ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ: Газогенераторная техника в период с 60-х годов прошлого века до наших дней и перспективы дальнейшего развития

English version

The Timber Industry Worker

Журнал "Лесопромышленник"

Интернет-журнал "Лесопромышленник"

Интернет-журнал Лесопромышленник ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ
СЕГОДНЯ: БИОЭНЕРГЕТИКА

  

ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ.

Газогенераторная техника в период с 60-х годов прошлого века до наших дней и перспективы дальнейшего развития

В.В. Копытов, к.т.н.

Главный конструктор оборудования ГТТ ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют»

Газификация конденсированных топлив

Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития.

В настоящей книге представлен иллюстрированный исторический путь зарождения, становления, расцвета, временного забвения, современного уровня развития и перспектив технологий и оборудования газификации конденсированных топлив. Рассмотрены основные направления их применения.

Приобрести книгу можно в издательствах:

"Инфра-Инженерия" (электронная версия - http://infra-e.ru/)

"Агрорус XXI" (бумажная версия - www.agroxxi-shop.ru).

В начале 60-х годов XX века активное развитие технологий и оборудования газификации твёрдых топлив в целом приостановилось. Это было связано, прежде всего, с повсеместным распространением доступных и удобных в применении топлив, произведённых из жидкого (нефть) и газообразного (природный газ) ископаемого сырья.

Для энергетического применения генераторного газа (ГГ) сыграла свою роль и выбранная концепция централизованного производства и развитых, в т.ч. межрегиональных и международных, сетей доставки электрической энергии потребителям. Аналогичная ситуация, хоть и в меньших масштабах, сложилась и в сфере тепловой энергетики.

В 1964 г. Советский Союз последний из стран мира объявил о полном снятии с эксплуатации газогенераторных транспортных средств.

В мире в целом в это время так же наблюдался спад интереса к газификации твёрдых топлив (за исключением ЮАР, где действовало международное эмбарго на поставку нефти и нефтепродуктов, а местная компания «Сасол» перерабатывала до 47 млн. тонн угля в год и получала примерно 7 млн. тонн в год жидких углеводородов).

Однако в странах с рыночной экономикой, во многом зависящей от колебаний цен на энергоносители, этот интерес периодически (правда, в основном во время нефтяных и энергетических кризисов) вновь оживал.

Так, кроме ЮАР, активизировалось «химическое» направление газификации (главным образом для производства синтетических жидких топлив) в США, Великобритании, Новой Зеландии, Малайзии и некоторых других странах.

На Рис. 1 в качестве примера показан завод в Австрии, занимающийся пиролизом биомассы и последующим синтезом различных биотоплив.

К концу 80-х годов XX века доля генераторного газа, произведённого для данных целей, достигала почти 50% от все-го объёма этого газа в мире.

В дальнейшем она стала снижаться в связи с увеличением использования газа для генерации тепловой и электрической энергии.

С 1978 г. по 2003 г. были построены 72 предприятия газификации угля, в т.ч. крупные электростанции (мощностью 250…950 МВт), из которых 26 находятся в Азии (из них 14 – в Китае), а по 23 расположены в США и Европе (см. Рис. 2).

Завод пиролиза биомассы и синтеза биотоплива

Рис. 1 Завод пиролиза биомассы и синтеза биотоплива, Австрия

Электростанция с внутрицикловой газификацией угля

 

Рис. 2 Электростанция с внутрицикловой газификацией угля в Пуэртольяно, Испания

Приложили свои руки к воскрешению технологий газификации твёрдых топлив и американские военные, по заказу которых, начиная с середины 80-х годов XX-века, ведутся работы по созданию газогенераторных установок для получения энергии в условиях ядерной войны и после её завершения, когда привычные сегодня виды топлив станут труднодоступны.

При этом общепризнано, что доля твёрдых топлив составляет около 95 %, а на нефть и газ приходится порядка 5 % от общего объёма каустобиолитов. Причём эта пропорция с каждым годом изменяется и не в пользу жидких и газообразных видов ископаемых топлив (см. Рис. 3).

Нерациональное сжигание попутного нефтяного газа

Рис. 3 Нерациональное сжигание попутного нефтяного газа только приближает время заката нефтегазовой эры

Запасов твёрдого ископаемого сырья (угля, горючих сланцев, торфа, сапропелитов и т.п.) человечеству должно хватить не менее чем на тысячу лет.

Объёмы сырья, относящегося к возобновляемым источникам энергии (фитомасса, в т.ч. специиально выращиваемая, углеродсодержащие отходы и т.п.), вообще представляются неограниченными (в рамках существования нашей цивилизации).

