В Украине пробуют делать топливо из воды и угля, но пока не очень получается

Когда лет этак 45 назад баррель нефти стоил около 10 долларов, а литр бензина — почти как бутыль кока-колы в полгаллона, научные работы по водоугольным суспензиям были малоинтересны. Спрос на них возник лишь после арабо-израильской войны — «судного дня» октября 1973-го и последующего всемирного «ойл-шока». Тогда бочка «жидкого золота» подорожала вчетверо, а сегодня и 110 у.е. — не предел. Вот и пришло время ВУТ — водоугольного топлива.

Уголь рубят — шламы летят

Чем больше добывают, перевозят и потребляют горючих каменных и бурых углей, тем больше от них всяких отходов: зол, пустых пород, шахтных и сточных вод. Но уровень нынешних технологий позволяет значительно расширить сферу использования и увеличить объемы переработки различных отходов и вредных выбросов угольной индустрии — добычи, обогащения, коксохимии, сжигания.

Важнейшим угольным регионом страны, где запасов хватит еще лет на 400, является Донбасс. Те, что на Галичине, в Червонограде, — плоховаты, но пока НЗ. Тамошние угли высокозольны и содержат много серы. Известно, что перед использованием на КХЗ и в энергетике рядовые угли предварительно нужно обогащать. После этой процедуры остаются мертвым грузом миллионотонные терриконы, хвосты, шламы, грязные и ядовитые шахтные воды, собранные в шламонакопителях фабрик углеобогащения и КХЗ, и пока практически не используемые. Они стали опаснейшими экологическими «минными полями», особенно на востоке страны.

— По многим компетентным оценкам, на этих промполигонах такого полезного «непотреба» набралось более 100 миллионов тонн, — поясняет профессор Украинского государственного химико-технологического университета (УГХТУ, Днепропетровск) доктор химических наук Вильям Задорский. — Это забалансовые угольные шламы и отходы флотации, которые могут стать дополнительным энергоносителем. Еще их называют «промпродуктом», пригодным для переработки. Он гораздо дешевле обычного коксующегося угля. Золы в таких отвалах 30—70%, а содержание органического остатка — 30—50%.

Известные технологии по извлечению из забалансовых продуктов углеродсодержащей горючей составляющей не позволяют полностью добиться таких результатов. Значит сейчас, в условиях грядущего глобального дефицита энергоресурсов, очень актуально проведение в угольной отрасли целевых НИР по созданию новых технологий, сокращающих до минимума потери угольного вещества с отходами, а также по вовлечению в теплоэнергетическое использование «промпродуктов», что позволит резко снизить себестоимость производства энергии.

Чистая экономия

Содержащийся в отходах обогащения уголь может быть использован, если их переработать в новую продукцию — водоугольное топливо на основе угольных шламов. Новые эффективные процессы получения и применения ВУТ должны базироваться на научных основах коллоидной химии и физико-химической механики. Это топливо представляет собой высококонцентрированную дисперсную систему, состоящую из очень мелких фракций угля (<250 мкм) и воды с добавками пластификаторов и стабилизаторов.

По мнению доцента кафедры промышленной теплоэнергетики (ПТЭ) Национальной металлургической академии Украины (НМетАУ, Днепропетровск) кандидата технических наук Валерии Пинчук, с учетом экологических лимитов ЕС и Киотского протокола следует применять экологически чистые угольные технологии, обеспечивающие высокую полноту использования топлива при минимально возможной вредной нагрузке на окружающую среду. Проблема создания гидроугольного топлива из отходов углеобогащения и КХЗ состоит в том, что шламы значительно отличаются по своим физико-химическим свойствам и составу от углей разных классов, так как они уже проходили предварительную обработку при обогащении, а некоторые долго пребывали в шламонакопителях. Также в технологии приготовления ВУТ из шламов нужно учитывать не только физико-химические параметры, но и состояние поверхности частиц угля. Естественно, такая широкая гамма свойств должна определять различные подходы в технологии получения ВУТ, считает В.Пинчук.

О преимуществах ВУТ говорит руководитель кафедры ПЭТ НМетАУ, профессор доктор технических наук Михаил Губинский:

— Использование ВУТ в 1,5—3,5 раза снижает вредные выбросы в атмосферу и повышает эффективность применения «каменного золота» до 98%, тогда как при традиционном его сжигании она не более 60%. Самое главное достоинство «водоугольной суспензии» — низкая цена и экологичность; она не окисляется при хранении, хорошо перекачивается по трубам и распыляется через печные форсунки, горит ровным и сильным пламенем. Готовое водоугольное топливо дешевле мазутного в 2—4 раза, а его стоимость не превышает 15—20% цены исходного угля на месте его добычи. К тому же ВУТ без­опасно при пожарах и взрывах. Технологии его хранения просты и могут быть полностью автоматизированы, а перекачивать его можно по специальным углетрубопроводам, как жидкую нефть. Кроме того, перевод котельных на этот энергоноситель обычно занимает не более 7 месяцев, а при серийном изготовлении необходимого для этого оборудования срок сократится вдвое. Экономия на выработке тепловой и электроэнергии окупит затраты на реконструкцию котельной из трех-четырех котлов за 2,5—3 года.

Новое мировое топливо?

Наибольшее количество научных институтов, производственных фирм и корпораций привлекались к теме ВУТ в 1979—1984 гг. Более 100 организаций в США, Европе, Китае, Японии, Канаде занялись серьезными НИОКР по данной теме. Для этого созданы крупные международные фирмы Carboge и Co-Al (США), Densecoal (ФРГ), SASOL (ЮАР), Fluidgarbon (Швеция), придумавшие многообразные составы и техпроцессы приготовления и применения суспензий из воды с углем.

