CC BY
83
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 662.74
ГАЗОВОЕ УГЛЕВОДОРОДНОЕ ТОПЛИВО ИЗ УГЛЯ - БУДУЩАЯ ОСНОВА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Ю.Ф.Васючков, В.В. Мельник, Н.И.Абрамкин, И.И.Савин
Приводятся данные об истории получения сингаза из угля и последних достижениях в области использования сингаза, вырабатываемого из угля. Описывается технология углегазоэлектрических комплексов.
Ключевые слова: угольный пласта, угольная энергетика, выработка сингаза из угля, внутрицикловая газификация угля, энергетическая и экологическая эффективность использования сингаза.
Энергетическое обеспечение России является краеугольным камнем современной экономики и основой безопасности государства, что сформулировано в Энергетической стратегии России на период до 2030 г.
В России, как и во всём мире, потребление топливно-энергетических ресурсов увеличивается возрастающими темпами. Так, например, если в начале прошлого столетия на удвоение потребляемых энергоресурсов ушло 36 лет, то последующие удвоения произошли через 22 года, через 15 лет, через 13 лет и в 1998 г. через 12 лет. В будущем потребление углеводородных энергоресурсов при современных технологиях будет неуклонно увеличиваться.
Современные тепловые электростанции работают, в основном, на нефти, природном газе и ископаемом угле. Соотношение видов топлив в топливно-энергетическом балансе (ТЭБ)в разных странах разное (табл. 1), но угольная составляющая в нём остаётся весьма значительной.
Таблица 1
Сравнение ТЭБ по некоторым странам мира по состоянию
на 2010-2012 гг.
Страны Виды топливных ресурсов, %
Уголь Нефть Газ Гидроэнергия Атомная энергия
Мир 27 40 23 3 7
Россия 19 23 52 3 4
Китай 63 19 2 2 1
США 30 20 30 2 12
Южная Ко- 21 50 12 - 16
рея
Тем не менее, современный тренд в тепловой энергетике, основанной на потреблении углеводородного сырья, заключается в приоритетном наращивании газовой составляющей. Он объясняется следующими технико-экономическими факторами:
энергетический КПД ТЭС на газе выше, чем на угольных станциях; разница достигает от нескольких до 10-12 %, что при одинаковой энергетической мощности станции значительно сокращает удельный расход топлива и, следовательно, снижает затраты на выработку энергии;
эксплуатация ТЭС на природном газе отличается более высокими экологическими показателями по сравнению с угольной энергетикой, так как выбросы оксидов серы и азота существенно сокращаются;
газовые ТЭС не нуждаются в устройстве и обслуживании площадок угленакопления, его подготовки для сжигания котлах и имеют более простую поверхностную инфраструктуру;
газовые ТЭС не нуждаются в дорогостоящих железнодорожных или водных перевозках угля.
К указанной тенденции следует прибавить положение об ограниченности углеводородных запасов наиболее востребованных видов топлива -нефти и газа. Неограниченными на длительную перспективу оказываются только угольные ресурсы.Если сопоставить преимущества газового топлива по сравнению с угольным топливом и наличие практически неограниченных запасов угля, по крайней мере - на многие сотни лет, то неминуемо придется придти к выводу об актуальности концепции переработки угля и/или угольных пластов в газовое топливо, его синтез с угольным метаном и последующее использование этой углеводородной смеси для генерации электрической и тепловой энергии [1,2, 3].
Эта концепция развивает идею онеобходимости полезного использовании подземной газификации угля (ПТУ), котораябыла сформулирована гениальным Д.И. Менделеевым в 1888 г. [4]
Следует отметить, что попытки промышленного освоения процесса ПТУ продолжались весь XX век. Однако, до настоящего времени процесс
ПГУ используется в одиночных, преимущественно в опытно-промышленных работах. Главный недостаток таких работ состоит в получении на станциях ПГУ газового топлива (синтетического газа - сингаза) с низкой теплотой сгорания.
