После завершения подготовки двух первых печей угля и удаления фронта проходческих работ по простиранию пласта в печи I с запального штрека осуществляют розжиг угольного массива. С поверхности через подающую скважину доставляют в огневой забой воздух и производят выгазовывание пласта. Образующийся генераторный газ поступает в уклоны и через отводящие скважины выводится на поверхность. На поверхности газ поступает в систему газопровода и, пройдя предварительную очистку, транспортируется к электрогенератору. Одновременно с этим осуществляют процесс паропроизводства в передвижных теплообменниках. Для этого из резервуара на поверхности по водопроводу подают в теплообменники 1 и 2 воду, которая вследствие высокой температуры в огневом забое превращается в пар и по паропроводу выдается на паровую турбину электрогенератора. Через теплообменники производится съем выделяемого углем тепла, которое при традиционной технологии подземной газификации угля (ПГУ) бесполезно расходуется на ненужный нагрев вмещающих пород. Возможна организация контурного (каскадного) съема тепловой энергии сжигаемого угля, когда на первом контуре (в подземном теплообменнике) используются тяжелые жидкости (жидкий калий или гликоль) с температурой кипения около 600 оС, отдающие тепло водяному теплоносителю в более безопасной зоне. Таким образом обеспечивается высокая эффективность подземной газификации угольного пласта с производством электроэнергии на двух турбинах, питаемых паровым и газовым энергоносителями. Получаемый из-под земли технологический газ помимо энергетической цели может быть использован для химической его переработки с получением ряда ценных химических продуктов.
По мере сжигания угля в печи огневой забой будет перемещаться по восстанию пласта. Для поддержания высокой паропроизводительности теплообменники должны размещаться в зоне высоких температур, что достигается их постепенным вытягиванием лебедками по уложенной колее.
Контроль за подземным газопаропроизводством осуществляют в наземном диспетчерском пункте, где с помощью компьютерной программы отслеживают соответствие фактических параметров процесса требуемым. Отслеживают показания температуры в различных точках печей, контролируют давление и температуру в теплообменниках, трубопроводах, современными средствами наблюдения ведут тепловизорную съемку массива и т.п. Оттуда же управляют процессом производства электроэнергии путем регулирования воздухоподачи в различные скважины, передвижения теплообменников вслед за огневым забоем, открытия шлюзовых ворот, регулирования расхода воды и т.д. Вид аналогичного диспетчерского пункта на китайской станции ПГУ показан на рисунке 2.
Рисунок 2 Вид диспетчерского пункта современной станции ПГУ
По мере выжигания первой печи вводят в действие следующую. При этом на соседней с разжигаемой печью все подготовительные работы должны быть завершены, а люди из нее переведены в следующие блоки.
Вырабатываемое через паровую и газовую турбины электрогенератора электричество передают на трансформаторную подстанцию и затем к потребителям. Высвободившийся поток пара перед подачей теплоносителя в недра пропускают через сети теплоснабжения ближайших промышленных и жилых комплексов с целью их обогрева. Электрогенератор передвигают в направлении подготавливаемых печей по простиранию пласта с соответствующим перемонтажом трубопроводов.
При освоении описанной технологии появляется возможность создания на угольном месторождении современного энергетического комплекса с наземно-подземной ТЭЦ и практически безлюдной технологией получения энергии из недр. Будет реализован новый принцип: не уголь из недр и в котлы, а котлы - в недра, в уголь!
Штат такого энергокомплекса включает профессии проходчиков, буровиков, строителей огнестойких перемычек и изоляций, операторов огня, газа и пара, слесарей КИПиА и т.п. Персонал подземных рабочих новой производственной системы сокращается с численности шахты до численности 2-3 проходческих бригад. Сотни людей таких профессий, как машинист комбайна, ГРОЗ, подземный электрослесарь и т.п. выводятся из опасных условий труда и высвобождаются для другой созидательной деятельности.
Шахта будущего - уже не система для преобразования пластового угля в поток его отдельностей на поверхность, а система для полного преобразования угля под землей и выдачи на поверхность газо- и парообразного энергоносителя, готового для превращения в электроэнергию и обогрева помещений. Нужно прекратить расходовать огромные средства на добычу угля для энергетики, а пустить часть из них на освоение технологии извлечения химической и тепловой энергии из нетронутых пластов. Сама собой отпадает и необходимость освоения на таких шахтах технологии опережающего удаления метана из угольных пластов как меры ослабления главной угрозы шахтеров последних лет - взрывов газа и пыли. Добыча угля в Кузбассе (процесс извлечения из недр горной массы) существенно сократится и останется для нужд металлургических, химических предприятий, зарубежного рынка.
