ИСПОЛЬЗОВАНИЕ



Предыдущая | Следующая

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ чистых угольных технологий в России ГРИНЬКО Николай Константинович Доктор техн. наук, профессор В последнее время возникли проблемы экологической совместимости угольного, и особенно обогатительного, производства с окружающей средой, что требует решения вопроса рационального использования угля при получении энергии и технологического сырья для коксохимической переработки. Многие вопросы, возникшие на стыке отраслей, особенно остро встали при переходе к рыночным отношениям, когда угольная отрасль подверглась коренной реструктуризации и долгие годы находилась в кризисных условиях, и при выборе своей ниши в конкуренции с другими энергоносителями. Если в прошлом столетии уголь был основным составляющим топливно-энергетического баланса (более 60 %), то сегодня он уступил свои позиции более прогрессивным видам топлива. Но это не значит, что наступил закат угля как полезного ископаемого, о чем свидетельствуют показатели неснижаемой мировой добычи (более 4 млрд т в год). Однако назрела настоятельная необходимость развивать научные, конструкторские и прикладные исследования, направленные на комплексное использование угольной продукции, не допуская потерь потенциальных возможностей угля при его потреблении.
Многочисленные публикации автора в изданиях и технических журналах направлены на анализ развития отрасли в прошлом веке и на прогноз ее развития в новом тысячелетии, где обозначены количественные и, главное, качественные аспекты развития, возникшие проблемы и возможные пути их решения. Так, дальнейшая судьба угольной промышленности будет обусловлена дефицитом в энергетическихресурсах,которыйобразуетсяпосле использования других видов энергии. Это касается как всего мирового пространства, так и в большей степени России. Уголь в ряду энергоносителей является замыкающим, т.е. им покрывается дефицит, который образуется после полного использования других энергоносителей. По мере развития нефтянойигазовойпромышленности,если оно будет осуществляться опережающими темпами по сравнению с потребляющими энергию отраслями, роль угля будет неуклонно снижаться.
Применяемые ныне традиционные способы угледобычи, особенно на шахтах, весьма трудоемки, требуют больших издержек производства, небезопасны для жизни и здоровья рабочих и поэтому неперспективны. В связи с этим научными организациями отрасли много лет ведутся поиски более эффективных и безопасных технологий, которые смогли бы обеспечить "прорыв" в производстве и сделать уголь конкурентоспособным с другими источниками энергии.
ХХI в., бесспорно, будет характеризоваться невероятно бурным развитием производства. Сегодня даже людям с большой фантазией невозможно представить, что будет достигнуто нашими потомками. Ясно только одно - это будет век сверхвысоких технологий, и для этого потребуется колоссальное количество энергии. Чем и как будет компенсироваться эта потребность?
Развитие энергетики потребует коренного изменения общественных отношений в международном масштабе, как по вопросам организации, так и по вопросам поиска новых источников энергии.
Открытые запасы нефти и газа оцениваются на 100 лет их эксплуатации при сегодняшнем уровне их добычи. Запасы угля дают возможность использовать его еще значительный период. Но этот вид топлива - очень дорогой и увеличение его использования в современном виде ведет к обострению экологической обстановки. Добытый уголь используется в энергетике и коксовании. В ближайшей перспективе потребление угля, идущего на коксование, сохранится на уровне 50-60 млн т и, если учитывать, что коксующиеся угли в основном добываются подземным способом, то для этих целей следует совершенствовать технологию шахтного способа добычи.
Поставщиками энергетических углей, за исключением особо высокосортных, которые добываются подземным способом, в основном будут разрезы.
Основное внимание при потреблении энергетических углей, при их сжигании в наземных энергетических установках следует обратить на неудовлетворительное использование энергетического потенциала угля, в лучшем случае - 40-45 %, в худшем - 12-25 %.
За последние 10-15 лет в мировой энергетике произошел прорыв в области комбинирования технологического и энергетического использования угля, а именно - идет процесс создания угольных тепловых электростанций (ТЭС) с парогазовыми установками (ПГУ) с внутрицикловой газификацией угля.
На Западе стали применять газификацию угля на ТЭС, переводить на получаемый генераторный газ котлы, устанавливать дополнительно к паровым газовые турбины, т.е. реализуется вариант с ПГУ. Опыт газификации угля в Европе более чем за 150 лет ее использования был достаточным, чтобы уже в 1976 г. в Германии на электростанции "Келлерман" был пущен впервые в мире энергоблок с внутрицикловой газификацией. Получаемый в газификаторе из угля газ, очищенный от сажи и сероводорода в мокрых скрубберах, сжигался в двух высоконапорных парогенераторах при давлении 0,9 МПа. Продукты сгорания газа с температурой 8 000оС подавались в газовую турбину мощностью 74 МВт, а получаемый в парогенераторах водяной пар давлением 12 Мпа и температурой 5 300оС подавался в паровую турбину мощностью 96 МВт. Суммарная мощность энергоблока составляла 170 МВт, КПД парогазового цикла - около 37 %.
