Обеспечение экономической и экологической эффективности теплоэнергетики в горной промышленности за счет использования вторичных энергоресурсов

УДК 622.411.33

© Е.А. Ельчанинов, Е.А. Ельчанинова, 2010

Е.А. Ельчанинов, Е.А. Ельчанинова

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ В ГОРНОПРОМЫШЛЕННОСТИ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

Дана характеристика теплоэнергетического обеспечения промышленных объектов и, в частности, горнодобывающей промышленности. Определено основное направление повышения эффективности ТЭР — это использование вторичных ресурсов, а именно низкопотенциальной тепловой энергии, выбрасываемой предприятиями в окружающую среду. На горных предприятиях теплота выбрасывается с вентиляционными и водоотливными потоками, в сушильных и агломерационных цехах, от крупных электроустановок и компрессорных. Рассмотрены возможные технологии утилизации теплоты указанных источников. Оценена экономическая и экологическая целесообразность промышленной утилизации низкопотенциальной теплоты.

Ключевые слова: горные предприятия, экология, утилизация, низкопотенциальная теплота

Леревод экономики на рыночные отношения неизбежно требует повышения экономической эффективности и экологической чистоты энергетики. Некоторые звенья этой отрасли, сформированные в условиях централизованного распределения произведенного продукта, оказались неприспособленными к рыночным отношениям. В числе таких звеньев оказалась и горная промышленности. Так высокая себестоимость полезных ископаемых и транспортные издержки привели к тому, что ряд полезных ископаемых, в частности энергетический уголь, добываемый в России, оказался неконкурентоспособным как в России, так и на Европейском товарных рынках. Появилась тенденция к свертыванию его добычи, закрытию значительного количества угольных предприятий, снижению внимания к научно-техническому прогрессу в этой отрасли.

В то же время в различных регионах Российской Федерации то и дело возникают затруднения в энергоснабжении и, прежде всего, в теплоснабжении коммунальной сферы и промышленных объектов, которое обеспечивалось энергетическим углем. Это - бесспор-

ные свидетельства того, что снижение объема добычи энергетического угля не решает возникшие проблемы.

Анализ мирового опыта показывает, что снижение спроса на энергетический уголь, как один из основных энергоносителей, в период временного спада произ-водства, не может служить ориентиром в долговременной энергетической стратегии любого государства. Эта стратегия должна быть не только ориентирована на предстоящий подъем экономики, но и предопределять его базовый характер данной отрасли.

Практика показала, что снижение добычи энергетического угля неизбежно вызывает необходимость замещения его в энергетическом балансе нефтью и газом, что невозможно считать экономически оправданным. Прежде всего, потому, что в условиях рыночной экономики наличие собственных природных запасов этих энергоносителей является только кажущимся преимуществом, так как потери одной страны от снижения их экспорта тождественно равны затратам других стран на их импорт, а компенсировать небаланс во внешней торговле весьма сложно.

Учитывая, что Россия - страна с холодным климатом, а ответственность за обеспечение населения энергоносителями для коммунального теплоснабжения и промышленных объектов возложена на частных производителей энергоносителей, им же невыгодно отпускать нефтепродукты и газ по ценам ниже мировых, поэтому оплата бытового теплоснабжения, а также горнодобывающей промышленности, при низком уровне доходов становится непосильной, что вызывает необходимость выделения либо бюджетных дотаций, либо их банкротить. В связи с модернизацией отраслей экономики, в том числе и горнодобывающей, эти затруднения в тепло- и энергоснабжении будут нарастать, будет нарастать экологическая и социальная напряженность, а тем более запасы газа и нефти истощаются быстрее, чем угольные месторождения.

Анализ сложившейся ситуации показывает, что для решения возникших проблем необходима разработка и последовательное осуществление новой торгово-экономической и технологической политики в области добычи энергоносителей, выработки, преобразования и использования энергии. Целью такой политики должно быть обеспечение рационального энергетического баланса России, создание условий для подъема экономики, развитие малой энерге-

тики и сохранения природной среды в условиях стабилизации рыночных отношений.

