Способно ли сланцевое топливо заменить традиционные углеводородные горючие

В последнее время во многих средствах массовой информации активно обсуждается вопрос широкого использования альтернативного нефтяному горючему сланцевого топлива.

Наибольший интерес к этой проблеме, как правило, проявляется в странах, не обладающих запасами традиционных углеводородов. Очевидно, что интерес к сланцевому топливу вполне обоснован, поскольку разведанные запасы сланцевого сырья на Земле значительно превышают разведанные запасы традиционных углеводородных энергоносителей.

Так способно ли на самом деле сланцевое топливо в полной мере заменить на практике традиционно используемые углеводороды?

Интерес к сланцевому топливу обусловлен не только неравномерным распределением запасов традиционных энергоносителей на планете и быстрым истощением их источников, но и большим количеством разведанных общих запасов горючих сланцев в недрах Земли. По оценкам специалистов, суммарные запасы горючих сланцев на планете оцениваются в 650 триллионов тонн, из которых можно произвести до 26 триллионов тонн сланцевой нефти, что более чем в тринадцать раз превышает количество разведанных запасов нефти. Такого количества запасов сланцевого топлива может хватить приблизительно на триста лет непрерывного использования.



Что такое сланцевое топливо

Сланцевое топливо представляет собой углеводородное горючее, произведенное из сырья органического происхождения – в основном, как правило, из продуктов преобразования остатков растительных организмов. Как и традиционные углеводороды, сланцевое топливо бывает газо­образным, жидким и твердым.

Сланцевый газ, состоящий главным образом из метана, – это газообразное вещество, добываемое из горючих сланцев. Сланцевый газ содержится в недрах Земли в небольших количествах, поэтому для его получения в промышленных объемах требуется вскрытие огромных по площади территорий. В средствах массовой информации имеется довольно много объективных публикаций о сланцевом газе, в связи с чем целесообразнее рассмотреть жидкое сланцевое топливо – продукт переработки сланцевой нефти.

Под сланцевой нефтью принято понимать нетрадиционную нефть, содержащуюся в пластах породы с низкой плотностью и проницаемостью. В зарубежной печати понятие «сланцевая нефть» зачастую отождествляется с понятием «горючие сланцы», что вызвано отсутствием в английском языке отдельного термина, раскрывающего понятие «сланцевая нефть».

Наибольший интерес для энергетических установок, по мнению авторов, представляет сланцевый мазут (или сланцевое масло), полученный в процессе сухой перегонки сланцевой нефти.

Сланцевый мазут – это неоднородная по объему горючая жидкость, представляющая собой смесь высокомолекулярных углеводородных соединений, близких по своему химическому составу и структуре к традиционной нефти. Как правило, сланцевый мазут представлен смолистыми веществами – продуктами термической переработки горючих сланцев методом полукоксования. Сланцевый мазут является отбензиненной остаточной фракцией смолистых соединений, получаемых в процессе термической переработки горючих сланцев в газогенераторах, камерных и тоннельных печах.

Основу органической части сланцевого мазута составляет кероген (природный битум, относящийся к нетрадиционной нефти), количество которого может варьироваться от 10 процентов (низкокачественный продукт) до 70 процентов (высококачественный продукт).

Сланцевый мазут (или масло) обладает промежуточными между флотским мазутом Ф-5 (ГОСТ 10585 99) и моторным топливом (ГОСТ 1667 68) физико-химическими свойствами.



Схожесть и различия мазутов

Сланцевые и топочные мазуты – это виды углеводородных топлив, полученные путем переработки естественного углеводородного сырья, добытого из природных источников. В присутствии окислителя сланцевые и топочные мазуты способны гореть и поддерживать процесс горения, выделяя значительное количество тепловой энергии. Эти мазуты хорошо смешиваются между собой в любой пропорции. Продукты сгорания указанных мазутов практически одинаковые, хотя и с различными качественно-количественными показателями. Они представлены газообразными, жидкими и твердыми химическими соединениями, веществами и элементами.

