Уголь как низкоуглеродное топливо

УДК 662.765:662.75 © С.Р. Исламов, 2017

Уголь как низкоуглеродное топливо

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-4-50-52

ИСЛАМОВ Сергей Романович

Доктор техн. наук, управляющий филиалом ООО «СибНИИуглеобогащение», 660060, г. Красноярск, Россия, e-mail: IslamovSR@suek.ru

В статье обсуждается концепция низкоуглеродной энергетики на базе частичной газификации угольного топлива.

Ключевые слова: низкоуглеродное топливо, уголь, Парижское соглашение по климату, выбросы углекислого газа, окружающая среда.

Технологический принцип индустриального сжигания угля сохранился практически в неизменном виде со времен промышленной революции в Европе. Представим на минуту, на каком уровне развития находилась бы наша цивилизация, если бы во всех сферах техники дело обстояло таким же образом. В наше время смена технологических принципов в ведущих отраслях промышленности происходит фактически на глазах одного поколения, но этот процесс почти не затрагивает угольную энергетику.

Еще каких-то полвека назад в нашей повседневной жизни отсутствовало такое понятие, как экология. Поэтому практически весь путь совершенствования аппаратов для сжигания угля - это повышение энергетической эффективности без оглядки на экологические последствия. С появлением природоохранных требований технология сжигания угля, по сути, не претерпела изменений - просто по мере их усиления год от года стали возрастать затраты на очистку дымовых газов и обустройство золоотвалов. В результате постепенного увеличения мощности котлов и усложнения их конструкции удалось достичь предельно возможного уровня извлечения полезной энергии из угля. Вместе с этим достигли максимума затраты на очистку дымовых газов и хранение золошлаковых отходов. И на сегодняшний день потенциал развития классической технологии сжигания угля можно считать исчерпанным. Как следствие, в соответствии с законами развития индустриального общества назрела необходимость замены технологического принципа использования угля.

Одним из наиболее популярных способов «облагораживания» угля считается его газификация, то есть превращение в газовое топливо, что позволяет очистить газ перед сжиганием и реализовать парогазовый цикл производства электроэнергии с более высоким КПД, чем в обычной схеме с паровой турбиной. С точки зрения термодинамики, газификация угля - не более чем двухступенчатое сжигание. Как правило, этот процесс осуществляется под высоким давлением с использованием кислорода вместо воздуха и влечет за собой значительное усложнение оборудования и, как следствие, снижение надежности и рост удельных капитальных затрат. Естественно, что при этом сохраняется проблема золошлаковых отходов. Кроме того, весь углерод из угля переходит в синтетический газ в виде СО и СО2. Удаление СО2 перед сжиганием газа, а тем более его секвестрация из дымовых газов, требует дополнительных инвестиций и снижает КПД электростанции, а это в свою очередь требует увеличение расхода угля. В конечном итоге все дополнительные затраты суммируются в себестоимости угольного газа, и результирующий экономический эффект далеко не всегда убедителен для инвестора. Поэтому технологию предварительной газификации угля с последующим сжиганием газового топлива нельзя считать эффективным решением проблемы использования угля.

Благодаря активному воздействию СМИ в общественном сознании укоренилось мнение, что с точки зрения экологии наиболее безопасным топливом является природный газ: при его сжигании не образуется золошлаковых отходов, а дымовые газы почти наполовину состоят из «безвредного» водяного пара. Справка: при сгорании 1 кг метана образуется 2,6 кг углекислого газа и 2,25 кг водяного пара. Однако сторонники природного газа почему-то замалчивают тот факт, что водяной пар обладает более мощными парниковыми свойствами, чем углекислый газ. И, более того, еще плохо изучено его многофакторное влияние на климатические процессы.

