Интеграционный потенциал угольной промышленности Украины (Французский опыт оптимизации угледобычи может быть применен и в Украине)

В прошлом Франция относилась к одной из наиболее крупных угледобывающих стран Западной Европы. Может быть, поэтому там был накоплен значительный научно-технический потенциал, который и сегодня востребован на рынке инновационных технологий. Некоторые из прогрессивных новшеств, как показали совместно проведенные исследования, могут быть с успехом реализованы и в Украине.
Угольно-электрический симбиоз во Франции
Группа «Шарбонаж де Франс» была единственной организацией, которой разрешалось добывать уголь из французских недр. Запасы угля располагались, в основном, в Северном (бассейн закрыт уже более 15 лет), Восточном, Центральном и Южном регионах.
На базе конструкторского бюро «Шарбонаж де Франс» была образована группа «СдФ Инженери», добывавшая так называемый товарный уголь, предназначенный, главным образом, для использования на тепловых электростанциях (топливо для получения пара или для использования в черной металлургии). Когда на месторождении не было возможности добывать товарный уголь, разработка, а также утилизация минеральных ресурсов осуществлялись непосредственно группой «СдФ» (например, в Южном регионе Франции уголь с серностью от 4 до 5% добывается и непосредственно потребляется на электростанции).
Затраты на добычу угля во Франции были велики и определялись следующими факторами:
    * стоимостью рабочей силы;
    * глубиной шахт (до 1250 м);
    * обеспечением техники безопасности;
    * социальными обязательствами.
Благодаря оптимальному управлению ресурсами несмотря на высокие затраты на добычу и производство товарного угля непосредственно выработка электроэнергии во Франции оставалась рентабельной.
Основными путями оптимизации добычи и потребления угля было использование:
    * старых складированных ресурсов – терриконы (Северный бассейн) и шламоотстойники (Восточный бассейн);
    * отходов угледобычи (Восточный бассейн);
    * рядового угля, сжигаемого на электростанциях (Центральный и Южный бассейны).
Примером такой оптимизации могут быть три работающие электростанции группы «Шарбонаж де Франс», что позволяет лучше понять как сам принцип оптимизации, так и положительные эффекты каждого из путей его реализации. К ним относятся электростанции в Орнэне (на Севере), Эмиль Уше (на Востоке) и в Провансе (на Юге). Каждая из них характеризуется оригинальной технологией и экономической эффективностью.
В Северном бассейне добывались большие объемы тощего угля и антрацита. Он впечатлял своими размерами – 200 км в длину и 50 км в ширину с многочисленными стволами-ямами. В начале ХХ века это был самый крупный каменноугольный бассейн Европы. В связи с тем, что его пласты были маломощными, а их разработка уходила на все большую глубину, тогда как в Восточном бассейне толщина пластов доходила до 7 м, угледобыча в нем была прекращена много лет тому назад.
В результате разработки этого бассейна на его территории осталось много терриконов с тощим или антрацитовым углем, которые не использовались в период его активной добычи. Когда в этом бассейне угледобыча пошла на спад, был внедрен проект электростанции с использованием угля из терриконов.
Поскольку терриконы географически располагались на всей территории бассейна, внедрение централизованной обогатительной фабрики на огромной площади было не выгодно из-за высоких затрат на перемещение содержимого терриконов. Именно поэтому была внедрена технология с использованием подвижной обогатительной установки по месту расположения терриконов.
В настоящее время в состав электростанции в Орнэне входит энергоблок мощностью 250 МВт, введенный в 1970 году. Котел имеет «плечевую» топку с твердым золоудалением (тип котла, аналогичный котлу с жидким золоудалением, эксплуатируется с 1971 года на электростанции в Люси) и потребляет на 100% обогащенный продукт с терриконов.
Главным преимуществом этой электростанции можно назвать использование уже добытых ресурсов для получения электроэнергии. Таким образом, в этих условиях стоимость топлива для электростанции зависит от затрат на обогащение и доставку его к электростанции. Это позволило минимизировать стоимость энергетического топлива. Надо отметить, что в течение срока службы вплоть до настоящего времени эта электростанция вырабатывала 250 МВт в год без дополнительной угледобычи.
