CC BY
18
Оригинальная статья
УДК 551.583; 662.764; 504.054 © О.В. Тайлаков, С.В. Соколов, Е.А. Уткаев, Д.С. Михалев, 2023
Алгоритмическое обеспечение цифровой платформы мониторинга фугитивных выбросов парниковых газов при угледобыче*
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2023-5-84-89
ТАЙЛАКОВ О.В.
Доктор техн. наук, профессор, заведующий лабораторией ресурсов и технологий извлечения угольного метана ФГБНУ«Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук», Институт угля, 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: oleg2579@gmail.com
СОКОЛОВ С.В.
Канд. техн. наук, научный сотрудник ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук», Институт угля, 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: sokolovsviuu@bk.ru
УТКАЕВ Е.А.
Канд. техн. наук, старший научный сотрудник ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук», Институт угля, 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: utkaev@mail.ru
МИХАЛЕВ Д.С.
Лаборант
ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук», Институт угля, 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: mikhalev@mail.ru
ноц
КУЗБАСС
Научно-образовательный центр «Кузбасс»
Рассмотрены методологические подходы к контролю эмиссии метана и повышению достоверности ее количественного учета в угледобывающей промышленности Кузбасса. Представлено алгоритмическое обеспечение оценки фугитивных выбросов метана и углекислого газа при добыче угля открытым и подземным способами, а также выбросов метана при последующем обращении с углем, добытым подземным способом. Полученные резуль -таты могут быть использованы для повышения эффективности мониторинга выбросов парниковых газов в регионе и внедрения технологий улавливания и переработки угольного метана. Ключевые слова: добычаугля, метан угольных пластов, углекислый газ, эмиссия, парниковые газы, цифровая платформа, фугитивные выбросы.
Для цитирования: Алгоритмическое обеспечение цифровой платформы мониторинга фугитивных выбросов парниковых газов при угледобыче / О.В. Тайлаков, С.В. Соколов, Е.А. Уткаев и др. // Уголь. 2023. № 5. С. 84-89. 001: 10.18796/0041-57902023-5-84-89.
ВВЕДЕНИЕ
Выбросы метана в атмосферу при угледобыче оказывают заметное влияние на изменение климата. По укрупненным оценкам, при использовании усредненных значений коэффициентов метановыделения (15,1 м3/т - при добыче угля подземным способом, 3 м3/т - при последующем обращении с углем, добытым этим способом, 5,5 м3/т - при добыче угля открытым способом) ежегодная эмиссия шахтного метана в Кузбассе превышает 2 млрд куб. м [1]. Ожидается, что с увеличе-
* Исследование выполнено в рамках комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биоремедиации, создания новых продуктов глубокой переработки из угольного сырья при последовательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения», утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации от 11.05.2022 № 1144-р (Соглашение № 075-15-2022-1196).
ЭКОЛОГИЯ
р
нием глубины ведения горных работ и переходом к отработке угольных пластов с большей газоносностью выбросы метана в угольной промышленности Кузбасса увеличатся до 2,58 млрд куб. м в год. Эмиссии шахтного метана и углекислого газа, который может содержаться в угольных пластах [2], относятся к категории фугитивных выбросов парниковых газов [3, 4].
Различными международными профессиональными сообществами разрабатываются специализированные программные средства для унификации и автоматизации учета и подготовки отчетности о выбросах парниковых газов. Так, например, Международной ассоциацией аэропортов (Airports Council International) разработан специализированный продукт Airport Carbon Emission Reporting Tool (ACERT), предназначенный для учета выбросов парниковых газов в процессе функционирования технических средств аэропортов, который включает такие источники эмиссий, как движение технологического транспорта, руление самолетов при движении по территории аэропорта, доставка пассажиров и грузов в аэропорт, противообледенительная обработка воздушных судов. Однако подобные общедоступные программные продукты инвентаризации выбросов парниковых газов при угледобыче и угольной генерации тепло- и электроэнергии отсутствуют. В связи с этим актуальным является совершенствование подходов к количественному учету эмиссий углекислого газа и метана в угледобывающей промышленности [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12] для разработки и обоснования унифицированной цифровой платформы, обеспечивающей возможность контроля выбросов парниковых газов до и после применения чистых угольных технологий, направленных на снижение углеродного следа в этом секторе промышленного производства.
как точечные источники. При этом выбросы СО2 и СН4 определяются как [5]:
Ei,y=Yj=SFCj,y*Wi,J,y* Р;*10"2) ,
(1)
где Е1у - фугитивные выбросы /-парникового газа (СО2 либо СН4) за период у, т; РС] - расход/'-углеводородной смеси на технологические операции (объем отведения без сжигания) за период у, тыс. м3; - содержание /-парникового газа в /'-углеводородной смеси за период у, % об.; р. - плотность /-парникового газа, кг/м3; / - С02, СН4; / - вид углеводородной смеси; п - количество видов углеводородных смесей, используемых на технологические операции (отводимых без сжигания).
Граф-схема алгоритма расчета выбросов углекислого газа и метана представлена на рис. 1, а.
Алгоритм расчета выбросов CH4
после добычи угля подземным способом
При последующем обращении с добытым подземным способом углем, включающим его переработку, хранение и транспортировку, эмиссия метана, сопровождающая эти технологические процессы, рассчитывается по формуле [9]:
ЕиСЯ„ =W *Qn*KW'
(2)
где £пСН - выбросы метана при подземной добыче угля, тыс. т; ¿п - объем угля, добытого подземным способом, т; Кпр - коэффициент преобразования (плотность метана при 20°С и давлении в 1 атмосферу) - 0,6710-3 т/м3; ^псн - коэффициент выбросов метана после подземной добычи угля, м3/т.
Граф-схема алгоритма расчета выбросов метана после добычи угля подземным способом представлена на рис. 1, б.
АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОЦЕНКИ ВЫБРОСОВ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ПРИ УГЛЕДОБЫЧЕ И ПОСЛЕДУЮЩЕМ ОБРАЩЕНИИ С УГЛЕМ
Для разработки цифровой платформы мониторинга фугитивных выбросов парниковых газов при угледобыче на основе анализа и обобщения материалов «Методических указаний и руководства по количественному определению объема выбросов парниковых газов организациями, осуществляющими хозяйственную и иную деятельность в Российской Федерации», утвержденных приказом Минприроды России от 30.06.2015 № 300, разработано алгоритмическое обеспечение расчета эмиссий парниковых газов при угледобыче и последующем обращении с углем, которое содержит категории: фугитивные выбросы, выбросы от сжигания топлива на стационарных объектах, выбросы от сжигания транспортного топлива.
Алгоритм расчета выбросов и CH4 при добыче угля подземным способом
При добыче угля подземным способом шахтный метан и углекислый газ, содержащийся в угольных пластах, выводятся на поверхность через дегазационные скважины и вентиляционные стволы, которые можно рассматривать
Алгоритм расчета выбросов CH4 при добыче угля открытым способом
Эмиссии СН4 при добыче угля открытым способом обусловлены выбросами метана, высвобождающегося из рабочих пластов и пластов-спутников при выполнении технологических операций по выемке угля. Расчет выбросов метана выполняется на основе информации об объемах угля, добытого за рассматриваемый период, и коэффициентов выбросов метана, которые выбираются в зависимости от толщины вскрышных пород. Минимальное значение коэффициента принимается при толщине вскрышных пород менее 25 м, максимальное - при превышении толщины 50 м, в остальных случаях, а также при отсутствии информации по мощности вскрышных пород применяется среднее значение коэффициента выбросов.
Эмиссии метана при добыче угля открытым способом рассчитываются по формуле [9]:
Еоснл =w ><е„х^
(3)
где .Е^ц - выбросы метана при открытой добыче угля, тыс. т; - объем угля, добытого открытым способом, т; Кпр - коэффициент преобразования (плотность метана при 20°С и давлении в 1 атмосферу) - 0,67-10-3 т/м3; £оСН - коэффициент выбросов метана при открытой добыче угля, м3/т.
Главная
Вещественный FC. , W.. ,р.
jy 'jy ' 'y
ж
Ввод FC.y
/ Ввод/выбор
'из справочника W.. для CН4 --
Ввод/выбор
из справочника р. для C^ + '
ech4= (fc^x^xp,.xlo-2)
х25
Ввод/выбор из справочника W.. для CO2
, ......+ Г
Ввод/выбор из справочника р. для CO2
eco2= (fcj.yxwu.yx р.хю'2)
E, = E +En
',y CH4
/ ВводEiy /
Конец
Главная
Вещественный коэффициент CH4 подземная добыча угля
Ввод добыча угля
Ж
Ввод выбор коэффициента CH
Выбросы CH4 = коэффициент CH4 х подземная добыча угля хкоэффициент преобразования
Ж
Вывод выбросы CH4 х 25
Конец
т
Рис. 1. Граф-схема
алгоритма расчета
фугитивных выбросов
при добыче угля подземным
способом
Fig. 1. A flow chart
of the calculation algorithm
for fugitive emissions
in underground coal mining
Суммарные эмиссии ПГ при добыче угля подземным способом
Рис. 2. Граф-схема алгоритма расчета выбросов CH4 при добыче угля открытым способом Fig. 2. A flow chart of the calculation algorithm for CH4 emissions in open-cast coal mining
б
а
2
б
а
ЭкОЛОГИя
р
Граф-схема алгоритма расчета выбросов метана при добыче угля открытым способом представлена на рис. 2, а.
Алгоритм расчета выбросов при добыче угля открытым способом (выбросы от транспорта)
На угледобывающих предприятиях, использующих открытый способ добычи угля, эмиссии углекислого газа обусловлены применением горнотранспортного оборудования и рассчитываются по формуле [5]:
(4)
где Есо - выбросы СО2 от сжигания топлива в двигателях автотранспортных средств за период у, т СО2-экв; FC.by - расход топлива вида / транспортным средством за период у, т; EF.b- коэффициент выбросов С02 при использовании в транспортном средстве топлива /, т СО2-экв/т; / - вид топлива.
Граф-схема алгоритма расчета выбросов С02 при добыче угля открытым способом (выбросы от транспорта) представлена на рис. 2, б.
КОМПЬЮТЕРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
ЦИФРОВОЙ ПЛАТФОРМЫ
Для обобщенной оценки эмиссий метана и углекислого газа на предприятиях угольной промышленности предложено использовать цифровую платформу мониторинга фугитивных выбросов парниковых газов и их сокращений при внедрении чистых угольных технологий на основе современных цифровых решений, обеспечивающих клиент-серверное взаимодействие для обработки запросов угледобывающих компаний на выполнение расчетов (рис. 3).
Существенным преимуществом такого подхода являются возможность выполнения облачных вычислений и квалифицированная экспертная поддержка подготовки отчетности об инвентаризации выбросов парниковых газов.
Разработанная цифровая платформа представляет собой настольное приложение, устанавливаемое на пользовательском устройстве, которое обеспечивает выполнение расчетов, визуализацию их результатов, составление
и хранение отчетов. Платформа содержит блоки логических и расчетных модулей. Расчетные модули представляют собой программную реализацию алгоритмов (1-4) и могут в последующем дополняться новыми модулями при изменении нормативной базы количественного учета выбросов парниковых газов.
Клиентское приложение размещается на вычислительной машине пользователя, серверное приложение и база данных - на удаленной вычислительной машине. Серверная часть помимо расчетных модулей содержит базу данных со справочной информацией, необходимой для выполнения расчетов, и позволяет осуществлять поиск, выбор, модификацию, а также удаление данных. Клиентское приложение включает основные процедуры обработки данных и визуализации полученных результатов [13, 14].
Для ввода данных, выполнения расчетов, вывода из результатов разработан интерфейс цифровой платформы мониторинга фугитивных выбросов парниковых газов и их сокращений при использовании чистых угольных технологий (рис. 4).
Интерфейс цифровой платформы является интуитивно понятным, его элементы обеспечивают возможность: авторизации и регистрации пользователей, создания новых проектов и управления созданными проектами, ввода исходных данных, перемещения между разделами платформы (объекты - ключевые объекты компании; проекты - все проекты компании; справочники - справочные материалы, используемые в платформе; настройки - параметры платформы, которые могут гибко настраиваться), выбора методик расчета, визуализации полученных результатов, использования дополнительных инструментов, позволяющих упростить отдельную работу с данными без обращения к сторонним сервисам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Цифровая платформа будет использована для оценки выбросов парниковых газов, сопровождающих процессы добычи угля подземным и открытым способами, а также операции последующего обращения с углем, добытого подземным способом. Это позволит повысить качество
Рис. 3. Диаграмма размещения цифровой платформы Fig. 3. A location diagram of the digital platform
Цифровая платформа дли расчете фугитианмк выбросав
t _ N
Проекты £
Справочники У
Настройки ф
Рис. 4. Интерфейс «Цифровая платформа мониторинга фугитивных выбросов парниковых газов и их сокращений при использовании чистых угольных технологий»
Fig. 4. Interface of the "Digital platform for monitoring fugitive greenhouse gas emissions and their reduction due to the use of clean coal technologies"
□
□ tiSD
10 Ji Ml 1ГК. £0#*H ©
подготовки отчетов угольных компаний об инвентаризации выбросов парниковых газов, тиражировать положительный опыт применения чистых угольных технологий, направленных на утилизацию шахтного метана и снижение техногенного воздействия на окружаю среду. В перспективе цифровая платформа будет дополнена функциональными возможностями обмена данными с внутрикорпоративными специализированными цифровыми платформами угледобывающих компаний на основе общеметодологических подходов к разработке цифровых платформ и унифицированных протоколов обмена данными.
Список литературы
1. Петренко И.Е., Шинкин В.К. Итоги работы угольной промышленности России за январь-март 2022 года // Уголь. 2022. № 6. С. 6-16. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-6-6-16.
2. CH4 and CO2 monitoring in the air of underground coal mines in Southern Brazil and GHG emission estimation Revista Escola de Minas / B. Bonetti, R.C. Abruzzi, C.P. Peglow et al. // Gomes. 2019. № 72. P. 635-642.
3. Global methane emissions from coal mining to continue growing even with declining coal production / N. Kholod, M. Evans, Raymond C. et al. // Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 256. 120489.
4. Тайлаков О.В., Застрелов Д.Н., Уткаев Е.А. Извлечение и переработка угольного метана / В.Б. Артемьев, В.Н. Костеренко, А.П. Садов и др. М.: Горное дело, 2016. 208 с.
5. Приказ Минприроды России от 27 мая 2022 г. № 371 «Об утверждении методик количественного определения объемов выбросов парниковых газов и поглощений парниковых газов. URL: http:// publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202207290034 (дата обращения: 15.04.2023).
6. ГОСТ Р ИСО 14064-1-2007 «Газы парниковые. Часть 1. Требования и руководство по количественному определению и отчет-
ности о выбросах и удалении парниковых газов на уровне организации». URL: https://docs.cntd.ru/document/1200077407 (дата обращения: 15.04.2023).
7. ГОСТ Р ИСО 14064-2-2007 «Газы парниковые. Часть 2. Требования и руководство по количественной оценке, мониторингу и составлению отчетной документации на проекты сокращения выбросов парниковых газов или увеличения их удаления на уровне проекта». URL: https://docs.cntd.ru/document/1200077680 (дата обращения: 15.04.2023).
8. ГОСТ Р ИСО 14064-3-2007 «Газы парниковые. Часть 3. Требования и руководство по валидации и верификации утверждений, касающихся парниковых газов» Охрана атмосферного воздуха. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200077410 (дата обращения: 15.04.2023).
9. МГЭИК. Руководящие принципы МГЭИК 2006 года для национальных кадастров парниковых газов. Программа МГЭИК по национальным кадастрам парниковых газов. МГЭИК-ИГЭС-ОЭСР-МЭА, ИГЕС. Япония, 2006.
10. Mehdi N., Rafiee R. Development of a new index for methane drain-ageability of a coal seam using the fuzzy rock engineering system // Rud. Geol. Naft. Zb. 2019. No 34. P. 33-44.
11. Qingdong Qu, Hua Guo, Rao Balusu. Methane emissions and dynamics from adjacent coal seams in a high permeability multi-seam mining environment // Int. J. Coal Geol. 2022. 253. 103969.
12. Reservoir characteristics and coalbed methane resource evaluation of deep-buried coals: A case study of the No.13-1 coal seam from the Panji Deep Area in Huainan Coalfield, Southern North China / Qiang Wei, Xianqing Li, Baolin Hu et al. // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2019. Vol. 179. P. 867-884.
13. Richardson L., Amundsen М. RESTful Web APIs. O'REILLY, 2013. 404 p.
14. Тайлаков О.В., Уткаев Е.А., Макеев М.П. Фугитивные выбросы метана и технологии их сокращения при угледобыче в Кузбассе // Горная промышленность. 2022. № 6. С. 54-59.
ECOLOGY
Original Paper
UDC 551.583; 662.764; 504.054 © O.V. Tailakov, S.V. Sokolov, E.A. Utkaev, D.S. Mikhalev, 2023 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2023, № 5, pp. 84-89 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2023-5-84-89
Title
ALGORITMIC SUPPORT OF THE DIGITAL PLATFORM FOR MONITORING FUGITIVE GREENHOUSE GAS EMISSIONS FROM COAL MINING Authors
Tailakov O.V.', Sokolov S.V.', Utkaev E.A.', Mikhalev D.S.'
1 Federal Research Center for Coal and Coal Chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Authors Information
Tailakov O.V., Doctor of Engineering Sciences, Professor,
Head of Laboratory of Coal methane extraction resources and technologies,
Institute of coal, e-mail: oleg2579@gmail.com
Sokolov S.V., PhD (Engineering), Researcher, Institute of coal,
e-mail: sokolovsviuu@bk.ru
Utkaev E.A., PhD (Engineering), Senior researcher, Institute of coal, e-mail: utkaev@mail.ru
Mikhalev D.S., Laboratory Assistant, Institute of coal, e-mail: mikhalev@mail.ru
Abstract
The methodological approaches to the control of methane emission and increasing the reliability of its quantitative accounting in the coal mining industry of Kuzbass are considered. Algorithmic support of the estimation of the fugitive emissions of methane and carbon dioxide in surface and underground coal mining, as well as methane emissions from subsequent handling of underground coal is presented. The obtained results can be used to improve the efficiency of greenhouse gas emissions monitoring in the region and for the applying of the technologies for coal methane capturing and processing.
Keywords
Coal mining, Coalmine methane, Carbon dioxide, Emission, Greenhouse gases, Digital platform, Fugitive emissions.
References
1. Petrenko I.E. & Shinkin V.K. Russia's coal industry performance for January-March, 2022. Ugol', 2022, (6), pp. 6-16. (In Russ.). DOI: 10.18796/00415790-2022-6-6-16.
2. Bonetti B., Abruzzi R.C., Peglow C.P., Pires M.J.R. & Gomes C.J.B. CH4 and CO2 monitoring in the air of underground coal mines in Southern Brazil and GHG emission estimation. Revista Escola de Minas, 2019, (72), pp. 635-642.
