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 2002 году 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 электростанциях.

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 так же диктует необходимость совершенствования технологий в использовании топлива.

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. т 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. (Подробнее с описанием комплекса углепровода можно ознакомиться в книге «Производство и использование водоугольного топлива», авторы В. Е. Зайденварг, К.Н.Трубецкой, В. И. Мурко, И. Х. Нехороший. Москва, изд. Академии горных наук, 2001 г.)

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 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, Co-Al – 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 %. В связи с частыми перерывами в эксплуатации углепровода (аварийные остановки шахты «Инская», вывод ТЭЦ- 5 до 7 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. В итоге решением Межведомственной комиссии Минэнерго России в конце 2003 года было признано нерациональным его восстановливать и рекомендовано продать по частям. Что в настоящее время и делается.

Полученные при испытаниях и эксплуатации первого российского углепровода результаты доказывают правильность заложенных в него решений, работоспособность всех его технологических цепочек и узлов, а также рациональность и эффективность прямой подачи и сжигания водоугольной 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 вынуждает китайцев ориентировать развитие своей энергетики на угольное топливо. В то же время ужесточающиеся требования к охране окружающей среды усложняют правила его использования. По имеющимся данным, в мегаполисах Китая запрещены строительство и эксплуатация котельных, работающих на твердом угле. Государственной программой Правительства Китая на 10-ю пятилетку (2001-2005 г г.) предусмотрен поэтапный перевод предприятий с нефтегазового на водоугольное топливо. Это позволит сократить импорт нефти более чем на 70 млн. т, а мазута – на 20 млн. т в год., что уменьшит 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. К концу 2002 года планировалось довести мощности по их производству до 10 млн. т, а в ближайшие 20 лет – до 100 млн. т в год. Поэтому российских специалистов пригласили к участию в реализации этих проектов в Китае.

Российская сторона, кроме поставок запрашиваемых китайцами оборудования и материалов для строительства проектируемых комплексов, взяла на себя разработку проектной и конструкторской документации на создание котлов малой и средней мощности (менее 35 т пара в час), работающих как на мазуте, так и на водоугольной суспензии, а также котлов, оборудованных плазмотронами для ее розжига, и высокостойкими горелками и приборами регулирования количества подачи суспензии в котел. Российские специалисты по заказу китайской стороны дали согласие на разработку технологии и технических средств для транспортировки водоугольного топлива трубопроводами большой протяженности и танкерами с надежной системой контроля устойчивости суспензии, исключающей выпадение осадка при транспортировке и длительном (более 30 суток) хранении.

Однако с остановкой углепровода «Белово – Новосибирск» и прекращением на нем каких-либо работ, а также в связи с общим сокращением научно-исследовательских работ в России достигнутые договоренности с китайской стороной остались нереализованными. 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 предполагается направить 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. При росте цены на нефть до 35 долларов за баррель и снятии ограничений на строительство углепроводов прогнозируется начало интенсивного применения водоугольного топлива в различных областях промышленности.

При отсутствии у нас общей скоординированной программы разработка водоугольных топлив и проектирование установок для их использования сосредоточены в нескольких не связанных между собой организациях - ФГУП « НПО «Экотехника» (г. Новокузнецк), ФГУП «Институт горючих ископаемых», ОАО «Корпорация Компомаш», ГУП НПО «Гидротрубопровод» (все в Москве). Несмотря на скудное финансирование и отсутствие надлежащей материальной базы, в течение последних лет ими улучшены характеристики водоугольных суспензий, разработан автоматизированный экспресс-метод определения гранулометрического состава в них углей, создана новая технология приготовления суспензий в аппаратах волновой вибротехники, разработаны к ним присадки и др.

С учетом выполненных работ проведены опытно-промышленные испытания по сжиганию ВУТ в малых котлах мощностью от 1 до 23, 2 МВт, предназначенных для коммунальной сферы. На производственной базе «НПО «Экотехника» создан испытательный стенд, позволяющий подобрать и сертифицировать желаемый сорт водоугольного топлива по заявке заказчика. В «Корпорации «Компомаш» создан аппарат одноэлектродного плазменного розжига и поддержания постоянного горения композиционного топлива.

По заключению «ЦНИЭИуголь» на основе « выполненных в последнее десятилетие научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ нашими разработчиками создана технология производства экологически чистого водоугольного топлива (ЭКОВУТ) с использованием практически любых сортов угля, которое конкурентоспособно с твердым углем, а также жидким и газообразным топливом ». Создание ЭКОВУТ основано на использовании малоэнергоемких механо-химических и механических процессов переработки исходных компонентов. При этом не используются чисто химические и термические процессы.

Созданное топливо является топливом нового поколения, искусственным видом композиционного топлива из угля и воды с участием пластификаторов. В основе процесса его приготовления лежит механохимическая активация, в ходе которой разрушается структура угля как природной «горной» массы. Уголь как бы распадается на отдельные органические и минеральные составляющие, но уже с активной поверхностью частиц твердой фазы. Исходная вода также претерпевает ряд превращений, в результате чего образуется химически активная дисперсная среда, насыщенная компонентами ионного и катионного вида.

В процессе производства топливо может быть деминерализовано для снижения зольности до 0,5-1,5% и использоваться вместо мазута и природного газа в качестве моторного топлива в газотурбинных и дизельных двигателях, в котлах не оборудованных системами золоудаления. Важнейшей особенностью ЭКОВУТ является возможность производства его со свойствами, задаваемыми потребителем, для конкретных, в том числе действующих агрегатов (котлов, печей и других). Оно может использоваться как энергетическое, так и технологическое топливо, например, в металлургии. Закономерности горения ЭКОВУТ существенно отличаются от традиционных видов топлива. Дисперсная среда, выполняя роль промежуточного окислителя, практически на всех основных стадиях его горения активизирует поверхность частиц твердой фазы.

Поэтому воспламенение распыленных капель начинается не с воспламенения летучих паров, а с гетерогенной реакции на их поверхности, в том числе с водой и водяным паром. Активация поверхностных частиц капель приводит к снижению температуры воспламенения водноугольной суспензии по сравнению с воспламенением угольной пыли: для топлив из антрацита – в 2 раза, из угля марок Г и Д – в 1,5-1,8 раза, а для топлив из бурых углей она снижается до 300-325 °С. Воспламенение ЭКОВУТ при правильной организации процесса горения начинается сразу же после его распыления, как говорят на «срезе форсунки», т. е. до испарения ощутимой доли массы дисперсной среды. Процесс горения ЭКОВУТ характерен высокой полнотой выгорания топлива (98-99,7%), малыми избытками воздуха (3-7%). В связи с особенностями процесса горения, протекающими в полувосстановительной среде при относительно высоких концентрациях водяного пара, топливо сгорает без выбросов продуктов монооксида углерода, вторичных углеродов, сажи и канцерогенных веществ. Резко сокращается образование и выбросов твердых частиц микронных фракций ( до 80-95%), оксидов серы ( до 70-85%) и оксидов азота ( до 80-90%).

Разработанные и апробированные в промышленных условиях технологии сжигания ЭКОВУТ применимы для камерного сжигания, для сжигания в кипящем слое и с тепловой внешней стабилизацией зоны воспламенения ( при сжигании смесей с высоким содержанием минеральных компонентов ). Основным способом сжигания ЭКОВУТ является камерное сжигание. Единственное условие, затрудняющее его реализацию,– необходимость обеспечения температуры газов в зоне воспламенения не менее 800-900 °С ( при антраците – 1000 0С). Тепловая стабилизация зоны воспламенения во время розжига может быть обеспечена мазутным или газовым факелом, дугой плазмотрона или другими методами. Способ отрабатывался на Беловской ГРЭС в Кузбассе и в котлах ТЭЦ-5 г. Новосибирска.

Способ сжигания в кипящем слое позволяет использовать топливо в очень маленьких отопительных котлах (0,1-0,5 МВт) без существенной их модернизации. Применение его резко сокращает унос твердых частиц из слоя и существенно повышает эффективность использования топлива. В случае энергетических котлов, переоборудованных для применения этого способа, достигается успешное применение высокозольных смесей – до 80-90% (по сухому углю). Сжигание в кипящем слое отработано в котле НР-18 котельной с. Ульяново Московской области. В начале 2000 г. котел сдан в постоянную эксплуатацию.

Способ сжигания ЭКОВУТ над слоем горящего угля отработан на Анжерской ТЭС и в котельной шахты «Инская» в Кемеровскай области. Описанное новое топливо уже сегодня конкурентоспособно как по отношению к потребляемому углю, так и по отношению к жидкому и газообразному топливам. Стоимость ЭКОВУТ, готового для прямого использования, в расчете на тонну условного топлива, ниже стоимости мазута в 2-4 раза и не превышает 15-20% цены исходного угля на месте его добычи.

Таким образом, ЭКОВУТ является готовым для использования в котлах и печах топливом и не требует специальной подготовки перед его сжиганием. Оно обеспечивает работу котлов в расчетных режимах даже при изменении качества исходного угля. Технологии производства, хранения, транспорта и использования ЭКОВУТ относительно просты и могут быть полностью автоматизированы. Кроме того, они полностью безотходны и экологически чисты, позволяют организовывать их размещение на любой территории страны. С использованием ЭКОВУТ снимаются проблемы взрыво- и пожароопасности, очистки поверхностей нагрева от отложений, а также отпадает надобность улавливания летучей золы микронных фракций, выделяющейся из продуктов сгорания. Это существенно снижает эксплуатационные затраты, в том числе плату за вредные выбросы, и повышается эффективность использования угля как источника энергии. По мнению аналитиков, при сжигании добытых углей и сланцев в наземных энергетических установках, заключенная в них энергия используется в лучшем случае на 40 – 45 %, а обычно – на 12 – 25 %. Остальная расходуется на добычу, транспорт, переработку и хранение угля, а также на очистку выбросов от его сжигания.

Применение ЭКОВУТ позволяет избежать части этих потерь. Промышленное использование такого топлива с вовлечением в его изготовление угольных шламов, кроме экологического эффекта, даст возможность угольной промышленности получить также дополнительные ресурсы и время для реконструкции и обновления производственных мощностей действующих угледобывающих предприятий, обезопасит от недостатка электроэнергии регионы.

