Наука и технологии |
Кипящие угольные страсти20.08.07 Перспективные технологии сжигания угля должны стать главным подспорьем в процессе изменения долей газа и угля в топливном балансе страны.
В 2006 году в России был превышен уровень электропотребления 1992 года и, вероятно, в этом или следующем году будет преодолен исторический максимум 1990 года. При этом среднегодовой темп роста электропотребления в стране за 2000–2005 годы составил 1,7%, а в 2006 году – 4,2%. Такой спрос потребует опережающего ввода в строй новых энергетических мощностей, поскольку все существующие ныне ресурсы исчерпали свой потенциал. Но для эффективности инвестиций нужно четко представлять приоритетные направления вложений, в том числе – на какой вид топлива необходимо сделать упор и какие технологии при этом использовать.
УГОЛЬНЫЕ ПРИОРИТЕТЫ ЭНЕРГЕТИКИ По данным, озвученным в докладе главы Минпромэнерго Виктора Христенко «Об обеспечении экономики страны электроэнергией и газом» от 30 ноября 2006 года, в России доля газа в общем энергопотреблении составляет 48%, в теплогенерации – 66%. Структура энергомощностей России четко отражает затянувшуюся «газовую паузу», планировавшуюся в качестве временной меры для того, чтобы подготовить новые эффективные и экологически чистые технологии угольной и атомной энергетики. При этом доля второго (после газа) по значимости топлива – угля в топливном балансе всего 26%. По разным оценкам, к 2010 году дефицит газа может составить от 30 до 150 млрд куб. м. Экономичность и экологическая чистота газа проявляются только в сравнении с устаревшими угольными технологиями, развитие которых также было задержано «газовой паузой». К 2010 году соотношение цены угля и газа может достигнуть 1:1,7 по условной тонне топлива. В среднем в мире в 2000 году соотношение потребления угля, нефти и газа составило 26%, 39% и 23%, еще 12% пришлось на долю прочих энергетических ресурсов. Поэтому в перспективе уголь должен стать главной альтернативой газу. Особенно это актуально для сибирского региона, где доля газовых станций значительно меньше, чем в европейской части страны, а близость основных источников сырья: Кузнецкого и Канско-Ачинского бассейнов – уменьшает издержки, связанные с доставкой топлива до потребителя. То, что уголь главная альтернатива газу, давно поняли в других странах. Например, в США и Китае доля угля в электроэнергетике составляет порядка 50 и 80% соответственно. А в Польше процент угольной генерации составляет все 96%. Такому соотношению способствовало появление и развитие ряда экологически чистых и эффективных технологий сжигания угля. Указанные факторы привели к тому, что даже президент в последнее время неоднократно заявлял о необходимости увеличения доли угля в топливном балансе страны. Ему вторит и уже упомянутый доклад Минпромэнерго, где среди прозвучавших рекомендаций значится увеличение темпа ввода угольных тепловых электростанций к 2015 году в 10 раз. Однако нынешние реалии выдвигают иные требования к эффективности технологий. Рассмотрим основные и определим перспективы их применения. МОДНЫЙ ЦКС Наряду с традиционным камерным сжиганием угля в настоящее время на Западе используются котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС), относящимся к слоевому способу сжигания. Топливо набрасывается на решетку, но сгорает не в ней, а во взвеси. При этом скорость воздуха подбирается оптимальной для поднятия угольных частиц, которые сгорают как бы витая в воздухе, что обеспечивает более активное выгорание. Недогоревший уголь улавливается специальными системами и возвращается обратно в топку для дожига. В котле во время сгорания циркулирует инертная масса – смесь дробленого угля с обычным песком или золой. Инертная масса многократно циркулирует в котле, обеспечивая высокую степень выгорания. В смесь может добавляться известняк для связывания серы. Главное, котлы ЦКС малочувствительны к качеству угля, что делает их применение обоснованным при сжигании углей Подмосковья, Урала и Экибастузского угольного бассейна. Специалисты отмечают, что именно низкокалорийные, многозольные, низколетучие угли этих регионов, а также марки углей, требующие установки в классических пылевидных котлах, системах серо— и газоочистки, являются основной нишей для применения ЦКС. В России существует множество опытных установок небольшой мощности