CC BY
37
Таблица 2
Выбросы от автомобильного транспорта
№ п/п Наименование параметра Выброс загрязняющего вещества
Всего о и и С2-С5 Бензол Толуол Этил- бензол Ксилол
1 Концентрация веществ в выбросах, % 100 93,85 2,5 2 1,45 0,05 0,15
2 Максимально разовый выброс, г/с 1,6 1,502 0,04 0,032 0,023 0,0008 0,0024
3 Валовый выброс, т/год 0,262 0,246 0,0066 0,0052 0,0038 0,00013 0,00039
С учетом идентификации выбросов для автомобильного бензина по группам загрязняющих веществ выбросы составят (табл. 2):
Таким образом, по результатам выполненных нами исследований
можно сделать вывод, что загрязнения воздушного бассейна нефтепродуктами и их производными в районе деятельности угольных разрезов Восточного Забайкалья не превышает санитарных норм.
— Коротко об авторах---------------------------------------------------
Новичкова Марина Валерьевна - ассистент, Читинский гсударственный уиверситет.
------------------------------------------ © Н.Г. Тихомирова, 2007
УДК 502/504:622.411.33
Н.Г. Тихомирова
ПРОБЛЕМЫ УГОЛЬНОГО МЕТАНА ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ШАХТ В СВЕТЕ КИОТСКОГО ПРОТОКОЛА
Семинар № 10
Актуальность выбранной мною темы обусловлена процессами, происходящими в мире, когда наличие проблемы глобального потепления климата признано во всем мире.
На сегодняшний день возникла острая необходимость разработки механизма технического обеспечения обязательств России по Киотскому протоколу применительно к ликвидации шахт.
Необходим анализ практических дополнений существующей экологической базы, а также проектных решений по ликвидации последствий закрытия шахт с учетом предотвращения выбросов парниковых газов, включая анализ проектов основополагающих законов о государственной политике, учете и контроле, о собственности и обороте квот на выбросы парниковых газов.
Учитывая, что по современным представлениям на антропогенное изменение климата прежде всего влияет накопление в атмосфере парниковых газов (С02, СН4, Ы20, фтор углеродов и др.), предполагается разработка обобщенной методики ежегодного поступления парниковых газов, обусловленной добычей и технической переработкой органических топлив (углей, сланцев, природного газа, нефти) с учетом особенностей свойств углей России, количеств метена и С02, выделяющихся при закрытии шахт.
Применение этой методики позволит обосновать меры по предотвращению поступлений в атмосферу парниковых газов. Будут рассмотрены методы снижения поступления в атмосферу С02 и СН4 за счет утилизации (сжигания) шахтного метана, внедрения новых энерго- и ресурсосберегающих технологий с получением электроэнергии и использованием С02 в процессе фотосинтеза.
Угольные месторождения России содержат до 80 трлн мз. Вопросы экологии являются одними из основных проблем угольного метана, которые включают вопросы безопасности и использования.
Необходимо создание системы контроля в угольных шахтах и иных промышленных объектах с возможностью дистанционного сбора данных об объемах выбрасываемых парнико-
вых газов для международных инспекций. В России отсутствует система мониторинга таких выбросов и даже неизвестно какие предприятия их выбрасывают,
- выявлена целесообразность разработки и создания, а также функционирования системы экологического мониторинга и экологической безопасности окружающей среды в зоне ликвидации шахт с начала ликвидационных работ до устранения всех негативных последствий деятельности закрываемых предприятий.
- необходимость правового регулирования норм выбросов парниковых газов в угольных шахтах и на промышленных объектах и приведение их в соответствии с международными нормами.
Кардинальным решением проблемы снижения поступления в атмосферу основных парниковых газов (С02 и СН4) могло бы быть производство энергии за счет широкого внедрения нетрадиционных процессов (непосредственного использования солнечной энергии, энергии ветров, приливов, термальных источников) или ядерной энергетики вместо сжигания органических топлив. 0днако себестоимость получения энергии перечисленными выше нетрадиционными методами весьма высока и даже по самым смелым прогнозам к концу 21ого века не превысит 5-10 % от общего количества энергии, произведенной во всем мире в 1990 г.
