Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» основную часть электроэнергии планируется по-прежнему получать за счет выработки ее на тепловых электростанциях. Их удельный вес в общей установленной мощности отрасли практически останется на уровне 2000 г. – 68–69%.
По данным НИИ экономики энергетики РАО «ЕЭС России» в балансе топлива при производстве электроэнергии в нашей стране в начале XXI века доля природного газа составила 51%, а угля – около 18,6%. Для сравнения: доля выработки электроэнергии на угле в США достигает 52%, в Германии – 54%, Китае – 72%, Польше – 94%. При этом доля природного газа в общем мировом потреблении первичных энергоресурсов за последние годы существенно возросла и, в первую очередь, за счет использования его на тепловых электростанция.
Растянувшаяся по времени дешевая «газовая пауза» в отечественной энергетике привела к нарушению сложившегося за последние 50 лет топливно-энергетического баланса, существенному снижению развития технологий эффективного использования и потребления таких ресурсов, как уголь, торф, биомасса и др.
Основные проблемы в сдерживании использования угля сложились из-за политики формирования цен на топливные ресурсы, удержания высоких железнодорожных тарифов на его перевозку и повышенных затрат на приготовление и экологическую безопасность угля как топлива. В мировой практике соотношение цен на уголь, газ и мазут в пересчете на теплотворную способность топлива сложилось в отношении в среднем 1:1,2:1,3, а в – России – 1:0,65:2,4.
При ожидаемой выработке основных месторождений нефти и газа, запасы которых в десятки раз меньше запасов угля, структура потребления энергоресурсов будет неотвратимо изменяться в сторону увеличения потребления угольного топлива. Это потребует перевода электростанций и коммунальных котельных, работающих на природном газе и мазуте, на угольное топливо. Для их реконструкции понадобятся большие капиталовложения и придется надолго останавливать котлы, что приведет к нарушениям графиков производства и поставок энергии. Следует учитывать еще одно обстоятельство: в ближайшие три года рост тарифов естественных монополий будет жестко привязан к индексу инфляции.
Это, безусловно, скажется на инвестиционной составляющей энергопроизводящих предприятий, что также диктует необходимость совершенствования технологий в использовании топлив.
В Энергетической стратегии указанные проблемы отражены, и даже определены основные пути их решения. Однако для их реализации в настоящее время отсутствуют соответствующие механизмы и стимулы. Отсутствуют и соответствующие государственные программы, применимые к современным экономическим условиям, что негативно сказывается на выявлении технических и технологических приоритетов и инвестиционной политике производственных компаний,
Примером может служить внедрение водоугольного топлива в энергетике, имеющее длинную историю.
Еще в конце 1970-х годов в СССР возникла острая проблема с перевозкой угля из восточных районов в Европейскую часть страны. Уже в то время основная добыча угля велась за Уралом, а большая часть потребителей находилась в Центральных районах СССР. Тогда приняли решение о строительстве опытно – промышленного углепровода от шахты «Инская» (г. Белово Кемеровской обл.) до вновь строящейся ТЭЦ-5 в Новосибирске протяженностью 262 км и мощностью 3,0 млн тонн в год. Он должен был явиться полигоном для отработки строительства углепроводов Кузбасс – Центр и далее до портов Черного моря, мощностью 25–30 млн тонн.
В 1989 году первая очередь пускового комплекса углепровода мощностью 1,2 млн тонн в год была сдана в опытную эксплуатацию. Эксплуатируемые в США гидротранспортные комплексы «Кадис Ист Лэйк» ( протяженность трубопровода 173 км, мощность – 1,25 млн тонн в год) и «Блэк Мэса » (439 км, мощность – 4,6 млн тонн в год) работают по следующей технологии: измельченный уголь смешивается с водой (содержание твердой фазы 46–48%, средняя зольность 9,8%) и в турбулентном режиме со скоростью 1,5-1,7 м/с подается на конечный терминал – потребителю. Там он обезвоживается, осушается и поступает в котлы для сжигания.
Принципиальное отличие решений, принятых при создании углепровода Белово – Новосибирск, состояло в том, что подготовленное на головных сооружениях комплекса у шахты Инской водоугольное топливо после транспортировки на терминал ТЭЦ-5 не подвергалось обезвоживанию и осушению, а поступало напрямую в котлы для сжигания. Достигалось это новыми подходами к подготовке и сжиганию водоугольного топлива. Уголь с зольностью 12–18% при мокром помоле измельчался в частицы примерно в 200 микрон и с добавлением реагента – стабилизирующей добавки (пластификатора), препятствующей выпадению твердых частиц в будущей смеси, смешивался с водой в соотношении частиц угля к воде равным 55–60%, образуя суспензию. Далее суспензия от шахты Инской с помощью головной и двух перекачных насосных станций транспортировалась в хранилища-баки ТЭЦ-5, а из них подавалась для прямого сжигания к форсункам котлов.
