Новая энергетика

Горение твердого топлива: перспективы угольной энергетики

Новости - Современные Российские разработки

С 8 по 10 ноября в Институте теплофизики СО РАН прошла Всероссийская конференция «Горение твердого топлива». Десятки ученых и представителей энергетического комплекса обсуждали проблемы и пути решения перехода энергетики России на угольное топливо.

Необходимость такого перехода сегодня уже ни у кого не вызывает сомнений. Остальных топливных ресурсов хватит на значительно меньший срок, а их стоимость гораздо выше. В России разница в цене на уголь, газ и нефть пока не настолько велика, как, например, в Европе, но положительная динамика роста цен на нефть и газ по сравнению с углем очевидна. За последние годы цена на нефть и газ выросла на порядок, а на уголь - в полтора-два раза. Из расчета потребления топлива на 2000 год, мировых нефтяных запасов хватит примерно на 48 лет, газа - на 60 лет, а угля - более чем на 220. Мировые запасы угля огромны, и Россия стоит в списке обладателей этих ресурсов на третьем месте после стран Азиатско-Тихоокеанского региона и Северной Америки. В РФ вместе со странами бывшего СНГ залегает около 24% мировых запасов угля. В структуре потребления первичных энергетических ресурсов России уголь занимает всего 18%, тогда как нефть - 21%, а газ - 52%. Сегодня значительно выгоднее и с экономической и с экологической точки зрения экспортировать большую часть добываемого газа и нефти. Каждый год потребления угля в мире растет на 5%. В 1988 году в нашей стране добыча угля составила 748 млн т, а в 2005 - 1 млрд т. Однако угольное топливо в мировой энергетике используется значительно интенсивнее, чем в России, и причина тому - отсутствие технологической базы и готовности власти на деле поддержать необходимую реформу, которая, как показывает зарубежная практика, окупает все затраты в предельно короткие сроки.

Привлечь интерес к угольной энергетике и продемонстрировать готовность участия фундаментальной науки в процессе перехода на уголь, по словам председателя оргкомитета, директора Института теплофизики чл.-корр. РАН Сергея Алексеенко, это явилось целью конференции: «За постперестроечные годы мы растеряли и кадровый потенциал, и опыт, и оборудование. Именно поэтому на конференции мы рассматриваем все аспекты угольной энергетики: физику горения, математическое моделирование топочных процессов, новые технологии сжигания. Новейшим направлением является глубокая переработка угля перед использованием. Если рассматривать перспективу перехода большей части энергетики на уголь, эта тема особенно важна, поскольку он, к сожалению, не является экологически чистым топливом. В этой связи существуют две основные тенденции в мировой угольной энергетике - переход на сверхкритические параметры пара и установки газификации угля. В России велась работа по созданию экологически чистых ТЭЦ еще в 1989 г., но время сыграло по своим правилам. Сегодня в Институт теплофизики со всей России приехали не только ученые, но и представители энергетических компаний, проектных организаций, есть и зарубежные гости. Надеюсь, это даст хороший толчок к развитию российской угольной энергетики и поможет решить целый ряд сопутствующих этому процессу проблем».

ПОЗАДИ ПЛАНЕТЫ ВСЕЙ

С 28 октября по 3 ноября в Москве прошел Международный энергетический форум, в котором принял участие советник Российской  Академии наук Геннадий Грицко. Одной из главных тем этого форума также стала угольная энергетика, перспективы ее развития в России. Запасы энергетической ценности угля и урана в России составляют 76%, а в топливно-энергетическом балансе страны - менее 20-ти. «Газовая пауза затянулась, и дело здесь не в ценах, - говорит Геннадий Грицко, - мы до сих пор еще находимся на стадии продолжающегося раздела собственности. Дефицит газа составляет последние годы 25-30 млн куб. м, и мы уже закупаем газ, чтобы снабжать самих себя и страны, с которыми заключены долгосрочные договоры, с одной лишь Украиной ведется 28 проектов. Вокруг этого строится большая политика. Президент России во всеуслышание заявил, что дальше так продолжаться не будет - энергетика такой большой страны не может базироваться на одном природном газе. Международные отношения должны развиваться в цивилизованном русле, учитывать природные ресурсы страны и не нарушать естественный энергетический баланс».

