ВОДОУГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО



Предыдущая | Следующая

 

ВОДОУГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО Техноэкономические перспективы промышленного использования в период высоких цен на энергоносители В последней четверти прошлого века цены на нефть и нефтепродукты были очень высокими. Тогда практически во топлив и во время высоких цен на нефть не было возобновлено не только в России, но и нигде в мире. Многие из построенных ХОДАКОВ Генрих Соломонович Доктор физ.-мат. наук, профессор ФГУП «Институт горючих ископаемых» ГОРЛОВ Евгений Григорьевич Доктор техн. наук, профессор ФГУП «Институт горючих ископаемых» ГОЛОВИН Георгий Сергеевич Доктор хим. наук, профессор Директор ФГУП «Институт горючих ископаемых» 46 ОКТЯБРЬ, 2006, “УГОЛЬ” Maket-10_06-1-послед.indd 46 всех промышленных странах угольные суспензии (в основном в виде водоугольного топлива — ВУТ) рассматривали как альтернативу мазуту, а в СССР — в сочетании их с гидротранспортом на дальние расстояния и как топливо для ТЭС. Технологии получения, транспортирования и сжигания угольных суспензий разрабатывали интенсивно и с большим размахом. В СССР решение научных, технологических и проектных проблем в области угольных суспензий было поручено научно-производственному предприятию — НПО «Гидротрубопровод». На основе выполненных им исследований создали проект и в Кузбассе построили опытно-промышленный комплекс приготовления ВУТ и трубопровод длиной 262 км с расчетной производительностью четыре млн т суспензии в год.
Работы многих научных и проектных организаций по угольным суспензионным топливам выполняли в общей сложности более 25 лет, были продолжены и после ввода в действие комплекса углепровода Белово-Новосибирск еще несколько лет.
Научные аспекты этой проблемы были решены, промышленные технологии и проекты созданы, опытные производства построены и некоторое время функционировали. Однако вопреки первоначальным ожиданиям промышленное применение угольных суспензий не состоялось, их вклад в энергетику оказался ничтожно малым. Основными факторами снижения цен на нефть стали энергосберегающие технологии и экономический кризис в промышленных странах.
За периодом промышленной стагнации в конце прошлого века последовал подъем экономики. На этом этапе в процесс экономического развития включились страны с ранее низким энергопотреблением. Резко увеличилось промышленное производство и, следовательно, потребление энергоносителей в Китае, Индии, Бразилии, Южной Корее. Спрос и цены на энергоносители во всем мире установились устойчиво и надолго высокими. Однако промышленное использование угольных суспензионных топлив и во время высоких цен на нефть не было возобновлено не только в России, но и нигде в мире. Многие из построенных установок были демонтированы, в их числе и комплекс в Кузбассе.
Разработанные в период первого нефтяного кризиса технологии и проекты, доведенные до опытно-промышленного варианта, в столь, казалось бы, благоприятных для их продвижения ценовых условиях по-прежнему далеки от масштабной реализации. Можно ли было предвидеть такой результат в то время, когда проблема создания угольных суспензионных топлив только была поставлена? В чем техноэкономические причины столь масштабной и феноменальной по затратам этой технологической неудачи?
Проблема угольных суспензий состояла из двух основных разделов. В первом из них экономический эффект предполагали получать, заменяя мазут более дешевым водоугольным топливом (ВУТ), во втором — в результате более высокой экономичности гидротранспорта ВУТ по сравнению с железнодорожным транспортом угля.
Здесь приведен анализ первого из этих разделов проблемы ВУТ, второй будет рассмотрен в следующем сообщении.
Угольные суспензии были предназначены заменить традиционное энергетическое топливо — мазут и уголь: в ТЭС и котельных с пылевым и слоевым сжиганием угля; в ТЭС и котельных, работающих на мазуте; в двигателях внутреннего сгорания; в установках комбинированного парогазового цикла.
