Новый принцип, который апробируется ныне на Дрогобычском нефтеперерабатывающем заводе, был предложен учеными Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, исследовавшими свойства низкотемпературной плазмы — смеси свободных электронов и ионизированных атомов. Одно из направлений исследований, получившее название «плазмохимия», возглавил в институте академик В. А. Легасов. Почему бы, задумались плазмохимики, не утилизировать сероводород, образующийся при гидроочистке нефти? Ведь если удастся «дешево», то есть затрачивая мало энергии, в высокопроизводительной установке «развалить» сероводород на водород и серу, то проблема очистки «черного золота» решается очень красиво: водород вновь используется для очистки следующей порции углеводородного сырья, а сера отгружается для производства серной кислоты.
Как и всякое вещество, сероводород можно «развалить» на составляющие простым нагреванием. Потребуется довести температуру до 1500 °C. Тогда разорвутся электронные связи атомов водорода и серы. Затем смесь нужно охладить, но ни в коем случае не медленно, ибо иначе по мере понижения температуры водород и сера опять начнут соединяться, образуя сероводород. Выход есть — так резко охладить смесь, чтобы атомы водорода и серы просто не успели соединиться. В специальных установках температура снижается на тысячи градусов за доли секунды, но это требует много энергии.
Но когда сотрудники Института атомной энергии использовали сверхвысокочастотное электромагнитное излучение, картина существенно изменилась. Через трубу из кварцевого стекла, пропускающего СВЧ-излучение, проходит поток сероводорода. Электромагнитное излучение, пронизывающее этот поток, отдает энергию не на разогрев молекул газа, а на «раскачивание» атомов водорода и серы относительно друг друга вплоть до разрыва связи между ними. В результате удается убить сразу двух зайцев: во-первых, температура газа остается низкой и после выхода из зоны излучения не происходит рекомбинаций — образования снова сероводорода; а во-вторых, затраты энергии на «развал» молекулы минимальны.
Опытная установка на Дрогобычском комбинате работает. Дело — за широким промышленным внедрением принципиально нового метода.
Сбудутся ли предсказания Рамзая?
Более двадцати лет назад в одном из домов на Красноказарменной улице, неподалеку от Московского энергетического института, вокруг светящейся гирляндами огней новогодней елки собралась группа восторженных сотрудников лаборатории высоких температур Академии наук СССР. Они ликовали, потому что ток для гирлянд давала первая в стране лабораторная магнитогидродинамическая установка.
Сейчас лаборатория стала крупнейшим институтом Академии наук СССР. Он переехал ближе к Московской окружной автодороге. Там, на Коровинском шоссе, рядом с ТЭЦ построена опытно-промышленная установка У-25, мощность которой достаточна для освещения сотен тысяч новогодних елок, энергоснабжения небольшого города. А неподалеку от Рязани строится первая промышленная магнитогидродинамическая электростанция (МГДЭС) мощностью 250 тысяч киловатт.
На электростанциях преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется в паровой или газовой турбине. Повышается температура пара или газа — растет ее КПД. При температуре 2000 °C можно было бы достичь КПД около 70 процентов, но никакая турбина не выдержит такого перегрева. Сегодняшняя техника в состоянии создать газовые турбины для температур 1000–1300 °C, но у них будет ограниченный ресурс работы и мощности. А вот при бестурбинном прямом способе преобразования мы имеем дело с температурами до 2200–3000 °C.
Такой нагрев приводит к ионизации продуктов сгорания. Газовый поток превращается фактически в проводник, носитель электрического тока. Если поместить его в канал с электродами и создать магнитное поле, то между электродами возникает электродвижущая сила. Достаточно теперь замкнуть внешнюю цепь между электродами, подключить нагрузку, и электрогенератор заработал.
При этом создается электромагнитная сила, направленная против движения газа. Поток низкотемпературной плазмы, разогнанный в сопле до скорости около 1000 метров в секунду, тормозится и охлаждается до температуры 1500–1700 °C. Другими словами, кинетическая энергия ионизированного газа преобразуется в энергию электрического тока. Газовая струя, выходящая из камеры, еще сохраняет более половины первоначальной энергии.
