CC BY
108
1. Илимбетов А.Ф., Рыльникова М.В., Радченко Д.Н., Милкин Д.А. Новые решения проблемы комплексного освоения руд-нык месторождений//Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. № 4, 2006 г. -С. 8 - 13.
2. Проблемы комплексного освоения су-перкрупных месторождений стратегического сырья. Под ред. акад. РАН К.Н. Трубецкого, чл.-корр. РАН Д. Р. Каплунова. - М.: ИПКОН РАН, 2006. - 486 с. 1ББН 5-20115594-4. ЕЕЕ
— Коротко об авторах
Илимбетов А. Ф. - кандидат технических наук, администрация Хайбуллинского района, Башкортостан,
Рыльникова М.В. - профессор, доктор технических наук,
Радченко Д.Н. - кандидат технических наук,
ИПКОН РАН, Москва.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 19 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ж. Аренс.
---------------------------------- © Е.В. Крсйнин, 2008
УДК 662.74 Е.В. Крейнин
ПОДЗЕМНАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ
КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ЕГО ДОБЫЧИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Семинар № 19
Экологические последствия при ПГУ сводятся прежде всего к следующим главным факторам:
- химическое и тепловое загрязнение подземных вод;
- загрязнение атмосферы участка подземного газогенератора продуктами газификации и термического разложения угля;
- нарушение сплошности горного массива и земной поверхности над подземным газогенератором.
В традиционной технологии ПГУ экологические проблемы тщательно изучались, накоплено большое количество важных и интересных данных, активно используемых в новой технологии.
Таблица 1
Характеристики экологических последствий при ПГУ
Вилы нарушае-
Вилы последствий по производственным стадиям
мых природных ресурсов Добыча Транспорт Сжигание
Земельные Отчуждение земель под горный отвод. Деформация поверхности при бурении скважин и над выгазо-ванным пространством. Загрязнение земель буровыми растворами, сточными водами и выбросами газа. Тепловые воздействия Отвод земель под газопроводы. Загрязнение земель при авариях газопровода. Отвод земель под промышленные здания.
Водные Истощение водных ресурсов за счет забора воды на производственные нужды (в том числе охлаждение и очистку газа). Нарушение водоносных горизонтов. Загрязнение вредными веществами подземных и поверхностных вод. Загрязнение водоемов вредными веществами (кислотами, маслами и др.).
Воздушный бассейн Загрязнение воздуха газом (при его утечках через толщу пород и земную поверхность), выбросами парогазовой смеси из скважин, конденсатом из аэротенков и смесителей-отстойников. Загрязнение воздуха при авариях газопровода Загрязнение воздуха продуктами сжигания газа ПГУ (окислами углерода, азота, сернистыми соединенями).
Запасы угля Потери угля в целиках и от недожога угля. Потери газа при транспорте Потери газа при сжигании
Экспериментальные исследования взаимодействия подземных вод с продуктами газификации угля, проведенные на специальной режимной сети гидронаблюдательных скважин, позволили выявить и рекомендовать конструктивные и режимные параметры новой технологии ПГУ, минимизирующие химическое и тепловое загрязнение подземных вод как в процессе выгазовывания угольного пласта, так и после его завершения.
Равномерное выгазовывание угольного пласта в новой технологии между дутьевой и газоотводящей скважинами обусловливает плавное сдвижение горного массива и оседание поверхности на участке подземного газогенератора. Этому же способс-
собс-твует 40-50 %-е заполнение вы-газо-ванного пространства золой и шлаками.
Благодаря новой технологии, удается удовлетворить самые строгие требования природоохранных органов и заметно повысить экологическую эффективность предприятия ПГУ.
Полный перечень возможных экологических последствий технологии ПГУ по элементам природной среды и стадиям от производства до сжигания газа приведен в табл. 1.
Попробуем количественно оценить экологические ущербы традиционных технологий добычи угля в Кузбассе и ПГУ, используя системный подход в анализе на основе модельно-программного комплекса.
Водные ресурсы. Сопоставление технологий проводилось по группе показателей, отражаемой в официальной статистической отчетности: объемами забираемой и сбрасываемой воды, в том числе нормативно очищенной и загрязненной, концентрациями вредных веществ в сточных водах. Показатели технологии ПГУ приняты по отчетным данным Южно-Абинской станции «Подземгаз» и результатам специально проведенных на ней наблюдений.
