Газификация угля



Предыдущая | Следующая

 

Газификация угля — одна из старейших промышленных технологий. Согласно истории первое сообщение о получении горючего газа из древесного угля сделал в 1609 г. Джон Ван Хельмонт из Брюсселя. Первый патент на способ газификации угля был выдан в 1788 г. Роберту Гарднеру. А в 1792 г. инженер Вильям Мэрдок, работавший у знаменитого изобретателя парового двигателя Джеймса Уатта, изготовил первый газификатор и начал использовать угольный газ для освещения.
В 1807 г. в Лондоне, а в 1815 г. в Балтиморе (США) на улицах зажглись первые газовые фонари. Уже через 10-20 лет многие крупные города Европы и Америки имели газовое освещение. Но наивысшего расцвета технология газификации достигла к середине XX века. В 1925 г. только в США около 12 тысяч установок перерабатывали в газ до 25 млн т угля в год. В СССР в конце 1950-х годов производилось около 35 млрд м3 газа из угля.
Однако уже в 1960-е годы природный газ и нефть существенно потеснили уголь, и углегазовая промышленность была разрушена в считанные годы. Отрезвление от наступившей эйфории пришло во время первого нефтяного кризиса начала 1970-х годов. Тогда с целью укрепления энергетической независимости в США была принята амбициозная программа с многомиллиардным бюджетом по развитию нового поколения угольных технологий. За ними последовали и многие другие страны. Но последующее снижение цен на нефть ослабило остроту ситуации, и эти работы были отодвинуты на второй план.
Однако первый кризис дал серьезный толчок развитию новых технологий газификации, и некоторые из них удалось даже реализовать в промышленном масштабе.
Несмотря на глобальное лидерство нефти и газа как первичных источников энергии, уголь по-прежнему занимает очень прочные позиции. В XXI веке роль угля в энергетическом балансе большинства стран будет возрастать. Это обусловлено как ростом издержек на добычу нефти и газа, так и неизбежной перспективой их исчерпания в текущем столетии. Запасы угля на порядок и более превышают запасы углеводородов, и на третье тысячелетие угля в мире точно хватит.
Что касается ядерной энергии, то здесь ожидания оказались чрезмерно завышенными: атомные электростанции не внесли существенного вклада в мировую энергетику, а работы по управляемому термоядерному синтезу до сих пор не вышли из экспериментальной стадии. Поэтому на безграничные энергетические ресурсы пока рассчитывать не приходится. Сегодня доля угля в мировом топливно-энергетическом балансе составляет около 23 %. При этом 38 % электрической энергии и 70 % стали производятся на основе угля. По прогнозам Мирового энергетического агентства (The International Energy Agency), прирост потребления угля за период 20002020 гг. должен составить 40-45 %.
Очевидно, что сегодняшний взлет цен на нефть в большей мере вызван политическими и спекулятивными причинами, чем дефицитом этого сырья. И, скорее всего, через какое-то время нефть опять подешевеет. Но многие потребители уже не хотят ждать очередного кризиса, который поставит их на грань банкротства. Они начинают формировать свои корпоративные или региональные программы энергоснабжения, ориентированные на локальные источники энергии, чтобы ослабить зависимость от конъюнктуры мирового энергетического рынка. И, естественно, их взоры в первую очередь обращаются к газификации угля как к альтернативному источнику газа для энергетики, металлургии и химической промышленности. Но эта альтернатива имеет два главных недостатка по сравнению с нефтегазовыми технологиями: более высокая капиталоемкость основных процессов и значительные затраты на очистку газа от вредных примесей. Хотя при сравнении с традиционными технологиями сжигания угля есть и целый ряд преимуществ: очистка газа перед сжиганием дешевле, чем очистка дымовых выбросов угольных электростанций. При сжигании угольного газа радикально снижаются выбросы оксидов азота, и может быть эффективно реализован комбинированный парогазовый цикл производства энергии. Много вопросов к угольным технологиям возникает и в свете принятия Киотского протокола об ограничении выбросов углекислого газа.
Но и здесь наметился значительный прогресс. Так, например, Департамент энергетики США (US DOE) планирует к 2012 г.
