CC BY
42
--------------------------------------- © Л. А. Пучков, Ю.Ф. Васючков,
Б. М. Воробьев, С.Б. Воробьев,
М.Ю. Васючков,
М.Ю. Кирьянова, 2006
УДК 622.272
Л.А. Пучков, Ю. Ф. Васючков, Б.М. Воробьев,
С.Б. Воробьев, М.Ю. Васючков, М.Ю. Кирьянова
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА БАЗЕ КАРЬЕРНОЙ ГИДРОДОБЫЧИ УГЛЯ, ВНУТРИЦИКЛОВОЙ УГЛЕГАЗИФИКАЦИИ ПРИ ГЕНЕРИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПО ДВОЙНОМУ ПАРО-ВОДОРОДНОМУ КОМБИНИРОВАННОМУ ЦИКЛУ
Семинар № 15
Современные способы производства и использования энергии не отвечают ни экономическим, ни социальным, ни экологическим требованиям.
Проблемам устойчивого развития энергетики в России, как и во всем мире придается большое значение. Существующие способы производства и использования энергии все более входят в противоречие с требованиями устойчивого развития, более того они могут привести к глобальному экономическому и экологическому коллапсу нашей цивилизации. Вступив в новое столетие, человечество вполне отчетливо осознает возникшую реальноощутимую потребность - коренного изменения глобальной системы энергообеспечения Проблема заключается в том, чтобы найти принципиально новые способы производства и использования энергии - как инструмента, обеспечивающего устойчивое развитие мировой цивилизации. Встает необходимость разработки и внедрения в практику принципиально новых экономически и экологически эффективных технологий и социально приемлемые способы снабжения энергией и её использования.
Добыча и использование угля как первичного энергоносителя при существую-
щих технологиях имеют определенные ограничения экономического, экологического и социального характера. Переход на “Чистые угольные технологии” позволит существенно снизить или даже полностью устранить эти сдерживающие факторы более широкого использования угля в большой энергетике. Одним из наиболее перспективных направлений является Углега-зификация и создание на её основе Угольно- водородной энергетики. Сущность водородных технологий в углеэнергетике заключается в том, что химическая энергия углерода, заключенная в угле и угле-метане переносится на водород, который и используется в качестве конечного топлива для выработки электроэнергии (турбо-газопарогенераторами или химическими элементами). В этом случае уголь не подвергается прямому сжиганию, а сначала газифицируется, после чего из генераторного газа вырабатывается водород, который и используется как конечное топливо. Такое конверсионное двухстадийное преобразование угля: уголь - генераторный газ - водород- электричество позволяет создавать высокоэффективные угле-
энергетические системы с нулевыми или близкими к ним выбросами парниковых газов в атмосферу. наиболее дешевым
сырьем для получения водорода является уголь.
Сложившаяся в настоящее время в электроэнергетике система «производитель
- транспорт - потребитель» должна быть интегрирована в комплексную технологическую систему «Угле-Газ-Элек-тричество», административно оформленную в горно-угле-энергетическое предприятие с конечным выходом продукции в виде электричества.
В связи с общим ростом энергопотребления в мире проблемы добычи, переработки и утилизации угля становятся все более актуальными, т.к. в стратегическом плане именно уголь является наиболее надежным и конкурентоспособным видом топлива на длительную перспективу. Запасы угля могут на протяжении столетий даже при увеличивающихся объемах мировой добычи обеспечивать потребность энергетического сектора всей мировой экономики.
Уголь должен рассматриваться как базовое стратегическое топливо, ресурсы которого настолько велики, что позволяют строить долговременную политику развития угольной энергетики России. В этом контексте на первый план выдвигается требование ресурсосбережения - максимально возможное использование угольных ресурсов и ресурсов углепластового метана.
Вторым, но не менее важным является требование обеспечения экологической безопасности угле-энергетичес-кого производства.
Современные ныне используемые традиционные технологии угле-энерге-
тического производства вызывают значительные отрицательные воздействия на окружающую среду в результате выбросов поллютантов в атмосферу
Особо остро стоит вопрос экологической чистоты выбросов электростанций, питающихся углем. Ныне используемые технические средства снижения выбросов газов и пыли в атмосферу - продуктов
прямого сжигания угля на ТЭС - не могут кардинально решить экологическую проблему загрязнения окружающей среды угольной электроэнергетикой. Только переход на новые технологии использования угля как энергоносителя позволит решить эту проблему. В частности, одним из таких технологических решений является отказ от прямого сжигания угля и переход на газификацию угля с последующим использованием генераторного газа или выделенного из него водорода в парогазотурбинных установках комбинированного цикла.