Развитие «урановой» энергетики встречает серьезные возражения с экологической и других точек зрения (предотвращение случайных или диверсионных аварий и др.), которыми в настоящее время обосновано нельзя пренебречь. По-видимому, применение термоядерной энергии - «Термояда» позволяет решить этот вопрос.
0днако крупномасштабное осуществление Термояда, возможно только к концу XXI века, так как не ранее, чем через 10 лет намечается завершение строительства одной или двух опытных термоядерных станций, и после их эксплуатации в течение не менее 5 лет будет накоплен опыт, достаточный для начала проектирования предприятий по промышленному использованию термоядерной энергии.
В течение последних десяти лет проводились интенсивные исследования, которые выявили возможности существенного уменьшения эмиссии в атмосферу парниковых газов, образующихся при добыче и использовании твердых и других органических топлив для энергетических нужд.
Предложенные методы можно условно разделить на две группы: 1-пассивные и 2- активные.
В настоящее время в химической промышленности уже используются процессы улавливания углекислого газа из газовых смесей различного состава. 0днако их применение к газам, образующимся на электростанциях, сжигающих органические топлива связаны с очень большими затратами (например, капитальных вложений на 30-150 %) и резким снижением коэффициентов использования топлив (на 6-14 %). В этой группе объединяются нетрадиционные процессы, позволяющие снизить количества С02 и СН4, выделяющиеся на единицу энергии (тепла), получаемого за счет сжигания топлив, или осуществить вывод С02 из газовой фазы при ожидаемых меньших расходах, чем в традиционных методах улавливания С02. 0ни подразделяются по следующим типам:
5.1.1. Замена одних видов топлив на другие или повышение коэффициента полезного использования топлив.
5.1.2. Хемосорбция выделяющихся парниковых газов горными породами.
5.1.3. Закачка образующегося С02 в океаны, подземные пространства или подземные соленые озера.
5.1.4. Использование новых энергетических методов, исключающих или резко снижающих выделение парниковых газов в атмосферу.
В настоящее время в мире действует около 4000 угольных шахт, на которых ежегодно образуется более 20 млрд. м3 метана. Согласно расчетам, при добыче углей подземным способом выделяющийся в атмосферу шахтный метан составляет около 20 -30 % от суммарного парникового воздействия этих углей после их сжигания в энергетических установках.
0бщее количество метана, сосредоточенное в угленосных формациях, точно неизвестно, но по ориентировочной оценке составляет 450 10 2 -1000 1012 м3 или около 510^109 -1140 •Ю9 тут и по мировым запасам (в пересчете на условное топливо) занимает четвертое место после угля, нефти и природного газа. В тоже время энергетический потенциал угольного метана при газоносности угля даже 15-20 м3/т составляет не более 2.3 % от энергетического потенциала этого угля.
Прогнозные ресурсы метана угольных месторождений России оцениваются, по различным данным, от 50-1012 до 80-1012м3 или 57-109 -91.2 •109тут. В освоенных угледобычей регионах содержится до глубины 1800 м не менее 15^1012м3, в том числе в Воркуте 2^1012м3 и в Кузбассе 13-1012 м3.
Для масштабного использования угольного метана в России и других странах необходимо создать технологические комплексы очистки и транспортировки, а также, вероятно, обогащения газа, с обеспечением возможностей его устойчивого потребления.
Наибольшие концентрации метана имеют газовоздушные смеси (ГВС), образующиеся именно при дегазации шахт перед добычей углей, так называемый каптированный шахтный метан. Существенно меньше концентрации метана в ГВС, образующихся при вентиляции шахт непосредственно в процессе добычи углей (вентиляционный шахтный метан). Согласно расчетам и экспериментальным данным, взрывоопасны ГВС с содержанием метана 5-15 % (объём). В России принят коэффициент запаса 2, т.е. могут использоваться ГВС с содержанием метана менее 2,5 % и более 30 %, что осложняет процесс его утилизации, например, по сравнению с ФРГ, где разрешено применять ГВС при концентрации метана > 25 %.
