CC BY
25
УДК 65.011.12 С.С. Крапчин
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ РЕСУРСОВ
Семинар № 8
Россия располагает всем набором топливных ресурсов, запасы которых позволяют полностью удовлетворять внутреннюю потребность в энергетическом топливе и технологическом сырье, выполнять межгосударственные соглашения и поставлять их на внешний рынок. Все виды топливных ресурсов (уголь, нефть, природный газ, сланцы) в равной мере несут функциональную нагрузку в развитии экономики, а поэтому их следует рассматривать как взаимодополняющие источники топлива и сырья. На их основе производиться тепловая и электрическая энергия и вырабатывается другая продукция различного назначения. Бесспорным является также и то, что на отдельных этапах развития экономики России названные виды энергетических ресурсов играли не однозначную роль в удовлетворении потребности в энергетическом топливе и технологическом сырье для переработки в различные виды продукции.
На первоначальном этапе развития экономики России осуществлялась минерализации топливных балансов всех отраслей промышленности за счет максимального внедрения в них каменных и бурых углей с одновременным вытеснением из него отходов сельскохозяйственного производства и дров. Эта тенденция продолжалась примерно в течение тридцати с лишним лет (1918-1950 гг.).
Во второй половине двадцатого века развивалась новая тенденция: в топливном и сырьевом балансах России возрастала роль нефти и природного газа, что было обусловлено открытием вводом в эксплуатации крупных нефтегазовых месторождений и преимуществом названных энергетических ресурсов перед твердыми видами топлива по таким качественным параметрам, как более высокая теплота сгорания, сжигание их с более высоким к.п.д., возможность транспортирования на дальние расстояния по трубопроводам и др. Это положение сохраняется и в настоящее время.
Вместе с тем, отдавая должное нефти и природному газу как топливу и сырью нельзя не отметить весьма важное обстоятельство - относительно низкая обеспеченность их запасами (отношение балансовых запасов к годовому прогнозируемому объему добычи). Этот показатель по нефти составляет сейчас 60 лет, природному газу - 65 лет и углю - 476 лет. При этом угольные месторождения основных бассейнов страны имеют высокую степень разведанности и располагают большими потенциальными возможностями в части строительства на них крупных предприятий с длительным сроком функционирования. В то же время в нефтяной и газовой промышленности в части запасов и их освоении проявляется в последнее время несколько негативных тенденций.
Применительно к нефтяной промышленности необходимо отметить следующие негативные стороны в области состояния запасов и их извлечения:
во-первых, отставания темпов роста запасов промышленных категорий от темпов роста добычи нефти; за последнее десятилетие эти категории находились в соотношении 4:16;
во-вторых, снижение качества сырьевой базы, выражается в уменьшении доли высокопроизводительных месторождений в общей структуре запасов: их доля изменялась следующим образом: 1966-
1979 гг.-75 %; 1971-1975 гг.-56 %; 1976-1980 гг.-53 %, 1981-1985 гг.-37 %;
в-третьих, относительно низкий коэффициент извлечения запасов нефти, находящейся в недрах Земли; в настоящее время он в среднем составляет 45 %.
Негативные тенденции в области сырьевой базы проявляются и в газовой промышленности по следующим параметрам: во-первых, основная
часть прироста запасов связана с более глубоким их залеганием (св.3 км), во-вторых, основные крупнейшие месторождения Западной Сибири находятся на этапе падающей добычи и, в-третьих, основные месторождения газа расположены на больших расстояниях от районов потребления и в трудных природно-климатических условиях.
Сказанным подчеркивается возрастающая роль угля в решении перспективных задач, стоящих перед экономикой России.
В Программном документе «Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020 года» предусматривается доведение добычи углей в 2010 г. до 335 млн т и 2020 г. до 430 млн т.[1]
Решение этой задачи для угольной промышленности вполне осуществимо, поскольку отрасль располагает большими запасами углей, наличием технического потенциала и кадрам, способными обеспечить квалифицированное выполнение операций на всех стадиях производственного цикла.