Одним из таких инновационных решений может служить концептуальная модель Энергетического Комплекса на базе карьерной гидродобычи угля, внутрицик-ловой углегазификации при генерировании электроэнергии по двойному пароводородному комбинированному циклу может быть воплощена в локальном угольно-водородном комплексе для эксплуатации каменноугольных и буроугольных месторождений при достаточно широкой гамме горно-геологических условий и качественных характеристиках углей. В известных концептуальных моделях предусматривается подземная скважинная гилродобыча угля и углегазификация с последующим сжиганием генераторного газа в качестве топлива в турбинных газогенераторах комбинированного цикла. Уг-ле-энергетические комплесы на базе таких моделей имеют следующие недостатки:
- низкая степень извлечения угля из массива при использовании скважинной гидродобычи;
- относительно более высокие выбросы парниковых газов (80х>, N0^ С02) - продуктов прямого сжигания смеси генераторного газа в атмосферу;
Предлагаемая модель может быть реализована в комплексах, созданных на базе угольных месторождений с достаточно разнообразными горно-геологическими условиями:
• кондиционные и некондиционные пласты каменного и бурого угля;
• пласты угля мощностью от 0,35 -0,40 м и выше (без ограничения);
• угли низкосернистые вплоть до высоко-сернистых углей;
• умеренная обводненность месторождений;
• угольные пласты, залегающие на глубине до 100 м (при геологическом коэффициенте вскрыши не более 1:10;
• умеренная нарушенность месторождения, при минимальном количестве разрывных нарушений;
• угли практически любой зольности;
• участки с забалансовыми запасами, непригодными для отработки традиционными методами;
• участки с ограниченными запасами угля, допускающими шнеко-буро-вую выемку угля;
• новые разведанные участки угольных месторождений с кондиционными запасами, разработка которых открытым способом оказывается экономически выгодной.
Эта технологическая схема может быть использовано для прямого (на месте залегания угольных пластов) получения электрической энергии по комплексной ресурсосберегающей экологически чистой технологии при эксплуатации угольных месторождений энергетических углей путем совместной открытой гидродобычи угля, внутрицикловой углегазификации и получения электроэнергии на газо-парогенера-торах по двойному паро-водородному циклу. Генераторный газ не подвергается сжиганию, а используется в качестве исходного продукта для получения водорода
- топлива для выработки электроэнергии на водородных турбогенераторах, работающих по двойному комбинированному циклу с паротурбинными генераторами. Такова технология локального угле-газ энергетического комплекса, в котором ин-
тегрированы основные технологические процессы: открытой гидро- угледобычи, внутрицикловой углегазификации и генерирования электроэнергии на водородном топливе.
Открытая гидродобыча угля производится по традиционной технологии путем использования высоконапорных гидромониторов с последующим напорным гидротранспортом водоугольной пульпы. В качестве альтернативной технологии при выемке угля по схеме”High Wall” применяются или шнеко-буровые установки или узкозабойные комбайны с дистанционным управлением. В обоих случаях, выданный на поверхность уголь смешивается с водой и водоугольная пульпа подается по трубопроводу в углегазификатор, расположенный в газоперерабатывающем блоке.
Здесь происходит очистка генераторного газа и получение из него водорода как конечного чистого топлива, направляемого в энергоблок, где и вырабатывается электроэнергия на водородных турбогенераторах и паротурбинных установках, работающих по комбинированному циклу; здесь же парниковые газы (SOx, NOx и CO2) - отходы при выделении водорода, превращаются в твердые отходы производства, подлежащие или использованию или захоронению. Некоторая часть полученного водорода из блока газопере-работки в смеси с водяным паром направляется в углегазификатор.
Получаемая электроэнергия направляется в сеть к потребителю, а некоторая часть используется для собственных нужд угле-энергетического комплекса.
Концептуальная технологическая схема получения электроэнергии на локальных угле-энергетических комплексах на водородном топливе с использованием генераторного газа внутрицикловой углега-зификации показана на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема чистых угле-энергетических систем на водородном топливе с использованием генераторного газа углегазификации
Генераторный газ подземной углегази-фикации не являются конечным топливом для выработки электроэнергии как это предусматривалось в ранее предложенных технологических схемах, а является исходным сырьем для получения водородного топлива, которое является экологически чистым, ибо при его сгорании в атмосферу выбрасывается только водяной пар.
Принципиальная схема продуктопото-ков при выработке электроэнергии по двойному паро-водородному комбинированному циклу с использованием внутрицикловой углегазификации пока-зана на рис. 2.
Основными горючими компонентами генераторного газа при углегазификации являются водород (Н2), окись углерода (СО) и в небольших объемах метан (СН 4 ).
Обычно содержание свободного водорода в генераторном углегазе колеблется от 20 до 56 % ). Свободный водород выделяется из генераторного газа в результате реакции окиси углерода с водяным паром
СО + Н 2 О = СО2 + Н 2
В результате взаимодействия метана с парами воды также образуется свободный водород СН4 + 2Н2О СО2 + 4 Н2.
