Нова робота для застарілого палива

З непопулярного сьогодні бурого вугілля можна одержувати якісне пальне, довели київські вчені.

Верховна Рада України визначила молодих учених — лауреатів премії ВР. Серед них — Олексій Косячков, кандидат технічних наук старший науковий співробітник Інституту вугільних енерготехнологій НАНУ.

Повернення

— Моя робота присвячена проблемі одержання мотор­ного палива й газу з бурого вугілля, — говорить Олексій. — У нашій країні цю корисну копалину зараз не видобувають. Основна причина — відсутність ринку збуту. Але ж за часів Радянського Союзу в Україні з кар’єрів, розрізів видобували до 7 мільйонів тонн бурого вугілля на рік. Його використовували в котельнях для одержання тепла та електрики, приблизно 5 мільйонів тонн ішло на виробництво брикетів для продажу населенню, особливо в сільські райони. Однак тоді вартість природного газу була досить низькою, і в різних котельнях було вигідніше спалювати газ, а не буре вугілля. Від печей на цій сировині населення теж відмовилося. Нашу країну посадили на «газову голку»…

Як наслідок — підприємства з видобутку бурого вугілля закрилися, не витримавши конкуренції. А от ціна на газ різко підвищилась, однак буровугільну галузь уже було ліквідовано, кар’єри й розрізи затоплені водою. Що ж, саме час згадати, що Україна багата на цей природний ресурс, і знайти нові методи його використання, адже, за розрахунками вчених, у країні можна видобувати до 20 мільйонів тонн на рік цього палива, — переконаний учений.

У той же час буре вугілля в порівнянні із чорним — більш низької якості. Спалювати його за старою технологією непросто — як на електростанціях, так і в малих котельнях. Знайти нові способи застосування забутій сировині вирішили в Інституті вугільних енерготехнологій: якщо буре вугілля складно використовувати для  спалювання,  можна спробувати одержати з нього моторне паливо або газ.

На першому етапі досліджень під керівництвом ­старшого наукового співробітника інституту Миколи­ Чернявського ставили завдання одержати рідке моторне паливо. Ідея не нова. У Велику Вітчизняну війну, наприклад, весь синтетичний бензин німці виробляли саме з бурого вугілля. У ПАР у період нафтової блокади до 40% споживаного рідкого ­палива також одержували за такою технологією.

Із багатьох причин цю тему в інституті поки відклали. Насамперед тому, що отримане для дослідів буре вугілля виявилося дуже вологим: українські родовища відрізняються високим умістом вологи — близько 55%. Зовні це розсипчаста землиста маса, а якщо стиснути її в руці — потече вода. Друга проблема, що постала перед ученими, — підвищений уміст сірки, і третя — високий відсоток кисню.

Як спалити мокру землю?

— Ми поставили інше завдання — одержати з бурого вугілля горюче паливо у вигляді газу, — розповідає Олексій Косячков.
— Після обробки його можна було б накачувати в балони для автомобілів, використовувати в привідних двигунах внутрішнього згоряння. Нам удалося створити дослідну установку, що давала газ калорійністю 27 мегаджоулів на 1000 кубів. Це непоганий результат. У метану, для порівняння, калорійність може досягати 34 мегаджоулі. Тепер треба було перейти до більш масштабної установки. Проаналізувавши всю схему, дійшли висновку, що варто спробувати встановити піролізер у контурі апарата так званого атмосферного циркулюючого киплячого шару (ЦКШ). Ця технологія досить відпрацьована, на ній функціонує енергоблок на Старобешівській теплоелектростанції потужністю 200 мегаватів.

— У чому новизна ваших рішень із застосування цієї технології?

— Спочатку про сам процес. У реактор через подові ґрати знизу подається повітря. Воно піднімає із шару палива частинки вгору, і сила ваги врівноважується напором повітря. Частинки відразу падають назад у шар палива, створюється ілюзія його кипіння, тому й назва така. Пройшовши процес горіння в шарі, частинки піднімаються нагору топкою й потрап­ляють у циклон, де за рахунок відцентрових сил відбувається випадання великих незгорілих частинок, і вони повертаються назад у шар на ґрати. Очищений газопиловий потік спрямовується в конвективну шахту й потім проходить очищення в електрофільтрах. За рахунок постійної циркуляції частинок у котлі досягається максимальний випал палива й скорочується викид твердих частинок у атмосферу. Разом із паливом на рухливі ґрати подається вапняк, який зв’язує утворені оксиди сірки SОх. 

Топки із циркулюючим кип­лячим шаром відрізняються більш високим ступенем вигоряння палива (приблизно 99% проти 90—95% у котлів зі стаціонарним киплячим шаром). Технологія ЦКШ добра ще й тим, що в ній можна використовувати менш якісне паливо: спалювання відбувається за більш низьких температур, отже, оксиди азоту утворюються в набагато меншій кількості. 

Ми вирішили зупинитися на цій технології. В енергетичних установках енергія береться шляхом передачі тепла від палаючого вугілля робочому тілу – парі, яка потрапляє на лопаті звичайної турбіни, що вироб­ляє електроенергію. У міру перебування в киплячому шарі частинки палива вигоряють, піднімаються потоком повітря у верхню частину топки й потрапляють в уловлювальну апаратуру. Звідти вони повертаються в топку, у киплячий шар. От у цей тракт рециркуляції ми й установили піролізер. Він являє собою посудину, в яку подається буре вугілля, зверху надходить гаряча зола. Вони змішуються, відбувається нагрів вугілля до температури близько 500°С, при цьому виділяються горючі леткі речовини — так званий піролізний газ.

Антрацит відпочиває…

— Розкажіть про сам процес утворення газу з вугілля.

— Якщо вугілля нагріти до 100°С, спочатку виділятиметься водяна пара — суміш підсушується. Після подальшого підвищення температури відходять приєднані гази, у тому числі метан. Частина піролізного газу йде на підтримку роботи самого реактора, а частина передається споживачеві. Прогрів триває далі, і за температур близько 500—600°С виділяються смоли. Полікарбонатна структура бурого вугілля перетворюється на карбонатну, на коксо-зольний залишок.

Буре вугілля для газифікації — перша справа! Вихід летких складових із нього — близько 60%, тоді як в антрацитах він не перевищує 10%.

— Апаратуру для дослідів використовували відому чи застосовували свої розробки?

— У принципі, технологія ЦКШ досить поширена у світі. Але вставити в ланцюжок піролізер — наше ноу-хау. Зараз ми працюємо над удосконаленням цієї схеми, ставимо апарат у контур циркуляції гарячої донної золи. Основна проблема, яку поки не вдається вирішити, полягає в тому, що гази, одержувані під час піролізу, погіршують умови рециркуляції золи. І це дійсно серйозна проблема. Але й без її вирішення ми одержали добрий результат. По-перше, доведено, що наша схема працездатна. По-друге, досягнуто добрий вихід піролізних газів: із тисячі кілограмів бурого вугілля ми одержуємо 600 кілограмів горючих речовин. Для порівняння: з антрациту можна одержати лише 100.

— Уже є досвід упровадження вашої установки?

Зараз у нас в інституті ­реалізований проект «Передтопок». Перед звичайним газовим котлом установлюється компактна апаратура, яка працює на бурому вугіллі. У ній відбувається пряме спалювання вугілля, і процес організований так, що теплову потужність опалювального котла можна набрати тільки за рахунок вугілля, без газу. Уже є замовлення на таку модернізацію.