Российская угольная отрасль сейчас переживает период турбулентности: мировая экономика находится в состоянии энергоперехода, планы по отказу от угольной генерации есть и в России. Главная претензия — большое количество вредных выбросов при сжигании ископаемого топлива.
Ясно одно: чтобы удержать свои позиции, нужно меняться. Какие технологии могут здесь помочь, обсудили участники круглого стола «Перспективные направления добычи и переработки топливно-энергетических ресурсов» в рамках Сибирского энергетического форума.
Во время перемен нужны новые подходы
Отправной точкой обсуждения стало признание того, что старые стратегии развития угольной отрасли уже не отвечают веяниям времени и нуждаются в пересмотре.
«Потребление угля падает почти везде, кроме Азиатско-Тихоокеанского региона. Конкуренция растёт с каждым годом, и позиции российских производителей с учётом логистики не самые выигрышные.
Поэтому ставка на экспорт и раньше была рискованной, а сложившаяся геополитическая обстановка только усугубила положение отрасли», — обрисовал ситуацию начальник управления инновационных технологий переработки угля — заместитель технического директора «СУЭК-Красноярск» Сергей Степанов.
Сложности поджидают и на внутреннем рынке — широко обсуждаются планы по переводу котельных на природный газ, при сжигании которого выделяется меньше выбросов. Впрочем, угольщики не настроены сдаваться без боя и уверены, что у них достаточно своих преимуществ.
«Декларируемая властью замена угля природным газом, несомненно, решит проблему чёрного неба в городах, но создаст новые: рост энерготарифов, безработицу и социальную напряжённость в местах добычи. Генерация на природном газе — это преступление перед будущими поколениями, ведь газ — это ценное сырьё для удобрений, пластмасс, моторных топлив и других продуктов газохимии. И это, увы, исчерпаемые ресурсы, в то время как запасы угля на два порядка больше», — комментирует Сергей Степанов.
Однако очевидно, что нужны новые технологии сжигания угля, радикально снижающие выбросы вредных веществ. Встаёт вопрос, в каком направлении двигаться. Представитель «СУЭК-Красноярск» убеждён: ставку стоит сделать на отечественные разработки.
«Увлечение модными темами вроде производства бензина и других жидких углеводородов из угля — это не более чем бездумное копирование чужих концепций развития без учёта собственных природных ресурсов и экономических реалий. Те идеи, что предлагаются и рассматриваются на федеральном уровне в качестве технологической платформы, это не более чем хождение по траектории, где есть готовые зарубежные инжиниринговые решения.
Непонятно, почему мы должны следовать тем же курсом, что Китай, США, ЮАР, ЕС. В России принципиально иная схема топливно-энергетических ресурсов, поэтому у нашего ТЭК должен быть собственный вектор развития, в соответствии с которым должны определяться технологии, а не по принципу: «Раз там развивают, то и мы должны», — уверен Сергей Степанов.
Эффективность — на уровне
В качестве такой отечественной альтернативы предлагается частичная газификация угля. Для чего это нужно? И какие выгоды несёт?
«Мы производим одновременно тепловую энергию и полезный продукт. То есть вместо золошлаков у нас твёрдый углеродный остаток, так называемый термококс. И при этом снижается объём выбросов в атмосферу, поскольку происходит не полное сгорание угля, а его частичная газификация.
Из термококса можно делать экологически чистое топливо, кроме этого он сам по себе является хорошим восстановителем и сорбентом с довольно высокой удельной поверхностью», — рассказывает генеральный директор ООО «Уголь-Инжиниринг» Виталий Скальский.
Существуют две основные технологии частичной газификации угля: слоевая и в кипящем слое. В основе первой — обратная тепловая отдача. На входе мы имеем уголь и воздух, на выходе — коксовый продукт и горючий газ. Преимуществом второго метода (газификации в кипящем слое) является то, что здесь нет нужды устанавливать новое оборудование, достаточно модифицированного серийного котла БКЗ-75.
«Изменяется нижняя часть топки, встраивается ванна кипящего слоя и меняется схема подачи дутья. Тепловая мощность сохраняется, но вместо золы котёл производит углеродный продукт», — отмечает Сергей Степанов.
Руководитель «Уголь-Инжиниринг» также отдаёт предпочтение газификации в кипящем слое.
«Преимуществом второй технологии над первой является непрерывность технологического процесса. При слоевой газификации реактор надо загружать, разгружать, охлаждать. То есть это цикличный процесс, соответственно, резко снижается производительность.
При газификации в кипящем слое это модернизированный энергетический котёл. Процесс становится непрерывным, уголь подаётся постоянно, и так же постоянно выходит продукт в виде термококса.
А значит, капитальные затраты на организацию такого производства кратно ниже. Помимо производительности, это связано и с тем, что для слоевой газификации мы вынуждены делать новое производство в чистом поле, а с технологией кипящего слоя мы можем взять котельную действующего производства модифицировать котёл и получить мощности для производства термококса», — объясняет Виталий Скальский.
Сейчас технология уже используется на котельной разреза «Берёзовский», где работает модифицированная установка на базе двух котлов с суммарной мощностью 40 килокалорий в час. Кроме этого, в планах перепрофилирование котельной КраМЗ.
Первые результаты обнадеживают. Как заверяет Сергей Степанов, установки, построенные по обеим технологиям (слоевой и в кипящем слое), показали высокую рентабельность уже в опытно-промышленном масштабе.
Чем хорош термококс?
Рассмотрим преимущества нового топлива подробнее. Логично начать с экологического эффекта. Как отмечает Виталий Скальский, здесь можно выделить основные составляющие.
Во-первых, заявляется снижение выбросов уже на стадии производства, несмотря на то, что угля в этом процессе требуется больше. Впрочем, корректнее говорить не о снижении эмиссии вредных веществ в абсолютном измерении, а об уменьшении углеродного следа продукции.
«Очевидно, что у нас есть горение, поэтому количество диоксида углерода то же, как если бы мы произвели такое же количество тепла в обычной котельной. Но не будем забывать, что на выходе у нас два продукта: тепловая энергия и термококс.
Поэтому у одного из продуктов в зависимости от того, на какой из них мы относим эмиссию СО2, будет либо нулевой, либо даже отрицательный углеродный след. Это очень интересная история для металлургов, они могут смело сказать, что в коксе, который они используют, нет углеродного следа. На экспортных рынках это довольно важное преимущество», — объясняет Виталий Скальский.
Ещё один аргумент в пользу частичной газификации: при её использовании не образуются твёрдые отходы, так называемые золошлаки.
«Технология не имеет золошлаковых отходов, поскольку содержащаяся в угле зола переходит в коксовый продукт. Соответственно, исключается необходимость создания золошлаковых отвалов. В системе пылеочистки от дымовых газов отделяется незначительное количество летучей золы, которая востребована в цементной промышленности», — пишет в статье «Перспективы термического обогащения бурых углей методом частичной газификации» Сергей Исламов.
Вторая составляющая экологического эффекта — это то, что сам по себе термококс так или иначе можно использовать для улучшения экологической ситуации. Первое, что приходит в голову, — это бездымное топливо. Однако на этом возможности термококса не исчерпываются. В частности, он может использоваться как сорбент в промышленности.
Так, доцент Инженерно-строительного института СФУ Ольга Дубровская рассказала о совместном проекте с ООО «Новая Энергия» по производству сорбентов на основе сырья Канско-Ачинского угольного разреза путём совмещения инновационных технологий газификации и гравитационной обработки и активации сорбционных центров.
«Уже после частичной газификации получаются эффективные сорбенты с большим селективным рядом, которые позволяют в одном цикле извлекать и тяжёлые металлы, и органические продукты, включая как нефтепродукты любого происхождения, так и солевые остатки (соли металлов, сульфаты, хлориды).
Мы пошли дальше, и мелкозернистый сорбент, полученный путём газификации, мы активировали в гравитационных реакторах. За счёт чего получили значительный рост показателей сорбции и добились развития пористой структуры: мезапор, капиллярных пор и макропор. Это позволяет в одном цикле извлекать практически все загрязнители, имеющиеся в сточной воде», — рассказала Ольга Дубровская.
Рука помощи для чёрной металлургии
По словам Сергея Степанова, термококс может стать палочкой-выручалочкой и для чёрной металлургии, которая переживает кризис. Сейчас для выплавки стали используются дорогие коксующиеся угли, запасы которых сокращаются. По разным оценкам, доля доменного кокса в себестоимости чугуна варьируется от 40 до 60%. Именно здесь большинство экспертов видят потенциал по снижению издержек.
«На вектор развития угольной промышленности окажут влияние две технологии, внедряемые в металлургии. Первая — это использование пылеугольного топлива для прямого вдувания в домны (технология PCI — pulverized coal injection). Она даёт снижение потребление доменного кокса до 50%.
Вторая — новые недоменные процессы прямого восстановления железа (технологии DRI — direct reduced iron). Для них кусковой кокс вообще не нужен. Там используются ПГ, генераторный газ или порошкообразные углеродистые восстановители. Последнее направление самое новое и наиболее экономически эффективное», — перечисляет Сергей Степанов.
С тем, что будущее металлургии чугуна и стали за недоменными технологиями, согласен и Сергей
Исламов.
«Наивысшей производительности при переработке железной руды можно добиться только при взаимодействии руды и углерода в мелкодисперсном состоянии, кроме того, углерод должен иметь предельно возможный показатель реакционной способности.
То есть можно отказаться от энергоёмкого процесса спекания руды в окатыши, можно отказаться от использования коксующихся углей и экологически опасного производства кокса, и, наконец, отпадает потребность в производстве кислорода. Это единственно возможный путь снижения себестоимости производства чугуна», — пишет г-н Исламов.
В обоих случаях своё применение может найти переработанный уголь. Если говорить о технологии PCI, то для неё требуется высококалорийное (более 6 500 ккал/кг) топливо с пониженным содержанием вредных примесей. Как правило, это низкозольные угли Т и СС. Запасы их невелики, кроме этого, они широко используются для обжига руд, цементного клинкера, спекания глинозёма, заметная часть идёт на экспорт.
