Нетрадиционные технологии добычи и переработки твердых топлив и урана

НЕТРАДИЦИОННЫЕ  ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ И  ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ  ТОПЛИВ И УРАНА 

    Переход энергетики России на угольное топливо

    Необходимость такого перехода сегодня уже ни у  кого не вызывает сомнений. Остальных  топливных ресурсов хватит на значительно  меньший срок, а их стоимость гораздо  выше. В России разница в цене на уголь, газ и нефть пока не настолько  велика, как, например, в Европе, но положительная  динамика роста цен на нефть и  газ по сравнению с углем очевидна. За последние годы цена на нефть  и газ выросла на порядок, а  на уголь - в полтора-два раза. Из расчета потребления топлива  на 2000 год, мировых нефтяных запасов  хватит примерно на 48 лет, газа - на 60 лет, а угля - более чем на 220. Мировые  запасы угля огромны, и Россия стоит  в списке обладателей этих ресурсов на третьем месте после стран  Азиатско-Тихоокеанского региона и  Северной Америки.

    В структуре потребления первичных  энергетических ресурсов России уголь  занимает всего 18%, тогда как нефть - 21%, а газ - 52%. Сегодня значительно  выгоднее и с экономической и  с экологической точки зрения экспортировать большую часть добываемого  газа и нефти. Каждый год потребления  угля в мире растет на 5%. В 1988 году в  нашей стране добыча угля составила 748 млн т, а в 2005 - 1 млрд т. Однако угольное топливо в мировой энергетике используется значительно интенсивнее, чем в России, и причина тому - отсутствие технологической базы и готовности власти на деле поддержать необходимую реформу, которая, как показывает зарубежная практика, окупает все затраты в предельно короткие сроки.

    Угольные  запасы России в основном сосредоточены  в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Объемы добычи угля возросли, но доля в энергетическом балансе осталась практически без  изменений. В этом вопросе мы отстаем  от всего цивилизованного мира. Чтобы  изменить устоявшуюся систему, требуется  значительное время и усилия со стороны  предприятий и поддержка государства. Во всем мире уголь стал объектом приложения современных фундаментальных исследований и научных методов.  

    Технологии  переработки угля

    Современные научно-технические разработки направлены, прежде всего, на повышение эффективности  процессов сжигания, газификации  и комплексной переработки твердых  топлив, в том числе с их плазменной и кислородной активацией. Новые технологии сжигания, вызывают много споров, но считаются весьма перспективными - вихревые технологии и котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС). Впрочем, ЦКС не единственная высокая технология сжигания угля. Среди основных современных («чистых») технологий переработки угля можно назвать:

    - Сжигание  в факеле с системами серо- и азотоочистки.

    - Сжигание  в других модификациях кипящего  слоя при атмосферном давлении: фонтанирующий слой (ФС), низкотемпературный  кипящий слой (НКС), высокотемпературный  кипящий слой (ВКС).

    - Сжигание  в кипящем слое под давлением  для парогазовых установок на  твердом топливе (КСД).

    - Газификация  в потоке, плотном и кипящем  слоях при атмосферном давлении.

    - Газификация  в потоке и плотном слое  под давлением для парогазовых  установок на твердом топливе. 

    Плазматрон  на страже экологии

    Системы плазменного розжига и плазменной подсветки факела - в будущем могут позволить отказаться от использования мазута на станциях, сжигающих любые виды угля, - от бурого до антрацита. Стоит отметить, что данная технология имеет много недочетов и тонких моментов, которые при внедрении заявляют о себе.

    Системы плазменного воспламенения позволяют  обойтись без дорогостоящих газа и мазута, которые традиционно  используют для растопки котлов и  стабилизации горения пылеугольного  факела. Они обеспечивают стабильное воспламенение, снижение механического  недожога топлива и температурного уровня в камере охлаждения котла. Благодаря  двухступенчатому режиму сжигания топлива (ПТС и топка котла) снижаются  выбросы NOx. Экономический эффект от внедрения ПТС  зависит от соотношения цен на уголь, газ, мазут. В целом  срок окупаемости данного оборудования варьируется от 6 до 18 месяцев.