В США на электростанции "Кул Уотер" в 1984 г. была пущена парогазовая установка мощностью 110 МВт с газификацией битуминозного угля в газификаторах фирмы "Тексако". Топливо в газификаторы подается в виде водо-угольной суспензии под давлением 4 Мпа. Газ, очищенный от механических примесей и сероводорода, сжигается в камере сгорания газовой турбины и подается в ее проточную часть с температурой 12 500 оС. Выхлопные газы турбины направляются в котел-утилизатор, откуда пар поступает в паровую турбину мощностью 55 МВт. Образование оксидов азота подавляется путем впрыска воды в камеру сгорания газа.
Суммарный КПД ПГУ, в зависимости от температуры газа на входе в турбину, составляет от 37 до 41 %.
Внутрицикловая газификация угля на ТЭС имеет ряд достоинств: возможность использовать твердое топливо любого качества, экологическая чистота всего топливного цикла ТЭС, маневренность и надежность системы топливоподготовки, возможность модульного строительства и расширения ТЭС. Особенно эффективна газификация топлива на ТЭС с ПГУ, так как в этом случае повышение КПД теплового цикла ТЭС частично или полностью компенсирует снижение КПД системы топливоподготовки, связанное с включением в нее газификаторов, собственный КПД которых обычно не превышает 85 %.
Успешный опыт работы ТЭС с внутрицикловой газификацией угля в Германии и США стимулировал развитие работ этого направления в ряде других стран.
Сегодня в мире имеется уже более 30 промышленных и опытно-промышленных установок с газификацией угля на ТЭС.
Только в США в ближайшие 10-12 лет на такие работы предполагается затратить до 10 млрд дол. Появился интерес и к разработанному у нас методу высокоскоростного пиролиза угля в сочетании с газификацией получаемого полукокса.
Исследованиями в этом направлении занимаются сегодня в Японии, Австралии и других странах.
Наряду со строительством энергоблоков, где газогенераторный продукт используется целиком в качестве топлива, прогнозируется переход к энергетическим предприятиям, основанным на комплексном использовании угля с получением, наряду с электроэнергией, различной продукции путем пиролиза и других процессов переработки угля (Программа "Видение-21", США).
Наиболее продвинутой по технологиям и практическому получению жидкого топлива и различной продукции является группа "Cacol" (ЮАР), единственная в мире многопрофильная корпорация по добыче угля и его термохимической переработке. Еще в 1995 г. оборот группы "Cacol"-синтетические топлива" составлял 5,6 млрд рэндов; "Cacol"-химическое производство" - 4,8 млрд рэндов; "Cacol"-нефть" - 2,1 млрд рэндов.
Кстати, все эти производства уже тогда приносили чистую прибыль Россия, к сожалению, в развитии энергетики прочно освоила "газовую паузу", исходя из того, что обладает крупнейшими запасами газа в мире.
Данные по запасам газа при освоенных объемах добычи позволяют прогнозировать преимущественное его потребление, т.е. величину "газовой паузы" порядка 20 лет.
Спрашивая, чем можно заменить в будущем потребление газа на ТЭС, рассчитывать на мазут, получаемый из нефти, не приходится, так как его для ТЭС не хватает уже сегодня, это без углубленной переработки для производства светлых моторных топлив. Из органических топлив остается только один крупный энергоресурс - уголь.
По мнению большинства специалистов, именно углю в ХХI в. предстоит стать главным энергоресурсом тепловых электростанций. Сегодня доля угля на ТЭС Россиинепревышает28%,хотяужек20102015 гг. прогнозируется рост его доли до 35 %. В указанном периоде "газовая пауза" должна перейти в так называемую "газоугольную паузу", на протяжении которой доля природного газа в потреблении на ТЭС будет падать. Но для этого необходимо осуществить глубокую переработку угля, ибо простое сжигание угля из-за его зольности, влажности мало годится для эффективного сжигания в котлах электростанций, да и твердые и газообразные отходы загрязняют атмосферу.
