"Повышение эффективности использования энергоресурсов
Украины" А.В.Пешко, Н.Г.Белопольский, Д.К. Турченко./МАКСИМАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
УГЛЯ - ОСНОВНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СЫРЬЯ УКРАИНЫ/-Киев, 2005 с 23-29.

 

Уголь — является самым крупным ископаемым топливом в мире. В докладе Международного горного конгресса «Об обеспеченности твердым энергосырьём» (г. Мюнхен) отмечалось, что в настоящее время 2/3 мировой потребности в энергии покрывается нефтью и природным газом, запасы которых не превышают 20% ископаемого топлива. Остальные 80% запасов приходятся на уголь. С учетом уменьшения запасов нефти и природного газа уголь в будущем должен играть ведущую роль в электроэнергетике и в промышленности, а также как заменитель нефти и природного газа в производстве тепла и в качестве сырья, так как углерод и водород, входящие в состав угля, являются богатым источником молекулярных «строительных блоков», из которых могут создаваться различные жидкие топлива и ценные химические продукты. По оценкам специалистов,1 тонна угля эквивалентна 0,6 куб. м нефти. Прирост потребления энергии удастся покрыть главным образом посредством увеличения использования угля. К этому нужно добавить, что многие государства являются импортерами нефти и газа, в том числе и Украина, а ситуация на мировом рынке, его стабильность зависит от политики небольшого числа основных стран-экспортеров. Поэтому с момента появления в 30-х гг. технологий, позволяющих получать из угля те же химические продукты и топлива, что из нефти, в мире наблюдается к ним постоянный интерес: их совершенствуют, внедряют полностью или частично, разрабатывают совершенно новые процессы, соответствующие последним достижениям науки и техники. Причем, если еще 20 лет назад этот интерес переживал спады и подъемы, в основном в зависимости от ситуации на мировом рынке нефти и газа, то последние два десятилетия наблюдается устойчивый рост инвестиций, исследований, разработок, направленных на устранение тех факторов, которые не позволяют углю и продуктам его переработки успешно конкурировать с нефтью и газом. Среди этих факторов нужно выделить три основных.

1. Значительные затраты и сложность добычи и транспортировки угля при серьезном воздействии на окружающую среду. Только при транспортировке угля в железнодорожных вагонах теряется 1,5-2,0% топлива.
2. Большие затраты на компенсацию экологического ущерба от добычи и переработки угля, по сравнению с другими видами органических топлив.
3. Исторически препятствием к производству жидких продуктов из угля, служили высокие затраты на их получение, так как процессы предварительной подготовки и переработки угля для этого не могли конкурировать с процессами, которые используются для переработки сырой нефти, стоимостью 20 долларов за баррель, тогда как стоимость жидких продуктов из угля, в 1970 г. оценивалась в 60 долл./баррель. Но интенсивные работы в течение последних лет по усовершенствованию процессов получения жидких продуктов из угля обеспечили снижение затрат до 35 долл./ баррель. Мощным стимулом такой деятельности явилось и то, что моторные топлива, полученные из угля по новым технологиям, не содержат ароматических углеводородов и серосодержащих компонентов, а их смеси с оксогенатами, также полученными из угля, признаны как самые перспективные топлива, соответствующие не только самым жёстким современным стандартам, но и прогнозируемым стандартам по защите окружающей среды. С экономической точки зрения, по мнению американских специалистов, снижение затрат на производство жидких продуктов из угля до 30 долл./баррель, а для этого на сегодняшний день нет технических и технологических препятствий, окажет демпфирующее влияние на цены сырой нефти на мировом рынке.

Поэтому в настоящее время целый ряд стран, располагающих собственными запасами угля, разработали свои национальные программы по переработке угля, с учётом современных экологических требований. Создан ряд международных ассоциаций в этом направлении. Имеет смысл процитировать часть программы, разработанной департаментом энергетики США:

«Цель: К 2015 году разработать и внедрить коммерчески оправданные технологии, которые могут превращать уголь, биомассу и углеродсодержащие отходы в ценные моторные топлива и химические соединения.

При этом достигается:

Увеличение использование угля - нашего национального, наиболее крупного ископаемого топлива. Уменьшение торгового дисбаланса США из-за увеличивающейся зависимости от импорта нефти. Уменьшение выбросов в атмосферу в результате использования более высококачественных топлив из угля, по сравнению с нефтяными.
Повышение конкурентоспособности американских технологий на мировом рынке как залога дальнейшего экономического роста.

Резюме:
Соединённые Штаты потребляют около 2 млн. м3 нефти в день, половина из которой обеспечивается импортом. Наша опора на иностранную нефть, по прогнозам, может достигнуть к 2015 году 60% нашего потребления. Это ставит под угрозу нашу экономику и делает нас зависимыми от регулярности поставок.

