CC BY
25
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 620.9:658.5
ПОТЕНЦИАЛ РОСТА ЭФФЕКТИВНОСТИ УГОЛЬНОЙ
ЭНЕРГЕТИКИ
Ю.Ф. Васючков, В.В. Мельник
Разработка альтернативных, более энергоэффективных, в том числе - энергосберегающих и экологически чистых технологий просто неизбежна, так как роль использования угля в энергетическом обеспечении экономики возрастает, энергетические потребности будут увеличиваться и соответственно будет повышаться экологическая нагрузка на окружающую среду.
Ключевые слова: уголь, электропотребление, энергетическое сырье, углеводородные энергоносители.
Уголь занимает важное место в энергетике, металлургии и бытовом секторе. Сейчас добычу угля осуществляют 50 стран мира, а потребляют уголь 70 стран. К 2030 г. мировое производства угля может возрасти до 7 млрд т, в том числе энергетических углей - 5,5 млрд т.
Добыча угля в России за 2015 г. составила 373,3 млн т. Подземным способом добыто 103,6 млн т угля. Удельный вес открытого способа в общей добыче составил 72,2 % [1]. Сейчас она занимает пятое место среди угледобывающих держав мира и третье место в международной торговле углем после Австралии и Индонезии (рис. 1). Страна также импортирует 22,9 млн т в год, в основном из Казахстана.
'РУКТУРА ДОБЫЧИ
СТРУКТУРА ЭКСПОРТА
5,1%
Австралия
6,3%
Индия,
7,35;
Китай, 372%
США, 17,5%
Индонезия
11,1%
Рис. 1. Доля России в производстве и экспорте угля
В связи с нарастающим дефицитом электроэнергии, выполнением экспортных обязательств России по поставкам газа, ограничением и квотированием поставок газа на электростанции России, прогнозируется ощутимое увеличение удельного веса добычи энергетического угля. Это намечено в утвержденной Правительством РФ «Программе перспективного развития электроэнергетики до 2030 г.» и в «Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики на период до 2020 г.» Согласно этим документам в 2020 г. спрос на электроэнергию может вырасти более чем в два раза и составить 2000 млрд кВт-ч (рис. 2) [2].
Прогноз потребления электроэнергии в России, млрд. кВт.ч
Минимальный вариант по 2000-2005 гг.
Вариант Минэнерго Рф, базовый
Максимальный вариант 2000
1198
2006
2010
2015
2020
Рис. 2. Динамика электропотребления в России
Цены на энергетическое сырьё имеют неуклонную тенденцию к росту (рис. 3).
рубУт у.т
+500
+ооо га» зооо ^эоо
1500 1000 500
2002 2003 2004 2005 2006
Рис. 3. Цены на энергетическое сырьё в России
Также растут затраты на нейтрализацию экологически вредного влияния разработки угольных месторождений на окружающую среду. Эти факторы требуют искать новые подходы к освоению этих месторождений с более высокой эффективностью использования сырьевых ресурсов и экологически чистыми технологиями.
Соотношение цен на газовое топливо и уголь играет важную роль в перспективах удовлетворения всё возрастающих потребностей в электроэнергии. По мнению экспертов порог, при котором угольные электростанции становятся конкурентоспособными с газовыми определяется соотношением цен газ/уголь, равным 1,35 - 1,8. Указанные особенности угольного топлива привели к тому, что газовое топливо уже длительное время вытесняет уголь с энергетического рынка (рис. 4) [2].
Указанный тренд усугубляется проблемами охраны окружающей среды в угольной отрасли. В частности, в Кузнецком угольном бассейне экологические риски являются главными на пути развития региона. По данным администрации в Кемеровской области на площади 96 тыс. кв. км уже размещается 5 тыс. промышленных объектов. Ежегодно в регионе образуется 1,8 млрд т промышленных и бытовых отходов, что составляет по-
-й-Газ —Мазут 4146
3666 ^
??ЙП 2178 /
2128
1243 1363
842 1048 1157
373 1056 1218 1 340
709
ловину отходов всей России, в том числе - 95 % их объема составляют вскрышные породы.
Рис. 4. Тренд удельного соотношения потребления углеводородных
энергоносителей в России
От работы шахт в этом регионе образовалось около 2 тыс. депрес-сионных воронок, из-за которых пересыхают колодцы, водозаборные скважины, исчезают малые реки и ручьи. Из 62 тыс. га нарушенных земель, требующих рекультивации, 57 тыс. га образовались от деятельности угольных предприятий. По доле таких земель Кузбасс опережает аналогичный показатель по России в 10 раз.