на основе данного типа котлов, однако не создано ни одного объекта «большой энергетики». Это одно из тех направлений где мы, имея хорошие опытные наработки еще в 1980−е годы, сейчас серьезно отстаем. Например, поставки первых крупных блоков с котлами ЦКС Черепецкой станции в Подмосковье (два блока по 225 МВт), вероятнее всего, достанутся зарубежной Alstom. Часть работ выполнит «ЭМАльянс». Котлы малой мощности готов разрабатывать Барнаульский котельный завод. Но, похоже, во избежание затрат времени и сил на набивание собственных шишек без подобных форм сотрудничества не обойтись. Котлы большей мощности с ЦКС имеют сложности при создании, так как топливо сжигается не в объеме, а в слое, что требует больших площадей. Целесообразно создавать блоки с котлами ЦКС до 300 МВт, а большие мощности лучше строить, ориентируясь на хорошие угли с применением других технологий. А близость месторождений углей низкого качества открывает широкие перспективы по развитию этого направления в европейской части России. УЛЬТРАТОНКИЙ ПОМОЛ В мировой энергетической практике реализуются два направления использования угля ультратонкого помола: замена слоевого сжигания на факел с углем микропомола и замещение мазута в блоках. Последнее особенно актуально для России, где мазут в последнее время значительно подорожал, а его доля в промышленной энергетике по-прежнему высока (в топливном балансе страны она составляет 2%). В самом названии технологии содержится ее основная суть – измельчение угля до размеров в 10–30 мкм, за счет чего значительно возрастает количество частиц, поверхность реагирования и интенсивность тепломассообмена, так что при горении пылеугольный факел по своим размерам, теплонапряженности и интенсивности выгорания приближается к газовому или мазутному. Испытания за рубежом выявили ряд преимуществ сжигания угля микропомола в сравнении со слоевым сжиганием. Среди них снижение на 15% эксплуатационных расходов, снижение вредных выбросов (NOx – окись азота) на 25%, увеличение тепловой эффективности установки за счет снижения избытка воздуха и как следствие – уменьшение выбрасываемого уходящими газами тепла и ряд других. В России работы по этой технологии ведутся только в Институте теплофизики СО РАН в Новосибирске. По словам заведующего отделом теплоэнергетики этого института Анатолия Бурдукова, замещение мазута микроуглем за счет разницы цен позволяет примерно за два года окупить затраты на переоборудование и значительно снизить стоимость вырабатываемой энергии. В «большой энергетике» испытания, проведенные на котле мощностью 600 МВт, показали, что система работает удовлетворительно и окупается менее чем за четыре года. Как пояснил Анатолий Бурдуков, «в больших котлах уголь и так нормально сгорает, поэтому микропомол продуктивно использовать только для поджига и стабилизации горения». Такой подход планируется применять на одном из котлов Барнаульской ТЭЦ-2. ВОДОУГОЛЬНЫЕ ПЕРИПЕТИИ Водоугольное топливо (ВУТ) представляет собой дисперсную систему, состоящую из тонко измельченного угля, воды и реагента-пластификатора, и при этом хорошо сгорает при определенных условиях в камерах. По словам главного инженера проектов института «Новосибирсктеплоэлектропроект» («Сибирский ЭНТЦ») Евгения Карпова, сейчас лидером в данной технологии является Китай, где ВУТ занимаются три научно-исследовательских центра, работают шесть заводов по производству ВУТ, а на котельных и электростанциях при сжигании ВУТ производится до 2 млн кВт энергии. Для России эта технология тоже не в новинку. В конце 1980−х был построен опытно-промышленный углепровод Белово–Новосибирск протяженностью 264 километра и производительностью 3 млн тонн ВУТ в год, функционировавший до середины 1990−х. Его основной задачей была апробация способа транспортировки угля на большие расстояния трубопроводным транспортом и его последующее сжигание. Причиной остановки проекта стала экономическая неэффективность. Для того чтобы стать текучей смесью, получаемая суспензия требовала добавления дорогостоящего пластификатора, к тому же во время транспортировки происходило перемерзание пульпопропровода и его периодическое забивание. Однако, как комментирует заместитель генерального директора «СибКОТЭС» («Группа Е4») Феликс Серант, работавший по части сжигания ВУТ, «никаких неразрешимых проблем по сжиганию получаемого