Проблемы топлива и энергетики - Вопросы топливоиспользования

II. ПУТИ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВ. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ

Глава I
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В конце текущего семилетия народное хозяйство Советского Союза будет потреблять больше 1 млрд. т усл. топл. в год. Свыше 15% всех капиталовложений и эксплуатационных издержек расходуется в народном хозяйстве на добычу и транспорт топлива. В первой части монографии показано, что метод п. г. т. не будет играть большой роли в топливном балансе страны, и поэтому вопросы рационального использования натуральных топлив сохраняют сейчас и будут иметь в перспективе огромное значение.
Все это показывает, какое большое значение имеют вопросы технической политики в области добычи, распределения и максимального повышения эффективности использования всех видов топлива, потребляемых народным хозяйством.
Проводимое по решению партии и правительства изменение структуры топливного баланса (значительное повышение роли дешевых топлив и нефти) должно способствовать бесперебойному снабжению всех потребителей необходимым им топливом и обеспечить радикальное снижение стоимости добычи всех видов топлива, потребляемого народным хозяйством.
Это исключительно важное мероприятие, связанное с резким увеличением за семилетку добычи природного газа и углей открытой добычи, решает в значительной степени задачу удешевления добываемого топлива. Вторая экономически и технически не менее важная задача состоит в правильном распределении между потребителями всех видов топлива и использовании его с максимальной общей эффективностью.
Главным по масштабу потребителем топлива на длительный период будет, как и в настоящее время, тяжелая промышленность, в том числе металлургия, химия и производство стройматериалов. Этот промышленный или, как принято называть, технологический потребитель использует топливо, как правило, с весьма невысоким энергетическим к. п. д.*

Такое положение в промышленности приводит к большим потерям тепловой энергии расходуемых топлив и, следовательно, к его высоким удельным расходам технологическими потребителями. Основные теплопотери у промышленных (технологических) потребителей вызываются слабым использованием физического тепла, газов, паров и всевозможной другой промышленной продукции, наличием длинной и сложной производственной цепочки, в каждой из звеньев которой происходят существенные потери тепла и топлива, а также, как правило, значительным расходом энергии на собственные нужды. Для примера можно указать на производственную цепочку получения и выплавки стали. Измельчение добытых угля и руды, их обогащение, затем агломерация руды и коксование соответствующей угольной шихты — это только предварительные операции производства чугуна. Все эти операции связаны с расходом энергии и топлива. Вслед за подготовительными операциями следуют доменный и сталеплавильный производственные процессы, связанные с подготовкой шихты, высокотемпературным нагревом дутья, доменной плавкой чугуна, варкой стали и промежуточными производственными операциями.
В результате такой сложной схемы производства оказывается, что расход топлива (на все нужды, включая собственные энергетические нужды) в несколько раз превышает теоретически необходимое для процесса количество топлива.
Другим еще более ярким примером больших расходов топлива на собственные нужды промышленного процесса является газификация твердых топлив с применением парокислородного дутья под давлением. В этом случае только 42—44% потенциального тепла расходуемого топлива переходит в полезную продукцию, около 43% затрачивается на производство электроэнергии и пара, потребляемых в самом производственном процессе, а остальная часть теряется.
Примеров такого типа можно привести много, так как они характерны для большинства технологических (промышленных) потребителей.
Положительным качеством технологических потребителей является то, что кроме потенциальной энергии они используют топлива для получения ценных видов технического и химического сырья, высококалорийного газа и полезной минеральной продукции.
Большинство широко распространенных топлив представляют собой смеси сложных или относительно простых химических соединений, могущих служить сырьем для производства разнообразной продукции, необходимой народному хозяйству. Даже минеральная зольная часть топлива может быть в принципе использована для производства цемента, различных строительных материалов, а также для извлечения некоторых ценных и редких элементов. К сожалению, однако, даже технологический промышленный потребитель обычно очень редко полностью комплексно использует топлива для производства побочной продукции.
Большая группа энергетических потребителей*, целевой задачей которых является полное сжигание топлива и получение в результате CO₂, H₂О и SO2, как правило, комплексно не использует органическую и минеральную части топлива.
Тепловые электростанции являются крупными и наиболее централизованными энергетическими потребителями топлива, и поэтому повышение эффективности использования топлива в этом случае экономически наиболее перспективно и практически возможно. Следует отметить, что энергетический потребитель обладает, однако, и значительными преимуществами по сравнению с технологическим потребителем, которые сводятся к высокому энергетическому к. п. д. топливоиспользования при большей интенсивности процессов сжигания.

