Российская Федерация обладает крупнейшими в СНГ топливными ресурсами всех видов. Как отмечено выше, топливо используется для получения тепла и электроэнергии, а применяется в различных технологических процессах (получение стали, чугуна, различных химических препаратов и пр.). Однако в настоящей работе рассматриваются те виды топлива, которые используются только для получения электрической и тепловой энергии. Рассмотрим основные месторождения различных видов топлива. 9.2.1 Твердое топливо (уголь). Из всех видов твердого топлива промышленное значение для производства электрической энергии имеют каменные и бурые угли. В таблице 9.5 приведены запасы угля в СНГ по месторождениям, имеющим федеральное значение. В Кузбассе, как это видно из данных таблицы 9.5, добывается 33,5 % углей России, в том числе 66,4 % коксующихся. Пик добычи угля приходится на 1990 г, – когда было добыто 140 млн. т. После резкого падения добычи в последние 10 лет, благодаря принятым
128
энергичным мерам добыча угля растет, и в 2002 г. превысила 130 млн. т. [3]
Таблица 9.5 - Запасы угля в СНГ
Бассейны
Общие геологические запасы, млрд. т
Запасы в благоприятных условиях всего кондиционные млрд. т. % млрд. т. % млрд. т. %
СНГ Кузбасс Донбасс Печерский Карагандинский Экибастузский
4649,0 636,9 141,0 265,0 45,0 9,7
100,0 13,7 3,0 5,7 0,7 0,2
3382,0 548,1 108,0 61,0 25,3 6,9
100,0 14,3 2,8 1,8 0,7 0,2
569,0 265,0 59,1 36,4 13,3 7,2
100,0 44,5 9,9 6,1 2,2 1,2
Общие запасы углей в Кузбассе составляют 733,4 млрд. т., а запасы для открытой добычи составляют 31,8 млрд. т. Огромные запасы бурых углей сосредоточены в Красноярском крае в Канско-Ачинском буроугольном бассейне. По данным на 01.01.69 г. геологические запасы бурых углей на глубину до 600 м составляли 670 млрд. т., и открытым способом могут быть отработаны 140,4 млрд. т. Себестоимость добычи бурых углей, в пересчете на условное топливо, ниже среднего по стране в среднем в 5 раз, и на 30 % ниже себестоимости открытой добычи кузнецких углей. Наряду с уникальными горно-геологическими условиями добычи и экономическими показателями, бурые угли КАбасса являются малозольными (7-13 %), малосернистым топливом, имеют высокоосновный состав золы. Все это в перспективе приведет к их широкому использованию в качестве топлива для энергетической базы страны. Подмосковный бассейн – один из старейших в стране, в котором имеются изолированные угольные залежи; лучшие из них уже выработаны. Средняя зольность по шахтам-новостройкам составляет 35 % [4]. Средняя теплота сгорания – около 6070-6350 ккал/кг. Запасы Печерского бассейна используются как энергетическое топливо для северных и северо-западных районов страны. Средняя теплота сгорания этих углей колеблется вокруг 7140-8300 ккал/кг, а зольность составляет 17 – 33 %.
129
Существующие сравнительно небольшие запасы углей в различных регионах России носят местный характер и в основном используются для теплоснабжения близлежащих городов и жилых поселков. 9.2.2 Жидкое топливо. Основным видом жидкого энергетического топлива является нефтяной мазут, получаемый в процессе переработки нефти. Известно, что Россия богата месторождениями нефти, но, к сожалению, не очень высокого качества: значительная доля нефти содержит повышенное содержание серы. Большая часть месторождений Западной Сибири, Урала и Поволожья вышла на поздние стадии разработки с падающей добычей нефти. Выработка запасов достигла 54 %, доля трудноизвлекаемого сырья увеличилась до 55-60 %. Ресурсный потенциал новых месторождений в Восточной Сибири, ТиманоПечорском регионе и на Дальнем Востоке в несколько раз ниже чем для разрабатываемых ныне районов добычи нефти, поэтому их освоение будет связано со значительными затратами. Конкурентоспособность российской нефти и нефтепродуктов на мировом рынке будет снижаться, а в случае падения цен на нефть ниже 18-20 долл. США за баррель она окажется на грани конкурентоспособности. Главная задача нефтеперерабатывающей промышленности - увеличение глубины переработки нефти с 67 до 85 %. Однако при росте объема нефтепереработки со 174 до 225 млн. т/год это позволит поднять производство моторных топлив в 1,7 раза, но приведет к снижению выработки мазута в 1,8 раза, что скажется на топливном балансе электроэнергетики [6]. Нефтяные мазуты в зависимости от области применения подразделяют на флотский мазут, мазут – печное топливо и топочный мазут – котельное топливо, предназначенное для использования на электростанциях и в промышленных котельных [5]. Мазут, получаемый при неглубокой переработке нефти, называют прямогонным, а полученный при глубокой переработке нефти – крекинг-мазутом. Нефтяные мазуты подразделяются на марки в зависимости от их вязкости: флотский марок Ф5 и Ф12; топочный марок 40 и 100. Основные технические требования и нормы качества мазута различных марок, приведены в таблице 9.6. Вязкость мазутов является одной из важнейших характеристик нефтепродуктов, так как она характеризует затраты энергии на их транспортировку по трубопроводам, длительность сливных и налив
130
ных операций. Вязкость как физическую величину выражают либо в виде динамической вязкости (Н с/м2), либо в виде кинематической вязкости = / , где - плотность нефтепродукта, кг/м3.