В целом в России около 90 % метана выбрасывается в атмосферу вентиляционными системами, в которых содержание метана обычно меньше 2,5 % и только 9-10 % (в целом по России от всего количества метана образуется в виде каптированного шахтного метана). На 8 из 10 шахтах объединения "Воркутауголь" каптируемый метан имеет содержание более 30 %.
В Кузнецком бассейне извлечение шахтного метана в виде каптированного составляет меньше (немногим более 15 %), чем в Воркуте (до 35-40 %). 0днако с учетом гораздо больших объёмов добычи угля количество каптированного метана больше в Кузнецком бассейне, хотя концентрация СН4 в ГВС на разных шахтах изменяется в более широких пределах (от 7 до 30-40 %). Вентиляционными системами выбрасывается, как и в других бассейнах, основное количество шахтного метана, причем содержание СН4 в этих ГВС меньше 2,5 %. При этом вентиляционный шахтный метан сосредоточен главным образом в ис-
ходящих из шахт потоках с концентрацией СН4 0,3-0,5 %; в значительно меньших количествах содержится метан в потоках проветривания шахтных выработок, отсасываемых вентиляторами, установленными на скважинах, пробуренных с поверхности, но концентрация СН4 в этих ГВС значительно выше (3-15 %).
Выполненные в настоящее время исследования позволяют сделать вывод, что основными направлениями использования шахтного метана является его сжигание в качестве топлива либо непосредственно, либо после конверсии в синтетическое жидкое топливо, или применение в качестве сырья для синтеза некоторых химических продуктов.
Сопоставление различных методов утилизации каптированного шахтного метана (топлива для парового котла, автомобильного, газовой турбины или газомоторного двигателя с выработкой электроэнергии) позволяет сделать вывод, что наиболее перспективна утилизация в качестве топлива для газомоторного двигателя с получением электроэнергии. В этом случае будет одновременно получаться пар и горячая вода. Суммарный к.п.д. составит 55 %, в том числе по электроэнергии 30 %, горячей воды - 10 % и пара 15 %. Могут быть применены ГВС с концентрацией метана > 30 % и техобслуживание установки выполнено на месте. При реализации рассмотренного выше плана по увеличению степени дегазации в 2001-
2004 г.г. может быть получено около 49,56 х106 м3 или 35190 т чистого метана в виде ГВС с концентрацией метана ~ 40 %, т.е. около 14,1 м3 метана на 1 т добытого угля или 15,9 кг у.т. При этом на 1 т добываемого угля будет выработано около 50 квт ч, что покроет около 88 % потребности шахты в электроэнергии.
Для того, чтобы осуществлять эксплуатацию внедряемой системы при благоприятных условиях, поняв и освоив ее в практическом плане, требуется провести специализированную подготовку технических консультантов и т. п. Для увеличения доли каптируемого метана в целом по шахте "Чертинская" необходимо последовательно внедрять буровое оборудование в других забоях, а в будущем стремиться осваивать и внедрять технологию направленного бурения. На шахте "Чертинская" применяется технология каптажа метана и уже установлено оборудование для его утилизации (газомоторные электрогенераторы и др.), однако не создано эффективной системы непрерывного контроля метана на всех этапах от каптажа до утилизации.
В настоящее время утилизация метана не производится, однако данная шахта единственная в Кузбассе, где дегазация осуществляется с учетом планов утилизации метана. Поскольку в угольных пластах данной шахты заключен большой объем метана, здесь стремятся проводить модернизацию системы каптажа метана и рассматривают вопросы повышения безопасности и производительности шахты, а также утилизации метана, однако на сегодняшний день конкретные меры в этом направлений не реализуются.
На основе результатов проводимого исследования предполагается осуществить модернизацию системы каптажа метана на шахте "Чертинская", и в рамках этого спроектировать и предложить систему контроля метана с целью обеспечения максимальной эффективности утилизации каптированного метана. Настоящий проект будет способствовать повышению безопасности ведения работ и стабильности экономического положения шахты, а также внесет вклад в де-
ло предотвращения глобального потепления климата.
