Технико-экономическое исследование перевода теплофикационных котельных с природного газа и мазута на газ из угля Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------------ © М.В. Шумейко, 2008

УДК 662.74 М.В. Шумейко

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕВОДА ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ КОТЕЛЬНЫХ С ПРИРОДНОГО ГАЗА И МАЗУТА НА ГАЗ ИЗ УГЛЯ

Описан проект перевода котельных с природного газа и мазута на газ из угля , в основу которого положена концепция производства металлургического кокса с одновременным получением горючего газа, который будет использован для производства тепла и электрической энергии.

~П основу проекта положена тех-

X-# нология газификации угля в слоевых аппаратах. Отличительной особенностью технологии является экологическая безопасность и простота аппаратурного оформления. Главная его особенность заключается в том, что за счет использования «эффекта обратной тепловой волны» получаемый газ вообще не содержит смолистых веществ. Технология защищена патентами РФ и ЕАПО (Патент РФ № 2287011, Евразийский патент № 007798).

Газ производится с калорийностью 1000-1100 ккал/м3 (4,2-4,6 МДж/м3) и имеет температуру на выходе из аппарата около 350 °С. После аппарата газ направляется непосредственно в горелоч-ное устройство. При его сжигании в факеле достигается температура не менее 1000 °С. Газ сгорает совершенно без-

дымно и не требует очистки перед сжиганием, поскольку не содержит смолы.

В качестве исходного топлива для производства газа рекомендуется использовать дробленый уголь с калорийностью не менее 3000 ккал/кг (12,6 МДж/кг) и с размером частиц от 3 до 50 мм.

Оборудование изготавливается в виде независимого блока газификации угля, который размещается в непосредст-вен6ной близости или на некотором удалении (до нескольких километров) от места сжигания. Мощность блока газификации может составлять 1-100 Гкал/час (до 120 МВт) или в пересчете на уголь от сотен килограммов до десятков тонн в час. Удельные затраты зависят от индивидуальных условий использования блока газификации и составля-

Наименование показателя Единица измерения Уголь 2Б ОР = 3700ккал/ кг Уголь Д ОР = 5400ккал/ кг

Потребление угля т/год 72 000 49 400

Выход недожога т/год 6 480 7 410

Выход горючего газа нм3/т угля 2 600 3 800

Теплота сгорания газа ккал/ нм3 1 000 1 050

Численность промышленно-производственного и административно- чел. 25 25

управленческого персонала Инвестируемый капитал млн. руб. 211,6 215,8

ют примерно 70-120 ИББ/кВт установленной мощности.

Недожог. Является побочным продуктом газификации угля. Его выход ~90 кг на 1 т загружаемого угля. Теплота сгорания недожога - 400 ккал/кг. Зольность - 95 %. Недожог может использоваться как добавка в производстве кирпичей и т. д.

ТЭИ разработано для двух видов угля:

- канско-ачинский уголь марки 2Б с ОР = 3700ккал/ кг

- кузнецкий уголь марки Д с ОР = 5400ккал/ кг

Цены на энергоносители приняты на основе публикуемых внутренних цен.

Вследствие низкой скорости фильтрации нет выноса летучей золы и пыли, газификатор работает как зернистый фильтр. Горючий газ без очистки пригоден для сжигания в газовой турбине или котле.

Поэтому объем товарной продукции определяется как произведение объема потребления угля на цену по маркам.

Объем производства генераторного газа принимается одинаково.

Уровень технологии при использовании угля марки 2Б

288 • 105•288• 105 25 • 211,6 • 106 =

= 11,52 • 105 • 1,361 • 10-1 = 1,56787 Уровень технологии при использовании угля марки Д

494 • 9•104•494•9• 104 25 • 215,8 • 106 =

4446 • 104•4446•104 = 25 • 215,8 • 106 =

4446 • 108 2060 82 4

= 25 • 215,8 • 106 = 25 = ,

В исследовании расчет эффективности перевода котельных с природного газа и мазута на газ из угля (генераторный газ) выполнен с использованием угля переработки объемов потребляемого угля по мощам 2Б и Д (раздельно) и цен на эти угли, поскольку цены на генераторный газ не приводятся, так как пока рекомендуемый проект не реализован и рыночные цены на него неизвестны. Поэтому использованы результаты расчета себестоимости углей (по маркам) и эффективности их использования.

