Моделирование утилизации CO2 в глубоких горизонтах

Авторы: Николаев А.П. (ООО "Геодин"), Муминова А.А. (University of Stavanger, Stavanger, Norway)
Математическое моделирование, геоинформационные системы и базы данных в гидрогеологии. Материалы всероссийской научно-практической конференции (25–27 сентября 2013 г.). М.: АНО УКЦ «Изыскатель», 2013. – с. 53-55.


Вырабатываемая московскими ТЭЦ двуокись углерода может быть захоронена в девонских отложениях, используемых в настоящее время ими же для добычи рассолов и обратной закачки части использованных рассолов.

Система утилизации избыточной двуокиси углерода, образовавшегося в промышленных и энергетических источниках, связана с применением технологии улавливания и концентрации СО2, его транспортировкой в надлежащее место хранения и последующим хранением без контакта с атмосферой в течение длительного периода времени /2, 4, 5/. Этап улавливания связан с отделением СО2 от других газообразных продуктов. Этап транспортировки может требоваться для доставки захваченного СО2 в подходящее место хранения, расположенное на определенном расстоянии от источника. В целях упрощения как транспортировки, так и хранения захваченный СО2, как правило, подвергается компрессии до высокой плотности в установке для улавливания. Наиболее привлекательным методом хранения является закачивание в глубокие водоносные горизонты.

Одним из лучших продуктов на рынке программ для моделирования технологического процесса улавливания и хранения двуокиси углерода в настоящее время является продукт Aspen Technologies (с вошедшей в ее состав компанией Hyprotech владельца торговых марок HYSIM, HYSYS, Aspen). Aspen HYSYS представляет собой программный пакет, предназначенный для моделирования в стационарном режиме, проектирования химико-технологических производств, контроля производительности оборудования, оптимизации и бизнес-планирования в области добычи и переработки углеводородов и нефтехимии. В основу универсальной системы моделирования HYSYS заложены общие принципы расчетов материально-тепловых балансов технологических схем. В целом моделирование технологической схемы основано на применении общих принципов термодинамики к отдельным элементам схемы и к системе в целом /6/.

В настоящей работе программа Aspen HYSYS (версия 7.3) использовалась для моделирования ТЭЦ с включенным циклом извлечения двуокиси углерода для его дальнейшей закачки в подземный резервуар. Главная цель моделирования ТЭЦ, основанном на сжигании природного газа с последующим извлечением двуокиси углерода из дымовых газов - это представить упрощенную, но реалистичную модель с целью оценки влияния ввода системы удаления двуокиси углерода на общую эффективность ТЭЦ. Упрощенная модель комбинированного цикла мощностью 400 МВт на основе сжигания природного газа была смоделирована с помощью программы Aspen HYSYS.

Моделируется газотурбинная ТЭЦ с генерацией энергии на паросиловых установках. Программа Aspen HYSYS моделирует горение чистого метана при температуре 1570оС при подаче атмосферного воздуха в камеру сгорания. Подача газа в камеру горения происходит одновременно с подачей воздуха, предварительно сжатого в компрессоре до давления 3 Мпа. Количество подаваемого природного газа зависит от требуемого количества электроэнергии, получаемого в комбинированном цикле процесса. В построенной модели для получения 400 МВт на газовой турбине необходимо подавать 34,09 т/ч природного газа. Для описания термодинамических свойств процессов, происходящих на моделируемом заводе использована модель Peng Robinson.

В данной статье представлен смоделированный в программе Aspen HYSYS процесс абсорбции и десорбции двуокиси углерода с применением раствора моноэтаноламина. Моноэтаноламин не является коррозионноактивным веществом, но за счёт протекания побочных реакций в растворе моноэтаноламина образуются продукты, которые, накапливаясь в растворе, вызывают коррозию оборудования. Термодинамические показатели для данной модели описаны в пакете Amines Property Package программы Aspen HYSYS.

Анализ уровня развития систем улавливания и захоронения двуокиси углерода в мире показывает, что в первую очередь ожидается их внедрение в промышленно развитых странах, в т.ч. в России. Наиболее перспективным с этой точки зрения является г. Москва, т.к. источники тепла, основанные на сжигании органического топлива, являются основными источниками выработки СО2 на территории г. Москвы. Здесь находятся десятки крупных ТЭЦ, районных и квартальных теплостанций, принадлежащие Мосэнерго, и сотни централизованных и автономных тепловых станций различных ведомств, организаций и предприятий. Уменьшение выбросов СО2 возможно за счет внедрения на предприятиях Мосэнерго технологии улавливания СО2 и последующего хранения в недрах земли. Несмотря на то, что затраты, связанные с улавливанием СО2 при использовании существующих технологий препятствуют их широкому применению, однако инновации в технологиях могли бы повысить их эффективность.

Наиболее перспективными горизонтами для закачки двуокиси углерода от московских ТЭЦ являются девонские водоносные горизонты /3/. В настоящее время из этих горизонтов скважинами глубиной до 1200 м добываются рассолы, используемые для регенерации Na–катионитных фильтров на ТЭЦ /1/. Хотя и часть рассолов возвращается в пласт после использования в технологическом цикле, происходит постепенное снижение напоров в горизонте. Нагнетание двуокиси углерода в горизонт поможет повысить давление в пласте, что улучшит условия добычи рассолов и расширит возможности безвозвратного отбора для нужд коммунальных нужд города по противогололедной обработке дорог в зимний период. Таким образом, решение экологической задачи по утилизации двуокиси углерода на московских ТЭЦ будет сопровождаться дополнительным положительным экономическим от расширения добычи рассолов.


Литература

1. Бураков А.Ю., Моисейцев Ю.В., Родионов И.В., Храмчихин А.М. Проблемы использования подземных природных рассолов в технологии подготовки добавочной воды теплосети // Новости теплоснабжения, № 02 (02), октябрь 2000.
2. Изменение климата и возможности низкоуглеродной энергетики в России / А.Х. Ларсен [и др.]. – М.: РСоЭС, 2012. – 6-7 с.
3. Москва: Геология и Город. Гл. ред. В.И. Осипов, О.П. Медведев. - М.: АО "Московские учебники и картолитография", 1997. - 400 с.
4. Рябов Г.А., Медник Е.Н. Исследование процессов сепарации, транспортировки и захоронения СО2 в Европе / 5. Ежеквартальный специализированный бюллетень «Экология производства», №1, 2007.
5. Хан С.А. Анализ мировых проектов по захоронению углекислого газа / С.А. Хан// Научно-технический журнал Георесурсы. – 2010. - №4 (36). – С. 55-56, 61.
6. Aspen HYSY Simulation of CO2 Removal by Amine Absorption from a Gas Based Power Plant, SIMS2007 Conference, Telemark University College, Norway.