Разработка и реализация технологических комплексов по приготовлению и сжиганию суспензионного водоугольного топлива
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 икоммунальных 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 остроительстве опытно - промышленного углепровода от шахты «Инская» (г Белово Кемеровской обл.) до вновь строящейся ТЭЦ-5 в Новосибирске протяженностью 262 км и мощностью 3,0 млнт в год. Он должен был явиться полигоном для отработки строительства углепроводов Кузбасс -Центр и далее до портов Черного моря, мощностью 25-30 млн т.
В 1989 году первая очередь пускового комплекса углепровода мощностью 1,2 млн т в год была сдана в опытную эксплуатацию. Эксплуатируемые в США гидротранспортные комплексы «Кадис Ист Лэйк » ( протяженность трубопровода 173 км., мощность - 1, 25 млн. т в год) и«Блэк Мэса » (439 км., мощность - 4, 6 млн. т 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/сек. 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.т 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.
Таблица 1
Проектная характеристика и результаты работы опытно-промышленного углепровода
|
Наименование показателя |
Числовое значение |
||||||
|
по проекту |
при комплексном опробовании в 1989 г. |
1991 г. |
1992 г. |
1993 г. |
1997 г. |
итого, среднее значение |
|
|
Произведено ВУТ, тыс. т/год |
1920 |
94 |
183 |
98 |
77 |
22 |
474 |
|
Массовая доля твердой фазы, % |
62,0 |
57,4 |
57,2 |
56,9 |
57,8 |
52,0 |
57,3* |
|
Зольность угля, % |
14,0 |
11,0 |
16,3 |
17,1 |
16,2 |
17,6 |
16,5 |
|
Средний диаметр, мкм |
25 |
29 |
25 |
27 |
25,6 |
27,1 |
25,5* |
|
Эффективная вязкость при скорости сдвига 11,7 с Па-с |
0,800 |
0,462 |
0,822 |
0,750 |
0,800 |
0,502 |
0,810* |
* Без учета данных за 1997 г.
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. т, а мазута - на 20 млн. т 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 т в год. Топливоприготовление велось на 8 заводах мощностью до 600 тыс. т 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.т, 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).
Таблица 2
Результаты работы технологических комплексов по приготовлению и сжиганию ВУТ на основе угольных шламов
|
Наименование показателя |
Технологические комплексы |
|||||
|
Котельная ш. «Заречная», г. Ленинск-Кузнецкий |
СибИМЭ СО Россельхозакадемии, г. Новосибирск, п. Краснообск |
Котельная Хилари Ассетс г. Темиртау, Казахстан
|
Технологи-ческий комплекс утилиза- ции тонко-дисперсных отходов углеобога-щения (г.Междуре-ченск) |
Технологи-ческий комплекс приготовления и сжиганияВУТ (г.Ханой, Вьетнам) |
Котельная в г.Чере-паново Ново-сибир- ской обл. |
|
|
Теплопроиз-водительность, Гкал/ч |
0,50÷0,58 |
0,25 |
0,3÷0,6 |
4,05 |
1,08 |
0,3÷0,6 |
|
Расход топлива, л/ч |
120÷130 |
55 |
110÷220 |
до 1300 |
220÷210 |
110÷220 |
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 1000 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.
Таблица 3
Технико-экономические показатели комплекса по приготовлению, транспортированию и сжиганию водоугольного топлива, приготовленного на основе отходов углеобогащения ОФ
г. Новокузнецка на Кузнецкой ТЭЦ
|
Показатели |
Ед. изм. |
ВУТ |
|
Годовое производство ВУТ |
тыс.т. |
500 |
|
Низшая теплота сгорания топлива |
ккал/кг |
3000 |
|
Капитальные затраты, в т.ч.: |
млн. руб. |
225 |
|
- цех приготовления ВУТ (производительность 75т/ч) |
млн. руб. |
130 |
|
- перевод котлов ТЭЦ на совместное сжигание пылевидного и водоугольного топлива |
млн. руб. |
95 |
|
Стоимость ВУТ на ТЭЦ |
руб./т |
600 |
|
Затраты на топливо на производство 1 Гкал тепловой энергии |
руб. |
184 |
|
Совокупный экономический эффект |
млн.руб./год |
207,5 |
|
Срок окупаемости капиталовложений |
лет |
< 1,5 |
Таблица 4
Технико-экономические показатели при использовании на ООО Центральная ТЭЦ суспензионного угольного топлива, приготовленного на основе угля и угольных шламов
|
Наименование показателей |
Ед. изм. |
Уголь |
Угольные шламы |
Уголь и угольные шламы |
|
Годовая мощность установки приготовления ВУТ |