Данная шахта является самой газонасыщенной в центральной части Кузнецкого бассейна и здесь до настоящего времени уже прилагались большие усилия для дегазации. 0дна-ко в последние годы из-за износа оборудования и нехватки мощностей буровых станков на практике полагаются только на дегазацию посредством вентиляции.
В случае если будет внедрена система дегазации и каптажа метана, контроля и управления в соответствии с планом повышения эффективности каптажа метана, и планирование утилизации метана будет осуществляться, исходя из предположения, что доля каптированного метана составит 40 %, а концентрация чистого метала в дренируемом метане -30~35 %, обеспечение стабильной и эффективной работы объектов, утилизирующих метан, также представляется вполне реальной.
При достаточно высокой концентрации СН4 в каптируемом шахтном метане возможно его концентрирование с последующим сжижением и использованием сжиженного метана в качестве моторного топлива. Несомненным преимуществом утилизации каптированного шахтного метана для производства электроэнергии или (после сжижения) в качестве моторного топлива является независимость от сезонных колебаний потребности в тепле.
С положительными результатами выполнены исследования по получению из кондиционного шахтного метана ряда химических соединений (октамикса, метанола, ацетилена, альдегидов и др.). 0днако техникоэкономическая перспективность промышленной реализации, вероятно, может быть достигнута при реализа-
ции рассмотренной выше схемы объединения шахтного метана из нескольких шахт с обеспечением переработки достаточно больших количеств шахтного метана стабильного состава. Целесообразность создания установок по утилизации каптируемого шахтного метана зависит от наличия на сравнительно небольшом расстоянии от места его получения постоянного потребителя тепла или электроэнергии, а также от стабильности дебита и концентрации метана в ГВС. Выполненные техникоэкономические расчеты показывают, что с учетом современных вакуум-насосных станций, имеющихся в России, оптимальные расстояния для каптируемого шахтного метана с концентрацией СН4 > 25 % составляют не более двух км. Для стабилизации дебита шахтного метана и состава ГВС предлагается объединять в единую систему несколько источников его получения. Подобный проект не реализован вследствие трудностей аппаратурного оформления (повышенные требования к газоперекачивающим устройствам) и осушения газа в зимнее время.
Учитывая важность решения проблем утилизации шахтного метана, для обеспечения безопасности труда шахтеров, снижения неблагоприятных экологических нагрузок и достижения технико-экономического эффекта, Минтопэнерго РФ издало приказ, предусматривающий выполнение программ этих работ по проблеме "Метанобезопасность".
Минэнерго РФ совместно с Федеральным агентством по промышленности, науки и технологии разработана приоритетная программа "Комплексное решение проблемы извлечения и использования метана угольных шахт России" на 2000-
2005 гг.
Основными целями и задачами программы являются:
- уменьшение опасного воздействия предприятий угольной промышленности на изменение климата;
- обеспечение выполнения обязательств РФ по рамочной Конвенции ООН, Киотскому протоколу и др. по климату;
- создание технических и институциональных условий для реализации механизма регистрации, учета и передачи квот на сокращение выброса парниковых газов в угольной отрасли;
- подготовка и реализация проектов по сокращению выброса парниковых газов, в том числе по утилизации шахтного метана;
- снижение выброса шахтного метана для уменьшения антропогенного воздействия на окружающую среду и повышения безопасности ведения горных работ при добыче угля.
Программа состоит из пяти подпрограмм:
1. Разработка государственной стратегии и политики по предотвращению (снижению) антропогенного воздействия угольной промышленности.
Предполагается первичная инвентаризация выбросов. Разработка и проведение государственного мониторинга антропогенных текущих выбросов, которое будет осуществляться предприятиями угольной промышленности.
2. Создание нормативно-правовой базы, которая включает систему постановлений, методик и рекомендаций, позволяющих организовать рынок торговли (переуступки) квот на сокращенные выбросы парниковых газов под контролем государства.
3. Инженерно-инвестиционные меры по подготовке инвестиционных проектов, включая научно-исследова-
тельские и конструкторские работы, и их осуществление, а также контроль за реализацией проектов по сокращению выброса парниковых газов, главным образом по утилизации шахтного метана.