С того момента, как мы в состоянии обеспечивать свою экономику только наполовину собственной нефтью, и перед лицом увеличивающейся конкуренции на рынке ограниченных запасов мировой нефти, США должны искать альтернативы. Чтобы достигнуть энергетической безопасности, защитить себя от растущих цен и уменьшить нашу зависимость от иностранной нефти, важно развить возможность максимально использовать наши богатые запасы угля, составляющие 94% всех ископаемых топлив страны.»

В рамках этой программы в США разработан долгосрочный проект ССТ — «технологии чистого угля», который предусматривает превращение угля за счёт наземной и подземной газификации, деструктивной гидрогенизации и биохимических процессов, в очищенные от вредных примесей жидкие или газообразные продукты, которые могут быть использованы для получения тепла, электроэнергии, производства моторных топлив и ценных химических продуктов. Основные направления этой программы следующие:

В энергетике:

 Модернизация существующих электростанций и строительство новых на основе 1ССС технологии, предусматривающей замену прямого сжигания угля на газогенераторы и комплекс газовых и паровых турбин (коэффициент использования угля при этом увеличивается с 33-35% до 60%, для сравнения, при использовании природного газа, этот коэффициент 45-55%). Такие электростанции имеют более низкие капиталовложения при более высоких показателях экологической безопасности и обеспечивают снижение себестоимости электроэнергии до 25%.

Получение электроэнергии за счёт «топливных элементов», использующих газы газификации. Для получения необходимых водорода и кислорода в выше указанных процессах, предусмотрена замена криогенных технологий рассекреченными мембранными технологиями, применяемыми в производстве ядерного оружия.

В производстве моторных топлив и химических веществ:

Применение усовершенствованных технологий по газификации угля и синтезов на основе синтез — газа, для получения экологически чистых моторных топлив и ценных химических продуктов (метанол, оксогенаты, диметиловый эфир и т. д.). Объединение вышеуказанных процессов в единый энергохимический комплекс для получения тепла, электроэнергии и химических продуктов.

В металлургии:

Замена к 2010 г. 40% угля, используемого в получении доменного кокса для производства чугуна газами, полученными при газификации угля и за счет дальнейшего внедрения технологии прямого восстановления железа. Интеграция процессов прямого восстановления железа с получением электроэнергии.

Разрабатывая эти направления для своего внутреннего рынка, США ставят и другую задачу. По их оценкам, в ближайшие 10 лет объём рынка технологий и оборудования по получению «чистого угля», составит 870 млрд. долл., и американские фирмы рассчитывают получить его долю в размере 257 млрд. долл., что в свою очередь «позволит создать новые высокооплачиваемые рабочие места и обеспечить дальнейший рост экономики».

Касаясь концепции поиска альтернативных нефти и газу топлив, необходимо отметить, что эта проблема была решена в Германии во время второй мировой войны, в ЮАР, внедрившей технологию SASOL (переработка 40 млн. тонн/год низкокачественного угля для получения более 6 млн. тонн синтетического топлива), в Новой Зеландии, использующей технологию МОВIL для получения бензина из метанола, что позволило сократить импорт нефти на 50% и Бразилии — получение этилового спирта для моторных топлив из растительного сырья. И если в первых двух странах внедрение технологий получения моторных топлив из угля определялось в первую очередь политикой — стратегическими интересами, без учёта экономических факторов, то в Новой Зеландии и в Бразилии экономические аспекты в этих программах были преобладающими, но и при этом ведущая роль в этих процессах принадлежала правительству.

Вышеизложенное подчёркивает тот факт, что успех этих программ обеспечен правильной государственной политикой в стимулировании этих направлении, с одной стороны, и жёстким правительственным контролем за их осуществлением, вплоть до формирования цен, с другой. Так и упоминавшаяся выше программа департамента энергетики США предусматривает государственное финансирование исследований и технологий по переработке угля, создание условий привлечения частного капитала в эти разработки с целью создания, в конечном итоге, коммерчески оправданных и при этом отвечающих стратегическим интересам страны проектов и технологий для последующей передачи их фирмам.

Такое внимание к зарубежным программам по новым технологиям переработки угля было уделено, чтобы указать на мировые тенденции в этой области и подчеркнуть тот факт, что это всё актуально и для Украины, с одной стороны располагающей богатыми запасами угля, а с другой имеющей экономику, состояние которой зависит от импорта нефти и газа. Сегодня только в электроэнергетике простаивает 50% энергоблоков тепловых электростанций из-за отсутствия газа и мазута. Но, определив как стратегическое направление — максимальное использование угля в народном хозяйстве и опираясь на существующий научно-технический и производственный потенциал, в Украине вполне реально осуществить вышеуказанные технологии и создать достаточные условия для обеспечения энергетической независимости государства.