Сформулированная концепция решает эту проблему. Ниже приводится анализ процесса выработки сингаза с целью выработки рекомендаций по повышению теплоты его сгорания.
Газообразное топливо бывает: а) естественное - природный газ; б) искусственное - генераторный газ, получаемый при газификации различных видов твердого топлива.
Все виды углеводородного топлива состоят из одних и тех же элементов,которые делятся на две группы. К первой группе относят те элементы, которые горят сами или поддерживают горение - углерод, водород и кислород. Ко второй группе принадлежат те, которые сами не горят и не способствуют горению.Именно горючие элементы и являются предметом пристального внимания исследователей эффективности ПГУ.
Искусственное газообразное топливо получается путем газификации топлива в наземных или подземных условиях или как побочный продукт при других процессах, например, при коксовании - коксовальный газ, в доменном процессе - доменный газ. Теплотворная способность коксо-вального газа изменяется в пределах от 16,8 до 20,9 МДж/м .В 1926 году Франц Фишер и ГансТропш опубликовали работу "О прямом синтезе нефтяных углеводородов при нормальном давлении", где сообщалось, что при восстановлении монооксида углерода водородом при нормальном атмосферном давлении в присутствии катализаторов при температуре в 270 °Сможно получить жидкие и твердые гомологи метана.Так на свет появился знаменитый способ синтеза водорода из монооксида углерода, называемый с тех пор методом Фишера-Тропша. Благодаря данному методу смесь водорода и оксида углерода в различных соотношениях может легко быть получена как из каменного угля, так и из любого другого сырья, содержащего углерод. Полученную в результате данного процесса смесь газов начали называть синтез-газом или сокращённо - сингазом.
В зависимости от метода получения сингаза соотношение СО:Н2 в нем варьируется от 1:1 до 1:3. Как правило, процентное содержание веществ в сыром неочищенномсингазе следующее: СО 15-18 %, Нг 38-40 %, СН4 9-11 % и СО2ЗО-З2 %. Повышением температуры в процессе синтеза можно увеличить количество СО, а увеличив давление можно повысить содержание водорода и метана.
Первым известным человечеству способом получения сингаза была газификация каменного угля. Данный способ был осуществлен еще в 30-е годы XIX века. Впоследствии данная методика была усовершенствована на основе использовании нефти и природного газа.
Сегодня существуют три основных метода получения сингаза - газификация угля (температура процесса 900-1000 °С), конверсияметана (температура 800-900 °С при повышенном давлении и в присутствии катализаторов (Ni - А120з) и парциальное окисление углеводородов (температура выше 1300 °С)
Сегодня производство сингаза постоянно совершенствуется, поскольку потребность в углеводородном газового сырье астет с каждым годом.Кроме экологически чистого топлива, сингаз используется в химической промышленности для получения различного сырья, а также исходного сырья для получения метилового спирта и синтетического жидкого топлива, которое по своим характеристикам ни в чем не уступает традиционному.
Итак, основой получения газового углеводородного топлива из каменного или бурого угля является процесс газификации угля (coalgasifica-tion). Согласно истории первое сообщение о получении горючего газа из древесного угля сделал в 1609 г. Джон Ван Хельмонт из Брюсселя. Первый патент на способ газификации угля был выдан в 1788 г. Роберту Гарднеру. А в 1792 г. инженер Вильям Мэрдок, работавший у знаменитого изобретателя парового двигателя Джеймса Уатта, изготовил первый газогенератор (тогда он назывался - газификатором) и начал использовать угольный газ для освещения.
В 1807 г. в Лондоне, а в 1815 г. в Балтиморе (США) на улицах зажглись первые газовые фонари. Уже через 10-20 лет многие крупные города Европы и Америки имели газовое освещение. Но наивысшего расцвета технология газификации достигла к середине XX века.