Одновременно с этим, не менее важной задачей, стоящей перед предприятиями отрасли, является поставка угольной продукции, наиболее полно отвечающей требованиям потребителей по таким качественным параметрам как зольность, влажность, содержание серы и мелких фракций. В противном случае для поставщиков уменьшается выручка от реализации продукции, а сфере использования ухудшаются теплотехнические показатели работы оборудования и результаты хозяйственной деятельности предприятий- потребителей угольного топлива, а также осложняется экологическая обстановка в районах их размещения.
Проблема улучшения качества и повышения конкурентоспособности угольной продукции и пути ее решения сформулированы в Энергетической стратегии [1] следующим образом: «В целях повышения конкурентоспособности угля на рынке энергетических ресурсов важное значение в рассматриваемой период должно приобрести качество угольной продукции. Для этого предусматривается широкое применение наиболее прогрессивных методов переработки и обогащения углей и комплексного использования топливно-энергетических ресурсов».
Сформулированные в программном документе задачи могут и должны решаться на основе реализации имеющегося технического потенциала в виде существующих и широко применяемым в промышленности и вновь
разработанных технологий, техническая возможность реализации которых подтверждена работой опытнопромышленных установок.
Первая группа технологий в промышленных условиях России представлена методами обогащения и коксования углей.
На основе метода обогащения осуществляется повышения качества добываемых углей за счет частичного удаления из них золы. Получаемый в результате проведения этой технологической операции основной продукт
- угольной концентрат используется в дальнейшем в качестве сырья для производства металлургического кокса и топлива, сжигаемого в энергетических установках. В настоящее время все угли, используемые для производства металлургического кокса проходят стадию обогащения. Переработке этим методом подвергается также некоторая часть углей энергетического назначения. В первом случае это обуславливается технологической необходимостью, поскольку минеральные примеси в угле препятствуют получению металлургического свойств, а во втором - экономической целесообразностью, т.к. зола оказывает негативное влияние на результаты хозяйственной деятельности электростанций, котельных коммунальнобытового хозяйства и отопительных печей у населения через более низкий кпд энергетических установках, повышения топлива на единицу продукции и др. факторов.
Наряду с обогащением широкое распространение в России получило коксование углей, как метод производства металлургического кокса -технологического топлива и восстановителя при производстве черных металлов.
Эти направления переработки углей сохраняться и в дальнейшем: обо-
гащение как метод повышения качества и конкурентоспособности угольной продукции, а коксование как метод производства топлива для доменных печей, которые при современном конструктурном оформлении могут успешно работать только на коксе.
Современной технический потенциал в области переработки углей представлен также большим набором новых технологий и процессов, прошедших различные стадии проверки, подтвердивших возможность их реализации в промышленных условиях. Над созданием технологий нового поколения работали и продолжают работать научно-исследовательские и проектные организации России. Внедрение разработанных технологий, как будет показано ниже, будет способствовать решению многих экологоэкономических задач, возникающих с использованием углей.
По технической сущности конечной цели и назначению получаемой продукции их (технологии) можно объединить в следующие группы.
Технологии, обеспечивающие производство высококачественного угольного топлива для основных его потребителей - тепловых электростанций, котельных коммунально-бытового хозяйства и энергетических установок различного назначения.
Производство облагороженного мелкозернистого топлива из высоковлажных бурых углей для электростанций
Тепловые электрические станции были и остаются крупными потребителями каменных и бурых углей, а также продуктов их переработки. При этом в общем расходе твердого топлива большой удельный вес занимают угли с высоким содержанием влаги, уровень которой колеблется от 5 до 55 %. Она, как известно, являет-
Таблица 1
Эффективность производства термоугля из бурых углей
Показатели Величина показателя Показатели Величина показателя
Прибыль, руб/т 443 Уровень рентабель-
Срок окупаемости капиталовложений, лет 5,1 ности производства продукции, % 20,0
ся нежелательным компонентом в сфере использования, балластом при железнодорожным перевозках и приводит к смерзанию угольных грузов в зимнее время.
