Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Повышение эффективности систем улавливания диоксида углерода из дымовых газов котельных установок

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности систем улавливания диоксида углерода из дымовых газов котельных установок"

На правах рукописи

005061051

ПРИХОДЬКО Степан Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ УЛАВЛИВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 03.02.08 - Экология (в энергетике)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I ••;'•!;

Москва 2013

005061051

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете им. В. С. Черномырдина

Научный руководитель: доктор технических наук

Ибрагимов Ильдар Маратович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Семёнова Инна Владиславовна

кандидат технических наук, Скопцов Юрий Викторович

Ведущая организация: ЗАО «Энергетические схемы и технологии»

Защита диссертации состоится 25 июня 2013 г. в 15 час. в ауд. 106 на заседании диссертационного совета Д 212.137.01 при Московском государственном открытом университете им. В. С. Черномырдина по адресу: 107996, г. Москва, ул. Павла Корчагина, д. 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета им. В. С. Черномырдина.

Автореферат разослан 22 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

. А. Б. Пермяков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Антропогенная эмиссия парниковых газов заметно влияет на процессы, происходящие в биосфере. Углекислый газ С02 - основной составляющий компонент парниковых газов, образующийся в результате сжигания органического топлива, в огромных количествах выбрасывается в атмосферу (ежегодно около 30 Гт). С начала промышленной революции концентрация С02 в атмосфере увеличилась от 280 до 385 ррш, причем темп такого роста непрерывно возрастает: за последние пятьдесят лет рост составил уже 75 ррш, а ежегодный прирост концентрации С02 находится в пределах 1—2 ррш.

Озабоченность мировой общественности таким положением привела к принятию в 1997 году Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (протокол вступил в силу в 2005 г.). Основная его цель — последовательное сокращение выбросов парниковых газов для всех стран-участников протокола. Осуществлению такой цели будет способствовать создание систем, обеспечивающих сокращение выбросов С02 от тепловых электростанций.

Предпочтительной в настоящее время является технология улавливания С02 путем очистки дымовых газов путем химического растворения (в частности, моноэтаноламином). Однако такая технология имеет весьма существенные недостатки - это очень большое потребление энергии для осуществления технологического процесса очистки (происходит увеличение стоимости производимой электроэнергии до 70 %, высокая коррозионность аминовых растворов (требуются дефицитные конструкционные материалы) и их разложение в присутствии кислорода. В связи с этим возникает необходимость создания новых более эффективных систем улавливания СОг с низкими энергетическими затратами, чтобы обеспечить выполнение требования Международного энергетического агентства - улавливание не менее 90 % всех выбросов С02 при увеличении себестоимости электроэнергии не более, чем на 20 %.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование различных методов улавливания диоксида углерода из дымовых газов котельных установок и выбор для промышленного освоения наиболее эффективных и экономичных технологий. Для реализации указанной цели были решены следующие задачи:

— классификация методов улавливания и разделения С02 из газовых потоков по механизму физико-химических процессов и степени промышленного освоения;

— применение наноструктурных материалов для улавливания СОг;

— исследование перспективных методов улавливания и разделения С02;

— технико-экономический анализ промышленно освоенных технологий улавливания СЮ2.

Научная новизна работы:

1. Проведена классификация методов улавливания С02 из дымовых газов по степени их промышленного освоения.

2. Выбраны наиболее перспективные методы улавливания С02 для дальнейших исследований и опытно-конструкторских разработок.

3. Исследованы физико-химические механизмы в перспективных методах улавливания С02.

4. В результате технико-экономического анализа промышленно освоенных технологий улавливания С02 выбрана наиболее экономичная технология.

Практическое значение работы. Увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере и возрастающая при этом ее средняя температура ведет к нарушению энергетического баланса Земли и, следовательно, к глобальному изменению климата планеты. Основным источником поступления диоксида углерода в атмосферу являются продукты сгорания органического топлива. С учетом того факта, что почти 80 % мировых потребностей в электроэнергии удовлетворяются за счет использования ископаемых видов топлива, нельзя ожидать в будущем снижения выбросов диоксида углерода, а наоборот, такие выбросы будут только увеличиваться.

Поэтому результаты выполненной работы по выбору наиболее оптимальной на сегодняшний день технологии улавливания С02 из дымовых газов (кальциево-карбонатный цикл) имеют большое значение для промышленного внедрения систем улавливания С02 на строящихся и проектируемых мощных тепловых электростанциях.

В результате выполненных исследований по физико-химическому анализу характеристик перспективных методов улавливания С02 показано, что возможно в ближайшем будущем создать более эффективные и менее энергозатратные системы снижения выбросов С02 в атмосферу.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

— классификация методов улавливания С02 по структуре технологических процессов и степени промышленного освоения;

— физико-химический механизм процессов улавливания и разделения С02 в перспективных технологиях;

— методика оценки стоимости различных систем улавливания С02;

— технико-экономический анализ промышленно освоенных технологий улавливания С02.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре кафедры «Теплоэнергетические установки» Московского государственного открытого университета, на V Международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк, 2011 г.), на III Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы» (г. Москва, 2012 г.), на VIII Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (г. Москва, 2013 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 7 статей, в том числе 4 статьи - в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 75 наименований. Общий объем диссертации составляет 110 страниц, в том числе 35 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная и практическая значимость темы диссертационной работы и приведена краткая характеристика ее основных положений.

В первой главе диссертации рассмотрено современное состояние проблемы улавливания диоксида углерода при сжигании органического топлива. Существуют три основных подхода к улавливанию СОг, образующегося при сжигании ископаемых видов топлива: улавливание после сжигания, улавливание до сжигания и кислородно-топливное сжигание.

Для отделения диоксида углерода из газового потока разработан ряд технологий: химическое растворение; физическое растворение; адсорбция/десорбция; мембранное разделение и криогенное сепарирование.

В настоящее время наиболее предпочтительной технологией выбрано улавливание СОг путем очистки дымовых газов (после сжигания топлива) химическими растворителями (обычно аминами). Главные недостатки технологии с использованием жидких аминов — это большое количество энергии, необходимой для регенерации, высокая коррозионность амино-вых растворов и возможность разложения растворителя в присутствии кислорода. Поэтому необходимы научно-исследовательские работы по повышению эффективности систем улавливания СОг путем поиска новых технологий и сорбентов, что определяет цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию абсорбционных методов улавливания диоксида углерода. Как уже было отмечено, в настоящее время в качестве основной технологии улавливания С02 выбран метод аминового растворения (рис. 1).