В то же время сланцевые и топочные мазуты – это совершенно разные виды углеводородного горючего, обладающие различными свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Так, плотность легких фракций сланцевого мазута соответствует плотности топочного мазута М-100 с температурой 95 °С, а плотность его тяжелых фракций – плотности мазута М-100 с температурой 0 °С. В то же время вязкость сланцевого мазута при температуре 80 °С соответствует вязкости мазута М-100 при температуре 100 °С.

Нефтяные мазуты состоят в основном из углеводородных соединений и включают незначительную долю кислородсодержащих веществ. Сланцевые мазуты, в свою очередь, также включающие углеводороды, содержат большее количество кислородсодержащих соединений, именно поэтому теплотворная способность сланцевого мазута значительно ниже аналогичного показателя топочных мазутов, на сжигание которых требуется большее количество кислорода воздуха, нежели количество воздуха, потребного на горение сланцевого горючего.

Влагосодержание топочных и сланцевых мазутов приблизительно одно и то же – не более 5 процентов и 3 5 процентов, соответственно. При этом, в отличие от топочных мазутов, сланцевые мазуты не увеличивают свою влажность (например, в процессе подготовки к сжиганию), поскольку не требуют нагрева острым паром в расходных емкостях перед использованием.

Большим преимуществом дистиллятного сланцевого мазута является низкая температура его застывания, меньшая коксуемость, а также низкое содержание механических примесей и золы. В то же время существенным недостатком сланцевых мазутов является их относительно высокая коррозионная активность, вызванная повышенным по сравнению с традиционным топливом содержанием кислорода.

Вескими причинами, тормозящими широкое использование сланцевого мазута, является его относительно высокая стоимость (в настоящее время – более чем в два раза больше стоимости традиционного мазута) и экологически небезопасная для природной окружающей среды технология добычи горючих сланцев.



Влияние на топливоподготовку

Известно, что характеристики топлива оказывают существенное влияние на процессы его подготовки и использования по прямому назначению. Так, низкое содержание в дистиллятном сланцевом мазуте механических примесей позитивно отражается на работе форсунок и топливной аппаратуры.

Значительно более низкая коксуемость сланцевого мазута снижает закоксование форсунок при охлаждении элементов топливной системы после вывода энергетической установки из действия. Эти положительные свойства сланцевого мазута, в свою очередь, приводят к сокращению тяжелых и трудоемких работ в процессе эксплуатации топливосжигающей установки на сланцевом мазуте.

В то же время повышенная плотность сланцевого мазута затрудняет отстаивание воды из него при хранении и увеличивает расход электроэнергии, потребляемой топливными насосами на свою работу. Низкая вязкость, с одной стороны, улучшает транспортировку, слив и перекачку данного вида топлива и не требует его подогрева, а с другой – способствует повышению количества протечек сланцевого топлива через неплотности топливной системы и ее элементов. Пониженная теплотворная способность сланцевого мазута увеличивает его расход на топливосжигающую установку для получения того же количества тепловой энергии, что и при сжигании топочных мазутов. Преобладание кислородных соединений в сланцевом мазуте снижает коэффициент избытка воздуха и одновременно улучшает условия протекания кислородной коррозии элементов топливной системы и газового тракта.



Практика использования

В июне 2003 года авторами была обследована Котельная № 24 города Сланцы Ленинградской области. Целью обследования явилась оценка эффективности использования сланцевого мазута в качестве котельного топлива для котлоагрегатов ЭР-2,5 (3 шт.) и НР18 (3 шт.).

В результате обследования было установлено, что:

∙ котлоагрегаты и элементы их топливной системы разработаны для использования высоковязкого топочного мазута М-100 (ГОСТ 10585 99), однако работают на сланцевом мазуте С-1 (TУ 38.10957 80) с влагосодержанием не более 3 процентов;

∙ сланцевый мазут в запасной и расходной топливных емкостях содержит воду, неравномерно расположенную слоями между легкими и тяжелыми фракциями во взвешенном состоянии в виде водяных линз и пробок по всему объему котельного топлива;

∙ при работе топливной системы через сальники топливоподающих насосов ПН 1,6/16 (для котлов ЭР-2,5) и ВК 10/20 (для котлов НР18) и неплотности элементов топливной системы наблюдаются повышенные протечки сланцевого мазута;

∙ применение нефтяных насосов ПН 1,6/16 и ВК 10/20 для перекачки сланцевого мазута приводят к перерасходу электроэнергии, что увеличивает стоимость вырабатываемой тепловой энергии.