В целях сопоставимости данных по технологиям все показатели рассчитывались на единицу конечной продукции — 1 т топлива (условного), получаемого из угля и газа ПГУ.
Согласно полученным результатам, на каждую тонну условного топлива, добываемую шахтами и разрезами, расходуется до 5-6 м3 воды, 60 % которой сбрасывается в поверхностные водоемы, причем 70 % всей сбрасываемой воды, согласно установленным стандартам, относится к загрязненной и только 30 % — к нормативно очищенной и условно чистой воде.
Удельное водопотребление производства ПГУ несколько выше: расход воды достигает 8-10 м3/т у.т., однако объемы нормативно очищенных вод по сравнению с показателями шахт и разрезов больше в 1,4-2 раза и составляют 4-5 м3/т у.т. Качество сточной воды, благодаря биологической ее очистке, также лучше: концентрация вредных веществ в сточной воде ниже содержания взвешенных веществ (ВВ) и не превышает ПДК. Показатели биологического потребления кислорода (БПК) в 7-8 раз и хлоридов в 5-6 раз меньше по сравнению с показателями шахтной сточной воды и близки к предельно допустимым нормам (ПДК).
Загрязнение воздушного бассейна. Основными источниками загрязнений
воздушного бассейна при традиционных способах добычи угля являются горящие отвалы, угольные котельные, а на открытых работах — сами угольные разрезы.
Согласно методике [1], во время взрывных работ на разрезах в воздух выбрасывается от 0,09 до 0,282 т пыли (на каждую тонну взрывчатого вещества в зависимости от его вида и удельного расхода) и от 0,001 до 0,104 т оксидов углерода.
При работе добычного и вскрышного оборудования разных типов (экскаваторов, бульдозеров, конвейеров, перегружателей и отвалообразо-вателей) выбросы пыли составляют от 200 до 3000 кг/т угля, с учетом пы-леподавления, а без пылепо давления достигают 7000 кг/т.
Особенно сильные загрязнения производят роторные экскаваторы — от 6900 на вскрышных работах до 11000 кг/т — на добыче угля.
Весьма сильными загрязнителями воздуха являются отвалы горных пород, особенно горящие, из которых наряду с пылью в воздух выбрасывается: СО — 0,8-1,0; СО2 — 2-7,5; О2
— 0,03-0,1; Н2 — 0,02; Шх — 0,030,13 т в сутки.
Такие масштабы загрязнений существенно влияют на эколгическую ситуацию в угледобывающих регионах. Так, например, в районе производственного объединения «Приморскуголь», где открытым способом добывается 2/3 объема добычи, доля выбросов вредных веществ в воздушное пространство достигает: оксидов
углерода — 47 %, окислов азота — 18 % и сернистого ангидрида — 8 % всех фоновых выбросов по этим ингредиентам.
При производстве газа в герметическом режиме технологический процесс ПГУ позволяет предотвратить выбросы и загрязнения воздушной
среды. Во избежание проникновения газа на поверхность оставляются охранные целики, отработанные скважины ликвидируются.
Согласно наблюдениям, выбросы ВВ как в пределах, так и за пределами санитарной зоны станции «Под-земгаз» в 1,5-3 раза меньше по сравнению с выбросами на разрезе и не превышают ВСВ (временно-согласованных выбросах) по золе, сернистому ангидриду и окислам азота.
Земельные ресурсы. Нарушения земель при шахтном и открытом способах добычи угля по своим масштабам относятся к весьма существенному виду экологических последствий.
По данным института ВНИИОС-уголь, общая площадь земель, нарушенных угледобывающими предприятиями, достигает 2000 тыс. га. В разрабатываемых угольных бассейнах ежегодно нарушается до 1700-2500 га. Основная их часть (более 40 %) занята отвалами разрезов, причем две трети их — внешними. На шахтные отвалы приходится 7-8 % всей площади ежегодно нарушаемых земель, которые оцениваются от 4-5 до 12-30 га/млн. т у.т.
При ПГУ горный отвод под газогенератор по площади равен — 4-5 га/млн. т у.т. Однако в отличие от шахт плодородный слой земли не нарушается, что не требует последующей рекультивации, а общая площадь ежегодно нарушаемых земель не увеличивается из-за отсутствия отвалов горных пород.
