Скважинный углегазоэлектрический комплекс и проблемы экологии

--© Ю.Ф. Васючков, Б.М. Воробьев,

2006

УДК 622.241:622.8

Ю. Ф. Васючков, Б.М. Воробьев

СКВАЖИННЫЙ УГЛЕГАЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС И ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ

Семинар № 11

онцепция новой энергетической идеи на XXI век» была выдвинута Международной Топливно-Энергетической Ассоциацией (1977г.). Новая Энергетическая Идея материализуется в системе энергетика - экономика -природа - общество, однако, представляется более правильным включить сюда ее исходный системный элемент «топливо», и тогда система получит законченный вид: топливо - энергетика - экономика - природа - общество.

Именно с таких системных позиций и производится концептуальное исследование формирования комплексов «Углегазэ-лектричество». Устойчивое раз-витие энергетики выдвигает требование создания топливно-энергетических производств вневедомственного и межотраслевого характера. Долгосрочный прогноз (до 2060 г.) Всемирного угольного института (Великобритания) определенно указывает на существенное повышение роли угля в сравнении с природным газом, особенно нефтью, за пределами 2010-2015 гг. Уголь должен рассматриваться как базовое стратегическое топливо, ресурсы которого настолько велики. В этом контексте на первый план выдвигается требование ресурсосбережения и обеспечения экологической безопасности угле-энер-гетического производства.

В следующее столетие Россия войдет с одной из самых устаревших в мире энергетических систем. Уже сейчас в России около 30 % всего оборудования в энергетическом секторе требует немедленной замены, а более четверти электрогенери-

рующих мощностей подлежат замене в ближайшие 5 лет. Строительство традиционных ГЭС, ГРЭС, ТЭЦ и АЭС, а также дальних высоковольтных ЛЭП оказывается не эффективным как в экономическом, так и в экологическом отношении. Каждый объект большой энергетики является исключительно капиталоемким с большим сроком строительства и окупаемости капиталовложений. То же можно сказать и о капиталоемком угольном производстве.

Особо остро стоит вопрос экологической чистоты выбросов электростанций, питающихся углем. Никакие из ныне используемых технических средств снижения выбросов газов и пыли в атмосферу не могут кардинально решить экологическую проблему угольной электроэнергетики. Только переход на новые технологии использования угля как энергоносителя позволит решить эту проблему.

В настоящее время развитие угледобычи сдерживается постоянно усложняющимися горно-геологическими условиями залегания угольных пластов и повышающимися требованиями по охране окружающей среды. По-видимому, дальнейшее совершенствование существующей технологии добычи угля и его использования в энергетике уже не сможет привести к качественно новым результатам в экономическом, экологическом и социальном аспектах. Значительное повышение производительности труда, частичное и даже полное устранение труда шахтеров в подземных условиях, наряду с эффективной системой природопользования и охраной окружающей среды могут быть достигну-

ты только путем перехода на нетрадиционные принципиально новые технологии.

В электроэнергетике вообще и в угле-энергетике особенно научно-техни-ческий потенциал должен быть переориентирован на:

- создание новых энергоэффективных технологий, машин, оборудования, материалов и экономически доступных нетрадиционных источников энергии и замкнутых производственных циклов, энергоэффективных, экологически и социально безопасных;

- ускоренное переоснащение угольной промышленности на ближайший тридцатилетний период с целью подготовки ее ресурсно-технологичес-кой базы для перехода к «Новой угольной волне»;

- усовершенствование и создание перспективных комплексных технологий в электроэнергетике, обеспечивающих при использовании газа и угля повышение КПД энергоустановок до 70-80 %, многократное увеличение мощностей ПГТУ при резком сокращении выбросов диоксидов углерода и оксидов серы и азота.

Существующие устройства очистки газов на угольных электростанциях хотя и могут обеспечить предельно допустимые нормы выбросов поллютантов, но являются весьма дорогими системами. Транспорт угля на большие расстояния от мест его добычи до тепловых электростанций также существенно удорожает стоимость угля, а, следовательно, и стоимость вырабатываемой электроэнергии и, кроме того, нарушает экологию окружающей среды. Социально-экономическая обстановка в России остро ставит вопрос о необходимости создания реальных технологий уг-леэнергетического производства нового поколения - экономически эффективных, экологически чистых, ресурсосберегающих и социально приемлемых. В нынешних условиях интеграция электроэнергетики и угольной отрасли становится стратегическим направлением в развитии (ТЭК).

