Актуальность внедрения новых экологически чистых и экономически выгодных технологий использования углей

Выделены направления снижения негативного влияния деятельности угольной промышленности на окружающую среду. Определен круг факторов отрицательного воздействия предприятий по добыче угля на окружающую среду. Предложена схема образования углеотходов при подземной разработке углей. Обоснован комплекс организационно-технических мероприятий по охране окружающей среды в угольной промышленности. Особое внимание уделено вопросам рационального использования земельных ресурсов, сформулированы принципы системы менендмента качества, адаптированной к рекультивации земель. 

Повышение доли угля в топливном балансе электростанций

Сегодня проблема обеспечения энергией — одна из важнейших в развитии мировой и казахстан­ской экономики. Как показывает практика, добыча нефти и газа становится все более дорогой, да и потребление этих продуктов, особенно нефти, целесообразнее в химической переработке. Добыча нефти и газа все время усложняется, ведет к росту цен, включая различного рода конъюнктурные и политические соображения.

Между прочим тенденция удорожания добычи характерна и для других видов топлива. В этой связи оптимальная стратегия использования в мировом энергетическом балансе различных энергоно­сителей представляется следующим образом:

а) стабилизация, а затем снижение уровня добычи нефти во второй половине XXI столетия;

б) последующее сокращение участия природного газа в мировом энергетическом балансе;

в)  сохранение роли угля в мировом энергопотреблении до 2025 г. и увеличение его добычи для получения синтетического жидкого и газообразного топлива;

г)  постепенный рост ядерной, а затем и термоядерной энергетики;

д) растущее использование возобновляемых энергоресурсов.

В ближайшие годы основными направлениями развития энергетики в мире станут теплоэнерге­тика и атомная энергетика. Причем на мировом рынке в группе углеводородного сырья наиболее бла­гоприятны перспективы угля. Его достоверные мировые запасы оцениваются в 826 млрд т [1; 21].

Несмотря на значительный рост потребности народного хозяйства Республики Казахстан в жид­ком и газообразном топливе, в перспективе уголь будет занимать одно из ведущих мест в структуре добычи топливно-энергетических ресурсов страны. Данная закономерность объясняется, с одной стороны, целесообразностью использования во все возрастающих объемах нефти и газа в химической промышленности и в качестве сырья для технологических нужд, с другой стороны, открывающимися возможностями для увеличения производства угля за счет развития открытого способа добычи. Это позволяет для нужд электростанций использовать в максимальных количествах низкосортные деше­вые угли. Вовлечение в хозяйственный оборот низкосортных видов топлива повышает экономич­ность и надежность системы теплоснабжения всего народного хозяйства Казахстана.

На сегодняшний день большая часть республиканских запасов — 31 млрд т представлена антра­цитами и каменными углями, 3 млрд т — бурыми углями. Прогнозные ресурсы, оцениваемые в 90 млрд. т, сосредоточены в 10 бассейнах, 155 месторождениях, 102 проявлениях. Наиболее крупные находятся в Карагандинском угольном бассейне (общие — 52, разведанные — 14 млрд т), в Экибас-тузском (12) и в Убаганском (Тургайском) буроугольном (лигнит, 40 млрд т) [1; 21].

В 2010 г. добыча угля в Казахстане составила 110,9 млн т. По прогнозам, добыча угля в 2015 г. достигнет 146 млн т. По объему добычи Казахстан занимает 9-е место в мире (табл. 1) [1; 21].

Добыча угля в мире за 2000–2010 годы, млн т

В угольной промышленности Казахстана действует 51 предприятие. Лидирует в добыче угля ТОО «Богатырь Аксес Комир». На эту компанию приходится более 1/3 всей добычи угля в Казахста­не. На втором месте находится АО «ЕЭК» — разрез «Восточный», на третьем — шахты угольного департамента «АрселорМиттал Темиртау» (табл. 2) [1; 21].

Крупные угледобывающие предприятия Казахстана

Ведущие угледобывающие страны увеличили объемы поставок в связи с ростом спроса и цено­вым фактором. Экспорт этого важнейшего энергоносителя растет. Казахстан занимает 8-е место в мире по экспорту угля (табл. 3) [1; 21].

Мировая торговля углем, млн т

В 2010 г. уголь поставлялся в 15 стран. Крупнейшие потребители казахстанского угля — Россия, Кыргызстан, Украина, Польша, Финляндия, Турция.

По своим свойствам и областям использования ископаемые угли разделяются на три большие группы — бурые, каменные и антрациты. В основу их выделения положен ряд параметров (табл. 4)[2; 18].

Виды ископаемого угля

На практике весьма важно определить рабочую влажность угля, которая снижает качество топ­лива. В бурых количество влаги составляет 15-60 %, в каменных — 4-15 %. Не менее важно знать содержание в угле минеральных примесей или его зольность, которая колеблется в широких преде­лах — от первых цифр до 60 %. Зольность углей Карагандинского бассейна равна 15-30 %, Экибастузского — 30-60 %. Энергетикам нужно знать не только количество золы, но и ее состав и плав­кость, что имеет большое значение для выбора режима сжигания топлива. В природе иногда встре­чаются так называемые «соленые» угли с большим содержанием хлористого натрия, который при сжигании угля оседает на стенках труб, котлов, чем доставляет энергетикам много хлопот. Такие уг­ли есть в Тургайском бассейне.

Очень вредная примесь в углях — сера. Сгорая, она образует сернистый газ — бич окружающей среды. Правда, в большинстве угольных бассейнов угли содержат немного серы (около 1 %).

Вредной примесью в углях является и фосфор. Но это касается только коксующихся углей, иду­щих на изготовление специальных сортов кокса, и антрацитов — для производства карбида кальция.

Большое значение имеет знание элементного состава угля — содержание в нем углерода, водо­рода, кислорода и азота, что позволяет оценить тип угля, степень его метаморфизма и многие его свойства. По содержанию углерода угли разделяются на бурые (менее 75 %) и каменные (более 75 %).

Одним из главных показателей качества энергетических углей является высшая удельная тепло­та сгорания, которая для бурых углей равна 25-30 МДж/кг, для каменных — 30-35 МДж/кг. Не менее важно знать низшую теплоту сгорания рабочего топлива (для бурых углей — 6-15, для каменных — 10-30 МДж/кг).

Для определения качества углей, идущих для производства кокса, важно знать их спекаемость. Коксуемость — свойство угля на средних стадиях метаморфизма (Г, Ж, К, ОС) при нагревании без доступа воздуха переходить в пластическое состояние и образовывать пористый остаток — кокс. Лучшей спекаемостью и коксуемостью обладают угли Карагандинского бассейна.

Угли определенных марок используются по-разному. Например, для коксования идут угли ма­рок К, Ж, ГЖ, КО, КС, КСН, ГЖО, Т, ОС; для производства формованного кокса — Д, Г, ГЖО, КСН, ОС, Т; генераторного газа — Б, Д, ГЖО, КС, СС, Т; синтетического жидкого топлива — Б, Д, Г, ГЖ, Ж; для полукоксования — БД, Г; производства термоантрацита, карбида кальция, электрокорунда — Т, А; для энергетических целей используются угли всех марок [2; 21].

Основные направления промышленного использования угля — энергетическое и технологиче­ское. Первое направление предусматривает его сжигание в различного рода топках на электростан­циях, в промышленных и коммунально-бытовых котельных; второе — технологическое — охватывает процессы коксования, полукоксования, газификации, гидрогенизации, производство электродов, карбидов кальция и кремния, битумов и т.д.

Развитие энергетики Казахстана перспективно в двух базовых направлениях: атомном и уголь­ном. Атомная энергетика — это безусловное будущее мировой энергетики, но для Казахстана разви­тие атомной энергетики на данном этапе сопряжено с рядом нерешенных общественно-политических проблем. А так как альтернативная энергетика Казахстана находится на начальном этапе становле­ния, то покрытие растущего энергопотребления возможно только за счет традиционных источников, среди которых превалирует угольная энергетика, доля которой в общем энергобалансе страны со­ставляет около 70 %.

Парниковые газы угольных станций

К сожалению, угольные электростанции — наиболее «грязный» источник генерации энергии. Так, рост концентрации парниковых газов в атмосфере связывают преимущественно с сжиганием ископаемого органического топлива, в том числе угля.

Угольные тепловые электростанции (ТЭС) — источник не только всех парниковых, но и других опасных газов, а также твердых частиц. Так называемые элементы-примеси, которые содержатся в выбросах ТЭС, по степени отрицательного воздействия на живые организмы относятся к токсичным и реально опасным. В их числе бериллий, ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, медь, мышьяк, селен, кадмий, сурьма, ртуть, свинец, торий, уран.

Углекислый газ (СО2) на ТЭС образуется в результате окисления (сжигания) угля. При неполном окислении могут образоваться монооксид углерода (СО) и некоторые органические соединения, в том числе полициклические ароматические углеводороды, обладающие высокой токсичностью и способствующие разрушению озонового слоя атмосферы.

Удаление СО2 из атмосферы происходит в основном благодаря жизнедеятельности фотосинте-зирующих организмов — растений, бактерий и водорослей. Считается, что не менее половины «про­мышленного» СО2 растворяется в воде океана, где он вступает в химические реакции с образованием карбонатов. Однако океан не утилизирует весь углекислый газ из атмосферы, а промышленное «про­изводство» этого парникового газа неуклонно растет, и его концентрация в атмосфере непрерывно увеличивается.

Серьезным отрицательным экологическим эффектом сопровождается выброс в атмосферу аэро­золей, содержащих твердые частицы. Аэрозоли снижают прозрачность воздуха и ухудшают види­мость. Вместе с этими частицами элементы-примеси осаждаются на поверхности земли вблизи ТЭС или переносятся на большие расстояния.

Отрицательное воздействие многих элементов-примесей может многократно усиливаться при совместном нахождении во вдыхаемом воздухе. Таким свойством синергизма обладают медь, кад­мий, ртуть (и, возможно, другие тяжелые металлы). Поступая в организм человека, они взаимодейст­вуют с сульфгидрильными группами белков, блокируя их важные биохимические функции.

Особняком стоят такие загрязнители природной среды, как естественные радиоактивные эле­менты, которые присутствуют в углях в качестве примесей. Значительная часть радионуклидов, как и других элементов-примесей, при сжигании углей поступает в атмосферу в составе дымовых газов. Радиационное влияние на природную среду ТЭС, использующих угли с повышенным содержанием радионуклидов (урана и тория), превышает влияние АЭС равной мощности (естественно, при усло­вии безаварийной работы последних). Тепловые электростанции — это промышленные объекты, ко­торые действуют практически непрерывно многие десятки лет. В результате даже при сравнительно низких концентрациях загрязнителей в атмосфере население, проживающее в районе ТЭС и на уда­ленных территориях, подвергается длительному воздействию вредных компонентов, содержащихся в дымовых выбросах.

Одним словом, добыча угля и превращение его в электроэнергию становится одним из самых разрушительных видов человеческой деятельности.

Как защитить атмосферу и население от дымовых угольных ТЭС?

Есть несколько путей решения экологических проблем угольных станций.

  1. Один из них — снизить содержание в топливе компонентов — потенциальных источников об­разования токсичных веществ при сжигании. Это минеральные примеси в углях и, прежде всего, сульфидные минералы. Именно они, разлагаясь при высоких температурах, образуют оксиды серы. Снижение содержания сульфидных минералов достигается обогащением углей.

Однако обычные методы обогащения снижают выброс в атмосферу минеральных компонентов, но не оказывают влияния на выброс парниковых газов.

  1. Для снижения вредных выбросов парниковых газов можно также использовать технологию сжигания с относительно низкими температурами. К числу таковых относится сжигание в «циркули­рующем кипящем слое» (ЦКС), которое происходит при температуре около 900°С. Для сравнения: наиболее распространенная пылеугольная система сжигания имеет температуру до 1500-1800 °С. Технология ЦКС характеризуется высоким уровнем смешения топлива и окислителя, интенсивной теплоотдачей к погруженным поверхностям нагрева, отсутствием движущихся частей в топочном объеме, возможностью сжигания в одном агрегате топлива различного состава и качества. Примене­ние топок с кипящим слоем повышает КПД горения низкосортного топлива и создает возможность комплексной механизации и автоматизации технологического процесса.