тыс.т |
708 |
383 |
740 |
|
Низшая теплота сгорания топлива |
ккал/кг |
3600 |
3300 |
3444 |
|
Капитальные затраты, в т.ч.: |
млн. р. |
430 |
285 |
490 |
|
- цех приготовления суспензионного топлива |
|
240 |
150 |
295 |
|
- система топливоподачи ВУТ на сжигание и реконструкция котлов |
|
155 |
115 |
155 |
|
- разработка проектно-сметной документации |
|
35 |
20 |
40 |
|
Себестоимость суспензионного топлива |
руб./т |
1134 |
738,5 |
858 |
|
Затраты на топливо на производство 1 Гкал т. энергии (70%-ВУТ+ 30%-пр. газ) |
руб. |
371 |
214 |
440 |
Таблица 5
Технико-экономические показатели при использовании суспензионного угольного топлива, приготовленного на основе фильтр-кека и угольных шламов ОФ «СУЭК-Кузбасс» на Беловской ГРЭС (1 блок котла ПК-40)
|
Показатели |
Ед. изм. |
ВУТ |
|
Годовая потребность ВУТ |
тыс.т. |
92,4 |
|
Доля ВУТ в топливном балансе блока котла |
% |
20 |
|
Низшая теплота сгорания топлива |
ккал/кг |
3200 |
|
Капитальные затраты, в т.ч.: |
млн. руб. |
40,5 |
|
- цех приготовления ВУТ (производительность 15т./час) |
млн. руб. |
30,5 |
|
- система топливоподачи ВУТ на сжигание и установка форсунок на блок котла |
млн. руб. |
7 |
|
- разработка проектно-сметной документации |
млн. руб. |
3 |
|
Стоимость ВУТ на ГРЭС |
руб./т. |
500 |
|
Затраты на топливо на производство 1 Гкал тепловой энергии |
руб. |
184 |
|
Совокупный экономический эффект |
млн.руб./год |
30,2 |
|
Срок окупаемости капиталовложений |
лет |
< 1,5 |
Таблица 6
Экономические показатели технологических комплексов (мини ТЭЦ)
|
Показатели |
Электрическая мощность, МВт |
||
|
1,0 |
5,0 |
10,0 |
|
|
Себестоимость топлива, руб./т |
300 |
270 |
250 |
|
Себестоимость получаемой электрической энергии, руб./кВт·ч |
0,95 |
0,80 |
0,70 |
|
Стоимость электрической энергии, руб./кВт·ч |
2,50 |
2,50 |
2,50 |
|
Экономический эффект, получаемый при выработке 1 кВт·ч, руб./кВт·ч |
1,55 |
1,70 |
1,80 |
|
Капитальные затраты, млн. руб. |
96 |
400 |
640 |
|
Срок окупаемости, год |
5 |
4 |
3,5 |
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.
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 икоммунальных 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 остроительстве опытно - промышленного углепровода от шахты «Инская» (г Белово Кемеровской обл.) до вновь строящейся ТЭЦ-5 в Новосибирске протяженностью 262 км и мощностью 3,0 млнт в год. Он должен был явиться полигоном для отработки строительства углепроводов Кузбасс -Центр и далее до портов Черного моря, мощностью 25-30 млн т.
В 1989 году первая очередь пускового комплекса углепровода мощностью 1,2 млн т в год была сдана в опытную эксплуатацию. Эксплуатируемые в США гидротранспортные комплексы «Кадис Ист Лэйк » ( протяженность трубопровода 173 км., мощность - 1, 25 млн. т в год) и«Блэк Мэса » (439 км., мощность - 4, 6 млн. т 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/сек. 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.т 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.
Таблица 1
Проектная характеристика и результаты работы опытно-промышленного углепровода
|
Наименование показателя |
Числовое значение |
||||||
|
по проекту |
при комплексном опробовании в 1989 г. |
1991 г. |
1992 г. |
1993 г. |
1997 г. |
итого, среднее значение |
|
|
Произведено ВУТ, тыс. т/год |
1920 |
94 |
183 |
98 |
77 |
22 |
474 |
|
Массовая доля твердой фазы, % |
62,0 |
57,4 |
57,2 |
56,9 |
57,8 |
52,0 |
57,3* |
|
Зольность угля, % |
14,0 |
11,0 |
16,3 |
17,1 |
16,2 |
17,6 |
16,5 |
|
Средний диаметр, мкм |
25 |
29 |
25 |
27 |
25,6 |
27,1 |
25,5* |
|
Эффективная вязкость при скорости сдвига 11,7 с Па-с |
0,800 |
0,462 |
0,822 |
0,750 |
0,800 |
0,502 |
0,810* |
* Без учета данных за 1997 г.
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. т, а мазута - на 20 млн. т 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 т в год. Топливоприготовление велось на 8 заводах мощностью до 600 тыс. т 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.т, 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).