Отвалы. Процесс отвалообразова-ния по степени воздействия на окружающую среду и многообразию форм отрицательных проявлений относится к самому негативному из всех видов экологических последствий.
Годовой объем выдаваемой на поверхность породы в 2-3 раза превышает объем добываемого угля, отва-
лами занято 70-80 % всех нарушенных земель, 1/3 загрязнений воздуха приходится также на отвалы.
Горящие породные отвалы выделяют большое количество вредных газов, концентрация которых в воздухе достигает 12-76 мг/м3. При горении отвалов нарушается устойчивость откосов, происходят выбросы разогретой породы на расстояние около 200 м, что приводит к необходимости создания дополнительных защитных зон, превышающих площади самих отвалов.
На каждую тонну добываемого угля приходится 0,13-3,45 м3 вмещающих пород, одна треть которых складируется в отвалы, а при открытом способе добычи объем вскрышных пород достигает 2,9-4,5 м3/т, и две трети их вывозится в отвалы. При пересчете объемов породы на весовые единицы удельная их величина составит 0,07-1,28 и 4,35-6,5 т/т у.т. соответственно при шахтной и открытой добыче угля.
Очевидно, что газификация угля на месте его залегания исключает отвалы горной породы и по этому виду нарушений имеет явный приоритет перед традиционными способами добычи угля.
Определенный интерес представляет экологическая оценка последствий на стадиях транспорта и сжигания топлива. Анализ загрязнений воздушной среды в результате этих процессов показал следующее.
Транспорт. Принятые в США и странах ЕЭС стандарты выбросов вредных веществ составляют: СО — 6,9 г/км (в США) и 18-38 г/км (ЕЭС), окислов азота — 1,2 г/км (в США) и 2,3-3,48 г/км (ЕЭС), пыли при перевозке твердого топлива — 0,013 г/км [2].
В отечественной практике выбросы пыли при погрузке, разгрузке и
Таблица 2
Выбросы вредных веществ, кг/т у.т.
Виды выбросов Вид сжигаемого топлива
Уголь Газ ПГУ
Суммарные выбросы, в том числе: 23,43-33,13 2,42-3,44
зола 13,7-17,23 —
сернистый ангидрид 6,7-9,0 1,6
окислы азота 1,03-4,93 0,2-1,44
перевозке угля в открытых вагонах составляют от 3 до 6 кг/т у.т.
Очевидно, что при трубопроводном транспорте газа ПГУ (аналогично транспорту по трубопроводам нефти и газа) эти загрязнения и связанные с ними последствия отсутствуют.
Сжигание топлива. Общепризнано, что современные масштабы сжигания угля являются основными причинами загрязнения воздушной среды вредными веществами. В продуктах сгорания угля содержится: золы до 1,5-4,5 г/м , оксидов серы — 1,6-11 г/м3 и оксидов углерода —
0,4-4,44 г/м3.
На зарубежных угольных электростанциях удельные выбросы окислов серы составляют 720-2200 мг/МДж, окислов азота — 245 мг/МДж.
Выбросы отечественных угольных котельных заметно выше и достигают: окислов серы — 7420 мг/МДж и окислов азота — 4930 мг/МДж. Это в несколько раз превышает ПДВ.
Удельные выбросы при сжигании угля рассчитывались с учетом его зольности, теплоты сгорания и удельного веса, а при сжигании газа ПГУ
— состава и теплоты сгорания газа. Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Согласно данным табл. 2, перевод угольных котельных на газ ПГУ позволяет полностью предотвратить выбросы твердых веществ и соответственно складирование золы, отчуждение земель под золоотвалы. Выбросы сернистого ангидрида со-
кращаются в 4-5 раз, а окислов азота в 2-3 раза.
Итак, на стадии добычи топлива технология ПГУ позволяет исключить образование отходов горной породы, которые составляют 5-6 т/т у.т., и отчуждение земель под отвалы (12-20 га/млн. т у.т.), предотвратить выбросы в атмосферу угольной пыли (0,3-1,5 кг/т у.т.), улучшить качество сточных вод, уменьшить сброс взвешен-ных веществ с 0,452 до 0,044 кг/т у.т.
На стадии транспорта подземная газификация угля позволяет полностью предотвратить выбросы пыли (3-6 кг/т у.т.), а на стадии сжигания в 10 раз уменьшить выбросы вредных веществ в воздушный бассейн, полностью ликвидировать процесс образования золы и последствия, связанные с ее удалением и хранением.