Украина располагает геологическими запасами угля более 120 млрд. тонн, что в пересчёте на нефть в полтора раза превышает самые крупные запасы нефти, сосредоточенные на Ближнем Востоке. Исходя из этого, угольное направление для Украины не имеет альтернативы и является гарантом обеспечения энергетической и соответственно экономической независимости страны. Исходя из мировых тенденций, направленных на развитие экологически безопасных технологий по переработке угля в ценные топливные и химические продукты и уровня научно-технического потенциала Украины, предлагаем создать Государственную программу по максимальному использованию угля для замены импорта нефти и газа. Базовыми технологиями такой программы должны стать энергохимические комплексы подземной газификации угля и установки пиролиза — газификации углеродсодержащих отходов углеобогащения с использованием инфраструктуры коксохимических заводов. Определённые на сегодняшний день запасы угля для подземной газификации, составляют более 24 млрд. тонн, угольная и коксохимическая промышленность ежегодно производит «запасы» углеродсодержащего сырья в объёме 80 млн. тонн, создавая серьёзные экологические проблемы.

Предприятие подземной газификации мощностью по переработке 1 млн. тонн угля, может производить 3 — 4 млрд. м3 газа, достаточного для обеспечения электростанций мощностью 300 МВт или производства 250 тыс. тонн бензина или его компонентов при более низких затратах (в 2,5 раза) на создание такого предприятия, по сравнению с угольной шахтой или разрезом, при соблюдении современных требований экологической безопасности. Переработка 1 млн. тонн углеродсодержащих отходов позволяет получить более 100 тыс. тонн ценных химических продуктов и более 150 тыс. тонн моторных топлив и их компонентов.

Ориентация Украины на максимальное использование собственных запасов угля с применением современных технологий его переработки, максимально учитывающих защиту окружающей среды, позволило бы:

• Решить проблему обеспечения собственными энергетическими и химическими сырьевыми ресурсами и получить возможность более свободно регулировать импорт нефти и газа.
• Обеспечить более быстрое вхождение Украины в мировое сообщество, так как такая программа Украины соответствовала бы политике мирового сообщества и может рассчитывать на его поддержку.
• Максимально использовать научно-технический и промышленный потенциал страны и её трудовые ресурсы.
• Решить экономические и социальные проблемы, связанные с закрытием шахт. Обеспечить экономический рост и политическую стабильность за счёт оживления производства, создания рабочих мест, увеличение поступлений в бюджет.

В Украине для решения задач по переработке угля в жидкие и газообразные продукты, отвечающие современным требованиям, необходимо выделить три основных направления:

1. Наземная и подземная газификация угля.
2. Деструктивная гидрогенизация угля — технология прямого получения жидких продуктов из угля под давлением водорода и в присутствии катализаторов.
3. Биохимические процессы — технологии переработки угля в жидкие и газообразные продукты с помощью микроорганизмов, применение биореакторов для очистки и переработки газов и жидкостей, полученных при газификации или гидрогенизации угля, целевое выделение редких химических веществ. Это направление является наиболее перспективным, но пока недостаточно проработанным для промышленного освоения.

Из этих технологий для реализации, как мы отмечали во введении, наибольший интерес представляет газификация угля — высокотемпературный процесс взаимодействия углерода топлива с окислителями (воздух, кислород, водяной пар), проводимый с целью получения горючих газов (водород, окись углерода, метан). Регулируя этот процесс, можно получать газовые смеси различного состава, из которых наибольшее значение имеет синтез — газ как базовый продукт для получения топливных газов и синтеза моторных топлив и ценных химических соединений (рис. 4.1). Несмотря на то, что синтез-газ по теплоте сгорания уступает природному газу (3,4-8,6 Мдж/м3 и 34,7 Мдж/м3 соответственно), его конкурентоспособность в энергетике подтверждена многолетним опытом (табл. 4.2), а в качестве сырья для химического синтеза он превосходит природный газ, так как используется напрямую, без предварительной дорогостоящей обработки. Важность процесса газификации в его универсальности — он может быть использован для переработки самых разных видов углеродсодержащего сырья и отходов, среди которых отвальные продукты углеобогащения, тяжелые остатки нефтепереработки и органического синтеза, не перерабатываемые полимерные отходы, отработанные шины, бытовой мусор и т. п. Таким образом, создавая инфраструктуру газификации угля для получения синтез — газа и его последующей переработки, мы получаем дополнительные источники сырья, которые не нужно добывать и которые постоянно растут, создавая огромные экологические проблемы.

Для реализации программы газификации угля в Украине предлагаем использовать следующие технологии, основанные на газификации углеродсодержащего сырья:

1. Подземная газификация угля.
2. Пиролиз и газификация углеродсодержащего сырья отвальных продуктов, углеобогащения с использованием инфраструктуры коксохимических заводов