Новые технологии позволяют более эффективно использовать
бурый уголь, которым так богата Украина В связи с сокращением запасов нефти и газа и ростом цен на энергоносители,
актуальным остается поиск новых энергоресурсов. Одним из решений этой проблемы
является создание альтернативных топливных материалов на основе бурого угля,
запасы которого в нашей стране достаточно велики.
В мировой практике бурые угли уже давно перерабатывают по новым эффективным
технологиям, в том числе с получением синтетического и водоугольного топлива. В
то же время многочисленные отечественные разработки по получению синтетического
жидкого топлива и водоугольной суспензии из бурых углей сейчас находятся, в
лучшем случае, на стадии пилотного проекта. Для внедрения таких проектов
необходима поддержка государства, которой, к сожалению, в данный момент нет.
Украинский бурый уголь
Запасы бурого угля Украины, по данным Министерства угольной промышленности,
оцениваются в 6-8 млрд т и в основном сосредоточены в Днепровском буроугольном
бассейне, а также на отдельных месторождениях Харьковской, Черкасской,
Житомирской, Кировоградской и Полтавской областей. Из них достоверные запасы
бурого угля составляют 2 млрд т, из которых более 1 млрд т можно добывать
безопасным и дешевым открытым способом.
Наиболее перспективными считаются Александрийское и Верхнеднепровское
месторождения. Запасы бурого угля в Александрийском месторождении — 485 млн т,
в том числе 63 млн т для открытых разработок. Запасы разведанных участков
Верхнеднепровского месторождения составляют 236 млн т для добычи открытым
способом.
Украина имеет технологии и значительный опыт добычи бурого угля, в отдельные
годы в стране добывалось до 12 млн т. Однако начиная с 1990 г., добыча бурого угля
сокращалась быстрыми темпами и в настоящее время фактически прекращена. К этому
привело неэффективное управление угледобывающими предприятиями, физическое
старение оборудования, кризис угледобывающей промышленности, отсутствие
поддержки со стороны государства.
В марте текущего года завершился начатый еще летом 2006 г. процесс ликвидации
единственного в Украине предприятия, занимающегося добычей, переработкой и
сбытом бурого угля карьерным способом — ОАО ГХК "Александрияуголь"
(согласно приказу Минуглепрома №381 от 10.07.06 г.). Это означает фактическую
ликвидацию добычи бурого угля и буроугольной промышленности в Украине,
поскольку основная добыча велась именно в Александрии. В настоящее время практически
вся инфраструктура бывшего объединения "Александрияуголь" расхищена.
Однако возрождение отрасли еще возможно и необходимо, но на качественно новом
уровне.
Традиционное сжигание бурого угля на ТЭС — вчерашний день. Действительно, как
сырье для получения топлива и газа, бурый уголь из-за своей дешевизны считался
перспективным: месторождения угля залегают, как правило, неглубоко от
поверхности, поэтому добывать уголь можно самым дешевым открытым способом, в
разрезах.
Вместе с тем по своим характеристикам и теплотворным свойствам бурый уголь
уступает каменному углю: имеет повышенную зольность и большое содержание
летучих веществ, за счет чего бурый уголь склонен к самовозгоранию.
Традиционное сжигание бурого угля приводит к загрязнению окружающей среды
окислами азота и серы, другими вредными веществами.
На сегодняшний день разработаны и успешно эксплуатируются новые технологии,
позволяющие более эффективно использовать бурый уголь, нанося минимальный вред
окружающей среде. В первую очередь — это производство синтетического топлива и
создание водоугольной суспензии.
Синтетическое топливо
Современная технология получения синтетических жидких топлив из бурого угля
включает три стадии.
На первой стадии осуществляется процесс ожижения бурого угля. В размольно-смесительный
аппарат загружается бурый уголь и модифицирующие добавки. В процессе размола и
гомогенизации компонентов смеси осуществляется модификация бурого угля:
изменяется высокомолекулярная структура, состав фрагментов, разрушаются
электронно-донорно-акцепторные связи, что приводит к деполимеризации бурого
угля и превращению его в жидкую углеводородную смесь.
По физико-химическим свойствам полученная жидкая углеводородная смесь является
близкой к нефти.
Дальнейшая переработка жидкого бурого угля осуществляется в условиях,
аналогичных процессам переработки нефти.
Содержание минеральных веществ в буром угле превышает их содержание в нефтяном
сырье. При переработке бурого угля в синтетическое жидкое топливо необходимо
применение совершенных процессов фракционирования и разделения углеводородной и
минеральной составляющих.
