Первые исследования, посвященные угольным суспензиям были выполнены в Институте горючих ископаемых (ИГИ) и Энергетическом институте (ЭНИН) еще в середине ХХ века и даже ранее [1–4]. Уже тогда была разработана технология утилизации загрязняющих окружающую среду дисперсных угольных шламов, которые образуются в процессах обогащения, гидравлической добычи и гидротранспортирования угля из шахты. Из-за высокой стабильности и дисперсности шламовых суспензий требуются значительные затраты на их обезвоживание. Прямое (без предварительного обезвоживания) сжигание шламовых суспензий в тепловых агрегатах решило бы проблему их утилизации. Предполагалось, что в определенных условиях это может оказаться выгоднее и технологичнее, чем сжигание дисперсного угля, выделяемого посредством обезвоживания и высушивания шламовых суспензий. В техноэкономических расчетах эффективности прямого сжигания было принято, что стоимость угольных шламов мала по сравнению с другими затратами на их переработку в технологически приемлемое топливо.
|
|
Все предложенные технологии прямого сжигания шламовых суспензий оказались экономически несостоятельными, а экологические аспекты проблемы – социально тревожными и значимыми.
Практическое использование шламовых угольных суспензий осложнено также их неоднородностью вследствие различного происхождения, местонахождения, условий содержания и хранения. Проекты прямого сжигания шламовых угольных суспензий не были реализованы. К настоящему времени построенные установки демонтированы.
Наряду с технологией прямого сжигания шламов была разработана и технология получения топливных суспензий – водоугольного топлива (ВУТ) из кондиционного рядового угля. В отличие от угольных шламов минералогический состав и свойства рядового каменного угля регламентированы, количество угля заданного состава практически не ограничено. Поэтому изготовление из него ВУТ менее затруднительно. Водоугольное топливо рассматривали как доступную, хотя и неполноценную, замену энергетических продуктов гидрогенизации угля. Способы получения углеводородных жидкостей из угля посредством его гидрогенизации известны. Однако эти способы по всем разработанным к настоящему времени технологиям недостаточно совершенны; получаемые в опытно-промышленных установках жидкие топлива по стоимости неконкурентоспособны с нефтепродуктами.
Проблема ВУТ базируется на том факте, что промышленные запасы угля значительно шире и равномернее распространены по земному шару, чем совокупные запасы нефти и газа, а в энергетическом эквиваленте многократно их превосходят. Огромные залежи угля сосредоточены в России, Китае, США, Австралии, Канаде, ЮАР и во многих других странах. Добыча и транспортирование угля на любые, особенно дальние, расстояния механизированы и четко организованы. Поэтому перспектива использования угля, сжигаемого как жидкое топливо, вместо нефтепродуктов для уменьшения зависимости промышленных стран от поставок нефти представлялась весьма заманчивой.
|
|
Потенциальная экономичность угольного топлива определяется относительно низкой стоимостью энергии, получаемой при его сжигании на ТЭС – примерно 1,5 долл. за 1 МДж для битуминозного угля против 4,5 долл. за 1 МДж для мазута. Отношение к проблеме и ассигнования на разработку суспензионных угольных топлив в разных странах определялись конкретным состоянием и степенью обеспечения местными энергоносителями, а также соотношением затрат на производимую в них энергию из добываемого и привозного угля, нефти и газа. Во всех странах целью программ по созданию нефте - и газозаменяющих видов топлива не только суспензионно-угольного (СУТ)] было обеспечение как экономической независимости, так и экологической безопасности.
Тематика по ВУТ стала особенно популярной в 70-х годах ХХ века. Задача состояла в разработке технологий приготовления ВУТ такого качества, чтобы с наименьшими издержками можно было заменить им мазут в энергетических агрегатах. Проектировали также трубопроводное транспортирование ВУТ на дальнее расстояние; разрабатывали технологию применения ВУТ в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и вместо угля в газогенераторах. Был также выполнен значительный объем работ по замене угля на ВУТ в тепловых котельных. Предполагали этим уменьшить объем вредных выбросов.
В структуре энергетического баланса России в 2010 г. мазут и газ составили примерно 70 %, причем в европейской части – более 86 %. На долю газа в настоящее время приходится примерно 61 % производства электроэнергии.