Поначалу зола с электростанции в Орнэне выбрасывалась на террикон, а затем близлежащие цементные заводы утилизировали ее как сырьевой компонент. В то же время была установлена золосушилка, а зола отбиралась с террикона, что отвечало техническому заданию потребителей.
В Восточном угольном бассейне добывался уголь для тепловых электростанций (так называемый уголь для выработки пара), а также коксующийся уголь для нужд черной металлургии. Тепловой уголь продавался организациям городского теплоснабжения, промышленникам и, конечно же, ЭДФ («Электриситэ дэ Франс») для производства электроэнергии. При этом, стоимость угледобычи вследствие многих причин была высокой, а оптимизация добычи была связана с оптимальным использованием добытых продуктов.
Получаемый уголь проходил стадию обогащения, вторичные же продукты направлялись на электростанцию «Эмиль Уше» как исходное топливо для выработки электроэнергии. Эти вторичные продукты транспортировались по углепроводу, затем предполагался их отстой на электростанции, после чего их высушивали во вращающихся сушилках и направляли на различные агрегаты на электростанции.
Энергоблоки электростанции «Эмиль Уше», использующие данный высушенный продукт, были введены в эксплуатацию в разное время:
    * энергоблок № 3 (мощность 125 МВт) сдан в 1958 году (выведен в холодный резерв с 2003-го);
    * энергоблок № 5 (производительность 343 МВт) работает с 1972 года;
    * энергоблок № 6 (соответственно 600 МВт) в эксплуатации с 1981 года.
Следует отметить, что энергоблок № 5 фактически представлял собой комбинированный цикл с использованием трех газовых турбин мощностью 15 МВт каждая и одной паровой (около 300 МВт). Кроме потребления высушенных вторичных продуктов, этот агрегат также может потреблять коксовый газ (отбор газов доменных печей при производстве кокса для черной металлургии), а также метан, отбираемый в качестве гремучего газа в шахтах.
В 1990 году новый котел с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) заменил старый котел энергоблока № 4 (мощность 125 МВт), введенный в эксплуатацию в 1959 году. Эта новая установка была сконструирована для использования шламов старой наработки, складируемых в илонакопителях.
Главным преимуществом этой электростанции является использование вторичных продуктов, которые не могут продаваться по выгодной цене. Фактическая стоимость топлива этой электростанции соответствует затратам на транспортировку сырья (они незначительны благодаря работе углепровода) и его сушку. При этом, следует отметить, что сушилка работает с использованием смеси газа, поступающего из коксохимического предприятия и отбираемого гремучего газа с угольной мелочью на выходе из сушилки.
Что касается золы, то она уходит в золоотвал. В течение нескольких лет большая часть золы от энергоблоков утилизировалась. За последние годы эти объемы превысили масштабы золы от работающих энергоблоков, так что для отбора ее из шламоотстойника пришлось установить золосушилку.
В Южном регионе Франции добываемый бурый уголь по своему составу граничил с лигнитом, но, при этом, с более высоким содержанием серы (от 4 до 5%). В плане выбросов SO2 его сжигание приравнивается к сжиганию угля с содержанием серы до 2%. И, все же, для товарного использования это значение чересчур велико. При этом, добытый из шахты уголь непосредственно доставлялся на электростанцию без какой-либо обработки для непосредственного сжигания в котлах электростанции в Провансе.
Электростанция в Провансе имеет два энергоблока: № 4 мощностью 250 МВт с котлом ЦКС (введен в 1995 году) и № 5 производительностью 600 МВт (в эксплуатации с 1984 года), аналогичный энергоблоку № 6 на электростанции «Эмиль Уше». Электростанция в Провансе вместе с шахтой составляет автономный комплекс по выработке электроэнергии. Собственно, в ее стоимость входит и стоимость угледобычи.