Данные анализа качественных характеристик топлив, исследования физико-химического механизма процессов топливоиспользования и результаты изучения конкретных условий и особенностей энергетического и основных технологических методов потребления топлива свидетельствуют о безусловной необходимости перехода на комплексные энерготехнологические методы использования топлив.
Уже в течение ряда десятилетий отмечалась целесообразность и эффективность энерготехнологических методов в случае простейшего сочетания энергетического процесса (производства пара) с технологическими (промышленными) процессами — предварительной термической переработкой органической массы топлива с получением смолы и газа или производством на базе топливной золы строительных материалов — цемента, шлакоблоков, шлаковойлока и т. п.
Достаточно широкое практическое применение в промышленности получили такие элементарные утилизационные схемы энерготехнологического комбинирования, как использование тепла промышленных газов в котлах- утилизаторах, охлаждение элементов печей кипящей водой с употреблением пара для энергетических целей, установка газовых турбин для использования выходящих под давлением промышленных газов и т. д.*
Можно с уверенностью сказать, что даже такие схемы в ряде случаев дают положительный экономический результат, однако в силу неблагоприятных условий, создающихся хотя бы в одном из комбинируемых процессов, применение подобных схем оказывается часто экономически неэффективным.
При создании примитивных энерготехнологических схем, когда к основному производственному процессу приспосабливается другой, вспомогательный процесс с целью утилизации отходов основного производства, считается недопустимым вмешиваться в технологию основного производства. Очевидно, что при таком подходе вспомогательный процесс оказывается экономически мало эффективным или вообще нерентабельным. Очевидно также, что комплексные методы будут высоко эффективными только в том случае, если для всех основных производственных процессов создаются благоприятные условия и одновременно устраняются недостатки изолированной (раздельной) их организации. Согласно этому условию, при создании высоко эффективных энерготехнологических методов производства нельзя осуществлять простое механическое комбинирование имеющихся промышленных аппаратов.
Для внедрения новых комплексных методов необходимо изучение механизма комбинируемых процессов и, на этой основе, изменение существующей технологии и упрощение производственной цепочки, позволяющие обеспечить резкое повышение экономической эффективности выпуска соответствующих видов продукции.
Apriori очевидно, что не всякая энерготехнологическая схема будет эффективной. Задачу отыскания конкретных экономически высокоэффективных энерготехнологических методов совместного производства энергии и заданной промышленной продукции решает новый раздел науки — энерготехнология, базирующаяся на глубоких исследованиях кинетики и механизма соответствующих химических реакций, изучении физических процессов переноса тепла и вещества при фазовых превращениях в реагирующих системах и на исследовании качественных физико-химических, а также экономических характеристик исходного топлива.
Энерготехнология позволяет сохранить преимущества и положительные особенности энергетического и технологического использования всех топлив и, в то же время, в значительной мере устранить их недостатки.
Таким образом, энерготехнологические методы применимы при использовании всех твердых (угли, торф, сланцы и т. д.), жидких (нефть, мазут, гудрон, смолы и т. д.) и газообразных (природные, попутные газы) топлив.

Энерготехнология имеет два главных практических направления: изыскание путей повышения эффективности использования органической и минеральной частей топлив, применяемых на электростанциях и в промышленной энергетике, и создание интенсивных энерготехнологических методов производства важных видов промышленной продукции (сталь, чугун, цветные металлы, цемент, химическое сырье и т. п.) при использовании дешевых энергетических топлив и снижении их удельных расходов.
Основной энерготехнологической схемой повышения эффективности использования составных частей топлив (первое направление) является так называемая простейшая схема, согласно которой топливо перед сжиганием в котельной топке подвергается в определенных условиях термической переработке с получением только высококалорийного газа или газа и ценных жидких продуктов. Простейшая схема применима при потреблении большинства твердых, жидких и газообразных топлив, однако ее назначение, как показывает схема на рис. 180, различно для всех этих видов топлива и, кроме того, должно зависеть от конкретных условий развития района, в котором располагается электростанция.
Для того, чтобы определить главные направления энерготехнологического потребления различных топлив в конкретных условиях, рассмотрим кратко общие характеристики основных видов топлив (см. табл. 7).