запустить в эксплуатацию угольную электростанцию коммерческого масштаба, которая относится к классу «zero emissions» с полной сепарацией и секвестрацией (sequestration) углекислого газа. Ожидается, что стоимость электроэнергии будет только на 10 % выше, чем на традиционной угольной электростанции. Как только будут введены ощутимые налоги за выброс диоксида углерода в атмосферу, такие технологии займут лидирующее положение в энергетике.
Безусловно, прогресс не стоит на месте.
Поэтому современные процессы газификации угля существенно отличаются от уровня 1950-1960 гг. и по технологическим, и по экологическим показателям. И если тогда были известны три-пять основных способов газификации с несколькими вариациями для каждого, то в настоящее время счет идет на десятки. Причина такого разнообразия заключается в том, что невозможно разработать один универсальный процесс, который будет использовать самые разные угли и производить продукцию, пригодную для всех случаев жизни: для традиционной и водородной энергетики, для многочисленных химических технологий и металлургии. Каждый процесс имеет свою потребительскую нишу, свои недостатки и свои преимущества. Однако можно сформулировать одну общую закономерность. Наибольшей экономической эффективностью и гибкостью обладают технологии газификации с комбинированным производством нескольких продуктов. Поэтому сегодня наряду с уже устоявшимся термином «когенерация» все чаще применяется «тригенерация» и даже «квадрогенерация». И это является отражением современной тенденции в области газификации угля. В истории газификации имеется многолетний опыт заводов SASOL в ЮАР, которые производят более сотни продуктов из угля. По-видимому, это избыточно предельный случай полипроизводства. Однако здесь следует вспомнить, что данный проект был обусловлен в большей мере политическими (введение эмбарго), чем экономическими причинами. Естественно, что экономический оптимум должен определяться индивидуально для каждой конкретной ситуации.
Характерным примером из новой истории газификации угля может служить изобретение российских специалистов — авторов данной статьи. В центре Сибири находится Канско-Ачинский бассейн с необозримыми запасами дешевого бурого угля. В начале 1990-х годов в институте КАТЭКНИИуголь, который занимался проблемой переработки этого угля, был разработан новый процесс газификации. Он относится к классу слоевых автотермических технологий. Это направление, которое берет свое начало от исторически первого способа газификации угля, достигло самого высокого уровня развития в промышленных технологиях фирмы Lurgi. На протяжении многих десятилетий тысячи специалистов в разных странах неустанно совершенствовали этот процесс и, казалось, что здесь уже не может быть места новым решениям. Однако в процессе детального исследования слоевой газификации угля на компьютерной модели удалось выявить новый эффект. При определенных технологических параметрах в слое угля с так называемым обратным дутьем формируется фронт неполной конверсии угля, движущийся навстречу воздушному потоку.
Процесс был воспроизведен на экспериментальной установке.
Как оказалось, он обладает целым рядом преимуществ по сравнению с классической технологией. Прежде всего, производимый газ абсолютно не содержит конденсируемых продуктов пиролиза угля, потому что они сгорают в потоке воздуха сразу же после выхода из угля, а продукты сгорания вступают в реагирование с раскаленным коксом и превращаются в газ, который (кроме азота, поступающего с воздухом) состоит в основном из водорода и оксида углерода (Н2 + СО). Отмывка газа от смол в классической технологии и последующая их утилизация — одна из главнейших проблем слоевой газификации. В том числе она связана с громоздкими сооружениями для переработки больших объемов воды, загрязненной фенолами и канцерогенными органическими соединениями. Характерным признаком такой технологии является специфический запах летучих веществ, которые пронизывают весь завод. Они депрессивно воздействуют на окружающую экосистему (вода, воздух, растительность) и, конечно, в первую очередь, на здоровье персонала. В новой технологии эта проблема полностью устранена — в производимом газе нет даже следов угольных смол.
И это радикально удешевляет промышленное производство.
После прохождения через слой угля фронта термических превращений (термической волны) в газификаторе остается высокопористый твердый продукт. В зависимости от сорта исходного угля и выбранных технологических параметров процесса он может представлять собой активированный углерод или среднетемпературный кокс металлургического назначения. Как известно, активированный углерод является незаменимым веществом для адсорбции очень широкого спектра загрязняющих веществ. Его применяют для очистки самых разнообразных газовых выбросов. В России этот продукт сертифицирован также для очистки загрязненной воды до питьевого качества. А кокс является универсальным технологическим топливом для многочисленных металлургических технологий и эффективным углеродным восстановителем для электротермических производств (например, получение ферросплавов, кремния, фосфора), где требуется высокая реакционная способность и большое электрическое сопротивление.