Традиционным направлением технического прогресса в данной области является централизованная теплофикация на основе комбинированной выработки тепловой энергии на крупных теплоэлектроцентралях. Экономичность такой энергетической системы основана на использовании остаточной теплоты рабочего тела паровых турбин. Но даже теоретические расчеты показывают ограниченность условий, при которых преимущества централизованной теплофикации реализуются. Она применяется повсеместно, от субтропических районов до Арктики. В связи с этим, в южных районах России, эффективность такого способа обогрева низка вследствие короткого отопительного периода. В северных же широтах она сильно уязвима: сравнительно небольшие аварии на теплотрассе Магадана, Норильска, Воркуты и в других районах Севера и Сибири равноценны природным катастрофам. Много хлопот создают мощные теплотрассы в крупных городах. В редко заселенных регионах такая система неприменима и вместо нее применяют низкоэффективные маломощные котельные, наносящие колоссальный вред окружающей среде. Этим недостатком особенно отличаются горнодобывающие регионы, где в котельных, не оборудованных системами очистки дымовых газов, сжигается самый низкосортный уголь.

На практике оказалось, что применяемая в России система теплоснабжения эффективно работает только на газе и нефтепродуктах, а использование на ТЭЦ угля сопряжено с большими экологическими проблемами.

Не оставляя без внимания традиционную систему теплофикации в тех случаях, когда она обеспечивает максимальный эффект, предлагается произвести дифференциацию эффективности применения альтернативных систем обогрева зданий, учитывающих многообразие климатических условий России и позволяющих использовать различные источники энергии.

Известен опыт эксплуатации электростанций, представляющих собой комплекс паросиловых установок, газогенераторов и газотурбинных генераторов электроэнергии. Такие электростанции позволяют полнее, чем ТЭЦ, использовать остаточное тепло при использовании различных видов топлива: каменного угля, бурого угля, горючих сланцев, теплоносителей растительного происхож-

дения. В газогенераторах в качестве теплоносителей могут использоваться бытовые отходы при одновременном решении проблемы их утилизации.

В России и за рубежом накоплен большой опыт применения газогенераторов, однако в России в последнее время от них отказались, в основном по причине значительных запасов природного газа и нефти. Однако запасы этих ископаемых, как уже указывалось, ограничены и их следует использовать более экономично. В связи с этим целесообразно выполнить современную оценку области рационального их применения с учетом нового технического уровня и новых задач. Опыт показывает, что реализуемые на основе новых видов техники технологические процессы позволяют более эффективно решать экономические и экологические проблемы при использовании угля, горючих сланцев, утилизации бытовых отходов и вторичных ресурсов.

Реализация данного направления технического прогресса позволяет более рационально решать задачу теплоснабжения в зависимости от климатических, географических и технических условий. Вместо единого шаблона должен быть использован дифференцированный подход. В одних случаях целесообразна традиционная система теплоснабжения, в других случаях окажется выгодно поставлять соответствующим способом газ и использовать его в районных, групповых и индивидуальных установках. Необходимо выделить условия, в которых целесообразно применять электрическое отопление, используя для этой цели различные типы низкотемпературных электронагревателей, совмещая их работу с кондиционированием воздуха в помещениях. Этот вопрос особенно актуален для регионов с холодным климатом, где важное значение имеет уязвимость традиционных систем теплоснабжения.

Диверсификация тепловой и электрической энергетики позволяет выбрать более рациональные варианты размещения источников энергии, более экономичные способы транспортирования энергоносителей и подачи энергии к месту потребления.

Данная задача особенно актуальна для районов с горной промышленностью. Специализация предприятий основного профиля этой отрасли, как правило, выражена добычей, обогащением и отгрузкой товарного полезного ископаемого. Даже временные затруднения со сбытом товарной продукции, в частности энергетиче-

ского угля для угольной промышленности, создают для такого предприятия непреодолимые трудности.

