Водоугольные суспензии в энергетике

1

Г.С. Ходаков, доктор физ.-мат. наук, «Институт горючих ископаемых»2

Первые исследования угольных суспензий были выполнены в Институте горючих ископаемых (ИГИ) и ЭНИН еще в середине прошлого века и даже ранее [1—4]. Уже тогда разрабатывали технологию 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. Предполагали, 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 еще их неоднородностью вследствие различного происхождения, местонахождения, разных 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 разрабатывали и технологию 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 (как паллиатив) 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 опытнопромышленных установках жидкие топлива по стоимости неконкурентоспособны с нефтепродуктами.

Кардинальная политико-экономическая 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 дол. за 1 МДж для битуминозного угля против 4, 5 дол. за 1 МДж для мазута (по ценам энергоносителей в 1997 г. в США: мазута — 150, угля — 30...40 дол. за 1 т на месте доставки).

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 суспензионноугольного (СУТ)] было обеспечение как экономической независимости, так и экологической безопасности.

Тематика по ВУТ стала особенно популярной в 70-х годах прошлого 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 2003 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 не более 26 %. Ее увеличение за счет уменьшения доли газа более чем актуально. Перевод на угольное топливо мазутных и газовых ТЭС и котельных экономически перспективен еще потому, что освободит для экспорта высокоценные энергоносители. Следует отметить, что структура внутренних цен в России на энергоносители неблагоприятна для замещения углеводородного топлива углем. Так, в средней полосе России цена рядового угля со средней теплотой сгорания примерно 17... ...20МДж/кг составляет 1 800 руб/т, а цена мазута со средней теплотой сгорания 42 МДж/кг — до 3 800 руб/т. Невыгодность замены мазута углем очевидна.

Для России наиболее актуальна проблема доставки угля из Кузбасса на Урал и в ее е