топлива не было». Сейчас основные надежды на развитие использования ВУТ связаны с новым способом приготовления топлива – кавитационной технологией. В результате измельчения твердого компонента смеси (угля) на кавитационных мельницах суспензия приобретает новые свойства, а именно: стабильность на протяжении длительного времени и пластичность без каких-либо присадок. По мнению Феликса Серанта, с учетом новых реалий данная технология может быть востребована на станциях, где необходим переход с мазута или газа на уголь. Ведь зачастую мазутные и газовые станции не имеют площадей по углеподготовке. Терминал по подготовке ВУТ можно расположить на удалении от станции и доставлять топливо по трубе. Как вариант – строительство станций по приготовлению топлива для группы городских котельных, что позволит ликвидировать множество небольших угольных складов в черте города. Евгений Карпов среди плюсов данной технологии отметил и то, что с ее помощью в топливо можно превратить отходы углеобогащения. Это можно сделать, существенно упростив технологию : отделив нужное количество концентрата, остальное тут же превращать в ВУТ, получая на выходе сразу два продукта. Однако после не совсем удачного проекта углепровода Белово–Новосибирск других сколько-нибудь крупных в нашей стране не осталось. ВУТ сжигается на нескольких котельных в Кемеровской области, куда топливо доставляется с помощью цистерн. ПЫЛЕУГОЛЬНЫЙ КОТЕЛ С КОЛЬЦЕВОЙ ТОПКОЙ Конструктивно кольцевая топка представляет собой открытую восьмигранную призматическую камеру, внутри которой расположена такая же восьмигранная вставка. Расположение горелочных устройств на каждой наружной грани в несколько ярусов по касательной к внутренней вставке организует вращательное движение факела без активного воздействия на стены камер и в конечном итоге позволяет снизить уровень NOx и обеспечить экономичное сгорание топлива. Такая компоновка уменьшает высоту котла на 30–40%, что положительно сказывается на металлоемкости, которая снижается на 15–20%. Для сравнения: блоки мощностью 800 МВт на основе распространенных на Западе котлов башенной компоновки имеют высоту 150–180 метров, высота котла Т-образной компоновки блока той же мощности на Березовской ГРЭС составляет около 100 метров, а котел с кольцевой топкой имеет высоту всего 62 метра и уже более восьми лет эксплуатируется на Ново-Иркутской ТЭЦ. Пожалуй, это единственный из новых типов котлов, который без больших доработок сразу начал нормально работать. Его габариты открывают широкие возможности по использованию этого типа котлов при реконструкции существующих объектов, без ремонта уже имеющихся зданий и сооружений, с одновременным увеличением мощности станций. Кроме того, в таком котле хорошо сгорают высококалорийные и высокозольные угли Кузнецкого и Канско-Ачинского бассейнов, имеющие повышенную склонность к шлакованию и загрязнению поверхности котла. ЗОЛОТАЯ СЕРЕДИНА Таким образом, обзор технологий показал, что их нельзя рассматривать с позиций самой лучшей и выделить преобладающую, поскольку каждая может подходить под те или иные задачи. Главным при выборе остается элементарная рациональность. Свойство соотечественников бросаться в крайности уже проявляется в том, что под воздействием инвестпрограммы РАО ЕЭС потенциальные заказчики обращаются в проектные организации с вопросом о возможности спроектировать блок с котлом ЦКС. На первые же уточняющие вопросы о марках угля, которые предполагается использовать, отвечают, что все равно нужен котел ЦКС. Мода на все новое и западное – это, конечно, не самый плохой вариант, однако истина, как обычно, находится где-то посередине. Все же львиная доля добываемых в стране углей приходится на Кузнецкий и Канско-Ачинский бассейны. И не стоит делать выбор в сторону чего-то одного, поддаваясь лишь столичным настроениям без учета объективных факторов. Остается надеяться, что в будущем при реализации инвестиционных программ среди заказчиков возобладает здравый смысл, а не популизм. А возводимые объекты на основе перспективных технологий будут иметь хорошие сочетания экономических, технических и эксплуатационных характеристик. Материалы: Таблица 1. Крупнейшие угледобывающие предприятия Сибири по итогам работы в 2006 году Таблица 2. 10 наиболее рентабельных угледобывающих компаний Вадим Чухонцев Источник: «Эксперт Сибирь» |