Угольные пласты шахты в Провансе располагаются в залежах известняка, в силу чего угольная зола представляет собой известняк. Сульфокальциевая зола от энергоблоков электростанции, в основном, состоит из негашеной извести и сульфата кальция, а, значит, активно реагирует с водой. Поэтому ее можно непосредственно использовать на цементных заводах, но без складирования. Поэтому в целях снижения реактивности золы для более долгосрочного ее хранения была построена установка зологашения (такая зола может утилизироваться другими потребителями).
Угольная география Украины
Французский опыт показывает, что угледобыча в обязательном порядке должна дополняться оптимизацией процесса и вестись с учетом качества угля, необходимого для различных потребителей. Разумеется, чем выше качественный показатель, тем в больших объемах в результате угледобычи будут накапливаться вторичные продукты. По мере повышения затрат на угледобычу все более необходимой становится повторная утилизация данных вторичных продуктов, с тем чтобы оставаться конкурентоспособным на рынке угля.
Что касается угольных месторождений, которые не дают возможности добывать «товарные» угли, то их можно разрабатывать за счет непосредственного преобразования энергии угля в электроэнергию по месту их расположения (пример электростанции в Провансе).
Очевидно, что чем лучше будет оптимизирована цепочка использования добытого угля, тем рентабельнее станет угледобыча, а, значит, тем лучше начнет обеспечиваться непрерывность долгосрочной деятельности.
Таким образом, оптимизация угледобычи обеспечивает сохранение рабочих мест, соответственно и повышение экономической активности в шахтерских регионах. Действительно, непосредственное сохранение или создание одного рабочего места в угледобывающей отрасли фактически позволяет получить до четырех косвенных рабочих мест.
И, наконец, не следует забывать, что в результате отбора отходов также обеспечивается рекультивация земельных участков, потерянных вследствие их складирования, при значительном сокращении загрязнения из-за просачивания в почву.
Украина реально располагает большими запасами угля, распределенными по трем крупным площадям.
Донецкий каменноугольный бассейн на крайнем Востоке Украины расположен, в основном, в Донецкой и Луганской областях, хотя часть угольных запасов простирается, с одной стороны, на Западе – по территории Днепропетровской области, а, с другой, на Юго-Востоке, – Ростовской области в России. Общие запасы составляют порядка 100 млрд. т угля.
Обширное в географическом плане месторождение также отличается большим разнообразием марок добываемых углей. Так, в нем находятся длиннопламенные угли (Д), длиннопламенные газовые (ДГ), газовые (Г), жирные (Ж), коксующиеся (К), тощие (Т) и антрациты (А), что обеспечивает их поставку как на тепловые электростанции, котельные и коксохимические комбинаты, так и на предприятия химической промышленности.
В разные годы Донецкий каменноугольный бассейн обеспечивал от 90 до 95% общих объемов угледобычи Украины, при этом, дополнительные объемы поступали из Львовско-Волынского угольного бассейна в Западном регионе страны.
Наиболее молодой в Украине Львовско-Волынский угольный бассейн располагается на территории Львовской и Волынской областей по границе с Польшей и Беларусью. Его промышленная разработка началась в начале 50-х годов. Здесь добываются угли двух марок:
Г (газовые) – 92% от добываемого объема;
Ж (жирные) – соответственно 8%.
Конфигурация пластов шахт Волынского бассейна, открытых в 1954 году, сильно отличается от Львовского бассейна. Топливо, добываемое в этих шахтах, состоит из угля с низкой зольностью. В начале промышленной разработки бассейна балансовые запасы угля (в них не включены угольные пласты с зольностью от 40 до 50%) были оценены почти в 1 млрд. т. Однако с тех пор на территории бассейна продолжались геолого-разведочные работы, в результате чего к балансовым были добавлены и другие запасы.
Оценочные показатели запасов месторождения следующие: общие геологические – 2,0 млрд. т; балансовые промышленные – 827,0 млн. т; внебалансовые – 444,8 млн. т.
С 1976 года наблюдались две важные тенденции:
    * сокращение части угля в балансе топлива, поставляемого на электростанции (от 65,7% в 1976 году до 37,5% – в 1981-м), при этом, уголь постепенно заменялся мазутом (от 17,2 до 39,8%) и природным газом (от 17,1 до 22,7%);
    * ухудшение качества поставляемых углей, приблизительно, на 20% по теплотворной способности при повышении зольности.