Снижение влажности углей, повышение теплоты сгорания и транспортабельности может быть достигнуто на основе технологии термического обогащения, разработанной ИГИ и Ленгипрошахт. Согласно этой технологии, облагораживание углей по влаге осуществляется в системе высокопроизводительных вихревых камер при температуре 450 °С и давлении 0,01 МПа.[2]
Применение этой технологии, как показатели результаты опытов, приводит к повышению качества угольного топлива (термоугля) по сравнению с рядовым углем. Так, влажность термоугля снижается до 10 % (вместо 35 % в рядовых углях), теплота сгорания повышается до 6100 ккал/кг, против 3500 ккал/кг в рядовом угле. Термоуголь, получаемый в результате облагораживания рядового угля, представляет собой мелкозернистый материал крупностью до 6мм. Он может использоваться в качестве топлива на электростанциях с пылевидной системой сжигания, размещенных в территориальной близости от производства термоугля, или вывозится в другие районы.
Экономическая эффективность производства термоугля определена применительно к предприятию мощностью 3000 тыс. т, что соответствует
потребности в топливе электростанции мощностью 1200 кВт (табл. 1).
Установлено, что термоуголь оказывает положительное влияние на уровень затрат при сжигании его на электростанциях. В этом случае себестоимость производства электроэнергии снижается на 10-20 % по сравнению с использованием для этой цели рядовых углей высокой влажности.
Исходя из качественных параметров термоугля и учитывая другие факторы можно ожидать следующие результаты (последствия) в сфере его использования:
- снимаются технические ограничения в части радиуса перевозки и сроков хранения по сравнению рядовыми углями;
- исключается возможность смерзания при ж.д. перевозках и по этой причине экономятся затраты на размораживание и разгрузку;
- уменьшаются транспортные расходы: во-первых, за счет массы перевозимой влаги, во-вторых, за счет увеличения полезно перевозимого тепла топлива в вагоне.
Реализация рассматриваемой технологии приведет к увеличению радиуса перевозки канско-ачинских углей и позволит обеспечить электростанции различных регионов страны топливом, наиболее полно отвечающим их требованиям с одновременным снижением затрат на производство электроэнергии.
Производство окускованного бездымного топлива из бурых уг-
лей для энергетических установок коммунально-бытового хозяйства и населения
Относительно большое количество угольного топлива сжигается в котельных коммунально-бытового хозяйства и отопительных печах, имеющих слоевую систему сжигания. Общеизвестно, что энергетические установки такого типа имеют наиболее благоприятные теплотехнические показатели, если они обеспечиваются топливом определенной крупности (размер куска св.13 мм). В противном случае, т.е. при сжигании в них рядовых углей с большим содержанием мелочи, появляются сверхнормативные потери топлива. Так, проведенными опытами ИГИ и ИОТТ установлено, что при сжигании в одной и той же печи угольного топлива различной крупности она имеет следующие КПД: рядовой уголь с большим содержанием мелочи - 0,467; угольный концентрат крупностью св. 13 мм -0,625 и окускованное топливо - 0,75. К сожалению, в России из-за отсутствия достаточных ресурсов крупных классов угольного топлива сжигается значительное количество рядовых углей с большим содержанием мелочи. Это приводит к дополнительным потерям в сфере использования в размере 15-20 %. Кроме того, используемые сейчас основные виды угольного топлива не отвечают экологическим требованиям, особенно в части выделения дыма при их сжигании.
