Новая работа для устаревшего топлива
Из непопулярного сегодня бурого угля можно получать качественное горючее, доказали киевские ученые.
Верховная Рада Украины определила лауреатов премии ВР среди молодых ученых. В их числе — Алексей Косячков, кандидат технических наук старший научный сотрудник Института угольных энерготехнологий НАНУ.
Возвращение
— Моя работа посвящена проблеме получения моторного топлива и газа из бурого угля, — говорит Алексей. — В нашей стране это полезное ископаемое сейчас не добывают. Основная причина — отсутствие рынка сбыта. А ведь во времена Советского Союза в Украине из карьеров, разрезов доставали до 7 миллионов тонн бурого угля в год. Его использовали в котельных для получения тепла и электричества, примерно 5 миллионов тонн шло на производство брикетов для продажи населению, особенно в сельские районы. Однако тогда стоимость природного газа была довольно низкой, и в котельных разного рода оказалось выгоднее сжигать газ, а не бурый уголь. От печей на этом сырье население тоже отказалось. Нашу страну посадили на «газовую иглу»…
Как следствие – предприятия по добыче бурого угля закрылись, не выдержав конкуренции. Но вот цена на газ резко пошла вверх, однако буроугольная отрасль уже была ликвидирована, карьеры и разрезы затоплены водой. Что ж, самое время вспомнить, что Украина богата этим природным ресурсом, и найти новые методы его использования, ведь, по расчетам ученых, в стране реально можно добывать до 20 миллионов тонн в год этого топлива, — убежден ученый.
В то же время бурый уголь по сравнению с черным — более низкого качества. Сжигать его по старой технологии непросто — как на электростанциях, так и в малых котельных. Найти новые способы применения забытому сырью решили в Институте угольных энерготехнологий: если бурый уголь сложно использовать для простого сжигания, то можно попробовать получить из него моторное топливо или газ.
На первом этапе исследований под руководством старшего научного сотрудника института Николая Чернявского ставили задачу получить жидкое моторное топливо. Идея не нова. В Великую Отечественную войну, например, весь синтетический бензин немцы вырабатывали именно из бурого угля. В ЮАР в период нефтяной блокады до 40% потребляемого жидкого топлива также получали по такой же технологии.
По ряду причин эту тему в институте пока отставили. Прежде всего потому, что полученный для опытов бурый уголь оказался очень влажным: отечественные месторождения отличаются высоким содержанием влаги — порядка 55%. Внешне это рассыпчатая землистая масса, а если сжать ее в руке — потечет вода. Вторая проблема, ставшая перед учеными, — повышенное содержание серы, и третья — высокий процент кислорода.
Как сжечь мокрую землю?
— Мы поставили иную задачу — получить из бурого угля горючее топливо в виде газа, — рассказывает Алексей Косячков. — После обработки его можно закачивать в баллоны для автомобилей, использовать в приводных двигателях внутреннего сгорания. Нам удалось создать опытную установку, которая давала газ калорийностью 27 мегаджоулей на 1000 кубов. Это неплохой результат. У метана, для сравнения, калорийность может достигать 34 мегаджоулей. Теперь надо было перейти к более масштабной установке. Проанализировав всю схему, пришли к выводу, что следует попробовать установить пиролизер в контуре аппарата так называемого атмосферного циркулирующего кипящего слоя (ЦКС). Эта технология достаточно отработана, на ней функционирует энергоблок на Старобешевской теплоэлектростанции мощностью 200 мегаватт.
— В чем новизна ваших решений по применению этой технологии?
— Сначала о самом процессе. В реактор через подовую решетку снизу подается воздух. Он поднимает из слоя топлива частицы вверх, и сила тяжести уравновешивается напором воздуха. Частицы тут же падают обратно в слой топлива, создается иллюзия его кипения, поэтому и название такое. Пройдя процесс горения в слое, частицы поднимаются вверх по топке и попадают в циклон, где за счет центробежных сил происходит выпадение крупных несгоревших частиц, и они отправляются обратно в слой на решетку. Очищенный газопылевой поток направляется в конвективную шахту и затем проходит очистку в электрофильтрах. За счет постоянной циркуляции частиц в котле достигается максимальный выжиг топлива и сокращается выброс твердых частиц в атмосферу. Вместе с топливом на подвижную решетку подается известняк, который связывает образующиеся оксиды серы SOх.
Топки с циркулирующим кипящим слоем отличаются более высокой степенью выгорания топлива (примерно 99% против 90—95% у котлов со стационарным кипящим слоем). Технология ЦКС хороша еще и тем, что в ней можно использовать менее качественное топливо: сжигание происходит при более низких температурах, а значит, оксиды азота образуются в гораздо меньшем количестве.
Мы решили остановиться на этой технологии. В энергетических установках энергия извлекается путем передачи тепла от горящего угля рабочему телу – пару, который попадает на лопасти обычной турбины, производящей электроэнергию. По мере пребывания в кипящем слое частицы топлива выгорают, поднимаются потоком воздуха в верхнюю часть топки и попадают в улавливающую аппаратуру. Оттуда они возвращаются в топку, в кипящий слой. Вот в этот тракт рециркуляции мы и установили пиролизер. Он представляет собой емкость, в которую подается бурый уголь, сверху поступает горячая зола. Они смешиваются, происходит нагрев угля до температуры порядка 500оС, при этом выделяются горючие летучие вещества — так называемый пиролизный газ.
Антрацит отдыхает…
— Расскажите о самом процессе образования газа из угля.
— Если уголь нагреть до 100оС, сначала будет выделяться водяной пар – смесь подсушивается. При дальнейшем повышении температуры отходят присоединенные газы, в том числе метан. Часть пиролизного газа идет на поддержание работы самого реактора, а часть передается потребителю. Прогрев продолжается дальше, и при температурах порядка 500—600оС выделяются смолы. Поликарбонатная структура бурого угля преобразуется в карбонатную, в коксозольный остаток.
Бурый уголь для газификации – первое дело! Выход летучих составляющих из него – порядка 60%, тогда как в антрацитах он не превышает 10%.
— Аппаратуру для опытов использовали известную или применили свои разработки?
— В принципе, технология ЦКС достаточно распространена в мире. Но вставить в цепочку пиролизер – наше ноу-хау. Сейчас мы работаем над усовершенствованием этой схемы, ставим аппарат в контур циркуляции горячей донной золы. Основная проблема, которую пока не удается разрешить, – это развязка по газу. Газы, получаемые при пиролизе, действуют так, что ухудшаются условия рециркуляции золы, и это серьезная проблема. Но и без ее решения мы получили хороший результат. Во-первых, доказано, что наша схема работоспособна. Во-вторых, достигнут хороший выход пиролизных газов: из тысячи килограммов бурого угля мы получаем 600 килограммов горючих веществ. Для сравнения: из антрацита можно получить всего 100.
— Уже есть опыт внедрения вашей установки?
— Сейчас у нас в институте реализован проект «Предтопок». Перед обычным газовым котлом устанавливается компактная аппаратура, работающая на буром угле. В ней идет прямое сжигание угля, и процесс организован так, что тепловую мощность отопительного котла можно набрать только за счет угля, без газа. Уже есть заказы на такую модернизацию.