Причины промышленной несостоятельности ВУТ как альтернативы традиционным видам топлива в каждом из перечисленных вариантов его назначения различны. Из техноэкономического анализа следует:
1. ВУТ для угольных ТЭС и котельных установок было изначально нерентабельным независимо от цен на нефть. Этот вывод следует из сопоставления затрат на подготовку пылеугольного и суспензионного топлива и затрат на их сжигание (сопоставлению подлежат только эти два вида угольного топлива, а не угольное с нефтяным). Из расчетов на основе опытных данных следует: удельные затраты энергии, как и затраты, обусловленные износом оборудования, на угольное пылеприготовление значительно ниже удельных затрат на приготовление эквивалентного углю по энергетической эффективности количества ВУТ?.
При сжигании ВУТ на испарение воды затрачивается примерно 1 % угля на каждые 10 % входящей в ВУТ воды. Например, ВУТ из кузнецкого угля неизбежно содержит не менее 40 % воды. Следовательно, на испарение воды (пар удаляется с отходящими газами) безвозвратно расходуется 4-5 % входящего в ВУТ угля. Суммарные затраты на сжигание и испарение воды составляют более 10 % стоимости угля. Для технологических установок приготовления ВУТ необходимы производственные площади и складские помещения, по меньшей мере, такие же, что и для установок пылеприготовления. В состав оборудования для перекачивания и хранения ВУТ входят несколько насосов, смесителей, емкостей для хранения со смесителями, система трубопроводов с несколькими регулирующими задвижками, система хранения и подачи поверхностно-активных веществ (ПАВ). Затраты на это оборудование и его эксплуатацию еще более усугубляют степень нерентабельности ВУТ по сравнению с углем. Коррозионный износ мельниц и другого оборудования при приготовлении ВУТ в несколько раз больше, чем при приготовлении пылеугольного топлива равной дисперсности.
На Новосибирской ТЭЦ-5 сотрудниками Всесоюзного теплотехнического института проведены масштабные опытно-промышленные испытания ВУТ, поступавшего по трубопроводу из г. Белово.
Согласно экспериментальным данным температура горения ВУТ в котле ТПЕ-214 примерно на 150° ниже, чем при сжигании угольной пыли, минимум на 2-3 % больше механический и химический недожог, на 2-5 % ниже КПД котла. Вместе с затратами на приготовление ВУТ дополнительные расходы превышают 12 % от стоимости рядового угля стандартной влажности и зольности и составляют существенную долю стоимости получаемой энергии. К такому же выводу пришли и зарубежные исследователи. Энергия, получаемая сжиганием ВУТ, на 3,8 % дороже, чем по пылеугольной технологии. Работоспособность сложных установок приготовления ВУТ могут обеспечивать только квалифицированные специалисты. Меньшая рентабельность ВУТ по сравнению с углем была очевидна априори. Технические иллюзии на этот счет некоторых специалистов противоречили элементарным расчетам и научной логике.
2. Концепцию «ВУТ взамен мазута» (в противоположность «ВУТ взамен угля») с топливоподачей и сжиганием по жидкостной схеме при высоких ценах на нефтепродукты и низких ценах на уголь можно было рассматривать как технически разумную.
Этой концепции благоприятствует тот факт, что промышленные запасы угля рас пространены по земному шару значительно шире и равномернее, чем совокупные запасы нефти и газа, а в энергетическом эквиваленте многократно их превосходят.
Огромные залежи угля сосредоточены в России, Китае, США, Австралии, Канаде, ЮАР и во многих других странах со сравнительно стабильными политическими режимами. В США и Китае ежегодно добывают примерно по 900 млн т угля, из которых 85-90 % используют для получения электроэнергии. Однако практически весь авто-, водный и железнодорожный транспорт потребляет производные нефти. Перспектива использования угля взамен нефтепродуктов с целью уменьшения зависимости от поставок нефти весьма заманчива и сочетала стремление промышленных стран к топливной независимости с созданием сдерживающего барьера повышения цен на нефть.
Некоторые программы по созданию технологий приготовления и использования ВУТ взамен мазута были реализованы.
Поскольку мазутные и газовые ТЭЦ не обеспечены терминалами по обработке угля и площадями для их строительства, суспензионное топливо для таких ТЭЦ — единственный вариант замены мазута на уголь. В проектах предусматривали приготовление ВУТ на отдельных удобно расположенных терминалах и доставку его на ТЭЦ танкерами, баржами и по трубам.
Однако практическая реализация этой идеи оказалась технически трудной. Использование угольных суспензий обычной зольности (10-12 % массы угля) на мазутных ТЭС и котельных сопряжено с необходимостью их оснащения системами золо- и шлакоудаления. Оказалось, что системы пылеулавливания мазутных ТЭС нуждаются лишь в сравнительно небольшой модернизации, только если зольность суспензий не превышает 5 % и доля сжигаемого вместе с мазутом ВУТ не превышает 50 %. Обогащение угля до зольности 5 %, как известно, не требует дорогостоящих методов химической деминерализации или масляной агломерации. Такого обогащения угля достигают сепарацией в тяжелосредних циклонах и колонной флотацией, однако большие отходы угля в таком процессе обогащения значительно удорожают топливо.
Создан ряд проектов «ВУТ взамен мазута», некоторые из них реализованы. Угольные суспензии (не только ВУТ) применяют в качестве вспомогательного топлива на мазутных ТЭС. Корпорация Мицубиси в Японии разработала промышленную технологию производства и сжигания угольно-мазутных суспензий. С 1985 г. на электростанции в Юкосака такое топливо используют в двух агрегатах мощностью 265 МВт каждый. В Накасо проведены испытания установки мощностью 7,5 МВт, потребляющей 3,2 т/ч топлива. Испытаны также агрегаты мощностью 60 и 100 МВт с потреблением ВУТ до 21 т/ч. Ряд ТЭС Японии приморского базирования, на которых была проведена необходимая модернизация систем сжигания и золоудаления, использует ВУТ в промышленном масштабе. Сжигание ВУТ производят совместно с мазутом в основном в ночное время или часы значительного снижения нагрузок. Производят ВУТ в Китае из обогащенного угля и доставляют в Японию танкерами. Разгрузку танкеров и барж осложняет динамическая седиментация ВУТ, которая происходит во время транспортирования под действием бортовой качки и вибраций, вызываемых работающими двигателями.
Практическая эффективность программ «ВУТ взамен мазута» оказалась значительно ниже прогнозировавшейся. Несмотря на очевидные технологические возможности и установившиеся в настоящее время сверхвысокие цены на нефть, разработанные крупномасштабные проекты на основе ВУТ не реализованы. Затраты на обогащение угля, транспортирование ВУТ и модернизацию мазутных ТЭС оказались значительно выше ожидавшихся, а трудности технического осуществления проектов и экологические проблемы не нашли решения.
3. В двухконтурных тепловых генераторах (ТЭС и котельных) тепловая энергия продуктов сжигания топлива передается рабочему телу (водяному пару) через теплообменные стенки, отделяющие топливный контур от контура парообразования.
В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) продукты сжигания являются совокупным рабочим телом в объеме рабочей камеры. Испарение воды при сжигании ВУТ понижает температуру двигателя, тем самым находит полезное применение часть тепла, неизбежно выделяющегося при работе ДВС, облегчается процесс его охлаждения. По совокупному энергетическому эффекту ВУТ в ДВС экономически эффективнее, чем в двухконтурных тепловых агрегатах.
Актуальность ВУТ для дизелей и газовых турбин определяется еще и тем, что эти типы двигателей имеют в основном, транспортное назначение, а транспорт потребляет примерно половину добываемых на Земле энергоресурсов, практически все светлые производные нефти и часть природного газа. Транспорт является и основным виновником загрязняющих атмосферу выбросов токсичных продуктов сгорания нефтяных топлив (в виде оксидов серы и азота, а также бензапиренов и сажистых частиц). Однако для ДВС требуется высокодеминерализованное угольное топливо (зольность менее 1 %), производство которого оказалось весьма дорогостоящим процессом.
Проведены ходовые испытания дизелей и газовых турбин, работающих на суспензионном топливе. Экономическая эффективность ВУС для ДВС оказалась недостаточной. Промышленное применение этой технологии так и не состоялось.
