под рубрикой ИННОВАЦИИ

Полномасштабное использование угля в российской энергетике рационально только на новой технологической основе. В статье рассмотрены перспективы перехода от сжигания угля как горной массы к использованию новых видов угольного топлива – кавитационного водоугольного топлива КаВУТ и наноугля, существенно превосходящих традиционное топливо по экономической, экологической и технологической эффективности.

Инновационная стратегия развития угольной энергетики России

В. И. ФЕДОСЕЕВ,
кандидат экономических наук, Новосибирский государственный университет путей сообщений,
С. М. РАДЧЕНКО,
ООО «Радекс», Барнаул, E-mail: 77fff77@mail.ru

Стратегические риски российского ТЭК

Принятая в 2003 г. правительственная «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.» построена на экстраполяционной модели развития топливно-энергетического комплекса, что создает стратегические риски развития экономики.

Прежде всего, нефть и газ являются быстро исчерпаемыми ресурсами. Они необходимы для удовлетворения внутренних потребностей экономики и населения России, в том числе для использования в глубокой переработке, но они в больших объемах отправляются на экспорт в сыром виде. Из России вывозится 49,8% нефти, 27,3% газа и 31% угля. При этом прогнозируется рост физических объемов при стабилизации доли экспорта нефти на уровне 45%, газа – до 37,9% в 2030 г.[1] Для интенсивной их добычи необходимо постоянное возобновление запасов, на что требуются значительные расходы на геологоразведку, а также крупные инвестиции в освоение новых месторождений в регионах Севера и на шельфе. Чем дальше, тем больше себестоимость каждой тонны нефти и кубометра газа, и тем выше риск конъюнктурного снижения цены на нефть и газ.

В результате реализации принятой энергетической стра- тегии неизбежно ограничение роста экономики России из-за острой нехватки энергии и топлива. Уже в докризисный период энергетика страны значительно отставала от развития производства, в результате чего в основных промышленных районах ощущался дефицит электроэнергии. Он выражался в отказах малому и среднему бизнесу на техническое подключение к сетям и дефиците генерирующих мощностей. Так, в 2007 г., по данным Минпромэнерго РФ, было отклонено 84% заявок, а дефицит генерирующих мощностей составлял 1,55 ГВт. Сохранение и увеличение острого дефицита энергии в России до 2030 г. будет тормозить развитие экономики страны и прогрессивное изменение её структуры.

Кроме того, принятая энергетическая стратегия имеет структурные дефекты. В электроэнергетике также реализуется экстраполяционный подход, выражающийся в механическом наращивании генерирующих мощностей при сохранении общей структуры генерации и географии перевозок топлива и передачи электроэнергии. Этот подход был характерен для 1970–1990 гг., когда на его базе была сформирована крупная и современная по техническому оснащению Единая энергетическая система. Однако этой системе были присущи определенные недостатки: капиталоемкость ее модернизации и расширения, жесткая зависимость от качества топлива, чрезвычайно длинные транспортные плечи перевозок топлива. Сохранение экстраполяционного подхода консервирует данные недостатки сложившейся энергетической системы.

Основные направления новой энергетической политики

Мы солидарны с авторами доклада Института национальной стратегии «Национальная стратегия в условиях кризиса», что новая энергетическая политика должна включать следующие положения:

– переход от экспорта «сырых» энергоносителей – к экспорту переработанных энергоносителей и электроэнергии, от экспортной прибыли – к получению полноценной добавленной стоимости;
– замену быстроисчерпаемых источников энергии на трудноисчерпаемые. Россия хорошо обеспечена запасами угля и торфа, а современные технологии их переработки позволяют получить широкую гамму энергоносителей и важных для страны продуктов, начиная от высококачественного авиакеросина и топочного газа до гуматов;
– соблюдение рациональных пропорций между автономной и централизованной тепло- и электрогенерацией. Новый подход к использованию трудноисчерпаемых источников энергии позволит решить еще одну серьезную проблему современной России – чрезмерную концентрацию генерации тепловой и электрической энергии на крупных ТЭЦ. Развитие собственной генерации будет способствовать снижению дефицита мощностей, снижению рисков и повышению энергетической безопасности регионов.

Центральное направление энергетической стратегии России – увеличение доли угля в топливно-энергетическом балансе на основе инновационной политики развития угольной энергетики, прежде всего, электроэнергетики. Для предотвращения дефицита энергии в России ограниченные инвестиционные ресурсы целесообразно направлять на модернизацию и реконструкцию электро- и теплоэнергетического оборудования путем внедрения инновационных технологий с коротким сроком окупаемости.

