CC BY
284
ЭКОНОМИКА ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА
Комплексная переработка угля на основе нанотехнологий — перспективный вектор развития энергетического комплекса России
В статье рассматриваются проблемы производства энергии, основные характеристики и тенденции в развитии энергетической промышленности. Она подчеркивает необходимость использования инновационных технологий в энергетике, комплексной переработки угля на основе нанотехнологий.
Описывается необходимость в переориентировании энергетики России в сфере сырья с нефти и газа на уголь.
Статья отмечает значительность разностороннего применения угля. Предлагается технология модификации твердого топлива с помощью наноматериалов и отмечаются положительные результаты внедрения технологии комплексной переработки угля.
Ключевые слова: энергетика, энергетический рынок, нанотехнологии, инновации, возобновляемые источники энергии, традиционные источники, традиционные источники сырья, нефть, уголь, газ, экология.
Одним из главных направлений модернизации экономики становится энергоэффективность. Потребности современной промышленности в электроэнергии существенно превышают технологически возможные темпы прироста мощности энергосистем. В настоящее время около двух третей спроса и предложения на мировом энергетическом рынке формируют пять основных игроков: США, ОПЕК, Китай, Россия и Европейский союз (рис. 1, 2). Россия занимает среди них четвертое место по обоим параметрам, что позволяет позиционировать ее как энергетическую сверхдержаву [2].
Новая энергетика призвана обеспечить растущее население. При увеличении численности к 2030 году на 25% объем валового внутреннего продукта к этому времени, предположительно,
© Чернышев М.А., Анопченко Т.Ю., Репина Е.А., Моисеенко А.А., 2010
М.А. Чернышев
Т.Ю. Анопченко
А.А. Моисеенко 79
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
- 1- -
~1_1 1- 1- -Л 1
США ОПЕК Китай Россия
□ Нефть □ Газ □ Твердое топливо □ Нетопливо
Рис. 1. Мировые лидеры производства энергии, млрд тонн нефтяного эквивалента
ЕС
1200 1000 800 600 400 200 0
Е
1
I
г*
к
США ОПЕК Китай Россия
□ Нефть ■ Газ □ Твердое топливо □ Нетопливо
Рис. 2. Мировые лидеры потребления энергии, млрд тонн нефтяного эквивалента
ЕС
□ Электроэнергетика
■ Коммунально-бытовые нужды, промышленность
□ Транспорт
□ Нужды химии
Рис. 3. Основные потребители энергоресурсов
вырастет в 2,5 раза, рост потребностей в энергетике составит 60% [2]. В самом укрупненном виде спрос на энергию дифференцирован по пяти основным категориям потребителей: производство электроэнергии, коммунально-бытовые нужды, промышленность, транспорт, нужды химии (рис. 3).
Наибольшие требования к качеству используемого топлива предъявляют химия и транспорт, где доминирует нефть. Газ интенсивно вытесняет нефтепродукты и твердое топливо для удовлетворения расходов энергии в быту и на промышленные нужды. Электроэнергетика является полем широкой взаимозаменяемости и свободной конкуренции всех без исключения природных энергоресурсов.
Спрос на энергию перемещается из Европы и США к новым экономикам. Доля старых экономик сократится с 49 до 38—36% к 2030 году, а доля новых (Южная Америка и Азия, включая страны бывшего СССР) вырастет с 41 до 52—58%, т.е. они станут доминирующими потребителями энергоресурсов в мире. Хотя угрозы общей нехватки энергоресурсов в обозримой перспективе нет (табл. 1), можно говорить о проблеме исчерпания дешевых нефти и газа [2].
Таблица 1
Ресурсы органического топлива (млрд тонн нефтяного эквивалента)
Энергоресурсы Нефть и конденсат Естественный газ Газовые гидраты Уголь Итого топливо
Извлеченные 146 66 159 371
Доказанные 150 141 606 897
Возможные 145 279 2800 3224
Итого традиционные 441 486 3565 4494
Использовано, % 33 14 4 8
Нетрадиционные 525 850 18 650 20 025
Всего ресурсы 966 1336 18 650 3565 24 519
Использовано, % 15 5 4 2
Ожидается удорожание углеводородов, особенно нефти. За нефтью следуют цены на газ и уголь, а также на металлы и продовольствие, в мире переоценены почти все основные природные ресурсы. Сегодня говорят о спекулятивном росте цен на нефть, одна
из причин которого — стягивание спроса на нефть в химию и транспорт, которые в 90-е годы ХХ века потребляли 60—65% нефти, а в 2005 году — уже 80%. Эти потребители готовы платить высокие цены за нефтепродукты [2].
