— По гидроэнергетике мы с вами варианты обсудили в прошлом году, — напомнил замминистра. — Сейчас мы подготовили наши соображения по остальным вариантам генерации. Ещё одна проблема — доставка энергии конечным потребителям. В городах у нас требуется не только электричество, но и тепло, для систем централизованного отопления. В то же время в сельскую местность электричество получается проводить не так быстро, как хотелось бы. Поэтому нам вынужденно приходится развивать маломасштабную распределённую генерацию, в основном — с использованием местных ресурсов. Вот о некоторых вариантах выгодного использования ресурсов для местной генерации я и планировал рассказать чуть подробнее.
— Слушаем вас, Пётр Степаныч.
— На данный момент большинство тепловых электростанций у нас работает на угле. То есть, используются привычные котлотурбинные установки. Постепенно промышленность начинает осваивать турбины на жидком и газообразном топливе. Они удобнее в части меньшего объёма капитального строительства, и производят меньше выбросов в окружающую среду.
(В реальной истории широкое строительство газовых электростанций началось после 1965 г, до того большинство ТЭЦ были угольными)
Также на 1958 год у нас работало порядка 2500 газогенераторных установок всех размеров, по производству синтез-газа из местного сырья. Объём производства синтез-газа на 1958 год достигал 35 миллиардов кубометров. (информация по https://mining-media.ru/ru/article/newtech/1868-kompleksnoe) Ещё 30 миллиардов кубометров в прошлом году составил выход попутного газа с нефтедобывающих месторождений.
Начатая недавно программа распределённой переработки отходов сельского хозяйства в синтез-газ позволит в ближайшее время удвоить эти цифры и выйти на 70-80 миллиардов кубометров синтез-газа в год, учитывая, что биореакторы для переработки отходов установлены ещё далеко не везде. Подчеркну, что это — бросовое сырьё, которое так или иначе пропадает. При этом из синтез-газа мы уже научились получать в экономичном одностадийном процессе синтеза газообразное моторное топливо — диметилэфир, пригодный для использования в двигателях внутреннего сгорания при минимальной модификации топливных систем серийных автомобилей (АИ, см. гл. 04-01)
В связи с этими успехами предложения Министерства топливной промышленности по переводу всех ТЭЦ на мазут и природный газ представляются преждевременными
— Мы предлагаем этот перевод, в том числе, из-за ухудшения экологической обстановки в результате работы угольных ТЭЦ, — вмешался министр топливной промышленности (в реальной истории — председатель Госкомитета) Николай Васильевич Мельников.
— Да, есть такая проблема, — согласился Пётр Степанович. — При сгорании угля в воздух летит почти вся таблица Менделеева, в том числе и радиоактивные элементы, в количествах, намного превышающих выбросы нормально работающих АЭС.
— А разве при нормальной работе АЭС есть выбросы? — спросил Хрущёв.
— Выбросов не бывает только теоретически, практически изредка что-то парит, газит, где-то капает... Задача персонала АЭС — следить, чтобы подобные мелкие инциденты случались как можно реже и без серьёзных последствий, — пояснил академик Александров. — Абсолютно надёжной техники не бывает.
— Гм... Логично, — кивнул Первый секретарь.
— Для уменьшения загрязнения на ТЭЦ ставим различные улавливатели, — продолжал Непорожний, — но это удорожание, так как фильтры надо периодически заменять и чистить.
Есть интересная технология плазменного сжигания пылеугольной смеси в присутствии адсорбирующего вещества — цеолита. При этом пористый цеолит улавливает образующиеся при горении окислы серы, а горение в плазменной дуге облегчает поджиг смеси и способствует более полному сгоранию. Фильтры всё равно требуются, но менять их нужно реже, и вещества, которые они задерживают, уже не такие опасные. Сейчас специалисты работают над усовершенствованием технологии.
— Работы по физике плазмы первоначально велись в рамках тематики термоядерного синтеза, — добавил Александров. — Однако оказалось, что практических применений у плазмы намного больше, начиная от плазменной резки и сварки, и заканчивая плазменными двигателями и использованием холодной плазмы в медицине для стерилизации. Поэтому сейчас исследования по физике плазмы ведём очень широко и с прицелом на практическое использование.
— Тут надо понимать, что угля и у нас, и у наших европейских союзников — ГДР и Польши — значительно больше, чем нефти, и даже больше, чем газа, — пояснил Пётр Степанович. — В одном только Канско-Ачинском угольном бассейне у нас почти полтора миллиарда тонн угля, причём его можно добывать дешёвым открытым способом. Но угли того же Канско-Ачинского бассейна — низкосортные, бурые, и таких низкосортных углей — большинство. При их прямом сгорании в топке образуется много шлаков и золы уноса, то есть, как раз та самая гадость, что отравляет всё вокруг ТЭЦ. Фильтры при использовании угля низкого качества забиваются особенно быстро, а его теплотворная способность низкая.
Есть два пути использования низкокачественных бурых углей — переработка в водоугольное топливо и газификация, подземная, либо агрегатная.
