Основные проблемы и пути решения обеспечения экологической безопасности при ведении добычных работ на угольных шахтах

© Е.А. Ельчанинов, Е.А. Ельчанинова, 2013

Е.А. Ельчанинов, Е.А. Ельчанинова

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ РЕШЕНИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЕДЕНИИ ДОБЫЧНЫХ РАБОТ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ.

Рассмотрены основные проблемы экологической безопасности, возникающие при добыче угля, предложены инженерные методы их решения. Даны технические предложения по применению средств и технологий снижения негативных последствий угледобычи на экологическую ситуацию в районе угледобычи. Ключевые слова: выбросы, энергетические ресурсы, утилизация, экология.

В настоящее время рассматриваются различные пути утилизации метана дегазационных и вентиляционных систем шахт, но технически и экономически не все технологии осуществимы

На сегодня извлекается дегазационными системами шахт порядка 420 — 470 млн м3 метана и 4,5 — 5 млрд м3 выносится вентиляционными системами. Используется порядка 12 -15 % метана, извлекаемого дегазационными системами.

Дегазационные и вентиляционные системы изначально не предусматривают промышленное использование метана, их задача — обеспечение безопасных условий работы в горных выработках.

Извлечение и промышленное использование метана угольных пластов должно быть представлено единым технологическим процессом в деятельности шахт, что позволит обеспечить безопасность горных работ, снизить негативное воздействие на экологию, получить дополнительные сырьевые и энергетические ресурсы, позволяющие производить товарную химическую продукцию с собственной стоимостью, улучшить экономику шахт и конкурентоспособность угля добываемого ими.

В настоящее время выполнено ряд проектов по разработке и созданию технологий и средств использования метановоз-душных смесей в промышленных химических установках для получения метанола, октамикса, ацетилена, технической сажи, формальдегидов и моторного топлива.

Однако наличие значительного количества азота и кислорода в метановоздушных смесях делает их использование в химическом производстве затруднительным. Поэтому, утилизация метановоздушных смесей дегазационных и вентиляционных систем шахт для химических производств развивается в двух направлениях. Первое направление предусматривает прямое использование шахтного газа для химических производств, т.е. из метановоздушных смесей непосредственно получают химические продукты.

Вторым направлением является получение из метановоз-душных смесей чистого (97 — 100 %) метана с последующим его использованием в различных сферах химических производств. Полученный таким образом метан значительно расширяет область использования его для различных химических производств таких как — аммиак, метанол, октамикс, высшие спирты, ацетилен, сажа и др., что позволяет решить экономический, экологический, социальный и технический аспекты.

Важны технический и рыночный аспекты, т.к. технологии базируются на серийно выпускаемом оборудовании отечественными заводами «Пензахиммаш» и «Уралхиммаш», а товарная продукция (метанол, метан, октамикс, формальдегиды, ацетилен, техническая сажа) пользуется большим спросом на внутреннем и внешнем рынке.

Для получения чистого метана разработан процесс, основанный на выжигании кислорода из МВС с последующей подготовкой газовой смеси для низкотемпературного блока разделения. Для этого процесса проведена работа в объеме проекта, выполнена конструктивная проработка основного технологического оборудования.

Для использования некондиционного шахтного метана, получение которого в условиях любого угольного бассейна является естественным и обязательным технологическим элементом добычи угля, созданы технические решения промышленно-

го использования метановоздушных смесей с концентрацией 0,5—3,5 % и более 25 %, которая формируется в системе сбора, подготовки и транспортирования газовоздушной смеси от дегазационных и вентиляционных систем шахт.

Не кондиционые метановоздушные смеси вентиляционных систем шахт разделены на две группы.

Первая группа исходящих вентиляционных потоков содержит концентрацию метана 0,3—0,75 % об. Выброс метана в атмосферу этой группой составляет на шахтах России 4,5— 6,5 млрд м3 в год. При этом расход исходящих потоков из одного ствола составляет от 300 до 1000 м3/с.

Вторая группа исходящих вентиляционных потоков содержит концентрацию метана 3—15 % об. Эта группа исходящих потоков формируется вентиляторами установленными на скважинах, пробуренных с поверхности в горные работы. Она представляет небольшой процент от общего объема метана, выбрасываемого в атмосферу вентиляцией шахт.

Прямое использование таких концентраций метана, как энергоносителя, считается в мировой и отечественной практике технически сложно и экономически не целесообразно. Однако, экологическая ситуация последнего десятилетия обусловила проблему утилизации метана этих потоков.