«Эра угля» началась в конце XIX в., когда его доля в мировом топливно-энергетическом балансе существенно превысила 50%. Эта так называемая первая «угольная волна» началась с распространения технологий, использующих паровую машину. Уголь был топливом промышленных революций. В СССР максимальная доля угля (59,1%) приходилась на 1950 г. В 1980 г. на первое место в мировом балансе вышла нефть, а доля угля сократилась до 28,4%[2]. «Эру угля» сменила «эра нефти»; ожидалось, что далее последует «эра природного газа». Однако мировой кризис 2008–2009 гг., скорее всего, изменит ситуацию в большинстве стран в пользу угля.

В последние годы потребление угля увеличивается. Объем мировой торговли углем в 2008 г. достиг 500 млн т, в 2000–2020 гг. прогнозируется рост на уровне 125%. Исходя из структуры мирового топливно-энергетического баланса, потребление угля в 2020 г. составит 6865,7 млн т и увеличится на 18,7% по отношению к 2007 г., а его доля в мировом энергетическом балансе может превысить 40%. Доля угля в выработке электроэнергии, несмотря на послевоенный нефтяной бум, остается достаточно высокой. Например, в США она составляет 50%, в Австралии – 80%, Китае – 78%, Израиле – 71%, Индии – 69%, Германии – 47%[3]. В России же топливно-энергетический баланс смещен в пользу газа.

Перспективы возрождения использования угля связаны с наличием значительных разведанных резервов, которых при средних темпах роста мировой экономики во второй половине ХХ в. должно гарантированно хватить минимум на 250 лет. Крупнейшие месторождения сосредоточены в политически стабильных регионах (по сравнению с нефтедобывающими) – России, Китае и США, что также делает уголь привлекательным энергоресурсом. На долю угля приходится до 80% прогнозных топливно-энергетических ресурсов России, что гарантирует в стратегическом плане энергетическую безопасность страны.

По нашим оценкам, несмотря на то, что «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.» предписывает повышение энергетических мощностей преимущественно за счет ввода угольных ТЭС, к 2020 г. доля угля в электроэнергетике страны вырастет не более чем до 40%, а доля газа незначительно снизится – на 8–10 п. п. Сдерживание развития угольной электроэнергетики обусловлено рядом обстоятельств: относительно низкой стоимостью природного газа, что делает его использование в электроэнергетике экономически оправданным, технологической сложностью сжигания угля и неблагоприятными экологическими последствиями.

Полномасштабное возвращение угля в энергетику становится приоритетным направлением энергетической стратегии России, однако оно возможно лишь на новой технологической основе. Это делает актуальной задачу поиска, тестирования и продвижения технологически, экологически и экономически более эффективных и безопасных новых технологий на всех фазах угольного энергетического цикла: добычи ископаемого и техногенного угольного топлива, переработки и обогащения угля, генерирования электроэнергии на угольных ТЭС, транспортирования и хранения угольного топлива, энергосбережения, утилизации отходов, прежде всего, продуктов горения.

Определяющую роль здесь играют инновационные НИОКР – модификации способов переработки топливных ресурсов, позволяющие использовать достоинства угля, сводя к минимуму сложности его применения и экологические последствия использования в качестве топлива. Существуют следующие основные инновационные направления разработок:

1) создание жидкого угольного топлива с высокой пластичностью, низкой абразивностью, способного эквивалентно заменить мазут и частично газ;
2) транспортирование и хранение угольного топлива;
3) различные технологии сжигания угля: в кипящем слое, в кипящем слое с катализаторами, многоступенчатая система сжигания;
4) утилизация газовых отходов, золы и шлака.

Современные исследования и проведенные опытно-конструкторские разработки позволяют сформировать два независимых и взаимодополняющих варианта инновационной стратегии в угольной энергетике: газификация угля и сжигание газа; производство модифицированных угольных топлив и соответствующая технология их сжигания.

Новые виды топлива

Принципиально важным решением для угольной энергетики может стать переход от прямого сжигания угля как горной массы к сжиганию измененного угольного топлива с новыми структурными, физико-химическими и реологическими свойствами, приготовленного из углей различных качеств, в том числе и из отходов углеобогащения. Исследования в данной области пошли по двум направлениям.

1. Разработка специальных методов и технологий сухого измельчения угля, улучшающих возможность его сжигания. Прежде всего, это технология «микроугля», созданная в Институте теплофизики СО РАН. Преимуществами ультратонкого (35–40 микрон) помола являются значительное увеличение площади твердой поверхности, высокая интенсивность горения, эффект механической активации, снижение выбросов диоксида азота.