Дымовые газы поступают после десульфуризатора и охладителя в абсорбционную колонну с водным раствором моноэтаноламина (концентрация 20-30%), где происходит химическое растворение С02:

с2н4онын2+н2о+со2 ^ с2н4онгш;+нсо;

Рис. 1. Схема установки по улавливанию С02 с помощью моноэтаноламина. 1 - ТЭС, 2 - десульфуризатор, 3 - газодувка, 4 - охладитель дымовых газов, 5 - абсорбционная колонна, 6 - очиститель воды, 7 - насосы прокачки растворителя, 8 - теплообменник, 9 — охладитель, 10 - фильтр, 11 — реге-нерационная колонна, 12 - бойлер, 13 - восстановитель, 14 - конденсатор, 15 - барабан, 16 - насос,--потоки жидкости,----газовые потоки.

В зависимости от температуры реакция может происходить как в правую сторону (при пониженных температурах), так и в левую сторону (при повышенных температурах). Поэтому после нагрева аминового раствора в теплообменнике до 100-120 °С его вводят в верхнюю часть регене-рационной колонны, где происходит выделение С02 с концентрацией более 99%, который затем после сжатия поступает в хранилище.

С целью повышения эффективности такой системы улавливания С02 могут быть использованы смеси различных аминов: моноэтаноламина (МЭА), диэтаноламина (ДЭА) и метилдиэтаноламина (МДЭА), которые позволяют сочетать сильные стороны различных составляющих: низкую

коррозионную активность МДЭА (что позволяет повысить концентрацию аминов) и повышенную реакционную способность МЭА или ДЭА.

Из абсорбционных методов рассмотрим возможность применения для улавливания СО2 охлажденного раствора аммиака:

(NH4)2C03(eod.) + С02(г.)+Н200.) 2NH4HCO;(eo<).)

Эта реакция имеет существенно более низкую теплоту реакции, чем в случае использования аминов. Это заметно снижает энергетические затраты. Кроме того, такая технология имеет другие преимущества: более высокая способность улавливания С02, допустимость наличия кислорода, более низкая стоимость и возможность регенерации при высоких давлениях.

Большой интерес представляет использование для поглощения С02 ионных жидкостей (ИЖ), которые имеют определенные преимущества по сравнению с традиционными растворителями (аминами): более высокая абсорбционная способность при низкой коррозии конструкционных материалов, снижение потерь растворителя и затрат энергии на регенерацию.

Ионные жидкости - это соединения, образованные катионами и анионами и сохраняющие жидкое состояние при температуре проведения процесса. Ионные жидкости обычно термически устойчивы при высоких температурах. Они нелетучи и поэтому практически полностью отсутствуют в газовой фазе, что снижает их потери в результате испарения и исключает попадание в окружающую среду.

Ионные жидкости отличаются от расплавленных солей следующими признаками: способность к различным типам координации за счет диполь-дипольных взаимодействий и водородных связей; регулируемая смешиваемость с другими растворителями, в частности, с водой.

Для улавливания (поглощения) С02 большое значение имеют органические низкотемпературные ИЖ, которые плавятся при комнатной температуре и сохраняют жидкое состояние в широком диапазоне температур. Такие ИЖ (гексафторофосфат PF6, тетрафтороборат BF6 и др.) обычно со-

держат объемные низкосимметричные катионы с делокализованным зарядом и симметричные более мелкие анионы. Функциональные свойства ИЖ изменяются путем вариации различных комбинаций катионов и анионов. Низкотемпературные ИЖ можно регенерировать путем введения газообразного азота с последующим вакуумированием системы при температуре 70 °С для удаления поглощенного СО2.

Положительные стороны применения ИЖ для поглощения С02 могут быть расширены благодаря их комбинации с аминами. Смеси ИЖ-амины ведут себя подобно водным растворам аминов и в то же время приобретают новые положительные качества: рост поглощения С02, снижение потерь растворителя, повышение термической устойчивости, уменьшение энергозатрат на регенерацию и др.

В третьей главе диссертационной работы рассмотрены адсорбционные методы улавливания диоксида углерода. Оксид кальция является известным высокотемпературным сорбентом и может достаточно эффективно использоваться для улавливания С02 из дымовых газов котельных установок с образованием цикла из двух процессов:

650 °с

карбонизация СаО(/ив.) + С02(г.) -» СаС03(/яв.),

900 °С

кальцинирование СаС03(тв.) —♦ СаО(тв.) + С02(г.).

Оксид кальция СаО, имея стехиометрическую емкость поглощения оксида углерода 17,8 молей С02 на 1 кг сорбента, широко распространен в природе (в виде известняка) и поэтому является дешевым материалом. Даже при самых неблагоприятных условиях (спекание активного СаО, его отравление примесями SOx, потеря за счет истирания) способность к улавливанию у истощенного СаО сравнима с аминовыми растворителями. Кроме того, непрерывное обновление СаО из дешевых природных источников повышает остаточную реакционную способность на 20 %.

В кальциево-карбонатном цикле (ККЦ) используется карбонатор (адсорбер) с псевдоожиженным слоем и кальцинатор (регенератор) с кислородным сжиганием топлива (рис. 2). Дымовые газы вступают в контакт с сорбентом и происходит поглощение С02 в карбонаторе при температуре 650 °С.

Рис. 2. Схема установки с кальциево-карбонатным циклом. 1 — ТЭС, 2 - десульфуризатор (может не применяться), 3 - вентилятор, 4 - подогреватель, 5 - карбонатор, 6 - циклон, 7 — кальцинатор, 8 — устройство для получения кислорода, --потоки сорбента,----газовые потоки.

Кальцинатор (регенератор) работает как котел с псевдоожиженным слоем, сжигание угля происходит в чистом кислороде, поступающего из блока сепарации воздуха. Карбонат кальция в кальцинаторе при температуре 900-950 °С выделяет диоксид углерода, который отделяется в циклоне, а оксид кальция возвращается в карбонатор. Рациональное использование дополнительных источников тепла (<31, <32, <33 и С>4) в этой схеме позволяет уменьшить энергозатраты и снизить себестоимость производства электроэнергии (до 50 %). К числу таких источников тепла относятся:

1) экзотермический карбонатор с псевдоожиженным слоем вырабатывает значительно больше тепла, чем необходимо для подержания температуры карбонизации (СЮ;

2) дымовые газы с малым содержанием С02, выходящие из циклона при температуре -600 °С, могут обеспечить дополнительную выработку электроэнергии (С22), при этом они охлаждаются и выбрасываются в атмосферу;

3) горячий поток СаО/СаСОз, выходящий из циклона карбонатора, содержат вторичное тепло (С?3);

4) газ с высоким содержанием С02 из циклона кальцинатора имеет очень высокую температуру (> 800 °С), что дает возможность обеспечить дополнительную выработку электроэнергии (04).

Важными параметрами для оценки экономической эффективности такой технологии являются: отношение Са0/С02 и расход свежего сорбента. Расчеты показывают, что нужно принимать большое значение мольного отношения Са0/С02 (~5), а величина отходов должна быть строго ограничена (менее 5%). Это позволяет минимизировать стоимость такой системы улавливания С02.

Перспективными сорбентами для улавливания С02 из дымовых газов являются также сухие регенерируемые карбонаты щелочных металлов (натрия или калия). Такие карбонаты могут реагировать с С02 в присутствии пара с образованием бикарбонатов и выделением теплоты:

М2С03(тв.) +С02(г.) +Н20(г.)5Р*2МНС03(/ив.)

(М = Ма или К)

Стехиометрические показатели поглощения С02 для Ыа2С03 и К2.СО3 достигают значений 9,43 и 7,23 молей С02 на 1 кг сорбента, соответственно. В качестве поддерживающих материалов могут быть использованы оксиды алюминия или магния, а также диоксид кремния. Наиболее стабильным сорбентом является карбонат натрия на основе оксида алюминия:

Ка2С03/А120з с активной фракцией карбонатов 10—40% (вес.) и удельной поверхностью 100-120 м2/г.

Большое преимущество (с точки зрения снижения энергозатрат) имеют твердые химические абсорбенты, которые включают органические амины в пористой основе. Это может быть достигнуто либо пропиткой пор жидкостью, либо присоединением лигандов на поверхностях пор посредством химических связей. Однако самыми эффективными являются твердые сорбенты, созданные на основе новых наноструктурных материалов.

Благодаря дисперсии, иммобилизации и ограничению функциональных групп аминов в пористой твердой основе возможна разработка более устойчивого, менее токсичного и коррозионного материала по сравнению с жидкими аминовыми сорбентами. Твердые аминовые сорбенты позволяют осуществить процесс сухой очистки, при этом снижаются энергетические издержки, связанные с нагревом и испарением большого количества воды, а функциональные группы аминов могут быть подобраны в соответствии с требованием более низкой энергии регенерации. Подложки сорбентов создаются с целью более высокой стабильности и обеспечения низкого сопротивления массопереносу.

Адсорбционную способность обычно определяют как массу или количество молей адсорбированного С02 на массу сухого сорбента, находящегося в равновесии с определенной концентрацией С02 в газовой фазе при заданных значениях температуры и давления. Равновесная адсорбционная способность определяется функциональностью аминов, типом подложки и уровнем наполнения аминов на подложках. В зависимости от метода, которым передана функциональность аминов, существует верхний предел поглощения аминов. Присоединение аминовых групп к поверхности подложки ограничены ее площадью и плотностью закрепленных групп на поверхности. Так как способность поглощения С02 увеличивается с ростом количества аминов, то желательно максимальное наполнение аминами поверхности подложек.

Дымовые газы от ТЭС содержат различные кислотные загрязняющие примеси, такие как БОг, И02 и Н28. Поэтому идеальный сорбент С02 должен иметь минимальное снижение способности улавливания С02 в присутствии этих газов. Кроме того, в дымовых газах присутствует значительное количество влаги или пара. Проведенные исследования показывают, что присутствие влаги в газовых потоках не уменьшает емкость поглощения С02 для твердых аминовых сорбентов. Для таких сорбентов улавливающая способность по С02 не зависит от присутствия следовых количеств загрязняющей примеси Н28. При использовании твердых аминовых сорбентов возможно одновременное улавливание 802 и С02 из дымовых газов.

Для подложек твердых аминовых сорбентов можно использовать на-ноструктурный диоксид кремния с однородными пористыми структурами, имеющими высокие значения удельной поверхности и объема пространства пор. Такая наноструктура создается с помощью поверхностно-активных веществ в золь-гелевых растворах с кремнием. Поверхностно-активные вещества могут формировать упорядоченные мицеллярные структуры в золь-гелевом растворе в виде различных геометрических форм. Выбор поверхностно-активных веществ и условий золь-гелевой конденсации позволяет задавать необходимые свойства и характеристики кремнезема: величина пористости, размеры пор, площадь поверхности, соединения пор, структурная форма (шестиугольная, кубическая, аморфная и др.).

В качестве подложек для твердых аминовых сорбентов следует применять мезопористые материалы из диоксида кремния МСМ-41, МСМ-48 или 8ВА-15. Диаметры пор в них составляют от 2 до 200 нм. В частности, МСМ-41 имеет устойчивую шестиугольную структуру без соединений между порами, а диаметр пор может быть установлен от 2 до 30 нм на основе специально разработанных методов (рис. 3). Модернизация МСМ-41 путем присоединения нейтральных аминов дает более разупорядоченный мезопори-стый диоксид кремния с шестиугольной структурой, имеющий лучшую стабильность и соединения между порами по сравнению с обычным МСМ-41.

Меэопористый диоксид кремния МСМ-41

Монослои аминов на меэопористых подложках

Рис. 3. Схема функционализированных мономолекулярных аминовых слоев на меэопористых подложках.

Схема присоединения аминовых групп (этилендиамина) на подложку из диоксида кремния показана на рис. 4. Происходит образование внутримолекулярного карбамата, когда молекулы С02 захватываются частью этилендиамина. Монослои также дают возможность присоединить большое число активных центров на единицу площади поверхности, которые легко взаимодействуют с молекулами С02.

"н^о

Ьн2ОЭ

—Бі-О-

Рис. 4. Схема образования карбамата после реакции С02 с этилендиамином на мезопористой подложке

Емкость поглощения С02 связанными аминовыми сорбентами при температуре окружающей среды составляет от 0,5 до 2,0 молей/кг. Интересно сравнить различные твердые аминовые сорбенты с точки зрения эф-

фективности аминов, которую определяют как число адсорбированных молекул С02 на каждый атом азота в функциональных аминовых группах. В этом случае, теоретический максимум эффективности аминов при образовании карбаматов равен 0,5. Когда же С02 поглощен с образованием бикарбонатов, то теоретическая максимальная эффективность амина равна единице. Эффективность аминов для твердых аминовых сорбентов обычно ниже теоретических значений, однако существуют возможности для улучшения работы сорбента путем разработок более эффективных методик синтеза аминовых групп.

