"Зеленый" потенциал

Игорь Карп о возможностях использования альтернативных источников энергии

Одними из наиболее перспективных альтернативных источников энергии в Украине являются твердое биотопливо и свалочный газ. Общий потенциал разных видов биотоплива оценивается в широком диапазоне — от 5.12 млн т до 30 млн т у.т. и более (с учетом выращивания биомассы на пустующих площадях), что позволяет заместить от 4.3 млрд до 25.6 млрд куб м природного газа. Использование свалочного газа, по разным оценкам, может сэкономить до 400 млн куб м природного газа. Об украинских разработках в области замещения природного газа альтернативными видами топлива "ЭнергоБизнесу" рассказал почетный директор и главный научный сотрудник Института газа НАНУ Игорь Карп.

Нина ШЕРШОВА

— Игорь Николаевич, над какими проектами в области альтернативных источников энергии работают ученые Института газа, и какие проекты уже реализованы?

— У Института газа очень широкий профиль. Мы работаем и со свалочным газом, и с твердым биотопливом, и с другими видами альтернативных топлив. В 90-х гг. мы спроектировали и изготовили установку для очистки биогаза и установили ее на одном из полигонов в США. В Украине с нашим участием был реализован проект украинско-американской компании "ЛНК" по сбору и утилизации свалочного газа на полигоне №5 в с.Подгорцы Киевской области, который можно считать наиболее успешным в Украине среди проектов такого рода. Сейчас на полигоне работает пять двигателей TEDOM (Чехия) мощностью по 180 кВт каждый, а объем извлекаемого газа составляет 450 куб м/ч. Стоимость реализации проекта составила $2.2 млн, а срок его окупаемости при отпускной цене э/э в размере 88 коп/кВтч — 2 года.

Технологии газификации мы начинали разрабатывать для углей, но сейчас внедряем их и для твердого биотоплива. В прошлом году мы вместе с луганским ООО "Теплоэнергогаз" работали над технологией газификации некоторых углей и биомассы разного состава. Была заимствована технология, близкая к той, которая использовалась компанией "Сибтермо" (г.Красноярск, РФ) для газификации канско-ачинских бурых углей с целью получения полукокса. Газогенераторный газ здесь выступал побочным продуктом, и ввиду низкой стоимости природного газа в России, его использование не получило распространения.
ООО "Теплоэнергогаз" доставило в Украину два вагона качинских бурых углей, чтобы протестировать на них технологии газификации. Российские угли малосернисты, содержат 25% влаги, очень активны химически и хорошо газифицируются. Наши специалисты попробовали газифицировать украинские антрациты, но процесс не пошел. Торф, кстати, тоже нельзя газифицировать — для этого необходимо обогащение воздуха кислородом. Мы думали использовать технологию газификации торфа в тех регионах страны, где есть его запасы, например, в Ривненской области, но, к сожалению, не получилось.

— Какие исследования ведутся по замещению природного газа альтернативными видами топлива?

— Что касается замещения природного газа твердым биотопливом, то для разных проектов мы можем использовать технологию прямого сжигания или газификацию биомассы. Наш институт подбирает оптимальное для каждого проекта решение. Конечно, при использовании биомассы наибольший эффект достигается путем прямого сжигания, но в некоторых случаях из-за технических ограничений и при выработке э/э лучшим вариантом станет предварительная газификация топлива.

В качестве примера внедрения технологии прямого сжигания можно привести проект, который мы реализовали на "Ватутинском комбинате огнеупоров". На предприятии мы переоснастили системы отопления вращающихся печей для обжига огнеупорной глины, переоборудовав их на совместное использование биотоплива с природным газом. До переоборудования средний расход природного газа составлял 2200 куб м/час.
Специалисты нашего института провели исследования, которые позволили выбрать в качестве замещающего топлива лузгу подсолнечника с возможностью использования и древесных отходов (опилок). Были разработаны технические требования к биотопливу и технологии его совместного сжигания с природным газом и создана математическая модель определения скорости и времени сгорания частицы топлива в печи. Исследования показали, что время сгорания древесных частиц диаметром около 3 мм соизмеримо со временем их пребывания в топочном объеме печи. Частицы лузги подсолнечника сгорают намного медленнее. Чтобы увеличить время пребывания частиц лузги в объеме печи, Институт газа спроектировал специальную горелку для твердого топлива.

Все оборудование успешно и бесперебойно работает уже три года. За время его работы процент замещения природного газа биотопливом составлял от 50% до 70%. В среднем было замещено около 70% газа, на что потребовалось около 3260 кг/час лузги подсолнечника. Объем замещаемого природного газа составляет более 10 млн куб м в год. Проект окупился менее чем за полгода.

Та же разработка с успехом может использоваться на металлургических предприятиях и предприятиях по производству строительных материалов. В качестве биотоплива можно использовать не только лузгу, но и другие доступные ресурсы, к примеру, мелко помолотые отходы древесины.