История рыночной экономики однозначно свидетельствует, что для обеспечения экономической стабильности необходима диверсификация хозяйственной деятельности всех предприятий, расширение ассортимента выпускаемой продукции. Соответствующий вариант повышения эффективности производства весьма актуален и для предприятий по добыче энергоносителей. Для угольной промышленности он состоит в объединении в одном хозяйственном комплексе технологических звеньев по добыче угля, получению из него электрической и тепловой энергии, газообразного и жидкого топлива, других видов товарной продукции, а также использованию попутных ресурсов. В принципе, дополнительные технологические звенья могут быть объединены на кооперативнодоговорной основе. Но в этом случае возникнут затруднения при выполнении мероприятий по охране экологической среды, которые, как и сейчас, будут ложиться на себестоимость добычи основного полезного ископаемого. Так, многие угольные предприятия должны добывать из угольных пластов содержащийся в них метан. Реализация его, как товара, после соответствующей подготовки может, если не принести прибыль, то, по крайней мере, компенсировать затраты на обеспечение безопасных условий работы в угольных шахтах и предотвращение выбросов этого газа в атмосферу. Но, пока, современная узкая технологическая специализация горнодобывающих предприятий и не подготовленность кадрового состава специалистов не создают предпосылок для решения этой важнейшей задачи на ближайшее будущее.

Упомянутым примером не ограничиваются возможности расширения области хозяйственной деятельности угольных предприятий как хозяйственной единицы. На имеющейся производственной базе вполне возможно организовать изготовление строительных материалов, используя породные отвалы; выращивание сельскохозяйственных продуктов, используя для обогрева парников и теплиц теплотой выносимой вентиляционными и водоотливными системами шахт.

В этом выход из создавшегося, несомненно временного, затруднительного положения. Существующая же сейчас узкая специализация приобретает в ряде случаев уродливые формы. Добывая энергоноситель, угольные предприятия не в состоянии рассчитать-

ся за электроэнергию, передаваемую за сотни и тысячи километров, вынуждены останавливать собственную резервную электростанцию, работающую на дизельном топливе. Известны случаи, когда угольные шахты оставались без тепла ввиду необеспеченности топливом собственных котельных, работающих на мазуте.

Более глубокая переработка сырьевых материалов, расширение ассортимента получаемых из него товарных продуктов, а также тепловой и электрической энергии, неизбежно будут способствовать повышению экономической и экологической эффективности и неуязвимости горнодобывающих предприятий в любой ситуации.

Направления повышения эффективности функционирования топливно-энергетической отрасли экономики должны органически сочетаться с определением рационального удельного веса различных источников энергии в общем балансе ее получения и использования. Так на основе применения газогенераторной технологии могут быть более эффективно использованы возобновляемые источники энергии растительного происхождения. В России остаются неиспользованными значительные запасы отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности, которые при соответствующей организации могут быть применены для получения энергии, причем, в тех районах, куда доставка других энергоносителей экономически не выгодна

Проведенный анализ показывает, что во многих государствах энергетические проблемы решаются аналогичными методами. В Европе и Америке принцип рационального использования различных энергоносителей, основанный на комплексном применении в качестве утилизаторов ВЭР паровых и фреоновых турбин, газогенераторов и газовых турбин практически испытан на базе экспериментальных промышленных установок и получил название "процесс Шеля Ойл". На его основе создано ряд электростанций различной мощности. Опыт показал, что данная технология обеспечивает максимальную сохранность окружающей среды, высокую экономичность, может быть использована для утилизации бытовых отходов. Этот опыт в последнее время используется и в других странах. В США выполняются НИОКР по разработке высокоэффективных газогенераторных транспортных средств. Получение газообразного и жидкого топлива из угля практикуется в Г ермании, Франции, ЮАР. Электрический обогрев помещений эффективно

применяется во многих странах. Особенно рационально его применение в сочетании с тепловыми насосами, позволяющими использовать природные источники низкопотенциальной тепловой энергии и тепловые выбросы различных производств.

