемы глубокой утилизации теплоты дымовых газов с подсистемой улавливания диоксида углерода с интегрированным на основе системного информационного подхода вариантом энергоблока тригенерации по производству электроэнергии, холода и диоксида углерода. Данный подход является, по мнению Людвига фон Берталанфи [2], одним из перспективных направлений общей теории систем. Основной идеей его общей теории систем является то, что исследование отдельных процессов не дает представления о свойствах системы как единого целого и не приводит к появлению у нее свойств эмерджентности.

Целью работы является доказательство возможности достижения в интегрированной системе энергоблока тригенерации синергетических свойств на основе относительных эксергетических характеристик — эксергетических КПД. Эксергетический подход является корректным инструментом термодинамического анализа в оценке эффективности технических решений [3]. На рис. 1 представлен энергоблок тригенерации, разработанный на основе оптимальной интеграции цикла Ренкина (подсистема 1) и холодильного цикла среднего давления с отдачей внешней работы (подсистема 2) [4].

Рис. 1. Технологическая схема энергоблока тригенерации для улавливания и выделения диоксида углерода из очищенных дымовых газов (потоки, обозначенные кружочками, объединены). Обозначения: 1 — испаритель; 2 — пароперегреватель; 3 — паровая турбина; 4 — конденсатор; 5 — насос; 6 — парциальный конденсатор (удаление воды); 7 — промежуточный теплообменник; 8 — трехступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением; 9 — десублиматор; 10 — газовая турбина

Разработанное техническое решение (схема) позволяет совместить решение комплекса технологических задач, таких как:

– глубокая утилизация остаточной теплоты очищенных дымовых газов;

– тригенерация — совместная выработка трех полезных продуктов;

– глубокое улавливание диоксида углерода из дымовых газов;

– полное предотвращение теплового загрязнения окружающей среды.

Для выявления возможного синергетического эффекта в интегрированной системе эксергетический анализ проводится для двух вариантов систем в расчете на мощность основного энергоблока, равной 40 МВт. Методика расчета составляющих эксергии потоков приведена в [3].

Вариант 1 — оценка эксергетического КПД технологической системы, состоящей из последовательно объединенных подсистем: цикла Ренкина и холодильного цикла;

Вариант 2 — оценка эксергетического КПД разработанного способа тригенерации (интегрированный вариант системы).

Для корректной оценки при сравнении обоих вариантов комбинирования в качестве низкокипящего рабочего тела (НРТ) в цикле Ренкина используется метан, а в качестве хладагента — жидкий азот.

Из термодинамики известно, что эксергетический КПД системы, состоящий из последовательно объединенных подсистем, оценивается следующим образом:

,(1)

где — эксергетические КПД подсистем цикла Ренкина и холодильного цикла соответственно.

Представим эксергетический КПД для каждой подсистемы.

Подсистема цикла Ренкина представляет собой модифицированный вариант структуры цикла с регенератором, которая функционирует за счет внешнего источника остаточной теплоты дымовых газов и внешнего источника холода.

Эксергия на входе в цикл Ренкина складывается из эксергии потока дымовых газов , эксергии электропривода насоса по перекачке НРТ — Е_н и входной эксергии хладагента в конденсатор НРТ.

Эксергия на выходе из цикла Ренкина складывается из эксергии потока дымовых газов на выходе из цикла, эксергии механической работы турбины Е_т и эксергии хладагента на выходе из конденсатора .

Расчет эксергетического КПД цикла Ренкина проводится на основании зависимости:

,(2)

Как показали расчеты, эксергетический КПД подсистемы 1 составляет 70,63 %.

Холодильный цикл среднего давления с отдачей внешней работы по структуре аналогичен циклу Гейландта и представляет собой подсистему, в которой происходит выделение диоксида углерода из потока дымовых газов в твердом виде (десублимация) за счет внешнего источника холода — потока метана, подведенного к подсистеме извне.

Эксергия на входе в холодильный цикл складывается из эксергии потока дымовых газов на входе в цикл , эксергии метана на входе в десублиматор и эксергии E_к электрического привода многоступенчатого компрессора.

Эксергия на выходе из холодильного цикла складывается из эксергии потока дымовых газов на выходе из цикла , эксергии потока метана на выходе из цикла , эксергии механической работы турбины E_т, эксергии водяного конденсата , и эксергии твердого диоксида углерода (продукта) .

Эксергетический КПД холодильного цикла по данным расчетов составляет 50,31 %.

Таким образом, общий эксергетический КПД системы, состоящей из последовательно объединенных подсистем цикла Ренкина и холодильного цикла, будет равен: 70,63 ∙ 50,31 = 35,53 %.

В интегрированном энергоблоке тригенерации эксергия на входе в энергоблок складывается из эксергии потока дымовых газов, поступающих в цикл Ренкина и эксергии потока хладагента (жидкого азота под давлением), поступающего в конденсатор цикла Ренкина .

Эксергия на выходе из интегрированной ХТС складывается из эксергии потока дымовых газов на выходе из холодильного цикла , эксергии потока хладагента на выходе из конденсатора цикла Ренкина , эксергии получаемой механической работы, определяемой из баланса затрат мощности (суммарная мощность двух турбин за вычетом мощности на сжатие в компрессоре и мощности насоса), эксергии водяного конденсата , и эксергии твердого диоксида углерода (продукта) .

Расчеты показывают, что эксергетический КПД интегрированной системы составляет 73,56 %.

В результате сравнения удельных показателей эффективности вариантов можно сделать вывод, что эксергетический КПД для системы с последовательно объединенными подсистемами меньше наименьшего значения эксергетического КПД подсистемы, а для интегрированной ХТС эксергетический КПД больше наибольшего значения эксергетического КПД подсистемы, что указывает на синергетический эффект, достигаемый в рассмотренном способе получения товарного диоксида углерода в энергоблоке тригенерации. Данный вывод подтверждает обоснованность идеи Л. фон Берталанфи об изоморфизме законов живой материи и их применимости для оптимальной организации сложных технологических систем.

Литература:

1. Energy technology perspectives. In support of the G8 plan of action. Scenarios and strategies to 2050/ OECD/International Energy agency. Paris: IEA Publications. 2006. 484 p.

2. Берталанфи Л. фон. Общая теория систем: критический обзор. Исследования по общей теории систем. М.: Прогресс, 1969. С. 23−82

3. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия / под ред. В. М. Бродянского. М.: Энергия. 1968. 288 с.

4. Налетов В. А., Глебов М. Б., Налетов А. Ю. Получение электроэнергии, холода и диоксида углерода из дымовых газов: Патент RU2482406C1, МПК F25B11/00, F25J3/00, F01K25/00 от 20.05. 2013.