В 1934 г. инженерами В.А. Матвеевым, П.В. Скафой и Д.И. Филипповым вб. СССР был предложен поточный метод ПТУ, не требующий дробления угля под землей. По пласту проходят две наклонные выработки, соединяемые с поверхностью земли вертикальными скважинами. Наклонные выработки соединяются между собой горизонтальной, называемой огневым штреком (изображен пунктирными линиями, соединяющими внизу каналы). Процесс газификации осуществляется нагнетанием дутья (воздуха) в одну скважину и отводом образующегося горючего газа из другой. Метод применили на Горловской станции ПГУ «Подземгаз» и полу-чили генераторный газ с теплотой сгорания 4,2 МДж/м . Эта причина и является серьёзным недостатком ПГУ.
На дутье, обогащенном кислородом до 60-65 % или на парокисло-родном дутье, получают в настоящее времясингаз с теплотой сгорания 17,6 Мдж/м .Появились работы учёных по совершенствованию процесса ПГУ: Крейнин Е.В (2004-2007), BurtonE.(2007), LambG. (1997), SuryM. (2004), BeathA/ 92006) WalterK. (2007).
Когда в зону образовавшегося газа с температурой 700 - 800 °С в реакционный канал через специальные скважины подают перегретый во-
дяной пар или углекислоту, то физическое тепло используется на эндотермические реакции восстановления Н2О и СО2, благодаря чему ПГУ обогащается водородом и монооксидом углерода что резко повышает теплоту сгорания сингаза.
Двухстадийная ПГУ может быть проведена в две периодически осуществляемые фазы. В первой из них осуществляется подвод окислителя к реакционной поверхности угольного пласта, во второй фазе к раскаленной угольной массе подводится восстановитель. При этом химический КПД процесса ПГУ повышается с 60 до 80 %.
Процесс понимания физико-химической и термодинамической сущности ПГУ далеко не исчерпан. На основе новых знаний физико-химического и термодинамического характера, а также использования появившихся нанотехнологий теплота сгорания сингаза от процесса ПГУ может быть доведена до 30-34 МДж/м , что сравнимо с теплотой сгорания природного газа. Дело только за достаточным финансировании этих исследований.
Другим направлением модернизации процесса ПГУ и повышения его энергоэффективности являются усилия по повышению стабильности процесса подземного горения угольного канала в массиве и соответственно - поддержание стабильных термодинамических условий газификации в подземном канале горения. Это технологическое направление включает использование оптимизированной схемы расположения дутьевых и газоот-водящих (продуктивных) скважин, применение управляемой схемы перемещения точки подачи дутья в огневой забой, рациональное сочетание вертикально-наклонныъх, горизонтально направленных и вертикальных скважин, а также эффективная схема подготовки шахтного поля к огневой отработке, включающая его деление на блоки, последовательно включаемые в газификацию с целью повышения теплоты сгорания сингаза.
Другое решающее преимущество сингаза перед использованием природного угля на ТЭС заключается в отсутствии выбросов в атмосферу минеральных веществ, снижении выбросов оксидов серы и азота, а также отсутствии перевозок угля и организации мест угленакопления. Эти преимущества уже доказаны практикой на станциях США по использованию внутрицикловой технологи углеэнергетики на базе наземной газификации угля [5].
Таким образом, переработка угля в газовое топливо, являющееся тепловым эквивалентом природного газа, решает проблему как ограниченности запасов нефти и газа, так и долгосрочного обеспечения тепловой энергетики высокоэффективным и экологически чистым топливом. Несомненно, тепловая энергетика будущего будет основана на использовании в качества топлива ископаемого угля.
В табл. 2. приведена классификация процессов газификации угля, учитывающая промышленный опыт получения газового топлива из угля [6].