4. Разработка экономических мер, обеспечивающих прямую экономическую заинтересованность предприятий по реализации проектов снижения опасных антропогенных выбросов и привлечение крупных инвестиций на возвратной основе, а также создание системы биржевой торговли квотами на сокращенные выбросы.
5. Информационно-аналитические меры для создания и функционирования соответствующей системы "Негативное влияние предприятий угольной промышленности на изменение климата", включая разработку сценариев и долгосрочного прогнозирования.
Предполагается, что основными результатами выполнения данной программы будут:
- создание государственной системы учета и контроля выбросов шахтного метана как пример для других парниковых газов;
- выполнение обязательств России в рамках Конвенции 00Н, Киотскому протоколу и другим соглашениям в части снижения выброса метана и остальных парниковых газов;
- разработка эколого-экономи-ческих, финансовых и правовых механизмов по продаже квот в рамках угольной промышленности;
- строительство и пуск пилотных установок по утилизации шахтного метана с получением электроэнергии, тепла, метанола и других химических продуктов;
- подготовка условий для реализации новых типов энергосбережения в угольных регионах России;
- создание национального информационно-аналитического центра по
экологическим проблемам угольной промышленности.
0риентировочная стоимость проекта составит 6 млн дол., из которых 50 % предполагается получить за счет федерального бюджета, а остальные средства от Мирового банка, Мирового углеродного фонда, Европейской Экономической комиссии 00Н, частных инвесторов, в том числе иностранных, и из других источников.
Целесообразность создания установок по утилизации каптируемого шахтного метана зависит от наличия на сравнительно небольшом расстоянии от места его получения постоянного потребителя тепла или электроэнергии, а также от стабильности дебита и концентрации метана в ГВС. Выполненные технико-экономические расчеты показывают, что с учетом современных вакуум-насосных станций, имеющихся в России, оптимальные расстояния для каптируемого шахтного метана с концентрацией СН4 > 25 % составляют не более двух км. Для стабилизации дебита шахтного метана и состава ГВС предлагается объединять в единую систему несколько источников его получения. Подобный проект не реализован вследствие трудностей аппаратурного оформления (повышенные требования к газоперекачивающим устройствам) и осушения газа в зимнее время.
Следует отметить, что большинство мероприятий, будут способствовать одновременно снижению эмиссии ПГ и повышению степени полезного использования природных топливных ресурсов, т.е. обеспечивать так называемое устойчивое развитие промышленности, являющейся стратегией, принятой в международном масштабе даже странами, не ратифицировавшими Киотский протокол (США, Австралия и др.)
Выбор оптимальных способов снижения эмиссии парниковых газов (ПГ) может производиться на основе следующих нескольких, иногда противоречивых друг другу параметров: минимизация капитальных вложений, минимальная себестоимость осуществления мероприятия, достижение одновременно с уменьшением эмиссии ПГ добавочного полезного эффекта; максимальное снижение эмиссии ПГ.
Минимальные капитальные вложения и себестоимость характерны, вероятно, при сжигании на "факел", т.е. без утилизации тепла шахтного метана, каптированного или добытого при дегазации угольных пластов перед их разработкой. Первые два техникоэкономических параметра в значительной мере зависят от местных условий. 0ни могут быть рассчитаны только после проведения конкретных проектных расчетов и поэтому не могут быть рассмотрены нами в данном докладе.
Большинство предложенных методов снижения эмиссии ПГ, за исключением, вероятно, замены при сжигании одного вида топлива на другой и закачки С02 в подземные пустоты или соленые водные бассейны, вне зависимости от требований Киотского протокола, характеризуются добавочным положительным эффектом: снижение общего расхода топлива, увеличение поступления в атмосферу кислорода и рост кормовой базы или создание новой минеральной сырьевой базы производства алюминия. 0днако конкретные количественные показатели этих методов также зависят от условий их реализации или от положительных результатов завершения соответствующих полупромышленных или пилотных испытаний. Поэтому этот параметр нельзя оценить в количественной форме в настоящее время.
