CC BY
39
© Ю.Ф. Васючков, Б.М. Воробьев, С.Б. Воробьев, М.Ю. Васючков, М.Ю. Кирьянова, 2002
УДК 622.014.3:502.76
Ю.Ф. Васючков, Б.М. Воробьев, С.Б. Воробьев, М.Ю. Васючков, М.Ю. Кирьянова
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЛОКАЛЬНЫХ УГЛЕ-ГАЗ-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ (ЛУ-ГЭК)
«К
онцепция новой энергетической идеи на XXI век» была выдвинута Международной Топливно-Энергетической Ассоциацией (1977 г.). 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 «Угле-Газ-Электричество». Устойчивое развитие энергетики выдвигает требование создания топливноэнергетических производств вневедомственного и межотраслевого характера. Долгосрочный прогноз (до 2060 г.) Всемирного угольного института (Веклико-британия) 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 углеэнергетического 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 электрогенерирующих мощностей подлежат замене в ближайшие 5 лет. Строительство тради-
ционных 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 достигнуты только путем перехода на нетрадиционные принципиально новые технологии.
В электроэнергетике вообще и в уг-леэнергетике особенно научнотехнический 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 ресурснотехнологической 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 поллю-тантов, 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 угле-энергети-ческого 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 - внутрицикловой
углегазификации, интегрированной с паро-газотурбинными электроэнергетическими установками комбинированного цикла. В России создана концепция и произведены разработки в области углеэнергетики - создания локальных углегазэлектрических комплексов (ЛУГЭК) [1 - 5]. Эта инновационная концепция по горному циклу базируется на достижениях в области скважинной 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 углега-зификации, паро-газотурбинных 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 горно-технологи-ческими процес-
сами 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 «Угле-Г аз-Электричество» и ЛУГЭК является чрезвычайно актуальной в свете почти полного отсутствия исследований и методических разработок такого рода, несмотря на большое количество исследований, касающихся отдельных компонентов системы.
Локальный Угле-Газо-Энерге-тический Комплекс (ЛУГЭК), предназначенный для добычи угля-метана и выработки электроэнергии, рассматривается как сложная многокомпонентная эколого-производственная 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 углеэнергетического комплекса (ЛУГЭК) для условий кру-
того угольного пласта Кузнецкого бассейна.
Оценку вредного воздействия на окружающую среду при функционирования системы ЛУГЭК 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 ЛУГЭК предусматривает исходное качество окружающей среды, а затем определяется интегральный ущерб окружающей среде от функционирования ЛУГЭК. При сравнительной оценке экологической эффективности технологий ЛУ-ГЭК выделены пять системных компонентов: атмосфера, биосфера, гидросфера, литосфера и антропосфера (взаимоотношения человеческих групп и индивидуумов с окружающей средой в процессе производства). Выделение обособленного компонента -антропосфера - является главным отличием разработанной методики от ранее известных.
Традиционная технология Нетрадиционная технология
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 промплощадке 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, SOx, NOx из горящих террико-ников Выбросы в атмосферу метана - отсутствуют, S0x, N0x 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
Экологические вредности
Экологические вредности, связанные с ж/д или автотранспортом угля от шахт к ТЭС (запыление дорог и др.) Отсутствуют
Экологические вредности, связанные с погрузочно-доставочными работами на углеприемных 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 (практически)
Эмиссия тепла в атмосферу (градирня) Отсутствуют (практически)
Выбросы сернистых и азотных окислов в атмосферу ^Ох, N0^ Значительно снижены
Выбросы твердых частиц в топочных газах при сжигании угля Отсутствуют
Социологические вредности
Некомфортные и профессионально вредные условия труда на угольных складах, в углепомольных и сушных отделениях Отсутствуют
Некомфортные условия труда по золоудалению и золосохранению Отсутствуют (практически)
Стержневым моментом разработанной модели является графическое представление отношений между выделенными системными компонентами внутри системы с помощью квали-граммы комплексной системной оценки социо-экологической эффективности технологических решений ЛУГЭК (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 «Угле-Газ-Электри-чество» определяется по 10-
балльной шкале на сводной матрице относительных оценок.
Разработаны и предложены для практического использования две стратегии природно-
восстановительных работ при функционировании ЛУГЭК: стратегия финальной рекламации и поэтапная стратегия природно-
восстановительных работ. Социо-экологическая оценка по разработанной методологии представляет собой блок моделей, включаемых в общесистемную процедуру оценки эффективности технологии ЛУГЭК.
Социо-экологическая оценка реализуется путем включения в общую модель наряду с общепринятыми компонентами экосистемы антропосферы как системного компонента.
Оценка сравнительного уровня социо-экологической эффективности комплекса «Угле-Газ-Электри-чество» производится на качественном уровне. Результаты сравнительного анализа воздействия на окружающую среду по социо-экологическим факторам приводится в таблице. На последующих стадиях разработки технического задания и выполнения техникоэкономического обоснования уровень социо-экологической эффективности должен определяться в количественном 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 опре-
делить общую экономическую эффективность всего комплекса процессов «Угле-Г аз-Электричест-во». 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.