Запасов же нефти и газа на Земле, по разным оценкам, осталось на 40…70 лет (по крайней мере, разведанных и легко добываемых с использованием существующих технологий).

Однако уменьшение мирового потребления нефти ожидается уже после 2020 г. И это объясняется не только тающими запасами жидкого и газообразного ископаемого сырья. Как однажды сказал бывший министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии шейх Ямани: «… Каменный век закончился не потому, что у человечества не осталось подходящего сырья для производства инструментов и оружия. Это произошло оттого, что люди нашли хорошую альтернативу. Точно так же нефтяная эра закончится не тогда, когда из земли добудут последнюю каплю нефти …».

Таким образом, можно с большой долей уверенности предположить, что уже в среднесрочной перспективе, после завершения нефтегазового периода в истории человечества (начавшегося на рубеже XIX-XX веков и завершающегося в середине-конце XXI века), технологии и оборудование газификации твёрдых топлив из раритетов прошлого неизбежно вновь превратятся в спутники настоящего и предвестники будущего.

Здесь можно вспомнить известную кинотрилогию «Назад в будущее» и заправку автомобиля «DeLorean DMC 12» бытовыми отходами.

Любопытно, что почти тем же, только в жизни, а не кино, в первой половине прошлого века были заняты и водители газогенераторных автомобилей.

Предположение о хороших перспективах газификации, хоть и косвенно, подтверждает динамика инвестиций в альтернативную энергетику (с $ 10 млрд. в 1998 г. до $ 66 млрд. в 2007 г. и, по прогнозам экспертов, почти до $ 350 млрд. к 2020 г.), а также анализ количества патентов, заявленных на оборудование газификации твёрдых топлив (см. Рис. 4).

Динамика оформления патентов в области газификации твёрдых топлив

Рис. 4 Динамика оформления патентов в области газификации твёрдых топлив

Тут можно отметить, что после периодических пиков в 20 е, 30 е и 40 е годы прошлого века и провала в 50 е … 70 е годы имел место быть краткий по времени всплеск интереса к этой тематики в начале 80 х годов, потом снова затишье на протяжении 90 х годов (с небольшим подъёмом в середине). И, наконец, ярко выраженный взлёт в середине первого десятилетия XXI века, лишь немного не дотянувшийся до рекордных показателей 60 летней давности.

В период примерно с 1850 г. по 1950 г. в мире проводилось множество исследований, направленных на коммерциализацию технологии газификации твердого топлива (ТТ) для энергетических целей (как для транспорта, так и для электро- и теплоэнергетики). Число книг, статей и патентов в тот период превысило 10 000 (без учёта СССР).

В СССР исследования в области газогенераторостроения активно велись с 1923 г. до 1965 г. и были освещены в более чем 5 000 публикациях. Примечательно, что выход книг по данной тематике не прекращался даже в самые тяжёлые военные годы. Так в 1942 г. в блокадном Ленинграде была издана книга, посвящённая газогенераторным автомобилям, а в 1943 г. там же – брошюра, рассматривающая различные виды топлив для газогенераторных двигателей. Осаждённому городу катастрофически не хватало нефтяных моторных топлив, и эти публикации были не менее актуальны, чем, например, выпущенная тем же Лениздатом в том же 1942 г. брошюра «Использование в пищу ботвы огородных растений и заготовка её впрок».

Вместе с тем, и сегодня имеют место быть области, где применение технологий и оборудования газификации твёрдых топлив не только оправдано, в т.ч. с экологической точки зрения, но и экономически целесообразно.

Для России это, прежде всего, децентрализованное распределённое (с созданием локальных сетей энергоснабжения либо без этого) производство тепловой и / или электрической энергии в отдалённых труднодоступных районах. При этом необходимо произвести смену «рациона» электрогенерирующего оборудования и перейти с привозного жидкого топлива на местные углеводородные ТТ.

В Российской Федерации на регионы с децентрализованным энергоснабжением приходится почти 2 / 3 территории, где проживают около 10% населения страны и сосредоточено до 15% основных производственных фондов государства. Здесь, в частности, заготавливается более 50% древесины, добывается 75% нефти, более 90% газа, алмазов, пушнины, драгоценных металлов, радиоактивных и редкоземельных элементов.

В настоящее время основу энергетики в этих регионах составляют более 50 тыс. электростанций на базе двигателей внутреннего сгорания (в основном, дизельных) с суммарной годовой выработкой более 50 млрд. кВт*ч, годовым потреблением более 25 млн. т.у.т. и средней выработкой ресурса более 80%.