В настоящее время придается особое значение роли развития нанотехнологий для экономики страны. Сегодня в России реализуется крупнейшая в мире государственная инвестиционная программа в сфере нанотехнологий — до 2015 года на эти цели будет выделено 318 млрд рублей [1]. Приоритетное значение инноваций обусловлено развернувшимися процессами глобализации, которые ведут к обострению технологического соперничества. Залогом успешного развития экономики является постоянное инновационное обновление технологий.
В России работы по разработке нанотехнологий начаты еще 50 лет назад. Широкомасштабное и скоординированное развертывание на базе существующего задела работ в области нанотехнологий позволит России восстановить и поддерживать паритет с ведущими государствами в науке и технике, ресурсо- и энергосбережении, в создании экологически адаптированных производств, в здравоохранении и производстве продуктов питания, уровне жизни населения, а также обеспечит необходимый уровень обороноспособности и безопасности государства.
Нанотехнологии могут стать мощным инструментом интеграции технологического комплекса России в международный рынок высоких технологий, надежного обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции.
Инновации в энергетике способны преодолеть кризисные явления. За последние 10 лет появились новые технологии: геотермальные электростанции, комбинированные технологии с газификацией угля, атомные, ветровые электростанции и др. Изменения происходят в производстве и использовании моторного топлива. Высокие цены на нефть оправдывают добычу ее нетрадиционных ресурсов и производство синтетического жидкого топлива из газа и угля.
На возобновляемые (альтернативные) источники приходится менее 1% мировой выработки энергии. Согласно оценкам экспертов, до 2030 года ископаемые в виде топлива будут занимать не менее 80% мирового энергопотребления. Залежи углеводородного сырья (уголь, нефть, газ) формировались природой в течение миллионов лет. Производства, создаваемые по существующим технологиям, с каждым годом все в большей степени способствуют разбалансиро-ванию природного равновесия. Потребность в энергии постоянно увеличивается, объемы отходов, загрязняющих природу, растут за-
частую в два-три раза быстрее, чем объемы производства. Корпоративные и отраслевые производственные выгоды, обеспечивающие сверхприбыли, приводят к отравлению земли, воздуха и поверхностных вод. Существует пессимистичная точка зрения насчет энергетического потенциала Земли — в нынешней ситуации запасов нефти хватит примерно на 35—40 лет, газа — на 50 лет. Путь к решению этих проблем видится в использовании возобновляемых источников энергии, а также в развитии угольной энергетики (запасов угля хватит еще на сотни лет).
Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2030 года предусматривает, что ВВП России вырастет от 3,5 до 5 раз и энергопотребление увеличится соответственно на 45 или 75%. Производство энергоресурсов, по прогнозу, вырастет к 2030 году на 25— 45% за счет умеренного увеличения добычи газа и еще более сдержанного — нефти (добыча которой после 2020 года стабилизируется или начнет снижаться), интенсивного роста добычи угля и производства атомной энергии параллельно с увеличением использования гидроэнергии и других возобновляемых источников энергии.
Первым приоритетом в развитии энергетики России является использование возобновляемых источников энергии. Доля возобновляемой энергетики на российском рынке на сегодняшний день составляет 0,7%. Хотя в Концепции энергетической стратегии России до 2030 года [4] ясно прописаны все плюсы использования альтернативных источников энергии: «Неистощаемость и экологическая чистота этих ресурсов обусловливают необходимость их интенсивного использования. По имеющимся оценкам, технический потенциал возобновляемых источников энергии в 5 раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России. Экономический потенциал составляет 25% от годового внутреннего потребления энергоресурсов в стране. Согласно стратегическому плану энергетического развития, доля возобновляемых ресурсов к 2030 году будет составлять около 7,3%».
В России сооружение электростанций, работающих на альтернативных видах энергии, носит пока лишь экспериментальный характер, и такие примеры крайне малочисленны. Среди самых известных проектов — приливная электростанция на берегу Баренцева моря, комплекс геотермальных станций на Камчатке и недавно построенные ветряные генераторы в Калининградской области — единственная крупная отечественная ветряная сеть.