    Новосибирская инжиниринговая компания ЗАО «СибКОТЭС» также представила плазматроны принципиально новой конструкции - на базе СВЧ-разряда, которые пока находятся на стадии разработки. По сравнению с электродуговыми плазматронами СВЧ-плазматрон имеет ряд таких преимуществ, как большее дробление частиц угля, более интенсивная газификации угля, устойчивое горение угольной пыли и полное выгорание топлива. Плазма локализована в пространстве в виде парящего СВЧ-разряда. В данной конструкции исключается смещение точки горения. Простота и надежность оборудования достигаются за счет отсутствия электродов, дорогого циркулятора, волноводов и элементов подстройки. 

    Плазменная  газификация углей  и сланцев

    Долгое  время плазменная обработка считалась  пригодной лишь для периодических  процессов. Но сейчас ее начинают применять  и в процессах непрерывных, причем сфера их использования постепенно расширяется. Естественно, что для  этого необходимо совершенствовать плазменную технику, и прежде всего увеличивать длительность ее работы.

    Плазма - это нагретый до высокой температуры газ, содержащий, причем в достаточно высокой концентрации, электроны и положительные ионы. В генераторе плазмы - плазмотроне газ (или водяной пар) нагревается электрической дугой. Разность потенциалов между анодом, которым служит корпус аппарата, и вольфрамовым стержнем-катодом около 500 вольт. Электрический разряд проходит по каналу сильно ионизированного газа, и температура в плазменном шнуре достигает 5000-10000°С. При этом катод подвергается бомбардировке тяжелыми положительными ионами. Это приводит к сильному его разогреву и эрозии. Происходит также и эрозия анода. В общем, срок службы электродов в значительной степени ограничивает общий ресурс плазмотрона.

    Сегодня плазмотроны мощностью до 500 кВт  уже могут надежно работать около тысячи часов. Очевидно, такой ресурс вполне достаточен для того, чтобы использовать плазменную технологию в многотоннажных непрерывных производствах, в том числе и для переработки твердого топлива в высококалорийный газ или жидкое горючее.

    Плазменная  технология может найти применение для переработки сибирских углей  с получением синтетического газа или  углеводородного жидкого топлива, которые по трубопроводам будут  транспортироваться в центральные  районы страны. Есть и другие возможности  ее использования. Это газификация  низкосортных местных углей и  сланцев - выработка высококалорийного  газа для электростанций с парогазовыми блоками или газовыми турбинами, которые могут работать при переменной нагрузке; и газификация углей и других топлив в газогенераторах малой мощности - для удовлетворения потребностей предприятий в газовом топливе.

    Во  всех случаях в любой из перечисленных  схем сначала необходимо получить так  называемый синтез-газ - смесь окиси  углерода и водорода, по возможности  свободную от балластирующих газов - азота, двуокиси углерода, кислорода, водяного пара. Поэтому процесс должен идти практически без доступа воздуха, то есть на парокислородном дутье. Это - главное требование, предъявляемое к плазменной газификации твердого топлива.

    Плазменный  генератор для газификации угля представляет собой обычную топочную камеру. Только вместо горелок на стенках  камеры установлены плазменные реакторы с плазмотронами.

    В каждом из плазмотронов смесь водяного пара и кислорода нагревается с помощью электрического газового разряда до температуры в среднем около 3000°С. Горячие газовые струи в реакторе сливаются в раскаленный факел. В этом факеле угольная пыль, поступающая в реактор, с большой скоростью газифицируется - образуется синтез-газ (СО + Н2), который выходит в топочную камеру со средней температурой 1100-1200°С. Как и в обычной котельной установке, в камере и газоходах газ охлаждается примерно до 100°С, улавливаются шлак и зола.

    Мощность  плазмотронов легко регулировать, изменяя  силу тока в цепи. Поэтому в газогенераторе можно автоматически поддерживать температурный режим на заданном оптимальном уровне даже при неизбежных в эксплуатации изменениях качества перерабатываемого топлива. С помощью  плазмотронов достаточно просто изменять мощность газогенератора, пускать его  в работу после плановых или вынужденных  остановок. В этом смысле плазменный газогенератор несравненно удобнее  в эксплуатации, нежели классическая пылеугольная топка.

    Для питания плазмотронов высокопроизводительного газогенератора потребуется электрическая мощность 100-150 МВт. Если использовать плазменные реакторы мощностью около 1500 кВт, на стенках камеры придется установить примерно 80 таких реакторов.