Неравномерное распределение воды в объеме хранящегося сланцевого мазута вызвано его неоднородностью и плотностью. Эти обстоятельства затрудняют отстаивание воды из сланцевого мазута при его хранении и способствуют подаче на сжигание топлива с переменной влажностью, что является причиной срыва факела и прекращения горения в котле из за попадания воды в топку.

Повышенные протечки сланцевого мазута через неплотности элементов топливной системы связаны с низкой вязкостью перекачиваемого сланцевого мазута, а перерасход электроэнергии топливными насосами – с переменной плотностью и неравномерным распределением воды.

В целом процесс горения сланцевого мазута аналогичен процессу горения топочного мазута, однако в уходящих котельных газах сланцевого мазута наблюдается меньшее количество экологически опасных веществ, элементов и соединений, что свидетельствует о более полном качественном процессе сгорании сланцевого мазута.

По результатам обследования были сделаны следующие выводы:

∙ сланцевый мазут является одним из видов углеводородного топлива;

∙ сланцевый мазут имеет свои специфические, отличные от аналогичных свойств традиционно применяемых нефтяных горючих свойства, которые следует обязательно учитывать при проектировании и модернизации техники, а также в процессе эксплуатации;

∙ использование сланцевого мазута в котельных установках, предназначенных для сжигания топочных мазутов, значительно снижает эффективность функционирования установок;

∙ экологическая чистота сланцевого мазута выше аналогичного критерия нефтяных горючих;

∙ по сравнению с традиционными мазутами сланцевые мазуты более взрывопожароопасны.

Повысить эффективность использования сланцевого мазута можно путем реализации как минимум двух направлений, а именно:

1) ввода в существующий (традиционный) цикл топливоподготовки новых технологических процессов, например процесса струйно-кавитационной обработки, усредняющего состав и равномерно распределяющего воду по всему объему сланцевого топлива;

2) разработки и создания топливосжигающих комплексов, способных эффективно сжигать сланцевые мазуты.



Как использовать?

Очевидно, что широкое внедрение и эффективное использование сланцевого мазута возможно лишь в топливосжигающих установках, разработанных с учетом всех особенностей этого вида углеводородного топлива.

По мнению авторов, в котельном оборудовании для использования сланцевого мазута целесообразно:

1) применять более развитые поверхности нагрева;

2) разработать новый топливный распылитель для форсунок и горелок или специальный распылитель сланцевого топлива;

3) использовать топливные насосы, рассчитанные на перекачку сланцевого мазута, с повышенным расходом или давлением, а также исключающие протечки перекачиваемой среды;

4) использовать вентиляторы или турбонаддувочные агрегаты с пониженной производительностью по воздуху;

5) изготавливать элементы газо-воздушного тракта и топливной системы из антикоррозийных конструкционных материалов;

6) применять сепараторы топлива для удаления воды из сланцевого мазута или специальные устройства в составе топливной системы для усреднения воды в сланцевом мазуте;

7) сжигать сланцевое горючее в составе топливных смесей с оптимальным количеством традиционного и сланцевого топлив.

В то же время в котельном оборудовании, предназначенном для использования сланцевого мазута, будут отсутствовать подогреватели топлива, а следовательно, и затраты дополнительной энергии на реализацию технологического процесса подогрева топлива.

Для внедрения и широкого использования сланцевого мазута в дизельных и газотурбинных установках потребуется как минимум адаптация топливной аппаратуры и системы подачи воздуха к физико-химическим характеристикам и составу сжигаемого в них топлива и др.



Выводы

Сланцевые энергоносители способны в полной мере заменить традиционные виды нефтяных топлив, однако основным условием такой замены является не только уменьшение себестоимости добычи и производства сланцевых горючих, но и адаптация топливосжигающих установок и обслуживающих их систем к этому виду топлива.

Несомненно, что широкое использование сланцевых топлив даст новый импульс к дальнейшему совершенствованию топливосжигающих установок в целом, обслуживающих их систем и конструкционных материалов.

К. т. н. Игорь ДУБРОВИН, к. т. н. Евгений ДУБРОВИН