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.

11.06.2010