Первостепенное значение в реализации энергетической стратегии имеет создание принципиально новых ресурсосберегающих и экологически чистых технологий и технологических решений по добыче и использованию угля, обеспечивающих энергосбережение и социально-экологическую безопасность. США, Германия, Англия, Япония и др. создали ряд технологически пионерных решений в области энергосберегающих и экологически чистых технологий углеэнергетики - внут-рицикловой углегазификации, интегрированной с паро-газотурбинными электроэнергетическими установками комбинированного цикла. В России создана концепция и произведены разработки в области углеэнергетики - создания скважин-ных локальных углегазоэлектрических комплексов (СУГЭК) [1-5]. Эта инновационная концепция по горному циклу базируется на достижениях в области сква-жинной добычи шахтного метана (направленное бурение скважин с поверхности, различные высокоэффективные способы стимулирования газоотдачи и др.), в области подземной и внутрицикловой угле-газификации и подземного сжигания угля в массиве, в области скважинной гидродобычи; по электроэнергетическому производству эта концепция основывается на передовых инновационных технологиях углеэнергетики (применение внутрицикловой углегазификации, паро-газо-турбинных установок, работающих по комбинированному циклу и использование экологически эффективных систем очистки выбросов). Эти технологические достижения в значительной степени апробированы в промышленности. В рамках концепции предполагается создавать интегрированные предприятия с непосредственно сопряженными горнотехнологическими процессами разработки углеметановых месторождений и процессами выработки электроэнергии непосредственно на шахтном поле.. Прямых аналогов таким интегрированным комплексам

нет ни в отечественной, ни в зарубежной практике.

Оценка уровня экологической чистоты технологии для системы СУГЭК является чрезвычайно актуальной в свете почти полного отсутствия исследований и методических разработок такого рода, несмотря на большое количество исследований, касающихся отдельных компонентов системы. Локальный комплекс, предназначенный для добычи угля-метана и выработки электроэнергии, рассматривается как сложная многокомпонентная эколого-производствен-ная система.

При установлении уровня качества окружающей среды предлагается применять дифференциальный метод расчета затрат на восстановление состояния окружающей среды в зависимости от объектов/компонентов экосистемы, подвергающихся техногенным воздействиям.

На рис 1. приведена принципиальная схема углегазоэлектрического комплекса для условий крутого угольного пласта Кузнецкого бассейна.

Оценку вредного воздействия на окружающую среду при функционирования системы СУГЭК рекомендуется вести по величине затрат на природно-восстановительные работы; на этой же методической основе определяется и качество окружающей природной среды. В этом случае понятия «затраты на природно-восстановительные работы» и «ущерб окружающей среде» сближаются и становятся практически идентичными [6].

Разработанная методика системной оценки уровня экологической чистоты технологии предусматривает исходное качество окружающей среды, а затем определяется интегральный ущерб окружающей среде от функционирования. При сравнительной оценке экологической эффективности технологий выделены пять

системных компонентов: атмосфера, биосфера, гидросфера, литосфера и антропо-сфера.

Стержневым моментом разработанной модели является графическое представление отношений между выделенными системными компонентами внутри системы с помощью квалиграммы комплексной системной оценки социо-экологической эффективности технологических решений СУГЭК (рис. 2).

Степень антропогенного воздействия ЛУГЭК на окружающую среду в рамках модели по каждому выделенному фактору оценивается в баллах методом групповой экспертизы. Предлагаемая интегральная оценка ущерба окружающей среде по всем выделенным факторам по каждому технологическому процессу технологического комплекса «СУГЭК» определяется по 10-бал-льной шкале на сводной матрице относительных оценок.

Разработаны и предложены для практического использования две стратегии природно-восстановительных работ при функционировании комплекса: стратегия финальной рекламации и поэтапная стратегия природно-восста-новительных работ. Социально-эколо-гическая оценка по разработанной методологии представляет собой блок моделей, включаемых в общесистемную процедуру оценки эффективности технологии ЛУГЭК.

Социально-экологическая оценка реализуется путем включения в общую модель наряду с общепринятыми компонентами экосистемы антропосферы как системного компонента. Оценка сравнительного уровня социо-эколо-гической эффективности комплекса СУГЭК производится на качественном уровне. Результаты сравнительного анализа воздействия на окружающую среду по социо-экологическим факторам

I---1

Ш

2 2 -^

^-"" зП

21

-

р.,,;

21

1 - газовая турбин;

2 - генератор

3 - паровая турбина

4 - трансформатор

5 - линия электропередачи

6 - воздухо/кислородный бустер

7 - теплообменник-парогенератор

8 - бойлер-парогенератор

9 - вода

10 - газоочистка

11 - дымовая труба

12 - буровой станок

13 - огневой забой 14- канал первоначальной сбойки

15 - бурение наклонной скважины

16 - наклонные скважины подготовленной панели

17 - метанодренажная скважина

метан

генераторный газ /

пар

дым/отработанный газ вода

воздух/кислород метано-газовая смесь

I - панель в подготовке

II - панель, подготовленная к метанодренажу (скважины сбиты, гидрорасчленение пласта) Ш - панель в стадии метаноотсоса

IV - панель в стадии углегазификации

= =>

18- воздухо-кислородная дутьевая скважина; 19 - газопродуктовая скважина; 20 - высокотемпературный газ из газовой турбины; 21 - пар; 22 - генераторный газ; 23 - метан Рис. 1. Скважинный углегазоэлектрический комплекс

приводится в таблице. На последующих обоснования уровень социо-

стадиях разработки технического задания экологической эффективности должен и выполнения технико-экономи-ческого определяться в количественном

Социально-экологическая оценка технологии СУГЭК

Традиционная технология | Нетрадиционная технология

I. Горнодобывающий подкомплекс работ Экологические вредности

Подработка поверхностных зданий, сооружений, водоемов; нарушение поверхности, с/х земель и т.п. Незначительно

Нерациональное использование земли: размещение отвалов, угольных складов; пром. зданий и сооружений угольной шахты Угольные склады и терриконики (отвалы) отсутствуют. Промышленные здания и сооружения на промплощад-ке в минимальном количестве

Нарушение естественного баланса подземных вод шахтным водоотливом; загрязнение естественных водоемов сбросами техн. вод углеобогащения Незначительно нарушается водный баланс. сбросы технических вод от обогащения отсутствуют

Выбросы в атмосферу метана, пыли, газов, БОх, ЫОх из горящих террикоников Выбросы в атмосферу метана - отсутствуют. БОх, ЫОх из горящих отвалов - отсутствуют

Социологические вредности

Шум от шахтных вентиляторов и пр. Техногенные шумы отсутствуют

Потенциально опасная работа в подземных условиях: взрывы метана, пыли, подземные пожары, внезапные выбросы угля и газа Отсутствуют

Производственный травматизм, связанный с работой в шахте Отсутствует

Повышенный уровень профессиональных заболеваний: антракоз, силикоз, пневмокониоз и др. Отсутствует

Предельно низкая комфортность условий труда в шахте Отсутствует

II. Электроэнергетический подкомплекс работ Экологические вредности

Экологические вредности, связанные с ж/д или автотранспортом угля от шахт к ТЭС (запыле-ние дорог и др.) Отсутствуют

Экологические вредности, связанные с погру-зочно-доставочными работами на углеприем-ных комплексах ТЭС (пыль) Отсутствуют

Экологические вредности, связанные с хранением угля на складах (пыль, самовозгорание угля в штабелях ) Отсутствуют

Экологические вредности, связанные с золоудалением и золоразмещением Отсутствуют

Эмиссия тепла в атмосферу

Выбросы сернистых и азотных окислов в атмосферу (БОх, ЫОх) Значительно снижены

Выбросы твердых частиц в топочных газах при сжигании угля Отсутствуют

Социологические вредности

Некомфортные и профессионально вредные условия труда на угольных складах, в углепо-мольных и сушных отделениях Отсутствуют

Некомфортные условия труда по золоудалению и золосохранению Отсутствуют

выражении, чему и послужит предлагаемая методика.

Показатель энергоэффективности отдельных конверсионных процессов и всего комплекса ЛУГЭК является одним из наиболее важных, если не самым важным, позволяющим определить общую экономическую эффективность всего комплекса процессов скважинного комплекса. Будучи объективным и натуральным показателем эффективности преобразования тепловой энергии угля-метана в электроэнергию, он не подвержен конъюнктурным колебаниям и на прямую не зависит от колебания цен на топливо, материалы, рабочую силу, не зависит от тарифов на отпускаемую электроэнергию и т.п. В этом случае он определяется уровнем технологического совершенствования системы.

