Современное состояние технологии сжигания водотопливных суспензий

Первые исследования, посвященные угольным суспензиям были выполнены в Институте горючих ископаемых (ИГИ) и Энергетическом институте (ЭНИН) еще в середине ХХ века и даже ранее [1–4]. Уже тогда была разработана технология утилизации загрязняющих окружающую среду дисперсных угольных шламов, которые образуются в процессах обогащения, гидравлической добычи и гидротранспортирования угля из шахты. Из-за высокой стабильности и дисперсности шламовых суспензий требуются значительные затраты на их обезвоживание. Прямое (без предварительного обезвоживания) сжигание шламовых суспензий в тепловых агрегатах решило бы проблему их утилизации. Предполагалось, что в определенных условиях это может оказаться выгоднее и технологичнее, чем сжигание дисперсного угля, выделяемого посредством обезвоживания и высушивания шламовых суспензий. В техноэкономических расчетах эффективности прямого сжигания было принято, что стоимость угольных шламов мала по сравнению с другими затратами на их переработку в технологически приемлемое топливо.

Все предложенные технологии прямого сжигания шламовых суспензий оказались экономически несостоятельными, а экологические аспекты проблемы – социально тревожными и значимыми.

Практическое использование шламовых угольных суспензий осложнено также их неоднородностью вследствие различного происхождения, местонахождения, условий содержания и хранения. Проекты прямого сжигания шламовых угольных суспензий не были реализованы. К настоящему времени построенные установки демонтированы.

Наряду с технологией прямого сжигания шламов была разработана и технология получения топливных суспензий – водоугольного топлива (ВУТ) из кондиционного рядового угля. В отличие от угольных шламов минералогический состав и свойства рядового каменного угля регламентированы, количество угля заданного состава практически не ограничено. Поэтому изготовление из него ВУТ менее затруднительно. Водоугольное топливо рассматривали как доступную, хотя и неполноценную, замену энергетических продуктов гидрогенизации угля. Способы получения углеводородных жидкостей из угля посредством его гидрогенизации известны. Однако эти способы по всем разработанным к настоящему времени технологиям недостаточно совершенны; получаемые в опытно-промышленных установках жидкие топлива по стоимости неконкурентоспособны с нефтепродуктами.

Проблема ВУТ базируется на том факте, что промышленные запасы угля значительно шире и равномернее распространены по земному шару, 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. Добыча и транспортирование угля на любые, особенно дальние, расстояния механизированы и четко организованы. Поэтому перспектива использования угля, сжигаемого как жидкое топливо, вместо нефтепродуктов для уменьшения зависимости промышленных стран от поставок нефти представлялась весьма заманчивой.

Потенциальная экономичность угольного топлива определяется относительно низкой стоимостью энергии, получаемой при его сжигании на ТЭС – примерно 1,5 долл. за 1 МДж для битуминозного угля против 4,5 долл. за 1 МДж для мазута. Отношение к проблеме и ассигнования на разработку суспензионных угольных топлив в разных странах определялись конкретным состоянием и степенью обеспечения местными энергоносителями, а также соотношением затрат на производимую в них энергию из добываемого и привозного угля, нефти и газа. Во всех странах целью программ по созданию нефте - и газозаменяющих видов топлива не только суспензионно-угольного (СУТ)] было обеспечение как экономической независимости, так и экологической безопасности.

Тематика по ВУТ стала особенно популярной в 70-х годах ХХ века. Задача состояла в разработке технологий приготовления ВУТ такого качества, чтобы с наименьшими издержками можно было заменить им мазут в энергетических агрегатах. Проектировали также трубопроводное транспортирование ВУТ на дальнее расстояние; разрабатывали технологию применения ВУТ в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и вместо угля в газогенераторах. Был также выполнен значительный объем работ по замене угля на ВУТ в тепловых котельных. Предполагали этим уменьшить объем вредных выбросов.

В структуре энергетического баланса России в 2010 г. мазут и газ составили примерно 70 %, причем в европейской части – более 86 %. На долю газа в настоящее время приходится примерно 61 % производства электроэнергии.

