Нанотехнологии пришли в энергетику («Мировая энергетика» № 02 2009 г.)

 

Нанотехнологии пришли в энергетику

Источник: «Мировая энергетика» № 02 (61) за февраль 2009г.

В прошлом году Россия выбрала курс на более широкое внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий, которым присвоен статус приоритетных. Сегодня экономическая ситуация в мире расставила все по своим местам, и эти технологии стали единственным гарантом развития и сохранения бизнеса.

Дмитрий ПЕТРОВ,
заместитель генерального директора по науке ОАО «Химический концерн «Халфрид», к.х.н.

Существующие в теплоэнергетике технологии базируются на общих принципах преобразования энергии. Топливо сжигается в специальных устройствах, высвобождая химическую энергию горения в виде теплоты, нагревающей газообразные продукты сгорания, которые передают часть приобретенного тепла в систему, преобразующую его в полезную работу. Вне зависимости от степени совершенства преобразующих тепло агрегатов, существенная часть энергии топлива безвозвратно теряется в окружающей среде. Это обусловлено особенностями термодинамики процессов, на основе которых работает та или иная система.

Совершенствование преобразующих энергию агрегатов имеет свой теоретический предел. Даже если создать идеальный агрегат, в котором будут отсутствовать потери тепла через стенки, то такой агрегат все равно не в состоянии преобразовать всю энергию топлива в полезную работу. Уходящие газы котлов можно охладить до температуры более высокой, чем температура окружающей среды. Дальнейшее охлаждение приведет к трате дополнительной энергии на перекачку газов. В турбогенераторах и двигателях внутреннего сгорания оптимальная температура отработавших газов также существенно выше температуры окружающей среды.

Во всех случаях ограничение на эффективность использования топлива накладывает второе начало термодинамики, согласно которому коэффициент полезного действия любой термодинамической системы не может быть выше некоторого теоретического значения, определяемого типом термодинамического процесса. Этот постулат напрямую связан с энтропией, изменение которой в любом самопроизвольном процессе не может быть отрицательным. Если бы данный постулат можно было нарушить, появилась бы возможность создания вечного двигателя, который позволял бы получать энергию непосредственно из окружающей среды. Энтропия — это численная характеристика хаоса, меры неупорядоченности системы.

Квантовая полирезонансная активация (КПРА) — это принцип, позволяющий управлять энтропией на молекулярном уровне без сложных внешних воздействий на какую-либо систему.

Сама идея не нова — лазеры, молекулярные квантовые генераторы СВЧ, как раз работают на принципе преобразования хаотических, расфазированных колебаний в упорядоченные, когерентные. Это происходит за счет особенностей взаимодействия между колеблющимися частицами, которое имеет электромагнитную природу. В своем движении молекулы газа непрерывно сталкиваются, поглощают и испускают электромагнитные волны. Согласно принципам квантовой механики, поглощение и испускание этих волн происходит порциями (квантами) со строго определенной энергией, определяемой разностями энергетических уровней молекул и атомов, которые также носят порционный (квантовый) характер.

Основным условием возникновения КПРА является энергетическое соответствие — средняя энергия движения частиц среды должна быть выше псевдостабильного уровня возбужденного состояния частиц, вызывающих КПРА. Этого можно добиться двумя путями. Первый, применяемый в лазерах, называется накачкой. В систему вводится энергия (свет, химическая реакция, интенсивный нагрев и т.п.) с интенсивностью, достаточной для непрерывного возбуждения частиц до псевдостабильного состояния. Второй способ заключается в том, что в качестве инициаторов КПРА используются частицы с очень низкими уровнями возбуждения, и тогда система непрерывно получает накачку от тепла окружающей среды.

При этом сколько энергии поглощается, вызывая КПРА, столько и высвобождается. Наиболее интересным фактом является то, что для инициации КПРА требуется очень малое количество частиц, называемых квантовыми наноактиваторами. Обычно для перевода в состояние с пониженной энтропией достаточно одной частицы наноактиватора на миллиард молекул пассивной среды.

