Использование геотермальной и тепловой энергии отвалов вскрышных пород в карьерах добычи угля

УДК 550.37:536.24:622.271:622.85 © А.Т. Лавриненко, 2019

Использование геотермальной и тепловой энергии отвалов вскрышных пород

в карьерах добычи угля*

Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-7-95-97 -

В статье обоснована экономическая и экологическая необходимость использования геотермальной и тепловой энергии отвалов вскрышных пород в карьерах добычи угля. Предложен способ использования тепловой энергии в карьерах угледобычи.

Ключевые слова: угольная промышленность, карьеры открытой угледобычи, геотермальная энергия, тепло отвалов вскрышных пород.

ВВЕДЕНИЕ

Для получения электроэнергии и тепла в мире ежесуточно сжигается более одного миллиарда тонн угля и других углеводородов. Но далеко не вся тепловая энергия, полученная от сгорания углеводородов, эффективно используется. Почти половина ее «вылетает в трубу» и рассеивается в пространстве вместе с продуктами горения.

Россия пятый год подряд наращивает добычу угля. По данным Минэнерго России, в 2014 г. добыто 358 млн т, в 2015 г. - 374 млн т, в 2016 г. - 387 млн т, в 2017 г. - 411 млн т, в 2018 г. - 439 млн т [1, 2]. Рост угледобычи продолжится, и будут вскрыты миллионы гектаров угольных месторождений.

Генеральный директор АО «Сибирская угольная энергетическая компания» (СУЭК) Владимир Рашевский, принимавший участие в работе коллегии Минэнерго России, касаясь проблем теплоэнергетики, подчеркнул важность создания нормативной основы для приведения в порядок сферы теплоснабжения: «Это кардинально недофинансированная отрасль. Потребность в инвестициях -2,5 трлн руб. Модернизация тепловой энергетики и инвестиции в теплоснабжение - это и колоссальные источники экономического роста на многие годы вперед, и фактор наглядного улучшения жизни людей» [3].

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

ТЕПЛА

Модернизация тепловой энергетики в России - это не только совершенствование процессов горения энергоносителей в котлах, о котором говорилось на коллегии Минэнерго, но и переход на альтернативные экологически чистые возобновляемые технологии получения тепла. Из угля можно делать 130 разного рода химических продук-

* Исследования выполнены при финансовой поддержке проекта Государственного задания № 539-2 от 11.01.2019.

ЛАВРИНЕНКО Алексей Тимофеевич

Старший научный сотрудник ФГБНУ «НИИАП Хакасии», 655132, с. Зеленое, Республика Хакасия, Россия, e-mail: aleks233@yandex.ru

тов и более пяти тысяч видов продукции смежных отраслей: сырье для фармацевтики, дизельное топливо, пластмассы, красители, удобрения, стройматериалы, электроника, космическая техника и многое другое. Цена в десятки и сотни раз превышает стоимость угля. Владеющие запасами угля страны и их угледобывающие компании будут развиваться не за счет продажи теплоносителей, а за счет бурного развития перерабатывающей промышленности.

Человечество имеет технологии, позволяющие почти повсеместно использовать возобновляемые экологически чистые энергоресурсы, в том числе тепло земли. В Германии, например, на основе геотермии производится экологически чистое тепло установленной мощности около 600 МВт (с использованием приповерхностной геотермии через тепловые насосы). Установленная мощность во всем мире составляет от 15 до 20 тыс. МВт (термической энергии) и 8400 МВт (электроэнергии), и это лишь небольшая часть того, что можно получать. Теплового потока из глубин, в принципе, достаточно для покрытия всего теплопотребления человечества. Использование этой экологически чистой тепловой энергии сохранит уголь как сырье для переработки и избавит землю от теплового и газового загрязнения.

Тепловые насосы не имеют климатических или иных ограничений, особенно геотермальные, использующие тепло скважин: как бы ни было на улице холодно или жарко температура на глубине 18 м будет от +7°С в холода и до +12°С в жару. Теплонасос для производства тепла берет 20-30% энергии электрической сети, а 70-80% — из геотермальных источников. Таким образом, значение тепловых насосов трудно переоценить. Они эффективно работают в любую погоду, вне зависимости от наличия газа, угля, дров, мазута или другого вида топлива, а также служат надежно на протяжении многих лет.

Российские планы в этом отношении выглядят значительно скромнее, вполне возможно, это связано с тем, что геотермальная энергетика быстрее развивается в тех странах, где существует государственная поддержка экологических проектов и проектов, направленных на энергетическую независимость, где существуют стабильные, долгосрочные проекты инвестиций.

Недостатками геотермальной энергии являются:

- необходимость использования тепла рядом с местом добычи;

- стоимость сооружения скважин возрастает с увеличением глубины бурения.

С увеличением глубины температура возрастает в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3°С на каждые 100 м). Величина потока тепла, поступающего из земных недр, для разных местностей различается. Для Центральной Европы эта величина составляет 0,05-0,12 Вт/м2. Для некоторых районов Сибири она на порядок выше. Ученые объясняют феномен дрейфа магнитного поля земли в сторону Сибири за счет смещения ядра земли к поверхности этого региона, что закономерно увеличит приток геотермальной энергии к поверхности и повысит эффективность использования тепла земли.

Несмотря на то, что использование тепла земли сегодня требует достаточно больших финансовых затрат при конструировании и характеризуется сложностью монтажа, оно дает значительную экономию средств при дальнейшем использовании. Это отопление имеет очень высокий коэффициент полезного действия и практически не производит никакого влияния на окружающую среду, за счет этого является самым экологичным видом отопления. Его использование абсолютно безопасно, так как отсутствует возможность кокой либо утечки вредных веществ или взрыва. Ведь в процессе участвует только естественная вода. Кроме того, при правильном монтаже отопление на тепле земли не требует какого-то дополнительного сервисного обслуживания практически в течение десятков лет.

Таким образом, использование геотермальных особенностей угледобывающих карьеров дает возможность получать сотни миллионов МВт тепла, используя уже вскрытые угледобычей геотермальные поверхности земли.

Кроме того, одной из особенностей угледобывающих карьеров, влияющей на тепловой режим отвалов горных пород, является наличие

в них углерода в виде вмещающих пород и неизвлекаемых пропластов угля между вскрышными породами. Современные проекты строительства и развития открытых угледобывающих предприятий в России не предусматривают добычу, обогащение и использование нерентабельных прослоев угля во вскрышных породах по причине отсутствия комплекса машин и технологий полного использования твердых углеводородов горной массы вскрышных пород.

На примере угольного месторождения Минусинской котловины в республике Хакасия, рассмотрим баланс неизвлекаемых угольных и углевмещающих пород вскрыши. Учитывая компактность разрабатываемых участков угольного месторождения Минусинской котловины, принимая идентичность геологического и климатического однообразия углеобразования всех участков угольного бассейна, на примере разреза «Черногорский» проведем расчет содержания угля и углевмещающих пород во вскрышных породах отвалов по литолого-стратиграфическим колонкам (см. рисунок).

Литолого-стратиграфические колонки содержания угля и углевмещающих пород во вскрышных породах отвалов разреза «Черногорский»

Непостоянные угольные пласты, слоистые пласты, черные углистые аргиллиты, пропласты угля (2-5 см) во вскрышных породах, матовые высокозольные пласты составляют 9,2 м. При 100 м глубины карьера и 15,04 м извлекаемого угля это, 8,3% горной массы. На Минусинском угольном бассейне средняя масса вскрыши равна 15 т на 1 т добытого угля. Таким образом, в отвалы угледобывающих предприятий Хакасии производительностью 28 млн т угля в год поступают 420 млн т горной массы с 8,3% угдесодер-жащих компонентов, или 34,9 млн т топлива со средней теплотворной способностью 100 ккал/кг. В окружающую среду будет выброшено 3,5 млрд ккал.

Коэффициент разрыхления кроющих пород достигает 1,6. Это значит, что монолит вскрыши превращен в обломки различного размера, а пространство между ними - 0,6 объема отвала заполнил воздух. Этого достаточно для запуска тлеющего горения углерода в отвальных породах и их нагревания. После выгорания кислорода и заполнения очага продуктами горения процесс окисления заканчивается. Остывая, очаг за счет суточных и сезонных тепловых изменений и колебаний атмосферного давления воздуха создает условия циркуляции воздуха и продуктов окисления углерода в теле отвала через его пустоты. Это дает возможность поступления кислорода в еще не остывший очаг горения для очередного периода нагревания. Циклы горения и остывания могут продолжаться десятилетиями. Тепло без конвективного теплоносителя равномерно распределяется в породе отвала за счет инфракрасного теплопереноса. Подтверждением служат проведенные исследования Новосибирского института почвоведения и агрохимии СО РАН и ФГБНУ «НИИАП Хакасии» за период 2015-2018 гг. на втором ярусе отвала «Северный» (отсыпан в 1976 г.) разреза «Черногорский» ООО «СУЭК-Хакасия». Среднегодовая температура на глубине 50 см отмечена в диапазоне от +16 до +18°С.