В четвертой главе изложены методы разделения диоксида углерода из газовых потоков. Улавливание С02 из дымовых газов можно рассматривать как задачу разделения газов, т. е. разделение С02 от N2. Для разделения газов разработаны разнообразные мембраны. Ключевыми факторами, определяющими эффективность процесса мембранной технологии является селективность и проницаемость мембраны. Однако они должны быть сбалансированы с другими параметрами, такими как долговечность и механическая целостность мембраны.

Показано, что возможно добиться 90 %-ного улавливания С02 из дымовых газов с достаточно высокой селективностью разделения газов (C02/N2 > 200). Но для этого требуется наличие мощного компрессора для создания давления дымовых газов больше 10 бар и очень большой площади мембран (около 150-млн. м2). В случае многоступенчатого процесса мембранного разделения суммарная площадь мембран может быть существенно уменьшена (до нескольких млн. м2).

В процессах разделения и поглощения газов широко используют два адсорбента - цеолиты (молекулярные сита) и активированный уголь, которые могут быть смешаны вместе или располагаться в виде отдельных слоев. Особое внимание привлекает CaY-цеолит благодаря своим уникальным свойствам, а максимальной адсорбционной емкостью по отношению к С02 обладает цеолит 13Х (3,5 ммоль/г при 298 К и давлении 1 бар). Адсорбци-

онная способность цеолитов заметно снижается с ростом температуры (например, в 2 раза при повышении температуры на 70 °С).

Активированный уголь — микропористый материал с высокой площадью внутренней поверхности (до 1200 м2/г), в которой находятся поры размером 2-10 нм. Для поглощения С02 при низких давлениях (~1 бар) активированные угли менее эффективны, чем цеолит 13Х. Однако с увеличением давления более 5 бар поглощение С02 углем уже становится выше, чем у цеолита 13Х ввиду большой удельной поверхности пор.

В последнее время на основе достижений супрамолекулярной химии создан новый класс наноструктурных материалов для разделения диоксида углерода — металлоорганические каркасные структуры (МОКС), в западной терминологии для обозначения таких материалов используется аббревиатура MOF (Metal-Organic Framework). Специально созданные материалы на основе МОКС способны более эффективно и с меньшими энергетическими затратами селективно разделять и улавливать молекулы С02, чем при использовании традиционных технологий (цеолиты, активированный уголь, молекулярные сита и др.).

МОКС представляют собой гибридные комплексные системы, в которых координационные центры - ионы или кластеры металла (в частности, Zn, Mg, Си и др.) связаны между собой органическими фрагментами — мостиковыми линкерами, которые способствуют формированию протяженной структуры. Органические фрагменты содержат различные химические соединения (ароматические поликарбоксилаты, бензолполикарбо-новые кислоты и др.) при сохранении одной и той же топологии каркаса. Все структуры в такой конструкции связаны между собой сильными ко-валентными связями (рис.5). Меняя химический состав металлов и органических фрагментов, можно целенаправленно получать различные структурные соединения: одномерные (линейные), двухмерные (слоистые) и трехмерные (каркасные).

Рис. 5. Примеры структур металлоорганических координационных полимеров: (а) — ГГ<МОР-1, построенный из метаплооксидных фра™ентов 7л,0 и органических бензол-дикарбоксилатных линкеров, (б) - >^-МОР-74 (ионы магния, соединенные линкерами из дигидроксибензол-дикарбоксилата).

Размер и протяженность пор в металлоорганических структурах могут быть настроены за счет изменения строения и состава органических линкеров для селективного разделения и улавливания определенных молекул. Таким образом, существует реальная возможность функциональной модификации внутренней структуры МОКС для создания оптимальных условий для улавливания молекул различных газов (в частности, С02).

Важным преимуществом МОКС по сравнению с традиционным сорбентом является большое свободное пространство внутри каркасной структуры, которое достигает 90% общего объема. Другое существенное отличие МОКС от традиционных нанопористых материалов (например, молекулярные сита) заключается в том, что поры в МОКС не содержат стенок. Свободный внутренний объем МОКС определяется наличием связанных открытых каналов и полостей размером менее 2 нм в местах пересечения этих каналов, что обеспечивает сверхвысокую удельную поверхность пор. Удельная площадь такой поверхности достигает 6000 м2/г, т. е. площадь целого футбольного поля может уместиться всего в 1 г матери а-

ла МОКС. Это на порядок превосходит удельную поверхность цеолитов и суперактивированных углей.

На сегодняшний день наиболее перспективной МОКС для улавливания С02 можно рекомендовать материал М§-МОР-74, состоящий из ионов магния, соединенных органическими линкерами (рис. 56). Этот материал способен улавливать 89 г С02 на один кг материала до состояния насыщения при атмосферном давлении и комнатной температуре, что почти вдвое превышает емкость улавливания любой другой МОКС и значительно больше емкости цеолитов и других традиционных пористых материалов. Причем С02 поглощается непосредственно при пропускании газовой смеси через поры МОКС, благодаря этому нет необходимости ждать установления термодинамического равновесия. Наличие физической адсорбции С02 в порах МОКС создает возможность осуществления обратимых процессов (улавливание и последующее выделение газа) при низких энергетических затратах (менее 10% от всей вырабатываемой энергии) по сравнению с более энергозатратными традиционными технологиями разделения газов, основанными на химической адсорбции. Важным свойством Mg-MOF-74 является то, что этот материал при комнатной температуре способен самопроизвольно высвобождать до 90 % поглощенного С02 при понижении его парциального давления, остальные 10% С02 выделяются из МОКС при нагреве до 80 °С.

Большие перспективы имеют биологические методы улавливания С02 из дымовых газов. Фермент карбоангидраза (КА), играющий важную роль в живых организмах, включая человека, является самым эффективным катализатором обратимых реакций С02 с водой с образованием ионов Н* и НС03~. Скорость растворения С02 в воде ограничена скоростью гидратации водного С02, а емкость содержания С02 определяется буферной емкостью. Добавление фермента КА в раствор значительно ускоряет скорость образования угольной кислоты. Одна молекула КА способна катализировать гидратацию 600 тыс. молекул С02. Высокая продолжитель-

ность жизни КА (~6 месяцев) приводит к низкой скорости обновления (регенерации), что позволяет создать эффективные биомембраны для разделения С02 (рис. 6).