Таблица 7
Характеристика основных видов энергетических топлив

• Зола некоторых видов твердого топлива содержит редкие и рассеянные элементы и может служить сырьем для их получения. У большинства многозольных видов твердого топлива зола может служить для получения цементного клинкера или других строительных материалов.

Рис. 180. Энерготехнологические схемы использования энергетических топлив

Природный газ является, как правило, почти чистым метаном. Природный газ наших крупнейших месторождений практически не содержит серы и фосфора. Использование этого топлива в качестве химического сырья хотя и возможно, но, как правило, достаточно затруднительно, поскольку в большинстве случаев оно связано с превращением метана в СО и H₂ и с последующим достаточно сложным химическим синтезом.
Нефть представляет собой, в основном, смесь разнообразных углеводородов; преобладающая часть нефтей, предназначенных для добычи в текущем семилетии, — многосернистая, — кроме углеводородов содержит значительное количество гетероатомных и гетероциклических соединений. Нефть служит самым удобным и практически незаменимым сырьем для производства светлых моторных топлив и масел. Продукты нефтепереработки с успехом используются в химической промышленности при производстве большинства углеводородных (негетероатомных) видов продукции. Производство гетероатомных, циклических и гетероциклических химических соединений на базе нефтяного сырья требует организации специального и достаточно сложного синтеза. В качестве энергетического (не моторного) и технологического топлива сырая нефть обычно не применяется; для этих целей употребляют мазут или тяжелые крекинговые остатки (крекинговый мазут).

Мазут, так же как и нефть, представляет собой, главным образом, смесь сложных углеводородов (и гетероатомных соединений) и может быть, в принципе, использован как для производства моторных топлив, так и в качестве энергетического котельного топлива. В ближайшие годы основная масса мазута будет потребляться как топливо, в будущем же мазут должен полностью использоваться в качестве энерготехнологического сырья. Мазут является удобным и хорошим топливом для энергетических объектов, в том числе электростанций, промышленных печей и других потребителей, однако в связи со значительным содержанием в нем серы (2,5—5,5%) его положительные качества сильно уменьшаются. Сжигание многосернистого мазута приводит к сильному загрязнению атмосферы дымовыми газами, содержащими сернистый ангидрид и SO3, усиливает коррозию хвостовых поверхностей нагрева котла и металлических частей оборудования, зданий и т. п. Очистка дымовых газов от окислов серы сложна и связана с большими дополнительными капиталовложениями и эксплуатационными издержками. Сероочистка дымовых газов, конечно, не исключает коррозии хвостовых поверхностей нагрева котла*.
Без десульфации мазута или сероочистки дымовых газов и устранения коррозии энергетическое использование сернистых мазутов на электростанциях будет ограниченным.
Твердые топлива являются смесями различных сложных и многообразных органических соединений и минеральных веществ. Среди твердых топлив более всего распространены бурые и каменные угли. Каменные угли большой группы, включающей так называемые антрациты с малым содержанием водорода и кислорода, представляют собой сильно обуглероженные органические соединения с относительно малым выходом летучих веществ при нагревании. Топлива этой группы не могут в настоящее время рассматриваться в качестве сырья, благоприятного для простейшего энерготехнологического использования, но являются весьма удобными для энерготехнологических предприятий, производящих различную промышленную продукцию.