Возможные области применения микроугля: как основное топливо для небольших газомазутных котлов; использование вместо газа и мазута для воспламенения и розжига крупных котлов на твердом топливе; прямое сжигание в газотурбинных установках.

Проблемами использования являются большие энергетические затраты на микропомол, малотоннажность существующих мельниц, взрывоопасность угольной пыли, высокая абразивность топлива.

2. Разработка методов и технологий производства водоугольного топлива (ВУТ). Идея жидкого топлива из углематериалов не нова: с 1970-х годов в ряде стран, в том числе в США, Канаде, Италии и Китае, ведутся работы по исследованию и созданию опытно-промышленных, демонстрационных и коммерческих установок.

Технология приготовления жидкого топлива из углематериалов за рубежом, в том числе и в Китае, традиционна и состоит из двухступенчатого мокрого помола угля в шаровых мельницах, подмеса пластифицирующих и стабилизирующих химических присадок, подачи полученного продукта на хранение и последующее сжигание в камерных топках котлов. Такая технология была реализована в 1980-е годы в СССР в составе опытно-промышленного комплекса Белово – Новосибирская ТЭЦ-5. Опыт не был завершен, но полученные результаты подтвердили оптимистичные надежды на новое водоугольное топливо, а также выявили следующие его недостатки:

В настоящее время разработано и испытано несколько технологий приготовления водоугольных суспензий, которые базируются на традиционных способах тонкодисперсного измельчения углей, смешивания их с водой, различными пластификаторами и стабилизаторами.

Исследования, проведенные авторами и их коллегами, позволили определить, что пластичность и абразивность водоугольного топлива могут быть изменены. Это дает возможность отказаться от использования угля как горной массы (в том числе в дисперсных формах – угольной пыли и водоугольного топлива), устраняя отрицательные стороны технологии их приготовления. Приоритетной задачей науки и ОКР стало создание нового жидкого угольного топлива, характеризующегося высокой пластичностью, низкой абразивностью и по своим теплотехническим характеристикам горения приближенного к мазуту (и по отдельным параметрам – к газу).

КаВУТ и наноуголь

Современные исследования и опытно-конструкторские разработки позволяют создать новое угольное топливо – кавитационное водоугольное топливо (КаВУТ), имеющее небольшой размах дисперсности с модальной группой 75–150 микрон. Линия кавитационного водоугольного топлива различается прежде всего уровнем дисперсности твердой части топлива – угля – и может, по нашему мнению, быть доведена до ультрадисперсности с модальной группой менее 25–50 микрон до нановеличин, под условным названием наноуголь. В основе метода лежит явление взрывной декомпрессии в высокоскоростном вихревом потоке, известное в научной литературе как кавитация. Кавитационную технологию приготовления водоугольного топлива[4] можно назвать революционной, поскольку меняется содержание технологий основных фаз полного угольного цикла в энергетике.

Полученные новые виды жидкого топлива с увеличенной долей ультрадисперсных фракций и долей угля в материале 80–90% могут быть эффективно использованы не только для прямого сжигания, но и для приготовления сухого ультрадисперсного порошка угля. Проведенные эксперименты (В. И. Федосеев, Я. В. Носатович) показали высокую эффективность производства угольных брикетов из КаВУТа и ультрадисперсного угольного геля без использования пластификаторов методом пассивного застывания в форме и экструдерного прессования.

Разные виды КаВУТа обладают большой реакционной способностью по сравнению с исходным топливом, меньшей температурой в ядре факела (12000С); высокой степенью выгорания (до 99,5%). Дисперсная среда выполняет роль промежуточного окисления; практически на всех основных стадиях горения топлива активируется поверхность частиц твердой фазы. Поэтому воспламенение распыленных капель начинается не с воспламенения летучих паров, а с гетерогенной реакции на их поверхности, в том числе и с водяным паром. Активация поверхностных частиц капель приводит к снижению температуры воспламенения нового топлива по сравнению с угольной пылью.

Данные виды топлива получают с использованием диспергаторов, разработанных сибирскими инженерами С. М. Радченко и А. М. Алтуховым. Наши надежды на их перспективность связаны с тем, что свойства этих видов топлива и используемые технологии соответствуют приоритетным направлениям инновационных изменений практически всех элементов системы большого технологического цикла в угольной электроэнергетике.

Транспортировка и хранение

Использование традиционных технологий транспортирования угля в виде горной массы от места добычи до топки котла и его хранение сопровождаются большими потерями угля и экологическими издержками, значительным усложнением дополнительных технологий ТЭС.