В связи с этим в России и в мире начаты поиски способов извлечения, обогащения и использования метана малых концентраций из вентиляционных потоков шахт.

Идея извлечения метана из вентиляционных потоков заключается в разработке способов и средств отделения его от общего газовоздушного потока непосредственно в самом вентиляторе или в транспортной системе, с целью последующей утилизации в промышленных теплоэнергетических и химических установках для получения товарной продукции, а также для решения экологической проблемы — сокращения антропогенных выбросов парниковых газов в атмосферу.

Традиционно шахтные вентиляционные установки выполняют лишь одну функцию — осуществляют проветривание шахты. При этом мощные вентиляционные установки вместе с воздушным потоком ежесуточно выбрасывают в атмосферу до 1 тонны пыли, от 400 до 750 тыс. м3 метана,

3,8-10 9 кДж тепла, что в 10 раз больше энергии потребляемой самим вентилятором.

Для предотвращения загрязнения атмосферы пылью, метаном и теплотой возникает необходимость их выделения из воздушных потоков, утилизации и использования в промышленных установках как вторичные энергетические ресурсы.

Для этого разработаны аппараты (устройства), обеспечивающие эффективное отделение части обогащенной метано-воздушной смеси до безопасной концентрации метана и допустимой для использования в промышленных установках и для выделения и повышения потенциала теплоты для передачи ее потребителю.

Созданы технологии и технические средства утилизации метана, теплоты и пыли выносимых из шахты вентиляционными потоками.

Сложным звеном этих технологий является процесс отбора ВЭР из вентиляционных и некондиционных дегазационных потоков.

Анализ существующих аппаратов, способных осуществлять выполнение названных функций, показывает, что поставленная цель технически реально выполнима.

Для извлечения метан разработаны и испытаны сорбционные методы на основе применения жидких углеводородных сорбентов.

Известен опыт извлечения метана из исходящих вентиляционных потоков путем получения газогидратов. На данном этапе развития технических решений экономически пока не выгоден. С изменением цен на энергоносители очевидно этот способ извлечения и утилизации метана найдет свою область применения. То же самое можно сказать и об абсорбционных методах. Они могут дать надежный эффект лишь в случае формирования основного процесса дополнительными экономически целесообразными технологическими средствами и мероприятиями.

Есть российские разработки по разделению бинарных газовых потоков с выделением воздушного потока с более высоким содержанием метана в смеси (25—40 % СН4). Для разделения газовых потоков созданы опытно-промышлен-ные установки работающие на принципе сепарации, вихревого воздействия и мембранного разделения газового потока с выделением метана.

Все установки показали высокую работоспособность и эффективность их применения. Работы были остановлены из-за прекращения финансирования в 1998 году.

Не получив промышленных установок для выделения метана исходящих вентиляционных потоков, с целью его использования в теплоэнергетике, было предложено ряд технических решений по прямому использованию исходящих вентиляционных метансодержащих потоков в теплоэнергетических установках. Практическую проверку прошли следующие три направления:

— использование для дутья при слоевом сжигании угля в топках паровых и водогрейных котлов;

— использование в качестве основного вида топлива в установках непосредственного сжигания для получения тепловой энергии;

— использование при совместном сжигании отходов углеобогащения с целью получения тепловой энергии и сырья для строй индустрии.

При подаче в котел дутья обогащенного метаном, вносится в топку энергия, равная половине количества энергии от сжигания угля. В результате сжигания низко концентрированных метановоздушных смесей повышается к.п.д. котла за счет резкого снижения потерь с химическим и механическим недожогом топлива. А от этого резко снижаются экологически вредные выбросы в атмосферу. Затраты на реализацию такой технологии незначительны по сравнению с технологией включающей газоподготовительную станцию (ГПС).

Использование в вихревых камерах сгорания с целью получения тепла и использования его в газовых калориферах для подогрева воздуха, подаваемого в шахту. Батареи вихревых камер сгорания, работающих на 1,5—3,5 % МВС, имеют мощность около 7 Гкал/ч. и могут быть альтернативой по сравнению с применением газа дегазации в горелках ГМГ-4,5. Установка из вихревых камер была испытана в г. Воркута на шахте «Северная». Имели экономию тепла 7 Гкал/ч, которую получали из котельной шахты или из теплотрассы от ТЭЦ. Установка является пионерной и аналогов в мировой практике нет.