В то же время в стране имеются большие и даже избыточные мощности по добыче бурого угля. Понятно, что в чистом виде он для технологии PCI не годится из-за низкой калорийности. На выручку приходит термическое обогащение. Таким образом, можно не только обеспечить топливом дефицитную отрасль, но и вдохнуть новую жизнь в месторождения Канско-Ачинского бассейна.
«Мы покусились на святое: в энергетике всегда боролись за снижение недожога, мы развернули ситуацию. Можно сказать, что у нас калорийность 7 тысяч килокалорий на килограмм, почти вдвое выше, чем у исходного угля», — рассказывает Сергей Степанов.
Сейчас, по оценкам представителя «СУЭК-Красноярск», отечественная металлургия использует до 50 млн тонн в год дорогостоящих коксующихся углей. В то же время потенциальный рынок термически обогащённых низкосортных углей — более 10 млн тонн в год, считает Сергей Степанов. Это результат переработки 40 млн тонн бурого угля. Сопоставимый по объёму рынок — технологическое топливо для обжиговых производств (глинозём).
«Здесь особо эффективно было бы использование смешанного угольного топлива. Для этой цели требуется высококалорийный компонент. На Западе смесевое топливо — обычное явление, там угольщики подстраиваются под потребителей. Думаю, что и у нас технологии облагораживания угля будут находить широкое применение», — отмечает г-н Степанов.
Для второй технологии DRI требуется углеродистый восстановитель с высоким содержанием углерода и низким — примесей.
«Идеальный восстановитель — древесный уголь. Но он дорог и его мало. Близкий по качеству восстановитель получают при обработке низкозольных бурых и молодых каменных (марка Д) углей, а также из торфа. То есть для угольной промышленности критическими являются технологии термической переработкой углей марок Б и Д для получения углеродистого восстановителя для технологии DRI.
Потенциальный объём рынка России — более 40 млн тонн в год. Это объём переработки 150 млн тонн бурого угля в год. Это почти столько же, сколько Россия потребляет угля сейчас.
Есть потребность в термококсе и сегодня, ряд металлургических переделов, применяющих классический кокс, готовы перейти на альтернативу. Это ферросплавное производство, получение кремния, фосфора, соды, минеральной ваты, никеля, свинца», — считает представитель «СУЭК-Красноярск».
Тернистый и нелёгкий путь
Возникает вопрос, почему российские предприятия массово не переходят на новую технологию. Помимо традиционного консерватизма есть и несколько объективных факторов.
Во-первых, Россия имеет богатые запасы угля, в том числе дорогостоящих высококалорийных марок.
Технологии их добычи отлажены, и сейчас в большинстве случаев нельзя говорить о том, что сложилась критическая ситуация. К тому же здесь мы можем увидеть «внутривидовую конкуренцию»: производители каменных углей также лоббируют свои интересы на государственном уровне и перед потребителями.
Во-вторых, один из основных потребителей — металлургия — является очень капиталоёмкой отраслью. Серьёзная трансформация, а именно такой является переход на новое топливо, даже если и случится, то займёт не одно десятилетие и потребует больших инвестиций. С этим согласны даже апологеты частичной газификации и термококса.
В-третьих, в ряде случаев встают вопросы экономической эффективности. Речь идёт, прежде всего, о бездымном топливе.
«Оно как продукт переработки не может стоить дешевле, чем изначальное сырьё, из которого оно произведено. Мы разрабатываем возможность производства на котельной КраМЗ, которая сейчас является цехом Красноярской ТЭЦ-3.
Там себестоимость будет ниже, благодаря эффекту масштаба и возможности утилизировать большее количество тепла. Но даже так, если пересчитать стоимость угля и бездымного топлива на калорийность, становится ясно, что нужна какая-то субсидия», — отмечает Виталий Скальский.
Всё это возвращает нас к идее государственной поддержки подобных инициатив. Сама мысль, безусловно, верная, однако бездымному топливу не повезло с историческим моментом. Очевидно, что именно сейчас рассчитывать на бюджетные субсидии сложно. Исходя из этого, руководитель «Уголь-Инжиниринг» считает, что технология со временем получит своё признание, но не станет господствующей.
«Количество переработанного угля, которое будут потреблять к 2035 году, даже по оптимистичным расценкам составит порядка миллиона тонн, это 3% от тех объёмов, что сейчас добываются в Канско-Ачинском бассейне. Поэтому мысль о том, что переработка угля может стать потребителем, сопоставимым с энергетикой, неверная и по-своему опасная для отрасли», — полагает Виталий Скальский.
Резюмируя, можно отметить, что частичная газификация действительно очень перспективная технология, в ряде случаев уже успевшая доказать свою эффективность. Однако, как и любая другая инновация, она ещё должна пройти долгий и тернистый путь к массовому признанию и коммерческому успеху.
Текст: Андрей Халбашкеев
Спасибо!
Теперь редакторы в курсе.