2.3. Тенденции в потреблении энергетических углей

Анализ состояния наиболее распространенных технологий генерации электроэнергии в мире на основе использования угля позволяет выявить определенные закономерности и долговременные тенденции в их развитии, необходимые для оценки перспективы с учетом задач по снижению выбросов СО₂. Существующее многообразие используемых в настоящее время технологий сжигания угля можно классифицировать в зависимости от фазового состояния угля перед его непосредственным сжиганием для получения электроэнергии или тепла.

Первая и основная группа технологий основывается на процессе непосредственного сжигания угля без изменения его фазового состояния и включает слоевое сжигание, пылеугольное сжигание, а также их комбинации в виде технологий кипящего слоя. Вторая группа угольных технологий осуществляется за счет перевода угля перед его сжиганием в псевдожидкое состояние в виде суспензий с добавлением воды или жидких углеводородов. Третья группа технологий предполагает изменение фазового состояния угля для его последующего использования в виде газообразного или жидкого топлива. К этой группе относятся апологии внутрицикловой газификации угля, технологии прямого и косвенного ожижения угля. Б настоящее время технологии слоевого сжигания угля не находят применения в электроэнергетике по причине несоответствия параметров технического оформления процесса слоевого сжигания требованиям и возможностям современного электрогенерирующего оборудования, другими словами, технологии слоевого сжигания исчерпали свой инновационный потенциал для применения в электроэнергетике. Пришедшие на смену слоевому сжиганию пылеугольные технологии уже длительное время являются основой угольной электроэнергетики, демонстрируя уникальную способность к постоянному техническому совершенствованию и повышению параметров эффективности своего функционирования. При этом необходимо иметь в виду, что принципиальной особенностью технологий пылеугольного сжигания являются весьма жесткие требования к постоянству качественных характеристик используемых углей. Это означает, что котлы для пылеугольного сжигания способны обеспечивать заданные параметры только при использовании проектного топлива, т.е. углей с неизменными характеристиками по объему и минеральному составу золы, калорийности, влажности и т.д.

На основе последовательного увеличения параметров давления и температуры пара в результате использования научно-технических достижений в соответствующих отраслях знаний и производстве необходимых материалов и оборудования наработан потенциал, как для дальнейшего развития технологии пылеугольного сжигания, так и по объемам применения.

В настоящее время пока еще находят применение технологии пылеугольного сжигания с докритическими параметрами пара, одновременно в промышленном масштабе используются технологии со сверхкритическими и ультрасверхкритическими параметрами пара. При этом, наряду с тенденцией непрерывного повышения эффективности и роста КПД генерации, происходит постоянное улучшение экологических параметров пылеугольного сжигания за счет включения в технологический цикл более совершенных процессов и оборудования, начиная с подготовки топлива и завершая стадией очистки дымовых газов.

В стадии экспериментальных исследований находятся элементы оборудования, главным образом металлы, пригодные для работы при температурах пара 700°С, что позволит увеличить чистый КПД пылеугольного энергоблока до 50% и даже выше. При этом необходимо отметить высокую вероятность достижения таких параметров, поскольку она обеспечивается естественным ходом научно-технического прогресса в материаловедении и других отраслях знаний, от которых зависит получение необходимого качества металла для изготовления элементов котлов и турбин, способных длительное время выдерживать высокие температуры и давления.

Другим немаловажным фактором, обеспечивающим эволюционный характер развития пылеугольных технологий, является наличие постоянных и очевидных экономических стимулов, обусловленных последовательным снижением удельных затрат топлива на выработку 1 кВт электроэнергии. Таким образом, с высокой степенью вероятности можно утверждать, что существуют все необходимые условия для дальнейшего развития технологий пылеугольного сжигания и сохранения за ними статуса основных технологий в угольной энергетике в обозримой перспективе.

Интерес к созданию технологий и оборудования для экологически чистого сжигания высокосернистых углей возник в США как реакция на необходимость кардинального снижения выбросов сернистого ангидрида и связанных с этим кислотных дождей. С этой целью работы по созданию технологий кипящего слоя были включены в национальную программу создания чистых угольных технологий, которая осуществлялась в США в период 1986-2002 гг. По этой причине технологии кипящего слоя получили преимущественное развитие, прежде всего в США как практический результат программы чистых угольных технологий.