Продолжительность жизни в этом регионе составляет 55,3 года у мужчин и 69,4года у женщин. По мнению специалистов каждый миллион тонн прироста добычи увеличивает на 1 % показатель заболеваемости населения.
Предприятия угольной промышленности Кузбасса занимают первое место в регионе по выбросам загрязняющих веществ, в том числе 88 % метана в атмосферу. При этом еще и нарушается земной покров. Отвалы вышиной в 100 метров уже занимают 34,3 тысячи гектаров. Только в Кемеровском районе угольщики нарушили 53,4 тыс. га поверхностного слоя. По планам Ростехнадзора на восстановление почв потребуется не менее 25 лет. За все время добычи угля в Кузбассе общая площадь рекультивированных земель составила 21 тысячу га (из них лесная рекультивация - 14,3 тысячи га).
Традиционно угольная энергетика также страдает двумя серьезными ограничениями. Первое - необходимость нейтрализации золы, но ее можно утилизировать в дорожное строительство и стройматериалы, и так с ней поступают на Западе. Второе - снижение выбросов оксидов азота, ко-
торые выбрасываются больше, чем при сжигании газа. Однако, в мире эти вопросы решаются, и в России есть разработки, например, локальные технологии бесшахтной разработки угольных пластов с выработкой газового топлива [3], в которых очистка газов составляет примерно 30 % стоимости энергетического блока, а технологические мероприятия на трансформации угля в газовое топливо - 10 % его стоимости.
В последние годы при выработке электроэнергии в США получили развитие «чистые технологии» [4, 5, 6, 7]. Эти угольные технологии, помогут решить проблему выбросов парниковых газов, прежде всего, - углекислого газа. Развитие чистых технологий ведется по трём направлениям.
Первое направление - суперсверхкритические параметры сжигания пылеугольного топлива. Они уже хорошо проработаны, активно внедряются и сокращают выбросы углекислого газа примерно на 25 %.
Вторым развивающимся на Западе направлением является технология ЮСС (интегрированная газификация угля с выработкой электроэнергии в установках комбинированного цикла - ИГУКЦ). В таких генерирующих схемах углекислый газ и другие вредные выбросы удаляются на этапе газификации и/или после нее, а газ сжигается. Технология отработана на опытных станциях, но в промышленных масштабах её начали вводить только после 2010 г.
Третье направление - проработка возможностей улавливания и подземного хранения углекислого газа в геологических пустотах. Пока есть только упомянутый ранее американский проект 'ТиШгеОеп", опытные образцы еще не построены. Вошедшие в проект компании вместе с государством закончили строительство первой станции в 2012 г. Аналогичный проект существует в Европе, но раньше 2020 г. вряд ли эта технология будет внедрена в серийное производство оборудования.
В районах интенсивного промышленного производства состояние вод оценивается как катастрофическое, в других районах - как критическое. По мнению угледобытчиков, увеличение расходов на сохранение экологических норм поставит низкорентабельную отрасль на грань выживания.
В 2006г. коллегия областной администрации одобрила подготовленную Санкт-Петербургским горным институтом им. Плеханова оценку экологической обстановки в регионе. Согласно этой оценки негативное воздействие угольных предприятий на здоровье людей можно признать приемлемым только при добыче не более 10 млн. т угля в год на один район Кемеровской области. В настоящее время в ряде муниципальных образований региона (Новокузнецк и Новокузнецкий район, Беловский район, Междуреченск и Междуреченский район) этот показатель превышает 25 млн т.
Представленные данные убедительно подтверждают неизбежные и долговременные преимущества газового топлива над остальными видами в процессах электрогенерации. Эти данные позволяют сделать вывод о необходимости проведения научных исследований в области расширения возможностей энергетической базы как сырьевой, так и производства электроэнергии. Известно, что на угольных месторождениях в первую очередь разрабатываются угольные пласты с благоприятными горно-геологическими условиями. Но в большинстве угледобывающих бассейнах таких пластов остаётся всё меньше. Поэтому, важное значение приобретает разработка технологий отработки брошенных, потерянных, оставшихся в целиках запасов угля, а также весьма маломощных пластов.