Рассмотрение существующих представлений об антропогенных факторах, которые могут привести к необратимым неблагоприятным изменениям климатических систем Земли, позволяют сделать вывод, что основным из этих факторов является увеличение поступления в атмосферу парниковых газов, которое способствует повышению температуры нижних слоев атмосферного воздуха, т.е. глобальному потеплению. Количество парниковых газов, влияющее на глобальное потепление, связанное с катастрофическими экологическими последствиями (наступление ледников, затопление прибрежных территорий и др.), измеряется величиной их нет-то-эмиссии, равной разности между объемами их поступления в атмосферу и вывода (стока) из нее. Предложена классификация парниковых газов, среди которых наибольший вклад в нетто-эмиссии вносят поступления в атмосферу СО2 и СН4, причем значительные их количества связаны с добычей и процессами термической переработки угля и других видов органических топлив. Разработана методика оценки суммарного парникового эффекта (потенциала глобального потепления) этих газов, учитывающая реальный состав углей и других органических топлив, их ежегодные объемы добычи и переработки (обогащение, сжигание, коксование и др.) применительно к условиям России, а также их поступление в атмосферу из закрытых шахт и горящих терриконов. Согласно расчетам в 1994 г. доля СО2 и СН4, образовавшихся при добыче и использовании углей составила 30 и 10 % от суммарной эмиссии этих газов, обусловленной добычей, переработкой всех видов органических топлив и деятельностью других отраслей (сельское хозяйство, металлургия и др.). Имеющиеся к на-
стоящему времени результаты экологического мониторинга и геотехнических расчетов, выполненных рядом организаций (ИГД им. А.А. Скочин-ского, Рос НИИГД, ИУУ С0 РАН и др.) выявили необходимость учета объемов метана, которые поступают в атмосферу из закрытых шахт. Указанными институтами разработана Методика оценки ресурсов метана в отработанных горных отводах шахт и обоснования мест заложения метанодобывающих скважин.
Суммированы отечественные и зарубежные публикации по способам, позволяющим сократить или свести к минимуму эмиссию С02 и СН4, связанную с добычей и использованием углей. Применение предложенной методики по оценке суммарного потенциала глобального потепления показывает, что в ряде случаев парниковый эффект может либо не увеличиваться, либо даже снижаться при замене на электростанции газа на уголь. 0собое значение имеет утилизация шахтного метана, в том числе, полученного из выработанных пространств закрытых шахт. Так при использовании шахтного метана в качестве топлива достигается снижение эмиссии в атмосферу не менее 13,2 т С02 на 1 т у.т. при одновременном достижении существенного экономического эффекта. Помимо утилизации шахтного метана наиболее перспективными процессами снижении эмиссии парниковых газов главным образом С02 являются промышленное
внедрение новых технологий сжигания органических топлив, например с применением воздуха, обогащенного кислородом или чистого кислорода, а также высокотемпературных топливных элементов в сочетании с использованием образующегося С02 для газификации и затем переработкой газообразных продуктов в моторные топлива и разнообразные товарные химические соединения. 0собое значение имеет использование углекислого газа для фотосинтеза, которое может стать основным процессом поддержания на постоянном уровне содержаний в атмосфере парниковых газов, если будут получены новые виды растений или микроорганизмов с высокой фотосинтетической активностью в газовых средах с концентрацией С02 выше 10-12 %. Вследствие специфических условий развития топливно-энергетического комплекса и других отраслей промышленности Россия имеет благоприятные показатели по сравнению с рядом стран (США, Япония и др.) по эмиссии парниковых газов. Поэтому в соответствии с существующими международными соглашениями (Рамочная Конвенция 00Н, Киотский протокол и др.), предусматривающими поддержание эмиссии парниковых газов на уровне, не угрожающем глобальному изменению климата, для России возможно весьма благоприятное международное сотрудничество по данной проблеме с получением значительных безвозмездных валютных инвестиций.
— Коротко об авторах----------------------------------------
Тихомирова Н.Г. - Московский государственный горный университет.