На второй стадии осуществляется очистка жидкого бурого угля от механических
примесей, взвешенных частиц, солей, серы и других компонентов, подлежащих
удалению.
Третья стадия — углубленная переработка жидкого бурого угля в синтетическое
жидкое топливо.
Впервые синтетическое топливо из угля появилось в Германии — в 1911 г. немецкий химик
Ф.Бергиус получил из угля бензин. Дело в том, что в Германии не было
собственных месторождений нефти, а потребность в топливе возрастала. Зато были
одни из самых больших в Европе залежей бурого угля, что и подвигло на
проведение исследований с целью получения топлива именно из этого ископаемого.
Проблема была успешно решена усилиями немецких химиков, и уже к 1941 г. Германия
вырабатывала до 4 млн т жидкого топлива в год.
В начале 70-х годов в ЮАР была создана группа заводов "Сасол" по
переработке угля в синтетическое жидкое топливо, что позволило с меньшими
потерями пережить эмбарго на поставки нефтепродуктов. Сегодня компания
"Сасол" перерабатывает около 47 млн т угля в год, производя около 7
млн т жидкого топлива и имея годовую прибыль в сотни миллионов долларов. Именно
этой южноафриканской компании приписывают наивысшие показатели с точки зрения
уровня технологии и освоения масштабов производства.
После ЮАР наиболее масштабно и высокотехнологично синтезировать моторное
топливо начали в США. Восемь проектов на различных стадиях реализации
осуществляются в Китае, и все они предназначены для полной замены традиционных
видов топлива. В целом в Нигерии, Катаре, Малайзии и США на стадии
проектирования и строительства находятся около 50 объектов суммарной мощностью
более 300 млн т топлива в год. К проблеме подключились Япония, Индия, Польша,
Индонезия, Пакистан. Общий объем официально объявленных инвестиций в эту сферу
превысил $15 млрд, а производство синтетического топлива достигло 20 млн т в
год.
В Украине проблемой синтеза топлива достаточно глубоко занимается
всеукраинская, научно-техническая организация Инженерная Академия Украины
(ИАУ), где разработано достаточное количество технологий и способов переработки
угля в синтетическое жидкое топливо.
Однако, по оценке вице-президента одесского отделения ИАУ Анатолия Клименко, в
нынешних условиях в нашей стране все разработанные технологии производства
синтетического топлива являются экологически и экономически неоправданными.
Альтернативой может служить производство эмульсионного топлива из
неэнергетического бурого угля.
Технология получения эмульсионного топлива включает следующие основные стадии:
ожижение бурого угля, стабилизацию эмульсионной системы и очистку эмульсионной
системы от механических примесей и взвешенных частиц.
На первой стадии осуществляется процесс ожижения бурого угля.
Вторая стадия — стабилизация эмульсионной системы в кавитационном реакторе.
На третьей стадии осуществляется очистка эмульсионной системы от механических
примесей и взвешенных частиц. Очистка осуществляется оригинальным, не имеющим
аналогов, способом — термо-гравитационной очисткой.
Установка термо-гравитационной очистки эмульсионной системы не имеет
вращающихся, изнашиваемых частей и фильтров, отличается низкими энергетическими
затратами и эксплуатационными расходами.
Полученная эмульсия имеет все необходимые регламентированные физико-химические
свойства. К таким свойствам относятся: стабильность топливной системы в течение
длительного времени, технологически приемлемые значения реологических
параметров — низкая вязкость, низкие значения пределов текучести, отсутствие
выраженных тиксотропных свойств, предельная однородность каогуляционных
структур.
Эмульсия отвечает основному требованию, которое предъявляется к эмульсионным
топливам, — в эмульсии содержится высокая концентрация горючей основы,
достаточной для обеспечения высокой калорийности топлива.
Применение эмульсионного топлива повышает экономичность энергоустановок как за
счет снижения недожига, так и вследствие уменьшения загрязнения рабочих
поверхностей нагрева в котлах. Снижение недожига обусловлено тем, что вода в
зоне горения в виде перегретого пара способствует более тонкому распылению
углеводородной основы. Это приводит к практически полному (99.7%) ее выгоранию
и, как следствие, к существенному снижению в отходящих газах сажи, бензопирена
и вторичных углеводородов.
Эмульсионное топливо является экологически чистым видом альтернативного жидкого
топлива также и потому, что помимо уменьшения в отходящих газах перечисленных
выше вредных выбросов, при его горении существенно снижается концентрация
оксидов азота и серы.
