Уголь составляет более 90 % общемировых запасов органического топлива, к тому же этот тип топлива наиболее доступен. Однако некогда широкое распространение угольных ТЭС имеет тенденцию к снижению их количества, что обусловлено, с одной стороны, низкой экологичностью угля как топлива, а с другой стороны — более высокими капитальными затратами на тепловые электростанции, чем в случае с другими видами органических топлив, и прежде всего природного газа. Существующая концепция тепловых электростанций, пусть и не сразу, ибо велика инертность, в том числе и добывающей отрасли, единовременное закрытие которой невозможно, в перспективе не имеет будущего, что вовсе не означает, что угольные ТЭС исчерпали себя как таковые, при условии смены технической концепции построения новых ТЭС.
Вот публикация за 2017 год, где дается оценка перспективы угольных ТЭС в Европе. Современные реалии внесли коррективы в развитие угольной энергетики, что впрочем определяется политическими, но не технико-экономическими причинами, а потому не может повлиять на долгосрочные сценарии развития.
Говоря о новой инженерно-технической концепции ТЭС, работающих на угле, включая низкокалорийные и, в частности, бурые угли, единственно возможная концепция — это те концепции, которые могли бы отвечать нижеследующим требованиям:
- отсутствие отходов, в частности золошлаковых;
- комплексная переработка углей с выделением металлов, включая РЗМ и металлы платиновой подгруппы (когда такие содержатся);
- существенное снижение эмиссии СО2 на единицу вырабатываемой мощности (допустимо с учетом эмиссии СО2, которая была бы произведена при выработке эквивалентного количества продукции, например, металлов);
- экономические затраты на строительство и эксплуатацию такой электростанции должны быть либо равными, либо меньшими, чем у традиционных ТЭС.
Таким требованиям не отвечают многие «перспективные» решения, которые зачастую имеют лишь научно-техническую ценность, но лишены практической значимости. По существу, остаются лишь два концептуальных технических решения. Решение первое — ТЭС с технологией DCFC, т.е. использованием топливных элементов прямого окисления угля. Второе решение — ТЭС с использованием электрохимической газификации угля, совмещенной с процессом переработки золы.
Первое решение связано с использованием топливных элементов, где уголь окисляется кислородом воздуха в ходе электрохимической реакции. Общая схема такой электростанции включает участок помола угля до пылевидного состояния (такая стадия имеется на многих современных ТЭС с пылевидным сжиганием топлива) и электрохимическое окисление угля с выработкой электроэнергии. В этом случае электрический КПД преобразования может достигать величины вплоть до 70 %, что практически вдвое выше КПД классических угольных электростанций. Рабочие температуры топливных элементов составляют от 600 до 900 °C (это ниже температуры плавления золы). Отходящее тепло может быть использовано для когенерации тепла или дополнительной выработки электроэнергии. Важным преимуществом применения топливных элементов является генерация концентрированного газового потока продуктов окисления, не содержащего большого количества балластных газов, что делает возможным экономически эффективное выделение серы электрохимическим окислением ее диоксида до товарной серной кислоты. Пылевидная зола в данном процессе пригодна без дополнительной обработки в качестве добавки в портландцементы с целью улучшения их характеристик (большинство выпускаемых цементов содержат подобного рода добавки, но как правило вводимая в их состав зола требует достаточно серьезной подготовки). При необходимости возможно выделение металлов и в ряде случаев глинозёма методом магнитной и электростатической сепарации, включая сепарацию, основанную на способности некоторых металлов (например, алюминия, меди, свинца, цинка, никеля и др.) создавать в себе магнитное поле под действием переменного магнитного поля.
Сдерживающим фактором для распространения технологии является стоимость топливных элементов прямого окисления угля. Такие элементы содержат в составе анодного катализатора рений, что существенно повышает их стоимость. Однако ряд исследовательских групп, включая нашу, уже предложили и испытали элементы, где в качестве анодного катализатора используются соединения меди, также не образующих устойчивых сульфидов при рабочих температурах топливного элемента. Такие топливные элементы, хотя и проигрывают топливным элементам с использованием соединений рения по плотности генерируемого тока (до 400 мА/см² для рениевого катализатора против 160-190 мА/см² для медного), но существенно дешевле их.
Вторым решением является электрохимическая газификация угля, имеющая неоспоримые преимущества перед любым иным типом газификации. Основные преимущества электрохимической газификации:
- Полнота газификации, исключающая остаточный углерод (при быстром пиролизе, парокислородной газификации, как и собственно при сжигании, негазифицированным остается до 10-40 % органического углерода);
- Наиболее низкие энергетические затраты/потери на газификацию (например, плазменная газификация также обеспечивает полную газификацию, но энергозатраты составляют более 18 МДж/кг топлива, что до 4 раз больше, чем при электрохимической газификации в электродных установках);
- Выделение металлических компонентов угля в форме металла, совмещенное с процессом газификации (металл восстанавливается на электродах) и удаляется в виде расплава;
- Отсутствие золы уноса, вместо нее образуется расплав алюмосиликата, который может использоваться в цикле выделения глинозема либо утилизирован после затвердевания в форме строительного щебня. Также в ряде случаев состав расплава позволяет использовать его для фасонного литья изделий из стеклоподобного материала;
- Отработанность и готовность инженерных решений электродных печей как таковых, поскольку последние давно и широко используются в промышленности;
- Отсутствие серьезных требований к подготовке угля. Не требуется ни его измельчение до состояния пыли, ни даже сушка, поскольку влага, содержащаяся в угле, является газифицирующим агентом.
Полученный горючий газ характеризуется высокой теплотворной способностью и после электрохимической очистки от серы с получением товарной серной кислоты может использоваться, в простейшем случае, взамен природного газа как топливо для газовых турбин или ГПУ. В более сложном случае, с учетом его состава с высокой долей водорода, возможно выделение водорода из газового потока и преобразование его на недорогих и доступных топливных элементах с полимерной протонообменной мембраной. При этом энергетические затраты на выделение водорода из топливного газа, прошедшего электрохимическую очистку от серы, значительно меньше прироста генерации электроэнергии (КПД элемента в оптимальных условиях до 50-60 %, в то время как электрический КПД турбины или ГПУ в 1,5-2 раза ниже; кроме того, собственно сами элементы могут быть при массовом производстве дешевле турбины или ГПУ).
Подводя итоги публикации, можно сказать, что, во-первых, в дальнейшем наиболее перспективным будет являться использование углей в комбинированном цикле производства электроэнергии и металлов.
В зависимости от месторождения угля, содержание компонентов различно и должно предварительно быть оценено. Например, бурые угли Таловского месторождения Томской области содержат: серебра — 28 г/т, скандия — 8,1 г/т, гафния — 2,1 г/т и др. (лантаниды — лантан, церий, самарий, европий). Даже угли, не содержащие зачастую никаких извлекаемых количеств РЗМ и металлов платиновой подгруппы, часто содержат оксиды железа (до 15 % и более), а также металлы группы железа.
А во-вторых, уже сегодня существуют все необходимые технологии и компетенции для проектирования и строительства подобных электростанций.
P.S.
Еще несколько кадров из презентации, проводимой для Объединённой Компании РУСАЛ в 2021 году, на которой уже тогда были продемонстрированы технологии разделения минеральных компонентов; собственно, это те самые технологии разделения золы после топливного элемента, о которых идет речь в публикации.