Е. К. Айбульдинов1, М. С. Петров2, Р. М. Салихов2,
1 — ТОО «Научно-производственная компания «EL Invest», 010000, г.Нур-Султан, elaman_@mail.ru
1 — ООО «ТТУ», 192283, г.Санкт-Петербург, РФ, info@oil-shale.ru
АННОТАЦИЯ. Разработана технология, позволяющая эффективно перерабатывать низкосортные горючие ископаемые — сланцы, угли, битумы, лигниты, шунгиты, твердые бытовые и промышленные отходы. Продукты переработки -нефть, газ, кокс, тепло-и электроэнергия, синтез-газ, метанол, пропилен, строительные материалы, ферросплавы, клинкер и карбиды. Экологические параметры предприятий соответствуют нормам ЕС. Данная технология может послужить основой для развития углехимической отрасли РК, «зеленой» экономики, а также утилизировать продукты обогащения угля, в том числе угольных мелочей для получения ценных продуктов переработки, уменьшить выбросы энергетических предприятий, быть конкурентоспособной, наилучшей доступной технологией по сравнению с мировыми аналогами.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА. Низкосортное топливо, переработка, пиролиз, горючие сланцы, уголь, твердые бытовые отходы, тяжелые нефтяные остатки.
ВВЕДЕНИЕ. Эффективность добычи и переработки запасов полезных ископаемых зависят от эффективности технологий переработки добываемого сырья. Огромные неиспользуемые запасы углеводородов и чистого углерода имеются в нетронутых природных залежах низкосортного ископаемого топлива, а также в техногенных залежах — на полигонах твердых бытовых и промышленных отходов. Например, запасы бурого угля в России составляют триллионы тонн, а добыча-около 70 миллионов тонн в год. На территории России расположено около 180 месторождений горючих сланцев с запасами сланцевой нефти 190 млрд тонн, из них 10 млрд тонн горючих сланцев в Ленинградской области с нефтяным эквивалентом от 1 до 1,5 баррелей на тонну. В Карелии имеются запасы 1 млрд тонн шунгита с содержанием углерода 30-90%. На территории России накоплено более 31 миллиарда тонн твердых бытовых отходов. Ежегодно их объем увеличивается на 60 миллионов тонн.
Все перечисленные выше ископаемые классифицируются как низкосортные горючие ископаемые, то есть, как ископаемые с физико-химическими характеристиками, затрудняющими их включение в топливно-энергетический баланс из-за высокой зольности, влажности или низкой температуры плавления золы, либо наличия и образования опасных веществ. Наличие эффективных технологий позволяет использовать эти огромные ресурсы. Установки с твердым теплоносителем (УТТ) могут успешно работать с применением различных режимов — полукоксования, коксования, парового пиролиза, окислительной паровой газификации. Такая гибкость позволяет получать различные целевые продукты в различных пропорциях: синтетическую нефть, газ, кокс, тепло-и электроэнергию, синтез-газ с последующим получением метанола, пропилена и полимеров. Полученная зола не содержит углерода и может быть использована для производства строительных материалов, цемента, ферросплавов, карбидов, удобрений и др., что обеспечивает безотходность производства. Установки УTT являются экологически чистыми — они работают в границах городов Европейского Союза.
ТЕХНОЛОГИЯ И РЕФЕРЕНЦИИ. Технология высокоскоростного пиролиза горючих сланцев в установках с твердым теплоносителем основана на методе Галотер, изобретенном в 1947 году инженером И. С. Галынкером и разработанном Энергетическим институтом ЭНИН (Москва). Сущность способа заключается в том, что пиролиз сырья происходит при его смешивании с горячей золой во вращающемся барабане реактора без доступа кислорода. Органическое вещество разлагается с образованием парогазовой смеси, которая при охлаждении образует различные фракции синтетических нефти и газа. Полукокс сжигается в аэрофонтанной топке. Часть горячей золы возвращается в реактор для нагрева свежей порции сырья, избыток золы охлаждается и удаляется из процесса. Тепло золы, дымовых газов и синтез-газа используется в котле-утилизаторе для получения пара с энергетическими параметрами для производства тепловой и электроэнергии. Технология освоена на коммерческом и промышленном уровнях.