Таблица 9.6 - Основные технические требования и нормы качества мазута
Показатели Нормы для марок Ф5 Ф12 40 100 Вязкость, при 80 ºС, не более Зольность, %, не более Содержание воды, %, не более Содержание серы, %, не более Температура застывания, ºС Теплота сгорания в пересчете на сухое топливо, ккал/кг кДж/кг - 0,05 0,3 2,0 - 5 9870 41454 - 0,10 0,3 0,5 - 8 9870 41454 8,0 0,12 1,5 3,5 10 9650 40530 16,0 0,14 1,5 3,5 25 9650 40530
Характеристики мазутов, вырабатываемых на нефтеперерабатывающих заводах, в значительной мере зависит от качества исходной нефти, режимов переработки и принятой схемы процесса. В таблице 9.7 приведены основные характеристики мазутов, полученных по разным схемам. Плотность мазута является важным показателем, так как в совокупности с другими физико-химическими характеристиками, она отражает химическую природу, происхождение и товарное качество нефтепродукта. Для практических целей чаще определяют относительную плотность: отношение плотности нефтепродукта к плотности воды при температуре + 4 С. Как видно из данных таблицы 9.7 характеристики мазута заметно отличаются. 9.2.3 Газовое топливо. В качестве газового топлива в энергетике используется преимущественно природный (естественный) горючий газ. В значительно меньших масштабах, главным образом в промышленной энергетике, находят применение различные виды искусственных горючих газов (доменный, коксовый, газогенераторный и пр.).
131
Таблица 9.7 - Показатели мазутов
Показатель Мазут прямогонный
Крекингостаток
Плотность, г/см3 Вязкость условная Температура, С - застывания - вспышки - начала кипения Зольность, % Содержание серы, % Теплота сгорания, МДж/кг
0,878 – 0,950 1,73 – 6,99
8 + 42 138 – 234 196 – 320 0,02 – 0,09 0,07 – 2,2 41,28 – 42,72
1,005– ,058 22,3 – 138,2
25 – 34 185 – 243 - 0,05 – 1,5 1,5 – 4,1 39,40– 2,97
Состав природных горючих газов представляет собой смеси горючих газов, добываемые из земных недр и состоящие главным образом из метанов и его гомологов. Соотношение между метаном и остальными («высшими») углеводородами зависит от характера месторождения, из которого получают природный горючий газ. Попутный (нефтепромысловый) газ получают при разработке нефтяных месторождений. Нефть в земных недрах находится под давлением; при выходе ее из скважины давление снижается и происходит выделение растворенных в нефти газов, количество которых составляет 10 – 15 % от массы нефти. Объем попутного газа, приходящийся на 1 т. добываемой нефти, носит название газового фактора. Для крупнейших нефтяных месторождений восточных районов России среднее значение этого фактора равно 50-60 м3/т. Средний состав природных горючих газов некоторых месторождений приведен в таблице 9.8. Месторождения, содержащие только газовое топливо, в зависимости от состава последнего делят на газоконденсатные и чисто газовые. Газ газоконденсатных месторождений помимо метана содержит значительное количество высших углеводородов, главным образом пропана и бутана, которые легко конденсируются при повышении давления и охлаждении газа. Газ, содержащий более 150 г/м3 высших углеводородов, называют богатым.
