CC BY
46
The article provides an analysis of the technical components of production, after which an economic assessment of equipment in production processes is carried out. As an example of equipment, technical data are used from the equipment of PJSC NLMK, after which a conclusion is made about the economic feasibility of using various methods to increase reliability in order to prevent production from stopping.
Key words: equipment failure, equipment reliability, redundancy economic effect, electrical equipment.
Shpiganovich Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, kaf-eoastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Zatsepina Violetta Iosifovna, doctor of technical sciences, professor, kaf-eo@,stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Zatsepin Evgeny Petrovich, candidate of technical sciences, docent, kaf-eo@,stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Astanin Sergey Sergeevich, master, kaf-eo@,stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 614.841.4; 622.33
ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ УГЛЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Л.К. Исаева, В.П. Спиридонов
Рассмотрена проблема безопасности при штатных и чрезвычайных ситуациях на угольных шахтах. Показано, что состояние безопасности функционирующих и закрытых шахт связано с технологией подземной добычи угля, с физическими свойствами, химическим составом, структурой угольных пластов и вмещающих пород в силу объективных причин, хотя влияние социально-экономической обстановки в стране, безусловно, очень значительно. Для снижения экологических последствий штатных и чрезвычайных ситуаций первую очередь, необходимо учитывать свойства угля и человеческий фактор. Отмечены пути развития угольной генерации электрической энергии.
Ключевые слова: угольная шахта, чрезвычайная ситуация, безопасность, уголь, метан, угольная пыль, пожар, взрыв, радионуклиды, окружающая среда, угольная генерация, газификация каменного угля.
Угольные электростанции вырабатывают 40...41 % электроэнергии в мире - самую большую долю в сравнении с другими типами генерации в последние десятилетия.
С начала века генерирующая мощность на угле в мире удвоилась до 2000 ГВт в результате большого роста инвестпроектов в Китае и Индии. В клубе угольных генераторов - 77 стран, еще 13 планируют присоединиться к нему до 2030 г.
Пик выработки электроэнергии из угля был достигнут в 2014 г. Сейчас начался период снижения загрузки действующих ТЭС и их закрытия. За несколько лет в ЕС и США были закрыты 200 ГВт, еще 170 ГВт должны быть остановлены до 2030 г. По состоянию на 9 апреля 2018 года, 27 стран присоединились к Альянсу поэтапного отказа от угольной генерации, из которых 13 стран имеют действующие электростанции.
Экологические нормы увеличивают стоимость угольных электростанций во многих юрисдикциях от США, ЕС до Индии и Индонезии.
По данным МЭА выбросы CO2 от угольной энергетики, возможно, уже достигли своего пика в 2014 г., несмотря на то, что угольная мощность продолжает расти. Выбросы угольного CO2 упали на 3,9 % в период 2014 - 2016 гг., а производство угля - на 4,3 %.
Согласно Financial thinktank Carbon Tracker, чтобы соответствовать более высоким экологическим стандартам, владельцы угольных станций должны инвестировать в очистные сооружения или закрыть свои грязные ТЭС в целом. Такое сочетание факторов означает, что большинство станций существующего мирового угольного производства сталкивается с серьезными экономическими проблемами. Например, было установлено, что к 2030 г. почти все угольные ТЭС ЕС будут убыточными.
Россия располагает большими запасами горючих ископаемых -нефти, газа, угля, торфа. По запасам угля в мире наша страна занимает второе место (19 %мировых), по объемам ежегодной добычи - пятое место (5 % мировой).[1].
Объемы энергоресурсов и их добыча (табл. 1) - одно из условий развития экономики страны и обеспечения ееэкономической независимости [2, 3].
Таблица 1
Объем добычи горючих ископаемых в России*_
Вид ископаемого горючего Годы
1970 1980 1990 1998 2000 2008 2009 2010 2011 2012*
Нефть, вкл. газовый конденсат, млн. т 285 574 516 303 324 380 495 505 509 517
Газ, млрд м3 83,3 354 641 591 584 595 583 651 669 653
Торф, млнт - - - - - - 1,2 1,3 1,4 -
Уголь, млн т 345 391 395 232 258 256 301 322 334 354
* Примечание. После 1990 г самое большоеколичествоугля -358,2 млн. т было добыто в 2014 году [4].
В стране имеются месторождения всех видов углей - от бурых до антрацитов.