Несмотря на фактическое прекращение государственного финансирования научно -исследовательских и опытно - конструкторских работ по этому направлению, интерес к получению и использованию ЭКОВУТ проявляют основные потребители угля - владельцы небольших коммунальных и промышленных котельных, а также угледобывающие компании. В частности, по заказу Управляющей угольной компании «Прокопьевскуголь» «НПЦ «Экотехника» ведет строительство котельной на шахте «Тырганская» с установкой паровых котлов КЕ-10, работающих на ЭКОВУТ. При эффективных результатах ее эксплуатации компанией планируется строительство группового пункта для приготовления и подачи такого топлива на все котельные Прокопьевска. Кроме ожидаемого эффекта от ликвидации угольных складов у котельных, грязных выбросов из дымовых труб, не говоря уже об улучшении труда кочегаров, внедрение ЭКОВУТ позволит использовать угольные отложения всех хвостохранилищ района и ликвидировать экологическую загрязненность города.

Такое решение руководителей компании, согласованное с руководителями города, вписывается в общую программу администрации Кемеровской области по переводу коммунальных котельных на водоугольную суспензию и использование для ее изготовления угля из хвостохранилищ шахт, а также из накопившихся в отходах в целом по бассейну в количестве около 27 млн. т. «Экотехника» разрабатывает также проект перевода угольной котельной на ЭКОВУТ по заказу ОАО «Хлеб» в Новокузнецке. Центром по внедрению водоугольного топлива в Кузбассе, созданным по инициативе администрации Кемеровской области, выполняются работы по промышленному испытанию котла КВТС – 20 в котельной шахте «Инской» (г. Белово). Владельцем шахты «Белон», во время ее реконструкции на базе котельной намечено построить теплоэлектростанцию мощностью 25 МВт с использованием ЭКОВУТ из отходов углеобогащения.

«Корпорация «Компомаш» и «Гидротрубопровод» в настоящее время проводят проектные работы по переводу ряда котельных с мазутного и газового топлива в Воркуте, Воскресенске Московской области, а также в ряде стран СНГ. При реформировании ЖКХ такие проекты могут быть широко использованы во многих регионах.

К сожалению, использование водоугольного топлива пока не нашло себе места в большой энергетике. Несмотря на то что затраты на производство 1 МВт.ч электроэнергии, по данным ЦНИЭИуголь, с использованием такого топлива при транспортировке его углепроводами ниже расходов, чем при пылевидном сжигании угля, доставленного железнодорожным транспортом, особенно на дальние расстояния ( при дальности доставки на 100 км до 12 %, на 1000 км –22-32 %, 4000 км – 47-65 % ), углепроводы не строятся и водоугольное топливо на действующих тепловых электростанциях не используется. Дело в том, что использование ЭКОВУТ вместо прямого сжигания угля, газа, мазута требует крупных первоначальных капиталовложений, особенно на первом этапе внедрения его в промышленное использование.

Частные угольные компании и акционерные общества энергетиков не в состоянии самостоятельно решить эту задачу и не проявляют заинтересованности в объединении для этого своих ресурсов. Поэтому при определении базовых электростанций для их перевода на альтернативные виды топлива за счет применения новых технологий из 12 рассмотренных ГРЭС и ТЭЦ лишь четырем из них - Беловской ГРЭС, Томь-Усинской ГРЭС, Новосибирской ТЭЦ-5 и Интинской ТЭЦ – были выданы рекомендации о переводе их на ЭКОВУТ. Однако, работы по их переоборудованию так и не начаты. Хотя, как указывалось выше, ТЭЦ-5 имеет соответственно оснащенные котлы.

Практика показывает, что такая задача без государственного и регионального участия решена не будет. Государственное внимание требуется и самой угольной отрасли. Несмотря на то, что Энергетической стратегией предусмотрено сохранить за газом положение основного источника первичных энергоресурсов, перед угольной промышленностью поставлена задача значительного увеличения объемов добычи. Однако капиталовложения в нее в последние годы не покрывают и половины потребности отрасли, обеспечивая на многих предприятиях лишь простое воспроизводство. Использование новых технологий сжигания угля с привлечением его запасов в хвостохранилищах и отходах углеобогатительных фабрик и трубопроводной транспортировкой являются одними из путей увеличения эффективности использования угольного топлива.

Авторы считают, что достижение установленных Энергетической стратегией России на период до 2020 года показателей по производству всех видов энергии, а также по структурно сбалансированной добыче и поставке энергоресурсов может быть осуществлено только при реализации детально проработанных и сбалансированных программ развития и технического перевооружения отраслей ТЭК, прежде всего угольной промышленности и энергетики. Программы должны содержать анализ и оценку научно-обоснованных перспектив, направлений и приоритетов их развития, предусматривать внедрение средств технологического и технического оснащения предприятий, а также условия привлечения инвестиций как внутри страны, так и зарубежных. Назревшая проблема по частичной замене природного газа, нефти и угля на водоугольное топливо должна решаться специальной государственной программой.