Содержание метана в генераторном газе составляет 18-22 %.
Часть полученного таким образом свободного водорода возвращается в газогенератор для поддержания процесса угле-газификации.
Рис. 2. Схема продуктопотоков и электроэнергии при двойном пароводородном комбинированном цикле
Двуокись углерода, вступая в реакцию с окисью кальция превращается в карбонат кальция по формуле
СО2 + Са О = Са СО 3
Карбонат кальция идет в отходы. Также в отходы идет сера и азот, находящиеся в генераторном газе. Таким образом, обеспечивается использование генераторного газа как сырья для производства водорода
- топлива для генерирования электроэнергии при нулевых выбросах загрязняющих веществ в атмосферу.
В газоперерабатывающем блоке производится очистка генераторного газа, из которого выделяется свободный водород, направляемый в энергоблок как топливо для выработки электроэнергии на турбо
парогазогенераторах комбинированного цикла. Отработанные высокотемпературные газы из газовой турбины (перегретый пар) направляются в теплообменник (1-й контур). Образованный пар из теплообменника поступает в паровую турбину (паротурбо-электрогенератор). Отрабо-
танный пар из паровой турбины вместе с низкотемпературным паром из газовой турбины в смеси с водородом направляется в углегазификатор (рис. 3). Таким образом обеспечивается двойной комбинированный паро-водородный цикл для поддержания процесса углегазификации (11-й контур).
При использовании водородного топлива выбросы парниковых газов (80х , N0 и С02) в атмосферу полностью исключа-
ются; при сжигании водорода в атмосферу ной пар. Особенностью выбрасывается только нетоксичный водя-
Рис. 4. Гипотетический образ локального угле-газ-энергетического комплекса с механо-гидравлической выемкой угля на карьере, внутрицикло-вой углегазификацией, газо-паротурбинными установками комбинированного цикла на водородном топливе: 1- гидромонитор; 2 - углесос; 3 -напорный водовод; 4 - фрезерный комбайн; 5 - ленточный конвейер; 6 - бункер; 7 - питатель; 8 - шнеко-буровой комбайн; 9 - бункер; 10 - камеры; 11 - верхний пласт угля; 12 - водовод; 13 - нижний угольный пласт; 14 - водородный трубопровод; 15 - трансформатор; 16 - электростанция с парогазотурбинными генераторами; 17 - трубопровод водо-угольной пульпы; 18 - водовод; 19 - отходы углегазификации и газоочистки
Рис. 5. Технология гидромониторной выемки угля на карьере
данной технологии является улавливание двуокиси углерода, которая связывается с кальцитом, превращаясь в карбонат кальция, подлежащий захоронению или использованию.
Гипотетический образ локального уг-ле-газ-энергетического комплекса с меха-но-гидравлической выемкой угля на карьере, внутрицикловой углегазификацией, газо-паротурбинными установками комбинированного цикла на водородном топливе показан на рис. 4. Комплекс состоит из горного цеха (угольный карьер), блока углегазификации и газопереработки (пульпоподготовка, углегазификация, очистка генераторного газа и получение водорода) и энергоблока, где вырабатывается электроэнергия.
Горный цех представляет угольный карьер, где выемка угля ведется гидромониторами или механо-гидравличес-ким способом. Образованная в процессе добычи угля на карьере водо-угольная пульпа по трубам направляется в блок углегазификации игазопереработки для газификации угля и получения генераторного газа как исходного продукта для выработки
водородного топлива, с использованием которого и генерируется электроэнергия.
Добыча угля ведется открытым или открыто-подземным способом с выемкой угля гидравлическим или механо-гидравлическим способом по четырем альтернативным технологиям.
Открытая гидромониторная выемка угля на уступе карьера (Вариант “А”) ведется по технологической схеме, показанной на рис. 5.
Открытая разработка угля на уступе с применением фрезерных комбайнов типа КСМ с конвейерной доставкой отбитого угля (Вариант “Б”) ведется по технологической схеме, показанной на рис. 6.
Открыто-подземная разработка с применением шнеко-буровых агрегатов,
включающих: шнеко-буровую машину,
угледробилку и барабанный питатель ведется по технологической схеме (вариант “В”) предстаавленной на рис. 7.
Открыто-подземная разработка с выемкой угля в камерах комбайном с дистанционным управлением ведется по технологической схеме (вариант “Г”), показанной на рис. 8. На рис. 4 показаны только камеры.
Фрезерный комбайн типа КСМ
Ленточный Бункер- Барабанный Напорный
конвейер ► угледробилка ► гндропитатсль пульповод
В блок топіивоію<)готовкіі Оля углегазиФикаиии
Рис. 6. Технологическая схема выемки угля на карьере фрезерным комбайном типа КСМ (вариант “Б”)
Рис. 7. Технологическая схема выемки угля открыто-подземным способом с помощью шнекобурового агрегата ( вариант “В” ).