— С подземной газификацией я немного знаком, — кивнул Хрущёв. — Помнится, в Донбассе ещё до войны с этим экспериментировали. А что ещё за водоугольное топливо?
— В общем-то, всего лишь коллоидная смесь угольной пыли тонкого помола и обычной воды. Причём вода может быть использована даже из шахтных или промышленных стоков. Помол угля может производиться разными способами. Первые эксперименты проводили с шаровыми мельницами, сейчас пробуем комбинированный способ: вначале дробление в молотовой дробилке, затем помол в двух ступенях кавитационного диспергатора, — рассказал Непорожний. — При этом за счёт схлопывания кавитационных пузырьков смесь разогревается, и из угля выделяются гуминовые кислоты.
(http://www.findpatent.ru/patent/238/2380399.html)
Получившаяся смесь может долго храниться без расслаивания и выпадения осадка. По вязкости она соответствует мазутам, то есть, котлы, рассчитанные на мазут, могут сжигать водноугольное топливо после небольшой модификации.
— И что, эта вода с угольной пылью горит? — удивился Первый секретарь.
— Горит, причём даже лучше, чем обычный уголь. Увеличивается теплота сгорания, уменьшается количество шлака и золы, уменьшается содержание твёрдых частиц в дыме, содержание серы и прочих вредных примесей. При горении обычного угля 30-50 процентов массы не сгорает, а выпадает в виде шлака. Водноугольное топливо имеет полноту сгорания до 98 процентов. (см. http://www.ptechnology.ru/MainPart/Energy/Energy9.html http://nlegin.ru/energy/vodo-ygol.html). Плюс к тому, уголь примерно втрое дешевле топочного мазута, а водно-угольное топливо состоит из угля на 65-70 процентов, остальное — вода, которая ещё дешевле.
— Гм... Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, — усмехнулся Косыгин.
— Тем не менее, Алексей Николаич, результаты получены и неоднократно подтверждены, — ответил замминистра.
— Интересно, что можно использовать в том числе и низкосортные бурые угли, — заметил Никита Сергеевич. — Пожалуй, этому направлению стоит уделить особое внимание. Эти работы ни в коем случае не забрасывайте. А теперь, Пётр Степаныч, расскажите, какое у нас положение с работами по газификации угля.
— Первые эксперименты по подземной газификации угля у нас начали в 1928 году, а в 1933-м была создана всесоюзная экспериментальная контора 'Подземгаз'. — Непорожний начал рассказ с краткой исторической справки. — К тому времени уже была запущена первая экспериментальная станции в Тульской области на месторождении бурых углей, затем в Лисичанске на Украине. Первоначальная схема газификации оказалась неудачной, но эксперименты продолжились. В итоге, с учетом проб и ошибок, в 1935 году в Горловке, на Донбассе, удалось найти оптимальную на тот момент схему поджига пласта и получить устойчивое газообразование.
Для газификации уголь нужно поджечь и подать ему окислитель — то есть или воздух (около 20% кислорода), или чистый кислород. Кроме этого, нужно подать туда водяной пар, то есть молекулы, содержащие два атома водорода и один атом кислорода. Количество подаваемого кислорода и пара нужно контролировать: горение должно быть не слишком активным, примерно, как в прогорающей печи, когда по углям бегают голубые огоньки.
Если при подземной газификации в качестве газа наддува используется воздух, после сгорания под землей угля на выходе получается газ, в котором будет примерно 14% углекислого газа, 14% угарного газа СО, до 16% водорода и около 55% азота. Остальное — всевозможные примеси. Угарный газ и водород — это горючие газы, а азот и углекислый газ — негорючие. Полученный газ обладает сравнительно невысокой теплотворной способностью порядка 4 Мдж/м3, примерно в 8 раз меньше, чем у природного газа, но он вполне пригоден для успешного использования в газотурбинных установках ТЭЦ или обычных котельных.
Если же задувать под землю смесь водяного пара и кислорода, то на выходе получается синтез-газ, в котором будет угарного газа до 35%, метана около 7% и водорода — до 50%. То есть содержание горючей фракции при кислородном дутье получается значительно выше. Такой газ имеет теплотворную способность свыше 10, а то и 13 Мдж/м3 и может использоваться на электростанциях для промышленной выработки электроэнергии, а также производства жидкого топлива.
(Источник https://republic.ru/world/gaz_iz_uglya_prorochestvo_lenina_i_vysokie_tekhnologii-1021528.xhtml )
Каждое месторождение имеет свой особый состав угля, поэтому подбирать особенности технологии процесса газификации приходится индивидуально. Экономически подземная газификация дороже открытой добычи, но дешевле добычи в шахте. С экологической точки зрения она выгоднее тем, что в ТЭЦ сжигается уже не уголь, а газ, и состав выбросов получается намного более чистый.