Дымовые газы

Выходящие газы с высоким содержанием СОг

[=□<>[=! СП ^ СИ

Дымовые газы с низким содержанием СО2

Мембрана

Выходящие газы

Рис. 6. Схема биомембранного разделения С02.

Для улучшения массообмена между водой и газом в присутствии фермента КА разработана концептуальная схема реактора, когда гидратация С02 происходит в текущей жидкости (рис. 7). Фермент КА иммобилизован на твердой подложке, размещенной в виде слоев в реакторе. Поток воды распыляют через сопло в верхней части реактора. При этом происходит промывка этим потоком встречного газового потока с С02, входящего в нижней части реактора. Улавливание С02 происходит в той части реактора, когда встречные потоки воды и газов проходят через слои, содержащие фермент КА.

Можно ожидать, что разделение С02 с помощью ферментов будет в будущем самой эффективной и экологически чистой технологией с очень низким энергопотреблением при полном отсутствии нагрева компонентов.

выходящие газы

Рис. 7. Схема улавливания СО? с помощью фермента КА.

1 - водный поток в виде капель, 2 — твердая подложка с КА, 3 - водный раствор С02 и НС03~.

Пятая глава диссертации посвящена технико-экономическому анализу различных систем улавливания диоксида углерода. Все рассмотренные в диссертационной работе технологии улавливания С02 из дымовых газов имеют промышленные перспективы, но их нужно разделить на две категории: технологии первого и второго поколений (рис. 8). Технологии первого поколения являются в основном промышленно освоенными, поэтому для их использования в системах улавливания ССЬ на ТЭС требуются лишь небольшие технологические разработки. Технологии второго поколения отличаются высокой эффективностью поглощения С02 и низкими затратами энергии. Поэтому проведено достаточно подробное рассмотрение основных физико-химических процессов, которые обусловливают такие характеристики этих технологий. Но для возможности их промышленного применения в системах снижения выбросов С02 требуется проведение значительного объема НИОКР. Поэтому эти технологии пока не поддаются технико-экономическому анализу.

Время промышленного освоения технологии

Рис. 8. Развитие систем улавливания СОг из дымовых газов. АР - аминовые растворы, ОА - охлажденный аммиак, КМ - карбонаты щелочных металлов, ММ - мембранные модули, КЦ - кальциево-карбонатный цикл, ТС - твердые аминосодержащие сорбенты, ИЖ - ионные жидкости, MC — металлоорганические структуры, ФР — ферментное разделение

Для определения эффективности систем улавливания С02 и выбора наиболее оптимальной технологии следует рассматривать не только соответствующие химические процессы и технические характеристики, но также учитывать экономические показатели этих технологий, включая КПД тепловой электростанции, капитальные затраты, стоимость получаемой электроэнергии и стоимость «предотвращенного выброса» С02.

«Предотвращенный выброс» показывает величину снижения удельных выбросов С02 на единицу произведенной электроэнергии на ТЭС, имеющих систему улавливания С02 (Gey) и не имеющих такой системы (GSy). Можно считать, что именно относительная стоимость «предотвращенного выброса» на единицу массы С02 Q показывает экономическую эффективность той или иной системы улавливания С02 из дымовых газов:

С -С

Г -Г '

БУ "СУ

где ССу и СБУ — стоимость произведенной электроэнергии на ТЭС с системой улавливания С02 и без нее, соответственно.

Проведем сравнение традиционной технологии улавливания С02 (аминовое растворение) с четырьмя другими технологиями первого поколения. На рис. 9 показаны значения относительной стоимости «предотвращенного выброса» С02 для каждой из рассмотренных технологий при величине улавливания 90 % всех выбросов С02. Видно, что наибольшую эффективность имеет технология улавливания С02 с использованием кальциево-карбонатного цикла - удельная стоимость «предотвращенного выброса» С02 составляет 900 руб./т С02 (это в 2 раза ниже по сравнению с традиционной аминовой технологией). При функционировании такой системы улавливания С02 происходит увеличение стоимости произведенной электроэнергии на 36 %. Исходя из приведенного анализа вытекает, что в настоящее время можно рекомендовать для внедрения на крупных ТЭС наиболее экономически выгодную систему улавливания С02 на основе технологии кальциево-карбонатного цикла, а в будущем необходимо переходить к внедрению новых более эффективных методов улавливания ССЬ по мере их промышленного освоения.

Стоимость «предотвращенного выброса» СО г, руб/т С02

2500 -г------------------

АР ОА КЦ КМ ММ

Рис. 9. Сравнение пяти рассмотренных технологий улавливания по стоимости «предотвращенного выброса» С02

Однако в более отдаленной перспективе из-за непрерывного увеличения производства электроэнергии (особенно в развивающихся странах), сопровождающегося ростом выбросов диоксида углерода в атмосферу, даже самые эффективные системы улавливания С02 уже не смогут справляться с такими выбросами. При этом резко обострится проблема транспорта и хранения огромного количества уловленного диоксида углерода. Поэтому кардинальным решением такой проблемы является, на наш взгляд, создание промышленных технологий, обеспечивающих снижение уровня С02 до допустимых пределов непосредственно в атмосфере без затраты дополнительной энергии. Для этой цели, может быть использован фотокаталитический метод восстановления диоксида углерода до оксида углерода с помощью новых супрамолекулярных структур, в которых рений и рутений связаны различными мостиковыми органическими лигандами. Такие соединения под действием солнечного излучения превращают С02 в СО, из которого можно получать к тому же ценные продукты (крахмал, сахарозу и др.), т. е. практически из воздуха. Кроме того полностью исчезает проблема транспорта и хранения диоксида углерода.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ современного состояния проблемы улавливания диоксида углерода при сжигании органического топлива. Рассмотрены основные методы поглощения и разделения С02 из дымовых газов котельных установок: абсорбция (химическое растворение), адсорбция, мембранное разделение, а также методы с использованием наноструктур-ных материалов и ферментов.

2. Из абсорбционных методов улавливания С02 промышленно освоенными технологиями являются аминовое растворение, уже используемое в опытно-промышленных установках, и применение охлажденного раствора аммиака. Однако эти технологии имеют достаточно высокие энергозатраты, что существенно повышает себестоимость производимой электроэнергии до

70 %, поэтому такие технологии применять не следует. Более перспективным является абсорбционный метод с применением в качестве растворителя С02 ионных жидкостей, имеющий более низкие энергозатраты.