Перечисленные негативные последствия в значительной мере могут
быть предотвращены при сжигании в коммунально-бытовом секторе оку-скованного топлива( термобрикетов), технология производства которого использует метод горячего брикетирования (давление 75-100 МПа, температура - 400 °С, брикетирование в штемпельных прессах без применения связующих материалов). Она разработана организациями Минэнерго РФ (ИГИ, Сибгипрошахт) и проверена на опытных установках применительно к углям Канско-Ачинского бассейна.[6] Получаемые термобрикеты имеют теплоту сгорания 6200 ккал/кг (при теплоте сгорания исходного сырья-3750 ккал/кг) и является экологически чистым топливом. Дымность термобрикетов в 3,5 раза ниже аналогичного показателя брикетов, изготовленных со связующими материалами. Применительно к имеющейся технологии была разработана проектно-сметная документация на строительство Головной установки по производству термобрикетов из углей Канско-Ачинского бассейна (Березовский разрез), которая из-за отсутствия финансирования до настоящего времени не построена. В данной статье на основе проектных материалов и с привлечением другой исходной информации определена экономическая эффективность производства 1 млн т термобрикетов в год. Такая мощность предприятия была предусмотрена программой «Экологически чистая энергетика» (табл. 2).
На основе этих и других данных установлены экономические преиму-
Таблица 2
Эффективность производства окускованного топлива (термобрикетов) их бурыгх углей
Показатели Величина показателя Показатели Величина показателя
Прибыль, руб./т 99 Уровень рентабель-
Срок окупаемости капиталовложений, лет 7 ности производства продукции, % 15
щества термобрикетов в сфере использования. Затраты потребителя в расчете на 1 т у. т. полезно полученного тепла будут меньше, чем при сжигании углей различного крупности, брикетов и гранул.
Производство жидкого топлива из бурых углей для всех видов транспорта и энергетических установок
Постоянный рост потребности в жидком моторном топливе обусловливается главным образом, развитием различных видов транспорта, для которых оно является технологически необходимым, и у него долгое время не будет альтернативы. Вместе с тем, дальнейшее увеличение объемов производства бензина, керосина и других видов моторного топлива в значительной мере будет сдерживаться из-за относительной ограниченности запасов традиционного сырья-нефти. В этой связи практическое значение приобретает проблема увеличения ресурсов жидкого топлива. Они, наряду с углублением переработки нефти, могут быть также увеличены на основе вовлечения в переработку нетрадиционных источников сырья: горючих сланцев, битуминозных песков и различных марок углей.
Первоочередным сырьем для производства жидкого топлива следует признать канско-ачинские угли, на основе которых представляется возможным построить промышленные предприятия любой мощности с длительным сроком функционирования.
Применительно к этим углям организациями Минтопэнерго (ИГИ, Сиб-гипрошахт, Тульский филиал «Гипро-шахт») и других ведомств (Грозгипро-нефтехим, ВНИИНефтемаш) разработана технология производства жидкого топлива и химических продуктов из них, базирующаяся на методе гидрогенизации. [7] Согласно этой техно-
логии, гидрогенизационной переработке подвергается смесь, состоящая из 50 % тонко измельченного угля и 50 % жидких тяжелых остатков собственного производства. В эту смесь добавляют активный катализатор и ингибитор, ускоряющие протекание реакций. В результате этого гидрогенизация осуществляется при относительно низком давлении водорода (10 вместо 30-70 МПа в технологиях других стран) с большим переходом органической массы угля в жидкие продукты (85-92 %) и малым расходом водорода (1,5-2,7 %). В этом состоят принципиальные преимущества отечественной технологии по сравнению с технологиями, разработанными в США и Германии и подготовленными к внедрению. Технология реализована на Опытном заводе СТ-5, построенном при шахте «Бельковская» Подмосковного бассейна. В результате ее эксплуатации установлено, что при переработке углей Канско-Ачинского бассейна получается следующие виды продукции: бензин (23 %), дизельное топливо (62 %), топливо Т-8А (7 %) и другие (8 %). На производство 1 т жидких (обезличенных) продуктов расход углей с теплотой сгорания 3500 ккал/кг составляет примерно 5 т, включая выработку пара и электроэнергии.