Таблица 2
__Классификация процессов газификации угля_
№ Классификационный признак Характеристика операций в технологии газификации угля
1. Давление При атмосферном При повышенном
2. По виду дутья Воздушное Воздушно-кислородное Паровоздушное Парокислородное
3. По виду твёрдого топлива Пылевидное Мелкозернистое Крупнозернистое Угольный массив
4. Конструкция реакционной зоны Пылеугольный факел (процесс Коп-перса-Тотцека) Псевдоожиженный слой (процесс Вин-клера) Неподвижный слой (процесс Лурги) Огневой забой
5. Способ подвода тепла Частичное сжигание в газогенераторе Смешение топлива с предварительно нагретым теплоносителем (рекуперативный нагрев)
6. Способ выведения золы В твёрдом виде В виде жидкого шлака
7. Энергетическая ценность получаемого газового топлива Низкокалорийное (< 6,7 МДж/м ) -5 Среднекалорийное (12 -^18 МДж/м ) -5 Высококалорийное (30 35 МДж/м ) Газы заданного состава
8. Способ обогащения газо- Непрерывная газификация топлива в
вой смеси метаном СО, Н2 и СОг в синтезе с отдельной стадией метанирования СО и СОг водородом Газификация с максимальным получением метана в слое топлива Гидрогазификация
Использование процесса наземной газификации угля позволяет при выработке электроэнергии применять самую востребованную в настоящее время технологию электрогенерации - интергированнуювнутрицикловую газификацию угля (ВЦГУ) [5]. Первая коммерческая электростанция ВЦГУ Соо1ЖШег6ыяа. построена в США (штат Калифорния) в 1983 г. мощностью 100 МВт (или 60 т/ч по углю).
Технология была основана на подаче топлива в виде водо - угольной суспензии в газогенератор Техсако. Всего к 2001 г. с использованием технологии ВЦГУ вырабатывалось до 30 % электроэнергии, необходимой региону.
Следует отметить высокие энергетические характеристики комплексов получения синтетического газа на основе процесса ВЦГУ с использованием генерирующих установок комбинированного цикла. Эти установки отличаются тем, что паровая и газовая турбины работают на одном валу. Конструкция позволила увеличить энергетический КПД генерирующей установки до 0,48... 0,52.
В США в течение 1972-1992 гг. реализовалась программа изучения основ подземной газификации угля. Было проведено около 30 экспериментов в природных условиях на угольных месторождениях пяти штатов (Вайоминг, Западная Вирджиния, Иллинойс, Нью-Мексико, Техас [7].
Основные результаты работ по освоению технологии ПГУ в США сводятся к следующему:
создан банк данных по ПГУ, содержащий описание опытных работ, результаты теоретических, лабораторных и полевых исследований, используемые методы и алгоритмы, технические приемы и решения; разработаны экономико-математические модели для оценки эффективности и конкурентоспособности предприятия ПГУ, позволяющие выбирать подходящие технологию и технику;
созданы система управления и контрольно-измерительный комплекс для проведения натурных экспериментов. Испытаны методы контроля выгазованного пространства и огневого забоя, которые изучались в национальных лабораториях;
оценены варианты использования газа ПГУ с получением водорода, заменителя природного газа (ЗПГ), метанола, бензина, дизельного топлива, синтез-газа, электроэнергии и углекислого газа для интенсификации добычи нефти, уничтожения вредных насекомых и т. д.
В последнее время ведутся активные работы по использования процесса газификации углей для получения газового топлива и электрической энергии на ТЭС [8]. Так, в КНР в период 1994-2001 гг. было запущено 11 проектов по технологии двухстадийной газификации угольного пласта -схема, включающая традиционное ПГУ при 1300-1500 °С и вторичную подачу в раскалённый угольный пласт водяного пара (табл. 3).
Судя по высокому содержанию горючих компонентов в этих проектах, обработка угля водяным паром позволяет увеличить теплоту сгорания генераторной смеси примерно в 2 раза.