Реализация этих предложений возможна при ориентировании на практическое использование закономерностей рыночной экономики в теплоэнергетическом хозяйстве промышленных и коммунальных предприятий горнодобывающей промышленности России. В этих условиях глобальные корпоративные экономические связи внутри государства должны уступить место более гибким и рациональным деловым отношениям, основанным исключительно на равновесии интересов производителя и потребителя. Опираясь на опыт стран с развитыми рыночными отношениями, можно заключить, что вопросы, касающиеся производства и потребления энергии, достаточно полно поддаются анализу и прогнозированию. В связи с этим необходимо оценить баланс производства и потребления энергии с учетом доставки энергоносителей в основные горнодобывающие регионы Российской Федерации и будущие районы освоения на территории Крайнего Севера и Сибири. На основе этой оценки обосновать прогнозируемое распределение производства и потребления тепловой и электрической энергии по этим регионам, а также определить рациональные ее источники, исходя из условия минимальных материальных издержек и сохранности природной среды.

Результаты работы должны быть представлены в виде рекомендаций по формированию региональных топливноэнергетических комплексов, обеспечивающих минимальные издержки на добычу энергоносителей, производство тепловой и электрической энергии, подачу ее к потребителям с максимальным учетом использования ВЭР. Тем самым структура этих комплексов будет удовлетворять требованиям рыночной экономики. Одновременно будут учтены условия надежного обеспечения теплом коммунального и промышленного сектора, а также решены основные экологические проблемы.

Энергетическая политика должна быть, как и в других промышленно развитых странах, инструментом, определяющим направленность экономики на решение актуальных проблем общества, рационального использования не возобновляемых природных ресурсов и максимального сохранения экологической среды.

Источниками низкопотенциальной тепловой энергии (НТЭ) являются многие установки общепромышленного назначения: мини электростанции, компрессорные станции, электрические приводы большой мощности; а также технологическая вода, выдаваемые из шахт и рудников, воздушные потоки и подземные воды. Количество теплоты, содержащейся в вышеуказанных источниках, велико. Например, вентилятор с производительностью 500 м3/сек в течение года выбрасывает 3,8-108 кДж теплоты и 400 тыс. м3 метана или 3,6-109 кДж теплоты, что в 10 раз больше энергии, потребляемой самим вентилятором, водоотлив с объемом отлива 150 м3/час выбрасывает в окружающую среду до 2,9^ 109 кДж теплоты в год;

Помимо экономического, существенное значение имеет экологический эффект от использования вторичных тепловых ресурсов. Он заключается в снижении количества сжигаемого топлива, следовательно, и выбрасываемых вредных веществ. Тепловое загрязнение окружающей среды сокращается из-за выделения и утилизации отходящей теплоты. Низкопотенциальная тепловая энергия — перспективный ресурс, но ее сложно утилизировать из-за отсутствия подходящих компактных и экономичных теплообменников, теплоутилизаторов, тепловых насосов и теплогенераторов.

В существующих на сегодня приборах и установках есть недостатки, не позволяющие сделать процесс с их использованием максимально эффективным. В частности, при их использовании усложняется отопительная система, так как к существующей котельной добавляется дополнительное оборудование теплоутилизационной системы. Это связано с тем, что с помощью теплового насоса температуру носителей НТЭ доводят, по одноконтурной схеме, до некоторой промежуточной температуры, недостаточной для обогрева объектов, с вынужденным последующим подогревом ее в котлах. Целесообразней применять двухконтурные схемы утилизации ВЭР.

В горнодобывающей промышленности источниками НТЭ являются воздушные вентиляционные потоки, нагретые при обтекании горных пород на глубоких горизонтах, откачиваемые подземные и технологические воды, дымовые газы котельных, теплота сушильных и агломерационных цехов обогатительных фабрик, теплота факельного сжигания некондиционного дегазационного газа метана из угольных пластов.

Изучение состояния вентиляционных потоков на горных предприятиях показало, что значительная часть теплоты теряется в результате тепло- и массообмена:

- со стенками горных выработок на верхних горизонтах шахт и рудников,

- за счет подсосов в вентиляционных каналах,

- в системе вентиляционных сооружений,

- за счет более холодных пород горного массива.