Вторым важнейшим приоритетом развития энергетического комплекса России является переориентация в традиционных источниках минерального сырья с нефти и газа на уголь. В России сосредоточено 5,5% мировых запасов угля, что составляет более 200 млрд
тонн [3]. Комплексная переработка угля позволит наиболее эффективно использовать его энергетическую ценность, а также поможет в решении главного относительного недостатка угольной промышленности — загрязнение окружающей среды.
В современной ситуации объективно неизбежен переход на новую стратегию развития топливно-энергетического комплекса России — с переходом от нефтегазового баланса (доля нефти и газа в общем балансе топливно-энергетического комплекса ныне достигла уже 80%) к газоугольной стратегии. Необходима гармонизация существенно деформированного на сегодня, однобокого топливно-энергетического баланса страны путем значительного, хотя и постепенного, повышения в нем доли угля в дальней перспективе до 18—20%, при увеличении абсолютных объемов его добычи с 249 млн тонн в 1999 году до 450—550 млн тонн уже к 2020—2030 годами. Интенсификации развития угольной промышленности в ближней и дальней перспективе способствуют три очень важных обстоятельства:
1) наличие (в отличие от современной газодобывающей отрасли) огромных запасов высокорентабельных, с благоприятными условиями разработки крупных запасов высококачественных энергетических углей;
2) существенно более низкие, по сравнению с газовой промышленностью, потребные удельные инвестиции на создание новых производственных мощностей;
3) экономическая целесообразность увеличения поставок природного газа в химическую промышленность для производства высокоценной продукции для нужд населения и на экспорт с соответствующим сокращением его использования в крупной энергетике.
Переход к газоугольному энергохозяйству в настоящее время объективно закономерен. В течение восьми десятилетий в России, по официальной статистике, сменились следующие энергетические уклады: в 1913—1965 годы был период угля (последний занимал в балансе от 48 до 66%), затем в 1965—1985 годы — период нефти (соответственно 36—56%), после чего наступила эпоха газа (36—50%). Двадцать первый век должен стать периодом угля и газа [5].
В настоящее время и последующие периоды развития экономики основу топливного и сырьевого балансов России будут составлять органические виды топлива, среди которых значительная роль отводится каменным углям как наиболее распространенным видам горючих ископаемых, а угольная промышленность была и останется ведущей отраслью материального производства. Она способна и в дальнейшем решать задачи в области обеспечения страны энер-
гетическим топливом и технологическим сырьем в необходимых объемах. Концепция развития угольной электроэнергетики должна заключаться в обеспечении комплексного использования твердого топлива, включая не только органическую, но и всю минеральную часть.
Всем без исключения применяемым до настоящего времени в мировой практике традиционным технологиям сжигания твердого топлива, включая так называемые передовые технологии с кипящим, циркулирующим и другими способами сжигания угля, несмотря на их разнообразие и внешние технологические отличия, сопутствует накопление миллионов тонн выбросов в виде породы, шлама, золы и шлака. После добычи угля в шахте и подачи на поверхность, часть его «негорючей» (минеральной) массы складируется в терриконах (до 30%), а остальной уголь направляется на обогатительные фабрики. И только после обогащения и удаления шлама (15%) попадает на электростанцию, что составляет около 50% по массе добытого на шахте первичного продукта. В процессе сжигания на золошлакоотвалах электростанций производится захоронение еще около 20% минеральной части твердого топлива. Таким образом, все без исключения существующие угольные технологии сжигания твердого топлива, основанные на принципе одноцелево-го использования угля, оснащаются специальными дорогостоящими системами, обеспечивающими «очистку» угля от минеральной составляющей, и, как следствие, им присущи существенные недостатки, заключающиеся в:
• потребности предварительного обогащения углей с выделением дополнительных существенных инвестиций в угледобывающую отрасль;
• необходимости установки дорогостоящих и громоздких систем топливо- и пылеприготовления и пылеподачи;
• обязательности устройства громоздких мест захоронения миллионов тонн твердых, илистых и жидких отходов, то есть организация системы золошлакоудаления и строительства зо-лошлакоотвалов;
• потребности строительства дорогостоящих систем очистки уходящих газов от пыли, оксидов серы и азота.
Использование ресурсосберегающей технологии переработки золы и шлака твердых топлив на основе использования наномоди-фикаторов позволит обеспечить полную переработку в товарную продукцию любой горной массы, включая породу, шламы и отвалы; нивелировать воздействие производства на окружающую среду; получить высококачественные изделия и стройматериалы для промышленности и хозяйственных целей.
