Доля угля в топливно-экономическом балансе (ТЭБ) США составляет 56 % (добыча в 2005 году – 1,2 млрд т в год), Китая – 70 % (добыча – более 2 млрд т в год), Германии – 55 %, Японии – 20 % (своего угля нет!), в среднем в мире – 30 %.
В России в 2005 году добыто около 300 млн т угля (в 80-е годы – более 500 млн т), а доля угля в ТЭБ составила 18 %.
В XXI веке роль угля в ТЭБ большинства стран, в том числе России, будет возрастать. Это обусловлено как ростом издержек на добычу углеводородного сырья, так и неизбежной перспективой их исчерпания в текущем столетии. Запасы угля на порядок и более превышают запасы нефти и природного газа.
Сдерживающим фактором традиционного использования угля является повышенный экологический ущерб по сравнению с применением жидких и газообразных углеводородов. Поэтому создание экологически безопасных угольных технологий, позволяющих получать конкурентоспособные продукты и генерировать электрическую и тепловую энергию, является приоритетной задачей энергетической стратегии.
Работы по созданию таких технологий ведутся по нескольким направлениям:
- Снижение удельных выбросов в окружающую среду путем инвестирования в природоохранные мероприятия, что неизбежно ведет к увеличению капитальных затрат. В коксохимической промышленности стоимость систем газо- и водоочистки соизмерима, а в ряде случаев превышает капитальные затраты на основное производство.
- Уменьшение удельного расхода топлива на единицу энергии при использовании внутрицикловой газификации угля с применением парогазовых установок или при повышении параметров пара в котлоагрегате. Это также ведет к увеличению удельных капитальных затрат.
- Создание эффективных угольных технологий с пониженной эмиссией вредных веществ в пределах технологического цикла.
В основу технологии "Карбоника" положен принцип автотермической (без внешнего теплоподвода) неполной газификации угля с использованием открытого авторами разработки в 90-е годы эффекта "обратной тепловой волны" в слое угля.
В газификатор подается уголь и воздух, а продуктами являются только среднетемпературный кокс (полукокс) и горючий газ. Побочных продуктов нет.
Технология "Карбоника" имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными процессами термической переработки угля.
- Энергоэффективность. Все существующие технологии основаны на нагреве угля внешним теплоносителем, тогда как в технологи "Карбоника" процесс автотермичный. Побочный продукт в технологии "Карбоника" – горючий газ – пригоден для генерации электрической и тепловой энергии как в традиционной схеме "котел – паровая турбина", так и в парогазовых установках, имеющих повышенный электрический КПД.
По энергетическому балансу до 60 % теплоты сгорания исходного угля содержится в полукоксе и до 40 % – в горючем газе. Поэтому для успешной реализации проекта необходимо наличие крупных потребителей тепловой энергии с относительно равномерной круглогодичной нагрузкой. - Экологическая безопасность и безотходность. В технологии "Карбоника" все органические соединения расщепляются и газифицируются внутри аппарата, и газ не содержит пыли и смолистых веществ. При его сжигании даже без дополнительной очистки удельные выбросы NOx, SOx, CO и пыли ниже, чем у угольной котельной или ТЭЦ, ниже действующих нормативов и на два порядка ниже, чем в коксохимическом производстве. В технологии "Карбоника" не используется вода для тушения полукокса и не производится конденсация продуктов термического разложения, следовательно, отсутствуют технологические сточные воды.
- Простота аппаратурного оформления и одностадийность. Удельные капитальные затраты ниже, чем в других технологиях. В зависимости от масштаба производства они составляют величину от 2700 до 3200 руб. на 1 т полукокса в год, в том числе ~ 40 % – производство полукокса, ~ 30 % – утилизационная котельная и ~ 30 % – блок генерирования электроэнергии.
- Простота аппаратурного оформления и одностадийность. Например, цикл вывода коксовой батареи на стационарный режим составляет 2-3 недели, газификатора – 1 час.
- Гибкость технологии и производства. Технология «Карбоника» позволяет перерабатывать угли различных марок – 1Б-3Б, Д, ДГ, Г (которые в основном используются в энергетике) для получения дефицитных целевых продуктов, а также, изменяя только технологические параметры, регулировать выход конечных продуктов в зависимости от требований потребителей (выпускать полукокс или сорбент, увеличивать выход горючего газа и т.д.).
- Надежность оборудования. Например, в котлах-утилизаторах, где сжигается попутный газ, нет движущейся колосниковой решетки, системы золоудаления и исключено шлакование поверхностей нагрева. При традиционном сжигании угля это наиболее проблемные по надежности узлы.
- Возможность эффективной реализации технологии в виде отдельных блоков небольшой мощности.
Вышеизложенное позволяет оценить технологию "Карбоника" как прорыв в комплексном использовании угля. В этом технологическом процессе из низкосортных углей производится среднетемпературный кокс (полукокс) с высокой калорийностью и реакционной способностью, низким выходом летучих веществ и большим электросопротивлением. Такой продукт используется как металлургическое и технологическое топливо, бездымное коммунально-бытовое топливо, карбюризатор и углеродный восстановитель для металлургии.