Семь установок УТТ, построенных в Эстонии, были спроектированы при участии специалистов ООО «ТТУ». В Нарве с 1980-84 годов эффективно работают две установки УТТ-3000 мощностью по 1 млн. тонн сырья в год каждая. В 2009 году они были переименованы в Enefit-140. В 2006-2015 годах в Кохтла-Ярве были спроектированы, построены и введены в эксплуатацию три УТТ-3000, переименованные в Петротер. Две УТТ-500 построены в Кивиыли в 2005-2009 годах. Еще один завод «Энефит-280» был построен под Нарвой в 2009-2012 гг. без участия специалистов ООО «ТТУ», он работает в режиме опытно-промышленной установки. В целом за 2006-2015 годы построено шесть заводов, обеспечивающих 365% прироста мощностей по переработке сланца методом Галотер с 2,0 до 7,8 млн. тонн в год. Инвестиции составили около 600 миллионов долларов, а добыча достигла более 8 миллионов баррелей нефтяного эквивалента в год. Сейчас в Эстонии сланцы при помощи процесса Галотер приносят синтетическую нефть, газ, тепло- и электроэнергию, ценные химические продукты и строительные материалы из сланцевой золы и данное предприятие соответствует нормам ЕС по выбросам.
Специалисты ТОО «Научно-производственная компания «EL Invest» и ООО «ТТУ» за период 2009-2020 провели дополнительные исследования и разработки, учли опыт работы эстонских заводов и усовершенствовали технологические схемы, позволяющие получать из сланца и низкосортных топлив (углей) не только синтетическую нефть, газ, тепло и электроэнергию, но и продукты с более высокой добавленной стоимостью и меньшей зависимостью от колебаний мировых цен на нефть — тиофены, фенолы, кокс, синтез-газ с возможностью дальнейшего производства метанола, чистых топлив, олефинов и полимеров, вырабатываемая электроэнергия может использоваться для плавки золы с добавлением марганцевой руды, угля, кокса и с получением клинкера, ферросплавов и карбидов.
ПЕРЕРАБОТКА СЛАНЦА. Технико-экономическая оценка проекта добычи и переработки сланца на Ленинградском месторождении Прибалтийского бассейна демонстрирует высокую привлекательность для инвесторов. На строительство новой шахты «Кировская» мощностью 4 млн. тонн в год и завода по переработке сланца мощностью 4 линии УТТ-3000 потребуется около $ 500 млн. в течение 6 лет. Годовая добыча составит: синтетической нефти 3,7 млн. баррелей, 720 000 МВт-часов электроэнергии и 2 млн. тонн золы. Чистая прибыль составит около $ 100 млн. в год при ценах на нефть $ 50 за баррель. Срок окупаемости 7 лет. Внутренняя норма прибыли составляет 26 %. При первоначальных инвестициях в размере $ 500 млн. рыночная стоимость акций компании после выхода на проектную мощность составит более $ 1,8 млрд.
В качестве другого примера в технико-экономическом обосновании проекта разработки сланцевой нефти в Северной Африке рассматривались три варианта. Горючий сланец имеет следующие характеристики на сухую основу:
- выход масла 8,47% масс.
- выход газа 4,7% масс.
- выход полукокса 85,6% масс.
- углеродС15,62% масс.
- водород Н 1,65% масс.
- кислород O 8,0% масс.
- азот 0,67% масс.
- сера S 2,27% масс.
- зола 71,79% масс.