Для использования в промышленных установках повышение концентрации метана производили добавлением его из дегазационных систем шахт с более высоким содержанием метана. Результаты промышленного использования показали, что дутье обогащенное метаном до концентрации 1,5—1,9 % повышает к.п.д. котла с 36—41 % до 53—55 %, за счет снижения потери тепла с химическим и механическим не дожегом, повышает паропроизводительность котла на 25—40 % и экономит до 35—40 % угля. Кроме того, позволяет сжигать угли с высокой зольностью, которые при воздушном дутье не горят.

Использование же в качестве основного вида топлива вентиляционных метаносодержащих потоков требует предварительного подогрева метановоз-душной смеси до температуры воспламенения метана. Так при содержании 1 % необходимо нагревать до 600 °С, а при 2,5 % — до 400°С отходящими продуктами сгорания. Таким образом в камере сгорания, состоящей из двух труб, происходит противоточный нагрев МВС до воспламенения, горения и подачи продуктов сгорания в теплообменник, где отбирается около 40 % химической энергии метана. Остальные 60 % энергии с температурой 500—600 °С могут быть использованы для любых технологических нужд шахты в непосредственных теплообменных устройствах, либо в серийно выпускаемых котлах-утилизаторах для получения пара или перегретой воды. Поэтому установка состоит из двух элементов: из камеры горения и теплообменника.

Имеются технические решения использования МВС с малыми концентрациями метана (2,5 — 3,5 %) в газотурбинных установках. Работа не имеет зарубежных аналогов. ГТУ оборудованы выносными камерами сгорания метановоздушных смесей с содержанием метана в них не более 3,5 %. Простейшая термодинамическая схема ГТУ включает компрессор, камеру сгорания и газовую турбину. По компоновке различают две схемы ГТУ — с замкнутым и открытым циклом. ГТУ с закрытым циклом представляет собой контейнер длиной 5300, шириной 2000 и высотой 1500 мм. Масса около 6000 кг, включая электрогенератор 3800 кг. Имеет пусковую схему. Полностью автоматизирована и рассчитана на 30 тыс. часов непрерывной работы.

Для использования метановоздушной смеси с концентрацией метана от 1,5 до 3,5 % выполнен контрольный расчет для газовой турбины и стабильности ее работы. Практически любая из известных газовых турбин мощностью от 0,5 кВт до 3,5 МВт может работать на газе с концентрацией 2,5—3,5 % при условии сжигания в камерах вихревого или фильтрационного горения.

Известен зарубежный опыт использования вентиляционных потоков, содержащих шахтный метан, в промышленных установках.

В Польше (Новая Гута) и Чехии (Остраво-Карвинские шахты) используется в качестве дутья в черной металлургии, а также для дутья в топки котлов при слоевом сжигании угля в котельных.

В Украине

В Великобритании используются в металлургической, цементной и коксохимической отраслях промышленности. Последние десять лет идет поиск техники и технологии для преобразования в электрическую энергию.

В Германии используют для дутья в топки котлов и доменных печей. Ведется поиск технологии получения электроэнергии с помощью ГТУ.

Франция в настоящее время прекратила работы по использованию вентиляционных потоков в связи с закрытием всех шахт в бассейне Шарбонаж де Франс. В настоящее время добывают метан из выработанных пространств и угольных пластов с передачей его в торговую сеть комерческих фирм.

По США данных нет.

Сведения о зарубежном опыте носят эпизодический характер, без конкретного освещения технических и технологических решений. В основном присутствуют данные экологического и экономического направления.

Аппараты, совмещающие функции проветривания и очистки воздуха, производятся, например, акционерной компанией «Экорест» Лтд. Задача решается на основе модульной компоновки системы пылегазоочистки. Для этой цели создан аэродинамический модуль (АДМ), основанный на аэродинамическом принципе разделения многокомпонентных текучих сред. Модульная компоновка обеспечивает монтаж установок с широким диапазоном параметров за счет последовательного и па-

раллельного соединения аэродинамических модулей. По данным фирмы стоимость установки на 20—30 % ниже подобных существующих устройств аналогичного назначения, а эксплуатационные расходы при использовании АДМ уменьшаются в десятки раз.

Аэродинамический принцип разделения многокомпонентных текучих сред положен нами в основу решения задач как улавливания пыли, так и отделения метана от обшего вентиляционного потока. На этом принципе нами разработан газоразделительный сепаратор. Принцип действия его заключается в том, что газовая смесь или запыленный газ пропускается по спирально-коническому каналу, в котором происходит разделение компонентов, отличающихся плотностью. Спирально-конический канал предотвращает образование вихревого шнура, что обеспечивает эффективное разделение газов, а тем более разнофазных компонентов.

Необходимо отметить, что на шахтах и в угольных регионах системы транспорта метановоздушных смесей, от мест их извлечения до потребителей не развиты, а оборудование для транспортирования газа в государственных газовых магистралях не может быть использовано для транспортирования мета-новоздушных смесей с концентрацией метана от 3,5 до 60 %.

Развитие работ по извлечению и использованию метановоз-душных смесей дегазационных систем действующих и закрываемых шахт требует создания транспортных систем, отвечающих специфике рассматриваемого процесса, т.е. обеспечить сбор МВС от ряда скважин или группы шахт и безопасной передачи их потребителю на расстояния в пределах 30—35 км.

Созданная технологическая система сбора, подготовки и транспортировки метана угольных пластов позволяет использовать технические и экономические возможности оборудования, аппаратуры и приборов обеспечивающих эффективное промышленное использование метана угольных пластов.

Одновременно она является демпфером для утилизационных установок от нестабильности дебита поступающей газовоздушной смеси.

Важным направлением повышения эффективности использования ТЭР является применение вторичных ресурсов, в част-

ности, низкопотенциальной тепловой энергии, содержащейся в природных условиях, а также выбрасываемой производственными предприятиями в природную среду. Это имеет особую актуальность при стоящей перед производством задачей интенсификации технологических процессов при максимальной экономии сырьевых и теплоэнергетических ресурсов. Единственный путь для этого — создание эффективных теплотехнических технологий. При этом все энергетические ресурсы, включая вторичные, с максимальной полнотой либо будут использованы в производстве полезной продукции, либо будут способствовать производству полезной продукции конкретного предприятия.

Основными задачами в этом направлении являются:

• разработка перспективных технологических процессов трансформации энергии шахтного метана и теплоты вентиляционных и водоотливных систем шахт в тепловую и электрическую энергию на новых устройствах и технологиях;

• перспективные системы передачи тепла, которые обладают повышенной пропускной способностью, и удовлетворяют современным экологическим и экономическим требованиям в части защиты окружающей среды и обеспечивающим минимум отчуждаемой земли.

В этом направлении выполненные прикладные исследования соответствуют следующим приоритетным направлениям исследований:

• «Экология и рациональное природопользование», подраздел «Технологии реабилитации окружающей среды от техногенных воздействий».

• «Новые материалы и химические продукты», подраздел «Материалы и сплавы со специальными свойствами».

Источниками низкопотенциальной тепловой энергии (НТЭ) являются многие установки общепромышленного назначения: миниэлектростанции, компрессорные станции, электрические приводы большой мощности; а также технологическая вода, откачиваемые из шахт и рудников подземные воды и так далее. Количество теплоты, выбрасываемой вышеуказанными источниками, велико.

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 исключается из-за сокращения отходящей теплоты.

НТЭ — перспективный ресурс, но ее сложно утилизировать из-за отсутствия подходящих компактных и экономичных теплообменников, теплоутилизаторов, тепловых насосов и теплогенераторов.

У существующих приборов 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 до некоторой промежуточной, недостаточной для обогрева зданий, температуры, с последующим подогревом ее в котлах.

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

Средняя температура воздушных и водных потоков 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, предусмотренных проектом предприятия, оказывается недостаточно. Позволит исключить дефицит тепловой энергии установленных на предприятии теплопроиз-водящих агрегатов.

Существующие теплообменные аппараты и их конструктивные особенности пока не позволяют эффективно утилизировать теплоту отходящих вентиляционных потоков и водоотливных систем шахт и рудников.

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 оС до +8 оС) теплопе-редающим агентом. Это обеспечит повышение эффективности 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.

Анализ технических решений по использованию теплоты исходящих вентиляционных потоков промышленных предприятий позволил сделать следующие выводы:

- отбор теплоты от исходящих потоков осуществляется через поверхностные 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, применяют теплообменники с циркулирующим водным теплоносителем, которые необходимо заменить на тепловые трубы с низкотемпературным теплоносителем (кипение и образование 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 используются 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, ггщ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ельчанинов Е.А., Ельчанинова Е.А. — Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru.