Сейчас:
БИОЭНЕРГЕТИКА

ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ.
Газогенераторная техника в период с 60-х годов прошедшего века до наших дней и перспективы предстоящего развития
В.В. Копытов, к.т.н.

Главный конструктор оборудования ГТТ ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют»

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

В истинной книжке представлен иллюстрированный исторический путь зарождения, становления, расцвета, временного забвения, современного уровня развития и перспектив технологий и оборудования газификации конденсированных топлив. Рассмотрены главные направления их внедрения.

Приобрести книжку можно в издательствах:

«Инфра-Инженерия» (электрическая версия — http://infra-e.ru/)

«Агрорус XXI» (картонная версия — www.agroxxi-shop.ru).

Сначала 60-х годов XX века активное развитие технологий и оборудования газификации твёрдых топлив в целом приостановилось. Это было связано, сначала, с повсеместным распространением доступных и комфортных в применении топлив, произведённых из водянистого (нефть) и газообразного (природный газ) ископаемого сырья.

Для энергетического внедрения генераторного газа (ГГ) сыграла свою роль и избранная концепция централизованного производства и развитых, в т.ч. межрегиональных и интернациональных, сетей доставки электронной энергии потребителям. Подобная ситуация, хоть и в наименьших масштабах, сложилась и в сфере термический энергетики.

В 1964 г. Русский Альянс последний из государств мира объявил о полном снятии с эксплуатации газогенераторных тс.

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

Но в странах с рыночной экономикой, почти во всем зависящей от колебаний цен на энергоэлементы, этот энтузиазм временами (правда, в главном во время нефтяных и энергетических кризисов) вновь оживал.

Так, не считая ЮАР, активировалось «химическое» направление газификации (приемущественно для производства синтетических водянистых топлив) в США, Англии, Новейшей Зеландии, Малайзии и неких других странах.

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

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

В предстоящем она стала понижаться в связи с повышением использования газа для генерации термический и электронной энергии.

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

Рис. 1 Завод пиролиза биомассы и синтеза биотоплива, Австрия

Рис. 2 Электрическая станция с внутрицикловой газификацией угля в Пуэртольяно, Испания

Приложили свои руки к воскрешению технологий газификации твёрдых топлив и южноамериканские военные, по заказу которых, начиная с середины 80-х годов XX-века, проходят работы по созданию газогенераторных установок для получения энергии в критериях ядерной войны и после её окончания, когда обычные сейчас виды топлив станут недоступны.

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

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

Припасов твёрдого ископаемого сырья (угля, горючих сланцев, торфа, сапропелитов и т.п.) населению земли должно хватить более чем на тыщу лет.

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

Припасов же нефти и газа на Земле, по различным оценкам, осталось на 40…70 лет (по последней мере, разведанных и просто добываемых с внедрением имеющихся технологий).

Но уменьшение мирового употребления нефти ожидается уже после 2020 г. И это разъясняется не только лишь тающими припасами водянистого и газообразного ископаемого сырья. Как в один прекрасный момент произнес прошлый министр нефтяной индустрии Саудовской Аравии шейх Ямани: «… Каменный век завершился не поэтому, что у населения земли не осталось подходящего сырья для производства инструментов и орудия. Это вышло оттого, что люди отыскали неплохую кандидатуру. Точно так же нефтяная эпоха завершится не тогда, когда из земли добудут последнюю каплю нефти …».

Таким макаром, можно с большой толикой убежденности представить, что уже в среднесрочной перспективе, после окончания нефтегазового периода в истории населения земли (начавшегося на рубеже XIX-XX веков и завершающегося в середине-конце XXI века), технологии и оборудование газификации твёрдых топлив из раритетов прошедшего безизбежно вновь перевоплотился в спутники реального и предвестники грядущего.

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

Интересно, что практически этим же, исключительно в жизни, а не кино, в первой половине прошедшего века были заняты и водители газогенераторных автомобилей.

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

Рис. 4 Динамика дизайна патентов в области газификации твёрдых топлив

Здесь можно отметить, что после повторяющихся пиков в 20 е, 30 е и 40 е годы прошедшего века и провала в 50 е … 70 е годы имел место быть лаконичный по времени всплеск энтузиазма к этой темы сначала 80 х годов, позже опять затишье в протяжении 90 х годов (с маленьким подъёмом посреди). И, в конце концов, ярко выраженный взлёт посреди первого десятилетия XXI века, только мало не дотянувшийся до рекордных характеристик 60 летней давности.

В период приблизительно с 1850 г. по 1950 г. в мире проводилось огромное количество исследовательских работ, направленных на коммерциализацию технологии газификации твердого горючего (ТТ) для энергетических целей (как для транспорта, так и для электро- и теплоэнергетики). Число книжек, статей и патентов в тот период превысило 10 000 (без учёта СССР).