А сегодня в мегаполисах Китая запрещено строительство и эксплуатация котельных на твердом угле. Правительственной госпрограммой намечен поэтапный перевод многих предприятий с нефтегазового на водоугольное топливо. Это должно снизить импорт нефти более чем на 70 млн т, мазута — на 20 млн т в год, что уменьшит зависимость ТЭК страны от внешнего рынка. Конечно, это совсем невыгодно соседней России, которая только что построила нефтепровод от Восточной Сибири до Китая.

Сегодня ВУТ в Китае занимаются три научно-исследовательских центра, есть 6 заводов по его производству. На котельных и ТЭС, где сжигают ВУТ, уже производится до 2 млн кВт энергии. Для технического руководства по внедрению нового топлива в стране создан Государственный центр водоугольных суспензий угольной промышленности. В ближайшие 20 лет планируется довести мощности по производству «водо­угольных коктейлей» до 100 млн т в год. А еще намечено строительство крупного завода по производству ВУТ, который утроит его поставки на внутренний рынок — взамен импортной нефти и местного не очень качественного угля.

Так что — на подходе эра водоугольного топлива?

Глобальные тенденции в данной области оценивает профессор Губинский:

— В мире нет ничего совершенного. Из недостатков ВУТ хочу отметить высокую часть воды в суспензии, на испарение не менее 40% которой нужно тратить энергию. Еще больших затрат требует непосредственно процесс измельчения угля для получения самой суспензии: на очень тонкое перемалывание 1 тонны угля расходуется 15—20 кВт. Наконец, при измельчении смесей износ оборудования и, следовательно, затраты на его амортизацию в разы выше, чем при сухом помоле. Но, несмотря на недостатки, вопрос об использовании ВУТ в мировой практике не теряет актуальности. В США активно работает программа использования угля в промышленной и бытовой энергетике (ICCG) с общим объемом финансирования в 6 миллиардов долларов на ближайшую пятилетку. Около 20% этих денег идет на решение логистическо-транспортных проблем. Потребители «гидроугольной суспензии» — бывшие угольно-мазутные ТЭС, ТЭЦ, заводы химпрома, металлургии и других отраслей индустрии. Сегодня же мировой рейтинг по добыче «угольной солярки» возглавляет ЮАР, где по техпроцессу SASOL используют до 40 миллионов тонн в год своих огромных углезапасов.

И еще: зола от сжигания ВУТ имеет вспученный характер и применяется как стройматериал. Возможность приготовления топлива из углей почти любых марок — от длинно-пламенных и газовых до слабоспекающихся, даже антрацитов и бурых, из угольного штыба и шлама, из угля, извлеченного из шлака и золы уноса ТЭС, а также из торфа  уже давно доказана. Экологическая целесообразность этого направления особо сильна тем, что для получения ВУТ можно использовать не только речную воду, но и оборотные воды ГМК, канализационные и промышленные стоки.

Интересен и российский опыт. ВУТ использовали в котлах Новосибирской ТЭЦ-5, при этом эксплуатировался 262-километровый углепровод от г. Белово до Новосибирска. С 1989 по 1997 год на ТЭЦ доставлено и сожжено в котлах 350 тыс. т водоугольного топлива. В 1986—1987 гг. провели успешные испытания по переводу на ВУТ котла ПК-40А паропроизводительностью 320 т пара в час на Беловской ГРЭС. На Новокузнецком МК впервые в мировой практике применили ВУТ вместо мазута в горне агломашины.

Повышенный интерес к ВУТ у безугольной Японии, инвестирующей в разработку буроугольных месторождений и создание заводов по его переработке во Вьетнаме и Индонезии.

К сожалению, ВУТ пока не используется в большой энергетике несмотря на то, что удельные затраты на производство 1 МВт.ч электроэнергии из этого топлива ниже, чем при сжигании угля. Дело еще и в том, что при замене угля, газа, мазута на «водо­­­­угольный коктейль» требуются крупные инвестиции, особенно на первом этапе его промышленного внедрения.

Есть украинское ВУТ!

Специалисты из Института технической механики (Днепропетровск) утверждают, что выполненные ими современные НИР позволяют сделать вывод: по методам физико-химической механики можно эффективно создавать из отходов углеобогащения высококонцентрированное (до 75% угольной массы) новое топливо с необходимыми коллоидно-химическими и теплотехническими свойствами. При этом конечный продукт — ВУТ — готов к использованию в энергетических установках и не требует спецподготовки перед сжиганием.

Так за чем же дело стало?

Вот мнение топ-специа­листов в этой области Александра Кузнецова (НИПКИ «Углемеханиза­ция», Луганск) и Игоря Токарева (ООО «Ремо», Свердловск): «Сейчас мы уже имеем 5 эффективных проектов использования ВУТ вместо газа на заводах ОАО «Интерпайп», ООО «Синтиз», ООО «Промцемент», в фирме «Фагот», на ГП «Свердловантрацит». Перевод отопительных агрегатов с газа на ВУТ предполагает годовую экономию на энергозатратах в пределах 1,7—16,4 миллиона гривен, а срок окупаемости водоугольного техпроцесса — в течение 1 года. Необходимо разработать общегосударственную программу постепенного освоения ВУТ во всех сферах теплогенерации и теплоиспользования, включая ЖКХ, промышленные гос­предприятия, ТЭС. Включить в эту программу частные добывающие и энергогенерирующие компании, отраслевые институты НАНУ, Минтоп­энерго, Минпромполитики, Минрегионразвития».