Кроме этого, при сжигании эмульсионного топлива существенно снижается нагар
внутри топочных камер, на поверхности форсунок, а также отложения в
котлоагрегатах. Изменение механизма горения топливных эмульсий приводит не
только к увеличению их экологичности. Установленным фактом является повышение
общего КПД котла на 3-5%, а также существенная экономия энергоресурсов.
Основные технологические процессы новой технологии исследованы и испытаны на
пилотных установках.
В целом подсчитано, что запасы бурого угля в Украине, мощность угледобывающих
шахт, разрезов и предприятий по первичной переработке бурого угля позволят на
этой сырьевой и производственной базе организовать изготовление синтетического
жидкого топлива в объеме 5 млн т в год.
Однако до сегодняшнего дня проблема не рассматривалась в контексте реального
перевода ее из исследовательской стадии в производственную.
Водоугольное топливо
Еще один способ получения топлива из угля — создание водоугольной суспензии или
водоугольного топлива (ВУТ).
Идея использования водно-угольных суспензий в качестве топлива зародилась еще в
1950-х годах в Институте горючих ископаемых АН СССР. Поиски технологии их
приготовления и использования диктовались необходимостью утилизации тонких
угольных шламов, появившихся в больших количествах при интенсивном развитии
гидродобычи и гидротранспорта угля, а также при обогащении углей мокрым
способом. К решению проблемы были подключены ведущие научно-исследовательские
угольные институты страны. Для исследования процессов приготовления и горения
суспензий было построено несколько экспериментальных установок. Аналогичные
работы проводились тогда в США, ФРГ и других странах.
В связи с открытием крупных месторождений нефти и газа во всем мире и
увеличением поступления этих энергоресурсов на мировые рынки по доступным
ценам, работы по внедрению водоугольных суспензий замедлились. Интерес к ВУТ
возобновился только к середине 70-х годов в связи с мировым нефтяным кризисом.
Наибольшее количество научных организаций, производственных фирм и корпораций
было привлечено к проблеме в период 1979-1984 гг. Более 100 организаций в США,
Швеции, Великобритании, Китае, Японии, Канаде, Италии и других странах
занимались изучением и внедрением ВУТ. На базе их были созданы крупные международные
корпорации Carbogel, Fluidgarbon (Швеция), Co-Al (США), Densecoal (ФРГ) и
другие, разработавшие многочисленные составы и технологии приготовления и
использования водоугольных суспензий.
Наиболее распространенной на сегодняшний день считается технология когда ВУТ
получают сухим измельчением предварительно дробленного до менее 3 мм исходного угля в
роторно-вихревой мельнице до частиц размером менее 20 мкм.
В процессе измельчения одновременно производится сепарация угля от минеральных
компонентов и гидрофобизация частиц угля. Последующее смешивание частиц угля с
водой производится в гидравлическом диспергаторе с получением коллоидной
гидросмеси, содержащей 70-80 мас. % и более твердой фазы с частицами менее 5
мкм.
В результате получается водоугольное топливо с улучшенными
физико-механическими, структурно-реологическими, теплофизическими и
экологическими свойствами для его длительного хранения, транспортировки и
сжигания в различных энергетических установках, включая дизельные и
газотурбинные.
Использование ВУТ позволяет в 1.5 - 3.5 раза снизить вредные выбросы в
атмосферу, а также повысить эффективность использования топлива до 98%, при
традиционном сжигании угля эффективность составляет не более 60%. Самое главное
достоинство данного топлива — его дешевизна и экологичность. Стоимость готового
ВУТ дешевле мазута в 2-4 раза и не превышает 15-20% цены исходного угля на
месте его добычи.
К тому же ВУТ пожаро– и взрывобезопасно. Технологии его хранения и
транспортировки просты и могут быть полностью автоматизированы, перекачку можно
осуществлять по трубопроводам аналогично нефти. В отличие от мазутных цистерн,
емкости, в которых зимой транспортируется ВУТ, легко очищаются от остатков
топлива.
Кроме того, перевод котельных на ВУТ обычно занимает не более 7 мес., а при
серийном изготовлении необходимого для этого оборудования срок сократится
вдвое. Экономия на выработке тепловой и электрической энергии поможет окупить
затраты на реконструкцию котельной из трех-четырех котлов за 2.5 - 3 года.
ВУТ может быть использовано практически на любых теплоэнергетических объектах.
Из недостатков ВУТ следует отметить высокое содержание воды в суспензии, на
испарение не менее 40% которой требуется затратить энергию. Еще больших затрат
требует непосредственно процесс измельчения угля для получения самой суспензии:
чтобы перемолоть 1 т угля необходимо затратить 15 - 20 кВт электроэнергии.