Энергетические каменные и бурые угли весьма разнообразны по своим характеристикам. Подавляющее большинство углей служит хорошим энерготехнологическим сырьем. При термической переработке каменных и бурых углей могут быть получены, кроме высококалорийного газа, содержащего непредельные и предельные углеводороды в различных концентрациях, значительные количества ценных жидких продуктов, характерной особенностью которых является образование ароматических, а также ряда гетероатомных и гетероциклических соединений, почти отсутствующих в продуктах крекинга нефти. Как мы покажем в дальнейшем, управляемые способы высокоскоростной термической переработки топлив, разработанные Энергетическим институтом АН СССР (ЭНИН), позволяют получать ценные продукты в больших количествах и концентрациях.
Не останавливаясь здесь на таких видах топлива, как древесина и растительные остатки, играющих все меньшую роль в энергетике и промышленности, следует отметить еще два практически важных вида твердых топлив — торф и горючие сланцы. Последние резко различны по строению, структуре и химическому составу, но имеют одно общее и важное качество — высокий суммарный выход летучих веществ, что позволяет получать из них ценное химическое сырье. При использовании торфа необходимо учитывать содержание в его органической массе большого количества кислорода и, практически, отсутствие серы и фосфора.
Горючие сланцы, особенно прибалтийские кукерситы, как правило, дают высокий выход жидких продуктов и ценный по составу высококалорийный газ.
При управляемой высокоскоростной термической переработке торфа и сланца по методам ЭНИН АН СССР с пиролизом парогазовой смеси получаются весьма ценные газообразные и жидкие продукты, производство которых из нефти и природных газов весьма сложно. Минеральная часть твердых топлив, как правило, также весьма богата различными компонентами. Зола большинства твердых топлив может быть использована для производства различных строительных материалов, включая (при соответствующих добавках) высококачественные цементы. Кроме того, в ряде случаев топливо содержит ценные редкие и рассеянные элементы, извлечение которых в комплексных схемах может сильно повысить эффективность использования топлив.
Рассматривая пути использования различных топлив с учетом стоимости их добычи и транспорта потребителю, можно установить некоторые общие наиболее важные закономерности.
В Советском Союзе наиболее дешевыми на месте добычи топливами (по тепловому эквиваленту) являются угли открытой добычи Канско-Ачинского и Кузнецкого бассейнов, природный газ, угли Экибастузского, Май-Кюбенского и некоторых других месторождений. Транспорт всех этих топлив на большие расстояния значительно увеличивает их стоимость.
К наиболее дорогим топливам (в среднем по СССР в 1959—1965 гг.) следует отнести многие угли шахтной добычи и нефть. Очевидно, для получения наибольшего экономического эффекта следует в больших масштабах использовать дешевые топлива на месте добычи при условии потребления максимума получаемой электроэнергии в этом же районе*. Такое решение вопроса позволит обеспечить ежегодную экономию стоимости топлива, равную не менее, чем 5 млрд. руб. на 100 млн. т используемого на месте добычи дешевого топлива, и свыше 15 млрд. руб. капиталовложений. Необходимо учитывать, что среднее расстояние транспортировки природного газа уже в 1965 г. превысит 1000 км, в связи с чем капиталовложения в транспорт возрастут до 20 млрд. руб. и выше, а ежегодное увеличение стоимости газообразного топлива составит примерно 7 млрд. руб.
По нашему мнению, дальняя транспортировка природного газа будет оправдана даже на 1,5—2,0 тыс. км только для бытового потребления и, частично, для городского хозяйства и некоторых технологических потребителей**, которые, используя газ, смогут значительно повысить интенсивность производства и снизить стоимость продукции.