Многоцелевое полное использование угля предполагает переработку всей его массы в различные виды товарной продукции: генераторный газ, электрическую и тепловую энергию, полиметаллы, шлакоситалл, шлакощебень, шлаковату и другую строительную и народнохозяйственную продукцию. Это делает производство безотходным и значительно повышает эффективность использования угля и его конкурентоспособность в электроэнергетике.
Преимуществами этой технологии по сравнению с пылеуголь-ным сжиганием угля являются:
• эффективное сжигание широкой гаммы низкосортных топ-лив — от высокосернистых бурых углей до нефтяного кокса;
• обеспечение низких выбросов оксида азота за счет низкотемпературного сжигания и ступенчатого подвода воздуха и высокая (более 90%) степень связывания оксидов серы при вводе в топочную камеру известняка, вследствие чего не требуется оснащение электростанций системами азото- и сероочистки;
• отсутствие подсветки мазутом вплоть до нагрузки 30% от номинальной;
• хорошие маневренные характеристики при остановах на ночь или выходные дни;
• отсутствие шлакования в топочной камере благодаря низкотемпературному сжиганию.
Средством дополнительного повышения эффективности использования твердых топлив явится утилизация отходов сжигания угля в более дефицитную продукцию. Твердые отходы теплоэлектростанций достигают 30%. Зола и шлак с использованием физического тепла шлакоудаления могут перерабатываться в шлакоситаллы, шлаковату, шлакощебень.
Существует ряд примеров переработки и использования золы и шлаков в России. На заводе ЗАО «АФИНА» (г. Челябинск) организовано производство силикатного кирпича, для изготовления которого в качестве основного сырья используется зола Челябинской ТЭЦ-2 (до 80% объема материала кирпича). Теплоизоляционные свойства по сравнению с обычным силикатным кирпичом улучшаются более чем в 2 раза.
В НИИ экологии проблем энергетики (г. Ростов-на-Дону) разработана и функционирует опытно-промышленная установка для производства шлакощебня и керамической плитки — так называемая технология каменного литья. В области требуется для строительства автомобильной дороги до 300 тысяч тонн шлакощебня, который по своим характеристикам качественнее природного материала.
Тольяттинская ТЭЦ производит из золошлаковых отходов пористый заполнитель — шлакозит. Шлакозит нашел применение как
футеровочный материал для ремонта котельных установок взамен шамотного огнеупора. В энергетической отрасли есть потребность в таких огнеупорах. Также ТЭЦ получен кислотоупорный порошок, изготовленный из шлаков, который находит применение в качестве наполнителя в составе кислотоупорной замазки, кислотоупорного бетона при производстве футеровочных работ по защите аппаратов и сооружений от воздействия серной и соляной кислот.
Рассмотрим подробнее ситуацию с переработкой угля в Восточном Донбассе. Это один из крупнейших и старейших в стране районов угледобычи — расположен на территории Ростовской области. Монопольное положение на юге России, близость к рынкам сбыта потенциально определяет его как один из основных источников энергетических ресурсов региона.
Ресурсная база угольной отрасли региона весьма значительна и составляет 24 234 млн тонн угольных запасов, из них: разведанных запасов — 6533 млн тонн (27%); предварительно оцененных запасов — 2989 млн тонн (12%); прогнозных ресурсов — 14 711 млн тонн (61%) [6].
Выявлено 10 перспективных участков с запасами 545 млн тонн угля для возможного освоения в современных экономических условиях. По действующему шахтному фонду Восточного Донбасса, запасы, целесообразные к отработке, составляют примерно 270 млн тонн. Таким образом, общий потенциал запасов достигает 815 млн тонн угля. Доля антрацита в общих запасах угля превышает 90%. По важнейшему качественному показателю — степени метаморфизма — они отнесены к суперантрацитам.
Угольная отрасль оказалась наиболее подверженой влиянию негативных процессов в экономике. Индекс промышленного производства по добыче угля в январе—сентябре 2009 года составил в Ростовской области 69%. За 9 месяцев донские компании добыли почти 3,7 млн тонн «черного золота», или на 1,6 млн тонн меньше, чем за аналогичный период прошлого года. Численность занятых в отрасли сократилась за это время почти на 2400 человек [6]. Ухудшение положения дел в отрасли объясняется целым рядом причин — от сокращения рынка сбыта и отсутствия у компаний оборотных средств до неэффективного управления угольными предприятиями.