На начальном этапе реализации предлагаемой технологии расход топлива на единицу электроэнергии, вероятно, будет выше уровня, достигнутого на нынешних угольных ТЭЦ. Одним из вариантов решения этого вопроса, видимым уже сегодня, может быть перемещение теплообменников не по фланговым, а по центральным уклонам для двустороннего контакта агрегата с огневым фронтом. Возможно и совместное применение этих схем.
Вложение инвестиций в новую технологию - интеллектуальных, финансовых, материальных - позволит накопить опыт и обнаружить дополнительные возможности повышения технологической и товарной эффективности наземно-подземного энергокомплекса.
Важным моментом является то, что сырьевая база наземно-подземных ТЭЦ расширяется вследствие вовлечения в процесс теплоотдачи не только угля, но и углевмещающих пород, представленных, как правило, алевролитами и аргиллитами. При современных технологиях угледобычи эти породы вследствие малого содержания в них угольного вещества или не добываются, или (при открытой разработке) направляются в отвалы.
При организации подземной энергодобычи на свите сближенных угольных пластов газификацию предусматривается проводить по самым мощным пластам и по нижнему пласту свиты с опережающим преобразованием в энергию угольной массы вышележащих пластов. При этом подготовку «подземных печей» необходимо провести на всем столбе до начала огневых работ. Остальные пласты свиты будут вовлечены в процесс газификации вследствие разрушения налегающей толщи над выжигаемыми пластами. Таким образом, энергетический потенциал угля маломощных пластов может быть извлечен без подготовительных горных работ по ним.
Предлагаемое изменение концепции угольной энергетики позволит уйти от необходимости отбойки угля и выдачи его на поверхность, обогащения, транспортировки, дробления, измельчения, золоудаления, рекультивации золоотвалов и шахтных (карьерных) полей, загрязнения земной поверхности угольной пылью и сажей. Капитальные и эксплуатационные затраты на получение электроэнергии из угля при новым способе в сравнении с традиционной шахтой и ТЭЦ сокращаются в разы. Исключаются затраты на приобретение очистных комплексов (на 90% импортных) и их эксплуатацию; строительство и функционирование конвейерных магистралей; закупку миллионов киловатт-часов электроэнергии для подземных механизмов. Подземное производство освобождается от большого объема горных работ, подземных рабочих, ИТР. Комплексу подземной энергодобычи не страшны ныне сдерживающие опасные факторы: пылевой, газовый, эндогенной пожароопасности, обрушения кровли очистных выработок. Опасные условия для ставших уже регулярными аварий и травм шахтеров значительно сокращаются. Техногенная нагрузка на окружающую природную среду существенно ослабевает.
Понятно, что новая технология энергодобычи потребует затрат на возведение качественной огнестойкой изоляции стенок выработок на контакте с массивом; возведение дополнительных перемычек; приобретение передвижного электрогенератора; создание комплекта теплообменников; оснащение контрольно-измерительной аппаратурой. Но все эти затраты невелики в сравнении с колоссальной экономией, которую получает такой энергокомплекс вследствие избавления от необходимости расходования средств на существующие ныне процессы и операции.
Предлагаемая технология является развитием известных технологий подземной газификации угля (ПГУ) и подземного сжигания угля (ПСУ) [7]. Она несколько сложнее и дороже в реализации, однако ослабляет их недостатки, а именно, низкую эффективность и слабую управляемость процесса выжигания пласта. То тепло, что при ПГУ и ПСУ уходило на ненужный нагрев вмещающих пород, вовлекается как дополнительный ресурс для выработки электроэнергии. Съем тепла в огневом забое через теплообменники-парогенераторы повышает энергетический к.п.д. системы. Изоляция столба угля в массиве недр позволяет избежать неконтролируемого перемещения очага горения за пределы «подземной печи».
Необходимо отметить, что в последнее время в научно-технической литературе, посвященной ПГУ, и в ряде ее практических реализаций проводился курс на максимальное удешевление технологии, в связи с чем к развитию предлагались только скважинные методы подготовки подземных газогенераторов, исключающие подземные горные работы. Следствием становилась низкая эффективность производства и неконтролируемость процесса под землей, что ставилось затем в укор самой технологии и идее ПГУ.