При цене природного газа ~50 долл. США/тыс. м3 (средняя цена в настоящее время на внутреннем рынке) перевод газовых котельных на газ из угля не эффективен, т. к. себестоимость газа из уг-

ля в пересчет на энергетический эквивалент выше, чем природного газа.

При планируемом повышении цен природного газа до уровня мировой (за вычетом трафика она составит 160-180 долл.США/тыс. м3) перевод газовых котельных на гази из гуля будет эффективен при уровне цен с доставкой:

- угля 2Б - 690 руб/т при цене природного газа 160 дол. США/тыс. м3;

- 820 руб. При цене природного газа 180 дол.США/тыс. м3;

- угля Д - 1050 руб/т при цене природного газа 160 дол.США/тыс. м3;

- 1250 руб/т при цене природного газа 180 дол.США/тыс. м3;

- 1250 руб. при цене природного газа 180 дол.США/тыс. м3.

При существующем уровне цен на топочный мазут (от 6000 руб/т) перевод мазутных котельных на газ из гуля эффективен даже при достаточно дальней транспортировке угля. Перевод при цене топочного мазута 6000 руб/т эффективен при уровне цен с доставкой

- угля 2Б - 1060 руб/т;

- угля Д - 1480 руб/т.

Более высокому уровню технологии соответствует более высокий допустимый уровень себестоимости производства газа из угля.

При этом необходимо отметить, что в целом уровень технологии при переводе теплофика угольных котельных с природного газа и мазута на газ из угля является недостаточным.

III. Производство среднетемпературного кокса, электрической и тепловой энергии из углей марки Д

В основу данного проекта положена концепция производства коксовой продукции с одновременным получением горючего газа многоцелевого использования (его доля в энергетическом балансе процесса составляет от 30 до 50 % в зависимости от типа угля) из дешевых

энергетических углей. В основу технологии положен процесс неполной газификации (окислительного пиролиза) угля на воз-душном дутье в режиме «Обратной тепловой волны», разработанной специалистами компании «Сибтермо» и защищенной патентами РФ и ЕАПО (Патент РФ № 2288937, Евразийский патент № 007799). Прототипом является промышленное предприятие, которое построено в г. Красноярске в 1996 г. (с 2001 года завод «Карбоника-Ф»).

Технологический процесс (серия процессов «Термококс») прост в аппаратурном оформлении, отличается низкими капитальными и эксплуатационными затратами, энергоэффективен и экологически безопасен.

Полученный среднетемпературный кокс по качеству превосходит известные отечественные и зарубежные аналоги и ориентирован на существующий емкий и стабильный рынок - черную металлургию: выпуск чугуна, стали, ферросплавов и рудных агломератов, а также быстрорастущий рынок продуктов природоохранного назначения - сорбентов. Продукт имеет высокий экспортный потенциал.

Генерируемая при сжигании газа энергия ориентирована на существующий рынок тепла электроэнергии на порядок ниже, чем в угольной котельной. При этом издержки на генерацию тепловой и электрической энергии при сжигании горючего газа покрываются высокой ценой на основной продукт -кокс, а тарифы на отпускаемую энергию существенно ниже по сравнению с традиционным сжиганием угля или природного газа.

В работе определены техникоэкономические показатели энерготехнологического комплекса. В исследовании рассматривается строительство энерготехнологического комплекса для произ-

водства среднетемпературного металлургического кокса из каменного угля, а также покрытия тепловых и электрических нагрузок объектов жилья и социальной сферы в г. Ленинск-Кузнецкий.

Потребности энерготехнологического комплекса в угле марки Д составят 600 тыс.т в год.

Мощность энерготехнологического комплекса по готовой продукции составляет:

- среднетемпературный кокс - 250 тыс. т в год;

- генераторный газ - 1,0565 млрд м3/год (1005 Гкал/год);

- отсев угля - 100 тыс. т в год.

Завод среднетемпературного кокса

является единственным промышленным производителем в СНГ. Годовая производительность завода по среднетемпературному коксу составляет 70 тыс. т. Основным сырьем является каменный уголь Моховского разреза. Отпускная цена (с НДС) завода среднетемпературного кокса - 143 дол/т.

Завод не в состоянии закрть сложившийся дефицит продукции. Потребность в среднетемпературном коксе для ферросплавных и электрометаллургических производств СНГ на сегодня оставляет до 1 млн т в год, в том числе:

- ОАО «Кужеукие ферросплавы» - 50 тыс. т;

- Серовский завод ферросплавов - 70 тыс. т;

- Челябинский электрометаллургический комбинат - 60 тыс. т;

- Никопольский ферросплавный завод - 120 тыс. т;

- Норильский ГМК - 80 тыс. т;

- Аксузский и Актюбинский ферросплавные заводы - 150 тыс. т;

- Темиртаузский ХМЗ - 50 тыс. т;

и другие.