Принятая в отечественном проекте углепровода технология по приготовлению, транспорту и сжиганию водоугольной суспензии базировалась на большом объеме ранее проведенных научно-исследовательских работ как у нас, так и за рубежом. Еще в 50-е годы прошлого столетия в СССР начались интенсивные исследования по созданию водоугольных суспензий. Поиски технологии их приготовления и использования диктовались обострением необходимости утилизации тонких угольных шламов, появившихся в больших количествах при интенсивном развитии гидродобычи и гидротранспорта угля, а также при обогащении углей мокрым способом. К решению проблемы были подключены ведущие научно– исследовательские угольные институты страны. Для исследования процессов приготовления и горения угольных суспензий было построено несколько экспериментальных установок. Аналогичные работы проводились тогда в США, ФРГ и других странах.
Из-за последовавших позднее открытий крупных месторождений нефти и газа в мире и у нас в стране, и увеличения их поступления на рынки энергоресурсов по доступным ценам, работы по внедрению водоугольных суспензий замедлились. Для конкуренции с высокоуглеродистыми видами топлива водоугольные суспензии не имели достаточно высокой доли угольных частиц и для эффективности сжигания требовали «подсветки» другим, высокореакционным топливом. Кроме того, по надежности горелочные устройства с форсунками тонкого распыления суспензии уступали мазутным, а также имелись технические недоработки во вспомогательном оборудовании.
Интерес к водоугольному топливу возобновился в связи с мировым нефтяным кризисом в середине 70-х годов. Рост исследований вызывался необходимостью снижения зависимости крупных потребителей от нефтяных поставщиков. Наибольшее количество научных организаций, производственных фирм и корпораций к проблеме было привлечено в период 1979–1984 годов. По имеющимся сведениям более 100 организаций в США, Швеции, Великобритании, Китае, Японии, Канаде, Италии и ряде других стран занимались изучением и внедрением водоугольного топлива. На базе их были созданы крупные международные корпорации Carbogel, Fluidgarbon – Швеция, Со-Аl – США, Densecoal – ФРГ и другие, создавшие многочисленные составы и технологии приготовления и использования водоугольных суспензий.
Проект строительства углепровода «Белово–Новосибирск» учитывал достижения в этой области, и впервые в мире объединил в едином технологическом комплексе операции по приготовлению, транспортированию, хранению и сжиганию водоугольного топлива.
Кроме внедрения новых технологических решений на комплексе ставилась задача испытать надежность соответствующего отечественного оборудования. Проектом предусматривалось параллельно задействовать по всему циклу две технологические цепочки, составленные из импортного и отечественного оборудования.
За 1989–1997 годы на оборудовании и сооружениях углепровода было приготовлено, транспортировано и сожжено на теплоэлектростанции около 400 тыс. тонн водоугольного топлива с долей твердых частиц 53,7% при зольности исходного угля 16,5% (таблица 1).
В связи с частыми перерывами в эксплуатации углепровода (аварийные остановки шахты Инская, вывод ТЭЦ-5 до 7-ми месяцев в резерв, крупная авария в котельной головных сооружений – из-за чего были разморожены все сооружения в пункте приготовления топлива и др.), а также снижением внимания к углепроводу со стороны Правительства России, прекратившего финансирование не оконченных работ, не удалось достичь стабильных проектных показателей. Без постоянной загрузки и должного финансирования уникальнейший комплекс начал разрушаться, а оборудование его растаскивали. Решением Межведомственной комиссии Минэнерго России в конце 2003 года было признано, что восстанавливать его нерационально, и в результате технологический комплекс прекратил свое существование.
Вместе с тем, полученные при испытаниях и эксплуатации первого российского углепровода результаты в целом доказывают правильность заложенных в него решений, работоспособность всех его технологических цепочек и узлов, а также рациональность и эффективность прямой подачи и сжигания водоугольнои суспензии в котлах. В заключении Межведомственной комиссии Минэнерго говорится, что решения, реализованные в указанном комплексе по всем технологическим процессам, можно рассматривать как базовые для перевода тепловых электростанций и коммунальных котельных на конкурентоспособное водоугольное топливо.