Новый процесс газификации (процесс «Термококс») использует только два исходных компонента — уголь и воздух и имеет только два конечных продукта — газ и активированный кокс. И ни одного побочного продукта. Энергия исходного угля распределяется между продуктами примерно поровну, а потери тепла в окружающую среду не превышают 4-5 %. Это означает, что термический КПД процесса около 95 %.
На основе детального изучения экспериментальных результатов в 1994 г. Министерство угольной промышленности приняло решение о строительстве в г. Красноярске опытно-промышленного завода для переработки до 40 тыс. т бурого угля в год. В настоящее время он принадлежит компании «Карбоника-Ф». За время эксплуатации завода были отработаны технологические режимы переработки широкого спектра бурых и неспекающихся каменных углей.
Производимый кокс из канско-ачинских углей аттестован как активированный уголь марки АБГ, в том числе для очистки питьевой воды. Он поставляется ряду предприятий России и на экспорт. Самые крупные потребители — РАО «Норильский никель» и РАО «ЕЭС России».
А исследователи продолжают открывать все новые особенности этой уникальной технологии. Так, выяснилось, что с помощью нестационарных воздействий на управляющие параметры скорость процесса можно увеличить в несколько раз. Почти такого же результата можно добиться, изменяя традиционное для слоевой газификации аппаратурное оформление процесса. Эти усовершенствования существенно снизят капитальные затраты при строительстве новых заводов.
Несколько подробнее следует остановиться на перспективах использования получаемого газа. В настоящее время на красноярском заводе реализована простейшая схема — газ сжигается в двух бойлерах для получения горячей воды, которая подается в муниципальную тепловую сеть. Интересно заметить, что муниципалитет разрешил эксплуатацию завода в одном из центральных районов города, население которого приближается к миллиону человек. Дело в том, что по заключению государственной природоохранной службы, основанному на инструментальных замерах, дымовые выбросы газовых бойлеров по всем показателям существенно чище, чем у традиционной угольной котельной. Суммарные удельные выбросы NOx, SOx, CO и пыли составляют 0,3 кг/Гкал, что в 30 раз ниже, чем у угольной котельной или ТЭЦ, ниже действующих нормативов и на два порядка ниже, чем в коксохимическом производстве. Кстати, если еще раз вспомнить об усилении борьбы с выбросами диоксида углерода, то в данной комбинированной схеме производства полукокса и тепловой энергии выбросы диоксида углерода на единицу продукции, по крайней мере, на 15 % ниже, чем при использовании традиционных технологий раздельного производства кокса и тепловой энергии.
Однако простое сжигание газа для получения тепла — не самый лучший вариант его использования. Газ можно также использовать как технологическое топливо в процессах сушки и обжига различных материалов, например, извести, кирпича и т. п.
Условно выделим два направления потенциального применения газа — энергетическое и химическое. Для первого наиболее эффективным является производство электроэнергии и тепла по парогазовому циклу. В этом случае газ сжигается в газовой турбине, а тепло продуктов сгорания используется для получения пара, который вращает паровую турбину. КПД производства электроэнергии по такой схеме, как минимум, в полтора раза выше, чем на традиционных электростанциях с паровым циклом и уже сегодня превышает 50 %. Это решение заложено в проект комбината по переработке каменного угля, который предполагается разместить в Кузбассе.
Различные варианты использования газа как технологического сырья просто не поддаются обзору. Укрупненно можно выделить три потенциальные сферы его применения:
1. Использование основных компонентов (СО+Н2) как сырья для широкого спектра процессов химического синтеза, которые уже освоены промышленностью. Здесь, прежде всего, следует выделить производство метанола и особенно диметилового эфира как перспективной альтернативы нефтяному дизельному топливу.
2. Второе направление связано с выделением водорода (его содержание в продуктовом газе составляет 20-25 %).
Это — универсальный продукт, потребление которого радикально возрастет уже в ближайшем будущем. Сфера его применения чрезвычайно обширна: от топлива для водородной энергетики до питательного субстрата для бактерий при производстве синтетических кормов для животноводства и биоразрушаемых полимеров, которые должны прийти на смену традиционному полиэтилену и полипропилену. Очень важно отметить, что в настоящее время промышленное внедрение всех перечисленных технологий сдерживается только высокой ценой водорода.
