Перспективы и возможности замены газа углем в электроэнергетике



Предыдущая | Следующая

 

Перспективы и возможности замены газа углем в электроэнергетике СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ Состояние топливоиспользования в тепловых электростанциях стран «Большой Восьмерки» иллюстрируется данными, приведенными в табл. 1 [1].
В странах «Большой Восьмерки» доля тепловых электростанций превышает 60 %. На ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ Негативную роль в рассматриваемой проблеме играет крайне ненормальное, деформированное соотношение сегодняшних цен между энергоносителями. В пересчете на тонны условного топлива (7000 ккакл/кг) соотношение цен на газ и уголь составляет 1:1. Это не стимулирует иболее низкая доля тепловых электростанций во Франции — 9,5 % (основная часть электроэнергии — более 77 % на атомных Ефим Вульфович Доктор техн. наук, проф.
ОАО «Промгаз» электроэнергетиков ни на перевод действующих ТЭС на уголь, ни на ввод новых генерирующих мощностей на этом топливе.
электростанциях) и в Канаде — 25,9 %, где в основном электроэнергия вырабатывается на гидроэлектростанциях (60,4 %).
На тепловых электростанциях в большинстве стран, за исключением Японии и Италии, используется уголь. Доля природного газа — от 15 до 20 % и только в Великобритании достигает 55 %. В Японии доля отдельных первичных энергоносителей на тепловых электростанциях примерно одинакова. В Италии тепловая электроэнергетика в основном ориентируется на использование мазута и природного газа (табл. 1).
Согласно стратегии развития электроэнергетики страны на ближайшие годы доля природного газа остается равной 67-68 %, угля — 25-26 %, мазута — 3,1-3,3 %.
Вместе с этим сегодня эксперты-энергетики и политические круги ставят вопрос о необходимости планомерного замещения газа углем [2]. Это неизбежно потребует корректировки ранее разработанной энергетической стратегии, тем более, что потенциал российской угледобывающей промышленности далеко не исчерпан и позволяет его наращивать. При этом нельзя не учитывать опыта в рациональном топливоиспользовании развитых стран Запада.
По данным Института проблем естественных монополий (ИПЕМ), экономическая привлекательность угля возможна лишь при соотношении цен «газ/уголь», равном 2:1. Кроме того, нельзя не учитывать того, что стоимость и сроки строительства угольной ТЭС меньше по сравнению с АЭС и ГЭС.
На стоимость угля существенно влияют транспортные расходы. Существующие тарифы на железнодорожном транспорте покрывают лишь половину затрат на перевозку угля. Если поднять эти тарифы в 2 раза, то у конечного потребителя стоимость угля возрастает в 1,2-1,5 раза. В этом случае необходимое соотношение (цены «газ/уголь») 2:1 оказывается нереализуемым. В чем же следует искать решение?
Нельзя не согласиться с экспертами ИПЕН, что ситуацию может разрешить только государство. Освобождающийся природный газ (в результате угольной генерации электрической энергии) государство направит с внутреннего рынка на экспорт. При сегодняшних мировых ценах на газ в бюджет будет поступать около 110 дол. /1000 куб. м.
Попробуем оценить величину государственной экономической эффективности от высвобождения в электроэнергетике около 30 млрд куб. м природного газа путем замены его углем (40 млн т). При себестоимости доставки угля из Сибири в европейскую часть РФ — 40 дол. /т эффект составит:
(30 • 10 9?? 110 • 10 -3) – (40 • 10 6?? 40) =
= 33 • 10 8 – 16 •10 8 = 1,7 млрд дол. США.
За счет таких дополнительных денежных поступлений возможна не только модернизация газовых ТЭС, но и реализация экологически чистых угольных технологий.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ Но не только экономические (ценовые) причины обусловили широкое использование природного газа в электроэнергетике.
Весьма значимы экологические последствия на обычных угольных ТЭС.
Нами были обработаны многочисленные источники информации по выбросам при сжигании различных видов органического топлива (табл. 2), согласно которым наиболее «экологически грязным» является твердое топливо [3].
При этом самым экологически чистым энергоносителем (при применяемых в настоящее время общепринятых технологиях сжигания топлива) является природный газ. Результаты исследований показывают, что при используемых в настоящее время технологиях в случае сокращения объемов применения газа и замене его углем на ТЭС значительно возрастут объемы выбросов не только газообразных веществ, но и токсичных микроэлементов.