Поэтому средняя температура воздушной струи на выходе на поверхность составляет в средних широтах 14-16 0С зимой и 20-25 0С летом. При соответствующем потенциале тепловой энергии исходящего потока воздуха из рудников и шахт она может быть эффективно использована. Особенно важно использование этой энергии в экстремальных ситуациях, например, при кратковременном понижении температуры атмосферного воздуха, превышающем характерные для данного региона показатели. В этом случае тепловых мощностей, как правило, предусмотренных проектом предприятия, оказывается недостаточно. Устранение дефицита тепловой энергии действующих на предприятии теплопроизводящих агрегатов, например, использование теплоты исходящей вентиляционной струи.

Существующие теплообменные аппараты и их конструктивные особенности пока позволяют утилизировать теплоту отходящих вентиляционных потоков и водоотливных систем шахт и рудников на 25-35%.

По существующим условиям, связанным с физическими особенностями исходящих вентиляционных потоков воздуха (запыленность, влажность, давление, температура) и особенностями эксплуатации вентиляционных установок главного проветривания (обеспечение реверсирования воздушной струи, поступающей в горные выработки) целесообразно применение теплоутилизаторов на тепловых трубах с заполнением последних низкокипящим (от -5 0С до +8 0С) теплопередающим агентом. Это обеспечит повышение эффективности извлечения и передачи теплоты от исходящего потока воздуха (воды, газа) за счет интенсивного кипения заполняющей тепловые трубы жидкости, а также защиту теплоутилизатора от охлаждения при реверсировании воздушного потока в холодное время года.

Таким образом, для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии предполагается использование серийно выпускаемых тепловых насосов для следующих источников:

- отходящих воздушных потоков;

- откачиваемых и сбрасываемых шахтных и рудничных вод;

- технологических и оборотных вод;

- «отбросной» теплоты различных технологических процессов горного производства

В настоящее время использование теплоты исходящих вентиляционных потоков горных предприятий находится в стадии постановки задачи и требует разработки соответствующих систем утилизации и оборудования для них. Наш опыт утилизации теплоты вентиляционных и водоотливных систем на шахте им. Засядько был реализован в 1993 году и были подготовлены проекты для шахт им. А.А.Скочинского и им Абакумова. С распадом СССР работы были заморожены.

Анализ существующих технических решений по утилизации теплоты исходящих водоотливных и вентиляционных потоков промышленных предприятий позволяет сделать следующие выводы:

- отбор теплоты от исходящих воздушных и водных потоков осуществляется через поверхностные одноконтурные теплообменники циркулирующим потоком теплоносителя с последующим повышением температуры теплоносителя от постороннего источника теплоты (котельная, тепловая сеть) или в тепловом насосе;

- в качестве теплообменников отбора теплоты, устанавливаемых в канале исходящих вентиляционных потоков, применяют теплообменники с циркулирующим водным теплоносителем, которые необходимо заменить на тепловые трубы с низкотемпературным теплоносителем (кипение паров от -5 оС до +8 оС);

- при передаче теплоты в поток подаваемого в шахту воздуха целесообразно применение поверхностных теплообменников с циркулирующим по замкнутому контуру теплоносителем (типа калориферы), обеспечивающим охлаждение потока воздуха в теплый период года без изменения контура циркуляции в подающем воздух ствола;

- в системах передачи теплоты от исходящих потоков воздуха, без применения теплового насоса, в качестве потребителя исполь-

зуются системы воздушного отопления помещений и система обогрева воздухоподающих стволов;

- в системах передачи теплоты от исходящих потоков воздуха с применением тепловых насосов в качестве потребителей используются системы обогрева воздухоподающих стволов, отопления зданий, горячего водоснабжения, обогрева теплиц.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ельчанинов Е.А., Ельчанинова Е.А. Утилизация НТЭ. Энергонадзор, 2010, №6, с.32-33.

2.Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообме-ным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989.

3. Горшков В.Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор // Справочник промышленного оборудования. 2004. №02. С.47-80.

4. Янковский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. М. Энергоиздат, 1992.

5. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли (Монография). Издательский дом «Граница». М., «Красная звезда», 2006, 220 с.

6. Фролов В. П., Щербаков С.Н., Фролов М.В., Шелгинский А.Я. Эффективность использования тепловых насосов в централизованных системах теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2004. №07. шыз

— Коротко об авторах

Ельчанинов Е.А. -Ельчанинова Е.А. -

Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru