Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Викопне вугілля має широкий діапазон генетичних, технологічних властивостей і якостей, які дозволяють використовувати його не тільки як паливо, але і як технологічну сировину.

Приблизно 25% вугілля, яке постачається споживачам, використовують для технологічних цілей на підприємствах, де воно переробляється чи застосовується як сировина. При цьому основна частина вугілля йде на виробництво коксу. Решта вугілля витрачається на енергетичні цілі. Більше половини вугілля, що направляється на енергетичні цілі, використовується на теплових електростанціях, значна частина – для комунальнопобутових потреб, менша – в промислових і районних котельнях. Інша частина енергетичного вугілля йде на потреби сільського господарства, виробництва будівельних матеріалів тощо.

Використання вугілля для технологічних цілей. Низькотемпературні методи хімічної переробки застосовують для бурого вугілля, органічна маса якого малою мірою полімеризована і складається по суті із слабко зв'язаних один з одним аліфатичних та ароматичних молекулярних фрагментів, які легко видобуваються шляхом екстракції. Так, екстракцією органічними розчинниками (бензин і бензоли) видобувають бітуми – суміш восків, парафінів, масел, асфальтенів та смоли. Найбільш цінна частина екстракту – гірничий, чи монтан-віск, який широко використовується в машинобудуванні для точного лиття, при виробництві пластмас, в побутовій хімії, паперовій та текстильній промисловості. Екстракцією водяним розчином їдкого натру з подальшим осадженням розчином сірчаної  кислоти одержують гумінові кислоти, які застосовуються в акумуляторній промисловості, під час буріння нафтогазових свердловин, в сільському господарстві як регулятори росту і розвитку рослин.

У діапазоні температур 350–500°С органічна речовина вугілля (крім інертинітної компоненти) виявляє здібність до термічного розчинення (зрідження) та гідрогенізації. Термічному розчиненню у вуглеводневих розчинах піддають подрібнене вугілля при тиску до 5 МПа, при цьому його аліфатична частина видобувається у вигляді бензинової, а ароматична – у вигляді бензольної фракції. У присутності водню чи його донорів, сірчаностійких каталізаторів та при тиску 30–70 МПа відбувається процес гідрування термічно розчиненої речовини, при цьому ароматичні структури розкладаються до аліфатичних, а вихід бензинової фракції перевищує 55% маси органічної частини вугілля.

Цей спосіб отримання синтетичного рідкого палива з вугілля, незважаючи на складність і відносну дорожнечу, широко застосовувався в Німеччині та ПАР в період ембарго на поставки нафтопродуктів.

При нагріванні вугілля без доступу повітря до 500–600°С відбувається його напівкоксування – термічне розкладання (піроліз) органічної частини з відщепленням і виходом у вигляді газота пароподібних летких речовин приєднаних груп, аліфатичних та легких ароматичних молекулярних фрагментів. При цьому основними є рідкі продукти напівкоксування – суміш масел і смоли, які широко використовуються в хімічній та інших галузях промисловості, а також як замінник котельного палива. Газ напівкоксування, в який в основному переходить сірка вугілля, найчастіше спалюють для нагріву вугільної маси. Твердий залишок застосовують як бездимне, знесірчене паливо з високим вмістом вуглецю. Найбільший вихід цільових (рідких) продуктів напівкоксування мають буре та сапропелітове вугілля, а також сланці (крім менілітових).

У 1735 р. інженером-металургом Кольбрукделом Авраамом Дербі була вирішена проблема заміни у доменному виробництві деревного вугілля кам'яновугільним коксом. Цей метод з 1775 р. почав широко впроваджуватися у промисловості при виплавці чавуну.

Якщо напівкоксування вугілля відбувається в атмосфері водяного пару, у твердого залишку істотно розвивається пориста структура (питома поверхня пор досягає300–800 м 2/г). Такий твердий залишок, який називають активованим вугіллям, має високу вбираючу (адсорбційну) здатність.

Якщо на початку ХХ століття активоване вугілля вироблялося головним чином з деревини, кокосового копру, плодових кісточок та іншої рослинної сировини і використовувалось в протигазах, при очистці цукру та алкоголю, у медицині, то в середині століття розширені потреби промисловості обумовили широке застосування технічного активованого вугілля з твердого залишку напівкоксування викопного вугілля.

Шляхом часткового окислення поверхні активованого вугілля, просочення хімічно активними речовинами чи нанесення мікрокількості каталізатора можна створювати вибіркові поглиначі, іоноі електронно/обмінники, високоактивні каталізатори. Так, в сучасній промисловості знесолення технічної води, очистка стічних вод, видалення та уловлювання мікродомішок та багато інших процесів організовані завдяки великотоннажному виробництву активованого вугілля із заздалегідь заданими властивостями. Одним з найважливіших процесів переробки вугілля є коксування, яке проводиться без доступу повітря при температурах до 900°С і вище. Його цільовим продуктом є металургійний кокс – спечений звуглецьований і знесірчений залишок. Побічним продуктом коксування є кам'яновугільні смоли, масла, сирий бензол, які покривають чверть сучасної світової потреби в ароматичних вуглеводнях. Газ коксування часто спалюють для нагріву коксових печей, але він також може служити сировиною для одержання аміаку та інших цінних продуктів.

Виробництво цементу. Цемент являє собою тонкоподрібнену суміш клінкеру з різними активними (доменний шлак, гіпс) та інертними (вапняк, пісок) добавками. Клінкер – продукт спікання вугілля із сировинною шихтою, яка складається із вапняково-магнезіальних і глинистих порід, збагачених оксидом заліза. Клінкер одержують випалюванням шихти в обертових печах при температурі 1450°С.

Випал вапняку здійснюють при температурі 1000–1200°С в шахтно-пересипних, кільцевих і шахтних печах з виносними напівгазовими топками. Для випалу вапна в шахтних печах з виносними напівгазовими топками використовують сортове слабоспікливе кам'яне та буре вугілля з невеликим вмістом дрібняку.

Виробництво порошкоподібних вуглелужних реагентів. Ці реагенти застосовують при бурінні свердловин для видобутку рідкого та газоподібного палива та свердловин великого діаметру при проходці шахтних стволів. Для виробництва реагентів використовують молоде буре вугілля.

Спікання глинозему проводиться в обертових печах. Для спікання використовують кам'яне та буре вугілля крупністю до 300 мм.

14 листопада 1795 року вийшов царський указ «Об устроении литейного завода в Донецком уезде при реке Лугани и об учреждении ломки найденного в той стране каменного угля». Перед призначенням на посаду директора цього заводу англійцю Гаскойну були поставлено два головних завдання: освоїти на заводі виробництво чавуну на мінеральному паливі з місцевої залізної руди та організувати видобуток вугілля. Друге завдання передбачало видобуток вугілля для широкого використання його замість дров з метою запобігання винищенню лісів.

Про це своє завдання Гаскойн писав: «Прииск каменного угля и добыча оного на меня возложена, яко главнейшие поручения, с тем намерением, чтобы оным на кораблях Черноморского флота; в крепостях и даже во всем том крае заменить употребление дров, а леса, кои там весьма недостаточны, от совершенного истребления сохранить... За сим мне было поручено стараться открыть уголь в таких местах, откуда бы на судах оный доставлять в Черноморские порты и в разные места тамошних губерний».

Відсутність досвіду у використанні вугілля, непристосованість печей і огнищ до спалювання мінерального палива, багатовікова традиція застосовування дров, специфічний запах від згоряння вугілля перешкоджали розповсюдженню нового виду палива в Росії. З метою розширення використання вугілля у виробництві та побуті, а також для навчання використанню нового виду палива перший керівник російської вугільної промисловості М.О. Львов у 1799 р. опублікував працю «Про користь і використання російського земляного вугілля». М.О. Львов намагався показати в книзі вигоди від використання вітчизняного вугілля і його безпечність. Великий інтерес становлять міркування автора, що стосуються виробництва коксу та виготовлення вугільних брикетів.

Сульфовугілля отримують в результаті спеціальної обробки. Застосовується воно у водоочисних установках електростанцій, міських водопровідних станцій і для спеціальних виробництв. Для одержання сульфовугілля використовують донецьке вугілля марок К і ОС.

Ковальські роботи. Для ковальських робіт придатне спікливе вугілля марок Ж і К з невеликими зольністю та масовою часткою сірки, а також антрацит крупністю більше 13 мм, який має високу термостійкість та механічну міцність.

Виробництво карбіду кальцію, карбіду кремнію, електрокорунду. Карбід кальцію одержують в електропечах сплавленням шихти з антрациту і вапна. Використовується він з метою одержання ацетиленового газу для зварювальних робіт, а також для виробництва гуми. Карбід кремнію виробляють в електропечах шляхом плавлення спеціальної шихти з доданням антрациту. Застосовують для виготовлення особливо твердих абразивних виробів та інструментів. Електрокорунд отримують плавкою глинозему з антрацитом в електропечах. Застосовують як абразивний і вогнетривкий матеріал, а також для виготовлення ливарних форм, стержнів тощо.

Термоантрацит одержують термічною обробкою крупних класів антрациту з мінімальними зольністю, масовою часткою сірки, фосфору, виходу летких речовин. Використовується для виробництва електродів і в ливарному виробництві.

Ливарне виробництво. Для ливарного виробництва, окрім коксу і термоантрациту, застосовується і натуральний крупний антрацит, який має підвищену механічну міцність і термічну стійкість, із щільною структурою без породних прошарків, з невисокими зольністю і масовою часткою сірки.

Агломерація (згрудкування) руди проводиться шляхом спікання дрібних класів руди в суміші з антрацитовим штибом, пісним вугіллям, дрібними фракціями коксу.

Заповнення фільтрів. Для заповнення механічних фільтрів водоочистки на теплових електростанціях та міських водопровідних станціях застосовують антрацитове кришиво з розміром частинок від 0,8 до 2 мм, зольністю до 10% і масовою часткою сірки до 2%. Антрацит, з якого готується кришиво, повинен мати високу механічну міцність.

Енергетичне використання вугілля. Найбільш давнім і розповсюдженим є використання вугілля як палива для спалювання. У теперішний час до 50% електроенергії в Україні виробляється на теплових електростанціях, абсолютна більшість енергоблоків яких спалюють енергетичне (некоксівне) кам'яне вугілля і антрацити. Спалювання вугілля пов'язане із здатністю вуглецю і водню, які входять до складу вугілля, реагувати з киснем до СО2 з виділенням теплоти. Умовою початку горіння є нагрівання вугільної частинки до температури займання, за якої швидкість тепловиділення за рахунок реакцій окислення перевищить швидкість відводу тепла від частинки в оточуюче середовище. При нагріванні частинок спочатку виходять і запалюються леткі речовини, а потім твердий звуглецьований залишок, горіння якого є основною стадією. Швидкість горіння вугільних частинок збільшується з підвищенням температури і тиску, зменшенням розміру (збільшенням питомої поверхні) частинок та із зниженням ступеня метаморфізму вугілля.

У теорії горіння встановлено, що, оскільки атоми вуглецю в карбонізованій структурі міцно пов'язані, вуглець реагує з газами (О2, СО2, Н2) головним чином шляхом хемосорбції (хімічного приєднання) дисоційованого кисню до активних центрів, з подальшим відривом СО-комплексів від решітки у вигляді газоподібного СО і з утворенням нового активного центру. Цими активними центрами вважаються атоми вуглецю з вільними чи ослабленими зв'язками. Саме такими зв'язками характеризуються атоми вуглецю в тих місцях молекулярної структури, від яких відщепилися групи, що утворили леткі. Тому для гумусосапропелітового вугілля, в якого вихід летких монотонно зменшується зі збільшенням ступеня метаморфізму, відповідно знижується концентрація активних центрів і реакційна здатність твердого вуглецевого залишку.