4. Предварительную газификацию угля, торфа, отходов древесины и сельского хозяйства с последующим использованием горючего газа и перегретого пара в агрегатах различного типа — ТЭС, дизелях и турбинах в настоящее время считают наиболее прогрессивным и перспективным в энергетике. Такие технологические схемы имеют ряд важных преимуществ по сравнению со схемами прямого сжигания. В газогенераторных установках значительно меньше, чем в двигателях, ответственных трущихся деталей, износ которых оказывает существенное влияние на их работоспособность. Высокая температура обеспечивает полноту конверсии топлива в горючий газ. Очистка генераторного газа от пыли и оксидов серы и азота значительно дешевле очистки продуктов сгорания, поскольку масса генераторного газа в 9-12 раз меньше, чем масса продуктов сгорания. Соответственно концентрация подлежащих удалению вредных примесей во столько же раз выше. К тому же очистку газа производят при давлении 1-1,5 МП. Следовательно, объем очищаемого газа примерно в 100 раз меньше объема подлежащих очистке продуктов сгорания топлива при атмосферном давлении.
Сжигание горючего газа практически не требует модернизации энергоустановок и исключает вызываемый твердым топливом износ их рабочих деталей. Перегретый пар парогазотурбинных генераторных установок (ПГТУ) комбинированного цикла используют в паровых турбинах. Горючий газ используют в газовых турбинах. Тем самым обеспечивают наиболее полную и рациональную утилизацию энергии сжигаемого топлива. Требования к дисперсности угля, степени его обогащения, вязкости и стабильности суспензий (если они используются в качестве топлива) самые умеренные.
Перспективность использования ВУТ в таких агрегатах определяют два обстоятельства: Во-первых, суспензию подают в реактор под высоким давлением насосами, что делает процесс газификации непрерывным и избавляет газогенераторы от таких сложных в эксплуатации на сухом топливе конструкций, как шлюзовые камеры, затворы и питатели, обеспечивающие их работу в периодическом режиме при высоких давлениях и температурах. Во-вторых, часть входящей в ВУТ воды (примерно половина) в газогенераторах полезно расходуется на образование водорода и окиси углерода в результате ее диссоциации при высоких температурах и давлениях. Как известно, воду (15 % от массы угля) подают и в газогенераторы, работающие на угле с первичной влажностью 10-15 %. В газогенераторных процессах на производство водорода и оксида углерода полезно расходуется примерно половина содержащейся в суспензии воды.
В США, Голландии, Германии, Испании, России и Италии построены и работают на угле энергоагрегаты комбинированного парогазового цикла мощностью от 60 до 300 МВт. В США (в штатах Индиана и Флорида) две из восьми таких ТЭС работают на ВУТ. Мощность ТЭС в Индиане составляет: газовой турбины — 191 МВт, паровой — 111 МВт. Мощность ТЭС во Флориде: газовой турбины — 192 МВт, паровой — 130 МВт. Измеренный КПД — 42 %. Перспективы использования ВУТ в ПГТУ будут, вероятно, оценены по результатам работы этих ТЭС. Масштабное применение ВУТ в строящихся или проектируемых ТЭС на основе ПГТУ в России не предусмотрено. Между тем это направление является, возможно, единственным крупномасштабным и перспективным применением технологии ВУТ, в которой имеются весьма значительные научные и технические наработки российских исследователей и технологов.
Анализ приведенных выше материалов приводит к заключению:
Применение ВУТ взамен пылевидного угля нецелесообразно по экономическим и производственным пока «ВУТ взамен мазута» имеет перспективу только при очень высоких относительно угля ценах на мазут. В центральных областях России, где соотношение цен мазут/уголь близко к двум, с учетом теплоты сгорания и технологичности этих энергоносителей применение ВУТ взамен мазута нерентабельно. В других странах соотношение цен делает рентабельным применение ВУТ из обогащенного угля в качестве частичной замены мазута на ТЭС. Исследования этого направления можно считать практически завершенными.
ВУТ из высокодеминерализованного угля будет перспективным для ДВС при условии разработки экономически рентабельной технологии сверхтонкого измельчения и деминерализации угля.
Исследовательские работы этого направления целесообразно продолжить.
Из известных способов глубокой деминерализации угля (до остаточной зольности менее 1 %) наиболее экономически и экологически перспективным является механохимический, который к тому же совмещен со сверхтонким измельчением и предусматривает возможность утилизации минеральной составляющей угля в виде чистых оксидов, кремния, кальция, магния и титана.

/*/

Статья замечательная. Замечательная в плане экономического обоснования выводов.
Но все равно куда девать фракцию 50 - 0 микрон. А угли на дальнем востоке, которые даже при транспортировке переходят в ожиженый продукт.