Она далее используется как в обычной теплоэлектростанции. Так, на Рязанской МГДЭС сам МГД-генератор сочленен с обычной ТЭС. В таком комплексе можно добиться повышения КПД до 50–55 процентов.
Каждый процент прироста такой КПД дается недешево. Нужны инверторы для преобразования постоянного тока в переменный, сверхпроводящие магнитные системы. В камере сгорания — высокая температура, которую не выдерживают даже электроды из тугоплавких металлов. К тому же агрессивная плазма разъедает их.
Следовательно, нужны керамические электроды, обладающие при высокой температуре достаточной проводимостью. Кроме того, из-за ряда электрофизических эффектов на камере сгорания наводится электропотенциал до нескольких тысяч вольт, так что приходится применять высоковольтные электроизоляционные вставки на всех ведущих к ней трубопроводах и в точках ее соприкосновения с фундаментом. На опытно-промышленной Рязанской МГДЭС как раз и предстоит проверить методы преодоления подобных сложностей.
Интенсивная разработка МГД-генератора велась в те годы, когда уже обозначилось подорожание газожидкостного топлива, необходимость его экономии. Сейчас ясно, что на МГДЭС будет использоваться не нефть, а только, возможно, в небольшой степени, газ, в основном же уголь. Однако в местах добычи твердого топлива вряд ли целесообразно пристраивать к ТЭС дорогостоящие МГД-установки, чтобы экономить дешевый уголь. Но на МГДЭС, считают исследователи Института высоких температур АН СССР (ИВТАН), можно организовать эффективную систему очистки дымовых газов от двуокиси серы.
Предположим, в плазму добавляют ионизирующиеся соединения щелочных металлов — например карбонат калия. Тогда, во-первых, повышается ее удельная проводимость, а во-вторых, в интервале температур от 1600 °C до 1200–1300 °C образуется соединение калия и серы — сульфат калия. Получившийся сульфат калия конденсируется по мере охлаждения газового потока, а при температуре 1100 °C он затвердевает.
Сульфат калия улавливается электрофильтрами, а затем в специальной шахтной печи восстанавливается водородом или метаном до сероводорода. Товарная сера получается из сероводорода при окислении, хотя выгоднее использовать и знакомый нам плазмохимический процесс. Согласно экспериментальным данным из дымовых газов удаляется в результате до 99,8 процента серы.
Можно ли применить столь эффективный метод очистки на обычной ТЭС? Здесь важно, как и на МГДЭС, уменьшение потери калия, иначе очистка окажется дорогой. Ученые ИВТАНа продолжают исследования.
В Петрограде в самый разгар гражданской войны была издана книга английского химика У. Рамзая «Элементы и энергия». Наша страна испытывала тогда топливный голод, и мысли ученого о новых источниках энергии и об ее экономии звучали весьма своевременно.
Автор убедительно показывал важность энергии в жизни общества. Когда человек ею обеспечен, он может посвятить свое время искусству, развлечениям, образованию. «Каким путем, например, Афинская республика достигла таких успехов литературы и философской мысли?» — спрашивает У. Рамзай. Ответ гласит: «У каждого свободного грека было в среднем по крайней мере пять рабов, исполнявших его приказания, разрабатывавших рудники, возделывавших его поля и вообще избавлявших его от физического труда».
Учитывая конечность запасов ископаемого топлива, английский ученый указывал также на необходимость бережно относиться к расходованию энергоносителей «Мы должны, — говорил он, — рассчитывать главным образом на наши запасы угля как на источник энергии и на средство к обеспечению существования нашего населения; и мы должны стремиться к возможно более экономному расходованию угля… Хотя действительная потеря тепловой энергии в форме дыма невелика — не более полупроцента всего потребленного топлива, однако дым является видимым знаком напрасной растраты топлива и небрежного отопления… Мы совершенно избавимся от дыма введением штрафа в 6 пенсов за каждое нарушение соответствующего постановления».
И далее У. Рамзай предсказывал, что «изобретение, которое позволило бы нам превращать энергию угля непосредственно в электрическую энергию, произвело бы переворот во всех наших понятиях и методах, а такое изобретение теперь уже не представляется немыслимым».