В Энергетической стратегии России до 2020 г., утвержденной Правительством РФ от 28 августа 2003 г. №1234 Р, указывается на нерациональную структуру топливного баланса, когда доля выработки электроэнергии на газе превышает 60 %, и предусматривается осуществить комплекс научных исследований и разработок, направленных на расширение ресурсной базы электроэнергетики за счет освоения эффективного экологически чистого сжигания канско-ачинских и низкосортных углей в котлах паротурбинных энергоблоков со сверхкритическими параметрами пара и с использованием технологии сжигания угля, в том числе с "кольцевой" топкой, в расплаве шлака, в топках с циркулирующим кипящим слоем и под давлением.
Заканчивается 2005 г., а работы эти не находят своего решения. И фактически электроэнергетика развивается по пути наращивания потребления газа и вытеснения угля из баланса энергопотребления под флагом того, что существующая технология сжигания угля вследствие выбросов твердых и летучих отходов приносит вред человеку и природе.
В то же время, в США 57 % электроэнергии производится на угольных ТЭС, к 2010 г. прогнозируется 65 %. В Европе доля угля в производстве электрической и тепловой энергии достигает 60 %. А в российскойтеплоэнергетикена2010г.прогнозируется доля газа в топливном балансе 68 % (при критических 60 % по стратегии) при снижении доли угля до 27 %.
Научно-техническая и инновационная политика в угольной отрасли предусматривает:
1. Повышение качества угольной продукции за счет специализированных технологических процессов его переработки, а именно: коксующиеся угли проходят стопроцентное обогащение для их последующего использования в коксохимическом производстве для получения кокса в коксовых батареях; каменные энергетические угли для получения высококачественного экспортного продукта;
бурые энергетические и каменные энергетические, поставляемые на внутренний рынок, практически не подвергаются обогащению, так как это не приводит к экономическому эффекту из-за соответствующего роста топливной составляющей электро- и теплоэнергии.
Сегодня на первый план выходит оценка технологической возможности и экономической эффективности обогащения углей, поставляемых для ТЭС России.
2. Внедрение технологии глубокой переработки углей на основе мягкого пиролиза с получением жидких углеводородов и экологически чистого твердого топлива, углеродных нитей, сульфоугля, суперчистого энергоносителя.
Анализируя информацию в Интернете и периодической печати, следует отметить, что в России наиболее перспективными для энерготехнологического использования являются бурые угли Канско-Ачинского бассейна. Эти угли обладают очень благоприятными для химико-технологической и термической переработки свойствами - малой зольностью, низким содержанием серы, высоким содержанием в золе СаО и МgО, высокой реакционной способностью.
По данным НТЦ "Экосорб", проводившим исследования и опытно-промышленные испытания, установлена возможность эффективного использования продуктов пиролиза, и прежде всего полукокса. Особый интерес представляет технология термоконтактного коксования углей (ТККУ), основанная на нагревании мелкозернистого угля циркулирующим твердым теплоносителем - полукоксом. В ее основу положены технология и аппаратура современной нефтепереработки.
Приведенные испытания на опытно-промышленной установке на ТЭЦ 1 Екатеринбургэнерго подтвердили принципиальную схему применения для термопереработки угля технологических и аппаратных принципов переработки нефти и показали возможность переноса опыта целой отрасли (нефтепереработки) в другую отрасль - углепереработку.
Однако дальнейшая судьба этих разработок более чем печальна. Спроектирована и построена в 1975-1983 гг. на промышленной площадке Красноярской ТЭЦ-2 промышленная технологическая установка (энерго-топливно-химическая) ЭТХ-175 для высокоскоростного пиролиза пылевидного канско-ачинского угля. Установка не испытана, и работы прекращены в 1988 г. Проекты установок для производства углеродных сорбентов активированных углей, жидкого топлива и химических продуктов, привязанные к Гусиноозерской ГРЭС (Бурятия), Кедровскому разрезу в Кемеровской области, на Костромской ТЭЦ-1 прошли экспертизу РАО ЕЭС России и угольного комитета РФ и пылятся на полках, дожидаясь своего часа.
Несмотря на прямое игнорирование новых технологий глубокой переработки угля со стороны РАО ЕЭС России, многие руководители и научная общественность предпринимают усилия для изыскания новых технологий потребления угля в электроэнергетике.
Заслуживает внимания заявление губернатора Кемеровской области А.Г. Тулеева о новом приоритетном направлении в работе горняков, а именно: форсированное строительство в течение 10 лет в Кемеровской области целого ряда фабрик и специальных установок для обогащения и глубокой переработки топлива.
Ибо глубокая переработка угля в местах его добычи позволяет шахтерам экономить большие финансовые средства, а природе - получить экологическую защиту, так как объемы добычи в Кемеровской области (170 млн т) приблизились к критической точке по вредности.
В интервью Президента группы "Белон" А. Белова выражается надежда на осуществление на шахте "Листвяжная" замкнутого технологического цикла с переработкой углей в продукцию высокой степени передела и в электроэнергию.