3. Адсорбционные методы улавливания С02 на основе твердых сорбентов отличаются низкими дополнительными энергозатратами, связанными с регенерацией сорбентов. К ним относятся технологии, основанные на использовании кальциево-карбонатного цикла (СаО/СаСОз) и карбонатов щелочных металлов (Иа и К). Метод улавливания С02, основанный на применении наноструктурных материалов - аминосодержащих твердых сорбентов отличается от указанных технологий более высокой адсорбционной способностью по отношению к С02 и может быть рекомендован для промышленного освоения.

4. Мембранное разделение С02 из потока дымовых газов приводит к самым высоким дополнительным энергозатратам (в частности, из-за необходимости компрессора для создания перепада давления в 10 бар) и требуется очень большая площадь мембранной поверхности (до 100 млн. м2). Поэтому такая технология не может быть рекомендована для практического применения в системах улавливания С02.

5. Применение нового класса наноструктурных матералов — метал-лоорганических каркасных структур (МОКС) открывает большие возможности для разделения и улавливания С02, вызванные более высокой эффективностью по сравнению с цеолитами из-за большой удельной внутренней поверхности (до 600 м2/г) и очень низкими энергозатратами для, последующего выделения С02. Для систем улавливания С02 рекомендуется МОКС типа Mg-MOF-74, состоящий из ионов магния, соединенных органическими линкерами.

6. В качестве самого эффективного и экологически чистого метода рекомендуется разделение С02 с помощью фермента карбоангидразы (КА), играющего важную роль в живых организмах, включая человека.

Этот фермент является мощным катализатором процессов растворения и последующего выделения СОг в водных растворах.

7. Все рассмотренные в работе методы и технологии улавливания СОг имеют промышленные перспективы. Однако по степени промышленного освоения в данный момент их можно разбить на две категории: первого и второго поколений. Технологии первого поколения являются в основном промышленно освоенными — это аминовые растворы, охлажденный аммиачный раствор, кальциево-карбонатный цикл, карбонаты щелочных металлов и мембранное разделение. Для возможности промышленного применения технологий второго поколения (твердые амино-содержащие сорбенты, металлоорганические каркасные структуры, ионные жидкости и ферментное разделение) требуется проведение значительного объема НИОКР.

8. Предложена методика оценки стоимости различных систем улавливания С02, основанная на анализе стоимости «предотвращенного выброса» С02, отнесенной к единице массы С02. Такой анализ, проведенный для технологий первого поколения, показал, что в настоящее время оптимальной технологией, имеющей самую низкую стоимость, является применение кальциево-карбонатного цикла (~900 руб/т С02), который рекомендуется для внедрения на крупных ТЭС. Для традиционной амино-вой технологии эта величина в 2 раза выше (~1800 руб/т С02).

9. Для кардинального решения проблемы сохранения климатических условий на Земле требуется, на наш взгляд, создание промышленно освоенных технологий, обеспечивающих снижение уровня диоксида углерода до допустимых пределов непосредственно в атмосфере без затраты дополнительной энергии/ Для этой цели может быть использован фотокаталитический метод восстановления С02 до СО с помощью супрамо-лекулярных структур, содержащих рений, рутений и органические лиган-ды.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Ибрагимов И. М., Приходько С. В. Наносистемы для контроля состояния воздушной среды // Энергосбережение и водоподготовка. 2011. №6. С. 64-66.

2. Ибрагимов И. М., Приходько С. В. Применение наноструктурных материалов в системах контроля загрязняющих веществ в атмосфере // V Международная научно-практическая заочная конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 15-16 декабря 2011 г.: сб. докладов. Липецк, 2012. С. 164-165.

3. Ибрагимов И. М., Приходько С. В. Наноструктурные материалы для контроля газообразных выбросов // Нанотехнологии и наноматериа-лы: Материалы III Международной научно-технической конференции. Москва, Издательство МГОУ, 2012. С. 198-199.

4. Ибрагимов И. М., Приходько С. В., Перфилова Е. А. Металлоорга-нические каркасные структуры - новый класс нанопористых материалов для улавливания диоксида углерода // Энергосбережение и водоподготовка. 2013. №1. С. 50-51.

5. Ибрагимов И. М., Приходько С. В. Повышение эффективности систем для улавливания углекислого газа, образующегося при сжигании топлива// Естественные и технические науки. 2013. № 2. С. 93-96.

6. Ибрагимов И. М., Приходько С. В. Современные методы очистки дымовых газов от С02 и пути повышения ее эффективности путем применения наноструктурных материалов // Материалы VIII Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития». М, 2013. С. 86-88.

7. Ибрагимов И. М., Приходько С. В. Применение наноструктурных ами-новых сорбентов для улавливания диоксида углерода из дымовых газов котельных установок // Энергосбережение и водоподготовка. 2013. №2. С. 44-45.

ЛР № 020448 от 07.04.97г. Подписано в печать 20.05.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печл. 1,63. Тираж 80 экз. Заказ № 162.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Приходько, Степан Владимирович, Москва

Московский государственный открытый университет имени В. С. Черномырдина

04201357774

ПРИХОДЬКО Степан Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ УЛАВЛИВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 03.02.08 - Экология (в энергетике)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор техн. наук Ибрагимов И. М.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УЛАВЛИВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА 1 Л. Источники и последствия антропогенных выбросов

диоксида углерода в атмосферу 7

1.2. Технологические схемы процессов улавливания диоксида углерода 12

1.3. Технологии и методы улавливания диоксида углерода 15

1.4. Постановка задач исследования по снижению

выбросов С02 в окружающую среду от ТЭС 21

Глава 2. АБСОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ УЛАВЛИВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

2.1. Аминовое растворение 23

2.2. Растворение в аммиаке 29

2.3. Ионные жидкости 31

Глава 3. АДСОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ УЛАВЛИВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

3.1. Кальциево-карбонатный цикл 42

3.2. Карбонаты щелочных металлов 50

3.3. Твердые аминосодержащие сорбенты 53

Глава 4. МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ИЗ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ

4.1. Мембранные технологии 64

4.2. Цеолиты и активированный уголь 69

4.3. Металлоорганические каркасные структуры 74

4.4. Ферментное разделение 79

Глава 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

СИСТЕМ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

5.1. Общие принципы технико-экономического анализа 86

5.2. Стоимостные показатели промышленно освоенных

систем улавливания диоксида углерода 89

5.3. Перспективные направления разработки и внедрения систем для снижения концентрации диоксида углерода

в атмосфере 95

ВЫВОДЫ 99

ЛИТЕРАТУРА 102

ВВЕДЕНИЕ

Антропогенная эмиссия парниковых газов заметно влияет на процессы, происходящие в биосфере. Углекислый газ, основной составляющий компонент парниковых газов, образуется в результате сжигания ископаемых топ-лив. Увеличение концентрации С02 в земной атмосфере и рост вследствие парникового эффекта средней температуры привели к весьма серьезной проблеме глобального изменения климата планеты. Поэтому возникла неотложная необходимость создания систем, обеспечивающих значительное сокращение текущего уровня эмиссии С02 и его стабилизацию в атмосфере Земли.