Коэффициент полезного действия процесса или комплекса п представляет собой отношение полученной полезной энергии к затраченной энергии. Величина, обратная п называется удельным расходом затраченной энергии. Проведенное сравнительное исследование энергобалансов уг-ле-энерге-тических комплексов с шахтной

Рис. 2. Квалиграмма комплексной системной оценки социо-экологической эффективности организационно-технологических схем

добычей угля и паро-газотурбинных ТЭС и для комплексов СУГЭК с паро-газотурбинными ТЭС комбинированного цикла показывает, что энергетическая эффективность комплекса СУГЭК больше, чем в 4 раза превышает аналогичный по-казатель для традиционных технологий углеэнергетики. Сравнение экологических характеристик скважинной и традиционных технологий наглядно показывает неоспоримые преимущества предприятий СУГЭК [7].

Выводы

1. Сформулированы принципы, на основе которых должны создаваться принципиально новые технологии угле-энергетики, обеспечивающие энергосбережение, экологически и социально приемлемые и отличающиеся высокой экономической эффективностью.

2. Доказано, что принцип ресурсосбережения первичных энергоносителей в комплексе СУГЭК реально может материализоваться:

- по горному циклу - путем вовлечения в эксплуатацию дополнительной части забалансовых запасов угля, сокращения потерь угля в недрах, одновременного использования определен-ной части угле-пластового метана;

- по электроэнергетическому циклу -путем существенного повышения КПД или снижения удельного расхода энергоносителя на ТЭС с установкой комбинированного цикла.

3. Показатель энергоэффективности является главным и определяющим экономическую и социо-экологическую эф-

фективность технического решения всего комплекса ЛУГЭК.

4. Установлено, что принцип конверсии энергии на различных этапах и технологических уровнях комплексного производства электроэнергии в систе-мах ЛУГЭК является необходимым условием эффективного функционирования предприятия на различных технологических уровнях.

5. Показано, что принцип многоуровневого интегрирования элементов горно-эксплутационного и электроэнергетического производства имеет сквозной характер, т.е. предусматрива-

1. Патент Российской Федерации, № 2100588, «Способ получения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или подземном углесжигании» Васючков Ю.Ф. и Воробьев Б.М. 27 декабря 1997.

2. Васючков Ю.Ф., Воробьев Б.М. Новая концепция эксплуатации угольных месторождений. "Минно Дело и Геология ", Болгария, София, № 4, 1997.

3. Васючков Ю.Ф., Воробьев Б.М. Новая концепция эксплуатации углегазовых месторождений - база ресурсосберегающих чистых электроэнергетических комплексов. «Уголь», декабрь, 1997.

4. Васючков Ю.Ф., Воробьев Б.М. Формирование локальных угле-газ-энерге-тических комплексов на базе экологически чистых и ресурсосберегающих нетрадиционных технологий (системный подход). Горный

ет интегрирование технологических процессов на всех уровнях комплекса УГЭ.

6. Принцип гуманизации горноэнергетического производства и его реализация, особенно в части горноэксплуатационного цикла, является практически осуществимым.

Реализация данной концепции «углега-зоэлектричество» в виде локальных СУ-ГЭК является в настоящее время практически единственным инновационным направлением в угольной энергетике, которое позволит обеспечить ресурсосберегающее, экологически чистое и экономически эффективное угле/метано-электроэнергетическое производство.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

информационно-аналитический бюллетень N2. Издательство Московского Государственного Горного Университета . М.: 1998

5. Vasyuchkov Yu.F.; Vorobjev B.M., Va-sioutchkov K. Unconventional mining technologies for clean and efficient power generation. Mining Engineering, April, 1998.

6. Воробьев СБ. Системная оценка эффективности ресурсосберегающей экологически чистой технологии "Угле-газ-Электри-чество". Горный информационно-аналити-ческий бюллетень, N2, 1998. Издательство Московского Государственного Горного Университета. М.

7. Geotechnical methods for coal mining. XVI Mining Congress, 1999, Ankara, Turkey, Coauthors: Yu. Vasyuchkov, B. Vorobjev, S. Vorobjev et al.

— Коротко об авторах -

Васючков Ю. Ф. - профессор, доктор технических наук, Заслуженный деятель науки РФ, акад. РАЕН,

Воробьев Б.М. - профессор, доктор технических наук, акад. АГН. Московский государственный горный университет.