Доля угля в производстве электроэнергии в России составляет около 26 %. Ее увеличение за счет уменьшения доли газа более чем актуально. Перевод на угольное топливо мазутных и газовых ТЭС и котельных экономически перспективен еще и потому, что освободит для экспорта высокоценные энергоносители. Следует отметить, что структура внутренних цен в Европейской части России на энергоносители неблагоприятна для замещения углеводородного топлива углем. Так, в средней полосе России цена рядового каменного угля Кузбасса со средней теплотой сгорания примерно 17–20МДж/кг составляет 1800 руб/т, а цена мазута со средней теплотой сгорания 42 МДж/кг – более 10000 руб/т. Невыгодность замены мазута кузнецкими углями в Европейской части России очевидна.

Для России наиболее актуальна проблема доставки угля из Кузбасса на Урал и в ее Европейскую часть. Угольные месторождения Европейской части России в значительной мере или полностью исчерпаны. Добыча угля обходится непомерно дорого из-за бедности пластов и большой глубины их залегания. Доставка угля из Кузбасса в центральные районы страны практически утраивает стоимость угля. Поэтому для России, как и для Китая и США (стран с развитыми сетями железнодорожного и водного транспорта), экономически актуально создание сетей гидротранспортирования угля и технологии получения угольного моторного топлива для транспортных двигателей.

В Институте горючих ископаемых, НПО «Гидротрубопровод» и других научных центрах выполнен значительный объем работ по созданию технологии приготовления, транспортирования и сжигания ВУТ из рядового угля разных марок. Был спроектирован и построен опытно-промышленный комплекс, который включал в себя терминал на Беловской ГРЭС приготовления ВУТ расчетной производительностью 400 тыс. т/год, трубопровод длиной 262 км и терминал приема и сжигания ВУТ на ТЭС в Новосибирске.

Определенный опыт применения ВУТ накоплен также в некоторых странах, в том числе в Китае и США. Китай занимает первое место в мире по объему добычи и потреблению угля (более 1 млрд т/г), почти вся его энергетика (95 %) основана на нем.

Одной из проблем Китая является транспортирование угля от мест его добычи к местам потребления, причем трассы доставки часто проходят по пересеченной местности, и поэтому наиболее выгодным может оказаться трубопроводный транспорт водных суспензий. Кроме того, Китай заинтересован в экспорте угля в Японию и другие страны Тихоокеанского региона, топливные ресурсы которых весьма ограничены. Морские перевозки угля в составе суспензии, ее загрузка в танкеры, выгрузка и сжигание по жидкостной схеме представлялись экономически рациональными. В течение нескольких лет Китай совместно с Японией разрабатывает проекты приготовления в Китае угольных суспензий и транспортирования их танкерами к прибрежным ТЭС Японии, где они используются совместно с мазутом или вместо него. Часть этих проектов прошла завершающую стадию и реализована в промышленном масштабе.

В США ежегодно добывают примерно 900 млн т угля, из которых 85 % используют для получения электроэнергии. Угольные ТЭС обеспечивают примерно 65 % всего ее производства, еще 25 % – АЭС и ГЭС. И только примерно 10 % электроэнергии вырабатывают путем сжигания нефтепродуктов и природного газа на ТЭС и в дизельных генераторах. Для США наиболее актуальны разработки моторных угольных топлив для транспортных двигателей – основных потребителей добываемой в стране и импортируемой нефти. Как и в Китае, в США перспективным считали танкерное транспортирование водоугольной суспензии (ВУС) в страны Тихоокеанского побережья. Трубопроводное транспортирование угля расценивали в основном как альтернативу железнодорожному транспорту с его высокими тарифами. В США успешно действуют трубопроводы, которые транспортируют не суспензию, а угольную пульпу. В отличие от ВУС ее обезвоживают на конечном терминале с последующим сжиганием угля по пылеугольной технологии. Опытный трубопровод для транспортирования ВУС был построен, но так и не введен в эксплуатацию, поскольку компания, владеющая проходящей параллельно ему железнодорожной дорогой, немедленно снизила тарифы на перевозку угля. В настоящее время трубопровод также переведен на транспортирование угольной пульпы.

Промышленные проекты по использованию ВУТ в Европе до настоящего времени не реализованы.