CC BY
18экологические проблемы добычи и переработки угля
инженерной элиты, обладающей компетенциями проектной работы. Стратегический приоритет вуза - развитие инженерной деятельности: вуз стремиться быть неотъемлемой частью национальной экономики путем решения прикладных задач машиностроения и химической технологии, проектирования и производства прототипов.
Около 2 тыс. преподавателей проводят занятия на 75 кафедрах университета. В вузе обучается более 29 тыс. студентов по различным формам обучения.
Михаил Беренгартен
профессор, Московский политехнический университет, Россия berengarten@mail.ru
Аннотация: Рассмотрены и проанализированы основные экологические проблемы, возникающие в угольной энергетике от проблем добычи угля (образование углеотходов, отчуждение территорий, образование шахтного метана) и угле-переработки (загрязнение атмосферного воздуха и сточных вод, влиянии на парниковый эффект). Обсуждаются возможные пути решения экологических проблем.
ключевые слова: экологически чистые угольные технологии, загрязнение окружающей среды, парниковый эффект, энергогазохимическая переработка угля.
В современном мире, несмотря на развитие всех видов энергетики, угольная энергетика продолжает играть заметную, если не ведущую роль в обеспечении человечества энергоресурсами. Практически в глобальном масштабе не происходит сколько-нибудь заметных колебаний в производстве и потреблении угля для генерации электроэнергии, что видно из приведенных на рис. 1 и 2 данных ежегодного статистического справочника[1] По этим же данным[1] запасы угля преобладают среди различных видов топлива на планете (табл. 1).
На рис. 3 по данным™ представлена структура мирового потребления энергоресурсов по разным видам источников энергии
Из этих данных следует, что в современном мире уголь, нефть и природный газ почти равноправны в этой структуре. Следует отметить, что доля угля медленно, но постепенно уменьшается. Существует некоторое негативное отношение к углю, как топливному ресурсу. Многие ученые даже скептически говорят о термине «экологически чистые угольные технологии». Сжигание угля дает почти всегда больше отходов, даже внешний вид угля более «грязен», чем у природного газа и нефтепродуктов. Но вопрос состоит не во внешнем виде, а в конечных результатах.
Тенденция расширения областей использования зеленой энергетики в XXI веке, конечно, вполне оправдана, но игнорировать уголь и забывать
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский политехнический университет» - современный и динамично развивающийся, один из крупнейших технических вузов России.
Миссией университета является подготовка инженеров и менеджеров для предприятий реального сектора экономики и
№ 23, 2017
в
ENERGY BULLETIN
Рис. 1. Общее мировое первичное потребление источников энергии (1971-2015 гг.).
18,9%
Природный газ
1,3%
52,6%
Нефть
Биотопливо и отходы 2,2% Гидро
9,8%
Атомная энергия Рис. 2. Поставки первичных энергоресурсов (1973-2015 гг.).
36,1%
Нефть
26%
Природный газ
11%
другие возобновляемые источники
2%
Гидроэнергетика
25%
Уголь
21%
Газ
6%
Атомная энергия
35%
Нефть
Рис. 3. Структура мирового потребления энергоресурсов.
4,5%
Украина; 33873
4,1%
7,7%
2,5%
Прочие; 19233
31,4%
США; 238308
Мир, всего: 826 001
Запасы угля в мире в 2008 году (млн т, %)
10%
Австралия; 76200
15,1%
Китай; 114500
20,7%
Россия; 157010
Рис. 4. Распределение запасов угля (по данным 2008 года, млн т, %).
В ENERGY BULLETIN
Таблица 1. Мировые ресурсы угля, нефти и газа (в млрд. т. условного топлива).11
Вид ископаемого топлива Геологические ресурсы Разведанные ископаемые запасы
Каменный уголь 7725 493
Бурый уголь 2399 144
Нефть 380 144
Природный газ 345 80
Из этих данных следует, что геологические запасы угля почти в 20 раз превышают запасы нефти и природного газа.
о нем в перспективных прогнозах абсолютно необоснованно.
Уголь, в отличие от нефти и природного газа, практически равномерно распределен по крупнейшим экономическим регионам мира (рис. 4 по данным Forex.AW).
Существует распространенное мнение, что будущее энергетики принадлежит в первую очередь возобновляемым источникам энергии, как наиболее экологически чистым. Частично с этим мнением можно согласиться, но и применение возобновляемых источников энергии не свободно от экологических проблем, а с учетом стоимостных показателей, природные топлива еще длительное время будут оставаться в числе лидирующих источников энергии.
