Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка эффективной технологии комплексного освоения высокопараметрических минерализованных гидрогеотермальных ресурсов

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
геотермальная энергия, тепломассоперенос, термодинамический цикл, геотермальная циркуляционная система, низкокипящий рабочий агент, бинарная геоэс, химический состав, редкометальные геотермальные рассолы, микрокомпоненты, методы извлечения, карбонат лития.

Цель проекта:
1. Использование геотермальных ресурсов для производства электроэнергии, тепла и извлечения ценных химических соединений из геотермальных рассолов. 2. Разработка технологических решений комплексного эффективного освоения высокотемпературных минерализованных гидрогеотермальных рассолов с использованием теплового и химического потенциалов на основе бинарных ГеоЭС и химических методов извлечения растворенных компонентов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Методика подсчета запасов и оценки перспективности освоения высокотемпературных гидрогеотермальных рассолов месторождений Северокавказского региона на основе изучение их гидрогеолого-геотермических характеристик и химического состава.
Методика проведения гидродинамических, тепломассообменных и оптимизационных расчетов и на их основе выбор оптимального режима эксплуатации первичного контура (геотермальной циркуляционной системы) бинарной ГеоЭС с привязкой к конкретному геотермальному месторождению.
Методика оценки наиболее оптимального низкокипящего рабочего агента вторичного контура бинарной ГеоЭС на основе анализа теплофизических данных и расчетов по оптимизации термодинамических циклов.
Методика разработки технологических схем комплексного освоения высокопараметрических геотермальных ресурсов с различными вариантами утилизации отработанного теплоносителя (сброс на поверхности, обратная закачка, частичная закачка).
Программа и методики проведения исследований физико-химических процессов, лежащих в основе переработки отработанных в ГеоЭС геотермальных рассолов с получением солей лития.
Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец укрупненной лабораторной установки по переработке редкометального гидроминерального сырья – высокоминерализованных геотермальных вод.
Экспериментальный образец укрупненной лабораторной установки по переработке редкометального гидроминерального сырья – высокоминерализованных геотермальных вод.
Регламент технологического процесса производства неорганических материалов на основе переработки редкометального гидроминерального сырья – высокоминерализованных геотермальных вод.
2. На основе оптимизации термодинамического цикла Ренкина, реализуемого в бинарной ГеоЭС, будет выбран наиболее энергоэффективный низкокипящий рабочий агент, одновременно удовлетворяющий экологическим требованиям по озонобезопасности (ODP = 0) и минимальному потенциалу глобального потепления - GWP.
Технологическая схема бинарной ГеоЭС и ее режимно-эксплуатационные и конструкционные параметры будет оптимизированы на основе физико-математических и оптимизационных методов расчета из условия минимума удельных капитальных затрат.
Разрабатываемые комплексные энергосырьевые технологии на основе бинарных ГеоЭС на низкокипящих рабочих агентах могут использоваться:
- для создания аналогичных бинарных ГеоЭС в различных регионах страны, располагающих достаточными запасами высокопараметрических ГТВ с температурами от 130 оС и выше с иным спектром ценных минеральных компонентов в промышленных концентрациях;
- для создания комплексных технологий на основе бинарных ГеоЭС на низкокипящих рабочих агентах с более широким спектром использования ГТВ, сработанных в контурах ГеоЭС. Например, наряду с организацией производства ценных неорганических материалов, создание энерго-биологических комплексов и др.
Экспериментальный образец лабораторной установки для переработки отработанных геотермальных вод с целью производства редкометального (литиевого) концентрата и на его основе - производства товарной продукции – солей лития на основе переработки литиевого концентрата, все ее технологические узлы должны функционировать в режиме непрерывного технологического цикла.
Квалификация товарной продукции – солей макрокомпонентов геотермальных рассолов – должна соответствовать категории «технический» с содержанием основного компонента выше 70 %.
Квалификация товарной продукции – солей микрокомпонентов геотермальных рассолов (ионов лития и попутных щелочных металлов) – должна соответствовать категории «чистый» с содержанием основного компонента не ниже 98 %.