    Плазменный  газогенератор представляет собой  топочную камеру (1), на стенках которой  установлены плазменные реакторы (2) с плазмотронами (3). В плазмотронах с помощью электрического газового разряда разогревается смесь  водяного пара и кислорода. Горячие  газовые струи плазмотронов вдуваются  в реактор, сливаясь в раскаленный  факел. В реакторы поступает угольная пыль. Здесь она газифицируется, а газы выводятся из камеры газогенератора - на охлаждение и очистку. 4 - сепаратор  угольной пыли, 5 - пароперегреватель, 6 - подогреватель воздуха, 7 - энергоустановка  для питания плазмотронов, 8 - подготовка топлива

    Итак, плазменная газификация угля - вещь вполне реальная, даже в крупных  промышленных масштабах. И технические  проблемы, связанные с ограниченным ресурсом плазмотронов из-за эрозии электродов, тоже разрешимы.

      Главные преимущества:

    Полученный  синтез-газ необходимо очищать от сероводорода. Но это значительно  легче, чем избавляться от окислов  серы, непременной составляющей отходящих  газов пылеугольных котельных. Технология удаления сероводорода из газовых смесей освоена и применяется в крупных  масштабах на Оренбургском газовом  месторождении для очистки природного газа - она проще и экономичнее  всех известных методов освобождения от SO2 и SO3. Кроме того, пылеугольные котельные дают примерно в пять раз  больше отходящих газов, чем плазменные газогенераторы.

    Большая единичная мощность плазменного  газогенератора и возможность простой  очистки газа от сернистых соединений в наибольшей мере могут определить перспективность плазменной газификации  для массовой переработки сибирских  углей.

    К. п. д. плазменной газификации приближается к 90%. Его можно еще повысить, если питать плазмотроны энергией атомных электростанций.  

    Подземная газификация угля - новые возможности  для энергетики

    (ПГУ)  — нетрадиционный способ разработки  угольных месторождений, открывающий  новые возможности в отработке  угольных пластов со сложными  горно-геологическими условиями  залегания, совмещающий добычу, обогащение  и переработку угля. Сущность технологии подземной газификации угля заключается в бурении с поверхности земли скважин до угольного пласта, со сбойкой (соединением) их в пласте одним из известных способов, в последующем розжиге (создании управляемого очага горения) угольного пласта и обеспечении условий для превращения угля непосредственно в недрах в горючий газ и в выдаче произведенного газа по скважинам на земную поверхность. Таким образом, все технологические операции по газификации угольного пласта осуществляются с земной поверхности, без применения подземного труда работающих, а разработка угольного пласта происходит экологически приемлемым способом.

    Россия  обладает передовыми позициями в  мире в области подземной газификации  угля.

    К настоящему времени в России разрабатываются  новые, значительно более совершенные  технологии газификации угольных пластов, которые позволят развивать данную технологию на новом, гораздо более  высоком техническом уровне, и  получать при этом горючий газ  со значительно большей теплотворной способностью.

    Сегодня практически во всех крупных угледобывающих странах мира резко возрос интерес  к подземной газификации угля.

    Данная  технология является работо-способной и весьма эффективной и будет неминуемо востребована в период сокращения мировых запасов природного газа и нефти (и сопутствующего данному процессу увеличению рыночных цен последних). Сегодня можно утверждать, что такое время уже наступило, поэтому развитие подземной газификации угля рассматривается в мире как возможность получения дефицитного и недорогого газообразного топлива.

    Расчетное значение себестоимости производимой на таком предприятии электроэнергии - 0,45 руб./кВт.ч.

    Срок  окупаемости средств, затраченных  на строительство предприятия данного  профиля, составляет 2-2,5 года.

    В структуре капитальных затрат, требующихся для строительства предприятия такого рода, примерно 75% от суммы затрат составляет стоимость наземного энергетического комплекса (т. е. в конечном счете - стоимость газотурбинной станции), а 25% суммы общих затрат составляют затраты на создание подземного газогенератора и осуществление собственно газификации угольных пластов. 

    Добыча  и переработка  урановой руды

    В различных странах мира применяются  три основных способа добычи урана. Наибольшая доля при этом приходится на открытый способ добычи в карьерах, который составляет более 40 %; на подземную добычу с использованием шахт приходится около 30 %, на подземное выщелачивание — примерно 20 % и примерно 10 % урана является примесью при добыче меди, титана и других металлов. Традиционные горношахтные (подземные) и карьерные (открытые) способы разработки месторождений связаны с подъемом на поверхность огромной массы (миллионы тонн) горных пород в условиях контакта человека с урановой рудой.