Угольные запасы России в основном сосредоточены в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Объемы добычи угля возросли, но доля в энергетическом балансе осталась практически без изменений. В этом вопросе мы отстаем от всего цивилизованного мира. Чтобы изменить устоявшуюся систему, требуется значительное время и усилия со стороны предприятий и поддержка государства. Во всем мире уголь стал объектом приложения современных фундаментальных исследований и научных методов. Некоторые технологии позволяют кардинально изменить свойства угля и существенно повысить его энергетическую ценность, увеличив теплоту сгорания и уменьшив зольность. Среди них - мембранные и нанотехнологии, плазменные технологии, подземная газификация. Все перечисленные методы хорошо знакомы российским ученым и потребителям - энергетическим предприятиям, но войти в государственную программу и получить финансирование для развития и внедрения новой технологии сегодня очень сложно. В США к 2012-2015 годам планируется закончить строительство угольной электростанции по сжиганию абсолютно чистого угля, где количество вредных выбросов составит 0%. Два года назад с этой целью в США было построено 43 демонстрационных завода, где отрабатываются технологические процессы по переработке угля. Все эти технологии не понаслышке известны и российским специалистам. Но наукоемкий потенциал и работающая промышленность в России находятся на противоположных берегах, население которых поддерживает теплые дружеские отношения по переписке. Энергетические компании, заказывающие реконструкцию своих котлов, работающих на топливе с высоким выделением шлака, выдвигают высокие требования по выбросам, которых можно добиться только при условии кардинальной замены оборудования, но не частичной модернизации в рамках выделенной суммы. На попытку Геннадия Грицко воздействовать на ситуацию с угольной энергетикой в России на высшем уровне он получил ответ: «Ваши аргументы весомы и расчеты верны, но команды на уголь у нас пока не было». Уровень выбросов в атмосферу существующих ТЭЦ нарушает все международные нормы, а калорийный коэффициент угля в России составляет всего 0,64 (4466 ккал/кг). Это наиболее низкий показатель в большом списке стран мира. Для сравнения: энергетический потенциал угля в Китае - 0,67, в Великобритании и в Австралии - до 0,87, в Польше - 0,85, в Германии - от 0,83 до 1,06, в США - 0,76-1,07, а в Японии, вовсе не обладающей топливными ресурсами, этот показатель лучше всех - 0,86-1,21.

ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ

С применением ряда общеизвестных мировых технологий, многие из которых в последние годы были разработаны и экспериментально освоены российскими учеными, можно добиться достаточно высокой степени экологичности энергетических предприятий, работающих на угольном топливе. Большинство этих технологий с различной степенью освоенности было представлено на VI Всероссийской конференции «Горение твердого топлива», которая прошла в начале ноября в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Но в каждой стране, в зависимости от имеющегося оборудования и особенностей топлива, эти технологии имеют различные точки приложения. По мнению представителя Урал-ОРГРЭС Владимира Шульмана, сегодня для выхода на высокие экологические показатели в условиях снижения качества поставляемого угля, в первую очередь, необходимо вернуться к системе сухого шлакоудаления и системе высокотемпературного сжигания. Это повышает эффективность золоулавливания, упрощает систему складирования шлака и утилизацию золошлаковых материалов. По данным Евросоюза, за 2003 год 100% золошлаковых отходов (более 2 млн.т.) было утилизировано и использовано как высококачественный материал для строительства дорожных покрытий. Что касается систем сжигания угля,  дорогостоящая технология ЦКС не является панацеей. Во многих случаях использование более дешевых парогазовых установок (ПГУ) дает не худшие результаты, тогда как котлы с ЦКС вовсе не так «всеядны», как об этом принято сегодня говорить. Многие задачи можно решить методом пиролиза угля. В ПГУ пиролизный газ сжигается в газовой турбине, а полученный полукокс - обычным факельным сжиганием. При этом выделяемые вредные вещества (оксид азота) утилизируются еще в топке котла. Многие экологические проблемы можно решить переводом термодинамического цикла преобразования энергии на более высокий температурный уровень и, в частности, повышением начальной температуры рабочего тела. Температура пара в паротурбинном цикле должна быть более 700°С, а температура газа - более 1700°С. Эти преобразования требуют других параметров топочных устройств. Освоению высокотемпературных систем сжигания угля способствует развитие технологии обогащения дутьевого воздуха кислородом, высокотемпературный контактный подогрев воздуха с помощью компактного устройства (оно может работать на природном или синтез-газе, жидком топливе), который сегодня может составлять 900-1200°С.

Тематика докладов конференции показала, что современные научно-технические разработки направлены, прежде всего, на повышение эффективности процессов сжигания, газификации и комплексной переработки твердых топлив, в том числе с их плазменной и кислородной активацией. Большой раздел докладов был посвящен новым технологиям сжигания, которые вызывают много споров, но считаются весьма перспективными - вихревым технологиям и котлам с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС). Впрочем, ЦКС не единственная высокая технология сжигания угля. Среди основных современных («чистых») технологий переработки угля можно назвать:

Сжигание в факеле с системами серо - и азотоочистки.

Сжигание в других модификациях кипящего слоя при атмосферном давлении: фонтанирующий слой (ФС), низкотемпературный кипящий слой (НКС), высокотемпературный кипящий слой (ВКС).

Сжигание в кипящем слое под давлением для парогазовых установок на твердом топливе (КСД).

Газификация в потоке, плотном и кипящем слоях при атмосферном давлении.

Газификация в потоке и плотном слое под давлением для парогазовых установок на твердом топливе.

УКРАИНА - ЭКСПЕРТ ПО ЦКС

Александр Майстренко,

член-корр. Украинской Академии наук, ИУЭ НАН и Минтопэнерго

Некоторые технологии из вышеобозначенного списка применяются в энергетических комплексах, другие имеют экспериментальные лабораторные или пилотные образцы на промышленных объектах, а отдельные даже внедрены и сегодня работают на ряде небольших энергоблоков. Член-корр. Украинской Академии наук, ИУЭ НАН и Минтопэнерго Александр Майстренко представил интересные результаты физического моделирования, полученные на стенде при газификации угля и сжигании угля в кипящем слое на базе Института угольных энерготехнологий Украины. В отличие от российских разработок, технологии кипящего слоя при атмосферном давлении прошли стадию опытного сжигания высокозольных углей (ВУ) Украины на пилотных установках и готовы к внедрению. Для них определены оптимальные режимы конверсии и выданы рекомендации по их использованию в котлоагрегатах. Но при внедрении технологий сжигания и газификации ВУ в КСД и ЦКСД необходима их отработка на демонстрационных установках. Александр Майстренко отметил, что для сжигания в кипящем слое возможно использование углей различной степени метаморфизма (от антрацита до бурого), в том числе высокосернистых, с уровнем зольности 10-60 %, а также отходов углеобогащения (80 %). Эти технологии позволяют высокоэффективно (степень конверсии более чем 0,97) ,без использования природного газа и мазута сжигать твердые топлива с выбросами оксидов серы и азота менее 400 мг/нм3 (в основном менее 250 мг/нм3) и регулировать нагрузку котлоагрегатов в широких пределах без изменения технологических показателей процессов горения. В НКС получены удовлетворительные результаты по утилизации высокозольных ГСШ и Л-В(Г) - определены оптимальные режимы их конверсии и ожидаемые значения выбросов NOx.

Что касается углей марки АШ, то частичное повышение эффективности его использования в НКС может быть достигнуто за счет возвращения вынесенных из топки топливных частиц в зону кипящего слоя. В ФС не удается обеспечить необходимой степени конверсии высокозольных углей из-за недостаточного времени пребывания топливных частиц в топке. Но ФС-аппараты хорошо зарекомендовали себя как воспламенители угля и дожигатели КЗО. Технологии сжигания угля в ЦКС целесообразно применять при термической переработке углей разной степени метаморфизма (от антрацита до бурого) и отходов их мокрого обогащения с Ad = 20-60 % в водогрейных котлах большой единичной мощности и парогенераторах производительностью 50-950 тонн пара в час (до 300 МВт электрических). Кроме этого, они могут быть использованы при утилизации твердых топлив с большим содержанием серы. Учитывая более высокий КПД энергоблоков в сравнении с другими методами сжигания угля в кипящем слое, более низкие выбросы NOx и SOx, технологии КСД и ЦКСД (в случае использования их в парагенераторных установках с внутрицикловым сжиганием угля) могут оказаться более конкурентоспособными, чем ЦКС-технологии. Особенно это касается установок большой и средней мощности (100 - 400 МВт электрических) и сжигания угля с Ad « 50 %, когда зольность не оказывает существенного влияния на экономичность процесса. Технологию КСД лучше использовать для каменного и бурого угля, а ЦКСД-технологию - для АШ и ДТ.

ПЛАЗМАТРОН НА СТРАЖЕ ЭКОЛОГИИ

Отдельной темой прозвучали доклады о системах плазменного розжига и плазменной подсветки факела, которые в будущем могут позволить отказаться от использования мазута на станциях, сжигающих любые виды угля, - от бурого до антрацита. Стоит отметить, что  данная технология имеет много недочетов и тонких моментов, которые при внедрении заявляют о себе. Наибольших успехов в испытаниях плазменно-топливных систем достиг Центр плазменных технологий РАО ЕЭС, который представил свои разработки плазматронов нового поколения. Заведующий лабораторией плазмохимии Института проблем горения (Алматы) д. т. н. Владимир Мессерле описал плазменно-топливные системы, которые уже внедрены на нескольких объектах в Казахстане, и подтвердил их эффективность в сжигании угля при одновременном снижении вредных выбросов от пылеугольных ТЭС. Системы плазменного воспламенения позволяют обойтись без дорогостоящих газа и мазута, которые традиционно используют для растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела. Они обеспечивают стабильное воспламенение, снижение механического недожога топлива и температурного уровня в камере охлаждения котла. Благодаря двухступенчатому режиму сжигания топлива (ПТС и топка котла) снижаются выбросы NOx. Экономический эффект от внедрения ПТС показал, что он зависит от соотношения цен на уголь, газ, мазут. В целом, по словам Владимира Мессерле, срок окупаемости данного оборудования варьируется от 6 до 18 месяцев.

Новосибирская инжиниринговая компания ЗАО «СибКОТЭС» также представила плазматроны принципиально новой конструкции - на базе СВЧ-разряда, которые пока находятся на стадии разработки. По сравнению с электродуговыми плазматронами СВЧ-плазматрон имеет ряд таких преимуществ, как большее дробление частиц угля, более интенсивная газификации угля, устойчивое горение угольной пыли и полное выгорание топлива. Плазма локализована в пространстве в виде парящего СВЧ-разряда. В данной конструкции исключается смещение точки горения. Простота и надежность оборудования достигаются за счет отсутствия электродов, дорогого циркулятора, волноводов и элементов подстройки.

ОТ АНТРАЦИТА ДО БИОМАССЫ

Несколько докладов было посвящено опыту сжигания различных углей, влиянию минеральной части угля на процессы сжигания, использованию смесей углей, переводу станций на непроектные угли. Габор Сенеш, региональный директор немецкого концерна «Alstom», который занимает третье место в мире по производству электричества, рассказал об опыте внедрения факельных и ЦКС-котлов. Концерн использует Т-системы для сжигания лигнита, факельное сжигание для битуминозного угля, а также W-факела и технологию аэрошлакового расплава. Угольные электростанции «Alstom» оборудованы системами денитрификации и оссерования. Котлы с циркулирующим кипящим слоем позволяют использовать любое топливо - от антрацитов и бурых углей до биомассы. При этом выбросы оксидов азота и серы при умеренной подаче известняка практически отсутствуют из-за низкой температуры горения (850°C, традиционное - около 1220°C). Первый ЦКС с однопропусковым испарителем и с промежуточным циклом пара корпорация внедрила еще в 1988 году, а еще через три года был разработан ЦКС с 4 циклонами. Циклоны позволяют увеличить теплопередачу в топке, эффективность горения, уменьшить расход известняка и сократить эрозию топки и конвективного теплообменника. Опыт ALSTOM Power ЦКС был реализован на антраците, битуминозном угле, лигните, буром угле и нефтяном коксе. Кроме того, используется биомасса, которая варьируется от древесных отходов до отходов целлюлозных комбинатов, отходы углеобогащения (антрацитный штыб, антрацитная пульпа, угольные отвалы), горючий сланец и даже шлам водоочистки.

Российские производители - Таганрогский котельный завод, «ЗиО-Подольск», Бийский и Барнаульский котельные заводы - также рассказали о своих наиболее успешных проектах. Компания «ЗиО-Подольск» рассказала о возможностях строительства котлов с ЦКС в России. ЗАО «СибКОТЭС» представило результаты опытного внедрения новой конструкции пылеугольного котла с кольцевой топкой на Новоиркутской ТЭЦ мощностью 820 тонн пара в час. Большое количество работ было посвящено математическому моделированию физических процессов с использованием российских и зарубежных программных продуктов. Это перспективное направление в энергетике позволяет конструировать новые топочные устройства, горелки, значительно сократив затраты на натурное моделирование. Авторы продемонстрировали положительные результаты, подтвержденные экспериментальными данными. Впервые на форуме такого уровня были затронуты вопросы малой энергетики и сжигания биотоплив. Представленные разработки в этой области позволяют говорить о перспективах создания котлов, сжигающих биотопливо с высоким КПД.

ПОКА НЕ КОНЧИТСЯ ГАЗ

Поскольку технологии переработки углей давно не являются революционными, их промышленное освоение не займет много времени, и при условии финансирования внедрение последует достаточно скоро. Основные технологии переработки углей хорошо известны и широко применяются во всем мире: механическое измельчение (получение водоугольного топлива, природных сорбентов), экстракция (получение гуминовых препаратов, нативных химических продуктов), гидрогенизация (получение моторных топлив, бензолов и фенолов), полукоксование (получение жидкого топлива, химического сырья и адсорбентов широкого профиля), газификация (получение метанолов, жидкого топлива и углеводородов), коксование (получение масел, ароматических соединений и коксового газа), сжигание (углеграфитовые материалы, сажа). Но в России почему-то до сих пор бытует мнение, что переработка угля - дорогое и не окупаемое удовольствие. Еще 30 лет назад это утверждение имело под собой основания, но игнорировать собственные природные и научные ресурсы сегодня - непозволительная роскошь. Ни для кого не секрет, что южноафриканская компания «Сосол», помимо стратегического вида дохода - экспорта бензина, имеет огромный доход от производства более чем 240 видов различной продукции из угля. На этом и основывается геополитика цивилизованного государства. Страна живет не торговлей энергетическими ресурсами, а представлением на рынок высокотехнологичной продукции, таким образом, устанавливая не временную, а долгосрочную зависимость других стран. Владельцы предприятий сегодня отлично понимают необходимость и выгодность реформирования энергетического комплекса. Но для проведения таких реформ необходимо понимание на государственном уровне. Тем временем уже составлена программа по энергетике до 2030 года, согласно которой основным энергетическим топливом по-прежнему остается газ.