CC BY
53
© Л. А. Пучков, Б. М. Воробьев, Ю.Ф. Васючков, 2006
УДК 622.333.6:658.26
Л.А. Пучков, Б.М. Воробьев, Ю. Ф. Васючков
XXI СТОЛЕТИЕ - ВЕК ВОДОРОДА.
СВЕРХЧИСТЫЙ ВОДОРОДНЫЙ УГЛЕЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
Семинар № 11
Энергия - это главнейший фактор устойчивого развития нашей цивилизации.
Современные способы производства и использования энергии не отвечают ни экономическим, ни социальным, ни экологическим требованиям. Рост народонаселения и непрерывно возрастающий спрос на энергию во всех её видах при неуклонном повышении её стоимости, возрастающая озабоченность мирового сообщества глобальными экологическими последствиями - изменением климата на земле.
Существующие способы производства и использования энергии все более входят в противоречие с требованиями устойчивого развития, более того они могут привести к глобальному экономическому и экологическому колапсу нашей цивилизации. Темпы роста энергетической потребности - спроса в настоящее время превышают темпы роста народонаселения в глобальном масштабе. Если мировое потребление энергии в 1990 г. составляло около 400 эксаджоулей, то к 2050 г. оно возрастет до 500-1000 эксаджоулей [1].
Вступив в новое столетие, человечество вполне отчетливо осознает возникшую реально ощутимую потребность - коренного изменения глобальной системы энергообеспечения. Коренное изменение глобальной энергосистемы - это архи сложный, весьма дорогостоящий и длительный процесс, требующий совместных и скоординированных усилий правительств, бизнеса и общественности. Проблема заклю-
чается в том, чтобы найти принципиально новые способы производства и использования энергии - как инструмента, обеспечивающего устойчивое развитие мирово-вой цивилизации. Встает необходимость разработки и внедрения в практику принципиально новых технологий, обеспечивающих экономически и экологические, а также социально приемлемые способы снабжения энергией и её использования.
В настоящее время на горючие полезные ископаемые приходится почти 80 % мирового потребления всех первичных источников энергии, причем доля нефти составляет 35,3 %, природного газа 21,1 %, атомной энергии 6,5 % и угля 23,1 % [1]. Глобальные ресурсы угля в 5 раз превышают ресурсы нефти и газа вместе взятых [15]. Не случайно уголь называют “ограниченным ресурсным изобилием”, в том смысле, что добыча и использование его как первичного энергоносителя при существующих технологиях имеют определенные ограничения экономического, экологического и социального характера. Переход на “чистые угольные технологии” позволит существенно снизить или даже полностью устранить экономические и экологические ограничения на использование угля в большой энергетике.” Одним из наиболее перспективных направлений является Углегазификация и создание на её основе Угольно-водородной энергетики.
Сущность водородных технологий в углеэнергетике заключается в том, что химическая энергия углерода, заключен-
Эволюция технологии угледобывающего и энергогенерирующего производства на базе угля
Период и состояние Этапы развития угледобывающих и энергогенерирующих систем
2050 - 2100 гг. Концептуальные проработки отдельных элементов углеэнергетических систем Интегрированные углеэнергетические предприятия на водородном топливе. Безлюдная, бесшахтная эксплуатация угле-метановых месторождений, получение водорода из генераторного газа и углеме-тана, водородные паро-газотурбинные установки двойного пароводородного цикла с нулевыми выбросами парниковых газов в атмосферу. Общий КПД =0.6-0,7 (1У-е поколение )
2025 - 2050 гг. Концептуальные проработки Интегрированные углеэнергетические комплексы ; подземная газификация угля и метаноотсос с генерированием электроэнергии на парогазотурбинных установках комбинированного цикла с минимальными выбросами БО, и ЫОч . Общий КПД = 0,4-0,55. ( Ш-е поколение).
2000 - 2025 гг. Демонстрационные полупромышленные установки Интегрированные углеэнергетические комплексы ; традиционная технология добычи угля и внутрицикловая газификация угля с генерированием электроэнергии на парогазотурбинных установках комбинированного цикла с использованием в качестве топлива генераторного газа; минимальные выбросы БОх и ЫОч ; общий КПД = 0,4-0,55.( 11-е поколение ).
1950 - 2000 гг. Ограниченное промышленное распространение Шахтная/карьерная добыча угля; пришахтные/прикарьерные электростанции с прямым сжиганием угля и генерированием электроэнергии паротурбогенераторами. Общий КПД = 0,3-0,35. (1-е поколение).