В отношении применения скважинных технологий на угольных месторождениях следует отметить работы 1999г. в Австралии, в штате Квинсленд на угольном месторождении Сурат. Компания «LincEnergy, Ltd» построила подземный газогенератор на глубине 140 м и пробурила 9 вертикальных скважин.
Таблица 3
Эффективность деухстадийной технологии ПТУ (КНР)
Шахта Начало Глубина Мощность Доля горю- Теплота
работы залегания пласта, м пласта, м чих компонентов в генераторном газе, % сгорания газа, МДж/м3
Xinhe 1994 80 3,5 76,2 11,8
Liuzhuang 1996 100 2,5-3,5 72,9 12,2
Xinwen 2000 100 1,8 73,3 11,4
Xiyang 2001 190 6 70,6 11,9
В результате ПГУ получили генераторный газ с теплотой сгорания
3 3
4,5...5,7 МДж/м . За период работы 28 месяцев было получено 80 млн м низкокалорийного газа и подвергнуто газификации 35 тыс. т угля. Удель-ный выход генераторного газа составил примерно 2,3 м /кг угля. Капитальные затраты составили 17,5 млн. долларов США или около 2,19 долла-ров на каждые 1000 м газа.
Проблемами газификации угля для получения электрической энергии активно занимаются США, Канада, Англия, Индия, Германия. Опробованная в Иршинге (Германия) одновальная парогазовая установка 8СС5-8000Н с газовой турбиной «Сименс» 8СТ5-8000Н поставила рекорд энергоэффективности, её к. п. д. - более 60 %.
Заключение
Мировой опыт угольной теплоэнергетики и использования сингаза на ТЭС [9] доказал, что на отдельных предприятиях, использующих технологию газификации угля и выработку сингаза, можно достичь весьма высоких показателей энергетической эффективности. Безусловно, уже в ближайшем будущем будут привлечены значительные средства государств и частных компаний для масштабного промышленного использования технологии выработки газового топлива из угля и угольных пластов и развернуты дальнейшие поиски повышения качества сингаза.
Энергетика стоит на пороге, когда угольное топливо окажется самым востребованным и экологически чистым углеводородным ресурсом, а нефть и природный газ будут использовать как драгоценное сырье для производства уникальных промышленных и бытовых изделий и оборудования. Сбудется пророчество: «топить нефтью - всё равно, что топить ассигнациями».
Список литературы
1. Васючков Ю.Ф., Воробьёв Б.М. Концепция ресурсосберегающей технологии бесшахтной разработки угольных месторождений. М.: Изд. МГГУ, ГИАБ. 1996. №4.
2. Васючков Ю.Ф., Воробьёв Б.М. Способ получения электроэнергии при бесшахтнойуглегазификации и/или подземномуглесжигании. Патент РФ № 2100588, М., 1997.
3. Васючков Ю.Ф.; Воробьев Б.М. Формирование локальных угле-газо-электрических комплексов на базе экологически чистых и ресурсосберегающих нетрадиционных технологий (системный подход)// ГИАБ, 1998. №2. С. 29-31.
4. Менделеев Д.И. Будущая сила, покоящаяся на берегах Донца// 1888. Соч. Т. 19. С. 568-569.
5. StanKaplan "PowerPlants: Characteristics and Costs" Washington. CRS Report for Congress. 2008, November 13, pp. 97 (total volume 108 pp).
6. Быкова М.Ю. Методика экологической оценки локального угле-газоэлектрического комплекса// ГИАБ. 2013. № 11. С. 357 - 360.
7. Наумова Ю. А., Туник Д. А., Юсипук Ю. А. Мировой опыт в области технологии газификации угля (КИИ ДонНТУ). www.Google: Подземная газификация угля.
8. Крейнин Е.В. Анализ и перспективы современных проектов подземной газификации углей в мире// Уголь. 2011. № 1.С. 40 -43
9. Пучков JI.A., Воробьёв Б.М., Васючков Ю.Ф. Углеэлектрические комплексы будущего. М.: Изд-во. МГГУ. 2007. 245 с.