Удалённость и труднодоступность данных регионов (и, как следствие, исключительно сложная логистика доставки туда моторного топлива и других расходных материалов), а также физический и моральный износ используемого в настоящее время энергогенерирующего оборудования приводит к серьёзному повышению эксплуатационных затрат. Так, по данным ОАО АК «Якутскэнерго», соотношение затрат на содержание автономных дизель-электростанций к объёму выработанной ими электроэнергии составляет примерно в 6 раз больше, чем в среднем по Якутии (и, думается, на порядки – в сравнении с центральными районами России (а с европейскими странами лучше и не сравнивать)).

Экономия на завозе бензина и дизтоплива может быть ещё существенней, если часть (а, в идеале, и все 100%) наземного и водного транспорта в этих отдалённых регионах перевести на местные виды твёрдых топлив, желательно в пеллетированном виде. К местным ТТ обычно относят древесину и другие топлива, произведённые из первичной биомассы растительного происхождения (фитомассы), каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы, сапропелиты и т.п.

Ещё одной (пока, правда, только потенциальной) сферой применения технологий и оборудования газификации твёрдых топлив может быть переработка (использование, утилизация) отходов различного происхождения, в т.ч. в рамках концепции «индустриального метаболизма» и реутилизационных технологий.

Это применение становится всё более и более актуальным в условиях, когда пророческие слова выдающегося физика Нильса Бора – «Человечество не погибнет в атомном кошмаре – оно задохнётся в собственных отходах», произнесённые им в начале 50-х годов прошлого века, уверенно ложатся в основу одного из самых реалистичных из апокалипсических сценариев будущего (см. Рис. 5).

Улицы Неаполя

Рис. 5 Улицы итальянского Неаполя. Наши дни …

В настоящее время на каждого жителя планеты ежегодно из природных кладовых Земли изымается порядка 50 т сырья, из которого, в конечном счёте, получают 2 т полезной продукции и 48 т отходов.

Россия также располагает огромными объёмами отходов, в т.ч. биоресурсами в виде органических отходов. При пересчёте на абсолютно сухое состояние эти ресурсы ежегодно составляют до 1 500 млн. т., из них:

  • отходы промышленного происхождения – 1 100 млн. т, в т.ч. отходы лесо- и деревопереработки – 700 млн. т;
  • отходы сельскохозяйственного происхождения – 250 млн. т, в т.ч. отходы животноводства и птицеводства – 150 млн. т. Остальное – отходы растениеводства;
  •  отходы потребления – 100 млн. т., в т.ч. твёрдые бытовые отходы (ТБО) – 60 млн.т. Остальное – коммунальные стоки и другие отходы потребления, образующиеся в населённых пунктах в результате жизнедеятельности людей.

Особенно привлекательно использование газогенераторной техники в сельском хозяйстве, т.к. переход на горючее в виде сельскохозяйственных отходов сделал бы цены на сельскохозяйственную продукцию независимыми от цен на топливо нефтяного происхождения (государственная программа на эту тему принята, в частности, в Швеции).

Можно также отдельно отметить проблему утилизации деревянных железнодорожных шпал, выводимых из эксплуатации ОАО «РЖД» до 10 миллионов штук ежегодно.

К настоящему времени в местах временного хранения накоплено более 500 тыс. тонн отработанных (старогодных) шпал (см. Рис. 6), пропитанных антисептическими средствами (каменноугольным креозотовым маслом, термокаталитической жидкостью ЖКТ и т.п.).

Железнодорожные деревянные шпалы, выведенные из эксплуатации

Рис. 6 Железнодорожные деревянные шпалы, выведенные из эксплуатации

Согласно федеральному классификатору отходов пропитанные антисептиками железнодорожные шпалы относятся к III-му классу опасности и их хранение сопряжено с существенными экологическими издержками, в т.ч. соответствующими выплатами.

Основной же трудностью при утилизации (особенно термическими способами) данных отходов является обеспечение допустимых уровней выбросов бенз(а)пирена и других полициклических ароматических углеводородов, из которых большей частью и состоят используемые для пропитки шпал антисептические средства.

Газификация позволяет эффективно и экологически безопасно решить задачу утилизации шпал, что подтверждено специалистами химико-аналитической лаборатории Научно-производственного центра по охране окружающей среды ОАО «РЖД».

Но, если в случаях промышленных и сельскохозяйственных отходов можно рассчитывать на рыночные механизмы, то в случае с ТБО и другими отходами потребления необходимо деятельное участие государственных органов власти РФ.