Общим для всех четырех технологических схем является наличие дробильно -загрузочного устройства ДЗУ и последующий гидротранспорт водоугольной пульпы в блок топливо-подготовки и га-зопереработки. Это обеспечивает непрерывность, поточность и малооперацион-ность выемки и транспортировки угля Технологическая схема локального уг-ле-газ-энергетического комплекса с использованием генераторного газа углега-зификации как топлива в паро-газо турбогенераторах комбинированного цикла характеризуется тем, что с целью повышения общей энергетической и экологической эффективности комплекса предлагается использование водорода как конечного топлива, получаемого из генераторного газа в паро-газо турбогенераторах паротурбинных электрогенераторах (по двойному паро-водородному комбинированному циклу), включающая механо-
гидравличес-кую добычу угля на карьере и гидротранспорт водо-угольной пульпы в блок топливоподготовки и поверхностную углегазификацию с целью получения ге-
нераторного газа, как исходного продукта для выделения водорода как замыкающего топлива, что обеспечивает повышение КПД газо-паротурбинных электрогенераторов и полное исключение выбросов в атмосферу парниковых газов, что в конечном счете обеспечивает значительное повышение эколого-экономической эффективности всего комплекса.
Структура Локального угле-газ энергетического комплекса, состоящая из горного цеха, топливо-подготовитель-ного и энергетического блока характеризуется тем, что в горном цехе ведется открытая или открыто-подземная выемка угля и подготовка водо-угольной пульпы, в топ-ливо-подготовительном блоке осуществляется газификация угля. с последующей очисткой генераторного газа и выделением из него свободного водорода.
Добыча угля ведется открытым или открыто-подземным способом с выемкой угля гидравлическим или механо-гидравлическим способом по четырем альтернативным технологиям-вариан-там: 1) Открытая гидромониторная выемка уг-
Рис. 8. Технологическая схема выемки угля открыто-подземным способом с помощью узкозабойного комбайна с дистанционным управлением (вариант “Г”)
ля на уступе карьера. 2) Открытая выемка угля на уступе с применением фрезерных комбайнов типа КСМ. 3) Открыто-
подземная разработка с применением шнеко-буровых агрегатов. 4) Открытоподземная разработка с выемкой угля в камерах комбайном с дистанционным управлением. Общим для всех четырех технологических схем является наличие дробильно-загрузочного устройства
ДЗУС, состоящего из угледробилки и питателя (углесоса) и последующий гидротранспорт водоугольной пульпы в блок топливо-подготовки и газопереработки.
Энергетическая политика России в новых условиях должна основываться на экономически эффективных, экологически чистых и ресурсосберегающих технологиях эксплуатации угольных месторождений и углеэнергетики. Перспективы использования угля в электро-
1. Васючков Ю.Ф., Воробьев Б.М. Патент Российской Федерации № 2126891. “Способ получения электроэнергии на основе скважинного метаноотсоса и газификации угля”. 1996.
2. Васючков Ю.Ф., Воробьев Б.М. Патент Российской Федерации № 2100588. “Способ получения электроэнергии при бесшахтной углега-зификации и/или подземном углесжигании”. 1997.
3. Атрушкевич А.А., Казаков С.П., Сте-фанюк Б.М., Атрушкевич В.А. Гидротранспорт угольных шахт. - М. 1994., Изд. МГУК.
энергетике России будут определяться его конкурентоспособностью, прежде всего с природным газом. Эта конкурентоспособность угля в значительной степени зависит от уровня экономической эффективности угледобывающего и уг-ле-энерге-тического производства и от степени воздействия этих производств на окружающую среду.
С целью достижения высокой экономической и экологической эффективности угле-энергетики необходимо создавать интегрированные предприятия с непосредственно сопряженными горнотехнологическими процессами добычи угля/метана и физико-энергети-ческими процессами выработки электроэнергии. Одним из таких решений и является рассмотренная выше концептуальная модель угле-энергетического комплекса будущего.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Атрушкевич В.А. Научные основы, конструирование и прогноз геомеханических параметров интенсивной технологии подземной гидромеханизированной разработки крутых угольных пластов с открытых горных выработок. - М.: МГГУ, 1997.
5. Михеев О.В., Атрушкевич В.А, Салама-тин А.Г. Разработка угольных месторождений с использованием открытых техногенных выемок. -М.: изд. МГГУ, 1995.
— Коротко об авторах
Пучков Лев Александрович - ректор Московского государственного горного университета, член-корр. РАН,
Васючков Ю.Ф. - профессор, доктор технических наук,
Воробьев Б.М., Воробьев С.Б., Васючков М.Ю., Кирьянова М.Ю. -
Московский государственный горный университет.