Передача природного газа на значительные расстояния для потребления на электростанциях обычно не является экономически оправданной, в то время как строительство электростанций и потребляющих электроэнергию предприятий на месте добычи газа, как правило, приводит к исключительно большому экономическому выигрышу для всего народного хозяйства.
При необходимости обеспечения топливом электростанций, расположенных на значительном расстоянии от месторождении дешевых топлив, следует в каждом конкретном случае оценивать стоимость различных вариантов решения этой задачи, учитывая, что наиболее дешевыми являются (для первой группы топлив) перевозки высококалорийных твердых топлив. Учитывая относительную дефицитность и дороговизну коксующихся углей, необходимо стремиться к переводу большинства потребителей кокса на энергетические дешевые топлива и к расширению ассортимента углей, пригодных для получения металлургического кокса.
Транспорт бурых углей и других низкокалорийных дешевых топлив (фрезерный торф, сланец и т. п.) на сколько-нибудь значительные расстояния сильно повышает их стоимость. Обогащение углей, сушка, брикетирование и другие операции по повышению качества и теплотворной способности твердых топлив могли бы значительно увеличить транспортабельность дешевых углей, если бы эти подготовительные операции были относительно дешевы. Анализ имеющихся фактических данных показывает, что современная техника обогащения, сушки, брикетирования и полукоксования не позволяет получать дешевое твердое топливо.
Предварительная раздельная переработка топлив, предназначенных для энергетических целей, как правило, экономически неоправдана. Вместе с тем. однако, разработка простых дешевых энерготехнологических методов повышения теплотворности и транспортабельности дешевых бурых углей и фрезерного торфа является важной, исключительно перспективной и несомненно практически разрешимой задачей.
Рассматривая вторую группу топлив, включающую нефть, мазут, твердое топливо шахтной добычи и кусковой торф, следует сразу же указать, что некоторые топлива, стоимость которых на месте добычи весьма высока, необходимо постепенно исключать из топливно-энергетического баланса страны. К таким топливам в первую очередь относятся некоторые угли, кусковой торф, грузинская нефть и некоторые другие.
В среднем по Советскому Союзу в текущем семилетии нефть все еще будет относительно дорогим топливом, стоимость которого на месте добычи окажется выше средней стоимости твердых энергетических топлив и даже несколько выше стоимости энергетических донецких углей. Если рассматривать стоимость мазута как близкую к стоимости сырой нефти, равной ему по теплотворности, то, безусловно, можно считать мазут относительно дорогим энергетическим топливом, тем более, что высокая сернистость мазута требует перед сжиганием в топках мощных электростанций дорогой десульфации или сероочистки дымовых газов, удорожающей примерно на 15—20% строительство станции и стоимость электроэнергии.

*Здесь, как везде в данной работе, речь идет о стационарных энергетических потребителях, не использующих светлых моторных топлив.

По сравнению с углями и природным газом нефть обладает крупными преимуществами: для ее транспортировки может быть использован весьма экономичный трубопроводный транспорт и она позволяет получать недорогие моторные топлива и масла, а в ряде случаев также некоторые ценные виды химического сырья. Учитывая сказанное, очевидно, что нефть в первую очередь должна использоваться для производства моторных топлив, масел и необходимой дешевой химической продукции.
Употреблять в качестве чисто энергетического топлива для мощных станций мазуты и высокосернистые мазуты, как правило, нецелесообразно: использование мазута на электростанциях следует осуществлять после промышленной доработки только по энерготехнологической схеме, исключающей отравление атмосферы сернистым газом и коррозию, а также, как мы покажем, обеспечивающей повышение экономической эффективности производства электроэнергии из мазута. При необходимости транспортирования нефти иа большие расстояния более правильным было бы передавать по трубопроводам или готовые моторные топлива или относительно легкие погоны «демазутированной» нефти.
Жидкие топлива следует, конечно, использовать в первую очередь для мелких энергетических установок, для городского хозяйства и для бытового потребления при условии, если этих потребителей нецелесообразно снабжать еще более дешевыми природными, сжиженными или искусственными газами или дешевым кусковым углем \ Бытового потребителя следует повсеместно обеспечить указанными наиболее удобными топливами.
В качестве химического сырья нефть и мазут необходимо широко применять для производства углеводородной продукции, однако в силу высокой ее стоимости в ряде районов более экономически выгодно использовать для указанных целей дешевые угли, фрезерный торф и сланцы открытой добычи. Для производства многих гетероциклических соединений в большинстве случаев экономически целесообразнее будут энерготехнологические методы использования твердых топлив.
Естественно, совершенно необходимым является всестороннее экономически эффективное использование для производства химического сырья продуктов коксования как по существующей, так и по новой технологии.
Из нашего краткого анализа направлений эффективного использования различных топлив следует, что в настоящее время мы не располагаем какими-либо повсеместно дешевыми топливами; для разных районов страны экономически наиболее выгодны различные топлива.
Задача заключается в том, чтобы из года в год в общем топливном балансе страны увеличивалась доля топлив, имеющих минимальную стоимость у потребителя, при эквивалентной их ценности с точки зрения эффективности использования.
Важно не только добывать дешевое топливо, необходимо, чтобы продукция, производимая при использовании топлива, была также максимально дешевой. Эта задача наиболее целесообразно может быть решена путем комплексного использования топлив.

*Стоимость продукции в данной работе везде оценивается по приведенной стоимости, полученной в соответствии с нашей методикой, изложенной в III разделе монографии. При одинаковом значении ежегодного прироста продукции φ результаты нашего расчета совпадают с получаемыми по типовой методике.