Решением проблемы повышения энергетической и экологической эффективности традиционной углеэнергетики могут стать Локальные угле-газо-электрические комплексы (ЛУГЭК) или кластеры, позволяющие увеличить степень полезного использования энергии угля в 2-3 раза и обеспечивающие развитие элетроэнергетики на базе синтетического топлива, вырабатываемого из угля [7, 8, 9, 10]. Отличительными особенностями технологии ЛУГЭК является малооперационность, значительное сокращения объёма проведения горных выработок, выдача на поверхность чистой углеводородной продукции, оставляя минеральную составляющую в недрах, комплексное использование углеводородного сырья (уголь и угольный метан), выемка (разработка) угольного месторождения с минимальными потерями, включая весьма тонкие и тонкие пласты, а также нарушенные и выбросоопасные участки без присутствия людей под землей, получение синтетического газа с его использованием в газовых или парогазовых генерирующих установках, минимальные затраты на транспортировку топлива до генерирующих установок.
Заключение
Согласно инвестиционной программе РАО ЕЭС при реконструкции и строительстве новых угольных станций, рекомендуется внедрять крупные энергоблоки на суперсверхкритические параметры пара. В ближайшие 15-20 лет в мире большая часть вводов новых мощностей для крупных энергоблоков (от 400 МВт и выше) будет осуществляться на базе технологий традиционного пылеугольного факельного сжигания. Будут устанавливаться энергоблоки, рассчитанные на сверхкритические (давление 25 МПа и температура 565 °С) и суперсверхкритические (30 МПа и свыше 600 °С) параметры пара, причем последние обеспечивают повышение к.п.д. угольных станций с нынешних 34 - 36 % до 44 - 46 %. При мощности до 300 МВт рекомендуются котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС).
Однако, потенциальные возможности адаптации традиционной уг-ле-энергетической технологии недостаточны для коренного повышения энергоэффективности всего угле-энергетического цикла.
С точки зрения угольной энергетики большинство российских угольных ТЭС имеют физически и морально устаревшее оборудование, не соответствующий современному технологическому уровню КПД. 34-38 %, и высокий процент вредных выбросов. Необходимость повышения эффективности работы станций и ужесточение экологических норм требуют развития новой угольной генерации на базе современных технологий использования синтетического топлива из угля.
В этом отношении все российские угли, идущие на энергетику, можно разделить на три группы. Первая группа - это дешевые угли с низкой теплотворной способностью. Это, как правило, бурые угли, которые сжигаются на электростанциях, размещенных в местах добычи, а транспортируется уже электроэнергия. Практически все крупные мировые буро-угольные разрезы функционируют таким образом. Российский пример -разрез "Березовский" и Березовская ГРЭС, где уголь прямо конвейерами поставляется на электростанцию. Экономическая эффективность такой интеграции очень высокая. Эти угли обогащения не требуют.
Вторая группа - ценные каменные угли с высокой теплотворной способностью (выше 25 МДж/кг). Из них делается стандартное топливо, с которым оперирует весь мировой рынок.
Третья группа углей при использовании в традиционной технологии, как правило, требует обогащения, потому что природных каменных углей высокой калорийности становится все меньше и меньше. В процессе обогащения получается три продукта: концентрат с характеристиками, приближенными ко второй группе, так называемый "промпродукт", с зольностью выше 25 %, и шлам. Промпродукт получают не только из энергетических, но и из коксующихся углей и во всем мире его сжигают на месте. В России на него запроектирован ряд станций, сжигающих его с низким КПД и высокими выбросами твердых частиц, серных и азотистых соединений.
Таким образом, роль использования угля в энергетическом обеспечении экономики будет возрастать, энергетические потребности будут увеличиваться и соответственно будет повышаться экологическая нагрузка на окружающую среду. С неизбежным углублением горных работ эти проблемы будут обостряться и потребуют всё более возрастающих затрат. Поэтому разработка альтернативных, более энергоэффективных, в том числе - энергосберегающих и экологически чистых технологий просто неизбежна.
Список литературы
1. Таразанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь-февраль 2015 г. Уголь. 2016. № 3. С. 58-61.
2. Краснянский Г. Л. Современное состояние и перспективы инновационного развития угольной промышленности. //Интернет. www. «обзор угольной промышленности» 10.06. 2016.
3. Васючков Ю. Ф. Отработка угольных запасов бесшахтным способом с использованием подземного сжигания пласта и получением тепловой и/или электрической энергии непосредственно на горном предприятии // Сборник докладов конференции «Комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых». Новочеркасск. 1995. С. 28-32.