Отметим, что процесс горения в топках низкотемпературного кипящего слоя ведется в активном аэродинамическом режиме с повышенными скоростями, что приводит к увеличению выноса твердых частиц из топочного пространства, поэтому традиционные методы очистки газов с применением су­хих инерционных пылеуловителей не обеспечивают требуемой эффективности золоулавливания. Важной является и проблема утилизации шлака и золы, накопленных в пылеуловителях.

Сегодня системы ЦКС внедрены на многих угольных ТЭС за рубежом. Необходимо отметить, что строительство угольных станций такого типа требует значительных капитальных затрат. Это, ве­роятно, главным образом и сдерживает соответствующее перевооружение отечественной энергетики.

Между тем на казахстанских ТЭЦ сжигание угля не всегда производится эффективно. Например, механический недожог на котельных со слоевым сжиганием может превышать 30 % (т.е. только 70 % угля выгорает, остальное уходит в неутилизируемый угольный шлак). Устаревшее котельное обору­дование казахстанских ТЭЦ и применяемые в отечественной энергетике технологии пылеугольного и слоевого сжигания угля не могут в полной мере удовлетворять современным требованиям энергоэф­фективности и экологическим нормам по эмиссии вредных веществ.

Таким образом, для развития угольной энергетики необходимы новые экологически чистые и экономически выгодные технологии использования углей. Главными задачами внедрения таких тех­нологий в энергетику страны являются снижение механического недожога угля и уменьшение эмис­сии вредных веществ.

  1. Одной из перспективных программ развития энергоэффективной экологически чистой уголь­ной энергетики является использование водоугольного топлива (далее — ВУТ) [3-5].


ВУТ представляет собой мелкодисперсную смесь измельченного угля, воды и в ряде случаев стабилизирующей добавки (пластификатора). Характеристики ВУТ представлены в таблице 5 [6; 88].

Характеристики ВУТ

По внешнему виду ВУТ является жидким топливом с вязкостью, близкой к мазуту, и может быть использовано для выработки тепла и электричества как на угольных котлоагрегатах, так и на газома­зутных котлоагрегатах взамен газа и мазута.

Водоугольное топливо обладает рядом существенных преимуществ: возможностью изготовле­ния из угольных шламов, бурого угля, сланцев и торфа; высокой глубиной выгорания (не ниже 98 %); горением с газификацией (образование и горение СО + Н2; простотой транспортировки и хранения (необходимый нагрев емкостей с ВУТ составляет 10 °С против 70 °С для мазута); взрыво- и пожаро-безопасностью; снижением эмиссии оксидов азота и серы; возможностью полной утилизации отхо­дов; исключением шлакообразования, снижающего теплопроводность трубной части котлов и эффек­тивность сжигания топлива [6; 89].

На ваш взгляд, учитывая эти преимущества ВУТ, необходимо создать комплексную научно-техническую программу, включающую развитие НИР и ОКР с применением имеющихся в Казахста­не углей и отходов производства. Программа должна предусматривать [5; 345, 346]:

  • создание физико-химических основ получения высококонцентрированных водоугольных топ-лив на базе казахстанских месторождений угля;
  • исследование структурно-механических и деформационных свойств ВУТ и разработку мето­дов стабилизации и управления их реологическими свойствами;
  • создание способов и технологий получения ВУТ в промышленных масштабах для прямого сжигания в котлоагрегатах;
  • испытания ВУТ на стендах и опытных энергетических установках;
  • разработку эффективных способов обогащения углей в целях получения экологически более чистых ВУТ;
  • создание систем транспортирования ВУТ по углепроводам и разработку теплотехнических решений и технологии сжигания ВУТ различных составов;
  • проектирование, строительство и пуск в эксплуатацию промышленных комплексов по приго­товлению и транспортированию ВУТ, а также энергетических установок, работающих на них.