Разведанные запасы углейв РФ составляют 193,3 млрд т. Они включают 85,3 млрд т каменного угля, содержащего 39,8 млрд т коксующихся, 101,2 млрд т бурогоугля и 6,8 млрд тантрацитов. Прогнозные ресурсы составляют 3816,7 млрд т, которых хватит на 550 - 600 лет [5].
126
Угольной промышленности принадлежит важное место в обеспечении энергоресурсами энергетики и других отраслей экономики, хотя распад СССР, реформа и реструктуризация угольной отрасли в Российской Федерации сопровождались сокращением шахт и работающих горняков (рис. 1 и 2) [6].
Рис. 1. Добыча угля открытым и закрытым способомв РСФСР
и РФ, млн т
450 ООО 400 ООО 350 ООО 300 ООО 250 ООО 200 000 150 ООО 100 ООО 50 ООО О
1
°о -
° \ Г °
1
-
о 1
<*>
"О
500
400
300
200
100
—О— Численность рабочих по добыче угля в шахтах (левая шкала) —с— Число шахт, техн. ед. (правая шкала)
Рис. 2. Численность шахтеров и количество шахт в РСФСР и РФ
О значении угля в настоящее время свидетельствует тот факт, что по сравнению с дореволюционной Россией в СССР и РФ объем добычи угля был в разы меньше (рис. 3) [7].
В последующие годы добыча твердого топлива у нас в стране немного возросла. Однако развивается угольная промышленность России медленно, несмотря на действующие программы по ее реанимации. В 2015 г. добыча в России составила около 370 млн тонн. При этом российские компании закупили около 80 млн тонн. В советские времена, даже после начавшейся в 70-е «газовой паузы», этот показатель составлял 716 млн т. Причем в 2015 г., по словам представителей Минэкономразвития, сократились и инвестиции в отрасль.
Экспертами отмечается растущий спрос на уголь в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Согласно программе развития угольной промышленности до 2030 года к этому сроку объем поставок по этому направлению должен сравняться с экспортом в Европу.
Приобретают уголь у добывающих компаний в основном предприятия топливно-энергетического комплекса и металлургическая отрасль. В будущем Россия может рассматривать уголь, как основной стратегический ресурс для других отраслей экономики.
Интенсивное развитие угольной промышленность в России может быть обеспечено только путем дальнейшего совершенствования технологий добычи и снижения издержек производства. К настоящему времени приоритетными направлениями этой сферы топливно-энергетического комплекса являются:
масштабная модернизация производства;
вовлечение в обработку наиболее перспективных запасов;
разработка антикризисных мер;
снижение затрат на техническое перевооружение уже имеющихся малоперспективных шахт и разрезов.
повышение безопасности добычи;
Современные технологии добычи и переработки угля позволяют расширять сферу его применения (извлекать метан из угольных месторождений, получать кокс, жидкое синтетическое топливо и многое другое).
Каменный уголь используют в качестве энергетического топлива для тепловых электростанций. Он же является сырьём для получения кокса и применяется в металлургической промышленности для выплавки металлов, так как обеспечивает при горении требуемую высокую температуру.
При коксовании угля образуется коксовый газ, из которого в процессе дальнейшей переработки получают толуол, бензол, ксилолы и другие химические вещества (линолеум, лаки, краски и многое другое).
Из каменного угля в промышленных масштабах возможно извлекать ванадий, германий, серу, галлий, молибден, цинк, свинец.
Всего из каменного угля можно получить более 400 химическихве-
ществ.
В качестве перспективного применения угля путем его гидрогенизация или сжижения предполагается получать жидкие углеводороды (из 23 т угля получают 1 т нефти).
Антрацит используют для получения карбида кальция и карбида кремния, электрокорунда, термографита, углеграфитовых блоков, порошка для микрофонов, обжига карбонатных пород и др.
Итак, несмотря на экономическую целесообразность добычи угля и попутных компонентов, в годы реструктуризации угольной промышленности (1994-2007 гг.) более половины шахт были закрыты. Сокращение наиболее опасных угольных производств привело к снижению абсолютного числа аварий и травм [6], но они остались.
Как заявил министр энергетики РФ Александр Новак, «уровень смертельного травматизма на шахтах в расчете на тысячу работающих стал ниже, чем в ряде других отраслей - на 130 процентов ниже, чем при добыче металлических руд и морских перевозках. Однако на шахтах России сохраняются высокие риски возникновения крупных аварий. При этом динамика смертельного травматизма на шахтах прошлых лет говорит о цикличности аварий с большим количеством погибших».
По сообщению главы Ростехнадзора Алексея Алешина, «показатель смертельного травматизма на шахтах РФ снизился в 2015 году до 0,53 человека на 1 млн тонн добытого угля. Для сравнения, в Украине за 2013 год, этот показатель составлял почти 1,2 человека на 1 млн тонн» [22].
Вероятность аварий и травматизма горняков, а также ухудшение здоровья и условий безопасной жизнедеятельности населения вблизи шахт, помимо изменения социально-экономических условий в России, связана с технологией подземной добычи угляи его физическими свойствами, химическим составом, структурой угольных пластов и вмещающих пород.
Профессия шахтера, помимо всего прочего, является еще и одной из самых опасных в мире. В разрабатываемых угольных пластах всегда содержится ядовитый и взрывоопасный газ - метан. К его возгоранию может привести любая искра, появившаяся в процессе функционирования шахтного оборудования. В результате взрыва и последующего обвала слоев угля рабочие могут не только получить травму, но и погибнуть.
Любые опасные факторы взрыва следует снижать до безопасных пределов.
Так, при взрывных работах в шахтах проводится ингибирование для предотвращения подземных газовых и пылевых взрывов путём торможения экзотермических реакций окисления метана, рудничных газов или продуктов газификации горючей пыли в шахтной атмосфере. Вещества,
ингибирующие эти реакции (ингибиторы, пламегасители), поступают в шахтную атмосферу в основном вместе с продуктами взрыва либо вводятся предварительным распылением. Для этого в состав предохранителей взрывчатых веществ, применяемых в шахтах с пылегазовым режимом, включают соли-пламегасители или соединения, разлагающиеся при взрыве с выделением ингибиторов. Ингибиторы наносят также на оболочку предохранителей электродетонаторов. Ингибирующую способность веществ в реакциях окисления углеводородов и горючих газов обычно оценивают по снижению температуры или увеличению задержки самовоспламенения смесей этих газов с воздухом или кислородом [20].
Л . 1 >■ А РЯЙ^ г * •. л* , чьцкь
% Вар , \ \
¿щ. ■ -Г ¥ \
. . • • •• :• -Г'- - _ я ' ' * 4 Ш
* ' " ' * " '.». ■ • "-V а. • - ч ^ ..."
■ 1 * - ■ . . . Ч ■ ^ ■ ■ V • * . '
Рис. 4. Работа шахтёра
Угольная шахта состоит из трех главных составных частей: зона добычи угля; зона транспортировки угля к основанию шахтного ствола или наклонной выработки и зона подъема угля к поверхности (на подъемнике или транспортером). Добыча включает в себя и подготовительные работы, которые необходимы, чтобы получить доступ к будущим зонам добычи в шахте. Поэтому эта часть работы самая опасная [8].
Причины внезапных выбросов породы, газа и пыли, взрывов и эндогенных пожаров, горных ударов в шахты заключены в самой природе угля, в частности, в генетических условиях его формирования на месторождениях и в угольных пластах.
Происхождения угля связано спереходом органического вещества отмерших растений в горючее ископаемое. Сначала эти веществапревра-щаются в торф, а затем в процессе углефикации (метаморфизме)при повышении температуры и давления в литосфере последовательно образуется бурый, каменный угольи антрацит (рис. 5).
130
Рис. 5. Схема углеобразования
Состав углей. Органическая часть угля состоит из атомов С, Н, О, К, 8, которые образуют ароматические, гидроароматические, гетероциклические и алифатические фрагменты, содержащие группы СН, СН2, СНз, -ОН, -СООН, -КН2, -8Н, С=О[8]. Все атомы в составе фрагментов угля в определенных условиях способны гореть.
Неорганические часть угля содержит №, Са, М^, А1, 81, 8, Р и другие химические элементы в виде силикатов (кремнезем 81О2, глинозема А12О3, глина), сульфатов (Са8О4, MgSO4), сульфидов (преимущественно Бе82), карбонатов (СаСО3, MgCO3, БеСО3), оксидов, фосфатов, хлоридов других металлов [9]. Большинство химических веществ в составе углей не горят.
При превращении бурого угля последовательно в каменный уголь и антрацит (метаморфизм) происходит изменения химического состава, структуры и физических свойств породы: повышение содержания углерода, уменьшение кислорода, водорода и летучих веществ (табл. 2). Изменяются теплота сгорания, твердость, плотность, хрупкость и другие физические свойства.
