Размещено на http: //www. allbest. ru/
ОАО «НЦ ВостНИИ» и Институт угля СО РАН, профессор ЮТИ ТПУ
Энергию угля - без опасности!
С.А. Прокопенко (д-р техн. наук, профессор,
ведущий научный сотрудник)
В.С. Лудзиш (д-р техн. наук, проф., ведущий научный сотрудник)
А.В. Сурков (д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник)
Аннотация
Прокопенко Сергей Артурович
Е-mail: sibgp@mail.ru
Лудзиш Владимир Станиславович
Сурков Александр Васильевич
Показаны комплекс накопившихся проблем и приближение к исчерпанию возможностей безопасного освоения литосферного пространства угольных месторождений Кузбасса с применением современных технологий подземной угледобычи. Предложен одностадийный подход к получению энергии из угольных пластов. Разработана схема технологии подземной энергодобычи на основе газификации и сжигания угля в подземных печах с отводом горючего газа и пара на мини-ТЭЦ. Представлены достоинства предлагаемой технологии в сравнении с известными ранее и традиционной угольной энергетикой.
Ключевые слова: ШАХТА, БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭНЕРГЕТИКА, СИСТЕМА, УГОЛЬ, ГАЗИФИКАЦИЯ, ПЕЧЬ, ТЕПЛООБМЕННИК
угольный месторождение подземный энергодобыча
Annotatіon
COAL ENERGY - WITHOUT DANGER!
S.A. Prokopenko, V.S. Ludzish, A.V. Surkov
The range of existing problems and the approach to the stretched capacity of the safe introduction of a person with the use of modern technologies of underground coal mining in the bowels of the Kuzbass are shown. A one-step approach for the energy generation from coal seams is proposed. Technology scheme of underground energy generation on the basis of coal burning in underground stoves with burning gas and steam piping to small power station is developed. Advantages of the proposed method in comparison with the conventional and traditional energy production from coal are presented.
Key words: MINE, SAFETY, ENERGY PRODUCTION, SYSTEM, COAL, GASIFICATION, STOVE, HEAT EXCHANGER
Анализ истории совершенствования горного производства Советского Союза и России со второй половины ХХ века по настоящее время и связанной с этим проблемы безопасности угольных шахт, проведенный специалистами ОАО «НЦ ВостНИИ», показал неуклонный рост аварийности и травматизма и выявил постоянное заметное отставание в вопросах предупреждения и создания условий для безопасной угледобычи и охраны труда.
К настоящему времени накопился целый ряд противоречий между техническими средствами и способами подземной угледобычи, организационно-техническими, конструктивными и проектными решениями, управлением шахтами и развитием аварийных ситуаций в них. Как указывают специалисты [1], используемые организационно-технические решения в отношении средств и способов обеспечения промышленной безопасности угольных шахт во многом устарели и не соответствуют современному уровню развития техники и технологии работ по выемке и транспортировке угля. Сложившиеся требования нормативных документов по обеспечению пылевзрывобезопасности, газозащите, вентиляции, защите выработок от возникновения эндогенных пожаров, креплению выработок и т.п. не соответствуют современному уровню развития техники и технологии угледобычи: многооперационны, трудоемки, неэффективны. Принцип шахтной вентиляции, предусматривающий разбавление метана и вынос его по выработкам на поверхность, по мнению авторов [1], практически себя исчерпал. По многим направлениям требуется безотлагательное обновление методических пособий и нормативных требований на методологическом уровне [2]. Встречаются случаи некачественного проектирования шахт и неквалифицированной экспертизы проектных решений. Как пишут авторы [3], «… сама методология экспертизы проектных решений основана исключительно на требовании обеспечивать соответствие проектных решений нормативным документам, которые безнадежно устарели, «вчерашний день». Проектировщик вынужден не изыскивать безопасные и рациональные, а подбирать из нормативных документов известные, часто устаревшие и тем неадекватные решения».
По оценке специалистов, проблема охраны труда и промышленной безопасности угольных предприятий в первую очередь проистекает из неадекватного управления персоналом и производством, не позволяющим купировать опасную ситуацию. Аварии все чаще становятся неуправляемыми и перерастают в катастрофы.
Всем памятна катастрофа на шахте «Распадская» в 2010 г., унесшая жизни 90 человек. Эта шахта была флагманом российской подземной угледобычи. Совсем недавно - в январе 2013 г. произошел взрыв метана в «Шахте №7» (входит в ОАО «СУЭК-Кузбасс»), погибли 8 горняков. Двумя неделями ранее там же произошло обрушение кровли выработки, в результате чего погиб горнорабочий. И это все самые передовые угольные производства, спроектированные по прогрессивным технологиям на основе последних представлений и оснащенные новым импортным оборудованием.
Вероятно, сопротивление Земли техногенному вторжению человека в ее недра нынешними технологиями угледобычи приближается к уровню исчерпания возможностей их безопасного применения, и требуются качественно новые подходы к освоению пространства литосферы. Системный подход определяет необходимость критической оценки и осмысления траектории развития наряду с шахтой и всей системы «шахта-ТЭЦ».
Развитие российской угледобычи в последние десятилетия идет по пути концентрации горных работ, закупки за границей и внедрения мощной и производительной техники, совершенствования технологий и схем отработки пластов, строительства современных обогатительных фабрик и т.д. Энергетическое производство улучшается за счет новых конструкций котлов, топок, электрогенераторов, дробильно-размольных комплексов. Как на добычных, так и на перерабатывающих производствах занимаются внедрением пылегазоулавливающего оборудования, строительством очистных сооружений для сбрасываемых вод, рекультивацией нарушенных земель, улучшением санитарных условий труда.
Но все это происходит в рамках существующей системной концепции. Радикальных, принципиальных изменений в системе российской углеэнергетики не происходит и пока даже не предвидится.
В 1954 г. академик П.Л. Капица написал Н.С. Хрущеву: «Сейчас Академия наук по заданию Совета Министров отбирает ведущие проблемы во всех областях науки. Сперва казалось, что будут отбирать как раз эти передовые проблемы, которых в каждой области науки на очереди не больше двух-трех. Но на деле оказалось иначе. Уже принято 80 проблем и самых разнообразных по характеру. Большинство из них не относятся к тому роду ведущих проблем, о которых я говорю. Ряд ведущих проблем среди них даже отсутствует. Например, среди [принятых] проблем есть такая важная, но не принципиальная проблема: «Борьба с браком на электровакуумных заводах»,- однако отсутствует проблема прямого превращения энергии сгорания угля в электроэнергию. Эта фундаментальная проблема современной электрохимии сейчас, в связи с возможностью эффективной кислородной газификации угля, приобретает более актуальное значение. Я лично думаю, что не пройдет и нескольких десятков лет, как она будет решена, и тогда это революционизирует энергетику, так как изменит облик современных электростанций…» [ 4 ].
С той поры прошло 60 лет, а наша угольная энергетика совершенствуется лишь по пути модернизации, не меняясь качественно. Несомненно, что «локомотивом» здесь должен был выступить главный угольный регион страны. Однако Кузбасс не стал примером в новых подходах к использованию энергии угля. Технологический уклад угольной энергетики все также продолжает оставаться двухстадийным, многооперационным, затратным, опасным.
Между угольным пластом и проводом под напряжением сохраняются два промышленных передела - механический и химический. На первом переделе пластовый уголь преобразуется в поток его отдельностей для удобства перемещения на земную поверхность и затем к ТЭЦ. Для этого передела человек строит в большом количестве шахты и разрезы - высокозатратные и опасные горные производства. На функциональном уровне разницы между шахтами и разрезами нет, что отмечает и академик К.Н.Трубецкой в своем фундаментальном учебнике [ 5 ]. Функция извлечения угля, будучи объективированной в шахту, несет больше опасностей для человека, а при объективации в разрез - больше опасностей для окружающей природной среды.
На втором переделе отдельности угольного энергоносителя дробятся и измельчаются в пыль, которая подвергается реакции окисления в топках ТЭЦ с получением перегретого пара, преобразованием его движения в электрическую энергию и выдачей горячей воды в тепловую сеть. Сопровождающие технологию электропроизводства негативные экологические воздействия имеют масштабные и длительно действующие последствия для биоты. Расходование больших средств на рекультивацию территорий, улавливание пылегазовых выбросов, осветление технологических вод и т.п. способствует лишь некоторому ослаблению отрицательного влияния на биосферу.
Оба передела, суммируя затраты, риски, мероприятия по их ослаблению, в итоге определяют высокую стоимость российского угольного электричества. Продукт системы становится неконкурентоспособным. В ряду возможных видов энергетики (атомной, газовой, гидравлической, геотермальной, ветряной) угольная занимает последнее место по конкурентоспособности. В последние годы наблюдается и низкая конкурентоспособность нашего кузбасского угля при вывозе его за пределы страны из-за высокой стоимости. В условиях происходящего падения спроса на уголь в США и Европе в связи с активным развитием добычи сланцевого газа перспективы кузбасского угля на зарубежных рынках ухудшаются. Более того, в Кузбассе и в соседних регионах увеличивается количество территорий и объектов, использующих природный газ. Электроэнергии же дешевой и в избытке Кузбасс не имеет и не предлагает, экспортируя за свои границы лишь каменноугольный энергоноситель, пользоваться которым даже в Кемеровской области желающих становится все меньше.
В плане безопасности уголь подземной добычи достается нетерпимо большими жертвами. Так, в 2010 г. в шахтах Кузбасса погибло 113 горняков, что на 87 человек больше, чем в предыдущем году. Всего же на предприятиях горной отрасли Кузбасса в 2010 г. зафиксировано 807 случаев производственного травматизма или на 150 случаев больше, чем в 2009 г. [6]. Экономический ущерб от аварий составил 9,5 млрд рублей. Основные причины, по данным Ростехнадзора, - это нарушение технологии производства работ, несоблюдение требований проектной документации, неправильная организация работ, нарушение производственной дисциплины. И практически везде при расследовании причин несчастных случаев отмечался низкий уровень производственного контроля за выполнением требований промышленной безопасности.