Продвижение угля от прибывшего вагона до топки – технологически сложное и дорогостоящее. Использование его в качестве топлива, кроме основной технологической цепи электростанции (сжигание в топке котла и получение пара, с помощью турбины вращающего электрогенератор), обрастает множеством дополнительных технологий: транспортировка угля как горной массы до ТЭС, наличие вспомогательных и дополнительных узлов, в том числе обеспечивающих разгрузку, хранение, приготовление и подачу на сжигание. Сюда входят железнодорожное хозяйство, вагоноопрокидыватели, тракты топливоподачи с узлами пересыпок, дробилками, бункерами, мельницами и пылесистемами. На крупных ТЭС перерабатываются сотни и тысячи тонн угля в час. Уголь же рассыпается, самовозгорается, пылит, а пыль взрывается. Поэтому появляются системы пылеподавления, аспирации, гидросмыва с очистными сооружениями. Все эти дополнительные узлы увеличивают объемы и стоимость строительства ТЭС, усложняют работу эксплуатационного персонала, не обеспечивая стопроцентной гарантии безопасности и нормальных санитарно-гигиенических условий работы.

Нормы естественной убыли угля на разных этапах его продвижения значительны:

Общие перечисленные потери угля по минимальным нормативным значениям составляют 1,71%. Реальные же в 4–6 раз превышают нормативный уровень и достигают вместе с химическими потерями, по оценкам экспертов, 8–11% объема отправленного на электростанции России угля. С учетом недожога, характерного для традиционных технологий сжигания угля, на уровне 5–8%, общие потери составляют 9,7–19% добытого объема угля, используемого в теплоэлектроэнергетике России.

В технологии транспортирования и хранения нового топлива используют его высокую пластичность и тиксотропность. Эти свойства позволяют транспортировать топливо на большие расстояния, в цистернах и по трубопроводам, что упрощает погрузку и выгрузку. Топливо не изменяет объем при замерзании, длительное время не замерзает при температурах до минус 25–300С, что позволяет его хранить в традиционных емкостях для мазута, а транспортировать – в автомобильных и железнодорожных цистернах. Потери нового топлива при транспортировании и хранении минимальны.

Еще одно важнейшее достоинство сухого и жидкого загущенного наноугля при хранении – восстановление всех реологических свойств после погружения в воду без какого-либо размалывания или перемешивания.

Сжигание

К новым технологиям сжигания нового жидкого угольного топлива мы относим технологии псевдокипящего слоя, объединяющие стационарный кипящий слой и новое водоугольное топливо. Учитывая ограниченность стационарного кипящего слоя по диапазону теплопроизводительности, с одной стороны, и необходимость поддерживания в нем достаточно низких (до 10000С) температур – с другой, нами[5] использована новая схема двухстадийного сжигания топлива и топка.

Первая ступень – топка (реактор) со стационарным кипящим слоем, работающим в низкотемпературном режиме сжигания и газификации части топлива в условиях недостатка окислителя и снятии части выделяющегося в слое тепла на нагрев вторичного воздуха вне зоны реагирования. Вторая ступень – камерная топка высокотемпературного сжигания основной массы топлива, прошедшего транзитом через кипящий слой и модифицированного под воздействием создающихся в его объеме термохимических условий, а также дожигание продуктов газификации. Предлагаемая схема обеспечивает:

Предлагаемая схема сжигания позволяет:
– значительно снизить размер частиц материала кипящего слоя с соответствующим снижением на выходе из него скоростей газа и размера выносимых частиц топлива до уровня, обеспечивающего их полное сгорание в камерной части топки, исключив необходимость рециркуляции;
– существенно сдвинуть долю реагирования топлива в объеме кипящего слоя за счет газификации его активированной водой, входящей в состав суспензии, обеспечив горение в камерной части топки – в основном смеси летучих компонентов горючей части угля и газообразных продуктов газификации с выносимой из слоя недогазифировавшей при низкой температуре слоя частью высокореакционного коксового остатка.

Разработкой схем сжигания водоугольного топлива, рекомендаций и требований к промышленности на изготовление котлов, оснащенных специальными топками, внедрением нового технологического комплекса и выполнением пуско-наладочных работ в настоящее время занимаются специалисты, объединенные в НП «Сибирский энергетический парк».

Один из паровых котлов котельной ЗАО «Черниговец» дооснащен предтопком, обеспечивающим зажигание и термообработку КаВУТа в низкотемпературном кипящем слое (первый этап горения), что уже проверено на практике. Следующая стадия экспериментально-наладочных работ – достижение надежной работы элементов системы и повышение безопасности эксплуатации, после чего состоится очередной этап пуско-наладочных работ.