50

АПРЕЛЬ, 2017, "УГОЛЬ"

Затронем только одно свойство водяного пара -способность конденсироваться с выпадением на поверхность земли в виде осадков. Только на территории Европы при сжигании природного газа ежегодно образуется порядка миллиарда тонн водяного пара, который довольно часто играет роль критической добавки (своего рода последней капли) к естественно сложившемуся круговороту воды на континенте. Дело в том, что время от времени перемещение воздушных масс приводит к концентрации больших объемов влаги в ограниченных областях приземной атмосферы. И тогда дополнительный вброс водяного пара от индустриальных источников выполняет роль спускового механизма для обвальных осадков на сравнительно небольших территориях. Такие «эффекты бабочки» с определенной регулярностью приводят к массовым затоплениям или к неожиданным мощным снегопадам, которые наносят огромный ущерб экономике Евросоюза.

После подписания Парижского соглашения 2016 г. вектор развития мировой энергетики предполагается переориентировать на низкоуглеродные и безуглеродные источники энергии. Однако обратимся к цифрам из авторитетных источников. К середине века мировое энергопотребление должно удвоиться, а доля возобновляемой энергетики, по самым оптимистичным прогнозам, достигнет 20-25%. Это означает, что объем сжигания ископаемых топлив увеличится, как минимум, в 1,5 раза. Соответствующим образом возрастет их воздействие на окружающую среду. Причем, как говорится, это «средняя температура по больнице»: в наиболее развитых странах, возможно, и будет преобладать возобновляемая энергетика, однако в остальном мире в огромном количестве будет сжигаться уголь как самое дешевое топливо на планете.

Несколько слов об энергетике на базе возобновляемых ресурсов и о призывах к активизации ее развития. Здесь мы в очередной раз наступаем на старые грабли без оглядки на специфику отечественной структуры энергетических ресурсов. Так, в 1980-х годах после первой энергетической революции правительство США выделило огромные средства на разработку технологий глубокой переработки угля с целью устранения зависимости от арабской нефти. В СССР, который никогда не страдал дефицитом углеводородов, почему-то решили последовать их примеру и сформировали государственную программу по переработке угля. Немалые деньги, по сути, были выброшены на ветер. Сегодня в России этот же сценарий предлагают повторить с возобновляемой энергетикой. Да, заниматься научными разработками в этой сфере, безусловно, нужно, однако в нашей стране вряд ли можно делать сколько-нибудь серьезную ставку на замещение традиционных видов топлива солнечной и ветряной энергией в ближайшем полувеке. В этой связи глава концерна «Шелл» в России Оливье Лазар остроумно пошутил: «... Я не уверен в отношении возобновляемых источников в России. Если только когда-нибудь Россия научится производить энергию из снега...».

Вернемся к проблеме использования угля. Поскольку традиционно его принято считать самым грязным видом топлива, остается ли для него место в новом энергетическом сценарии? Как это ни странно прозвучит для многочисленных противников угля, ответ - ДА! Но только на базе новой концепции использования энергетических углей, которая адекватна современным экологическим и экономическим реалиям. Естественно, что речь может идти только о технологии, разработанной в 21-м веке, а не о повышении степени очистки выбросов при классическом сжигании угля.

Предпосылки нового подхода к использованию угля заключаются в следующем. Примерно 3/4 добываемого в России угля относится к категории энергетического. Преимущественно это угли, у которых горючая масса содержит от 30 до 50% летучих веществ. При частичной газификации таких углей образуется горючий газ, обогащенный водородом, а в твердом остатке остается углерод с включенной в него золой. И здесь напрашивается лежащее на поверхности решение: для получения тепловой энергии следует сжигать только газовую составляющую угля, а углеродистый остаток выводить из энергетического цикла для использования в других сферах промышленности (рис. 1).

За счет новой технологии без дополнительных инвестиций эмиссия СО2 сокращается, как минимум, на треть. Причем выброс углекислого газа снижается не за счет его улавливания и захоронения, а за счет нового технологического принципа сжигания. Безусловно, это огромный прогресс, если учесть неизбежность нарастания использования угля, как минимум, до середины текущего века.