Однако это не означает, что твердое и жидкое топливо целесообразно заменять газообразным. С учетом того, что запасы природного газа и нефти на порядок меньше запасов угля, природный газ следует использовать главным образом в сферах его максимальной эффективности.
Доля твердого топлива в топливно-энергетическом балансе страны должна непрерывно возрастать, причем его добычу и применение необходимо осуществлять на экологически чистой основе [4]. В мировой теплоэнергетической практике уже внедряются такие прогрессивные угольные технологии: внутрицикловая газификация угля, создание циркулирующего кипящего слоя угольной мелочи, водоугольные суспензии и т. д. В электроэнергетике России эти достижения пока не используются.
Природные угли всех видов, а в особенности малоценные породы углей (бурый и другие) содержат различные примеси, минеральные компоненты, соединения серы, азота, тяжелых металлов и т. д. Их наличие сдерживает возможности применения угля в качестве топлива в связи с возможностью загрязнения окружающей среды. В атмосферу при переработке угля попадают газообразные и аэрозольные продукты окисления содержащихся в угле примесей. В частности, только при энергетическом сжигании угля ежегодно в атмосферу выбрасывается примерно 90 млн т оксидов серы и 30 млн т оксидов азота. Вместе с золой атмосферу ежегодно дополнительно загрязняют 60 тыс. т свинца, 50 тыс. т никеля, 30 тыс. т мышьяка, 300 т ртути и 60 т кадмия.
Выбросы всех этих соединений могут вызывать болезни органов дыхания. Соединения тяжелых металлов могут быть причиной болезней почек. Ароматические соединения обладают канцеро генным и мутагенным действием. Серьезной проблемой является и относительно высокая доля СО2, образующегося при сжигании угля, по сравнению с другими видами топлива. «Парниковый эффект», вызываемый большими количествами диоксида углерода, попадающими в атмосферу, является одной из серьезнейших и пока еще не решенных мировых проблем.
На современном этапе лишь с очень большой степенью приближения можно говорить об экологически чистых угольных технологиях. Однако мнение, что применение угля вообще неприемлемо с точки зрения воздействия на окружающую среду, является ошибочным. Уже сейчас существует широкий спектр технологий по переработке и утилизации угля, совместимых с окружающей средой. Эти технологии основаны на меньшем потреблении энергии и ресурсов, рециркуляции части отходов и продуктов, получении меньшего количества отходов, к тому же более приемлемых для окружающей среды. Развитие таких технологий способствует продвижению угля в качестве конкурентоспособного и безопасного источника энергии.
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Только такие угольные технологии, которые позволят резко снизить выбросы в атмосферу вредных примесей, а также уменьшить эмиссию диоксида углерода при увеличении энергетической и технологической эффективности, можно рассматривать как экологически чистые угольные технологии, совместимые с окружающей средой.
Имеется широкий круг проблем, затрудняющих эффективное использование российских углей, среди которых можно выделить:
— удаленность большинства крупных месторождений угля по отношению к основным потребителям угля и морским портам России;
— несогласованность технологий добычи и первичного обогащения угля с требованиями экологически чистых технологий энергетической и энергохимической переработки угля;
— недостаточно продвинутые технологии энергохимической переработки угля, которые могли бы позволить наряду с эффективным производством электрической и тепловой энергии получать ценные химические продукты.
В то же время анализ мирового опыта добычи и переработки угля показывает возможности создания принципиально новых экологически чистых угольных технологий. Эффективное с экономической, технологической и экологической точек зрения использование угля может быть достигнуто, прежде всего, при установлении взаимодействия на всех этапах угольной цепочки — от добычи и обогащения угля до получения из угля энергии, химических продуктов и использования продуктов переработки угля.
Важно переосмыслить роль угля в энергетике России.
Результатом прошлой неразумной нефтегазовой стратегии в топливной энергетике явилось хроническое отставание науки и практики, как в области добычи и производства современного угольного топлива, так и в способах его эффективного использования для производства электрической энергии в условиях требуемой защиты окружающей среды от вредных эмиссий (тонкой пыли, вредных газообразных веществ SOx, NOx и оксидов углерода).
В то время как на ТЭС экономически развитых стран в основном используются только обогащенные угли постоянного состава с зольностью от 5,5 до 15 %, электростанции России сжигают до сих пор угли валовой добычи. Зольность каменных углей и антрацитов, поставляемых на электростанции без обогащения, составляет 28-33 %, а в отдельных случаях достигает 40 %.