1950 - 2000 гг. Широкое промышленное распространение Шахтная/карьерная добыча угля. Прямое сжигание угля на пылеугольных электростанциях или сжигание угля в кипящем слое. Паротурбинные электрогенераторы с выбросами БОх , ЫОч и СО2. Общий КПД = 0,3-0,35. (1-е поколение ).
ная в угле переносится на водород, который и используется в качестве конечного топлива для выработки электроэнергии (турбогазопарогенераторами или химическими элементами). В этом случае уголь не подвергается прямому сжиганию, а сначала газифицируется, после чего из генераторного газа вырабатывается водород, который и используется как конечное топливо. Такое конверсионное двухстадийное преобразование угля: уголь - генераторный газ - водород- электричество позволяет создавать высокоэффективные углеэнергетические системы с нулевыми или близкими к ним выбросами парниковых газов в атмосферу. Относительная сравнительная стоимость получения водорода из природного газа, нефти и угля находится в соотношении:
Природный газ.....400 %;
Нефть..............300 %;
Уголь..............100 %.
Таким образом, наиболее дешевым сырьем для получения водорода является уголь [2]. Получение водорода из воды электролитическим методом оказывается вообще экономически неэф-фективным.
Эволюция технологии угледобывающего и энергогенерирующего производства на базе угля
Эволюцию технологии углеэнергетического производства прошлого и текущего столетия схематически можно представить в следующем виде (см. таблицу). Новейшие технологии электрогенерирования на базе угля - “Чистые угольные технологии” характеризуются минимальными выбросами парниковых газов в атмосферу, а водородные технологии обеспечивают нулевые выбросы, включая пол-
ное улавливание углекислого газа СО2. Внедрение таких суперчистых энергетических систем позволит стабилизировать климат на земле путем устранения выбросов парниковых газов (Green House Gases) и превратить Землю в зеленую планету (Green House Planet).
При современных парогазотурбинных установках комбинированного цик-ла выбросы СО2 составляют только 40 % от выбросов углекислого газа при пылеугольных электростанциях, тогда как при применении водородных технологий эти выбросы становятся нулевыми.
На электростанциях III-го поколения на водородном угольном топливе водород, полученный из угля используется в качестве конечного топлива обеспечивая нулевые выбросы парниковых газов и высокую энергетическую эффективность при КПД, достигающим 0,6-0,7. Чистые угольные технологии (Технологии II-го поколения)
основываются на использовании в качестве топлива генераторного газа - продукта углегазификации. Традиционные технологии энергогенерирования основываются на прямом сжигании угля со значительными выбросами парниковых газов и с относительно низким КПД, не превышающим 0,35 (Технологии I-го поколения).
В развитии структуры угле-энерге-тических предприятий прослеживается определенная тенденция административной и технологической интеграции горного и электрогенерирующего производств. В настоящее время угледобывающие и энергогенерирующие предприятия связаны отношениями - “Поставщик - потребитель”. Прикарьерные/пришахтные угольные электростанции - это зачаток интегрированных углеэнергетических предприятий. Другое интеграционное направление это внутрицикловая углегази-фикация, при которой, доставленный на ТЭЦ уголь, не подвергается прямому сжиганию, а предварительно газифицируется и генераторный газ используется в качест-
ве конечного топлива в газовых турбогенераторах.
Прообразы углеэнергетических предприятий нового технологического уровня уже начинают создаваться, не только как демонстрационные, но и как полупромышленные комплексы. Примером может служить проект углеэнергетического предприятия, возводимого в штате Иллинойс (США). Здесь предполагается построить комплекс, состоящий из угольного карьера и прикарьерной электростанции мощностью 2400 МВт с углегазифи-кационной станцией (внутрицикловая газификация угля) с годовым потреблением 15 млн т угля в год. Синтетический генераторный газ подается на паро-газотур-бинные установки комбинированного цикла, генерирующие электроэнергию. Общая стоимость проекта 4,5 млрд долл. США [9].
Прогноз-концепт модель ультрачистой угольной теплоэлектростанции ХХ! века Vision 21 была разработана Министерством Энергетики США [10]. Это прообраз угольной теплоэлектростанция будущего с внутрицикловой газификацией угля и с парогазотурбинными установками комбинированного цикла в сочетании с электрохимическими генераторами (fuel cells) и высокой энергетической эффективностью с К.П.Д, достигающим 0,55-0,6.