- низшая теплотворная способность 1522 ккал/кг
Базовый вариант 1-добыча нефти:
- Карьер на 3 млн. т сланца в год;
- 3 установки для переработки горючих сланцев УТТ-3000, каждая мощностью 3330 тонн горючих сланцев в сутки или 1 млн. тонн в год;
- Электростанция, состоящая из турбинного цеха, оснащенного паровыми противодавленческими турбинами 3х30 МВт и генераторами;
- Дистилляционная опреснительная установка с многоступенчатыми установками мгновенного испарения, где отработанный пар из турбин используется для испарения и опреснения морской воды.
Вариант 2-производство цемента. В качестве варианта № 2 дополнительно к базовому варианту рассматривался вариант строительства цементного завода по производству 3 млн. т цемента из сланцевой золы с добавлением 2,7 млн. т известняка с использованием энергии из горючих сланцев;
Вариант 3-производство полипропилена. В качестве варианта № 3, альтернативного варианту № 2, рассматривалось строительство дополнительно к базовому варианту установки переработки синтез-газа в полипропилен для производства 279 000 тонн полипропилена в год вместо сланцевой нефти и сланцевого газа. Кроме того, вместо сжигания полукокса применяется режим газификации с получением дополнительного синтез-газа;
В Таблице 1 представлены результаты экономической оценки проекта для трех установок УТТ-3000, 3. Млн тонн в год, сроком службы 33 года, в том числе 3 года строительства.
Таблица 1 — Экономические параметры вариантов
| Вариант 1 Масляный | Вариант 2 Цементный | Вариант 3 Полипропилен | ||
| Инвестиции | $ млн | 340 | 572 | 522 |
| Продукты, количество в год: | ||||
| Нефть | Баррелей | 1 381 132 | 288 733 | — |
| Электричество | МВт-ч | 400 864 | 220 864 | 587 124 |
| Тиофенов | тонны | 24 300 | 24 300 | 24 300 |
| Вода опресненная | Куб.м. | 36 836 100 | 36 836 100 | 36 836 100 |
| Зола | тонны | 2 057 400 | 1 057 400 | 2 057 400 |
| Соль | тонны | 442 033 | 442 033 | 442 033 |
| Цемент | тонны | — | 3 000 000 | — |
| Полипропилен | тонны | — | — | 279 000 |
| Выручка от реализации, в год | $ млн | 160 | 206 | 309 |
| Денежный поток в период проекта | $ млн | 1 991 | 2 402 | 4 131 |
| Внутренняя норма доходности (ВНД) | % | 24,3% | 19,2% | 29,5% |
| Срок окупаемости от старта (СОС) | годы | 6 | 7 | 6 |
| Срок окупаемости с момента запуска производства | годы | 3 | 4 | 3 |
| Рентабельность активов (РА) | % | 701 | 527 | 905 |
| Дисконтированный денежный поток (ДДП) | $ млн | 349 | 351 | 799 |
| Ставка дисконтирования (СД) | % | 10% | 10% | 10% |
| Чистая приведенная стоимость (ЧПС) @ DR 10% | $ млн | 349 | 351 | 799 |
| Учетная норма прибыли (УНП) | % | 23% | 17% | 30% |
| Дисконтированный срок окупаемости (ДСО) | Годы | 8 | 10 | 7 |
| Рыночная стоимость предприятия | $ млн | 749 | 939 | 1 519 |
| *Расчеты были сделаны на основе строительства УТТ-3000 в Эстонии |
ПЕРЕРАБОТКА УГЛЯ. Пример демонстрирует исследования образца угля из Казахстана с плавкой золы и производством ферросплавов.
- Влажность Wa =6,03%
- Зольность Ad = 8,31%
- Элементный состав % масс. на сухое состояние — C 69,14 — 68,86; H 6,36 — 5,86; N 1,86 — 1,74; S 0,4.
Выход продуктов полукоксования по Фишеру, в % масс. на сухой уголь составил:
- полукокс– 72,6;
- смола — 10,1;
- вода пирогенетическая — 7,7;
- газ — 9,6.