Достоинством технологии кипящего слоя является широкий диапазон качественных характеристик углей, пригодных к одновременному использованию. По сравнению с технологиями пылеугольного сжигания технологии кипящего слоя отличаются практически неограниченной «всеядностью» в отношении типов и качества углей. В настоящее время эти технологии находят применение во многих странах, в том числе развивающихся, располагающих запасами высокосернистых углей, а также углями нестабильного качества. Вместе с тем из-за определенных особенностей, присущих этой технологии, единичная мощность используемых в настоящее время энергоблоков ограничена величинами порядка 250 МВт.

С целью преодоления этих ограничений сегодня предпринимаются попытки создания энергоблока единичной мощностью 450 МВт, результаты работы которого возможно снимут существующие ограничения и позволят сделать окончательный вывод относительно пределов роста единичной мощности энергоблока при технологии кипящего слоя. В любом случае достигнутые технико-экономические параметры функционирования, технический уровень оборудования в совокупности с потенциалом для его дальнейшего развития, а также необходимость извлечения имеющихся в мире запасов высокосернистых углей позволяют предполагать значительные перспективы применения технологии кипящего слоя.

Появление технологий, основанных на предварительном изменении фазового состояния угля перед его непосредственным сжиганием, продиктовано необходимостью использования технологических преимуществ сжигания газообразных и жидких топлив по сравнению со сжиганием угля в твердой фазе, в том числе в виде пылеугольной и водоугольной смеси. Для изменения фазового состояния угля используются соответствующие технологии газификации и гидрогенизации углей, в то время как псевдожидкое состояние угля получается в результате смешивания угольной пыли в растворе жидкости с добавлением различных пластификаторов или в результате ультратонкого помола угля, когда получаемый продукт приобретает свойства текучести. Однако, несмотря на длительный период разработки и испытаний в целом ряде стран, включая США, бывший СССР и КНР, технологии, основанные на сжигании получаемых из угля псевдожидкостей, не находят широкого промышленного применения по целому ряду причин, подробное исследование которых выходит за рамки настоящей работы.

Комбинированные технологии с внутрицикловой газификацией угля являются наиболее характерными представителями группы, основанной на предварительном изменении фазового состояния угля с целью повышения эффективности его последующей утилизации в виде газа с использованием достоинств комбинированной выработки электроэнергии. Кроме этого, принципиальной особенностью этих технологий является необходимость очистки от загрязняющих веществ генераторного газа непосредственно в ходе процесса его получения. Особый интерес эти технологии представляют с точки зрения возможности отделения углерода на стадии газификации до его сжигания в турбине электрогенератора, что становится чрезвычайно важным в связи с необходимостью снижения выбросов СО₂. К сожалению, наличие высокого КПД электрогенерации не исключает необходимость дальнейшего снижения эмиссии СО₂ с последующей секвестрацией, т.е. предотвращение попадания СО₂ в атмосферу. Каптаж СО₂ может производиться как до сжигания угля на установках для газификации или ожижения угля, так и после сжигания угля при пылеугольных технологиях или при применении технологий кипящего слоя.

Отдельного рассмотрения заслуживает оценка существующих тенденций в развитии технологий производства синтетических жидких топлив из угля как направления его использования для производства моторных топлив для транспорта.

Новые технологии в угольной энергетике пока ещё остаются дорогими. По различным оценкам, себестоимость электроэнергии, произведённой на угольных ТЭС по новым технологиям, превышает в 1,5 раза показатель по традиционным угольным ТЭС и составляет порядка 150 $ / МВт/ч. Более высокой себестоимостью отличается только электроэнергия с солнечных, приливных и шельфовых ветровых электростанциях (согласно данным EIA). Таким образом, сравнительные преимущества новой угольной энергетики пока недостаточно высоки. С другой стороны, окупаемость таких технологий начинается с цены нефти в 120 $ / баррель, что представляется вполне возможным уровнем после «нефтяного пика» 2008 г.(Стратегия угольной отрасли). Значит, описанные технологии становятся принципиально коммерчески эффективными.