Нетрадиционные технологии добычи и переработки твердых топлив и урана

НЕТРАДИЦИОННЫЕ  ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ И  ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ  ТОПЛИВ И УРАНА 

    Переход энергетики России на угольное топливо

    Необходимость такого перехода сегодня уже ни у  кого не вызывает сомнений. Остальных  топливных ресурсов хватит на значительно  меньший срок, а их стоимость гораздо  выше. В России разница в цене на уголь, газ и нефть пока не настолько  велика, как, например, в Европе, но положительная  динамика роста цен на нефть и  газ по сравнению с углем очевидна. За последние годы цена на нефть  и газ выросла на порядок, а  на уголь - в полтора-два раза. Из расчета потребления топлива  на 2000 год, мировых нефтяных запасов  хватит примерно на 48 лет, газа - на 60 лет, а угля - более чем на 220. Мировые  запасы угля огромны, и Россия стоит  в списке обладателей этих ресурсов на третьем месте после стран  Азиатско-Тихоокеанского региона и  Северной Америки.

    В структуре потребления первичных  энергетических ресурсов России уголь  занимает всего 18%, тогда как нефть - 21%, а газ - 52%. Сегодня значительно  выгоднее и с экономической и  с экологической точки зрения экспортировать большую часть добываемого  газа и нефти. Каждый год потребления  угля в мире растет на 5%. В 1988 году в  нашей стране добыча угля составила 748 млн т, а в 2005 - 1 млрд т. Однако угольное топливо в мировой энергетике используется значительно интенсивнее, чем в России, и причина тому - отсутствие технологической базы и готовности власти на деле поддержать необходимую реформу, которая, как показывает зарубежная практика, окупает все затраты в предельно короткие сроки.

    Угольные  запасы России в основном сосредоточены  в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Объемы добычи угля возросли, но доля в энергетическом балансе осталась практически без  изменений. В этом вопросе мы отстаем  от всего цивилизованного мира. Чтобы  изменить устоявшуюся систему, требуется  значительное время и усилия со стороны  предприятий и поддержка государства. Во всем мире уголь стал объектом приложения современных фундаментальных исследований и научных методов.  

    Технологии  переработки угля

    Современные научно-технические разработки направлены, прежде всего, на повышение эффективности  процессов сжигания, газификации  и комплексной переработки твердых  топлив, в том числе с их плазменной и кислородной активацией. Новые технологии сжигания, вызывают много споров, но считаются весьма перспективными - вихревые технологии и котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС). Впрочем, ЦКС не единственная высокая технология сжигания угля. Среди основных современных («чистых») технологий переработки угля можно назвать:

    - Сжигание  в факеле с системами серо- и азотоочистки.

    - Сжигание  в других модификациях кипящего  слоя при атмосферном давлении: фонтанирующий слой (ФС), низкотемпературный  кипящий слой (НКС), высокотемпературный  кипящий слой (ВКС).

    - Сжигание  в кипящем слое под давлением  для парогазовых установок на  твердом топливе (КСД).

    - Газификация  в потоке, плотном и кипящем  слоях при атмосферном давлении.

    - Газификация  в потоке и плотном слое  под давлением для парогазовых  установок на твердом топливе. 

    Плазматрон  на страже экологии

    Системы плазменного розжига и плазменной подсветки факела - в будущем могут позволить отказаться от использования мазута на станциях, сжигающих любые виды угля, - от бурого до антрацита. Стоит отметить, что данная технология имеет много недочетов и тонких моментов, которые при внедрении заявляют о себе.

    Системы плазменного воспламенения позволяют  обойтись без дорогостоящих газа и мазута, которые традиционно  используют для растопки котлов и  стабилизации горения пылеугольного  факела. Они обеспечивают стабильное воспламенение, снижение механического  недожога топлива и температурного уровня в камере охлаждения котла. Благодаря  двухступенчатому режиму сжигания топлива (ПТС и топка котла) снижаются  выбросы NOx. Экономический эффект от внедрения ПТС  зависит от соотношения цен на уголь, газ, мазут. В целом  срок окупаемости данного оборудования варьируется от 6 до 18 месяцев.