Васючков Юрий Федорович, д-р техн. наук, проф., galina_stas(a),mail.ги, Россия, Москва, НИТУ «МИСиС»,
Мельник Владимир Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ga-lina_stas(a),mail. ги, Россия, Москва, НИТУ «МИСиС»,
Абрамкин Николай Иванович, д-р техн. наук, проф., galiпа stas a mail.ги, Россия, Москва, НИТУ «МИСиС»,
Савин Игорь Ильич, д-р техн. наук, galina_stas(a),mail.ги, Россия, Тула, Тульский государственн ый университет
H3BecTH5i Tyjiry. HayKH o 3eMjie. 2017. Bbin. 4
GAS HYDROCARBON FUEL FROM COAL IS FUTURE BASIS OF THERMAL POWER ENGINEERING
Yu.F. Vasyachkov, V. V. Melnik, N.I. Abramkin, I.I. Savin
Information about history of getting synthesis-gas from coal and about last achievements at the sphere of using synthesis-gas which producing from coal is analyzed. The technology of coal-gas-electrical complexes is described.
Key words: cola bed, coal energetic, coal gasification, energetic and environmental efficiency, using synthesis-gas.
Vasyachkov Yuryi Fedorovich, Doctor of Technical Science, Full Profes-sor, galina stasfa),mail, ru, Russia, Moscow, National Research Technological University ".MISiS",
Melnik Vladimir Vasilievich, Doctor of Technical Science, Full Professor, Chief of a Department, galina stas(a>,mail. ru, Russia, Moscow, National Research Technological University "MISiS",
Abramkin Nikolai Ivanovich, Doctor of Technical Science, Professor, galina stas a, mail.ru, Russia, Moscow, National Research Technological University "MISiS",
Savin Igor Iliich, Doctor of Technical Science, Professor, galina stas®,mail, ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Vasjuchkov Ju.F., Vorob'jov B.M. Koncepcija resursosberegajushhej tehnologii besshahtnoj razrabotki ugol'nyh mestorozhdenij. M.: Izd. MGGU, GIAB. 1996. № 4.
2. Vasjuchkov Ju.F., Vorob'jov B.M. Sposob poluchenija jelektrojenergii pri bes-shahtnojuglegazifikacii i/ili podzemnomugleszhiganii. Patent RF № 2100588, M., 1997.
3. Vasjuchkov Ju.F.; Vorob'ev B.M. Formirovanie lokal'nyh ugle-gazo-jelektricheskih kompleksov na baze jekologicheski chistyh i resursosberegajushhih netradi-cionnyh tehnologij (sistemnyj podhod)//GIAB, 1998. №2. S. 29-31.
4. Mendeleev D.I. Budushhaja sila, pokojashhajasja na beregah Donca// Soch. T. 19. 1888.S. 568-569.
5. StanKaplan "PowerPlants: Characteristics and Costs" Washington. CRS Report for Congress. 2008, November 13, pp. 97 (total volume 108 pp).
6. Bykova M.Ju. Metodika jekologicheskoj ocenki lokal'nogo ugle-gazojelektricheskogo kompleksa// GIAB. 2013. № 11. S. 357 - 360.
7. Naumova Ju. A., Tunik D. A., Jusipuk Ju. A. Mirovoj opyt v oblasti tehnologii gazifikacii uglja (KII DonNTU). www.Google: Podzemnaja gazifikacija uglja.
8. Krejnin E.V. Analiz i perspektivy sovremennyh proektov podzemnoj gazifikacii uglej v mire// Ugol'. 2011. № l.S. 40 -43
9. Puchkov L.A., Vorob'jov B.M., Vasjuchkov Ju.F. Uglejelektricheskie kompleksy budushhego. M.: Izd. MGGU. 2007. 245 s.