Ниже применительно к отечественной технологии определены затраты на производство жидкого топлива из бурых углей. Принято, что мощность промышленного предприятия равняется 500 тыс. т жидких продуктов в год, которое размещается на месте добычи исходного сырья. Цены фактических, сложившихся к настоящему времени в Красноярском регионе. При этих условиях эффективность производства жидких продуктов характеризуется следующими величинами (табл. 3).
Таблица 3
Эффективность производства жидкого топлива
Показатели Величина показателя Показатели Величина показателя
Прибыль, руб/т 1472 Уровень рентабель-
Срок окупаемости капиталовложений, лет 8,6 ности производства продукции, % 12,0
Оценочные показатели являются вполне приемлемыми для такого вида производства.
Производство газа из высокосернистых углей - экологически чистого топлива для электростанций
Переработка углей в газ имеет долгую историю, характеризуемую периодами подъемами и упадка в части объемов выработки газа различного назначения.
В настоящее время газификацию углей рассматривают в двух аспектах: во-первых, как метод производства технологических и высококалорийных газов, соответственно предназначенных для использования в качестве сырья для производства жидкого топлива, водорода и бытового топлива -заменителя природного газа;
во-вторых, как метод подготовки (облагораживания) высокозольных и высокосернистых углей, путем превращения их в газ, очищенный от пыли и сернистых соединений.
Второе направление представляет практическое значение для многих стран, в топливных балансах которых большая доля приходится на каменные и бурые угли. Необходимость реализации этого направления в условиях России обуславливается тем, что угольное топливо, поставляемое электростанциям, во многих случаях характеризуется высокой зольностью и большим содержанием серы. Это отрицательно влияет на теплотехнические показатели работы оборудо-
вания электростанций и окружающую среду.
Названные негативные последствия могут быть полностью устранены или значительно снижены на основе предварительного удаления из сжигаемого топлива нежелательных компонентов - сернистых соединений и золы.
Решение этой проблемы в техническом плане может быть достигнуто на основе применения новой технологической схемы газификации мно-гобаластных углей, разработанной научно-исследовательскими и проектными организациями России [8, 9].
Согласно этой схемы процесс газификации осуществляется в кипящем слое при относительно низком давлении (С) и температуре....С с исполь-
зованием этих физических параметров в утилизационной турбине для выработке электроэнергии в размере,
0,128 кВт на .... м1 газа технология реализована на опытной установке при Московском коксогазовом заводе (г. Видное). В результате проведенных опытов установлена техническая возможность получения энергетического газа из подмосковных углей, имеющих высокое содержание серы (2-3,5 %), канско-аччинских, характеризующихся большой влажностью (35 %) и эки-бастузских с зольностью до 50 %.
В результате газификации этих углей было также установлено экологическая чистота получаемого газа (степень улавливания сернистых соединений из него составляет 95 % и угольной пыли-100 %).
Таблица 4
Затраты на производство электроэнергии на электростанциях различного вида топлива
Показатель Величина затрат при сжигании
Бурого угля Газа из него Каменного угля Газа из него
Себестоимость производства, руб/1000 кВтч 456,4 350,2 415,5 293,3
Соотношение, % 100,0 77,0 100,0 71,0
При этом следует подчеркнуть, что из-за отрицательно низкой теплоты сгорания (1200-1300 ккал/м1) его нецелесообразно транспортировать на большие расстояния. По этой причине газовое производство (цех, отделение) должно быть структурным подразделением электростанции и рассматриваться в технологической схеме как стадия подготовки топлива к сжиганию. Такое сочетание производств реализовано во многих странах.