Одноцелевое использование сырья настолько пагубно с экологической точки зрения, что сегодня уже пришла пора полностью пересмотреть все существующие в мире технологии, с учетом разработки абсолютно новых технологических процессов, обеспечивающих полную экологическую чистоту производства, без предварительной очистки или доочистки вакантных ресурсов, в первую очередь твердого топлива. Необходимо развивать многоцелевые технологии.
Именно они обеспечат одновременное использование вторичных ресурсов, таких как золошлаки.
Сегодня подчеркивается полезность новаторского в нашей стране производства стройматериалов из отходов энергетиков. На состоявшемся еще в октябре 2003 года в Ростове-на-Дону техсовете РАО ЕС были приведены расчеты, доказывавшие экономическую целесообразность совместного производства электроэнергии и стройматериалов. Себестоимость киловатт/часа, согласно произведенной на тот момент калькуляции, могла быть снижена с 0,52 до 0,15 копейки. В эти расчеты можно поверить, поскольку авторами проекта предлагалось использовать уже нагретые до температуры 1600— 1700 градусов первичные отходы непосредственно из котла станции. В этом шлаковом расплаве содержатся такие ценные компоненты, как алюминий, медь, железо и иные металлы. Данное производство могло бы выпускать как щебень, так и строительные блоки, причем, в зависимости от содержания в золе тех или иных металлических примесей, изделия оказывались бы окрашенными в разнообразные декоративные тона.
В Китае, испытывающем недостаток в нефти, получают бензин из угля. В автономном районе Внутренняя Монголия уже функционирует предприятие по переработке угля в жидкое топливо по технологии южноафриканской фирмы Sasol. Первая установка для получения жидкого топлива по процессу Фишера—Тропша была введена в строй компанией Sasol в 1956 году. Синтез ведется на кобальтовых и железных катализаторах при температуре около 200 °С. В дальнейшем в стране были введены в строй еще несколько усовершенствованных установок. В зависимости от условий процесса можно получать бензин или дизельное топливо. Sasol Limited — южноафриканская компания, занимающаяся добычей полезных ископаемых, энергетикой, химией и производством синтетических топлив. В частности, компания занимается производством дизельного топлива и сжиженного газа на основе синтеза Фишера—Топ-ша. Основные производственные мощности компании сосредоточены в городах Сасолбург и Секунда. Компания также имеет долю в реализуемых проектах в Катаре (Oryx GTL), Иране (Arya Polymers) и Нигерии (Escravos GTL) [7].
В настоящее время ведутся исследования о создании в Новочеркасске производства, основанного на процессах газификации угля с использованием высокоэнтальпийного водяного пара, получаемого за счет циркуляции части водорода через газогенератор. При синтезе жидких моторных топлив (ЖМТ) с использованием нового поколения наноструктурированных катализаторов (синтезатор Фишера—Тропша) происходит утилизация диоксида углерода и се-
росодержащих соединений с выделением генераторного газа. Таким образом, создается конкурентоспособная продукция (синтетический газ и синтетические моторные топлива, модифицированные твердые топлива и продукция на основе отходов переработки топ-лив) на базе нанотехнологии для ТЭС, котельных ЖКХ и целей народнохозяйственного потребления. Апробация технологии в рамках комплексной опытно-промышленной установки и внедрение научно-технической разработки, при взаимодействии с инновационными компаниями, фактически охватывает реализацию двух основных направлений: во-первых, индустрия наносистем и материалов; во-вторых, энергетика и энергосбережение.
Предлагаемая технология позволяет исключить негативные свойства золы, повысить ее качество и организовать производство дефицитного сырья для многих видов промышленности. Это достигается путем использования ряда наноматериалов в технологической цепочке получения продукта из золошлаковых отходов (шлако-ситаллы, шлакощебень, вяжущие вещества). Наиболее дефицитная продукция — шлакоситалл, имеет плотность не менее 2600 кг/м3, прочность на сжатие не более 440 МПа.
Новые возможности позволяют отказаться полностью или частично от «подсветки» топлива в котлах теплоэлектростанций, снизить расходы топлива и уменьшить вредные выбросы электростанций, не меняя традиционной конструкции котла. Промышленное масштабирование технологии наномодификации топлив позволит существенно повысить коэффициент полезного действия теплоэлектростанций, что явится прорывом в практической теплоэнергетике.