3. Kholod N., Evans M., Raymond C., Pilcher V., Roshchanka F., Ruiz M. & Coté R. Collings Global methane emissions from coal mining to continue growing even with declining coal production. Journal of Cleaner Production, 2020, (256), 120489.
4. Artemiev V.B., Kosterenko V.N., Sadov A.P., Tailakov O.V., Zastrelov D.N. & Utkaev E.A. Coalbed methane recovery and utilization, Moscow, Gornoe Delo Publ., 2016, 208 p. (In Russ.).
5. Order No. 371 of the Ministry of Natural Resources and Environment of the Russian Federation as of May 27, 2022, "On Approval of Methods of Quantitative Determination of Greenhouse Gas Emissions and Greenhouse Gas Absorption". Available at: http://publication.pravo.gov.ru/Document/ View/0001202207290034 (accessed 15.04.2023).
6. GOST R ISO 14064-1-2007 'Greenhouse gases. Part 1. Specification with guidance at the organizational level for quantification and reporting of greenhouse gas emissions and removals'. Available at: https://docs.cntd. ru/document/1200077407 (accessed 15.04.2023).
7. GOST R ISO 14064-2-2007 'Greenhouse gases. Part 2. Specification with guidance at the project level for quantification, monitoring and reporting of greenhouse gas emission reductions or removal enhancements'. Available at: https://docs.cntd.ru/document/! 200077680 (accessed 15.04.2023).
8. GOST R ISO 14064-3-2007 'Greenhouse gases. Part 3. Specification with guidance for the validation and verification of greenhouse gas assertions'. Available at: https://docs.cntd.ru/documentZ1200077410 (accessed 15.04.2023).
9. IPCC. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. IPCC National Greenhouse Gas Inventories Programme. IPCC/IGES/OECD/ IEA, IGES, Japan 2006.
10. Mehdi N. & Rafiee R. Development of a new index for methane drain-ageability of a coal seam using the fuzzy rock engineering system. Rud. Geol. Naft. Zb., 2019, (34), pp. 33-44.
11. Qingdong Qu, Hua Guo & Rao Balusu. Methane emissions and dynamics from adjacent coal seams in a high permeability multi-seam mining environment. Int. J. Coal Geol., 2022, (253), 103969. 12. Qiang Wei, Xian-qing Li, Baolin Hu, Xueqing Zhang, Jizhen Zhang, Yukai He, Yachao Zhang & Wenwei Zhu. Reservoir characteristics and coalbed methane resource evaluation of deep-buried coals: A case study of the No.13-1 coal seam from the Panji Deep Area in Huainan Coalfield, Southern North China. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2019, (179), pp. 867-884.
13. Richardson L. & Amundsen M. RESTful Web APIs. O'REILLY, 2013, 404 p.
14. Tailakov O.V., Utkaev E.A. & Makeev M.P. Fugitive methane emissions and technologies for their reduction in Kuzbass coal mining. Gornaya promyshlennost, 2022, (6), pp. 54-59. (In Russ.).
Acknowledgements
The research was carried out as part of the 'Development and implementation of complex technologies in the areas of exploration and extraction of minerals, industrial safety, bioremediation, creation of new deep conversion products from coal raw materials while consistently reducing the environmental impact and risks to human life' Integrated Scientific and Technical Programme of the Full Innovation Cycle, approved by Order No. 1144-p of the Government of the Russian Federation dated May 11, 2022 (Agreement No. 075-15-2022-1196).
For citation
Tailakov O.V., Sokolov S.V., Utkaev E.A. & Mikhalev D.S. Algoritmic support of the digital platform for monitoring fugitive greenhouse gas emissions from coal mining. Ugol, 2023, (5), pp. 84-89. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041 -5790-2023-5-84-89.
Paper info
Received April4, 2023 Reviewed April 15,2023 Accepted April 27, 2023