    Обогащение урановой руды в цепочке работы с ураном — является менее радиационноопасной. В зависимости от типа руды, применяются четыре вида обогащения: а) механическое, основанное на различии механических свойств урановых минералов и пустой породы; б) гравитационное, основанное на большей плотности урановых минералов; в) радиометрическое; г) флотационное. Так как полностью отделить руду от пустой породы практически невозможно, то после этой стадии остаются первые так называемые «хвосты» — пустая порода, содержащая небольшое количество урана и, следовательно, продукты его распада. Обогащенная руда подвергается тонкому измельчению, и эта стадия, как и добыча урана, представляет серьезную радиологическую опасность, так как сопровождается значительной эмиссией радона в атмосферу. Стадия выщелачивания урана из руды сопровождается незначительной эмиссией радиоактивных веществ в окружающую среду.

    Подземное выщелачивание является безотходным  производством, функционирующим в  замкнутом гидродинамическом цикле  на массе залежей урановых рудных тел без нарушения их естественного  залегания. В отличие от шахтного метода и открытых рудников, здесь  не выделяется больших количеств  радона, не образуются радиоактивная пыль.

    Сегодня в России добывается около 7% от мирового производства урана (5 место). Согласно программе развития, в 2025 году наша страна будет добывать 20 000 тонн в  год и выйдет по этому показателю на первое место в мире. Для этого планируется организовать добычу урана на четырех новых добывающих предприятиях. 

    Стоимость      31 марта 2010 - Uranium Energy Corporation, американская компания, занимающаяся разведкой урановых месторождений и добычей урана, сделала ряд весьма позитивных заявлений в отношении цен на уран.

    Мировые цены на уран ближе к концу года, возможно, начнут расти, учитывая повышение  спроса на ядерное топливо со стороны  энергокомпаний. Цены могут подскочить с порядка $40 за фунт до $100 за фунт (мы, впрочем, считаем, что этот скачок будет в большей степени спекулятивным). При этом средняя цена на уран в ближайшие пять-десять лет составит $75 за фунт, принимая во внимание планы строительства в мире новых блоков АЭС общей мощностью 200 ГВт. 

    Выводы   

    Поскольку технологии переработки углей давно  не являются революционными, их промышленное освоение не займет много времени, и  при условии финансирования внедрение  последует достаточно скоро. Основные технологии переработки углей хорошо известны и широко применяются во всем мире: механическое измельчение (получение водоугольного топлива, природных сорбентов), экстракция (получение гуминовых препаратов, нативных химических продуктов), гидрогенизация (получение моторных топлив, бензолов и фенолов), полукоксование (получение жидкого топлива, химического сырья и адсорбентов широкого профиля), газификация (получение метанолов, жидкого топлива и углеводородов), коксование (получение масел, ароматических соединений и коксового газа), сжигание (углеграфитовые материалы, сажа). Но в России почему-то до сих пор бытует мнение, что переработка угля - дорогое и не окупаемое удовольствие. Еще 30 лет назад это утверждение имело под собой основания, но игнорировать собственные природные и научные ресурсы сегодня - непозволительная роскошь. Например, южноафриканская компания «Сосол», помимо экспорта бензина, имеет огромный доход от производства более чем 240 видов различной продукции из угля. На этом и основывается геополитика цивилизованного государства. Страна живет не торговлей энергетическими ресурсами, а представлением на рынок высокотехнологичной продукции, таким образом, устанавливая не временную, а долгосрочную зависимость других стран. Владельцы предприятий сегодня отлично понимают необходимость и выгодность реформирования энергетического комплекса. Но для проведения таких реформ необходимо понимание на государственном уровне. Тем временем уже составлена программа по энергетике до 2030 года, согласно которой основным энергетическим топливом по-прежнему остается газ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛИТЕРАТУРА 

1. http://old.sibai.ru/content/view/572/689/ Журнал «Инновации.Технологии.Решения» Горение твердого топлива: перспективы угольной энергетики
2. http://zarchive.narod.ru/tdvp.html Топливо добытое в плазме. Плазменная газификация углей и сланцев - возможности, достоинства, перспективы
3. http://old.sibai.ru/content/view/426/540/

Подземная газификация  угля - новые возможности для энергетики

4. http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/11_radioaktivnye_veshchestva_vrednye_veshchestva_gigienicheskie_normativy/5157

ТЕХНОГЕННЫЕ ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ РАДИОАКТИВНЫЕ  ИСТОЧНИКИ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА.

5. http://anti-atom.ru/ab/node/1479 ВЕДОМОСТИ: Цены на уран могут значительно вырасти