Проект будет способствовать достижению следующих народнохозяйственных и отраслевых целей:
• обеспечение наномодифицированным твердым, газообразным топливом — генераторным газом как заменителем природного газа, полученного из более дешевого твердого топлива (цена твердого топлива в два раза меньше цены эквивалентного количества природного газа). Капитальные затраты на промышленную установку переработки твердого топлива в природный газ и синтетические моторные топлива компенсируются снижением эксплуатационных затрат;
• повышение технического уровня и значимости специального оборудования по переработке твердого топлива, сравнимого с уровнем переработки нефти.
Реализация проекта имеет и социально-экономическую значимость, будет способствовать:
• снижению затрат на производство электроэнергии позволит сократить темпы роста цен не только на транспортные и ком-
мунальные услуги, но и на практически все товары народного потребления;
• появлению новых рабочих мест, что снижает социально-экономическую напряженность в стране;
• улучшению экологической обстановки как в районах переработки твердого топлива, так и в местах использования продукции переработки;
• повышению квалификации работников и специалистов по переработке твердых топлив.
В структуре платежей населения транспортные и коммунальные услуги вышли на первое место по их непопулярности. В 2010 году резко возросли тарифы жилищно-коммунального хозяйства. Более чем в тысячи муниципальных образований темп роста платежей граждан за коммунальные услуги превысил установленный на федеральном уровне 25-процентный предел. Отмечены случаи увеличения платежей на 30, 50 и даже 90%. [10] Постоянный рост цен на бензин и природный газ вызывает «особое» отношение простых граждан к энергетике. Данные по росту цен на бензин, по данным федеральной службы государственной статистики, представлены на рисунке 4 [11]. Реализация предлагаемого проекта будет способствовать снижению цен на топлива и затрат на производство электроэнергии, позволит сократить темпы роста цен не только на транспортные и коммунальные услуги, но и на практически все товары потребления.
2008 г 2009 г 2010 г
- ИПЦ -А- Бензин марки АИ-95 и выше - Дизельное топливо
-о- Бензин марки А-76 (АИ-80 и т.п.) -О- Бензин марки АИ-92 (АИ-93 и т.п.)
Рис. 4. Индекс потребительских цен на товары и услуги и изменение потребительских цен на бензин автомобильный и дизельное топливо [11]
Дополнительная социальная значимость проекта заключается в существенном улучшении экологической обстановки в районах расположения теплоэлектростанций. Например, только одна Новочеркасская ГРЭС выбрасывает в атмосферу вредных веществ больше, чем все остальные промышленные предприятия Ростовской области, вместе взятые. Наномодификация подготовки топлива позволит уменьшить концентрацию вредных веществ в составе топливной смеси и таким образом сократить их выбросы в атмосферу. Подготовка высококвалифицированных и высокооплачиваемых специалистов для работы в области топливной и тепловой энергетики позволит повысить и без того высокий уровень ее престижа.
Данная технология не имеет аналогов в России и соответствует мировому уровню. Известна принципиальная технологическая схема глубокой переработки углей любой спекаемости, высокозольных, в том числе отходов углеобогащения, в конечную углехимическую продукцию с высокотемпературной газификацией. Работы в направлении получения синтетических жидких топлив ведут ряд известных иностранных фирм: Shell, Texaco, Gulf Badger, Exxon-Mobil, Sasol, Mossgas, Amoco, Syntroleum, Haldor Torsoe, Lurgi, Ruhr-Chemie, Rentech, Intevep, Synergy, активные усилия предпринимаются в Японии, Италии, Новой Зеландии и других странах.
Примером окупаемого производства с технологиями глубокой переработки является электростанция, работающая на синтез-газе — продукте газификации смеси бурого угля и нефтяного кокса (средняя зольность — А = 20%) — г. Пуэртоллано, Испания, PRENFLO с парообразованием (PSG). Смесь угля и кокса (нефтяного) в отношении один к одному в количестве — 105 т/час подается на установку газификации — на блок дробления, помола, сушки смеси, то есть блок приготовления пылеугольного топлива (ПУТ, класса < 0,1 мм). Пылеугольное топливо транспортируется азотом к газификатору и винтовым дозатором подается в реактор колонны газификации вместе с кислородом и паром. В реакторе колонны ПУТ газифицируется при t ~ 1500—1800 °С — в синтез-газ (СО + Н2.) со степенью конверсии углерода до 99%. Синтез-газ неочищенный отдает тепло котлу-утилизатору, охлаждается, промывается под давлением водой в скруббере — промывателе, очищается от сернистых соединений диэтаноламином (ДЭА) на блоке десульфуризации, до содержания сернистых соединений в газе < 0,02 гр/м3. Чистая сера, произведенная по методу «Клауса», идет на продажу.