Для подземной газификации годится не всякий пласт угля. Наилучшие результаты получаются на битуминозных углях с толщиной пласта 3-5 метров. В пласте бурят скважины, через которые закачивают кислород, водяной пар, и откачивают полученный синтез-газ. Глубина залегания пласта желательна не более 700 метров, иначе затраты на бурение становятся слишком велики. Получаемый синтез-газ в любом случае имеет теплотворную способность ниже, чем у природного газа, но при использовании местного сырья получение газа на месте во многих случаях будет выгоднее, чем строительство газопровода для доставки природного газа.
(в 1996 году в России закрылась по причине физического износа оборудования последняя станция подземной газификации угля в Кузбассе, которая в течение 40 лет бесперебойно снабжала горючим газом 14 малых котельных городов Киселевска и Прокопьевска. )
— То есть, для тех месторождений, где добыча ведётся открытым способом, подземная газификация невыгодна? — уточнил Косыгин.
— Да, но в этом случае можно использовать газификацию угля в наземных установках, — ответил Пётр Степанович. — У нас несколько крупных специалистов-химиков занимаются получением синтез-газа и его переработкой в жидкое и газообразное топливо. Андрей Николаич, — он повернулся к Башкирову. — Расскажите о работе по газификации углей Канско-Ачинского месторождения?
— Мы сейчас работаем над новым процессом газификации бурых углей, относящимся к классу слоевых автотермических технологий, — рассказал Башкиров. — Из ВИМИ был получен ряд информационных материалов, анализируя их, мы провели много экспериментов, и в ходе работы выявили ранее неизвестный процесс газификации. При определенных технологических параметрах в слое угля с так называемым обратным дутьем формируется фронт неполной конверсии угля, движущийся навстречу воздушному потоку. Процесс был отработан на экспериментальной установке.
У этого процесса есть целый ряд преимуществ по сравнению с классической технологией. Прежде всего, производимый газ вообще не содержит конденсируемых продуктов пиролиза угля. Они сгорают в потоке воздуха сразу же после выхода из угля, а продукты сгорания вступают в реагирование с раскаленным коксом и превращаются в газ, который состоит в основном из водорода и оксида углерода (Н2+СО) и азота, поступающего с воздухом. Одна из основных проблем слоевой газификации в классической технологии — отмывка газа от смол и последующая их утилизация. Для этого приходится строить громоздкие сооружения для переработки больших объёмов воды, загрязненной фенолами и канцерогенными органическими соединениями. Характерным признаком такой технологии является специфический запах летучих веществ, которые пронизывают весь завод. Эти вещества депрессивно воздействуют на окружающую экосистему и на здоровье персонала. В новой технологии эта проблема полностью устранена — в производимом газе нет даже следов угольных смол. И это радикально удешевляет промышленное производство.
После прохождения через слой угля фронта термических превращений в газификаторе остается высокопористый твёрдый продукт. В зависимости от сорта исходного угля и выбранных технологических параметров процесса он может представлять собой активированный углерод или среднетемпературный кокс металлургического назначения.
Новый процесс газификации использует только два исходных компонента — уголь и воздух и имеет только два конечных продукта — газ и активированный уголь, либо кокс. И ни одного побочного продукта.
(Источник http://www.combienergy.ru/stat/1094-Gazifikaciya-uglya-vozvrat-v-proshloe-ili-shag-v-budushchee)
— Вот это очень хорошо придумано, — тут же подметил Никита Сергеевич. — Учитывая те горы шлака, которые образуются возле угольных котельных. А тут в результате процесса сгорающий синтез-газ даст водяной пар и углекислый газ, а кокс сразу пойдёт в дело на металлургических производствах.
— Углекислый газ тоже неплохо бы куда-то приспособить, — заметил Косыгин.
— Для связывания углекислого газа есть ряд способов, например, его перевод в жидкие или твёрдые химические соединения с последующим захоронением (Способы см. http://energetika.in.ua/ru/books/book-3/part-1/section-6), — предложил Башкиров.
— А нет ли возможности использовать непосредственно углекислый газ? — спросил Первый секретарь. — Например, кто-то из специалистов мне говорил, что растения лучше растут в атмосфере с избытком углекислого газа. Построить вокруг ТЭЦ вертикальные фермы, отапливать их тем же горячим газом, и подавать остывший газ туда, для питания растений?
— Если только малую часть всего получаемого углекислого газа, всё-таки ТЭЦ вырабатывает его в огромных количествах, — пояснил Башкиров. — Чтобы переработать его весь, надо строить очень много ферм, нужно много персонала, электричества для освещения в зимний период.
Возможен ещё один вариант — ставить рядом с ТЭЦ многоэтажные фермы для выращивания микроводорослей на биотопливо. Им, для фотосинтеза, тоже углекислый газ нужен. Вот тут уже и персонала нужно на порядок меньше — водоросли выращиваются в стеклянных трубах, практически без участия человека, и конечный продукт будет всегда востребован. Но надо считать по затратам, сравнивая с обычной нефтедобычей и крекинг-процессом. Вполне вероятно, что на данном этапе обычная нефтяная солярка выйдет в итоге заметно дешевле.