В СССР исследования в области газогенераторостроения интенсивно велись с 1923 г. до 1965 г. и были освещены в более чем 5 000 публикациях. Броско, что выход книжек по данной теме не прекращался даже в самые тяжёлые военные годы. Так в 1942 г. в блокадном Ленинграде была издана книжка, посвящённая газогенераторным автомобилям, а в 1943 г. там же – брошюра, рассматривающая разные виды топлив для газогенераторных движков. Осаждённому городку чертовски не хватало нефтяных моторных топлив, и эти публикации были более животрепещущи, чем, к примеру, выпущенная этим же Лениздатом в том же 1942 г. брошюра «Использование в еду ботвы огородных растений и заготовка её впрок».

Вкупе с тем, и сейчас имеют место быть области, где применение технологий и оборудования газификации твёрдых топлив не только лишь оправдано, в т.ч. с экологической точки зрения, да и экономически целенаправлено.

Для Рф это, сначала, децентрализованное распределённое (с созданием локальных сетей энергоснабжения или без этого) создание термический и / либо электронной энергии в далённых недоступных районах. При всем этом нужно произвести смену «рациона» электрогенерирующего оборудования и перейти с привозного водянистого горючего на местные углеводородные ТТ.

В Русской Федерации на регионы с децентрализованным энергоснабжением приходится практически 2 / 3 местности, где проживают около 10% населения страны и сосредоточено до 15% главных производственных фондов страны. Тут, а именно, заготавливается более 50% древесной породы, добывается 75% нефти, более 90% газа, алмазов, пушнины, драгоценных металлов, радиоактивных и редкоземельных частей.

В текущее время базу энергетики в этих регионах составляют более 50 тыс. электрических станций на базе движков внутреннего сгорания (в главном, дизельных) с суммарной годичный выработкой более 50 миллиардов. кВт*ч, годичным потреблением более 25 млн. т.у.т. и средней выработкой ресурса более 80%.

Удалённость и труднодоступность данных регионов (и, как следствие, только непростая логистика доставки туда моторного горючего и других расходных материалов), также физический и моральный износ применяемого в текущее время энергогенерирующего оборудования приводит к серьёзному увеличению эксплуатационных издержек. Так, по данным ОАО АК «Якутскэнерго», соотношение издержек на содержание автономных дизель-электростанций к объёму выработанной ими электроэнергии составляет приблизительно в 6 раз больше, чем в среднем по Якутии (и, думается, на порядки – в сопоставлении с центральными районами Рф (а с европейскими странами лучше и не ассоциировать)).

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

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

Это применение становится всё более и поболее животрепещущим в критериях, когда пророческие слова известного физика Нильса Бора – «Человечество не погибнет в атомном ужасе – оно задохнётся в собственных отходах», произнесённые им сначала 50-х годов прошедшего века, уверенно ложатся в базу 1-го из самых близких к реальности из апокалипсических сценариев грядущего (см. Рис. 5).

Рис. 5 Улицы итальянского Неаполя. Наши деньки …

В текущее время на каждого обитателя планетки раз в год из природных кладовых Земли изымается порядка 50 т сырья, из которого, в конечном счёте, получают 2 т полезной продукции и 48 т отходов.

Наша родина также располагает большими объёмами отходов, в т.ч. биоресурсами в виде органических отходов. При пересчёте на полностью сухое состояние эти ресурсы раз в год составляют до 1 500 млн. т., из их:

• 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 употребления – 100 млн. т., в т.ч. твёрдые бытовые отходы (ТБО) – 60 млн.т. Остальное – коммунальные стоки и другие отходы употребления, образующиеся в населённых пт в итоге жизнедеятельности людей.

В особенности презентабельно внедрение газогенераторной техники в сельском хозяйстве, т.к. переход на горючее в виде сельскохозяйственных отходов сделал бы цены на сельскохозяйственную продукцию независящими от цен на горючее нефтяного происхождения (муниципальная программка на данную тему принята, а именно, в Швеции).

Можно также раздельно отметить делему утилизации древесных жд шпал, выводимых из эксплуатации ОАО «РЖД» до 10 миллионов штук раз в год.

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

Рис. 6 Жд древесные шпалы, выведенные из эксплуатации

Согласно федеральному классификатору отходов пропитанные антисептиками жд шпалы относятся к III-му классу угрозы и их хранение связано с существенными экологическими издержками, в т.ч. надлежащими выплатами.

Основной же трудностью при утилизации (в особенности тепловыми методами) данных отходов является обеспечение допустимых уровней выбросов бенз(а)пирена и других полициклических ароматичных углеводородов, из которых большей частью и состоят применяемые для пропитки шпал дезинфицирующие средства.

Газификация позволяет отлично и экологически неопасно решить задачку утилизации шпал, что доказано спецами химико-аналитической лаборатории Научно-производственного центра по охране среды ОАО «РЖД».

Но, если в случаях промышленных и сельскохозяйственных отходов можно рассчитывать на рыночные механизмы, то в случае с ТБО и другими отходами употребления нужно инициативное роль муниципальных органов власти РФ.

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

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

Посреди мер таковой поддержки в этих странах можно отметить «зелёные сертификаты», возмещение цены технологического оборудования, особые тарифы на подключение, «систему незапятнанного измерения» и др. В итоге уже на начало 2006 г в Европе работало выше 300 довольно больших компаний, вырабатывающих энергию из отходов (средней производительностью 177 тыс. тонн в год). Во всём мире сейчас таких компаний насчитывалось около 7-ми сотен.