Очищенный синтез-газ под давлением ~20 ати сжигается в газовой турбине. Продукты горения, отдавая тепло, вращают ротор турбины, связанный с электрогенератором. Электрогенератор вырабатывает электроэнергию ~ 200 МВт/час. Тепло продуктов горения
после газовой турбины утилизируется на паровом котле-утилизаторе. Вырабатываемый пар вместе с паром, созданным при съеме тепла с колонны конверсии при газификации угля, подается на свой электрогенератор, вырабатывая ~ 117 МВт/ч электроэнергии. Всего электростанция (одна из крупнейших тепловых станций в Европе) вырабатывает 317,7 МВт/час электроэнергии. Установленная мощность 335 МВт.
Электростанция перерабатывает ~ 800,0 тысяч тонн смеси в год. Отходами производства являются шлак (гранулированный, оплавленный) и летучая зола.
Технологии и оборудование по патентам «Sasol-Lurgi» обладают рядом положительных эксплуатационных характеристик по сравнению с выше рассмотренной технологией PRENFLO — меньшее парокислородное потребление; более низкие температуры прохождения реакций дают меньшие энергозатраты, а в целом — и капитальные затраты.
Основные недостатки процесса Лурги: использование только сортированного угля (мелочь необходимо использовать в других процессах); наряду с газификацией происходит процесс пиролиза угля, продукты которого (смола, влага) уносятся с газом, что значительно удорожает очистку газа; состав газа и его соотношения СО/Н2 существенно зависят от уровня температуры.
В США разработана и готова к коммерциализации технология компактной газификации и оборудование для нее. В ее основе лежит газогенератор нового типа. Ведутся работы по созданию газогенератора мощностью 3000 тонн сырья в сутки (около 1 млн тонн в год), с размерами — диаметр 1 метр, высота 12 метров. Такие размеры позволяют снизить металлоемкость на 90%, капитальные вложения уменьшить на 50%, увеличить степень готовности до 99%, эффективность по холодному газу до 85%, степень конверсии по углероду составляет 99%. Газогенератор работает на измельченном угле.
В ГОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ)» проведена НИР, разработана и готова к реализации на опытно-промышленной установке технология модификации твердого топлива наноматериалами, способствующая улучшению качественных характеристик топлив для теплоэлектростанций. Содержание горючих летучих после обработки топлива по нанотехнологии увеличивается в 2 раза, но не превышает 10— 15% из условий взрывобезопасности. Созданный механизм позволяет смоделировать процесс горения модифицироанного твердого топлива и тем самым обеспечивать возможность регулирования его характеристик. В результате внедрения такой технологии топливные затраты на ТЭС уменьшатся на 10—15%.
Аналогами можно считать заводы по переработке нефтепродуктов в жидкие моторные топлива, газ бутан-пропан, мазуты и другие тяжелые углеводороды и смолы.
В настоящее время промышленная переработка твердых горючих ископаемых с целью получения моторных топлив и химических продуктов осуществляется в ограниченном объеме. В Германии (г. Цайц) методом прямой гидрогенизации перерабатывается примерно 0,5 млн тонн в год смолы полукоксования углей в компоненты моторных топлив, смазочные масла и парафин. В Эстонии жидкие продукты получают из смол газификации или пиролиза прибалтийских сланцев, а в России — из нефтепродуктов, но есть пример получения из смол полукоксования каменного угля Черем-ховского месторождения.
В ЮАР с 1983 года действуют три завода Sasol с суммарной производительностью около 33 млн тонн в год по углю или 4,5 млн тонн в год по моторным топливам. В основу технологии положена газификация угля по методу Лурги под давлением с последующим синтезом углеводородов по методу Фишера—Тропша. Из трех способов синтеза Фишера—Тропша (процесс во взвешенном слое порошкообразного катализатора по способу фирмы «Келлог», высокопроизводительный синтез на стационарном железном катализаторе по способу Рурхеми Лурги и жидкофазный синтез по способу Rheinpreuben—Koppers) только первый и частично второй, исходя из опыта работы промышленного предприятия в г. Сасолбурге (ЮАР), относительно благоприятны для получения значительных количеств моторных топлив.