Однако максимального экономического и экологического эффекта можно добиться только при глубокой и полной интеграции угледобывающего и энергопроизводящего производства. Основная идея этой концепции заключается в создании глубокоинтегрированного угледобывающего и энергопроизводящего предприятия в виде единой производственно -технологической системы с конечным продуктом - электроэнергией, которое бы было социо-безопасным и экологоэнергоэффективным [3, 4].
Характерными особенностями этой концепт-модели являются: 1. Скважинный, бесшахтный способ вскрытия и разработки без присутствия людей под зем-
лей (подземная газификация угля в массиве, скважинная гидродобыча угля, использование попутно извлекаемого углепластового метана); 2. Объединение угледобычи и генерирование электроэнергии в одно углеэнергетическое производство с получением конечного продукта - электричества; 3. Двухуровневая конверсия: уголь - генераторный газ - водород -электричество; 4. Генерирование электроэнергии по двум альтернативным технологиям: - с помощью паро-
газотурбинных установок комбинированного цикла, - или получение электроэнергии с помощью электрохимических генераторов (fuel cells).
Технология получения электроэнергии на угольных энергостанциях по схеме "уголь-газ-электричество" с применением паро-газотурбинных установок в сочетании с электрохимическими генераторами станет реальным уже через 10-15 лет, т.е. к 2015 г. Однако нетрадиционная скважинная технология добычи угля (подземная углегазификация в массиве и скважинная гидродобыча угля) могут быть доведены до промышленного внедрения, не ранее 2025 г при условии массированного финансирования таких научно-исследовательских и проектно-конструкторских разработок.
В долговременной перспективе исследования и НИОКР должны быть направлены на создание полностью интегрированных в технологическом и административно-организационном отношении угледобывающих и энергогенерирующих комплексов на водородном топливе с нулевыми выбросами парниковых газов в атмосферу, включая полное улавливание СО2. Одна из таких концептуальных схем с более усложненной полностью интегрированной структурой углеэнергетического комплекса при использовании водородно-
го топлива по циклу “Уголь - генераторный газ/метан - водород” рассматривается ниже [6].
Электроэнергетический комплекс подземной углегазификации и дренажом уг-леметана по двойному паро-водородному комбинированному циклу.
Принципиальная технологическая схема получения электроэнергии с использованием подземной углегазификации и дренажа углеметана по двойному пароводородному комбинированному циклу показана на на рис. 1.
Данная концептуальная модель может явиться основой для создания угле-газэлектрического комплеса для выработки электрической энергии на базе угля и углепластового метана. Способ может быть эффективно применен при эксплуатации каменноугольных и буроугольных месторождений при достаточно высокой метаноносности месторождений, превышающей 8-10 м 3/т.
Известные способы предусматривают подземную углегазификацию с парокислородным дутьем и дренаж метана, сжигание смеси генераторного газа и углепластового метана в качестве топлива в турбинных парогазогенераторах комбинированного цикла. Недостатки известных способов выработки электроэнергии на базе угля с использованием подземной газификации и дренажа метана:
- недостаточно эффективное выгазовы-вание угля из массива при использовании прямого паро-кислородного дутья (относительно невысокая теплотворная способность генераторного газа продукта подземной углегазификации);
- выбросы в атмосферу парниковых газов (БОХ, МОХ, СО2) - продуктов прямого сжигания смеси генераторного газа и углепластового метана.
2l3
паи <
атмосферу
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема получения электроэнергии с использованием подземной углегазификации и дренажа углеметана по двойному паро-водородному комбинированному циклу
Предлагаемый способ может применяться в широком диапазоне горногеологических условий и при любых типах углей:
• кондиционные и некондиционные пласты каменного и бурого угля;
• угольные пласты со средней и высокой газоносностью;
• пласты угля мощностью от 0,35 -0,40 м и выше (без ограничения);
• угли низкосернистые вплоть до высоко-сернистых углей;
• умеренная обводненность месторождений;
• угольные пласты, залегающие на глубине до 2000-2500 м;
• умеренная нарушенность месторождения, при минимальном количестве разрывных нарушений;
• угли практически любой зольности;
• участки с забалансовыми запасами, непригодными для отработки традиционными методами;
• брошенные участки с запасами угля на закрытых шахтах;
• новые разведанные участки угольных месторождений с кондиционными запасами, разработка которых традицион-
Горный Цех
2- й УЧАСТОК
Рис. 2. Концептуальный образ угле-водородного энергетического комплекса с использованием подземной углегазификации и дренажа углеметана
ными методами (шахтный или открытый-карьерный) оказывается экономически невыгодной.