    Новосибирская инжиниринговая компания ЗАО «СибКОТЭС» также представила плазматроны принципиально новой конструкции - на базе СВЧ-разряда, которые пока находятся на стадии разработки. По сравнению с электродуговыми плазматронами СВЧ-плазматрон имеет ряд таких преимуществ, как большее дробление частиц угля, более интенсивная газификации угля, устойчивое горение угольной пыли и полное выгорание топлива. Плазма локализована в пространстве в виде парящего СВЧ-разряда. В данной конструкции исключается смещение точки горения. Простота и надежность оборудования достигаются за счет отсутствия электродов, дорогого циркулятора, волноводов и элементов подстройки. 

    Плазменная  газификация углей  и сланцев

    Долгое  время плазменная обработка считалась  пригодной лишь для периодических  процессов. Но сейчас ее начинают применять  и в процессах непрерывных, причем сфера их использования постепенно расширяется. Естественно, что для  этого необходимо совершенствовать плазменную технику, и прежде всего увеличивать длительность ее работы.

    Плазма - это нагретый до высокой температуры газ, содержащий, причем в достаточно высокой концентрации, электроны и положительные ионы. В генераторе плазмы - плазмотроне газ (или водяной пар) нагревается электрической дугой. Разность потенциалов между анодом, которым служит корпус аппарата, и вольфрамовым стержнем-катодом около 500 вольт. Электрический разряд проходит по каналу сильно ионизированного газа, и температура в плазменном шнуре достигает 5000-10000°С. При этом катод подвергается бомбардировке тяжелыми положительными ионами. Это приводит к сильному его разогреву и эрозии. Происходит также и эрозия анода. В общем, срок службы электродов в значительной степени ограничивает общий ресурс плазмотрона.

    Сегодня плазмотроны мощностью до 500 кВт  уже могут надежно работать около тысячи часов. Очевидно, такой ресурс вполне достаточен для того, чтобы использовать плазменную технологию в многотоннажных непрерывных производствах, в том числе и для переработки твердого топлива в высококалорийный газ или жидкое горючее.

    Плазменная  технология может найти применение для переработки сибирских углей  с получением синтетического газа или  углеводородного жидкого топлива, которые по трубопроводам будут  транспортироваться в центральные  районы страны. Есть и другие возможности  ее использования. Это газификация  низкосортных местных углей и  сланцев - выработка высококалорийного  газа для электростанций с парогазовыми блоками или газовыми турбинами, которые могут работать при переменной нагрузке; и газификация углей и других топлив в газогенераторах малой мощности - для удовлетворения потребностей предприятий в газовом топливе.

    Во  всех случаях в любой из перечисленных  схем сначала необходимо получить так  называемый синтез-газ - смесь окиси  углерода и водорода, по возможности  свободную от балластирующих газов - азота, двуокиси углерода, кислорода, водяного пара. Поэтому процесс должен идти практически без доступа воздуха, то есть на парокислородном дутье. Это - главное требование, предъявляемое к плазменной газификации твердого топлива.

    Плазменный  генератор для газификации угля представляет собой обычную топочную камеру. Только вместо горелок на стенках  камеры установлены плазменные реакторы с плазмотронами.

    В каждом из плазмотронов смесь водяного пара и кислорода нагревается с помощью электрического газового разряда до температуры в среднем около 3000°С. Горячие газовые струи в реакторе сливаются в раскаленный факел. В этом факеле угольная пыль, поступающая в реактор, с большой скоростью газифицируется - образуется синтез-газ (СО + Н2), который выходит в топочную камеру со средней температурой 1100-1200°С. Как и в обычной котельной установке, в камере и газоходах газ охлаждается примерно до 100°С, улавливаются шлак и зола.

    Мощность  плазмотронов легко регулировать, изменяя  силу тока в цепи. Поэтому в газогенераторе можно автоматически поддерживать температурный режим на заданном оптимальном уровне даже при неизбежных в эксплуатации изменениях качества перерабатываемого топлива. С помощью  плазмотронов достаточно просто изменять мощность газогенератора, пускать его  в работу после плановых или вынужденных  остановок. В этом смысле плазменный газогенератор несравненно удобнее  в эксплуатации, нежели классическая пылеугольная топка.

    Для питания плазмотронов высокопроизводительного газогенератора потребуется электрическая мощность 100-150 МВт. Если использовать плазменные реакторы мощностью около 1500 кВт, на стенках камеры придется установить примерно 80 таких реакторов.

    Плазменный  газогенератор представляет собой  топочную камеру (1), на стенках которой  установлены плазменные реакторы (2) с плазмотронами (3). В плазмотронах с помощью электрического газового разряда разогревается смесь  водяного пара и кислорода. Горячие  газовые струи плазмотронов вдуваются  в реактор, сливаясь в раскаленный  факел. В реакторы поступает угольная пыль. Здесь она газифицируется, а газы выводятся из камеры газогенератора - на охлаждение и очистку. 4 - сепаратор  угольной пыли, 5 - пароперегреватель, 6 - подогреватель воздуха, 7 - энергоустановка  для питания плазмотронов, 8 - подготовка топлива

    Итак, плазменная газификация угля - вещь вполне реальная, даже в крупных  промышленных масштабах. И технические  проблемы, связанные с ограниченным ресурсом плазмотронов из-за эрозии электродов, тоже разрешимы.

      Главные преимущества:

    Полученный  синтез-газ необходимо очищать от сероводорода. Но это значительно  легче, чем избавляться от окислов  серы, непременной составляющей отходящих  газов пылеугольных котельных. Технология удаления сероводорода из газовых смесей освоена и применяется в крупных  масштабах на Оренбургском газовом  месторождении для очистки природного газа - она проще и экономичнее  всех известных методов освобождения от SO2 и SO3. Кроме того, пылеугольные котельные дают примерно в пять раз  больше отходящих газов, чем плазменные газогенераторы.

    Большая единичная мощность плазменного  газогенератора и возможность простой  очистки газа от сернистых соединений в наибольшей мере могут определить перспективность плазменной газификации  для массовой переработки сибирских  углей.

    К. п. д. плазменной газификации приближается к 90%. Его можно еще повысить, если питать плазмотроны энергией атомных электростанций.  

    Подземная газификация угля - новые возможности  для энергетики

    (ПГУ)  — нетрадиционный способ разработки  угольных месторождений, открывающий  новые возможности в отработке  угольных пластов со сложными  горно-геологическими условиями  залегания, совмещающий добычу, обогащение  и переработку угля. Сущность технологии подземной газификации угля заключается в бурении с поверхности земли скважин до угольного пласта, со сбойкой (соединением) их в пласте одним из известных способов, в последующем розжиге (создании управляемого очага горения) угольного пласта и обеспечении условий для превращения угля непосредственно в недрах в горючий газ и в выдаче произведенного газа по скважинам на земную поверхность. Таким образом, все технологические операции по газификации угольного пласта осуществляются с земной поверхности, без применения подземного труда работающих, а разработка угольного пласта происходит экологически приемлемым способом.

    Россия  обладает передовыми позициями в  мире в области подземной газификации  угля.

    К настоящему времени в России разрабатываются  новые, значительно более совершенные  технологии газификации угольных пластов, которые позволят развивать данную технологию на новом, гораздо более  высоком техническом уровне, и  получать при этом горючий газ  со значительно большей теплотворной способностью.

    Сегодня практически во всех крупных угледобывающих странах мира резко возрос интерес  к подземной газификации угля.

    Данная  технология является работо-способной и весьма эффективной и будет неминуемо востребована в период сокращения мировых запасов природного газа и нефти (и сопутствующего данному процессу увеличению рыночных цен последних). Сегодня можно утверждать, что такое время уже наступило, поэтому развитие подземной газификации угля рассматривается в мире как возможность получения дефицитного и недорогого газообразного топлива.

    Расчетное значение себестоимости производимой на таком предприятии электроэнергии - 0,45 руб./кВт.ч.

    Срок  окупаемости средств, затраченных  на строительство предприятия данного  профиля, составляет 2-2,5 года.