В качестве неполноценного заменителя на ферросплавных заводах исполь-

зуется кокс марки КО (коксовый орех), который не соответствует требованиям производств по электропроводности и реакционной способности и цена на который составляют порядка 200 дол. США/т.

Создание энерготехнологического комплекса мощностью 250 тыс. т среднетемпературного кокса в год обеспечит гарантированный сбыт продукции.

Энерготехнологический комплекс позволяет решить проблему централизованного теплоснабжения г. Ле-нинск-Кузнецкий, в котором мелкие угольные котельные создают неблагоприятную экологическую обстановку.

Положенная в основу проекта технология имеет принципиальные отличия от традиционной технологии среднетемпературного коксования и характеризуется полным отсутствием побочных вредных продуктов.

Получение кокса по технологии «Термококс» по сравнению с традиционной технологией в коксовых батареях, позволяет снизить удельные выбросы:

КОх - в 20 раз; БОх - в 4,5 раза; пыли

- в 1,5 раза; веществ 2-го класса опасности в 23 раза. Производственные сточные воды и вещества 1 класса опасности в технологии «Термококс» не образуются.

Удельные вредные выбросы при сжигании генераторного газа на порядок ниже, чем при сжигании угля, и сопоставимы с удельными выбросами котельной установки на природном газе. При этом производимый среднетемпературный кокс имеет значительное преимущество перед традиционным коксом по целому ряду показателей (зольность, содержание фосфора, РС, пористость, УЭС), характеризуется высокой термической стоимостью и удовлетворительной структурной прочностью.

В основу проекта положена концепция производства металлургического кокса с одновременным получением горючего газа, который будет использован для производства тепла и электрической энергии.

Наилучшим сырьем для производства среднетемпературного кокса являются низкозольные кузнецкие угли марок Д, ДГ и Г, добыча которых ведется в промышленном районе Белово - Ле-ниск-Кузнецкий. Срок исчерпания запасов углей значительно превышает срок эксплуатации энерготехнологического комплекса. В качестве сырья возможно использование угля марок ДКО (25-100 мм), ДПКО (25-300), ГО (25-50), ГКОМ (13-100), ДМ (13-25).

При разработке технолого-эконо-мического исследования исходным сырьем для получения кокса принят уголь марки Д с теплотой сгорания 6100 ккал/кг, из которой наработана опытная партия среднетемпературного кокса.

Плотность угля - 1,3 т/м3;

Насыпной вес угля - 0,8 т/м3.

Товарной продукцией энерготехнологического комплекса является среднетемпературный кокс СК с теплотой сгорания 6920 ккал/кг. Основное назначение продукции - использование среднетемпературного кокса в электротермических производствах, в т. ч. в ферросплавном.

Плотность кокса - 1,8 т/м3;

Насыпной вес кокса - 0,6 т/м3.

По заключению ФГУП «Кузнецкий центр ВУХИН» продукт по потребительским качествам превосходит известные аналоги.

Возможны следующие направления использования среднетемпературного кокса:

1. Электротермические производства ферросплавов, карбида кальция и фосфора;

2. Агломерация железных руд и руд цветных металлов;

3. Производство карбюризатора для науглероживания стали;

4. Пылевидное топливо в доменном производстве для вдувания в горн доменных печей;

5. Отощиющая добавка в коксохимическом производстве для производства доменного и литейного кокса;

6. Сорбент экологического назначения;

7. Производство коксобрикетов или

минеральных полушихт для металлургических производств с использованием топливно-восстановительно-го потен-

циала среднетемпературного кокса;

8. Бездымное топливо для коммунально-бытовых теплоэнергетических установок;

9. Газификация среднетемпературного кокса для получения синтез-газа.

Объем потребления по перечисленным направлениям использования среднетемпературного кокса оценивается в 5 млн. т в год. Продукт имеет высокий экспортный потенциал.

Производимый на энерготехнологическом комплексе генераторный газ предназначен для использования в качестве топлива для производства тепла и электроэнергии на собственной газовой ТЭЦ.

Горючий газ имеет низкую теплоту сгорания Ор, ккал.

- сухой газ 852;

- влажный газ 777.

Температура газа, °С 350.

Отсев мелкого угля (фракция 0-10 мм) востребована на рынке как топливо.

Энерготехнологический комплекс представляет собой единый комплекс, который размещается на одной площадке. Комплекс включает:

- топливно-транспортный цех;

- цех производства кокса;

- газовую ТЭЦ;

- сооружения очистки ливневых сточных вод;

- сооружения инфраструктуры (сети водо-, тепло-, электроснабжения, автодорог).

Кокс получают в аппаратах (газификаторах) шахтного типа периодического действия методом слоевой газификации угля на воздушном дутье в режиме «обратной тепловой волны».

Для обеспечения газификаторов воздухом предусматривается отдельно стоя-щее здание, оснащенное газодувками.

Выход среднетемпературного кокса -

0,5 т/т угля, в том числе

- фракция - 0-10 мм - 80 %;

- фракция - 10-50 мм - 20 %.

Выход горючего газа - 2018 нм3/т угля

Теплота сгорания газа - 777 ккал/нм3

Годовое производство генераторного газа составляет 1056 млн м3/год.

В составе энерготехнологического комплекса предусматривается строительство газовой ТЭЦ мощностью 125 Гкал/г.

Доставки исходного угля и отправка готовой продукции (кокса и отсева угля) осуществляется вместимостью 60 т угля и 45 т кокса.

При этом поступает исходный уголь в количестве 600 000 т/год.

Отправляют:

- отсев угля 0-10 мм - 100 000 т/год;

- кокс среднетемпературный фракции 10-50 мм - 200 000 т/год;

- кокс среднетемпературный фракции 0-10 мм - 50 000 т/год.

Технолого-экономическое исследование предусматривает строительство собственной ТЭЦ с использованием в качестве топлива генераторного газа собственного производства.

Сменный промышленно-произ-

водственный персонал предприятия составляет 150 человек.

Электрическая энергия потребителям 355 млн кВт - г/год.

Тепловая энергия потребителем 625 тыс. Гкал/год.

Стоимость товарной продукции

1. Отсев угольной мелочи (0+5 мм) -418,9 руб/т

при количестве отсева - 100 000 т/год всего

100 000418,9 = 41 890 000 руб.

2. Среднетемпературный кокс фракции +10

4273,1 р/т-200000 т=854620000 руб.

3. Среднетемпературный кокс фракции (-10) 94 260 000 руб.

4. Электроэнергия

330 000 000 1,00 = 330 000 000 руб.

5. Тепловая энергия

625 000450 = 281 250 000 руб.

Итого: 1 602 020 000 руб.

Уровень технологии 1602020000•1602020000 150•1951917000 =

0.82 • 1602020000 = 150 =

1314844883=8765632

150

IV. Технико-экономическое исследование производства коксобрикетов на основе полукокса из канско-ачинских углей

Технико-экономическое исследование создания энерготехнологических комплексов мощностью 412 тыс. кок-собрикетов (формованного топлива) в год разрабатывается для оценки экономической целесообразности их производства для нужд металлургии и ЖКХ. Технико-экономическое исследование включает основные техниче-

ские решения, обосновывающие выбор оборудования и влияющие на определение сметной стоимости строительства и основные технико-экономические показатели.

Технология производства полукокса защищена патентами РФ и ЕАПО (Патент РФ № 2285135, Евразийский патент № 007801) и отработана на уровне типового котла КВТСВ-20 (мощностью 20 Гкал/час) котельной разреза «Березовский-1».

Численность промышленно-произ-

водственного персонала - 500 человек. Потребление угля 2Б - 1330 т/год Потребление связующего -

82 тыс. т в год.

Производство брикетов -

412 тыс. т в год. Отработка электроэнергии -

824 млн. кВт-2.

Полезный отпуск тепла -

930 000 Гкал/год.

Расчеты выполнены в рублях в ценах и тарифах на 01.08.2007. уголь 2Б, Ор = 3700 ккал/кг

220 руб.

связующее (жидкое стекло)

3500 руб./т 1 Гкал 700 руб.

1 кВт-2 1 руб.

стоимость брикетов 3000 руб/т инвестируемый капитал

3 632 646 тыс. руб.

Объем реализации брикетов в стоимостном выражении - 1236 млн руб/год (цена брикетов - 3000 руб/т).

Брикетирование продукта из угля можно разделить условно на три класса:

- формованный кокс (выход летучих веществ 3-15 %);

- бездымное бытовое топливо (выход летучих веществ <20 %);

- рядовые брикеты (выход летучих веществ >20 %).