Нетрадиционная технология сжигания жидких, газообразных и твердых топлив с присутствием катализаторов, разработанная в Институте катализа СО РАН, позволяет избежать многих недостатков высокотемпературного сжигания угля в традиционных технологиях. В основу каталитической технологии положен метод применения катализаторов полного окисления топлива и его сжигание в псевдоожиженном (кипящем) слое частиц катализаторов на керамической основе.

Установки и котельные, работающие по технологии сжигания угля с присутствием катализаторов и с использованием КаВУТа в качестве топлива, полученного из различных углей и отходов процессов углеобогащения, проверены специалистами на котельных Кузбасса в г. Артыште и г. Березовский. Полученные образцы нового водоугольного топлива сжигались на испытательных стендах в г. Новокузнецке и г. Раменском, и результаты всех проверок положительные.

Утилизация отходов и рекультивация мест их складирования

Традиционно к отходам угольной энергетики относятся отходящие газы, шлак и зола. Отходы сжигания нового водоугольного топлива – это отходящие газы и зола; шлак при сжигании КаВУТа и наноугля не образуется.

Количество вредных веществ, образующихся при сжигании различных видов топлива, показано в таблице.

Количество вредных веществ в выбросах при сжигании различных видов топлива

Вредное вещество в выбросах	Рядовой уголь	Мазут М-100	KаВУТ	Наноуголь (предварительная оценка)
Пыль, сажа, г/м³	120–240	2,5–5,8	1,0–2,8	0,6–1,1
Диоксид серы, мг/м³	450–800	350–700	50–120 (при добавке в гель ультрадисперсных карбонатов)	50–120 (при добавке в гель ультрадисперсных карбонатов)
Диоксид азота, мг/м³	350–650	120–760	20–80	20–9

Новое угольное топливо отличается существенно лучшими экологическими характеристиками сжигания, которые можно усилить за счет разработки специальных методов сжигания и приготовления топлива: каталитический низкотемпературный дожиг, добавление карбонатов в топливо на стадии приготовления и др.

Образование большого количества шлака и золы характерно для угольной традиционной энергетики. Для их утилизации осуществляется отвалообразование, т. е. формирование отвалов на специально отведенных участках, которые занимают большие территории, в том числе в населенных пунктах. В результате возникает дорогостоящая и малопродуктивная работа по рекультивации отвалов, в том числе биологической рекультивации земель, включающей комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий. Эти работы проводятся крайне редко и малоэффективно.

Новое топливо не формирует шлаков, а получаемая ультрадисперсная зола малотоксична, в ней отсутствуют остатки углерода, что позволяет эффективно и глубоко перерабатывать ее в строительные материалы и искусственный грунт, а также использовать для проведения широкого спектра рекультивационных работ. Вокруг ТЭС, использующей новое топливо, может вообще не быть отвалов.

Выводы

Использование КаВУТа и наноугля взамен традиционного угольного топлива обеспечивает чрезвычайно широкий спектр признанных во всем мире положительных потребительских, технологических, экономических, экологических и эстетических (трудоохранных) эффектов.

Потенциальные возможности новых инновационных технологий для энергетического комплекса страны следующие:

КаВУТ и наноуголь по технологическим, финансово-экономическим, экологическим и эстетическим критериям существенно превосходят альтернативные технологии в угольной тепло- и электроэнергетике. Все это позволяет рассматривать данные технологии в качестве основы для разработки инновационной стратегии развития угольной энергетики России на ближайшие 20–30 лет.

[1] Проект Минэнерго РФ «Энергетическая стратегия страны до 2030г.» (www. minenergo.com/news/14648); Газовое электричество – «голубого топлива» в России хватает далеко не всем // Oil & g a s: Eurasia. 2008. № 8. С. 6–9.

[2] Добыча угля в России (www.rostovugol.ru/dobicha.htm).

[3] Куценко С. А., Молофеев С. М. Экологические проблемы развития мировой энергетики (www.ecology.ostu.ru/index.php/option=com); Клавдиенко В. П. Мировая торговля энергоресурсами // Энергия: экономика, техника, экология. 2003. № 7; Прогноз мирового рынка угля до 2020 г.

[4] Разработка авторского коллектива: Петраков А. Д., Радченко С. М., Яковлев О. П. Патент России № 2249029 от 27.03.2005 г., международная заявка WО 2005/007782А1 от 27.01.2005 г.

[5] Гайслер Е. В., Дубинский Ю. Н., Карпов Е. Г., Смышляев А. А., Серант А. Ф. Патент России № 2324110.