Как указывалось выше, разведанные запасы угля велики и значительно превышают разведанные запасы других природных видов топлива, и перспективы развития мировой угольной энергетики могут выглядеть достаточно оптимистичными даже в контексте устойчивого энергетического развития.
В то же время, как и использование других энергоресурсов, добыча и использование угля как энергетического ресурса и как сырья для химической промышленности сопровождается определенными экологическими проблемами, не учитывать которые в перспективах развития энергетики в XXI веке невозможно. Негативное отношение к углю появилось ещё до выработки и принятия международным сообществом концепции устойчивого развития человеческого общества и гораздо раньше понятия устойчивого энергетического развития.
Необходимо подчеркнуть, что природные угли всех видов, а в особенности малоценные
(низкокалорийные) породы углей, содержат помимо органической углеводородной составляющей большие количества различных минеральных примесей, соединения серы, азота, тяжелых металлов и др. Практически в составе угля можно найти всю периодическую таблицу Д.И. Менделеева.
Наличие этих примесей сдерживает возможность прямого применения угля в качестве топлива в связи с возможностью загрязнения окружающей среды. В атмосферу при сжигании угля без применения дополнительных систем очистки или систем предварительного обогащения угля могут попадать газообразные и аэрозольные продукты окисления содержащихся в угле примесей (оксиды серы; оксиды азота - как продукт высокотемпературного окисления азота воздуха при горении угля; летучая зола, полициклические ароматические углеводороды, например, бенз(а) пирен и т.д.). В частности только при энергетическом сжигании угля в атмосферу выбрасывается ежегодно примерно 90^10® т оксидов серы и 30^106 т оксидов азота121. Вместе с золой атмосферу ежегодно дополнительно загрязняют 60 тыс. т свинца, 50 тыс. т никеля, 30 тыс. т мышьяка, 300 т ртути и 60 т кадмия. Эти продукты сгорания угля и явились одним из основных «тормозов» энергетического использования многих его видов, так как основные из них, соединяясь с атмосферной влагой, приводили к кислотным дождям, наносящим огромный ущерб лесам и сельскохозяйственным угодьям, рыбам и животным, зданиям и другим сооружениям, памятникам культуры и архитектуры. А уж об их вреде здоровью и жизни человека не приходится говорить. Однако в 80-х годах прошлого столетия проблема кислотных дождей была успешно решена совместными усилиями
в
ENERGY BULLETIN
№ 23, 2017
Паровая турбина
Электричество
Вода охлаждения Конденсатор пара
Воздух Топливо
Остаточный газ , 1
IN
к
Механическая энергия
Н изкотемпературная тепловая энергия
С
я Шт- Ком
^Р Д"
Диоксид углерода
г|
Удаление серы
компрессор диоксида углерода
Отделитель диоксида углерода
Поглотитель диоксида углерода
л Л
Пар
Холодильник
Летучая зола Сера
Абсорбент обедненный С02
Абсорбент обогащенный С02
Н изкотемпературная тепловая энергия
Донная зола
Рис. 5. Система улавливания диоксида углерода для снижения выброса парниковых газов.
инженеров-энергетиков, химиков и физиков, разработавших и успешно внедривших в угольную энергетику технологии сжигания угольного топлива, в процессе которого заметно уменьшается количество веществ, приводящих к появлению кислот в атмосфере, а также практически полному удалению их и других вредных и нежелаемых продуктов сгорания из дымовых газов. Хочется подчеркнуть, что в настоящее время с помощью этих технологий осуществляется «глубокая» очистка дымовых газов, приводящая к исключению из них 99% такого рода элементов. Нужно отметить, что эти результаты были достигнуты в период «всплеска» интереса к углю, связанного с первым мировым энергетическим кризисом, имевшим место в 70-80-е годы прошлого столетия.
В это же время появилось понятие «чистые угольные технологии», с которыми связывалось дальнейшее развитие энергетики в мире.
Однако вслед за этим человечество столкнулось с новыми проблемами, ставившими под сомнение возможность реализации концепции устойчивого развития человечества, а именно -климатические изменения, которые стали отчёт-
ливо заметны ввиду своего негативного влияния на практически все стороны деятельности нашего общества.