Название наноактиватор не случайно, поскольку обычные молекулы имеют более высокие уровни возбуждения, чем необходимо, из-за чего в качестве наноактиваторов используются органические соединения кластерного типа — наночастицы (20 нм), состоящие из нескольких однотипных молекул. Они имеют вторичную структуру благодаря внутренним водородным связям, которые обеспечивают эффект КПРА при относительно низких температурах (40о С), поскольку у протонов водородных связей очень низкие вращательно-колебательные уровни возбуждения — это первое необходимое условие для инициирования КПРА.

Так как в одной частице наноактиватора имеется несколько одинаковых по энергетическим характеристикам внутренних связей, выполняется второе необходимое условие для инициирования КПРА — вероятностное. Из-за разного времени жизни используются более сложные частицы с большим числом одинаковых связей, но принцип остается.

Разработанные наноактиваторы имеют весьма прочную общую структуру, за счет чего способны активировать топочные газы при высоких температурах. Имеется и третье необходимое условие инициирования КПРА — концентрационное. Если концентрация наноактиватора в активируемой среде будет выше некоторого предельного уровня, то процесс активации не возникнет, т.к. внутренней энергии среды недостаточно для перевода большего числа частиц наноактиватора в псевдостабильное возбужденное состояние. При недостаточной концентрации наноактиватора интенсивности когерентного излучения не хватает для активации среды на кратных частотах. Поэтому для разных сред и условий существуют два концентрационных уровня — нижний и верхний, в пределах которых процесс устойчив.

Применение принципа КПРА заключается в введении необходимого количества соответствующего наноактиватора в активируемую среду. Если средой является жидкое углеводородное топливо, используются наноактиваторы, хорошо в нем растворимые. Процесс активации протекает быстро (минуты), ограничением является скорость распределения наноактиватора в среде. Эта скорость существенно выше, чем обычная диффузия (за счет резонансных явлений), но для вязких видов топлива в отсутствие принудительного перемешивания может занимать до нескольких часов.

Бензины и дизельные топлива, обычно подающиеся в камеру сгорания без подогрева, не меняют своих характеристик. Процесс КПРА происходит в камере сгорания и распространяется на газообразные продукты сгорания. Таким образом, добавление к топливу сверхмалых количеств наноактиватора (около 100 мг/т) вызывает снижение удельного расхода бензина и дизельного топлива на 10—15%.

 Для жидко-топливных электростанций, применение активаторов мазута (который хранится и используется при повышенных температурах, что приводит к его активации уже в жидком состоянии) даст снижение вязкости, а при его сжигании произойдет активация топочных газов, снизится теплоемкость отходящих газов на 8—9 Дж/(моль•К), увеличится температура ядра факела на 100—150оС, в результате чего наблюдается снижение удельного расхода до 15%, а также уменьшатся загрязнение поверхностей теплообмена, водородная и кислотная коррозии и существенно сократятся вредные выбросы (рис.1).

Для газовых и угольных электростанций применяется водный раствор наноактиватора, который инжектируется в топочное пространство котла либо во вторичный воздух. Наблюдается снижение удельного расхода топлива на 5—7% при расходе наноактиватора около 0,5 г/т угля или 1 тыс. м3 природного газа (рис.2).

Возможно также использование водных наноактиваторов в котловой воде паросиловых агрегатов. Активация котловой воды приводит к снижению энтропии воды и перегретого пара без изменения теплоты парообразования (конденсации), что увеличивает КПД термодинамического цикла Клазиуса-Ранкина, лежащего в основе работы тепловых электростанций.

Сегодня различные наноактиваторы производятся в США — eeFuel®, на Украине — анамегатор® и анакларид® и в России — продукт ХАЛФРИД®мазут (метан, дизель, бензин), уже проведенные многочисленные испытания которых подтверждают высокую эффективность данной технологии.