— Вы говорите о прямом сжигании. А в каких случаях используется газификация биотоплива?

— Следует учитывать, что коэффициент полезного использования первичной энергии топлива при газификации несколько ниже, чем при прямом его сжигании, поскольку при любом преобразовании энергии возникают необратимые термодинамические потери. Тем не менее, газификация обладает неоспоримым преимуществом перед прямым сжиганием, когда целью проекта является выработка э/э, т.е. в технологиях когенерации и комбинированных процессах сжигания биотоплива и природного газа в одной горелке. Примером использования комбинированного сжигания является разработанная нашим институтом система "газогенератор-паровой котел", которая была внедрена на "Малинской бумажной фабрике Вайдман" в начале 2011 г. Степень замещения природного газа зависит от потребления пара и колеблется от 15% до 70%. Основой этой системы является спроектированный нами газогенератор мощностью 1.8 МВт. Газ вырабатывается из древесной щепы хвойных пород древесины.

— Какие проекты могут быть реализованы в ближайшем будущем?

— Сейчас нашими разработками заинтересовалось ПАО "АрселорМиттал Кривой Рог", и мы ведем с ним переговоры. Сам завод уже не инвестирует в новые проекты, но нашелся инвестор из числа украинских компаний, которому удалось договориться с ним о проведении работ на пилотной установке относительно небольшой мощности, а если они будут успешными, то будет реализовываться эта идея уже в промышленном масштабе. Планируется, что установка будет работать на лузге подсолнечника.

Предприятие планирует рассчитаться с нами по факту работы из полученной прибыли. Я думаю, что это (как и то, что сам завод пока не планирует инвестиций в новые проекты) связано не только с их системой расчетов, но и с общим спадом в металлургии. Все наши металлургические предприятия сегодня находятся в трудном положении.

В реализации проектов по использованию свалочного газа заинтересованы и владельцы многих полигонов ТБО. К сожалению, внедрение их задерживается из-за сложных условий ведения бизнеса в Украине, хотя "зеленый" тариф, установленный в апреле 2013 г. для проектов по сбору и использованию свалочного газа, достаточно привлекателен.

Вообще, украинские полигоны обладают огромным потенциалом для сбора биогаза. Всего за год в Украине образуется около 12 млн т бытовых отходов, что по тепловому содержанию эквивалентно примерно 3 млрд куб м природного газа. Около трети их собирается на организованных свалках. Эти отходы можно использовать для получения метана или методом прямого сжигания. За рубежом эта технология получила название waste-to-energy. Там количество подобных проектов исчисляется уже сотнями.

— Приходится ли сталкиваться с техническими сложностями, например, связанными с какими-либо свойствами биотоплива?

— Да. Например, одним из самых перспективных биоресурсов у нас является лузга подсолнечника. В процессе производства масла ее образуется порядка 500 или 700 тыс т в год. Прямое ее сжигание может использоваться не только на металлургических предприятиях, но и, например, в печах для обжига клинкера. Но прямое сжигание лузги или соломы связано с определенными техническими сложностями. При этом образуется зола, которая является очень легкоплавкой и оседает на тепловоспринимающей поверхности котла, образуя достаточно твердую корку. Эту корку приходится отбивать зубилом, останавливая работу котла.

Газификация лузги — тоже задача непростая. Мы несколько лет разрабатывали оборудование и технологии, но это не пошло. В частности, потому что при выращивании подсолнечника используется много азотных удобрений, его лузга пропитывается азотом. При ее сжигании образуется оксид азота, который выбрасывается в атмосферу, и тогда содержание оксидов азота превышает все допустимые в Украине нормы. Чтобы этого не было, нужны определенные условия, к примеру, двухступенчатое сжигание или сжигание в условиях добавления воды.

Мы пошли по другому пути и испробовали газификацию разных видов потенциальных заменителей газа с прицелом на использование результатов в коммунальной энергетике и в небольших промышленных котлах.

— Удалось ли реализовать на коммунальных предприятиях такой проект?

— Спроектирована небольшая установка для "Лугансктеплоэнерго", которое финансировало наши работы. Для этого предприятия мы газифицировали твердое топливо (лузгу риса, подсолнечника, древесные отходы и пеллеты из них, лигнит, бурый уголь, опилки ) по разработанной нами технологии, и получили генераторный газ с теплотворной способностью на уровне 1400-1600 ккал/куб м. Этот газ вполне замещает природный газ.
Преимуществом этой технологии по сравнению с другими способами газификации является то, что в итоге получается газ с очень малым содержанием смолы. Когда мы газифицировали топливо по старой технологии, у нас заливало смолой трубы, и были проблемы с очисткой — очистить газогенераторный газ от примесей достаточно сложно. А здесь он получается чистым.

Теперь мы планируем предложить эту технологию компаниям из зарубежных стран, и уже ведем переговоры с бизнесменами за рубежом. На сегодняшний день уже есть работающие с ее использованием промышленные установки, и есть промышленный потребитель.