Повысить КПД угольных электростанций,
одновременно снизив степень их воздействия на окружающую среду, – такую задачу
пытаются решить учёные по всему миру. Свой вариант предложили специалисты из
Красноярского края. Технология, разработанная ими, позволяет газифицировать
уголь, а затем использовать полученный газ в качестве топлива для электростанций
и производить кокс – ценное сырьё для металлургии. При этом коэффициент полезного
использования энергии топлива возрастает до 96%, а объём вредных выбросов при
его сжигании уменьшается в 25–30 раз по сравнению с традиционными решениями,
используемыми на ТЭЦ.
Принцип, лежащий в основе работы
тепловых электростанций, остаётся неизменным с восьмидесятых годов XIX века,
когда первые энергоисточники такого типа появились в США и России. «На них
обычным образом сжигают уголь: образно говоря, берут лопату, кидают в топку,
смотрят на чёрный дым, отгребают золу и только в качестве побочного продукта
сгорания на выходе получают тепло и электричество», – рассказывает заместитель
директора по внедрению и заведующий лабораторией «Угольные энерготехнологии»
СКБТ «Наука» КНЦ СО РАН Сергей Баякин, который возглавляет ООО «АкТерм» –
компанию-резидента фонда «Сколково» в кластере энергоэффективных технологий.
Как следствие, КПД традиционных угольных станций относительно невысок: для ТЭЦ,
вырабатывающих тепловую и электрическую энергию по отдельности, он составляет
около 50%. Конечно, существуют решения, позволяющие его повысить, но их цена
зачастую настолько высока, что применять их не целесообразно с экономической
точки зрения. К тому же генерация на традиционном ископаемом топливе негативно
влияет на окружающую среду: помимо выбросов в атмосферу, пусть и сниженных до
минимума благодаря современным дорогостоящим «зелёным» технологиям, существует
проблема образования золошлаковых отходов, которую частично удаётся решить за
счёт их переработки или использования в строительной индустрии.
Углерод в остатке
Задачу по «очистке» угольной энергетики
пытаются решить во всём мире. Подобные исследования, к примеру, проводятся в
странах Евросоюза. А в США в 2008 году была создана Американская коалиция за
чистое угольное электричество, в которую наравне с предприятиями энергетики и
машиностроения входят научно-исследовательские институты. Работы в этой области
проводились и во времена существования СССР, например, в восьмидесятые годы ими
занимались в КАТЭКНИИугле. Выходцы из специализированного советского НИИ продолжили
свои исследования в институтах Красноярского научного центра Сибирского отделения
Российской академии наук и академических вузах. Главный инициатор и двигатель
идеи – генеральный директор энерготехнологической компании «Сибтермо» Сергей
Исламов – в 2010 году защитил докторскую диссертацию, посвящённую
энергоэффективному использованию бурых углей на основе технологии «Термококс».
В разработке последней непосредственное участие принимает и его соавтор и
коллега – Сергей Степанов, доктор технических наук. Оба являются сотрудниками
СКТБ «Наука» и соучредителями ООО «АкТерм».
«Сергей Романович и Сергей Григорьевич –
идеологи концепции, я эту идею подхватил чуть позже, – отмечает Баякин. – Мы
научились разделять уголь на два компонента: горючий газ, в котором содержится
20% водорода, и углеродный остаток». Такой результат достигается за счёт
использования эффекта обратной термической волны при газификации угля. В упрощённом
виде его суть заключается в том, что в шахту специального аппарата засыпают
уголь и зажигают его сверху, а снизу подаётся воздух, при этом фронт горения
смещается не по ходу дутья, а против воздушного потока. В итоге получается
горючий газ, который содержит в себе водород и угарный газ, но при этом не
имеет в своём составе смол и бензопиренов, второй продукт – среднетемпературный
кокс или сорбент.
Первый компонент можно использовать в
качестве топлива для газопоршневых электростанций или турбин, вырабатывающих
одновременно тепловую и электрическую энергию. С тем же успехом газ в одном из
проектов на территории Красноярского края применяется в сушилке зерна,
принадлежащей ОАО «Балахтинский хлеб». Среднетемпературный кокс, получаемый как
из бурого, так и из каменного угля, в свою очередь, востребован в качестве
сырья для металлургии. «Он уже прошёл все экспертизы, необходимые для
использования на ферросплавных заводах, – подчёркивает собеседник «Сибирского
энергетика». – Но есть одна сложность: металлургам нужны определённые объёмы
кокса, от 100 тыс. тонн и выше, тогда как та же построенная по совместному
проекту «Сибтермо» и «СУЭК» станция в Шарыпово выдаёт лишь 20 тыс. тонн кокса в
год».