Смола полукоксования имеет элементный состав, % масс.: C 78,75 — 79,07; H 8,84 — 8,35; N 0,97 — 1,11; S -1,16.
Элементный состав полукоксового газа: C 73,46%; H 18,62%; N 0,44%; S 0,3% ;O 7,18%.
Вещественный состав полукоксового газа:
| Вещества | Элементы | ||||||
| Масc % | С | Н | О | S | N | ||
| Метан | CH4 | 45,99 | 34,493 | 11,498 | |||
| Этан | C2H6 | 13,59 | 10,870 | 2,717 | |||
| Пропан | C3H8 | 5,45 | 4,461 | 0,992 | |||
| Бутан | C4H10 | 2,63 | 2,176 | 0,452 | |||
| Пентан | C5H12 | 5,26 | 4,378 | 0,878 | |||
| Этилен | C2H4 | 4,20 | 3,604 | 0,601 | |||
| Пропилен | C3H6 | 5,18 | 4,437 | 0,740 | |||
| Бутилен | C4H8 | 3,04 | 2,601 | 0,434 | |||
| Водород | Н2 | 0,09 | 0,000 | 0,085 | |||
| Окись углерода | CO | 6,20 | 2,654 | 0,000 | 3,546 | ||
| Азот | N2 | 0,44 | 0,000 | 0,000 | 0,435 | ||
| Углекисл. газ | CO2 | 5,00 | 1,364 | 0,000 | 3,637 | ||
| Бензол | C6H6 | 2,63 | 2,426 | 0,202 | |||
| Сероводород | H2S | 0,32 | 0,019 | 0,299 | |||
| Всего | 100,000 | 73,463 | 18,619 | 7,183 | 0,299 | 0,435 |
Полукокс из реторты имеет следующие характеристики:
- зольность Ad=11,03%мас,
- выход летучих Vd = 13,44%мас;
- элементный состав: С- 74,52%; H- 3,89%; N-2,47%; S- 0,35%; О- 7,74%.
Полученный коксозольный остаток после удаления летучих при 850ºС в течение 7 минут (кокс) имеет:
- Зольность 12,35%мас;
- элементный состав: C- 77,23%; H-1,14%; N- 2,43%; S-0,19%; О- 6,66%.
Зола легко отделяется от кокса в магнитном и электрическом полях.
Зола угля имеет состав:
| Состав золы | Хим. формула | Значение, % |
| Двуокись кремния | SiO2 | 53 |
| Окись железа | Fe2O3 | 11 |
| Окись алюминия | Al2O3 | 27 |
| Окись кальция | CaO | 2,5 |
| Окись магния | MgO | 1,3 |
| Трехокись серы | SO3 | 1,2 |
| Двуокись титана | TiO2 | 1 |
| Пятиокись фосфора | P2O5 | 0,65 |
| Окись натрия | Na2O | 0,65 |
| Окись калия | K2O | 1,9 |
Охлажденный до 90°С коксозольный остаток (КЗО) выводится в систему разделения КЗО на зольный и коксовый концентраты.
Зольный концентрат смешивается с марганцевой рудой и подается в индукционные тигельные плавильные печи, где получают ферросплав и шлак. Ферросплав охлаждается, дробится и складируется.
Коксовый концентрат брикетируется и складируется для отгрузки потребителям. В качестве связующего используется окисленная тяжелая фракция смолы.