Однако известно, что дешевое хорошим не бывает! В Кузбассе, где проведение подземных горных выработок решено и технически, и организационно, обеспечивая высокий темп проходки, затраты на подготовку «подземных печей» не будут обременительными для подземной энергодобычи. Если отказаться от курса на «удешевление всего и вся», проводимого нынешними собственниками угольных активов, и изыскать требуемые для эффективного энергопроизводства инвестиции, то экономия такого комплекса будет тем не менее в разы выше по сравнению с нынешними комплексами типа «шахта-ТЭЦ».
Посещение в 2007 г. автором статьи станции подземной газификации угля в Китае убедило его в наличии интереса к этой технологии в странах с развивающейся экономикой и энергетикой. Китайские специалисты показали способность организовывать современные предприятия на базе ПГУ и даже предложили помощь в строительстве аналогичного производства в Кузбассе. При этом они не пошли по пути максимального удешевления предприятия, а используют схему шахтной и скважинной подготовки подземных газогенераторов (рисунок 3).
Рисунок 3 Схема подготовки подземных газогенераторов в Китае
Подтверждением перспективности предлагаемого автором решения явились оценки А.И. Ворогова, много лет работавшего директором Южно-Абинской станции «Подземгаз», производившей сорок лет в г. Киселевске генераторный газ по технологии подземной газификации для 12 котельных городов Киселевска и Прокопьевска. По его словам, к 1993-1994 гг. были воплощены такие инженерные решения, которые вывели предприятие на безубыточный режим работы. И это при потере 50 % объема годовой продукции - генераторного газа, так как в весенне-осенний период при остановке котельных он попросту выбрасывался в атмосферу!
В плане экологической безопасности такое производство будет самым передовым в углеэнергетической отрасли. Это подтверждается и состоянием дел на китайской станции ПГУ, и отзывами посещавших Южно-Абинскую станцию ПГУ и ее котельные, и исследованиями доктора технических наук, профессора Е.В. Крейнина, обоснованно утверждающего, что технология ПГУ является наиболее щадящей для окружающей среды из всех освоенных человеком технологий отработки угольных месторождений [8].
На возможные опасения подземных пожаров, каких-то вероятных взрывов и т.п. можно ответить компетентным мнением все того же А.И. Ворогова, заявившего автору статьи, что за 40 лет существования его предприятия не было ни одного смертельного случая, ни одной серьезной аварии с травмированием работников!
Автору известно от профессора В.А. Галкина такое полезное изречение: «Регулировка улучшает работу системы на проценты, расшивка узкого места - на десятки процентов, снятие ведущего ограничения - в разы, а смена принципа - на порядки»! Похоже, что для российской угольной энергетики пришло время именно ПРИНЦИПИАЛЬНОГО обновления.
Библиографический список
1 Павлов, А.Ф. Анализ и управление риском крупных аварий на угольных шахтах России / А.Ф.Павлов, С.И. Голоскоков, С.В. Шатиров, А.В.Сурков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. -№2. - С.125-135.
2 Павлов, А.Ф. Направления развития безопасности угольных шахт / А.Ф.Павлов, А.М.Тимошенко, С.И. Голоскоков, Д.В.Никифоров, А.В.Сурков // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. -№2. - С.136-140.
3 Квагинидзе, В.С. Состояние и причины аварийности, травматизма и профзаболеваемости на предприятиях по добыче и переработке угля Кузбасса / В.С. Квагинидзе, В.С.Смирнов, В.А.Черкасов // Промышленная безопасность и охрана труда: мат-лы Междунар. научно-практ. конф. Отд. вып. Горного информационно-аналитического бюллетеня. - М.: Горная книга. - 2012. - №ОВ 6. - С.173-190.
4 Требуется смелость, размах и дерзание. Пять писем академика П.Л. Капицы Н.С.Хрущеву // Знамя, 1989. - №5. - С.200-208.
5 Трубецкой, К.Н. Основы горного дела: учебник / К.Н. Трубецкой, Ю.П. Галченко; под ред. акад. К.Н.Трубецкого. - М.: Академический Проект, 2010. - 231 с.
6 Смертельный травматизм электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.rg.ru/2011/01/28/reg-sibir/kuzbass.html. Дата обращения 30.01.13.
7 Пучков, Л. А. Углеэнергетические комплексы будущего / Л.А. Пучков, Б.А. Воробьев, Ю.Ф. Васючков. - М.: МГГУ, 2007. - 245 с.
8 Крейнин, Е.В. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекаемых топлив: уголь, углеводородное сырье / Е.В. Крейнин. - М.: ИРЦ Газпром, 2004. - 302 с.