Однако при широкомасштабном внедрении
технологии, разработанной красноярскими учёными, эта проблема отпадёт сама
собой. При этом плюсы «Термококса» очевидны. В первую очередь, это существенно
меньшее негативное воздействие на природу по сравнению с традиционным сжиганием
угля. Так, удельные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на единицу
тепловой энергии при использовании высвободившегося газа составляют лишь
0,3-0,35 кг/Гкал. Для сравнения: при получении одной гигакалории из обычного
угля в воздух поступает 8–10 кг вредных химических соединений. Простая
арифметика показывает, что разница достигает 25–30 раз. «Золошлаковые отходы не
образуются вовсе, – добавляет замдиректора СКТБ «Наука». – Зола по большей
части состоит из окиси железа, которая в данном случае уходит вместе с коксом».
Кроме того, нет стоков золоудаления. Безусловны и экономические бонусы: при
том, что рыночная цена угольного кокса составляет около 400 долларов за тонну,
его себестоимость при использовании новой технологии может быть нулевой –
заработок собственнику станции обеспечивает продажа тепла и электричества,
тогда как ценный углеродный остаток является побочным, но очень дорогим
продуктом генерации энергии.
Из России в Монголию и обратно
Очевидно, из соображений снижения
нагрузки на окружающую среду исходили те, кто решил модернизировать
Улан-Баторскую ТЭЦ-2 по технологии «Термококс» и перевести часть её котлов на
использование буроугольного газа вместо традиционного угля. Дело в том, что
столица Монголии расположена в котловине, и в городе скапливается смог от
выбросов угольных станций, автомобилей и печей, используемых в юрточных
кварталах, что могут в полной мере ощутить на себе те, кому довелось побывать
там зимой. Поэтому было решено, с одной стороны, использовать в котлах ТЭЦ-2
газ, получаемый по технологии «Термококс-КС» (она предполагает неполную
газификацию угля воздухом в кипящем слое), а с другой – производить из
углеродного остатка бездымные брикеты, которые используются в качестве бытового
топлива. Демонстрационная установка, созданная по контракту ЭТК «Сибтермо» с
Министерством энергетики Монголии, заработала в 2008 году. В настоящее время
проект по техническому перевооружению Улан-Баторской ТЭЦ-2 близок к завершению.
Когда он будет реализован в полной мере, на теплоэлектроцентрали смогут
производить до 210 тыс. тонн бездымных брикетов в год.
Между тем в России технологию
красноярских учёных начали применять ещё раньше. Так, с 1996 года в Красноярске
работает небольшой завод по производству углеродных сорбентов и газа
энергетического назначения. На нём применяется технология «Термококс-С». А на котельной
Берёзовского разреза в Шарыпово с 2007 года работает котёл КВТС-20, модернизированный
под производство мелкозернистого буроугольного кокса без потери паспортной тепловой
мощности по технологии «Термококс-КС». Помимо этого разработку Исламова и его
коллег планируется применить на котельных города Ужура и посёлка Шушенское
Красноярского края. Существует также проект энерготехнологического комплекса на
базе котла мощностью 100 Гкал/ч ТЭЦ-3 Красноярска, на котором параллельно с
тепловой энергией производилось бы до 120 тыс. тонн кокса в год.
«Интерес [к технологии] у российских и
зарубежных инвесторов есть, – резюмирует Баякин. – С некоторыми из них мы уже
делаем интересные проекты. Но пока широкому применению «Термококса» мешает
человеческий фактор – недоверие со стороны тех, кто принимает решения о судьбе
отрасли. В апреле этого года Правительством РФ принята Государственная
программа «Энергоэффективность и развитие энергетики» с колоссальным бюджетом в
27 триллионов рублей, где в разделе угольной энергетики на странице 84
однозначно прописаны все наши идеи, включая эффективное получение водорода. Будем
надеяться, что сейчас в нашей стране это дело сдвинется с мёртвой точки».
29.07.2013 ВСП.Ru |