В России был разработан проект на строительство установки по газификации углей, которая должна комбинироваться с энергетическим блоком мощностью 250 тыс. кВт Новотульской ТЭЦ-5 и Кировской ТЭЦ-5. Из-за финансовых затруднений проект не реализован ни на одной из названных станций.
На основе имеющихся технологических данных, касающихся ожидаемых норм расхода сырья, энергоносителя, численности рабочих с привлечением других нормативов, определена целесообразность сочетания газового производства с выработкой электроэнергии. Расчеты выполнены применительно к электростанциям с установленной мощностью 300 тыс. кВт, сжигающих газ или уголь и отпускающих в энергосистему равное количество электроэнергии (табл. 4).
Указанные в таблице данные подтверждают экономическую целесообразность газификации многобалласт-
ных углей и использования газа для производства электроэнергии.
На основании изложенного материала можно сформулировать следующие выводы.
1. Технический потенциал России в области переработки углей наряду с промышленно освоенными методами (обогащение, коксование) представлен новыми технологиями, обеспечивающими повышение качественных параметров углей, производство топливной продукции с повышенными потребительскими свойствами и более высокой стоимости. В перечень таких технологий следует включить окускование углей методом термобрикетирования; термическое обогащение углей по влаге в вихревых камерах и ожижение углей на основе гидрогенизации;
2. Реализация названных технологий в промышленности приведет к следующим последствиям:
- термическое обогащение углей по влаге приведет к увеличению радиуса перевозки по железной дороге и предотвратит смерзаемость в зимний период, а использование подсушенного угля обеспечит улучшение теплотехнических и экономических показателей работы электростанций;
- окускование углей методом горячего брикетирования позволит увеличить ресурсы экологически чистого окускованного угольного топлива, использование которого в отопительных печах населения и энергетиче-
ских установках коммунально-бытового хозяйства будет сопровождаться снижением сверхнормативных потерь и вредных выбросов в атмосферу;
- гидрогенизационная переработка углей обеспечит увеличение увеличение ресурсов жидкого топлива, потребность в котором сохраняется на высоком уровне при относительной
1. Яновский А.Б., Мастепанов А.М., Бушуев В. В. и др. Основные положения Энергетической стратегии России на период до 2020 года. Теплоэнергетика. 2002. №1. - С. 2.
2. Скрипченко Г.Б., Рубан В.А., Лопатин В.Ё. Скоростной нагрев углей: способы реализации, влияние на структуру и свойства продуктов, направления применения ХТТ. 1995г. №2. - С. 12.
3. Кудинов Ю.С. Уголь сегодня, завтра: технология, экология, экономика-М.: Новый век. 2001. 216 с.
4. Шилкина О. О. Экономическое обоснование использование углей Канско-
ограниченности традиционного сырья
- нефти, и повысит уровень рационального использования углей.
- газификация многобаластных углей позволдит обеспечить тепловые электрические станции экологически чистым топливом и приведет к снижению загрязнения окружающей среды в районах из размещения.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Ачинского бассейна в современных условиях. Автореферат канд.дис. - М.: 2002. 23 С.
5. Фомин А. П. Развитие производства получения кускового бездымного топлива для бытовых целей. Звенигород, Сборник докладов сессии Научного Совета РАН. 1998. С.90.
6. Малонетнев А.С., Кричко А.А., Горкуша А.А. Получение синтетического жидкого топлива гидрогенизацией углей. -М: Недра 1992. 128 С.
7. Альтшуаер В. С. Новые процессы газификации твердого топлива. - М.: Недра. 1986. 279 с.
8. Кричко А.А., Черненко И. И., Агеева Т. Т. Уголь. 1990. №2. - С. 7. И
— Коротко об авторах---------------------
Крапчин С.С. - Институт горючих ископаемых.
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЩЕРБА Владимир Яковлевич Разработка эффективных способов и технических средств борьбы с газодинамическими явлениями в калийных рудниках 05.05.06 25.00.20 д.т.н.
229