Отмеченные выше обстоятельства определяют острейшую необходимость существенного и активного преобразования российской угольной энергетики на основе прорывных идей и решений, дающих новое качество системе «уголь-электричество». Принципиальным обновлением технологического уклада кузбасской (и российской) угольной энергетики может служить соединение двух переделов в один с размещением его in situ (на месте) энергетического ресурса. Нужна печь под землей! Без людей. Это позволит разрешить целые комплексы проблем, тисками сдавивших нынешние производства углеэнергетической отрасли.
Первым устройством человека для эффективного преобразования угля в тепловую энергию была каменная, а затем кирпичная печь. Это было сооружение для направленного отвода тепла и отходов (дым, зола) сгорания дров и угля. Если представить угольный пласт расположенным на земной поверхности с максимально облегченными условиями доступа к нему, то наверняка человек не стал бы разрабатывать и перевозить энергосодержащую горную массу на ТЭЦ. Он бы расположил ТЭЦ вблизи энергетического сырья, разделил бы его на блоки, изолировал от атмосферы для исключения потерь и стал бы выжигать и газифицировать на месте, передавая потоки газа и пара на турбины. Транспортировать газ, пар, электричество много дешевле, чем горную массу вагонами и самосвалами.
Природа не дала нам в Кузбассе такого идеального примера размещения угольных пластов. Все пласты расположены в толще литосферы, будучи перекрытыми слоями пород различной мощности. Следовательно, нужно научиться готовить печь под землей. Для этого требуется лишь нарезать столбы угля в пласте и изолировать их друг от друга, так как главные стены у такой печи уже имеются - кровля и почва пласта, а выход пласта из коренных пород перекрыт слоем рыхлых отложений. Столбы нарезают длиной 600-800 м по падению и шириной 30-60 м по простиранию пласта. В нижней части столбы ограничивают общим штреком, пространство которого соединяют с атмосферой скважинами. Затем в выработках возводят из кирпича или другого негорючего и жаростойкого материала изолирующие стенки. Таким образом сооружается печь под землей. Подземная угольная печь - это природно и инженерно изолированный столб угля в недрах, газифицируемый и выжигаемый для выдачи на земную поверхность горючего газа и водяного пара с оставлением твердых отходов на месте их залегания.
Схема строительства подземных печей и осуществления подземной энергодобычи (взамен угледобычи) представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 Схема последовательного выжигания угля в пласте и осуществления энергодобычи: I - II - выжигаемые печи; III - подготовленная печь; ТО 1-6 - теплообменники; ЭГ - электрогенератор
Работы осуществляют следующим образом. По падению угольного пласта последовательно проходят выработки - уклоны (стволы) на глубину 600-800 м, которые затем соединяют горизонтальной выработкой - запальным штреком. Ширина нарезанных таким образом печей составляет 30-60 м и определяется необходимой производительностью теплообменников-парогенераторов, мощностью пласта, калорийностью угля и т.д. Высота создаваемых выработок соответствует мощности пласта. С целью предотвращения перемещения огневого фронта за пределы блоков почва запального штрека изолируется огнеупорными материалами (кирпич, бетон, современные негорючие материалы), как показано на рисунке 1. Вдоль оси каждого уклона по всей их длине возводятся огнестойкие перемычки, разделяющие выработанное пространство на две части. Для повышения безопасности изолирующие сооружения заглубляются в породный массив почвы и кровли выработок. Таким образом, в недрах формируются изолированные печи угля, выступающие в дальнейшем в качестве термогазогенераторов.
С поверхности земли в запальный штрек каждой печи бурят скважину для подачи воздуха и регулирования процесса выгазовывания (выжигания) пласта. С целью поддержания высокого температурного режима в зоне нахождения теплообменника уклоны через 100-150 м оборудуют шлюзовыми воротами, управляемыми диспетчером с поверхности. В каждый шлюз с поверхности бурят скважины, соединяя их трубопроводной сетью с газовой турбиной электрогенератора. На трубопроводе для охлаждения газа устанавливают теплосъемник, передающий образующийся пар в дутьевую скважину для повышения эффективности газификации угля.
На почве уклонов по обе стороны от перемычек монтируют рельсовые дороги для передвижения теплообменников, представляющих собой цилиндрические котлы диаметром 1,5-2 м и длиной 3-4 м на колесах (наподобие железнодорожных цистерн), перемещаемые с поверхностного диспетчерского пункта посредством лебедок. По рельсовым дорогам в уклоны двух первых столбов на уровень запального штрека спускают теплообменники (парогенераторы) и соединяют их системой жестких и гибких трубопроводов с паровой турбиной электрогенератора и резервуаром теплоносителя на поверхности. Парогенераторы, трубопроводы, рельсы, канаты и т.д. изготавливают из материалов, выдерживающих образующуюся под землей высокую температуру. В качестве средств слежения за процессом газификации угля на несгораемых стенках выработок и на теплообменниках устанавливают датчики контроля температуры, расхода и давления пара и газа.