Качество добываемого угля не прекращало снижаться. Так, вследствие малой мощности разрабатываемых угольных пластов и угледобывающей техники, которая не обновлялась, все больше становилась зольность добываемого минерального материала.
Для улучшения качества рядового угля, поставляемого потребителям, в 1979 году была сдана в эксплуатацию Червоноградская центральная обогатительная фабрика с ежегодной производственной мощностью по переработке рядового угля свыше 10 млн. т.
За 1999 год суммарная угледобыча шахт составила порядка 4 млн. т, объемы переработки на обогатительной фабрике – 2,6 млн. т. Большая часть добытого угля, обогащаемого на этой фабрике, предназначена для населения (частные лица и отопительная сеть). Необогащенный рядовой уголь идет на электростанции (в частности, на Бурштынскую и Добротвирскую ТЭС).
Сегодня, как и в будущем, динамика угледобычи на шахтах Львовско-Волынского бассейна находится в зависимости от роста их производительности. Нынешний производственный уровень колеблется от 3,5 млн. до 4 млн. т в год (12 тыс. т в сутки по 300 дней в году). Эти шахты могут стать более рентабельными, а, значит, оставаться в работе, если повысить угледобычу до уровня 15 тыс. т в сутки, т.е. от 4,5 млн. до 5 млн. т в год.
В настоящее время шахты Львовского угольного бассейна покрывают лишь на 50% потребность в топливе Добротвирской, Бурштынской и Ладыженской ТЭС. Дополнительные объемы поставляются с шахт Донбасса и за счет импорта польских углей.
Запасы шахт Львовского бассейна соответствуют около 110 млн. т в существующих шахтах и 205 млн. т в шахтах, которые предстоит построить. Угледобыча шахт Волынского бассейна на сегодняшний день падает, так что в этом районе страны следует в срочном порядке открыть новые шахты.
Регион Западной Украины располагает незначительными запасами бурых углей и лигнитов, состоящих из небольших промышленных запасов, рассредоточенных по данной территории.
Украина также располагает весьма обширным месторождением бурых углей, протянувшимся с северо-запада на юго-восток страны, причем, в большей степени оно сосредоточено в центральной части – в Александрийском регионе. Этот бассейн расположен на территории Кировоградской, Черкасской, Житомирской, Днепропетровской и Харьковской областей и насчитывает около 30 промышленных месторождений. Угольные пласты залегают на глубине от 10 до 150 м от поверхности земли; в каждом конкретном случае разработка ведется вскрышным либо подземным способом.
Добываемый уголь отличается очень высокой влажностью (52-58% со снижением после сушки до 10-14%), зольностью высушенного топлива от 15 до 45% (в среднем – 30%), серностью на сухую массу (от 2,5 до 4,6%), выходом летучих веществ после сушки (от 58 до 61%) и нижним пределом теплотворной способности от 6,6 до 11,3 МДж/кг (1700-2700 ккал/кг, в среднем – 2000 ккал/кг). Правда, запасы его огромны: разведанные ресурсы составляют 5 млрд. т, в том числе 2,24 млрд. т, внесенных в баланс; более 500 млн. т могут быть добыты из разрезов.
Угледобыча, в 1975 году достигшая 11 млн. т, постепенно снижалась: 9,5 млн. т в 1985-м, 4,6 млн. т – в 1995-м, только 1,4 млн. т – в 1998-м, 1,2 млн. т – в 1999-м и 1,06 млн. т – в 2000-м.
До сих пор добыча была предназначена для изготовления брикетов и поставки угля местному населению, в частности, в сельской местности. При этом, часть добываемой продукции шла на городские котельные.
Моделирование будущего
В результате проведения исследования по инвентаризации терриконов, выполненного «СдФ Инженери», оказалось, что, хотя в Западном регионе Украины (Львовско-Волынский бассейн) и имелись терриконы, они уже не годились для разработки с целью отбора углерода из-за характера углей данной местности (битуминозные угли, которые, в основном, уже перегорели).