Этот показатель - коэффициент полезного действия процесса или комплекса представляет собой отношение полученной полезной энергии к затраченной энергии. Величина, обратная ц называется удельным расходом затраченной энергии.
Проведенное сравнительное исследование энергобалансов угле-
энергетических комплексов с шахтной добычей угля и паро-
газотурбинных ТЭС и для комплексов
ЛУГЭК с паро-газотурбинными ТЭС комбинированного цикла показывает, что энергетическая эффективность комплекса ЛУГЭК больше, чем в 4 раза превышает аналогичный показатель для традиционных технологий углеэнергетики.
Сравнение экологических характеристик скважинной и традиционных технологий наглядно показывает неоспоримые преимущства предприятий ЛУГЭК [7].
Выводы
1. Сформулированы фундаментальные принципы, на основе которых должны создаваться инновационные принципиально новые технологии углеэнергетики, обеспечивающие энергосбережение, экологически и социально приемлемые и отличающиеся высокой экономической эффективностью.
2. Доказано, что принцип ресурсосбережения первичных энергоносителей в комплексах УГЭ реально может материализоваться:
Рис. 2. Квалиграмма комплексной системной оценки социо-экологичес-кой эффективности организационно- технологических схем
• по горному циклу путём вовлечения в эксплуатацию дополнительной части запасов угля (части забалансовых запасов) путем сокращения потерь угля в недрах, путем одновременного использования определенной части углепластового метана;
• по электроэнергетическому циклу - путем существенного повышения КПД или снижения удельного расхода энергоносителя на ТЭС с ПГТУ комбинированного цикла.
3. Показатель энергоэффективности является главным и определяющим экономическую и социо-экологическую эффективность технического решения всего комплекса ЛУГЭК.
4. Установлено, что принцип конверсии энергии на различных этапах и технологических уровнях комплексного производства электроэнергии в системах ЛУГЭК является необходимым условием эффективного функционирования предприятия на различных технологических уровнях.
5. Показано, что принцип многоуровневого интегрирования элементов горно-эксплута-ционного и электроэнергетического производства имеет сквозной характер, т.е. предусматривает интегрирование технологических процессов на всех уровнях комплекса УГЭ.
6. Принцип гуманизации горноэнергетического производства и его реализация, особенно в части горноэксплуатационного цикла, является практически осуществивым.
Реализация данной концепции «Уг-ле-Газ-Электричество» в виде локальных угле-газ-энергетичес-ких комплексов является в настоящее время практически единственным инновационным направлением в угольной энергетике, которое позволит обеспечить ресурсосберегающее, экологически чистое и экономически эффективное угле/метано-электроэнергетичес-кое производство.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент Российской Федерации, № 2100588, «Способ по- подземном углесжигании» Васючков Ю.Ф. и Воробьев Б.М. 27 делучения электроэнергии при бесшахтной углегазификации и/или кабря 1997.
«UaAIY А1ВГУЁА-2002» NAІЁ^AD 1 15
2. Васючков Ю.Ф., Воробьев БМ., Новая концепция эксплуатации угольных месторождений. «Минно Дело и Геология «, Болгария, София, № 4, 1997.
3. Васючков Ю.Ф., Воробьев БМ., Новая концепция эксплуатации углегазовых месторождений - база ресурсосберегающих чистых электроэнергетических комплексов. «Уголь», декабрь, 1997.
4. Васючков Ю. Ф., Воробьев БМ. Формирование локальных угле-газ-энергетических комплексов на базе экологически чистых и ресурсосберегающих нетрадиционных технологий (системный подход). Горный информационно-аналитический бюллетень N2. Издательство Московского Государственного Горного Университета. -М.: 1998
Л Л Л \ Л Л Л Г \ Л \ Л Л м
ЕЮЮЕ1 1А ААОЮАО -----------------
Васючков Ю. Ф. — 1д1байтд, а1ёб1д оаше^апёёо тое.
Воробьев Б.М. — 1д1байтд, а1ёб1д 6а0^ё^аnёё0 ^a6ё.
Воробьев С.Б. — ёатёааб 6а0^ё-^апёё0 ^a6ё.
Васючков М.Ю. — горный инженер.
Кирьянова М.Ю. — инженер.
Московский государственный горный университет.
5. Vasyuchkov Yu.F.; Vorobjev BM., Vasioutchkov K. Unconventional mining technologies for clean and efficient power generation. Mining Engineering, April, 1998.
6. Воробьев С.Б. Системная оценка эффективности ресурсосберегающей экологически чистой технологии «Угле-газ-Электричество». Горный информационно-аналитический бюллетень, N2, 1998. - М.: Издательство МГГУ,
7. Geotechnical methods for coal mining. XVI Mining Congress, 1999, Ankara, Turkey, Co-authors: Yu. Vasyuchkov, B. Vorobjev, S. Vorobjev et al.