Важно отметить, что эффективность сжигания водоугольного топлива была многократно прове­рена и апробирована за более чем полувековую историю развития и применения водоугольных сус­пензий за рубежом. Однако начиная с 1993 г., ввиду низких цен на основной энергоноситель (газ), развитие ВУТ было практически приостановлено во всем мире. Однако рост цен на нефть и газ в конце 90-х и начале XXI в. выдвинул внедрение ВУТ в ряд приоритетных программ угольной про­мышленности развитых стран. Ожидается, что внедрение водоугольного топлива может стать одним из шагов в построении экологически чистой и экономически эффективной энергетики Республики Казахстан.

  1. В будущем для удержания концентрации СО2 в атмосфере на допустимом уровне на угольных электростанциях совершенно необходимо использование так называемых ССБ-технологий.
  2. По мнению специалистов [7; 37], совокупность методов, которые можно использовать в энер­гетике для предотвращения попадания СО2 в атмосферу, называют улавливанием и удержанием СО2 (СО2 capture and storage, ССБ) или геологическим секвестром углерода. ССБ включает в себя отделе­ние большей части углекислого газа, образующегося в ходе преобразования угля в полезную энер­гию, и транспортировку СО2 в места, где его можно хранить глубоко под землей в пористых средах, в основном в истощенных месторождениях нефти и газа или в проницаемых геологических пластах, насыщенных соленой водой.

За рубежом многие производители электроэнергии уже осознали, что требования по защите ок­ружающей среды рано или поздно вынудят их внедрять ССБ, если они по-прежнему будут использо­вать уголь. Однако пока большинство энергетических компаний планирует строить новые электро­станции без систем улавливания и удержания СО2, но готовые к улавливанию СО2, т.е. такие, кото­рые могут быть оборудованы средствами ССБ, когда это станет необходимо.

Видимо, отсрочка внедрения ССБ на угольных электростанциях до тех пор, пока цена выброса СО2 в масштабах всей экономики не станет больше затрат на ССБ, недальновидна. По ряду причин и угледобывающая промышленность, и энергетика, и общество в целом выиграют, если применение ССБ-технологий на угольных электростанциях начнется уже сегодня.

Известно, что рамочная конвенция по изменению климата от 1992 г. ООН призвала к обеспече­нию стабилизации концентрации СО2 на безопасном уровне. Это означает, что для предотвращения катастрофических изменений климата мировая энергетика (включая и энергетику Казахстана) должна уже в ближайшие годы начать разработку ССБ-проектов промышленного масштаба и в дальнейшем активно внедрять их. Хотя одно только применение ССБ-технологий не сможет обеспечить стабили­зации уровня СО2 в атмосфере. Ее, возможно, удастся достичь, сочетая их с другими мерами, вклю­чая интенсивное внедрение энергосберегающих технологий и использование возобновляемых источ­ников энергии. 

 

Список литературы

  1. Алшанов Р. Экономика Казахстана за 20 лет: минерально-сырьевой комплекс // Казахстанская правда. — 2011. — 14 окт. — С. 20-21.
  2. ГолицынМ.В., Голицын А.М. Все об угле. — М.: Наука, 1989. — 192 с.
  3. ДемидовЮ.В. Глубокая переработка — основа повышения роли угля // Уголь. — 1999. — № 5. — С. 19-20.
  4. ИзмалковА.В. Экологически чистые технологии использования угля // Уголь. — 2004. — № 10. — С. 46-18. 
  5. Каренов Р.С. Приоритеты стратегии индустриально-инновационного развития горнодобывающей промышленности Казахстана: Монография. — Астана: Изд-во КазУЭФМТ, 2010. — 539 с.
  6. Архипкин О., Морозов А. Современные подходы к использованию водоугольного топлива в энергетике // Промыш­ленность Казахстана. — 2011. — № 3(66). — С. 88-91.
  7. Лашоф Д., Уильямс Р., Хокинс Д. Что делать с углем? // Мир науки. — 2007. — № 1. — С. 37-13.
Фамилия автора: Р.С.Каренов
Год: 2012
Город: Караганда
Категория: Биология
Яндекс.Метрика