Единственным способом отбора углерода у сланцев могла быть их линейная переработка во время добычи. При этом, с учетом наличия шламоотстойников возле Червоноградской обогатительной фабрики и выпуска шламов свежей наработки следует отметить, что там можно было бы реализовать проект ЦКС, который одновременно сжигал бы шламы свежей наработки и складируемые в илонакопителе, а также линейные сланцы.
Результаты анализа грунтов этих терриконов показали, что они не пригодны для сжигания. Более того, визуально установлено, что эти терриконы в большинстве своем перегорели (наличие сланцев красного цвета), следовательно, их остаточная калорийность, которая существовала на момент складирования, практически нулевая. Таким образом, надо считать, что эти терриконы в дальнейшем не могут утилизироваться в качестве топлива.
При рассмотрении условий Украины можно, во-первых, констатировать, что на тепловые электростанции поставляется, главным образом, уголь низкого качества, с высокой зольностью: это, как правило, либо рядовой уголь, либо смесь его с обогащенным углем и даже со шламами.
Последствия использования таких углей на электростанциях следующие:
    * потребность в природном газе для подсветки до 15% тепловой мощности;
    * зачастую неполное сжигание;
    * деградация нагревательного оборудования;
    * потеря маневренности энергоблоков (а сегодня маневренность высоко оплачивается).
В целях сокращения последствий такого положения вещей конечный пользователь (в данном случае – производители электроэнергии) в зависимости от марки и фактического качества поставляемого угля имеет несколько вариантов технического выбора:
    * адаптирование оборудования для сжигания к качеству продуктов путем переоборудования котельных агрегатов (либо с внедрением новой технологии, как на Змиевской ТЭС, либо с заменой котлов на адаптированные котлы типа ЦКС или ПУ);
    * достижение максимального соответствия поставляемых углей изначальной конструкции котлов (т.е. необходимо обогащать больше угля, а, следовательно, нарабатывать массу отходов угледобычи, значит, строить новые энергоблоки, адаптированные к таким субпродуктам, например, котлы с ЦКС).
Таким образом, Украина накопила огромные объемы отходов угледобычи, которые складируются либо на территории шахт, либо в виде терриконов (для сухих отходов), либо в илонакопителях.
Французский опыт показывает, что большая их часть может утилизироваться за счет сжигания для выработки электроэнергии соответственно при помощи:
    * котлов с ЦКС для утилизации сухих продуктов и шламов (опыт электростанции «Эмиль Уше»);
    * при помощи пылеугольных котлов, адаптированных для утилизации сухих продуктов (опыт электростанций в Орнэне и Люси).
Здесь надо отметить, что Украина начала внедрять эту технологию, в частности, на Старобешевской ТЭС с энергоблоком ЦКС мощностью 210 МВт с потреблением антрацитовых шламов, складируемых в шламоотстойниках недалеко от электростанции.
В целом использовать можно две основные категории котлов: во-первых, с ЦКС; во-вторых, адаптированные пылеугольные котлы в большинстве случаев с установкой серо- и азотоочистки, помещаемые на пути прохождения дымовых газов. При разработке таких проектов необходимо учитывать ряд особенностей.
По ЦКС:
    * необходимость предварительной обработки топлива с широким диапазоном качества отходов, которые могут подаваться в один и тот же котел;
    * отсутствие очистки дымовых газов, кроме пылеулавливания (ЦКС может иметь внутренний коэффициент сероочистки до 97%);
    * достаточно высокая маневренность (50%), но в силу наличия футеровки ЦКС весьма чувствителен к остановкам;
    * высокое качество сжигания даже трудносгораемых продуктов.
По пылеугольным котлам:
    * меньшая предварительная обработка (и даже не необходимая, потому что она включена в технологию);
    * более сложный процесс сжигания;
    * ограниченный диапазон возможного варьирования по продуктам, подаваемым в котел;
    * зачастую, необходимость установки очистки дымовых газов за котлом.
При разработке региональных проектов хорошо видна параллель, которую можно провести между французским опытом «Шарбонаж де Франс» и условиями угледобычи в Украине по возможным схемам:
    * для регионов, где сосредоточены тепловые электростанции и шахты – разработка проектов по типу подготовленных для электростанции «Эмиль Уше»;
    * для регионов, где условия добычи приводят к выработке низкокачественных углей – разработка проектов по типу того, который был реализован на электростанции в Гардане (Прованс);
    * для регионов с недостаточно разработанными ресурсами или с ресурсами, которые предстоит разрабатывать, например, в Александрийском регионе, – разработка проектов по образцу для электростанции в Гардане (Прованс);
    * для разработки складируемых отходов углеобогащения – разработка проекта утилизации отходов наподобие того, как было сделано на электростанции «Эмиль Уше».
Такой подход к оптимизации угольных ресурсов и отходов от их добычи, на наш взгляд, даст промышленный и социальный импульс в специфических регионах благодаря:
    * непрерывной долгосрочной работе шахт и обогатительных фабрик;
    * открытию новых шахт;
    * созданию новых рабочих мест на самих шахтах, электростанциях и даже в округе, например, вследствие утилизации золы;
    * обоснованию региональных схем;
    * выработке недорогой электроэнергии.
Мы смоделировали несколько сценариев такого типа проектов с рассмотрением следующих гипотез:
    * выработка электроэнергии на угле составляет 23% от общего объема, т.е. около 40,7 ТВт/ч;
    * средняя зольность угля равна 28%, а зольность добываемого в шахтах угля находится на уровне, в среднем, 40% (принято, что средний уголь, потребляемый на электростанциях, представляет собой смесь обогащенного угля с 16%-ной зольностью и рядового);
    * было принято, что потребление среднего угля для получения электроэнергии составляет 24,1 млн. т (увеличение мощностей, намеченное на период до 2010 года, было рассмотрено только для электроэнергетического сектора; в таком случае потребление в 2010 году составит 48,4 млн. т среднего угля, предназначенного для производства электроэнергии);
    * для потребляемого на электростанциях угля требуется 12% газа в качестве подсветочного топлива (его потребление равно 0 при сжигании угля с 20%-ной зольностью);
    * баланс углеобогащения рассматривался исходя из того, что 58% рядового материала могут извлекаться с 16%-ной зольностью, 7% рядового материала содержится в шламе с 45%-ной зольностью на сухую массу, 35% рядового материала – в терриконе с 80%-ной зольностью на сухую массу;
    * к.п.д. действующих котлов принят в пределах 80% при работе на угле с 30%-ной зольностью и 85% – при 20%-ной;
    * в связи с тем что котел с ЦКС, работающий на шламе, будет новым, его к.п.д. принят за 90%.
В рамках моделирования мы наметили следующие сценарии:
    * ситуация, аналогичная ситуации в 2005 году, но с возросшим потреблением;
    * для переработки шламов от угледобычи применена специальная котельная установка;
    * повышение качества угля с установкой средств, достаточных для утилизации шламов от угледобычи;
    * увеличение угледобычи по последнему сценарию для получения выработки таких же объемов электроэнергии, как и на основании базового варианта с газом в качестве подсветочного топлива.
Причем, мы также учли возможность отбора шламов из шламоотстойников, основываясь на выводах, сделанных в исследовании «СдФ Инженери» по утилизации шламов и терриконов.
В результате моделирования были сделаны следующие выводы:
    * за счет установки двух энергоблоков мощностью 200 МВт каждый с использованием шламов свежей наработки можно дополнительно получать 2,4 ТВт/ч, что, приблизительно, соответствует экономии 0,8 млрд. м3 газа;
    * вследствие установки третьего энергоблока мощностью 200 МВт и улучшения качества угля можно отказаться от использования газа. Объемы выработки электроэнергии на угле превышают объемы ее выработки на основании базового сценария. В таком случае потребление угля существующими электростанциями снижаются от 48,4 млн. т до 39,9 млн. т, или почти на 8,5 млн. т, по сравнению с положением в 2005 году, транспортируемые объемы уменьшатся от 24,3 млн. т до 16,8 млн. т (на 30%);