В качестве ориентира можно привести систему преференций, предоставляемых «зелёной» энергетике в странах ЕС) (см. Рис. 7).

Зелёной энергетике в странах Европейского Союза дан зелёный свет

Рис. 7 «Зелёной» энергетике в странах Европейского Союза дан «зелёный свет»

Среди мер такой поддержки в этих странах можно отметить «зелёные сертификаты», возмещение стоимости технологического оборудования, специальные тарифы на подключение, «систему чистого измерения» и др. В результате уже на начало 2006 г в Европе работало свыше 300 достаточно крупных предприятий, вырабатывающих энергию из отходов (средней производительностью 177 тыс. тонн в год). Во всём мире на данный момент таких предприятий насчитывалось около 7-ми сотен.

Наконец, в условиях постоянно растущих цен на жидкие моторные топлива может стать и в России перспективным использование технологий газификации твёрдых топлив для получения искусственных жидких топлив. По некоторым расчётам себестоимость литра усреднённого синтетического моторного топлива, полученного путём газификации древесных отходов и последующего синтеза по методу Фишера-Тропша, составляет в ценах 2010 г. 4,52 рубля.

Для развитых и развивающихся стран, не относящих себя к «энергетическим сверхдержавам», актуальным останется (и с течением времени эта актуальность будет только повышаться) газификация различных видов ТТ, в т.ч. произведённых из отходов, с целью перевода их из категории «неудобных» топлив («solid fuels – bad fuels» в английской терминологии) на одну ступень (в технологическом смысле) с природным газом и продуктами нефтепереработки.

Так, свои проекты в области синтеза жидких углеводородов по методу Фишера-Тропша разной степени проработки имеют такие компании, как Shell, Sasol, Chevron, CWT, Conoro, BP, ENI, Statoil, Rentech, Syntroleum и другие.

Кроме того, в этих странах разрабатываются и новые технологии газификации твёрдых топлив. Так в качестве участка принципиального прорыва на фронте новых технологических разработок в энергетической сфере компания «Siemens» выбрала модернизацию газовых турбин для работы на генераторном газе, полученном в процессе газификации ТТ. Эффективное решение этой задачи, по мнению ряда экспертов, позволит технологии комбинированного технологического цикла энергогенерации с внутрицикловой газификацией (в английской терминологии: «Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC)»), в среднесрочной перспективе стать ведущей в мире среди всех тепло- и электроэнергетических технологий. В виду больших запасов углей, горючих сланцев и других видов ТТ эта технология способна обеспечить стабильное развитие энергетического сектора на длительный период времени. Данная технология предусматривает также снижение выбросов диоксида углерода (СО2) в атмосферу.

Другой всемирно известный холдинг «Mitsubishi», в т.ч. в области альтернативных источников энергии, уже несколько лет ведёт активные работы в области создания современного оборудования газификации угля.

Немецкая энергетическая компания «RWE Power» выделила на разработку подобных технологий 1 млрд. евро. Первая твёрдотопливная электростанция данной компании мощностью 450 МВт, газифицирующая рейнские бурые и каменные угли, будет введена в эксплуатацию в 2014 г.

Примером серьёзного отношения к технологиям газификации твёрдых топлив, прежде всего каустобиолитов, может служить Великобритания. Так, в электронных СМИ прошло сообщение о том, что в ноябре 2010 г. фирма «Rentech», специализирующаяся на производстве синтетических топлив, подписала соглашение о намерениях с американской биоэнергетической группой «Solena», которое подразумевает использование технологии Фишера-Тропша на заводе по производству синтетического топлива в восточной части Лондона. Завод под названием «GreenSky» ежегодно будет перерабатывать около 500 тысяч тонн биомассы в синтетический газ. Впоследствии этот газ будет перерабатываться в 60,6 млн. литров синтетического авиационного турбореактивного топлива. Ранее в этом же году авиакомпания «British Airways» подписала соглашение о намерениях, подразумевающее покупку всего топлива, производимого на данном заводе.

А компания «Power Fuels Ltd.» сообщила о своем намерении использовать газо- и паротурбинные технологии компании «GE Energy» при строительстве электростанции комбинированного цикла с газификацией угля (технология IGCC) и практически нулевой токсичностью рядом с существующей угольной шахтой в местечке Хэтфилд, Южный Йоркшир, Великобритания. Ожидается, что электростанция мощностью 900 МВт будет запущена в эксплуатацию в конце 2011 г., а к 2013 г. она будет переведена на синтетический горючий газ. Такой подход обеспечивает возможность поэтапного внедрения газовых турбин комбинированного цикла и оборудования «Gasification Island».