В настоящее время в международном сообществе обсуждаются эти проблемы, в первую очередь в связи с выбросом в атмосферу при сжигании угля парниковых газов, прежде всего диоксида углерода СО2, которые приводят к потеплению климата. При этом правда, следует иметь в виду, что при сжигании любого природного углеводородного топлива (угля, торфа, сланцев, нефтепродуктов, природного газа, древесины, биотоплива) на каждые 12 г окислившегося углерода выделяется 22,4 л диоксида углерода и на каждые 2 г окислившегося водорода выделяется 22,4 л водяного пара (также являющегося парниковым газом).
Влияние на величину парникового эффекта происходит только в том случае, если сжигается ископаемое топливо, участвующее в длинном цикле круговорота углерода в природе. Если сжигать не уголь или нефть, а топлива, полученное из биомассы: биогаз, биоэтанол, биодизель, газифицированные углеводородные отходы, то влияния
В ENERGY BULLETIN
на парниковый эффект не происходит, так как эти виды топлива участвуют в коротком цикле углеводорода в природе и образовавшиеся диоксид углерода и вода достаточно быстро путем процессов фотосинтеза превращаются снова в биомассу и кислород и увеличения концентрации парниковых газов не происходит. Естественно, что сжигание угля - это сжигание запасенного топлива, участвующего в длинном цикле (несколько миллионов лет).
Таким образом на пути дальнейшего развития угольной энергетики или её поддержания на сегодняшнем уровне стоят выбросы СО2, как основного продукта сгорания угля в энергогене-рирующих установках. Существуют ли решения этой проблемы?
Конечно они имеются, так как научно-техническое сообщество уже более десятилетия занимается разработками в области создания технологий по улавливанию и использования газов, приводящих к парниковому эффекту.
Для снижения его величины в этом случае нужно диоксид углерода удалить из дымовых газов (рис. 5), сконцентрировать и использовать для различных химических синтезов (метанола, карбамида и т. д.)!31 В таких системах легко осуществляется удаление и других примесей из дымовых газов.
Однако экологические проблемы угольной энергетики начинаются на стадии добычи угля. Собственно на уголь, как при открытой, так и при шахтной разработках, приходится лишь около 20% добываемой горной массы, остальная её часть, покрывающая угольные пласты, поступает в отвалы, наличие которых представляло и продолжает представлять серьёзную экологическую проблему.41 Они, конечно, решаются, и наверняка эти отвалы не будут нарушать природные экосистемы угольных бассейнов в обозримом будущем.
Другой важной экологической проблемой на пути добытого угля к энергогенерирующим установкам является наличие и утилизация больших объёмов отходов обогащения некоторых видов угля, для его более эффективного использования в энергетике. Однако решение этой экологической проблемы уже найдено. Возможно, например, использование этих отходов в качестве топливной и флегматизирующей добавки (10-15%) к шихте для производства кирпича из глины. Перспективно их использование и в качестве основного сырья для
формования изделий эффективной пустотелой керамики. При этом за счет экономии технологического топлива (в результате использования горючих, содержащихся в отходах) и исключения затрат на добычу глинистого сырья существенно снижается себестоимость продукции. Анализ химического состава технологических отходов углеобогатительных фабрик показал достаточно стабильное содержание в них оксидов алюминия и кремния, что позволяет использовать их как сырье для производства керамических изделий.
Уголь, оставшийся в отходах углеобогащения, может быть использован как топливо при их термической переработке в строительные материалы. Таким образом, получают, например, агло-порит - искусственный легкий пористый заполнитель для бетонов.
Важный вклад в решение экологических проблем угледобывающей отрасли вносит рекультивация земель, нарушенных открытыми горными разработками - комплекс работ, направленных на воспроизводство и улучшение (а порой и совершенно новое моделирование) всего нарушенного природно-территориального комплекса в целом.
Определенную экологическую опасность угольная энергетика представляет собой и как масштабный загрязнитель водных бассейнов. На долю современных ТЭС приходится до 70% промышленного забора воды из природных источников, что составляет значительную часть водных ресурсов многих стран, испытывающих проблемы обеспечения пресной водой.
Проблемы очистки шахтных и подотвальных вод в горнодобывающей промышленности еще ждут своего глобального решения. В 1990-2000-х годах были предложены разумные решения по очистке шахтных вод для предприятий по добыче руд цветных металлов™
Нельзя обойти вниманием и проблему опасности шахтного метана и возможности его использования как дополнительного топлива. Существуют и уже реализуются проекты бурения дегазационных скважин с поверхности или в районе горных выработок с извлечением метана через них вакуум-насосами с подачей на газогенераторные станции.