Локальный угле-газ энергетический комплекс предназначен для выработки электроэнергии на месте залегания угольных пластов по комплексной ресурсосберегающей экологически чистой технологии при эксплуатации угольных месторождений энергетических углей со средней и высокой метаноносностью путем совместного метанодренажа и скважинной подземной газификации угля. Смесь метана с генераторным газом используется в качестве первичного энергоносителя для получения водорода - топлива для выработки электроэнергии на водородных турбогенераторах, работающих по комбинированному циклу с паротурбинными генераторами. Технология обеспечивает повыше-
ние эффективности использования тепловой энергии за счет повышения интегрального КПД локального углегаз энергетического комплекса, в котором интегрированы основные технологические процессы: метаноотсоса, подземной углега-зификации и генерирования электроэнергии на водородном топливе. Концептуальный образ угле-водородного энергетического комплекса с использованием подземной углегазификации и дренажа угле-метана представлен на рис. 2.
Для обеспечения метанодренажа и газификации угля каждая панель подготавливается двумя наклонными или вертикальными скважинами, пробуренными с поверхности. Скважины служат сначала как дренажные-метаноотво-дящие, а затем после завершения метаноотсоса, они используются для подачи паро-водородного
Рис. 3. Принципиальная схема продуктопотоков при выработке электроэнергии по двойному пароводородному комбинированному циклу с использованием подземной углегазификации и дренажа уг-
леметана
дутья в огневой забой и - для отвода генераторного газа. Углепластовый метан и генераторный газ подаются в газоперерабатывающий блок, расположенный на поверхности. Здесь происходит очистка газов, получение из них водорода как конечного чистого топлива и превращение парниковых газов - в твердые отходы производства. Полученный свободный водород подается в энергоблок, где и вырабатывается электроэнергия на водородных турбогенераторах и паротурбинных установках, работающих по комбинированному циклу. Некоторая часть полученного водорода из блока газопереработки в смеси с водяным паром направляется в огневой забой газифицируемой панели в качестве дутья. Таким образом, энергетическая установка работает по двойному пароводородному комбинированному циклу:
первый паро-водородный цикл “подземный газогенератор - блок газопереработ-ки”, а второй цикл “водородный турбогенератор - паротурбинный генератор”. Получаемая электроэнергия направляется в сеть к потребителю, а некоторая часть используется для собственных нужд углеэнергетического комплекса.
Генераторный газ подземной углегази-фикации и каптированный углепластовый метан не являются конечным топливом для выработки электроэнергии как это предусматривалось в ранее предложенных технологических схемах [3, 4], а является исходным сырьем для получения экологически чистого водородного топлива, при использовании которого обеспечиваются нулевые выбросы парниковых газов в атмосферу.
Принципиальная схема продуктопото-ков при выработке электроэнергии по двойному паро-водородному комбинированному циклу с использованием подземной углегазификации и дренажа углемета-на показана на рис. 3.
Основными горючими компонентами генераторного газа подземной углегази-фикации являются водород (Н2), окись углерода (СО) и в небольших объемах метан (СН4). Поэтому обогащение генераторного газа углепластовым метаном позволит существенно увеличить содержание водорода как конечного топлива. Характерно, что при паро-водородном дутье значительно повышается содержание водорода в генераторном газе подземного углегазифика-тора (обычно содержание свободного водорода в генераторном газе колеблется от 20 до 56 %). Свободный водород выделяется из генераторного газа в результате реакции окиси углерода с водяным паром
СО + Н2 О = СО2 + Н2
В результате взаимодействия метана с парами воды также образуется свободный водород
СН4 + 2 Н2 О СО2 + 4 Н2
Содержание метана в генераторном газе составляет 18-22 %.
Часть полученного таким образом свободного водорода возвращается в подземный газогенератор в качестве пароводородного дутья. Выделение свободно-
1. World Energy Assessment. UNDP. New York, USA 2000.
2. Yegulalp, T.M., Lackner K.S. Coal-based clean Energy Systems and CO2 sequestration. Mining Engineering. October 2004.
3. Васючков, Ю.Ф., Воробьев, Б.М. Патент Российской Федерации № 2126891. “Способ получения электроэнергии на основе скважинного метаноотсоса и газификации угля”. 1996.