Таблица 2
Результаты работы технологических комплексов по приготовлению и сжиганию ВУТ на основе угольных шламов
|
Наименование показателя |
Технологические комплексы |
|||||
|
Котельная ш. «Заречная», г. Ленинск-Кузнецкий |
СибИМЭ СО Россельхозакадемии, г. Новосибирск, п. Краснообск |
Котельная Хилари Ассетс г. Темиртау, Казахстан
|
Технологи-ческий комплекс утилиза- ции тонко-дисперсных отходов углеобога-щения (г.Междуре-ченск) |
Технологи-ческий комплекс приготовления и сжиганияВУТ (г.Ханой, Вьетнам) |
Котельная в г.Чере-паново Ново-сибир- ской обл. |
|
|
Теплопроиз-водительность, Гкал/ч |
0,50÷0,58 |
0,25 |
0,3÷0,6 |
4,05 |
1,08 |
0,3÷0,6 |
|
Расход топлива, л/ч |
120÷130 |
55 |
110÷220 |
до 1300 |
220÷210 |
110÷220 |
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 1000 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.
Таблица 3
Технико-экономические показатели комплекса по приготовлению, транспортированию и сжиганию водоугольного топлива, приготовленного на основе отходов углеобогащения ОФ
г. Новокузнецка на Кузнецкой ТЭЦ
|
Показатели |
Ед. изм. |
ВУТ |
|
Годовое производство ВУТ |
тыс.т. |
500 |
|
Низшая теплота сгорания топлива |
ккал/кг |
3000 |
|
Капитальные затраты, в т.ч.: |
млн. руб. |
225 |
|
- цех приготовления ВУТ (производительность 75т/ч) |
млн. руб. |
130 |
|
- перевод котлов ТЭЦ на совместное сжигание пылевидного и водоугольного топлива |
млн. руб. |
95 |
|
Стоимость ВУТ на ТЭЦ |
руб./т |
600 |
|
Затраты на топливо на производство 1 Гкал тепловой энергии |
руб. |
184 |
|
Совокупный экономический эффект |
млн.руб./год |
207,5 |
|
Срок окупаемости капиталовложений |
лет |
< 1,5 |
Таблица 4
Технико-экономические показатели при использовании на ООО Центральная ТЭЦ суспензионного угольного топлива, приготовленного на основе угля и угольных шламов
|
Наименование показателей |
Ед. изм. |
Уголь |
Угольные шламы |
Уголь и угольные шламы |
|
Годовая мощность установки приготовления ВУТ |
тыс.т |
708 |
383 |
740 |
|
Низшая теплота сгорания топлива |
ккал/кг |
3600 |
3300 |
3444 |
|
Капитальные затраты, в т.ч.: |
млн. р. |
430 |
285 |
490 |
|
- цех приготовления суспензионного топлива |
|
240 |
150 |
295 |
|
- система топливоподачи ВУТ на сжигание и реконструкция котлов |
|
155 |
115 |
155 |
|
- разработка проектно-сметной документации |
|
35 |
20 |
40 |
|
Себестоимость суспензионного топлива |
руб./т |
1134 |
738,5 |
858 |
|
Затраты на топливо на производство 1 Гкал т. энергии (70%-ВУТ+ 30%-пр. газ) |
руб. |
371 |
214 |
440 |
Таблица 5
Технико-экономические показатели при использовании суспензионного угольного топлива, приготовленного на основе фильтр-кека и угольных шламов ОФ «СУЭК-Кузбасс» на Беловской ГРЭС (1 блок котла ПК-40)
|
Показатели |
Ед. изм. |
ВУТ |
|
Годовая потребность ВУТ |
тыс.т. |
92,4 |
|
Доля ВУТ в топливном балансе блока котла |
% |
20 |
|
Низшая теплота сгорания топлива |
ккал/кг |
3200 |
|
Капитальные затраты, в т.ч.: |
млн. руб. |
40,5 |
|
- цех приготовления ВУТ (производительность 15т./час) |
млн. руб. |
30,5 |
|
- система топливоподачи ВУТ на сжигание и установка форсунок на блок котла |
млн. руб. |
7 |
|
- разработка проектно-сметной документации |
млн. руб. |
3 |
|
Стоимость ВУТ на ГРЭС |
руб./т. |
500 |
|
Затраты на топливо на производство 1 Гкал тепловой энергии |
руб. |
184 |
|
Совокупный экономический эффект |
млн.руб./год |
30,2 |
|
Срок окупаемости капиталовложений |
лет |
< 1,5 |
Таблица 6
Экономические показатели технологических комплексов (мини ТЭЦ)
|
Показатели |
Электрическая мощность, МВт |
||
|
1,0 |
5,0 |
10,0 |
|
|
Себестоимость топлива, руб./т |
300 |
270 |
250 |
|
Себестоимость получаемой электрической энергии, руб./кВт·ч |
0,95 |
0,80 |
0,70 |
|
Стоимость электрической энергии, руб./кВт·ч |
2,50 |
2,50 |
2,50 |
|
Экономический эффект, получаемый при выработке 1 кВт·ч, руб./кВт·ч |
1,55 |
1,70 |
1,80 |
|
Капитальные затраты, млн. руб. |
96 |
400 |
640 |
|
Срок окупаемости, год |
5 |
4 |
3,5 |
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.