В России в настоящее время до 88 % добываемого угля поступает в виде необработанного сырья необогащенного и нестабилизированного состава. Что может представлять собой такое топливо, когда даже при добыче на одной шахте его зольность меняется в пределах 25-52 % или 18-36 %, в зависимости от разрабатываемого горизонта.
Каждый процент золы — это потеря тепловой мощности на 0,1-0,15 % КПД, т. е. необходимость в дополнительном топливе в количестве 0,5 г/кВт•ч в сутки, остановка энергоблоков дополнительно на 60 ч в год из-за ремонта оборудования, возрастание потерь из-за недожога, установка дополнительного оборудования, возрастание на 0,13 % расхода электроэнергии на внутренние нужды, и др.
Установлено, что в России недовыработка электроэнергии на ТЭС из-за плохого угля могла бы покрыть все расходы на его обогащение даже без учета выигрыша от улучшения экологической обстановки.
Сложилась ситуация, при которой угольная промышленность выпускает отсталую продукцию, крайне не эффективную для производства электрической энергии. На современном техникоэкономическом уровне эта продукция не является конкурентоспособной ни на внутреннем, ни на внешнем рынке.
Изощренное администрирование в условиях «нефтяных» и «газовых» приоритетов сдерживало технический прогресс в угольной энергетике. В то время как большинство развитых стран переживало смену поколений техники ТЭС, меняло принцип сжигания угля и очистки эмитируемых вредных примесей, отечественные угольные ТЭС выглядят как пережитки прошлого.
В схожих условиях оказалась угольная энергетика США в середине 1980-х гг., когда были приняты новые жесткие нормы предельно допустимых выбросов в окружающую среду, приведшие к увеличению затрат электрических компаний на решение экологических проблем. Реакцией промышленников явился переход к производству нового (третьего) поколения обогащенного топлива с высокой концентрацией энергии, малой зольностью и низким содержанием серы.
Хотя обогащение угля до его сжигания, безусловно, приводит к росту цены на топливо «франко-потребитель», компании по производству электроэнергии могут позволить себе платить на 15-30 % больше за интенсивно обогащенный уголь, сохраняя при этом цену на электроэнергию «франко-электростанция» такой же, как и при сжигании рядового угля. В результате, начиная с 1976 г. в США начали строить и вводить в эксплуатацию ежегодно по 10-18 обогатительных фабрик, всего за 8 лет периода 1976-1982 гг. было пущено 111 фабрик. В настоящее время их 450. В России их около 70, причем только 25 наиболее мощных обогащают угли для коксования.
Признано, что уже в начале XXI в. должно произойти увеличение доли угля в топливно-энергетическом балансе. Причиной прогнозируемого роста добычи и потребления угля является, с одной стороны, ограниченность запасов нефти и природного газа, а также перемещение их месторождений в труднодоступные районы страны, а с другой стороны, нерешенность вопросов полной безопасности атомных электростанций и более надежного захоронения или нейтрализации радиоактивных остатков ядерного горючего.
Вместе с этим традиционные методы добычи и потребления угля обусловливают превращение угольных регионов в зоны экологического бедствия. Особенно это характерно для углесжигающих производств. Так, на каждый кВт установленной мощности угольной электростанции ежегодно выбрасывается в атмосферу 500 кг золы и шлаков, 75 кг окислов серы и 10 кг окислов азота. В результате на небольшой электростанции мощностью 200 МВт в течение года в атмосферу попадает 100 тыс. т твердых частиц, 15 тыс. т сернистых соединений и 2 тыс. т окислов азота.
Требуемый прирост производства электроэнергии как энергоносителя, обладающего высокими потребительскими свойствами, прогнозируется в развитых странах на ближайшие 10 лет в размере 20-30 %. В этом случае неизбежный выброс вредных веществ будет колоссальным и приведет к экологическим катастрофам.
Отечественной топливной энергетике крайне необходимы новые современные экологически чистые угольные технологии!
К нетрадиционным экологически чистым технологиям разработки угольных пластов и сжигания угля, в первую очередь, следует отнести подземную газификацию угля (ПГУ). При ПГУ уголь на месте залегания превращают в газообразный горючий энергоноситель путем подвода к раскаленной угольной поверхности (через систему дутьевых скважин) окислителя и отвода (через другую систему скважин) образовавшегося горючего газа.
Теплота сгорания газа ПГУ на воздушном дутье может достигать 4,6-5,4 МДж/м3. При применении дутья, обогащенного кислородом (концентрация кислорода — 65 %), теплота сгорания газа достигает 6,7 МДж/м3, а на чистом техническом кислороде (98 %) — до 10-11 МДж/м3.