Наконец, при измельчении жидких смесей износ оборудования и, следовательно,
затраты на его амортизацию в разы выше, чем при сухом помоле.
Но, несмотря на недостатки, вопрос об использовании ВУТ в мировой практике не
теряет своей актуальности. Работы по совершенствованию и внедрению инноваций не
прекращаются в Японии, Италии, США, Канаде и других странах. В США реализуется
программа использования угля в промышленной и бытовой энергетике ("Чистый
уголь") с общим объемом финансирования $6 млрд на ближайшие 6-10 лет.
Около 20% этой суммы направляется на решение проблем, связанных с
транспортировкой водоугольного топлива.
Повышенный интерес к использованию ВУТ проявляет Япония, в частности,
финансируя разработку месторождений бурого угля и строительства заводов по его
переработке во Вьетнаме и Индонезии. Китай в связи с быстроразвивающейся
экономикой ощущает дефицит нефтепродуктов, и чтобы не быть зависимым от импорта
нефти, активно внедряет технологии по эффективной переработке угля в жидкое
топливо. В настоящее время на разных стадиях строительства и эксплуатации
находится более сотни углеперерабатывающих заводов. Потребителями ВУТ стали
ТЭЦ, ранее работавшие на мазуте, а также предприятия химической,
металлургической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности. Лидером
по переработке угля в жидкое топливо является ЮАР, где в жидкое топливо
перерабатывают около 40 млн т угля в год.
В Украине же возможности масштабного приготовления водоугольного топлива пока
только изучаются.
Так, сотрудниками ГОАО НИПКИ "Углемеханизация" (г.Луганск) в
2008-2009 гг. были апробированы пилотные проекты на базе шахты
"Должанская-Капитальная". По словам специалиста данного института
Виктора Кулибабы, во время исследования были решены все поставленные задачи и
получены необходимые результаты. В данный момент обсуждается вопрос
финансирования строительства узла для приготовления ВУТ непосредственно на
шахте. При этом срок окупаемости проекта составит всего 1 год. А по общим
оценкам Минуглепрома, внедрение новой технологии позволит ежегодно экономить
предприятию до 10 млн куб м природного газа.
Аналогичный проект по переработке угля в жидкое топливо мог бы стать
перспективным в Александрийском районе. Залежи угля там имеют выгодное
расположение, недалеко от крупной железнодорожной узловой станции, а
относительно недалеко расположенный Кременчугский НПЗ, в случае реализации
проекта по переработке угля в жидкое топливо, мог бы перерабатывать
водоугольную смесь на бензин и дизельное топливо. Другой вариант —
непосредственно возле места добычи угля можно построить ТЭС и использовать то
же самое ВУТ.
Институтом коллоидной химии и химии воды НАН Украины также ведутся разработки
по созданию ВУТ из бурого угля. Наиболее перспективной, как считает доктор
технических наук Анатолий Макаров, является получение высококонцентрированной
водоугольной суспензии (ВВУС), в которой дисперсной фазой являются частицы угля
размером менее 250 мкм, а дисперсионной средой — вода.
Преимущества такого топлива — более высокая теплота сгорания при меньшем
расходе воздуха, а также высокая степень выгорания. Минеральные компоненты угля
при выгорании капли агломерируются, образуя высокопористые сферы, что позволяет
вести процесс с малым избытком воздуха. Мелкодисперсные частицы золы
укрупняются в прочные пористые ксеносферы размером 0.3–0.5 мкм и легко
задерживаются обычными механическими сепараторами. Степень улавливания таких
зольных агломератов достигает 95–99%, что предотвращает загрязнение атмосферы.
В зоне горения капель ВВУС происходит восстановление окислов азота и серы, в
результате чего в 1.5 – 2 раза сокращаются выбросы этих газов по сравнению со
сжиганием угля в пылевидном состоянии.
В настоящее время проект находится на стадии лабораторных исследований.
К сожалению, ВУТ пока не используется в большой энергетике, несмотря на то, что
затраты на производство 1 МВтч э/э с использованием такого топлива при
транспортировке его углепроводами ниже, чем при сжигании угля, доставленного
железнодорожным транспортом, особенно на дальние расстояния (при дальности
доставки на 100 км
до 12%, на 1 тыс км — 22-32%, 4 тыс км — 47-65 %). Дело в том, что
использование ВУТ вместо сжигания угля, газа, мазута требует крупных
капиталовложений, особенно на первом этапе его промышленного внедрения.
|