Новая технология на основе цикла Аллама с внутрицикловой газификацией угля

АКТУАЛЬНОСТЬ. Разработка новой технологии на основе цикла Аллама с внутрицикловой газификацией угля. ЦЕЛЬ. Определить термическую эффективность цикла Аллама с внутрицикловой газификацией угля. Рассчитать процесс горения синтезгаза. Рассмотреть положения термодинамического анализа энергетических циклов. Провести сравнение рассматриваемой технологии с другими технологиями генерации электроэнергии на органическом топливе. МЕТОДЫ. Методика расчета процесса горения синтез-газа заключается в определении массо-расходных характеристик топлива, окислителя, рабочих тел и термического КПД, что позволяет вести сравнение рассматриваемой технологии с другими. В предложенном методе принято, что сжигают чистый синтез-газ, при стехиометричности соотношения подводимого кислорода. Ограничениями на представленный метод являются термодинамические параметры входа, которыми будут определяться энтальпии рабочего тела и водяных паров в расчетных точках, а также температура окружающей среды, от которой будет зависеть давление на выходе из CO2-турбины. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье предлагается методика определения термической эффективности цикла Аллама с внутрицикловой газификацией угля. В основе методики лежат расчет горения синтезгаза и положения термодинамического анализа энергетических циклов. С использованием разработанного метода проведен анализ термической эффективности технологии производства электроэнергии на основе цикла Аллама с внутрицикловой газификацией кузнецкого угля в процессе Техасо. Проведено сравнение рассматриваемой технологии с другими технологиями генерации электроэнергии на органическом топливе. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Расчетным путем получено, что расход синтез-газа для рассматриваемой технологии примерно в 4,3 раза выше, чем для цикла Аллама при кислородном сжигании метана. Показано, что доля обновления рабочего тела для технологии на основе цикла Аллама с внутрицикловой газификацией угля в 1,6 раза выше, чем у аналогичного CO2-цикла на метане. Показано, что термический КПД технологии составляет 65,5%, что сопоставимо с аналогичными технологиями разной архитектуры.

1. Елистратов С.Л. Высокотемпературные тепловые насосы / Второй доклад «10 прорывных идей в энергетике на следующие десять лет» Ассоциации по развитию международных исследований и проектов в области энергетики «Глобальная энергия». -2021 -Вып.2 - С. 87-101.

2. Технологии улавливания, полезного использования и хранения двуокиси углерода (CCUS) / А.А. Осипцов, И.В. Гайда, Е.В. Грушевенко, С.А. Капитонов // Технологии по улавливанию, хранению и ис пользованию углерода (CCUS) – технологическая основа декарбонизации тяжелой промышленности в РФ, 2022 г. – С. 1-79.

3. Садкин И.С., Щинников П.А. Способ производства электроэнергии на основе закритического СО2-цикла. – Патент на изобретение RU2810854 С1, 28.12.2023. Заявка от 06.07.2023.

4. Пиролитическая декомпозиция углей месторождений Каазахстана / Ж.М. Касенова // Томский политехнический университет, 2022 г. – С. 1-176.

5. Технологии улавливания диоксида углерода на ТЭС, его транспортировка, полезное использование и захоронение / С.А. Петелин, А.Н. Вивчар, П.В. Бублей, В.А. Сердюков, О.Ю. Сигитов // Экология, энергетика, энергосбережение. -2022 –Вып.3 – С. 1-32.

6. Обзор современных тенденций развития технологий / А.Н. Козлов // Известия РАН. Энергетика -2021 –Вып.1 – С. 130-148.

7. Rodney Allam, Scott Martin, Brock Forrest, Jeremy Fetvedt, Xijia Lu, David Freed, G. William Brown Jr.a, Takashi Sasaki, Masao Itohb, James Manningc Demonstration of the Allam Cycle: An update on the development status of a high efficiency supercritical carbon dioxide power process employing full carbon capture // Energy Procedia – 2017. –С. 5948-5966.

8. R. J. Allam, J. E. Fetvedt, B. A. Forrest and D. A. Freed, “The oxy-fuel, supercritical CO2 Allam Cycle: New cycle developments to produce even lower-cost electricity from fossil fuels without atmospheric еmissions,” in ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition (American Society of Mechanical Engineers, 2014).

9. Исследование газификатора Тексако в составе ПГУ / Н.В. Миронова // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 11 ч. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014 – С. 33-37.

10. Обоснование режимов и условий организации процесса газификации твердого органического топлива на основе учета реакционной способности его взаимодействия с диоксидом углерода и водяным паром / Е.А. Бойко, А.В. Страшников // Известия РАН. Энергетика. -2021 – Вып.3 – С. 24-41.

11. IEA (2023), World Energy Outlook 2023, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/worldenergy-outlook-2023.