Наилучшим образом для частичной газификации подходят низкозольные бурые угли Канско-Ачинского бассейна с 45%-ным содержанием летучих веществ, а также длиннопламенные угли Кузбасса, Хакасии и других регионов страны. Принципиально важно, что уникальная технология не требует разработки новых аппаратов - она осуществляется внутри типового энергетического котла, подвергнутого незначительной модификации (рис. 2).

В инновационном котле уголь, условно говоря, разделяется на газовое топливо и углеродный остаток - термо-

Рис. 1. Принципиальная схема технологии частичной газификации угля

газовое топливо

воздух

7

гермококс

коксован продукция, углеродные ПЙР сорбенты

кокс, который капсулирует в себе золу исходного угля. Газ тут же сгорает, обеспечивая паспортную тепловую мощность котла, а термококс после охлаждения направляется на склад готовой продукции. Новая технология имеет уникальные экономические показатели: продажа термококса, как минимум, компенсирует затраты на приобретение угля, поэтому тепловая энергия производится из газа с условно нулевой стоимостью!

Еще один шаг в направлении «декарбонизации» угля. Поскольку удельные выбросы после сжигания «угольного газа» относятся на единицу тепловой энергии, получение термококса происходит абсолютно безотходно, то есть согласно современным международным стандартам по технологии класса «zero emission». Термококс - высококалорийное топливо технологического назначения, для которого открываются широкие перспективы на достаточно длительном переходном периоде к безуглеродной экономике. Термококс имеет на порядок более высокую реакционность, чем металлургический кокс, и в то же время кратно пониженную себестоимость производства. Наряду с высоким электросопротивлением это обеспечивает возможность существенной интенсификации электрометаллургических переделов.

Однако максимальный экономический и экологический эффект достигается при использовании термококса в технологиях прямого (недоменного) восстановления железной руды, где оказываются востребованными его относительная дешевизна и высокая реакционность. И это единственная возможность радикально снизить себестоимость стали в обозримом будущем. Сегодня железная руда перерабатывается в чугун с помощью кускового кокса, который производится на коксохимических заводах по технологии первого класса экологической опасности с огромным количеством вредных веществ. Поэтому крупномасштабное замещение классического кокса новым продуктом, произведенным с нулевыми выбросами, приведет к значительному сокращению не только выбросов углекислого газа. С учетом этого факта превышение выброса углекислого газа при частичной газификации угля по отношению к сжиганию природного газа составит всего лишь 30-35% вместо почти двукратного превышения

t t t

воздух

Рис.2. Принципиальная схема энергетического котла для частичной газификации угля и сжигания газа

Сравнение наиболее известных технологий по выбросам углекислого газа

Технология Удельная эмиссия СО2, кг / ГДж

Сжигание природного газа 60

Сжигание жидкого топлива 82

Классическое сжигание угля 110

Ожижение угля (газификация + синтез жидкого топлива) 180

Частичная газификация угля 86

при классической схеме сжигания энергетических углей (см. таблицу).

Это сопоставимо с выбросами от сжигания бензина или дизтоплива. Таким образом, имеется вполне реальная возможность перевести, по крайней мере, часть энергетического угля в категорию низкоуглеродного топлива, тем более что новая технология и ее продукция прошли уже достаточно длительный период опытно-промышленной апробации.

resources

UDC 662.765:662.75 © S.R. Islamov, 2017

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 4, pp. 50-52 Title

coal as a low carbon fuel

DoI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-4-50-52

Author

Islamov S.R.1

1 "SibNIIugleobogashenie", LLC, Krasnoyarsk, 660060, Russian Federation Authors' Information

Islamov S.R., Doctor of Engineering Sciences, Head of Krasnoyarsk Branch of Institute for Coal Enrichment, e-mail: IslamovSR@suek.ru Abstract

In the paper is discussing a conception of low carbon energetics on the base of partial gasification of coal. Keywords

Low carbon fuel, Coal, Paris convention on climate change, CO2-emissions, Environmental protection.