Спільний розгляд питань техніки і технології видобутку вугілля та областей його використання став фундаментальною основою подальшого розвитку способів підготовки вугілля до застосування, який вимагав дослідження вугілля і процесів його облагороджування стосовно різних видів застосування.

Світовий досвід підготовки вугілля до використання для побутових потреб, морського флоту та інших цілей визначив необхідність виробництва сортового палива із заданими розмірами його кусків. Особливо це стосувалося донецьких антрацитів та малозольного і малозернистого паровично-масного вугілля, що використовувались у топках судів морського флоту, як військового, так і торговельного. Це зумовило інтенсивне оснащення шахтної поверхні спорудами для поділу рядового вугілля на сорти різного розміру, а також ручного збагачення крупних класів (більше 25 мм), в тому числі і вугілля, що використовувалося у рядовому виді.

Остання чверть XVIII й XIX ст. характеризуються швидким розвитком продуктивних сил Росії. Індустріалізація Росії у цей час пов'язана з інтенсивним розвитком металургії, що визначило підвищену потребу в паливі, котре в той період було представлене дровами і деревним вугіллям.

Дефіцит палива викликав необхідність імпорту дорогого кам'яного вугілля з Англії.

У процесі горіння, крім складових С, Н, О, беруть участь азот і сірка вугілля (органічна і піритна) з утворенням шкідливих викидів – оксидів азоту і сірки, що вимагає спеціальних заходів для зниження їх вмісту в димових газах. Мінеральна частина також піддається ряду перетворень, наприклад, сульфати втрачають кристалізаційну воду, сульфіди заліза окислюються з утворенням SO2 і оксиду заліза (III), оксид заліза (II) переходить в оксид заліза  (III), карбонати розкладаються з виділенням СО2 і утворенням оксида металу. Більшість цих перетворень, крім останнього, не приводить до істотних змін маси золи (негорючого залишку) в порівнянні з вихідною мінеральною масою. Розкладання ж карбонатів необхідно враховувати при розрахунку матеріального балансу горіння. Крім того, з метою забезпечення золовидалення, яке ускладнене в інтервалі температур між tA і tC, необхідно враховувати температури плавкості золи при організації процесу горіння.

Газифікацією називають процес реагування вугілля з СО2 і Н2О з утворенням горючих газів СО і Н2. Процес газифікації супроводжується поглинанням теплоти. Часто як джерело теплоти для газифікації використовують неповне горіння самого вугілля. Питома швидкість газифікації в 1000 разів і більше нижче питомої швидкості горіння, а підвищення її пов'язане з тими ж факторами, що й у випадку швидкості горіння.

До недавнього часу вважалося, що газифікація найбільш пристосована для виробництва світильного газу (замінника природного газу), а також СО і Н2 як сировини для подальшого органічного синтезу. Так, воююча Німеччина і ПАР левову частку своїх потреб в бензині покривали за рахунок газифікації вугілля з подальшим синтезом Фішера–Тропша. У СРСР у 50-ті роки минулого століття також були розповсюджені вугільні газогенератори, в тому числі й ті, що виробляли газ для двигунів внутрішнього згоряння. Однак таке застосування газифікації було пов'язане з низьким ККД використання вугілля, технічними і екологічними труднощами.

Друге народження газифікації відбулося в енергетиці. Відносно недавно були розроблені комбіновані парогазові установки (ПГУ) з внутрішньоцикловою газифікацією вугілля під тиском, які відрізняються від парових установок з традиційним спалюванням вугілля підвищеним ККД і екологічною чистотою. Широке впровадження ПГУ на вугіллі можливе вже в найближчі 10–20 років.