Формованный кокс (брикетированный и гранулированный) имеет пониженную по сравнению с классическим коксом, прочность и не при-меняется для доменных процессов. Формованный кокс используется как бытовое топливо и заменитель кокса в технологических процессах, где нет жестких требований по прочности:

- в литейном производстве;

- в электротермических процессах -производство ферросплавов, карбидок-ремния и кальция;

- в агломерационных процессах;

- как технологическое топливо в цветной металлургии.

Бытовое бездымное топливо получило широкое распространение в Великобритании после принятия в 1956 году «Закона о чистом воздухе», а затем в других развитых странах. В Англии производится более 30 видов бездымного бытового топлива, отличающегося составом сырья (используют антрацит, каменные угли, коксовую мелочь, полукокс) и способом производства.

Производство бытовых брикетов в развитых странах прекращено по экономическим причинам. В Восточной Европе и развивающихся странах с 90-х годов выпуск этого вида топлива уменьшается.

Все известные и апробированные методы брикетирования мелкозернистого полукокса (кокса) по температурному признаку можно подразделить на методы «горячего» и «холодного» брикетирования.

Сущность метода горячего брикетирования сводится к брикетированию смеси, состоящей примерно на 75 % из горячего полукокса (1 =750 °С) и 25 % из спекающегося угля, переходящего в контакте с полукоксом в пластическое состояние и обеспечивающего требуемые реологические характеристики сме-

си при ее брикетировании при температуре 400-500 °С (например, с помощью вальцевого пресса). Полученные брикеты рекомендуется подвергать дополнительной термообработке при температуре 750-850 °С.

Технология так называемого «холодного» брикетирования достаточно широко распространена в различных странах и применяется для получения брикетов различного назначения из углей и угольных шламов, коксов и полукоксов, пылеватых руд, пылей и шламов газоочистных установок и т. д. Все работающие в настоящее время в различных странах (Германия, Франция, Япония, Индонезия, Россия, Украина и т. д.) брикетные фабрики, получающие топливные брикеты из коксовой мелочи, каменных и бурых углей, базируются исключительно на технологии «холодного» брикетирования.

Суть технологии «холодного» брикетирования углей, а также полученных из них полукоксов, сводится к сжатию их смеси с жидкими, пластично-вязкими или расплавленными связующими при давлении 25-100 МПа и температуре 25150 °С с использованием прессов различных конструкций. Полученные брикеты могут использоваться как без дальнейшей обработки (топливные брикеты), так и после дополнительной тер-мокислительной или термической обработки (технологические брикеты).

На основании критического анализа технологических процессов Брикетирования мелкозернистого кокса и полукокса отдано предпочтение методам холодного их брикетирования со связующими как более простым и подготовленным к промышленному внедрению.

В данном технико-экономическом исследовании рассматривается малоопе-

рационная технология «холодного» брикетирования буроугольного полукокса (БПК) с использованием водорастворимых связующих (лично сульфанаты жидкого стекла и мелассы), отличающихся от классической технологии брикетирования на углеводородных связующих (пек, нефтебиту) простотой и меньшими энергозатратами.

Стоимость товарной продукции энерготехнологического комплекса.

Для брикетов со связующим на жидком стекле

Объем производства брикетов

412 000 т/год Стоимость брикетов 3000 руб/т

Итого добавка к товарной продукции 412 000^000 = 1 236 000 000 руб.

(300^0,7 + 890^0,3)0,85 + 3500Ю,15=

= 930 руб./т

412 000 т/год ^930 руб/т =

=383 160 000 руб.

Отпуск электроэнергии 824 000 000 кВт-2 • 1 руб./кВт-2 =

=824 000 000 руб.

Полезный отпуск тепла 930 000 Гкал/год • 700 руб./Гкал =

=651 000 000

383 160 000 + 824 000 000 + 651 000 000 = 5 784 180 000 руб. - стоимость товарной продукции Инвестируемый капитал

1 858 160 000

Уровень технологии 1858160000*1858160000 500*6632646000 “

1858160000*0,51 “ 500 “

947661600

500

=1895323

и:и=1

— Коротко об авторе -------------------------------------------------------------------

Шумейко М. В. - кандидат экономических наук, директор представительства в странах СНГ компании «Continental contitech.

Рецензент д-р техн. наук, проф. Ю.А. Чернегов.