Такие меры, как повышение энергетической эффективности и использование альтернативных источников энергии, могут в какой-то мере обеспечить снижение эмиссии С02. Однако учитывая, что почти 80% мировых потребностей в электроэнергии удовлетворяется за счет использования ископаемых видов топлива, нельзя ожидать в ближайшем будущем отказа от применения таких видов топлива без нанесения значительного ущерба мировой экономике, В то же время эмиссию углекислого газа, обусловленную применением ископаемых видов топлива, нужно уменьшать путем его улавливания и геологического захоронения.

Глобальные усилия по ограничению выбросов от угольных ТЭС, являющихся самыми крупными источниками парниковых газов в атмосфере, направлены на применение технологий улавливания и хранения С02 на действующих ТЭС и прекращение строительства новых ТЭС без таких систем улавливания С02. Международное энергетическое агентство предлагает к 2050 году уменьшить мировые выбросы С02 от всех энергетических объектов до половины уровня 2007 года (29 Гт С02 в год) для стабилизации процесса глобального потепления.

Главной проблемой процесса улавливания является низкая концентрация С02 (6-15 об.%) в дымовых газах угольной ТЭС. Это означает, что должен быть обработан достаточно большой объем газа и должны использовать-

ся сильные химические растворители или адсорбенты для С02 с низким парциальным давлением.

Хотя большинство технологий улавливания С02 все еще находится на стадии НИОКР, технология очистки дымовых газов от С02 с использованием аминов достигла промышленных масштабов и доминирует над всеми технологиями. Однако из-за высоких энергетических затрат и больших размеров аминовых емкостей необходимы реальные технологические усовершенствования для снижения стоимости установок в соответствии с требованиям программы МЭА (Международного энергетического агентства): улавливание до 90% от всего количества С02 при увеличении стоимости электричества менее, чем на 20%.

Такое положение вызывает необходимость неотложной разработки новых инновационных методов разделения и улавливания диоксида углерода, так как существующие методы имеют низкую эффективность и большие энергетические затраты.

Учитывая озабоченность мировой общественности непрерывным ростом уровня углекислого газа в атмосфере, в 1989 году главы семи крупных мировых держав на своей ежегодной встрече признали необходимость принятия всемирной конвенции по глобальным климатическим изменениям. В 1992 году в Рио-де-Жанейро на конференции по окружающей среде и развитию была подписана Рамочная Конвенция ООН об изменении климата (РКИК ООН). Конференция признала наличие климатических проблем и необходимость борьбы с ними. Конвенция вступила в силу 21 марта 1994 года и была ратифицирована более чем в 150 странах мира.

Основная цель РКИК заключалась в достижении стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере на таком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему.

Рамочная Конвенция ООН об изменении климата определила лишь общие контуры существующей проблемы. Однако условия реализации

решений РКИК были определены только пять лет спустя в декабре 1997 года на конференции в г. Киото (Япония), где страны мирового сообщества продолжили разработку исторического соглашения о контроле над атмосферными выбросами парниковых газов, ведущими к глобальному изменению климата. В его основу легло добровольное, юридически не обязывающее заявление крупнейших промышленно развитых стран о намерении к 2000 году сократить объем выбрасываемых в атмосферу парниковых газов до уровня 1990 года. Для того, чтобы данное соглашение имело прочную экологическую и экономическую основу, были сформулированы основные задачи: установление реальных сроков и показателей выбросов парниковых газов для стран - участниц, использование гибких рыночных механизмов, а не обязательных схем и мер, как налог на выброс диоксида углерода.

Срок действия киотского протокола истек в 2012 г. без всяких, к сожалению, экологических последствий. Будущее международное Соглашение с 2013 года («пост-Киото») должно предусматривать куда более серьезные цели по снижению выбросов. Чтобы решить проблему антропогенного изменения климата глобальные выбросы парниковых газов должны быть снижены к 2050 г. в два раза от уровня 1990 г. Международная группа экспертов по изменению климата (1РСС), на данные которой опирается ООН, считает также необходимым достичь к 2020 г. снижения глобальных выбросов на 25-40%. Только такой объем снижения выбросов сможет реально изменить ситуацию. Ввиду этого особенно остро встает проблема создания эффективных систем улавливания С02, решению которой посвящена данная диссертационная работа.

Первая глава диссертационной работы посвящена рассмотрению современного состояния проблемы улавливания диоксида углерода при сжигании органического топлива. В результате проведенного анализа определены цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе работы приведены исследования и даны рекомендации по абсорбционным методам и технологиям улавливания С02.

Третья глава диссертационной работы посвящена рассмотрению адсорбционных методов и технологий улавливания диоксида углерода. Особое внимание уделено исследованию процессов в твердых аминосодержащих сорбентах.

В четвертой главе диссертации приведены результаты исследований различных методов и технологий разделения С02 в газовых потоках. Особый интерес представляет механизм процессов разделения С02 с помощью ме-таллоорганических каракасных структур и биологического фермента - кар-боангидразы.

Пятая глава диссертационной работы посвящена технико-экономическому анализу различных систем улавливания диоксида углерода, на основе которого выбрана наиболее оптимальная на сегодняшний год такая система.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю доктору технических наук Ибрагимову Ильдару Маратовичу за помощь в подготовке данной диссертационной работы.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УЛАВЛИВА НИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА

1.1. Источники и последствия антропогенных выбросов диоксида углерода в атомосферу

Большую обеспокоенность в последние годы вызывает проблема изменения климата и, в этой связи ряд взаимосвязанных явлений, таких как увеличение антропогенной эмиссии парниковых газов, прежде всего С02 и СН4, рост концентрации этих газов в атмосфере, повышение средней температуры поверхности планеты.