Таким образом, исследования теплового режима геотермального поступления тепла на глубине 100 м и тепла тлеющих пород вскрышных отвалов угледобычи подтверждают

возможность использования геотермальной и тепловой энергии отвалов на отработанных карьерах добычи угля через теплообменник, изготовленный, например, из труб для морского газопровода, уложенного на подстилающем слое породы добытого угля на глубине 100 и более метров, закрытого сверху внутренним отвалом (заявка на изобретение № 201834825/20). Единовременные затраты на изготовление и укладку теплообменника состоят из стоимости труб монтажа и укладки его на дно карьера.

Согласно проведенным исследованиям, приток тепла к экономайзеру, установленному на глубине 100 м, в установившемся режиме дает 0,36 Вт тепла с одного квадратного метра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученное таким способом тепло дает возможность, например, обогревать зимние теплицы, расположенные на бортах карьера. По мере отработки месторождения будут увеличиваться площади теплообменников и теплиц, что дает возможность трудоустроить освобождающийся персонал при полной отработке месторождения и обеспечить круглогодовую потребность населения региона в овощах и фруктах. Отработанные месторождения угля являются экологически и экономически обоснованным источником тепла для населения регионов, переживших бум угледобычи.

Список литературы

1. Таразанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь-декабрь 2018 года // Уголь. 2019. № 3. С. 64-79. doi: 10.18796/0041-5790-2019-3-64-79.

2. Панов Б.С., Проскурня Ю.А. Модель самовозгорания породных отвалов угольных шахт Донбасса / Межвузовский научный тематический сборник: «Геология угольных месторождений». Екатеринбург, 2002. C. 274-281.

3. В СУЭК назвали факторы развития угольной отрасли // РИА Новости, 08.04.2018. [Электронный ресурс]. URL: https://ria.ru/company/20180408/1518155900.html (дата обращения: 15.06.2019).

ECOLOGY

UDC 550.37:536.24:622.271:622.85 © A.T. Lavrinenko, 2019

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 7, pp. 95-97 Title

USE OF GEOTHERMAL AND THERMAL ENERGY OF OVERBURDEN DUMPS IN COAL MINING OPEN-PIT MINES DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-7-95-97

Authors

Lavrinenko A.T.1

1 "Scientific-Research Institute of Agrarian Problems of Khakassia" FSBI, Zelenoe village, 655132, Republic of Khakassia, Russian Federation

Authors' Information

Lavrinenko A.T., Senior Researcher, e-mail: aleks233@yandex.ru Abstract

The paper substantiates the economic and environmental need for the use of geothermal and thermal energy of overburden dumps in coal mining open-pit mines. A method of using thermal energy in coal mines is proposed.

Keywords

Coal industry, Open-pit mines coal mining, Geothermal energy, Heat of overburden dumps.

References

1. Tarazanov I.G. Itogy raboty ugol'noy promishlennosty Rossii za yanvar -dekabr 2018 [Russia's coal industry performance for January - December,

2018]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, No. 3, pp. 64-79. doi: 10.18796/00415790-2019-3-64-79.

2. Panov B.S. & Proskurnya Yu.A. Model' samovozgoraniya porodnyh otvalov ugol'nyh shahtDonbassa [Model of spontaneous combustion of rock dumps of coal mines of Donbass]. Interuniversity scientific thematic collection: «Geology of coal deposits». Ekaterinburg, 2002, pp. 274-281.

3. V SUEK nazvali faktory razvitiya ugol'noy otrasli [SUEK named factors of development of the coal industry]. RIA Novosti, 08.04.2018. Available at: https://ria.ru/company/20180408/1518155900.html (accessed 15.06.2019).

Acknowledgments

The studies were carried out with the financial support of the draft State Task No. 539-2 dated January 11, 2019.