Разработанные новые технологические приемы и конструктивные решения существенно превосходят уровень ПГУ 1970-х гг.
прошлого столетия, когда была продана лицензия в США. Новые конструкции дутьевых и газоотводящих скважин, а также управляемая система выгазовывания угольного пласта позволяют получить следующие преимущества:
— устойчиво получать газ максимальной теплоты сгорания (4,6-5,4 МДж/м3 на воздушном дутье и 10-11 МДж/м3 на кислородном дутье);
— повысить степень выгазовывания угольного пласта до 90-95 %, снизить утечки газа из подземного газогенератора до — повысить КПД газификации до 80-85 %;
— минимизировать экологическое воздействие на подземную гидросферу;
— отрабатывать оставленные запасы угольных шахт, в том числе закрывающихся, методом нагнетательно-отсосной технологии ПГУ;
— разрабатывать глубоко залегающие угольные пласты и учитывать при этом проявления горного давления;
— уменьшить количество требуемых буровых скважин и снизить благодаря этому расходы на бурение в себестоимости газа с 30 до 10 %;
— получать газообразный энергоноситель по себестоимости в 1,5-2 раза меньше, чем условное топливо на соседних угольных шахтах;
— получать из газа ПГУ заменитель природного газа по себестоимости 60-70 дол. /1000 м3.
Оптимальной мощностью предприятия ПГУ является выгазовывание угля не менее 400-500 тыс. т у. т. в год, при этом требуемые инвестиции на строительство составят 2500-2600 руб. /т у. т. [5]. ПГУ в отличие от традиционных способов добычи угля ликвидирует экологические ущербы при добыче, хранении и транспорте угля, а главное — при его сжигании за счет отсутствия в отходящих продуктах твердых частиц (зола и несгоревший уголь) и существенно меньших количеств экологически вредных компонентов (NОх, SО2 и СО).
Основные элементы новой технологии ПГУ защищены 11 патентами РФ (ОАО «Промгаз») — 2001-2006 гг.
Итак, расширение сфер использования угля в качестве первичного энергоносителя возможно только в двух случаях:
1. Сжигание угля должно сопровождаться обязательным улавливанием твердых и газообразных вредных веществ. В настоящее время в мире есть несколько угольных электростанций с полным улавливанием твердых частиц (зола, угольная пыль) и газообразных вредных соединений (SO2, NOx). Пока что сооружение таких углесжигающих агрегатов и их эксплуатация обходятся дороже, чем традиционных.
2. Преобразование угля на месте его залегания в экологически более чистый газообразный энергоноситель. В работах [5, 6] рассмотрены перспективы разработки и внедрения экологически чистых угольных технологий в электроэнергетике. При этом в некоторых из них (подземная газификация углей) имеются российские приоритеты. Однако хозяева электроэнергетики (ЕЭС «Россия») не делают реальных шагов в направлении инвестирования прогрессивных экологически чистых угольных технологий, без чего практически невозможно масштабное высвобождение природного газа в электроэнергетике.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Масштабное применение угля в ближайшие годы в отечественной электроэнергетике неизбежно. Однако испытанных и освоенных угольных технологий для этих целей явно недостаточно.
Сложившиеся экономические и экологические условия газосбережения в отечественной электроэнергетике требуют широкого внедрения соответствующих угольных технологий.
Среди последних можно отметить подземную газификацию угля, позволяющую позитивно решить основные экологические последствия, присущие угольным технологиям.
Однако топливные и электроэнергетические отрасли промышленности нуждаются в государственной поддержке как при корректировке ценовой политики, так и в инвестировании опытнопромышленных экологически чистых угольных технологий.
Список литературы 1. Саркисян В. А. Уголь и природный газ в энергетике России // Уголь. — 2003. — № 10. — С. 17-19.
2. В Администрации Президента России принято решение о начале разработки новой стратегии топливного обеспечения российской энергетики // Уголь. — 2006. — № 11. — С. 55.
3. Карасевич А. М., Крейнин Е. В. Эколого-энергетические проблемы газового топлива. — М.: Страховое Ревю, 2004. — 232 с.
4. Крейнин Е. В. Экологические проблемы замещения природного газа углем // Газовая промышленность. — 2002. —
№ 1. — С. 48-52.
5. Крейнин Е. В. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекаемых топлив: уголь, углеводородное сырье.
— М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. — 302 с.
6. Гринько Н. К. Использование чистых угольных технологий России // Уголь. — 2006. — № 1. — С. 6-8.