СОг (углекислый газ, диоксид углерода) — химически устойчивый бесцветный газ без запаха, со слегка кисловатым вкусом. Плотность при нормальных условиях 1,97 кг/м . При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

В прошлом до индустриализации в природе был устойчивый круговорот С02. Из атмосферы изымалось и расходовалось растительным миром на биосинтез с использованием энергии солнечного излучения определенное количество С02. При этом производилась биомасса. Точно такое же количество С02 возвращалось в атмосферу в результате параллельно протекающих процессов разложения биомассы при использовании выделившегося при фотосинтезе кислорода. Таким образом, создание биомассы не приводило к увеличению содержания ни кислорода в атмосфере, ни С02 при биологическом разложении биомассы.

В последнее время в связи с резким развитием промышленного производства этот установившийся баланс количества С02 в атмосфере нару-

шился из-за сжигания биомассы, накопленной на Земле 200— 600 млн. лет назад в виде ископаемых органических топлив. В результате сжигания такого топлива на Земле возникает ежегодный прирост огромного количества С02 сверх сбалансированного круговорота, что приводит к росту концентрации С02 в атмосфере и способствует образованию так называемого парникового эффекта.

На протяжении всего человеческого существования до начала 19-го века в нашей атмосфере находилось 275 частей С02 на миллион частей воздуха (ррт). Такая концентрация С02 - это совсем не плохо. Если бы С02 и других парниковых газов, которые сохраняют тепло в атмосфере, вообще не существовало, то наша планета была бы слишком холодная. Без газового одеяла, окутывающего Землю, температура на ее поверхности была бы ниже на 30-40 °С. Существование живых организмов в таком случае было бы весьма проблематичным. Следовательно, нужно иметь молекулы углекислого газа в атмосфере - но вопрос в том, сколько?

Остановимся на приведенных на рис. 1.1 опытных данных, не нуждающихся в дополнительных подтверждениях. Прежде всего отметим, что емкость биосферы, усваивающая поступающий из разных источников С02, была в значительной степени исчерпана еще в начале XX века. Об этом свидетельствует рост концентрации С02 в атмосфере, которая уже в 1950 г. составляла около 312 ррт и в настоящее время достигло 387 ррт (по сравнению с 280 ррт доиндустриальной эпохи).

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного С02. Второй по значимости причиной является вырубка лесов.

Имеет значение тот факт, что диоксид углерода является более тяжёлым газом по сравнению с воздухом. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса С02 — 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависи-

мости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.

Ежегодные выбросы Концентрация СО-,

СО,, млн т в атмосфере, ррт

Годы

Рис. 1.1. Ежегодные антропогенные выбросы С02 в атмосферу и изменение концентрации С02 в атмосфере.

Отличительной особенностью парниковых свойств диоксида углерода по сравнению с другими газами является его долговременное воздействие на климат, даже после прекращения вызвавшей его эмиссии. Так, в частности, срок сохранения в атмосфере выброшенного С02 составляет около 120 лет. Это означает, что образовавшиеся в настоящее время выбросы С02 будут оказывать отрицательное влияние на несколько поколений людей.

По мнению Межправительственной комиссии по изменению климата, «увеличение концентрации парниковых газов приведет к разогреву нижних слоев атмосферы и поверхности земли. Любое изменение в способности Земли отражать и поглощать тепло, в том числе вызванное увеличением содержания в атмосфере тепличных газов и аэрозолей, приведет

к изменению температуры атмосферы и Мирового океана и нарушит устойчивые типы циркуляции и погоды».

Таким образом, ключевым фактором, влияющим на изменение климата, являются парниковые газы. Эти вещества создают в атмосфере экран, пропуская солнечные лучи, они задерживают инфракрасное излучение, создавая эффект, подобный покрытию теплицы или закрытым стеклам автомобиля. Из-за парникового эффекта поверхность Земли и нижний слой атмосферы непрерывно нагреваются.

Парниковый эффект был всегда, как только у Земли появилась атмосфера. Однако сегодня мы наблюдаем беспрецедентный за всю историю человечества рост концентрации С02 и усиление парникового эффекта.

По данным международных экспертов, за последние 100 лет радикальным образом произошли отклонения от равновесного режима в земной атмосфере и в климатической системе. Начался процесс «изменения климата», поскольку разные участки Земли по-разному реагируют на происходящие в атмосфере явления. Если в северных регионах стремительно теплеет, то в южных все чаще отмечаются небывало сильные холода. Моделирование климатических процессов показывает, что такая концентрация парниковых газов может привести к прогреванию земной поверхности в среднем на 1,5-5 °С. Потепление будет более выражено в полярных районах до 10 °С, и менее - в экваториальных (1-2 °С).

Можно выделить несколько самых очевидных на данный момент последствий изменения климата:

Таяние ледников

В 2007 году установлен феноменальный рекорд таяния льдов Арктики. Их площадь на конец лета составила только 4,4 млн. км2, тогда как тридцать лет назад она равнялась 8 млн. км . По прогнозам ученых, за XXI век разрушение ледниковых щитов Гренландии и Антарктики может привести к подъему уровня моря до 40 см, а в целом океанское потепление вызовет таяние горных ледников и полярных льдов, которое может привести к поднятию

уровня Мирового океана на 1,5 м. Для охраны арктических экосистем, очень важно, чтобы потепление не превысило 1,5 °С.

Исчезновение растительных и животных видов

Изменение климата разрушает уникальную природу, а биологические виды находятся под угрозой исчезновения или сужения ареала обитания. Потепление приводит к нарушению пищевых цепочек в Арктике и на других, уязвимых с климатической точки зрения территориях. Климатические и ландшафтные изменения для многих, особенно, редких видов растительного и животного мира имеют критическое значение.

Климатическая миграция

Изменение климата приводит к затоплению, а также учащению штормов, оказывающих усиливающееся влияние на прибрежные зоны, что заставляет людей мигрировать вглубь территории стран.

Ученые прогнозируют, что к 2050 году как минимум 150-200 миллионов людей будут вынуждены изменять место проживания из-за природных катастроф. С явлением климатической миграции уже столкнулась Австралия и Новая Зеландия.

Таким образом, уже не остается никаких сомнений, что тенденция использования ископаемого топлива неизбежно ведет к глобальному катастрофическому изменению климата. При нынешних темпах использования угля и нефти в ближайшие 50 лет прогнозируется повышение среднегодовой температуры на планете в пределах от 1,5 °С (близ экватора) до 5 °С (в высоких широтах).

Повышение температуры в результате парникового эффекта грозит небывалым экологическим, экономическим и социальным взрывом. Уровень воды в океанах может подняться на 1—2 м за счет таяния полярных льдов.

Помимо повышения уровня Мирового океана, повышение глобальной температуры также приведёт к изменениям в количестве и распределении атмосфер