Строительство и опытно-промышленная эксплуатация углепровода Белово–Новосибирск вызвали большой интерес у широкого круга специалистов за рубежом, в частности, КНР. Недостаток собственных месторождений нефти и природного газа вынуждают китайцев ориентировать развитие своей энергетики на угольное топливо. В то же время ужесточаюшиеся требования к охране окружающей среды усложняют правила его использования. По имеющимся данным в крупных мегаполисах Китая запрещено строительство и эксплуатация котельных, работающих на твердом угле.
Государственной программой Правительства Китая на 10-ю пятилетку (2001–2005 гг.) был предусмотрен поэтапный перевод предприятий с нефтегазового на водоугольное топливо. Это позволило сократить импорт нефти более чем на 70 млн тонн, а мазута – на 20 млн тонн в год, что уменьшило зависимость топливно-энергетического комплекса страны от внешнего рынка. Для технического руководства по внедрению водоугольного топлива в КНР создан Государственный центр водоугольных суспензий угольной промышленности. В 2001 г. в Китае таких суспензий производилось и потреблялось более 2,0 млн тонн в год. Топливоприготовление велось на 8 заводах мощностью до 600 тыс. тонн в год. Потребителями стали ТЭЦ, ранее работавшие на мазуте. Используются водоугольные суспензии также предприятиями химической, металлургической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности. В настоящее время в КНР производится более 100 млн тонн, а в ближайшие годы планируется дальнейшее увеличение производство ВУТ.
При этом большая часть суспензионного водоугольного топлива направляется на глубокую переработку с получением целого спектра ценных химических продуктов на основе метанола. В мировой практике вопрос об использования водоугольного топлива не потерял своей актуальности. Из официальной печати известно: работы по его совершенствованию и внедрению не прекращаются в Японии, Италии, США, Канаде и других странах. В США реализуется программа использования угля в промышленной и бытовой энергетике («Чистый уголь») с общим объемом финансирования в 6 млрд долларов на ближайшие 6–10 лет. Около 20% этой суммы направляется на решение проблем, связанных с созданием, транспортированием и использованием водоугольного топлива. По данным американских источников его широкое внедрение сдерживается относительно высокой стоимостью углеобогащения и противодействием прокладке магистральных углепроводов со стороны железнодорожных компаний и Конгресса США.
Большой интерес к технологии водоугольного топлива проявляется в Польше, Украине, Монголии, Казахстане, Вьетнаме. В настоящее время ЗАО НПП «Сибэкотехника» выполнило и реализует пилотные проекты по приготовлению и сжиганию ВУТ на основе угольных шламов, помимо России, в Польше, Казахстане, Вьетнаме.
Применение технологии ВУТ для утилизации отходов углеобогащения и продуктов переработки угля (промпродукта и угольных шламов) является в настоящее время очень перспективным направлением.
В качестве примера можно привести данные о работе технологических комплексов по приготовлению и сжиганию ВУТ на основе угольных шламов, разработанных ЗАО НПП «Сибэкотехника» (таблица 2).
Однако, учитывая то, что количество тонкодисперсных отходов углеобогащения (фильтр-кека) на современных ОФ составляет от 5 до 10% от переработки, а годовой выход их – от 150 до 1 000 тыс. тонн в год, использование данных отходов на собственной котельной с потребностью в топливе ~ 515 тыс. тонн/год не решает проблемы их полной утилизации. Поэтому для использования всего объема образующихся угольных шламов целесообразно их сжигать в виде ВУТ либо на близлежащей угольной ТЭЦ, либо на собственной мини ТЭЦ с получением электрической и тепловой энергии. В этом случае может быть эффективно использован и промпродукт ОФ (как показано ранее). В таблицах 3–6 представлены технико-экономические расчеты использования тонкодисперсных отходов углеобогащения на Кузнецкой и Центральной ТЭЦ г. Новокузнецка, Беловской ГРЭС и мини ТЭЦ мощностью 1,5 и 10 МВт.
Как видно из представленных данных, применение ВУТ в качестве топлива на ТЭЦ позволяет получить существенный экономический эффект. Кроме того, использование ВУТ позволяет снизить выбросы оксидов азота с дымовыми газами в 1,3–1,5 раза. При использовании в качестве исходного сырья угольных шламов решается серьезная экологическая проблема снижения объемов хранения наиболее токсичных отходов углеобогащения в районе обогатительных фабрик.