Экономические параметры проекта переработки 1 млн. т в год такого угля приведены в таблице ниже:
| Количество ед./сут. | Цена, $ / единицу | Сумма, $ / сут. | Годовые показатели, $ | |
| Инвестиции, в т.ч.: | 123 820 164 | |||
| Установка УТТ | 70 000 000 | |||
| Электростанция ЭС | 50 321 239 | |||
| Сепараторы, брикетирование | 1 166 308 | |||
| Индукционные печи | 2 332 617 | |||
| Затраты, в т.ч.: | 95 778 | 28 733 504 | ||
| Добыча | 3 336 | 10 | 33 360 | 10 008 000 |
| Переработка | 3 336 | 7 | 23 352 | 7 005 600 |
| Сепарация КЗО, плавка, брикет-ие | 1 255 | 10 | 12 554 | 3 766 087 |
| Покупка марганцевой руды, т | 161 | 164,37 | 26 513 | 7 953 817 |
| Амортизация | 22 616 | 6 784 667 | ||
| Выручка, в т.ч.: | 502 488 | 150 746 417 | ||
| Масло, т | 240 | 455 | 109 166 | 32 749 809 |
| Электричество, kW-h | 2 542 459 | 0,025 | 63 561 | 19 068 441 |
| Ферросплав, т | 215 | 1 048 | 225 097 | 67 529 205 |
| Кокс, т | 1 047 | 100 | 104 663 | 31 398 962 |
| Прибыль | 406 710 | 122 012 913 | ||
| Прибыль к налогообложению | 384 094 | 115 228 246 | ||
| Прибыль после налогообложения | 307 275 | 92 182 597 | ||
| Поток наличности | 329 891 | 98 967 263 | ||
| Окупаемость, дней | 375 | |||
| Окупаемость, лет | 1,25 | 1,25 | ||
| Рентабельность инвестиций, %/год | 80% | |||
| Доход с 1 т угля, долл/т | 115 |
ПЕРЕРАБОТКА ШУНГИТА. Республика Карелия располагает запасами шунгита, которые оцениваются в 1 млрд. тонн при средней теплотворной способности 4000 ккал/кг. Это выше, чем теплота сгорания прибалтийских сланцев. В регионе имеются значительные запасы металлических руд, пригодных для извлечения цветных и редких металлов. Известный интерес к строительству металлургических предприятий проявляют иностранные инвесторы. Реализации намерений препятствует нехватка энергоресурсов в Карелии, 50% потребности в энергии удовлетворяется за счет импортного топлива. Эта проблема может быть решена путем вовлечения шунгитов в энергетический баланс при строительстве электростанций на основе шунгита. Со времен Петра Великого до сих пор не найдено технологий, позволяющих использовать шунгит в качестве энергетического топлива из-за высокой зольности сырья, летучести состава, легкоплавкости золы и практического отсутствия летучих веществ в горючей массе. С момента открытия шунгитов были проведены промышленные эксперименты по использованию их в качестве котельного топлива и сырья для производства синтез-газа, но все они оказались безуспешными, проводились без учета природных особенностей шунгитов.
Горение шунгитов в топках паровых котлов сопровождалось образованием золовых расплавов с образованием агломератов, препятствующих распределению продуваемого воздуха и нарушающих процесс горения. Чтобы раздробить их, требовался ручной труд. Попытки переработки шунгитов в газогенераторах для получения синтез-газа также не увенчались успехом по следующим причинам:
— для работы газогенератора требуется кусковой материал размером 25-125 мм, но кусковой шунгит в зоне сушки и в зоне газификации разрушается с образованием мелких частиц из-за высоких температур. Это приводит к образованию сводов и нарушению движения материала;
— в зоне горения, как и в котлах, происходило образование зольного расплава, что приводило к слипанию и остановке движения твердой фазы.
Использование шунгита в качестве энергетического топлива может быть достигнуто с помощью технологии УТТ, в которой шунгит нагревают до температуры его воспламенения путем смешивания с горячей золой и самоизмельчения, затем смесь частично сжигают и подвергают газификации в присутствии водяного пара с образованием золы и синтез-газа. Синтез-газ сжигается в котлах или используется для производства метанола и пластиков. Для организации производства требуются опытно-конструкторские работы. Срок строительства-~2 года. Капитальные затраты на электростанцию с одним энергоблоком УТТ мощностью 1 млн. тонн в год составят 130-150 млн. долларов. При теплотворной способности шунгита 4000 ккал / кг мощность электростанции достигнет 200 МВт.
ПЕРЕРАБОТКА ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ. Техногенные месторождения твердых бытовых и промышленных отходов имеют элементный состав, сходный с составом горючих сланцев, например,прибалтийского:
Таблица 2 — Элементный состав горючих сланцев и твердых бытовых отходов, %% показан в таблице ниже:
| C | H | O | N | S | Cl | Вода | Зольность | |
| Нефтяной сланец | 26.6 | 4.9 | 10.7 | 0.55 | 0.065 | 0.065 | 4.92 | 52.2 |
| Твердые бытовые отходы | 34.7 | 6.4 | 14.0 | 0.8 | 0.1 | 0.1 | 5.0 | 38.9 |
Добавление активированной извести СаО в твердые коммунальные отходы в пропорции 10% для связывания и нейтрализации вредных примесей серы и хлора делает составы сланцев и отходов еще более близкими.
Использование установок УТТ для их переработки, помимо успешного решения экологической проблемы, имеет ряд преимуществ по сравнению с сортировкой и сжиганием бытовых отходов на полигонах ТБО:
— Нет необходимости в предварительной сортировке мусора, за исключением отделения металлов. Это позволяет избежать тяжелого ручного труда и снижает эксплуатационные расходы. Вместо ручного отбора проб вторичных пластмасс технология позволяет производить промышленные пластмассы через переработку синтез-газа;
— Технология УТТ позволяет работать по приему и утилизации отходов практически «с колес», то есть без большого склада на площадке. Свалки отходов вызывают массовое загрязнение земной поверхности и отравление атмосферы, опасны для людей;
— Переработка твердых бытовых отходов по этой технологии дает реальную прибыль за счет реализации продукции и, соответственно, будет самоокупаемой;
— В установках УТТ вместе с отходами могут перерабатываться промышленные отходы нефтяной, сланцевой и угольной промышленности, накопленные в отработанных карьерах и шламонакопителях в предыдущие годы. Таким образом, можно рекультивировать землю, занятую отходами;
— Используя технологию УТТ, можно перерабатывать твердые бытовые отходы, накопленные на полигонах за прошедшие годы эксплуатации, в том числе ранее закрытые;
— В отличие от технологий сжигания, установки УТТ при пиролизе сырья не образуют такого опасного продукта, как хлордиоксин (тетрахлордибензодиоксин), поэтому стоимость их строительства на порядок ниже стоимости мусоросжигательных установок.
— Зола твердых бытовых отходов, особенно в старых свалках 1960-1980 гг, содержит большое количество редких металлов, которые могут извлекаться при плавке золы с использованием собственной электроэнергии.
Ожидаемые экономические показатели: удельные капитальные вложения 12 тыс. руб. на 1 т ТБО в год против 30-170 тыс. руб. на технологию сжигания. Доход от переработки 1 тонны твердых бытовых отходов составит 2400 рублей против убытка до 1200 рублей при сжигании или хранении с сортировкой. При использовании УТТ продукция, получаемая из каждой тонны неочищенных твердых отходов: 60-100 кг нефти, 650 кВт-ч электроэнергии, 20-30 кг черных и цветных металлов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Наличие отработанной и эффективной технологии переработки позволяет вовлекать низкосортные ископаемые природных и техногенных месторождений в торговый баланс промышленности с высоким социально-экономическим эффектом. С переходом нашей страны на «зеленую экономику» назревает острый вопрос необходимости развития углехимии, которая может обеспечить качественное изменение потребительских свойств продукции и, соответственно, увеличить ее рыночную цену, а самое главное – позволит выйти за пределы рынка энергетического угля. Для каждого вида органического сырья необходимо проведение анализа сырьевой базы, исследования образцов, разработка технологической схемы производства, материально-тепловых балансов производства, грубых экономических оценок и обоснования инвестиций, на основании которых владельцы месторождений принимают решения о дальнейшем инвестировании и строительстве энерготехнологических и углехимических предприятий.