Китай проводит широкомасштабные работы в области получения жидкого топлива гидрогенизацией углей. «Шеньхуа Групп», одна из крупнейших угольных компаний Китая, приобрела 80% акций Исследовательского центра по ожижению угля, стоимость которого составляет 12 млн долларов. Центр предназначен для разработки технологии переработки угля в дизельное топливо, бензин и другие нефтепродукты. Правительство КНР поддерживает создание технологии, которая может быстро увеличить поставки нефтепродуктов на внутренний рынок страны, если импорт нефти сократится или цены на нее возрастут. В настоящее время Китай является вторым после США импортером нефти. По прогнозам, в 2010 году Китай будет покрывать половину потребления нефти за счет импорта.
В Казахстане ведется строительство Приозерского экспериментального углехимического комплекса по переработке 65 тыс. тонн в год каражиринского угля в жидкое топливо и другие продукты топливного назначения. Разработка проекта осуществлена НИИ новых
химических технологий и материалов (г. Алматы), Институтом органического синтеза и глехимии (г. Караганда) и проектно-конструк-торским институтом ГНПОПЭ «Казмеханобр». Комплекс рассчитан на получение 9 тыс. тонн бензина, 16 тыс. тонн низкосернистого (S < 0,05%) дизельного топлива и 40 тыс. тонн угольных брикетов в год для отопления жилых домов.
Крупнейшая угольная компания Польши «Копальня Венгловы» приступила к разработке проекта завода по получению жидкого топлива и химических продуктов из угля. Стоимость строительства завода оценивается в 645 млн долларов. Пуск завода в эксплуатацию намечен на 2012 год, по проекту, 1 л бензина из угля будет стоить в два раза дешевле нынешних цен. Ежегодно завод будет перерабатывать 5 млн тонн угля.
Таким образом, в результате применения передовых нанотехно-логий комплексной переработки угля будет производиться три вида продуктов: синтез-газ, синтетические моторные топлива, материалы из золошлаков для строительной индустрии. Это приведет к целому ряду положительных результатов:
• обеспечение энергетической безопасности страны в средне- и долгосрочной перспективе;
• возрождение депрессивных районов Восточного Донбасса;
• улучшение экологии;
• наиболее эффективная переработка всего сырья, переработка всей его массы в различные виды товарной продукции: генераторный газ, электрическую и тепловую энергию, полиметаллы, шлакоситалл, шлакощебень, шлаковату и другую строительную и народнохозяйственную продукцию;
• создание новых рабочих мест;
• дополнительные налоговые поступления в бюджеты всех уровней;
• развитие смежных отраслей;
• развитие технологии, дальнейших научных изысканий, инновационного потенциала региона;
• обеспечение конкуренции традиционным поставщикам синтетических моторных топлив, газа для работы котельных, производств;
• обеспечение строительной индустрии высококачественными материалами и изделиями;
• научные разработки в нефтехимии.
Россия исторически развивалась экстенсивным путем, однако в условиях ХХ! века только интенсивный путь, то есть рациональные ресурсосберегающие экологичные технологии, обеспечат энергетическую базу для модернизации экономики страны.
Литература
1. Государственная корпорация «Российская корпорация нанотех-нологий» (РОСНАНО) [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.rusnano.com.
2. Марков А. Энергетическое пространство: реальность и прогнозы // Проблемы теории и практики управления. 2008. № 8.
3. Запасы угля в России [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.infprom.ru.
4. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.energystrategy.ru.
5. Малышев Ю.Н., Зыков В.М. Угольная промышленность России в XXI веке [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.rosteplo.ru.
6. Администрация Ростовской области [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.donland.ru.
7. Аналитический портал химической промышленности [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.newchemistry.ru.
8. Сенинский Н.А. Бензин из нефти и газа [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.svobodanews.ru.
9. Бирюков С.В. Геополитический потенциал развития энергетики России и проблемы ее энергобезопасности / Рос. акад. наук, Ин-т соц.-полит. исслед. М.: Компания Спутник+, 2002.
10. Тарифы ЖКХ: контроль вместо рынка [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.rostov-dom.info.ru.
11. Федеральная служба государственной статистики [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.gks.ru.