4. Rut. L.A. Department of Energy's. Program-Clean Energy Plants for XXI century. Mining Engineering, 2002, January. Pp.43-46
5. Stan Kaplan "Power Plants: Characteristics and Costs" Washington. CRS Report for Congress. 2008, November 13, pp. 97 (total volume 108 pp).
6. Clean Coal Technology Demonstration Program. US, Department of Energy (DOE), FE-0247P, 1992, February/
7. Clean Coal Technology Demonstration Program: Project Status . Report № DOE/FE- 0221. U.S. Department of Energy. June 1991, February 1991, March 1990, February 1989/
8. Васючков Ю.Ф., Воробьёв Б.М. Способ получения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или подземном углесжигании //Патент РФ № 2100588. М. 1997.
9. Васючков Ю.Ф., Воробьёв Б.М. Способ получения электроэнергии на основе скважинного метаноотсоса и газификации угля // Патент РФ № 2126891. М. 1999.
10. Быкова М.Ю. Метод повышения эффективности получения газового топлива в технологии ЛУГЭК //Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельные статьи. 2013. №11. С.1-8.
11. Быкова М.Ю. Методика экологической оценки локального угле-газоэлектрического комплекса// Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 11. С. 357-360.
Васючков Юрий Федорович, д-р техн. наук, проф., galina_stas@mail.ru, Россия, Москва, НИТУ «МИСиС»,
Мельник Владимир Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, gali-na_stas@mail.ru, Россия, Москва, НИТУ «МИСиС»
POTENTIAL OF DEVELOPING COAL ENERGY EFFICIENCY Yu.F. Vasyuchkov, V.V. Melnik 111
Creating alternative more energy efficiency and energy saving and environmentally clean technologies is inevitably because using coal at energetic providing economy grow. Energetic requirements will increase and environmental influence will grow too.
Key words: coal, electrical consumption, energetic raw material, hydrocarbon energy resource.
Vasyuchkov Yuryi Fedorovich, Doctor of Technical Science, Full Professor, gali-na_stas@mail.ru, Russia, Moscow, National Research Technological University "MISiS",
Melnik Vladimir Vasilievich, Doctor of Technical Science, Full Professor, Chief of a Department, galina_stas@mail.ru, Russia, Moscow, National Research Technological University "MISiS"
Reference
1. Tarazanov I.G. Itogi raboty ugol'noj promyshlennosti Rossii za janvar'-fevral' 2015 g. Ugol'. 2016. № 3. S. 58-61.
2. Krasnjanskij G. L. Sovremennoe sostojanie i perspektivy inno-vacionnogo razviti-ja ugol'noj promyshlennosti. //Internet. www. «obzor ugol'noj promyshlennosti» 10.06. 2016.
3. Vasjuchkov Ju. F. Otrabotka ugol'nyh zapasov besshahtnym spo-sobom s is-pol'zovaniem podzemnogo szhiganija plasta i polucheniem teplo-voj i/ili jelektricheskoj je-nergii neposredstvenno na gornom predprijatii // Sbornik dokladov konferencii «Kompleks-noe izuchenie i jekspluatacija mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh». Novocherkassk. 1995. S. 28-32.
4. Rut. L.A. Department of Energy's. Program-Clean Energy Plants for XXI century. Mining Engineering, 2002, January. Pp.43-46
5. Stan Kaplan "Power Plants: Characteristics and Costs" Washington. CRS Report for Congress. 2008, November 13, pp. 97 (total volume 108 pp).
6. Clean Coal Technology Demonstration Program. US, Department of Energy (DOE), FE-0247P, 1992, February/
7. Clean Coal Technology Demonstration Program: Project Status . Re-port № DOE/FE- 0221. U.S. Department of Energy. June 1991, February 1991, March 1990, February 1989/
8. Vasjuchkov Ju.F., Vorob'jov B.M. Sposob poluchenija jelektrojener-gii pri bes-shahtnoj uglegazifikacii i/ili podzemnom ugleszhiganii //Patent RF № 2100588. M. 1997.
9. Vasjuchkov Ju.F., Vorob'jov B.M. Sposob poluchenija jelektrojener-gii na osnove skvazhinnogo metanootsosa i gazifikacii uglja // Patent RF № 2126891. M. 1999.
10. Bykova M.Ju. Metod povyshenija jeffektivnosti poluchenija ga-zovogo topliva v tehnologii LUGJeK //Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. Otdel'nye stat'i. 2013. №11. S.1-8.
11. Bykova M.Ju. Metodika jekologicheskoj ocenki lokal'nogo ugle-gazojelektricheskogo kompleksa// Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2013. № 11. S. 357-360.