Есть свой взгляд на глубокую переработку угля у В. Потапова, директора института угля и углехимии СО РАН, который затрагивает кроме энергетических составляющих угля и его минеральную часть.
По-видимому, настало время Министерству промышленности и энергетики более предметно заинтересоваться чистыми технологиями глубокой переработки углей, оценить научно-практический задел использования и развития технологий экологически безопасного использования угля.
По всему миру в эти технологии вкладывают значительные средства энергетические компании под патронажем правительств и президентов. Так, администрация Джоржа Буша расходует около 400 млн дол. на исследования в области угля. А министр энергетики США Спенсер Абрахам и губернатор штата Флорида Джекоб Буш предоставили "Сизернкомпани" более 200 млн дол. на строительство электростанции во Флориде, которая будет работать на угле с применением новейших чистых угольных технологий.
Министерству промышленности и энергетики, реализуя Энергетическую стратегию до 2020 г., следует директивно установить пропорции "уголь - газ" для выработки электроэнергии и включать экономические рычаги воздействия при превышении критического уровня потребления природного газа. Назрела необходимость более предметно влиять на потребителей минеральных энергоресурсов по их рациональному использованию.
К чистым технологиям использования угольной продукции следует отнести технологии использования газа метана, транспортировку и сжигание водо-угольной суспензии, а также получение газа от подземной газификации угля.
В угольной отрасли за последние 35 лет накоплен научный и экспериментальный материал, и ведутся опытнопромышленные работы по утилизации метана на шахтах Печорского и Кузнецкого угольных бассейнов. Запасы метана как попутного полезного ископаемого в пределах Воркутинского и Воргашорского месторождений составляют 41 млрд куб. м. Именно эти запасы представляют интерес с точки зрения извлечения их из недр в процессе угледобычи и последующей утилизации для получения дополнительной энергии.
Основная углеметановая база страны - Кузбасс, в недрах которого до глубины 1 800 м содержится до 13 трлн куб. м метана. В настоящее время действующими шахтами отрасли производится выброс в атмосферу свыше 7 млрд куб. м метана, поэтому утилизация необходима, как с точки зрения использования метана в виде топлива, так и с точки зрения экологии. Метан является парниковым газом, увеличение его концентрации в атмосфере приведет к увеличению температуры приземного воздуха со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Развитие гидравлической добычи и гидротранспорта угля, мокрых процессов обогащения, а также нефтекризис в 1970-х гг. послужили толчком для разработки, с одной стороны, эффективных способов утилизации мелких классов углей, а с другой, - эквивалентных заменителей жидких видов топлива.
Водо-угольные суспензии оказались технологически, экономически и экологически наиболее приемлемым новым видом топлива из угля.
В настоящее время процессы производства ВУТ разработаны до уровня широкого внедрения в различных отраслях промышленности. Наибольшее развитие они получили в Японии, Китае и России.
Наиболее крупными установками по приготовлению ВУТ являются: завод на о. Сардиния в Италии (0,5 млн т в год), завод в Китае в г. Датун (1 млн т в год), пульпопровод "Блэк-месса" в США (5 млн т в год).
Новый вид топлива из угля следует рассматривать как перспективный с точки зрения экономики и защиты окружающей среды.
Многолетний опыт подземной газификации угля на воздушном дутье через скважины малого диаметра подтвердил практическую осуществимость в благоприятных горно- и гидрогеологических условиях, однако низкий коэффициент полезного действия, низкая теплота сгорания газа, высокая энергоемкость в современных условиях в принципе экономически нерентабельна по сравнению с добычей природного газа.
Далеко не полный перечень проблем рационального комплексного использования твердых горючих ископаемых и сопутствующих минеральных компонентов позволяетсформулироватьпереченьзадач при комплексной переработке угля, это:
· разработка и внедрение процессов производства облагороженных твердых топлив и низкосортных углей, отходов обогащения;
· разработка и внедрение в опытно-промышленном масштабе производства из угля жидкого топлива и различной химической продукции в зависимости от экономической целесообразности;
· создание новых технологий нетопливного использования угля с получением адсорбентов, гуминовых препаратов для сельского хозяйства, экологически безопасных красок, клеев и других материалов;
· разработка технологии транспортабельности экологически безопасного топлива на базе водо-угольных суспензий;
· разработка и внедрение технологий переработки отходов добычи и обогащения с получением полезных продуктов.
Ученые и работники производства, работающие в этих направлениях, говорят о реальной перспективе создания эффективного энерготехнологического комплекса, так как есть потребитель продукции, есть технологические наработки, есть международный опыт, нужна политическая воля и инвестиции в инновации.