12. Hideo Nomoto, Masao Itoh, William Brown, Jeremy Fetvedt, “Cycle and Turbine Development for the Supercritical Carbon Dioxide Allam Cycle”, The Proceedings of the International Conference on Power Engineering (ICOPE) (The Japan Society of Mechanical Engineers, 2015).

13. Интеграция воздухоразделительной установки в кислородно – топливные энергетические комплексы / C.К. Осипов, А.Н. Вегера, Д.Б. Куроптев, С.И. Шапалова // ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский университет "МЭИ". -2020 – 10 С.

14. Актуальность применения внутрицикловой газификации угля на основе CO2 – цикла / М.Е. Таценко // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 8 ч. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2025 – С. 382-384.

15. Глобальное изменение климата и его последствия / Л. В. Бондаренко, О. В. Маслова, А. В. Белкина, К. В. Сухарева // Вестник РЭУ им. Плеханова. – 2018. - №2. – C. 84-93.

16. Влияние состава синтез-газа на тепловой эффект иколичество теплоты, выделяемой в результате его горения / М.Е. Таценко, П.А. Щинников // Енисейская теплофизика, 2025 - С. 69-70.

17. Pat. US 8596075 B2, F02C 1/00, F02C 7/08. System and method for high efficiency power generation using a carbon dioxide circulating working fluid / R. Allam et al; Assignees Palmer Labs, LLC; filed 31.08.2010; publish. 28.07.2011;– 46 p.

18. Progress Update on the Allam Cycle: Commercialization of NET Power and the NET Power Demonstration Facility / Scott Martin*, Brock Forrest, Navid Rafati, Xijia Lu, Jeremy Fetvedt, Mike McGroddy, Bill Brown, Rodney Allam, Damian Beauchamp, David Freed // 14th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, GHGT-14. - October 2018. – 14 С.

19. Process and Carbon Footprint Analyses of the Allam Cycle Power Plant Integrated with an Air Separation Unit / D. Fernandes, S. Wang, Q. Xu, R. Buss and D. Chen // Clean Techonologies. – October 2019. – №1. – pp.325-340

20. Thermodynamic optimization and equipment development for a high efficient fossil fuel power plant with zero emissions / A. Rogalev, E. Grigoriev, V. Kindra, N. Rogalev // Cleaner Production. – 2019. №236.

21. Заостровский А.Н. Петрографическая характеристика генетических типов углей Кузбасса // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2023. № 6 (160). С. 54-61. DOI: 10.26730/1999-4125-2023-6-54-61, EDN: UUNSMR

22. Комплексное исследование энергоблоков электростанций и энергоустановок: монография/ под общ. ред. П.А. Щинникова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020 – 500 С.

23. Влияние термодинамических параметров на энергетические характеристики CO2 – циклов при кислородном сжигании метана / С.В. Алексеенко, П.А. Щинников, И.С. Садкин // Теплофизика и аэромеханика. – 2023. –Т.30, №1. – С.89-98.

24. Analysis of energy consumption for auxiliaries of zero emisions sCO2 power plants / I.S. Sadkin, O.V. Borush, P.A. Shchinnikov // Energy Convers Manag. 2025. Vol. 323. P. 119266.

25. Углекислотная конверсия метана в синтез – газ / О.В. Крылов // Российский Химический Журнал. Том XLIV (2000) № 1. – С. 19-33.

26. Энергетические особенности CO2 – циклов при кислородном сжигвнии метанола / П.А. Щинников, И.С. Садкин, О.В. Боруш, Р.В. Романенко // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2024. – Т.26, №4 – С. 150-159.

27. Концептуальная схема парагазовой утсановки с полным улавливанием диоксида углерода из продуктов сгорания / А.С. Косой и др. // Теплоэнергетика. – 2018, №9. – С. 23-32.

28. R. J. Allam, Milles R. Palmer, G. William Brown, Jeremy Fetvedt, David Freed, Hideo Nomoto, Masao Itoh, Nobuo Okita, Charles Jones, “High Efficency and Low Cost of Electricity Generation from Fossil Fuels While Eliminating Atmocpheric Emissions, Including Carbon Dioxide”, Energy Procedia, 2013. Vol. 37.P.1135 – 1149.

29. Филиппов С.П., Жданов О.В. Возможности использования технологий улавливания и захоронения диоксида углерода при декарбонизации мировой экономики (обзор). – Теплоэнергетика. – 2022.-N9. – C.5-21.

30. Разработка методики предварительного расчета проточной части газовых турбин цикла R.J.Allam на сверхкритическом диоксиде углерода / А.Н. Рогалев, Е.Ю. Григорьев, В.О. Киндра, С. К. Осипов, С.А. Павлычев //«Вестник ИГЭУ» Вып. 3 2018 г. - С. 5-14.