Доля угля в производстве электроэнергии в России составляет около 26 %. Ее увеличение за счет уменьшения доли газа более чем актуально. Перевод на угольное топливо мазутных и газовых ТЭС и котельных экономически перспективен еще и потому, что освободит для экспорта высокоценные энергоносители. Следует отметить, что структура внутренних цен в Европейской части России на энергоносители неблагоприятна для замещения углеводородного топлива углем. Так, в средней полосе России цена рядового каменного угля Кузбасса со средней теплотой сгорания примерно 17–20МДж/кг составляет 1800 руб/т, а цена мазута со средней теплотой сгорания 42 МДж/кг – более 10000 руб/т. Невыгодность замены мазута кузнецкими углями в Европейской части России очевидна.
Для России наиболее актуальна проблема доставки угля из Кузбасса на Урал и в ее Европейскую часть. Угольные месторождения Европейской части России в значительной мере или полностью исчерпаны. Добыча угля обходится непомерно дорого из-за бедности пластов и большой глубины их залегания. Доставка угля из Кузбасса в центральные районы страны практически утраивает стоимость угля. Поэтому для России, как и для Китая и США (стран с развитыми сетями железнодорожного и водного транспорта), экономически актуально создание сетей гидротранспортирования угля и технологии получения угольного моторного топлива для транспортных двигателей.
В Институте горючих ископаемых, НПО «Гидротрубопровод» и других научных центрах выполнен значительный объем работ по созданию технологии приготовления, транспортирования и сжигания ВУТ из рядового угля разных марок. Был спроектирован и построен опытно-промышленный комплекс, который включал в себя терминал на Беловской ГРЭС приготовления ВУТ расчетной производительностью 400 тыс. т/год, трубопровод длиной 262 км и терминал приема и сжигания ВУТ на ТЭС в Новосибирске.
|
|
Определенный опыт применения ВУТ накоплен также в некоторых странах, в том числе в Китае и США. Китай занимает первое место в мире по объему добычи и потреблению угля (более 1 млрд т/г), почти вся его энергетика (95 %) основана на нем.
Одной из проблем Китая является транспортирование угля от мест его добычи к местам потребления, причем трассы доставки часто проходят по пересеченной местности, и поэтому наиболее выгодным может оказаться трубопроводный транспорт водных суспензий. Кроме того, Китай заинтересован в экспорте угля в Японию и другие страны Тихоокеанского региона, топливные ресурсы которых весьма ограничены. Морские перевозки угля в составе суспензии, ее загрузка в танкеры, выгрузка и сжигание по жидкостной схеме представлялись экономически рациональными. В течение нескольких лет Китай совместно с Японией разрабатывает проекты приготовления в Китае угольных суспензий и транспортирования их танкерами к прибрежным ТЭС Японии, где они используются совместно с мазутом или вместо него. Часть этих проектов прошла завершающую стадию и реализована в промышленном масштабе.
В США ежегодно добывают примерно 900 млн т угля, из которых 85 % используют для получения электроэнергии. Угольные ТЭС обеспечивают примерно 65 % всего ее производства, еще 25 % – АЭС и ГЭС. И только примерно 10 % электроэнергии вырабатывают путем сжигания нефтепродуктов и природного газа на ТЭС и в дизельных генераторах. Для США наиболее актуальны разработки моторных угольных топлив для транспортных двигателей – основных потребителей добываемой в стране и импортируемой нефти. Как и в Китае, в США перспективным считали танкерное транспортирование водоугольной суспензии (ВУС) в страны Тихоокеанского побережья. Трубопроводное транспортирование угля расценивали в основном как альтернативу железнодорожному транспорту с его высокими тарифами. В США успешно действуют трубопроводы, которые транспортируют не суспензию, а угольную пульпу. В отличие от ВУС ее обезвоживают на конечном терминале с последующим сжиганием угля по пылеугольной технологии. Опытный трубопровод для транспортирования ВУС был построен, но так и не введен в эксплуатацию, поскольку компания, владеющая проходящей параллельно ему железнодорожной дорогой, немедленно снизила тарифы на перевозку угля. В настоящее время трубопровод также переведен на транспортирование угольной пульпы.
|
|
Промышленные проекты по использованию ВУТ в Европе до настоящего времени не реализованы.