Регламент технологического процесса производства неорганических материалов на основе переработки редкометальных геотермальных рассолов может использоваться:
- для создания технологий водоподготовки для утилизации промышленных сточных вод хлоридно-натриевого типа;
- производства минеральных материалов на основе переработки различных типов природных вод с доведением очищенной воды до кондиций питьевой;
- для утилизации радиоактивных компонентов (87Rb, 90Sr и др.) природных вод и технологических растворов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Изготовление и проведение испытаний экспериментального образца укрупненной лабораторной установки по переработке редкометального гидроминерального сырья – высокоминерализованных геотермальных вод. Реализация проекта создаст технологическую базу для эффективного освоения высокотемпературных минерализованных гидрогеотермальных рассолов месторождений ГТВ Северокавказского и других регионов Российской Федерации, на основе ГеоЭС, рентабельность которой обеспечивается производством солей лития в масштабах, достаточных для удовлетворения потребностей хозяйства страны в элементе номер 3.
2. Впервые в отечественной практике освоения геотермальных энергетических и минерально-сырьевых ресурсов предлагается технология их комплексного освоения на основе бинарной ГеоЭС и завода по производству солей лития, которое обеспечивается электроэнергией, вырабатываемой геоэлектростанцией.
3. Абсолютное количество действующих и строящихся ГеоЭС в странах мира используют в качестве энергоносителя высокопараметрические геотермальные флюиды, приуроченные вулканическим сейсмоактивным областям, что связано со значительными капитальными затратами на их строительство и технологическими рисками. Реализация проекта представляет интерес и основы для международного партнерства в сфере создания ГеоЭС значительной мощности в менее активных областях, рентабельность которых будет обеспечиваться, в том числе и совместным производством ценных материалов – сырья для атомной, стекольной промышленности, развивающейся индустрии химических источников тока.
4. Рекомендации по возможности использования результатов проведённых ПНИ в реальном секторе экономики.
Разработка проекта ТЗ на проведение ОКР «Разработка эффективной технологии комплексного освоения высокопараметрических минерализованных гидрогеотермальных ресурсов» для создания комплекса эффективного освоения высокотемпературных минерализованных гидрогеотермальных рассолов месторождений ГТВ.
Сработанные в ГеоЭС технологические рассолы после извлечения целевых продуктов будут соответствовать требованиям к качеству сточных вод, закачиваемых в нагнетательные и поглощающие скважины, а технические (оборотные) воды – требованиям к качеству сточных вод, допустимых к сбросу в водные объекты.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Полученные результаты по комплексному освоению высокопараметрических гидрогеотермальных ресурсов найдут применение в геотермальной энергетике и технологиях переработки нетрадиционного химического сырья – производства солей редких металлов, содержащихся в геотермальных рассолах. Электроэнергия, вырабатываемая в бинарной ГеоЭС, будет использована для обеспечения потребностей завода по извлечению химкомпонентов из рассолов и на нужды различных потребителей. Соединения лития, получаемые при переработке рассолов, будут использованы во многих отраслях промышленности (атомная, стекольная, электрохимическая, фармацевтическая, строительная и другие).
2. Перспективными для освоения являются гидрогеотермальные рассольные воды Берикейского, Тарумовского и Сухокумского месторождений Дагестана, для которых будут разработаны технологии комплексного освоения теплового, химического и водоресурсного потенциалов. На Берикейском месторождении будет реализована пилотная технологическая система по извлечению химкомпонентов из рассолов производительностью до 30 м3/сут. На пилотной системе будут отработаны технологии каскадного извлечения химкомпонентов, которые будут переданы индустриальному партнеру и использованы в системе крупномасштабного освоения ресурсов месторождения.
3. Полученные в ходе выполнения проекта результаты будут способствовать развитию нового направления в геотермальной энергетике по комплексному освоению высокопараметрических рассолов. Будут разработаны новые энергоэффективные, экономически рентабельные и экологически чистые технические решения, способствующие масштабному освоению таких ресурсов. Освоение теплового потенциала будет осуществляться в бинарных ГеоЭС с рабочими агентами нового поколения и комбинированных геотермально-парогазовых энергоустановках, основанных на новых технологиях, использующих различные термодинамические циклы. Освоение рассолов Берикейского месторождения позволит ежегодно получать до 2000 т завозимого в настоящее время из-за рубежа карбоната лития, что позволит полностью обеспечить потребности России.