Среди других промышленно развитых стран, в которых явно прослеживается интерес к развитию технологий и созданию новых образцов оборудования газификации твёрдых топлив, можно выделить Австрию (см. Рис. 8), Швецию, Финляндию (см. Рис. 9), Германию, Данию, Нидерланды, США, Канаду и Японию.

Экспериментальный комплекс газификации древесины

Рис. 8 Экспериментальный комплекс газификации древесины в Гюссинге, Австрия

Схема газогенератора

Рис. 9 Схема газогенератора Novel фирмы Condens OY, Финляндия

Несомненными лидерами в плане газификации фитомассы для децентрализованного электроснабжения являются Индия, Китай и Бразилия.

В Индии, например, реализацией соответствующих государственных программ занимается специальное Министерство нетрадиционных источников энергии.

По состоянию на середину 2003 г. в этой стране эксплуатировалось около 2 000 газогенераторных энергетических установок малой мощностью (от 5 до 500 кВт), работающих, в основном, на ТТ растительного происхождения (см. Рис. 10).

Газогенераторная энергетическая установка, работающая на биоотходах

Рис. 10 Газогенераторная энергетическая установка, работающая на биоотходах, компании «Ankur», Индия

Среди развивающихся стран можно также отметить Филиппины, Таиланд, Бангладеш, Малайзию, Индонезию, Кубу, Мали, Кению, Бурунди и Мадагаскар. Там развитие технологий газификации твёрдых топлив, как и в Индии, закреплено государственными программами.

В Северной Корее с середины прошлого века и по настоящее время значительная часть автопарка оснащена транспортными газогенераторами.

Прогнозируется, что к 2040 г. топливо, произведённое из биомассы термо и биохимическими способами (биотопливо), займёт до 25% в общемировой структуре источников энергии всех видов.

В странах – бывших республиках СССР технологии газификации твёрдых топлив в последние десятилетия в промышленном масштабе не применялись.

Пожалуй, единственным исключением являлась Эстония. В г. Кохтла Ярве работает завод газификации местных горючих сланцев, генераторный газ по 400 километровову газопроводу доставляется в г. Таллинн, на нём в столице этой прибалтийской республики работают все городские котельные.

При этом технологии газификации горючих сланцев были разработаны ещё при «советской власти» (как и основные капитальные вложения в эту отрасль были сделаны тогда же). Хотя сама история газификации сланцев в Эстонии ведётся ещё с царских времён (с 1916 г.).

Но в последнее время и здесь наметился некоторый прогресс. Так, на предприятии «Алюминий Казахстана» в газогенераторах Лурги под давлением газифицируется Шубаркольский длиннопламенный каменный уголь марки Д.

В Беларуси под патронатом ПРООН / ГЭФ осуществляется проект № BYE / 03 / G31 «Энергия биомассы для отопления и горячего водоснабжения в Республике Беларусь», который реализуется государственным аграрным техническим университетом БАТУ.

На Украине пользуются спросом бытовые газогенераторные установки для отопления жилых и производственных помещений (мировой лидер в производстве таких установок, канадская фирма «Bullerjahn», даже открыла в 2003 г. своё представительство в г. Киеве).

И, в заключение, немного лирики:

… Если на минутку отказаться от примитивно бухгалтерского восприятия окружающей действительности, то в робких попытках возрождения забытых технологий газификации твёрдых топлив сквозь всё затмевающий морок сиюминутной экономической выгоды можно разглядеть и благодарную дань памяти энтузиастам прошлого, и дальновидную заботу о благополучии (а то и выживании) наших потомков в будущем (и дай им Бог, чтобы в далёком!). …

(Статьи опубликованы в журнале "Лесопромышленник"

и на сайте: "Альтернативная энергетика")

О Интернет-Журнале "Лесопромышленник"      Редакция     Партнеры     Реклама     Архив номеров    Ссылки о ЛПК     Каталог ссылок

 Иконка сайта сделана при помощи favicon.ru

©H&G - Studio 

© Интернет-журнал "Лесопромышленник" («The Internet-magazine «Lesopromyshlennik»)

Свидетельство о регистрации Эл № ФС77-32798  от   11.08.2008 г.

E-mail: priorov@lesopromyshlennik.ru, karpachev@mgul.ac.ru.

При цитировании информации гиперссылка на Интернет-журнал "Лесопромышленник"  обязательна.
Использование материалов журнала в коммерческих целях допускается только с письменного разрешения редакции.

 

С целью ограничения спам-рассылок в электронных адресах символ "@" замещён на "[at]". Приносим свои извинения за причиненное неудобство.