Перспективным является перевод газовой смеси дегазационной скважины в твердое состояние, т. е. получение газовых гидратов. Газогидрат-ная технология хранения и транспортирования
В ENERGY
BULLETIN № 23, 2017
природного газа является реальной перспективой будущего, поскольку в 1 м3 газогидрата содержится до 200 м3 метана, которому не характерно самовозгорание, присущее метану в свободном или сжиженном состояниях. Разработка метода получения газогидратов из шахтной метаново-здушной смеси и технология его транспортирования весьма актуальны в настоящее время и экономически целесообразны при разработке угольных месторождений® Комплексный подход позволит объединить технологию добычи угля и метана в единую систему, повысит рентабельность угольных шахт, безопасность труда.
В данной статье внимание уделено только некоторым экологическим проблемам (в основном добычи и предварительной переработки угля), хотя представляется исключительно интересным экскурс в другие экологические проблемы уже использования угля в качестве энергоносителя и источника сырья для химической промышленности. Они могут стать темой другой статьи, которая может вызвать интерес у читателей журнала.
Однако представляется целесообразным вспомнить об одном наиболее рациональном подходе к использованию запасов обширных угольных бассейнов, который решал бы многие экологические проблемы добычи и использования угля. Еще в 80-е годы прошлого столетия в нашей стране активно развивалась программа «Энергия» комплексного энергогазохимического использования бурых углей Сибири.12- с 461 Она включала три основных звена:
• крупномасштабную термическую переработку бурого угля с производством твердого топлива, смолы и газа, получением на основе смолы синтетического энергетического жидкого топлива и транспортировкой его на электростанции европейской части страны;
• использование газов термической переработки бурых углей для производства аммиака, метанола, компонентов моторных топлив и минеральных удобрений;
• производство газификацией водорода и оксида углерода и совмещенная транспортировка этих газов и электроэнергии в криогенных условиях в европейскую часть СНГ.
Газификация твердого топлива является в целом перспективным направлением комплексного и экологичного использования углей.
Комплексное использование всех перечисленных мероприятий позволяет говорить о реальной возможности экологически чистых технологий переработки угля. Развитие образования и научных исследований в этой области,16-81 широкое международное сотрудничество делают решение этих задач вполне осуществимым.
В заключение хочется подчеркнуть, что если даже уголь будет полностью вытеснен другими источниками энергии и в первую очередь возобновимыми, которые до настоящего время не проявили серьёзных экологических проблем, он продолжит играть наиважнейшую роль в глобальной экономике, как ценнейшее сырьё для многих отраслей промышленности, запасы которого при эффективном использовании будут ещё долгое время находится на службе настоящего и будущих поколений человечества.
Литература:
1. Key World Energy Statistics 2016, International Energy Agency, 2017, рр. 7-8.
2. Опыт создания экологически чистых угольных технологий. Под общей редакцией М.Г. Берен-гартена и А.Г. Евстафьева. - М.: Новый век, 1998, 172 с.
3. Coal for Power World Wide and the work of IEA CCC FASI - IEA NEET WQorkshop, Moscow, 30.09.2008 (www.iea-coal.org.uk).
4. А. С. Тимонин. Инженерно-экологический справочник. Т.3 - Калуга: Издательство Н.Бочкаревой, 2003, с. 314
5. Ovchynnikov M. Methodology of gas hydrates formation from gaseous mixtures of various compositions / M. Ovchynnikov, K. Ganushevych, K. Sai // Balkema, CRC Press. - 2013. - Vol. 4. - P. 203-205.
6. Перспективы развития углехими и химии углеродных материалов в XXI веке. Сб. тезисов расширенного заседания Научного советав по химии ископаемого твердого топлива РАН. - М. 2003, 80 с.
7. Глубокая переработка твердого ископаемого топлива - стратегия России в 21 веке. - М. 2007, 107 с.
8. The IEA Clean Coal Centre's 8th international conference on clean coal technologies (CCT2017), 8 -12 May 2017, Caglia ri, Ita ly.
9. Беренгартен М. Г., Баранов Д.А., Воробьева Т.Э. Создание системы очистки шахтных (рудничных) вод. - Вода: химия и экология, №1, 2008, с. 13-17.