В результаті промислової революції XVIII ст. була розроблена парова машина Уайта, що дозволило розміщувати підприємства поблизу джерел сировини і ринків збуту, а не тільки на берегах великих водоймищ, що використовувалися як джерело енергії.

Зола від спалювання вугілля в різних модифікаціях киплячого шару, куди додається вапняк для уловлювання оксидів сірки, вміщує до 10–20% гіпсу та залишкового оксиду кальцію, що обумовлює її підвищені зв'язувальні властивості. Для виготовлення виробів з такої золи потрібна домішка цементу не більше 5%.

На деяких вугільних електростанціях Європи та США відсутні золовідвали, оскільки вся вироблена зола реалізується в промисловості будматеріалів та в шляховому будівництві.

Проблеми утилізації золи. При спалюванні вугілля зола утворюється у вигляді оплавленого (засклованого) шлаку і сухої золи (винос). Шлак більш хімічно інертний і в зв'язку з цим знаходить відносно широке застосування (шлакобетони). Однак використання шлакобетонних виробів обмежене їх дещо підвищеною радіоактивністю. Складність зберігання сухої золи обумовлена її дрібнодисперсністю, яка викликає пилення, і наявністю окисів лужних металів, реагуючих з водою до лугів, попадання яких в грунтові води неприпустиме. Золи, які містять розкладений вапняк, що додається для зв'язування сірки, при взаємодії з водою утворюють вапно і спучуються.

Крім перелічених макрокомпонентів, мінеральна частина вугілля містить германій, уран, молібден, реній, вольфрам, срібло, селен, галій, ванадій, а також такі екологічно небезпечні речовини, як ртуть, миш'як, берилій, фтор, хлор, фосфор, селен. У широкому сенсі проблема утилізації золи зводиться до розробки ланцюжків енерготехнологічних процесів, в яких би цінні неорганічні елементи видобувалися, а шкідливі уловлювались до попадання в атмосферу, міцно зв'язувалися в нерозчинних сполуках та захоронювалися. Для ряду елементів (добування германію із шлаку електростанцій, використання вміщуючих кальцій відходів у  цементній промисловості) вказані ланцюжки організовані, але в цілому проблема ефективного використання та безпечної утилізації золи з уловлюванням шкідливих викидів ще очікує технічного вирішення.

Перспективи розвитку методів комплексної переробки вугілля на основі знання його хімічного складу та фізичних властивостей. У результаті опису хімічного складу та фізичних властивостей вугілля можна зробити висновок, що існуючі методи використання вугілля не дозволяють в повному обсязі реалізувати його сировинний і енергетичний потенціал. Так, в Україні недостатньо застосовуються методи екстракції, напівкоксування, гідрогенізації, хоча буре вугілля Дніпровського басейну є для цього прекрасною сировинною базою. Розвиток методів низькотемпературного спалювання дозволив би утилізувати найбагатші, невикористані у теперішній час поклади засоленого вугілля марки Д Західного Донбасу. У випадку розробки та впровадження технологій спалювання вугілля з підвищеною зольністю, наприклад в циркулюючому киплячому шарі (ЦКШ), вдалось би істотно знизити втрати горючої маси вугілля при збагаченні та утилізувати залишковий вуглець, накопичений у відходах збагачувальних фабрик в кількості десятків мільйонів тонн. Раціональне використання золи і шлаку електростанцій дало б можливість вирішити проблему сировинної бази при одержанні алюмінію, урану, германію, кремнію та інших цінних елементів.

Однією з найбільш перспективних є ідея комплексної енерготехнологічної переробки вугілля. Суть її полягає в тому, щоб вугілля перед спалюванням піддавалось попередньому піролізу з отриманням газоподібного, рідкого палива та хімічної сировини.

Якщо ХIХ століття називали «століттям вугілля», ХХ – «століттям нафти», то з урахуванням швидкого вичерпування нафтових і газових запасів і екологічних проблем ядерної енергетики ХХI століття доречно назвати століттям «раціонального використання органічного палива», в першу чергу – вугілля.