Учитывая эти приоритеты, особого внимания заслуживает идея создания экологически чистого предприятия «ПГУ - котельная» и «ПГУ -электростанция», что позволит одновременно успешно решить целый комплекс экологических вопросов по цепочке «добыча - транспорт -сжигание» топлива.
Особое место в оценке экологических последствий ПГУ занимает взаи-модействие продуктов термического разложения угля с подземными водами.
Степень воздействия технологического процесса на состояние подзем-
ных вод и их загрязнение определяется природными условиями месторождения и техногенными факторами процесса ПГУ. Среди природных факторов, влияющих на гидрогеологическую среду, важными являются: изолированность угольного пласта от наиболее проницаемых пород почвы и кровли и от водоносных горизонтов; фильтрационные свойства угольного пласта и вмещающих пород; водонасыщенность углевмещающих пород.
Среди техногенных факторов, оказывающих существенное влияние на геологическую среду, следует выделить:
- высокие температуры в очаге горения (до 1200-1300 °С) и в выга-зованном пространстве;
- избыточное давление в подземном газогенераторе;
- конструкцию подземных газогенераторов и режимы газификации;
- деформацию углевмещающих пород кровли и почвы за счет процессов сдвижения и температурного воздействия (в связи с деформацией проницаемость вмещающих пород повышается и может нарушаться герметичность газогенераторов);
- осушение участков газификации и водоотлив из выгазованных пространств.
За счет откачки воды из газогенераторов происходит вынос загрязняющих веществ на земную поверхность, а образование депрессии подземных вод способствует локализации компонентов загрязнения в пределах газифицируемой площади.
С целью прогнозирования распространения зон загрязнения гидросферы на горном отводе Южно-Абинской станции «Подземгаз», была пробурена режимная сеть специ-
альных гидронаблюдательных скважин (общая протяженность 2906 м), из которых отбирались пробы воды (на качественный и количественный анализы) и измерялась их температура. В качестве очагов загрязнения исследовались действующий и отработанный газогенераторы, а также поверхностное хранилище концентрированного загрязнителя, каким является газовый конденсат.
Целью проводимых полевых и экспериментальных исследований является система мониторинга, включающая изучение формирования гидродинамического, геохимического и температурного режимов подземных вод. Полученная фактологическая база использовалась для фильтрационно-миграционной модели распростра-нения загрязнения подземных вод.
Распространение зон загрязнения подземных вод от очага (центра газогенератора) иллюстрируется рис.
1. На действующем газогенераторе (рис. 1, а) в зоне очага горения концентрации фенола и аммония достаточно высоки и их значения соответственно составляют 0,09 и 18 мг/л, по мере удаления от очага загрязнения их концентрации резко снижаются и уже на расстоянии 300-500 м остаются постоянными и приближающимися к ПДК.
Сразу же после прекращения газификации угля и естественного затопления газогенератора (рис. 1, б) наблюдается уменьшение концентрации обоих загрязнителей до значений 0,004 (фенолы) и 7,3 мг/л (аммоний), а на удалении 200 м от него подземные воды становятся практически пригодными для питьевого потребления.
Дальнейшее снижение концентрации загрязнителей на отработанном газогенераторе во времени не-
значительно. Снижение концентрации загрязняющих веществ в процесс
Рис. 1. Динамика миграции химического загрязнения: а
— в период газификации от очага горения; б — после окончания газификации от отработанного газогенератора.
1 — С6Н5ОН; 2 — Ш4.
се миграции подземных вод обусловливается, вероятно, их сорбцией углепородным массивом. Четырехлетнее наблюдение за составом подземных вод в отработанном газогенераторе выявило факт их постепенного опреснения.
Итак, ПГУ действительно может рассматриваться в качестве экологически чистой угольной технологии, способной на частичное замещение угля в ТЭБ’е страны. ШИЗ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами; 1, Гидрометеиз-дат, — 1986.
2. Energy Policy and Planning Seminars — Training Material Corazon, Sissngoo. Economic Development Institute The Work Bauk. 1991.
— Коротко об авторах--------------------------------------------------------------
Крейнин Е.В. - ОАО «Промгаз».
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 19 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ж. Аренс.