132
Таблица 9.8 - Средний состав природных горючих газов некоторых месторождений
Месторождение Объемный состав газов, % CH4 C2H6 C3H8 и > CO2 H2 N2 и He Туймазинское (нефть) Оренбургское (г/конд) Березовское (газ) 42 84 95 21 4 0,5 30 5 0,5 0,1 1,4 1,1 - 3 - 7 3 3
Газ чисто газовых месторождений состоит почти из одного метана; этан и пропан содержатся в нем в небольших количествах, другие углеводороды практически отсутствуют. При таком составе содержание высших углеводородов составляет не более 50 г/м3, и газ называют бедным или тощим. Балласт природного газового топлива представлен преимущественно азотом и диоксидом углерода, однако суммарное их содержание в газе большинства месторождений России не превышает нескольких процентов. Большинство газовых месторождений России выдает топливо, практически не содержащее сернистых соединений. Исключением является Оренбургское газоконденсатное месторождение, в составе которого содержится до 5-6 % сероводорода H2S и некоторое количество сераорганических соединений, в основном сероуглерода CS2 и меркаптанов. Природный газ в качестве топлива удобен для самых разнообразных потребителей в черной металлургии, стекольной, цементной и других отраслях промышленности. Во многих производствах природный газ незаменим ни твердым, ни жидким топливом. Как топливо для электростанций природный газ также обладает большими достоинствами: для него не требуется дорогостоящих и громоздких систем топливоподачи и топливоподготовки, отпадает необходимость в удалении шлака, облегчается защита окружающей среды от вредных выбросов ТЭС. Горючий газ является единственным видом природного топлива, пригодным для непосредственного использования в газотурбинных энергетических установках. Однако экономический эффект, получаемый при сжигании природного газа на электростанциях, уступает эффекту, достигаемому
133
при использовании его другими потребителями – промышленными и бытовыми, и поэтому газовое топливо направляют в первую очередь им. Существенной особенностью газового топлива является трудность его хранения. Так, чтобы создать запас топлива всего на 1 ч работы электростанции мощностью 300 МВт, требуется газохранилище вместимостью примерно 105/р [м3], где р – давление [МПа], при котором хранится газ. Если р = 1 МПа, то объем хранилища составит 100 000 м3. Строительство наземных резервуаров – газгольдеров для хранения таких количеств газа потребовало бы громадных капиталовложений. Поэтому сейчас основным методом хранения газа является закачка его под давлением в пористые подземные пласты (истощенные газовые и нефтяные месторождения, водоносные пласты.). Для создания такого хранилища требуется несколько лет при благоприятных природных условиях. В России до 80 % добываемого природного газа распределяется по магистральным трубопроводам, а остальное количество потребляется на месте добычи и для нужд газоперекачивающих станций. В большинстве экономических районов весь поступающий по газопроводам газ в зимний период полностью расходуется бытовыми и промышленными потребителями. Летом потребление газа сокращается, и его избыток направляется на электростанции, которым отводится роль «буферных» потребителей газа. Таким образом, природный газ для электростанций является, как правило, сезонным топливом. При эксплуатации северных, заполярных и восточных месторождений с огромными запасами природного газа, значительно возросли расходы на разведку, добычу и транспорт этого вида топлива, в результате чего появилась тенденция к постепенному сокращению использования природного газа в качестве энергетического топлива. 9.2.4 Искусственное газовое топливо. Искусственным газовым топливом являются горючие газы, получаемые в разнообразных технологических процессах переработки нефти и твердых горючих ископаемых. В некоторых случаях горючий газ является побочным продуктом основного производства. Например, в доменном процессе на каждую тонну выплавляемого чугуна образуется около 4 м3 так называемого доменного или колошникового газа. Этот газ содержит 2530 % оксида углерода СО и 2-3 % водорода Н2, а остальное составляет балласт: N2 и СО2.
134
Горючие газы получают также при производстве различных видов жидкого топлива и масел, металлургического кокса, сланцевой смолы и некоторой другой продукции. Эти газы являются ценным химическим сырьем и высококачественным топливом и по этой причине их нельзя считать побочными продуктами. Существуют технологии, единственным назначением которых является производство искусственного горючего газа. Замена низкосортного твердого или жидкого топлива получаемым из него горючим газом позволяет резко улучшить условия эксплуатации топлива использующего оборудования различных промышленных предприятий, включая ТЭС. 9.2.4.1 Газ термического разложения. Переработка твердого и жидкого топлива методами, основанными на пиролизе (термическом разложении без доступа воздуха), сопровождается получением горючего газа, выход и состав которого зависят от вида перерабатываемого топлива, температуры и конструктивного оформления процесса. Пиролиз жидкого топлива является важной составной частью технологических процессов переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). Получаемые в этих процессах газы состоят практически только из углеводородов и водорода, но соотношение между компонентами изменяется в широких пределах (таблица 9.9).
Таблица 9.9 - Средний состав некоторых газов нефтепереработки
Технологический процесс
Объемный состав газов, % CH4 C2H6 CnHn+2 C2H4 C3H6 CnHm H2
Пиролиз бензина Катал. крекинг газов Коксование гудронов
34 11 32
5 8 22
1 31 30
29 6 4
10 22 4
5 20 7
16 3 1
9.2.4.2 Генераторные газы. Генераторными называют горючие газы, получаемые при безостаточной газификации твердого или жидкого топлива в специальных аппаратах – газогенераторах. В течение ряда десятилетий газификация использовалась в основном как способ получения синтез-газа (смеси СО и Н2 определенного состава) – сырья для синтеза органических веществ, а также водорода – для синтеза аммиака и других химических производств. В последние годы резко расширились работы по освоению газификации углей и мазутов как способа, позволяющего переводить электростанции на сжигание облагороженного, освобожденного от серы и золы топлива.
135
Процесс газификации заключается в частичном окислении горючей части топлива кислородом или водяным паром при температуре 1000 – 1300 ºС. Превращение углерода топлива в горючий газ происходит по следующим основным реакциям:
С + 0,5 О2 = СО + 114 кДж/моль, С + Н2О + 135 кДж/моль = СО + Н2.
В реальных условиях получают газ, состав которого несколько отличается от расчетного, так как в нем содержится балласт – СО2 и некоторое количество углеводородов – продуктов пиролиза топлива.