4. Разработанные технологии могут быть реализованы и в других странах в рамках международного сотрудничества. Результаты, получаемые на этапах выполнения проекта, будут представлены на ежегодных международных и российских научных форумах по проблемам возобновляемой энергетики, ежегодном Дагестанском экономическом форуме, в региональных СМИ. Создаваемая в ходе реализации проекта опытная установка по производству солей лития из геотермальных рассолов будет использована в качестве стенда в демонстрационно-учебных целях, в том числе и для подготовки специалистов-технологов в области освоения нетрадиционного химического сырья.

Текущие результаты проекта:
Предложена технология переработки обработанных в ГеоЭС геотермальных рассолов с получением карбоната лития, магнезии жженной, карбоната кальция и поваренной соли потребность, в которых в стране достаточно высока. Важнейшим переделом предложенной технологической схемы является процесс сорбционного концентрирования и разделения лития от сопутствующих макрокомпонентов рассола с использованием активного свежеосажденного Al(OH)3 улучшенными седиментационными и фильтрационными свойствами.
Разработана методика подсчета эксплуатационных запасов высокотемпературных минерализованных геотермальных ресурсов глубокого залегания с учетом эффектов термолифта, газлифта и потерь напора при подъеме флюида по стволу скважины, учет которых позволяет значительно увеличить точность расчетов. Подсчитаны ресурсы для Тарумовского, Южносухокумского и Берикейского геотермальных месторождений (Республика Дагестан).
Разработана методика проведения гидродинамических, тепломассообменных и оптимизационных параметров первичного контура бинарной ГеоЭС. Предложенная методика, с использованием аналитических и численных методов расчета, позволяет определять оптимальные режимно-эксплуатационные и конструкционные параметры геотермальной циркуляционной системы (циркуляционный дебит, давление нагнетания, диаметры добычной и нагнетательной скважин, расстояние между скважинами). Проведены исследования с привязкой к гидрогеолого-геотермическим условиям конкретных геотермальных месторождений. Расчетными исследованиями установлено, что в контуре ГЦС существует оптимальный дебит термальной воды, соответствующий максимуму вырабатываемой энергоустановкой полезной мощности. С увеличением дебита ГЦС происходит возрастание полезной мощности ГеоЭС и достигает максимума при некотором оптимальном дебите (Рис.2). Дальнейшее увеличение дебита приводит к снижению полезной мощности, так как резко возрастают затраты энергии на закачку отработанной термальной воды обратно в пласт.
Разработана методика оценки наиболее оптимального низкокипящего рабочего агента вторичного контура бинарной ГеоЭС на основе анализа теплофизических данных и расчетов по оптимизации термодинамического цикла. Проведен сравнительный анализ теплофизических, химических и эксплуатационных параметров низкокипящих рабочих агентов, применяемых в бинарных ГеоЭС (изобутан, смесь изобутана (90%) и изопентана (10%), аммиак, R142в, R13В1) и озонобезопасных рабочих агентов нового поколения (R134а, R143а). Термодинамический анализ цикла Ренкина, реализуемого во вторичном контуре ГеоЭС, свидетельствует, что существует оптимальная температура испарения рабочего агента соответствующая максимуму мощности энергоустановки (рис.3). На основе проведенных исследований установлено, что наиболее перспективными рабочими агентами являются изобутан и R134а. Перспективными являются сверхкритические смеси, использование которых в качестве рабочих агентов для геотермальных энергетических циклов является наиболее удобным, так как путем подбора состава смеси можно легко менять их критические свойства в зависимости от внешних условий.
Разработана методика определения оптимальных технологических схем комплексного освоения высокопараметрических геотермальных ресурсов с различными вариантами утилизации отработанного теплоносителя (сброс на поверхности, обратная закачка, частичная закачка).
Результаты исследований опубликованы в журнале Теплоэнергетика, 2015, №6, в материалах Международной конференции «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы», 21-24 сентября, 2015, Махачкала и в материалах Международного Конгресса «Возобновляемая энергетика XXI век», 27-28 октября, 2015, Москва.
Комплексное освоение высокопараметричеких минерализованных гидрогеотермальных ресурсов является новым направлением в геотермии.