4. Васючков, Ю. Ф. , Воробьев, Б.М. Патент Российской Федерации № 2100588. “Способ получения электроэнергии при бесшахтной углега-зификации и/или подземном углесжигании”. 1997.
го водорода при указанных реакциях производится с помощью мембранных полых сепараторов. Известны пилотные установки по извлечению водорода из генераторного газа и углеметана.
Двуокись углерода, вступая в реакцию с окисью кальция превращается в карбонат кальция по формуле
СО2 + Са О = Са СОз
Карбонат кальция идет в отходы. Также в отходы идет сера и азот , находящиеся в генераторном газе. Таким образом обеспечивается использование генераторного газа и углепластового метана как сырья для производства водородного топлива для генерирования электроэнергии при нулевых выбросах в атмосферу.
Заключение
Переход к водородной экономике вообще, и к водородной углеэнергетике в частности, будет способствовать существенному повышению экономичес-кой эффективности всего углеэнергетического производства при одновременном сокращении выбросов в атмосферу парниковых газов и особенно техногенных выбросов СО2 , что позволит приблизиться к решению мировой гиперпроблемы - стабилизации глобального экологического эквилибриума, обеспечивая тем самым реализацию одного из направлений общественно-целевой Программы “Концепция Новой Энергетической Идеи наXXI век”.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Vasyuchkov, Yu.F., Vorobjev, B.M. , Va-sioutchkov, K. “Unconventional mining technologies for clean and efficient power generation”. Mining Engineering, April 1998. pp. 65-69.
6. Пучков Л.А., Воробьев Б.М., Васючков Ю. Ф.
, Воробьев С.Б. Васючков, М.Ю. Способ получения электроэнергии с использованием подземной углегазификации и дренажа пластового углемета-на по двойному паро-водородному комбинированному циклу. Заявка на патент Р.Ф. Январь, 2005.
7. Vasyuchkov, Yu.F., Vorobjev, B.M., Vasioutch-kov, K. “Unconventional mining - New generation of mining technology of the XXI-st Century”. Preprint
97-45, SME Annual Meeting. Denver, CO, USA, 1997.
8. Yegulalp, T.M., Lackner, K.S. and Ziock, H. 2001, “ A review of emerging technologies for sustainable use of coal for power generation”, International Journal of Surface Mining, Reclamation and Environment, Vol. 15, № 1, pp.52-68, Swets & Seitlinger.
9. Mining Engineering, November 2002.
10. Rut L.A., 2002, “US Department of Energy’s Vision 21 Program-Clean energy plants for the 21st century”, Mining Engineering, January, pp.43-46.
11. Vasyuchkov, Yu.F, Vorobjev, B.M, Vais, K., Vasyuchkov, M., Vorobjev, S. Novel Techniques Related with Coal Mining. 16'h Mining Congress of Turkey, 1999, Ankara.
12. Воробьев Б.М. К вопросу об изменении климата и экологически чистых технологи-
ях. Сб. “Энергетика и Общество” 1998. М. Специальный выпуск № 22. Изд. “ГазОил”.
13. Васючков Ю.Ф, Воробьев, Б.М. Новая концепция эксплуатации угольных месторождений. “Минно Дело и Геология”, Болгария, София, №4, 1997.
14. Васючков Ю.Ф, Воробьев, Б.М. Формирование локальных углегазонергетических комплексов на базе экологически чистых и ресурсосберегающих нетрадиционных технологий. Горный Информационно-аналитический бюллетень. № 2, - М. МГГУ. 1998.
15. Малышев, Ю.Н. Уголь и альтернативная экологически чистая энергетика. Изд. Академии Горных Наук. 2000. М.
16. Маргулов, Г.Д. В ХХ1 век с новой энергетической идеей. “Газоил пресс”. 1997. М.
— Коротко об авторах ------------------------------
Пучков Л.А. - чл.-корр. РАН, ректор,
Воробьев Б.М. - профессор, доктор технических наук, Васючков Ю. Ф. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Г.И. НОСОВА
БЕЛОБОРОДОВ Илья Сергеевич Изыскание технологии закладки подземного выработанного пространства при освоении медно-колчедановых месторождений 23.00.22 к.т.н.
ЗАЛЯДНОВ Вадим Юрьевич Обоснование способов формирования техногенных георесурсов при открытой разработке железорудных месторождений 23.00.22 к.т.н.
