Выбросы в топливо: новая установка превращает дымовые газы в диметиловый эфир без промежуточных стадий

Проблема выбросов от объектов энергетики (ТЭЦ, котельных и промышленных печей) носит глобальный характер. Несмотря на развитие возобновляемых источников, тепловые электростанции остаются основой энергогенерации во многих странах.

Это приводит к постоянному росту объема вредных выбросов в атмосферу. Так, при сжигании органического топлива в огромных количествах образуются дымовые газы, значительную часть которых составляет CO₂. По последним данным, Россия занимает пятое место в мире по объему парниковых выбросов и этот показатель с каждым годом лишь увеличивается.

Традиционно загрязнения либо напрямую выбрасываются в атмосферу, что ведет к росту экологических штрафов, либо их очистка требует колоссальных затрат. Эти расходы негативно влияют на экономику предприятий, снижая рентабельность производства. В результате компании оказывается перед выбором: нести растущие финансовые потери, соблюдая экологические нормы, или рисковать, минимизируя затраты на очистку.

Существующие технологии утилизации газов, такие как промывка специальным раствором или использования биореакторов с водорослями, требуют применения дорогих реагентов, больших объемов энергии, а также сложных аппаратов (например, систем регенерации). В таком случае очистка превращается из экологической необходимости в статью постоянных финансовых расходов.

Ученые Пермского Политеха создали установку, которая позволяет преобразовать дымовые газы в диметиловый эфир — востребованный продукт для химического производства. На изобретение выдан патент.

Он находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Например, используется как экологичное альтернативное дизельное топливо, поскольку при его сгорании выделяется минимальное количество вредных веществ. В химической промышленности диметиловый эфир служит сырьем для производства бензина и других углеводородов.

Обычно этот продукт получают сложным и дорогим способом. Сначала из газа делают метанол, и только потом — диметиловый эфир, что требует в процессе много энергии и оборудования. Но новый метод ученых дает возможность синтезировать полезный продукт непосредственно из выбросов без промежуточных стадий.

Разработка представляет собой законченное технологическое решение, которое включает в себя два компонента: способ утилизации и специальное устройство для ее осуществления. Эта система позволяет организовать непрерывный процесс по преобразованию вредных выбросов в коммерчески востребованный продукт.

На первом этапе дымовые газы, отбираемые дымососом от рабочей печи или котла, поступают в систему подготовки, где проходят первичную обработку. Там происходит их смешивание с метаном или природным газом в соотношении два к одному.

Полученная смесь направляется в теплообменник, где нагревается до температуры 400-700°C. Важно, что при таком подходе нет дополнительных энергозатрат. Тепло берется от уже готового продукта — горячего синтез-газа, который производится в основном реакторе устройства. То есть система использует собственную энергию, чтобы подготовить новое сырье.

— Далее в реакторе при высокой температуре (750-950°C) компоненты дымового газа (углекислый газ и водяной пар) вступают в реакцию с метаном. Чтобы она шла достаточно быстро, используется пористый материал с активными частицами никеля. В результате получается синтез-газ — смесь угарного газа и водорода. Для точной настройки состава в реактор добавляют небольшое количество метана и воздуха. Это нужно, чтобы получить идеальное соотношение компонентов один к одному, необходимое для следующей стадии процесса, — рассказал Илья Вялых, кандидат технических наук, доцент кафедры «Оборудование и автоматизация химических производств» ПНИПУ.

Полученный горячий синтез-газ поступает в аппарат воздушного охлаждения, где вентиляторы продувают его наружным воздухом, снижая температуру до 30-40°C. Затем он направляется в центробежный сепаратор, где вращающиеся потоки отделяют от него сконденсировавшуюся влагу.

После очистки смесь сжимают компрессором до давления 20-30 бар, тем самым смещая химическое равновесие. Подготовленный таким образом газ подают в трубчатый реактор синтеза углеводородов, где и происходит ключевое превращение.

При температуре 200-300°C смесь превращается в диметиловый эфир. Это экзотермическая реакция, поэтому часть тепла ученые используют, чтобы поддерживать нужную температуру, а лишнее — отводят.

— Финальным этапом поток из реактора направляется в холодильник-сепаратор, где диметиловый эфир конденсируется, отделяется от непрореагировавших газов в виде готового продукта. Небольшая неактивная часть смеси возвращается в систему или выбрасывается. Однако такой объем уже несопоставимо мал по сравнению с исходными дымовыми газами, — отметил Никита Кифель, ассистент кафедры «Химические технологии» ПНИПУ.

Результат работы — создание замкнутого технологического процесса. С одной стороны, установка обеспечивает значительное снижение выбросов дымовых газов, решая экологическую проблему. С другой стороны, она производит коммерчески ценное химическое вещество — диметиловый эфир. Экономическая эффективность достигается за счет отказа от дорогостоящих реагентов и сложных процессов предварительной очистки.

Представленная разработка предлагает реальный путь для модернизации существующих теплоэнергетических установок. Внедрение такой технологии позволяет предприятиям не только выполнять ужесточающиеся экологические нормы, но и получать дополнительный доход от продажи диметилового эфира.