3. Использование газа как восстановителя в металлургических процессах прямого восстановления железа и других металлов.
Необходимо заметить, что ориентация на производство газа химического назначения требует изменения параметров процесса по сравнению с вариантом производства энергетического газа. И это допускает новая технология. Действующий в Красноярске завод управляется автоматизированной системой.
Очень важно, что технология имеет очень простое и надежное аппаратурное оформление. Модульная схема позволяет оперативно изменять мощность в очень широком интервале значений.
Перечисленные выше сферы приложения угольного газа известны достаточно давно.
Однако до настоящего времени их масштабное внедрение сдерживается экономическими показателями, так как во многих случаях угольный газ не выдерживает конкуренции с природным газом и нефтью. Здесь технология «Термококс» совершает своеобразный экономический прорыв. Схема когенерации с производством сравнительно дорогого кокса позволяет предельно снизить (если необходимо, даже до нуля) издержки, относимые на производство газа. При таком ценообразовании угольный газ оказывается просто вне конкуренции.
На примере только одной из многих новых разработок по газификации угля мы смогли убедиться в том, что в этой области произошел качественный рывок. Процессы газификации угля с радикально улучшенными характеристиками, среди которых не последнюю роль играет высокий уровень экологической безопасности, остро необходимы именно в сегодняшних условиях нестабильности мирового энергетического рынка и повышенной техногенной нагрузки на окружающую среду.
Создание эффективных угольных технологий с пониженной эмиссией вредных веществ в пределах технологического цикла, позволяющих получать конкурентоспособные продукты и генерировать электрическую и тепловую энергию, является приоритетной задачей мировой энергетической стратегии.
В настоящее время технология «Термококс» готова для крупномасштабного внедрения и тиражирования. Предприятие уже на уровне опытной установки экономически эффективно и поставляет конкурентоспособную продукцию в промышленность. Тариф на тепловую энергию (это побочный продукт технологии «Термококс») — 150 руб./Гкал — самый низкий в городе, а, возможно, и в России. Для сравнения: в США и Германии все созданные в 1980-1990-е годы промышленные установки по термической переработке угля дотируются государством.
Размещение энерготехнологических предприятий, производящих широкую гамму продуктов углепереработки, на небольшом расстоянии от угледобывающих предприятий даст возможность снизить остроту транспортных проблем, связанных с дефицитом подвижного состава для перевозки угля. Кроме того, радикальное увеличение стоимостной «отдачи» одной тонны угля будет способствовать увеличению налогооблагаемой базы и экономическому росту в угольных регионах.
Далее приведены технико-экономические показатели энерготехнологического комплекса (ЭТК) по переработке кузнецкого угля марки Д, опытная отработка которого была осуществлена нами в 2004-2005 годах, и был получен среднетемпературный кокс очень высокого качества. По заключению ФГУП «Кузнецкий центр ВУХИН», проводившего испытания полученного полукокса, продукт по потребительским качествам превосходит известные аналоги, в том числе полукокс, производящийся ФГУП «Завод полукоксования», г. Ленинск-Кузнецкий. Продукт может быть успешно применен в качестве углеродного восстановителя, недорогого углеродного сорбента, металлургического и технологического топлива в ряде отраслей промышленности, в том числе на «Кузнецких ферросплавах», комбинате ЗапСибМет, Кузнецком металлургическом комбинате и др.
Возможны различные варианты компоновки ЭТК в зависимости от способа утилизации попутного газа. В приведенном ниже расчете выполнена оценка двух вариантов:
вариант 1 — сжигание газа в водогрейных или паровых котлах (стоимость котельной «под ключ»); вариант 2 — сжигание газа в котлоагрегате с отбором пара на турбину (стоимость конденсационной мини-ТЭС «под ключ», установленная электрическая мощность — 18 МВт, отпускаемая сторонним потребителям — 15 МВт).
Как следует из приведенного расчета, тепловую энергию либо газ потребителям можно отпускать бесплатно. Суть в том, что затраты на генерацию тепловой энергии покрываются высокой ценой на основной продукт — кокс.
Поэтому на вопрос, который иногда задают скептики: «Газификация угля — это возврат в прошлое или шаг в будущее?», можно уверенно ответить: технологии газификации угля нового поколения являются шагом в самое ближайшее будущее.