В конце концов, в критериях повсевременно возрастающих цен на водянистые моторные горючего может стать и в Рф многообещающим внедрение технологий газификации твёрдых топлив для получения искусственных водянистых топлив. По неким расчётам себестоимость литра усреднённого синтетического моторного горючего, приобретенного оковём газификации древесных отходов и следующего синтеза по способу Фишера-Тропша, составляет в ценах 2010 г. 4,52 рубля.

Для развитых и развивающихся государств, не относящих себя к «энергетическим сверхдержавам», животрепещущим остается (и со временем эта актуальность будет только повышаться) газификация разных видов ТТ, в т.ч. произведённых из отходов, с целью перевода их из категории «неудобных» топлив («solid fuels – bad fuels» в британской терминологии) на одну ступень (в технологическом смысле) с природным газом и продуктами нефтепереработки.

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

Не считая того, в этих странах разрабатываются и новые технологии газификации твёрдых топлив. Так в качестве участка принципного прорыва на фронте новых технологических разработок в энергетической сфере компания «Siemens» избрала модернизацию газовых турбин для работы на генераторном газе, приобретенном в процессе газификации ТТ. Действенное решение этой задачки, по воззрению ряда профессионалов, позволит технологии комбинированного технологического цикла энергогенерации с внутрицикловой газификацией (в британской терминологии: «Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC)»), в среднесрочной перспективе стать ведущей в мире посреди всех тепло- и электроэнергетических технологий. В виду огромных припасов углей, горючих сланцев и других видов ТТ эта разработка способна обеспечить размеренное развитие энергетического сектора на долгий период времени. Данная разработка предугадывает также понижение выбросов диоксида углерода (СО2) в атмосферу.

Другой всемирно узнаваемый холдинг «Mitsubishi», в т.ч. в области других источников энергии, уже пару лет ведёт активные работы в области сотворения современного оборудования газификации угля.

Германская энергетическая компания «RWE Power» выделила на разработку схожих технологий 1 миллиардов. евро. 1-ая твёрдотопливная электрическая станция данной компании мощностью 450 МВт, газифицирующая рейнские бурые и каменные угли, будет введена в эксплуатацию в 2014 г.

Примером серьёзного дела к технологиям газификации твёрдых топлив, сначала каустобиолитов, может служить Англия. Так, в электрических СМИ прошло сообщение о том, что в ноябре 2010 г. компания «Rentech», специализирующаяся на производстве синтетических топлив, подписала соглашение о намерениях с американской биоэнергетической группой «Solena», которое предполагает внедрение технологии Фишера-Тропша на заводе по производству синтетического горючего в восточной части Лондона. Завод под заглавием «GreenSky» раз в год будет перерабатывать около 500 тыщ тонн биомассы в синтетический газ. Потом этот газ будет перерабатываться в 60,6 млн. л. синтетического авиационного турбореактивного горючего. Ранее в этом же году авиакомпания «British Airways» подписала соглашение о намерениях, подразумевающее покупку всего горючего, производимого на данном заводе.

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

Посреди других промышленно продвинутых стран, в каких очевидно выслеживается энтузиазм 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.

Рис. 8 Экспериментальный комплекс газификации древесной породы в Гюссинге, Австрия

Рис. 9 Схема газогенератора Novel конторы Condens OY, Финляндия

Бесспорными фаворитами в плане газификации фитомассы для децентрализованного электроснабжения являются Индия, Китай и Бразилия.

В Индии, к примеру, реализацией соответственных муниципальных программ занимается особое Министерство нестандартных 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 главном, на ТТ растительного происхождения (см. Рис. 10).

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

Посреди развивающихся государств 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 муниципальными программками.

В Северной Корее с середины прошедшего века и по истинное время значимая часть автопарка вооружена транспортными газогенераторами.

Прогнозируется, что к 2040 г. горючее, произведённое из биомассы термо и биохимическими методами (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 всем этом технологии газификации горючих сланцев были разработаны ещё при «советской власти» (как и главные серьезные вложения в эту ветвь были изготовлены тогда же). Хотя сама история газификации сланцев в Эстонии ведётся ещё с королевских времён (с 1916 г.).

Но в ближайшее время и тут наметился некий 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 жаркого водоснабжения в Республике Беларусь», который реализуется муниципальным земельным техническим институтом БАТУ.

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

И, в заключение, незначительно лирики:

… Если на минуту отрешиться от примитивно бухгалтерского восприятия окружающей реальности, то в застенчивых попытках возрождения позабытых технологий газификации твёрдых топлив через всё затмевающий хлопот сиюминутной экономической выгоды можно рассмотреть и признательную дань памяти энтузиастам прошедшего, и дальнозоркую заботу о благополучии (а то и выживании) наших потомков в дальнейшем (и дай им Бог, чтоб в отдалёком!). …

(Статьи размещены в журнальчике «Лесопромышленник»

и на веб-сайте: «Другая энергетика»)