Таблица 2
Усредненный элементный состав (% вес.) и теплота сгорания
Топливо Состав органической части, % Содержание, % Высшая теплота сгорания, кДж/кг
С Н №О 8 W А Летучие
Древесина 50 6 44 - 30.40 0,4 до 70 19000
Торф 59 6 35 0,4 25 4,5 до 70 24000
Бурый уголь 75 5 25 2-3 до 50 4,0 45-55 26000
Каменный уголь 82 5 13 2-6 3.5 6,0 8-50 34000
Антрацит 95 2 3 1-2 1.1,5 6,0 до 8 34000
Нефть 87 13 0,3 0,1.5 - 0,1.0,5 - 40000
Природный газ 75 25 - - - - - 40000
Бурый уголь может содержать 50...77 % С, 20...30 % (иногда до 40 %) влаги(Ш)и до 50 % летучих веществ.В состав летучих веществ входят молекулярный азот N2, кислород О2, водород Н2, окись углерода
131
СО, углеводородные газы СН4, С2Н4 и др.Изстуктурной формулы (рис. 6) можновидеть, что углерод находится в ароматичческих соединениях, а гетероатомы (О и 8) в их боковых цепях, образуя фрагменты гуминовых кислот и битумов [10, 11].
Гуминовые кислоты - это высокомолекулярные конденсированные ароматические соединения с молекулярной массой 1300.1500, состоящие из фенольных, гидроксильных, карбоксильных, карбонильных групп, простых эфирных связей и др. Элементный состав: 50.70 % С, 4.6 % Н, 25.35 % О.Гуминовые кислоты имеют разветвленную молекулярную структуру, включающую большое количество функциональных групп и активных центров, в них содержатся: азот, калий, фосфор, а так же такие микроэлементы, как молибден, медь, цинк, железо и т.д.
Все гуминовые вещества построены по единому принципу. Они состоят из ароматического углеродного каркаса, замещенного функциональными группами, в основном это карбоксильные, гидроксильные, меток-сильные и алкильные группы. Гидрофобность гуминовых веществ увеличивается от торфа к углю.
Каменный уголь содержит 75.97 % и более С; 1,5.5,7 % Н; 1,5.15 % О; 0,5.4 % 8; до 1,5 % К; 2.45 % летучих веществ; количество влаги колеблется от 4 до 14 %; золы - от 2.4 % до 45 %. Сера в каменных углях находится в виде колчеданной, сульфатной и органической. В состав органической части каменных углей (рис. 7), также входят фрагменты гуминовых кислот и битумов [11, 12].
Гуминовые вещества, входящие в состав органической массы углей, составляют от 5.15 % в бурых углях до 60 % в окисленных каменных углях. Битумы - это твердые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородных, сернистых и металлсодержащих производных.
•чг о
он н^
Рис. 6. Структурная формула фрагмента бурого угля
он
Рис. 7. Структурная формула фрагмента каменного угля
Высшая теплота сгорания каменного угля, рассчитанная на влажную беззольную массу каменный уголь, не менее 23,8 МДж/кг.
Антрацит содержит 94.97 % С,1,0-3,0 % Н, по 1,0.1,5 % О и К, 0,2.0,3 % 8, имеет влажность 3.4 %, не содержит гуминовых кислот, кислород находитсяв основномв виде СО-групп. Кроме того антрацит характеризуется низким выходом летучих веществ- не более 9 %. Удельная теплота сгорания 33,8.35,2 МДж/кг [13]. Чтобы поджечь антрацит, требуется мощный источник зажигания, но загоревшись, он горит дольше, чем бурый уголь, почти без пламени.
По составу антрацит наиболее близок к графиту. Молекулярная структура антрацита состоит из фрагментов ароматических молекул расположенных в одной плоскости с минимальными расстояниями между пластами. Фрагменты имеют в плоскости вытянутую форму, что, вероятно, объясняется сшивкой углеродных ароматических ядер за счет отрыва от них атомов водорода [14].
Содержание основных химических элементов, молекулярная структура углей, количество, состав летучих газов (газообильность и продукты термолиза), теплота сгорания дают представление о пожароопасных и экологических свойствах углей
Углерод является основным элементом углей, которой определяет теплоту сгорания. В бурых углях его количество составляет в среднем 60.70 %, в каменных - 75.91 %, в антрацитах - до 97 %.
Водород повышает теплоту сгорания углей, так как при горении выделяется 4,2 раза больше тепла, чем углерода. Содержание водорода снижается от бурых углей (4.6 %) к антрацитам.
Соотношение углерода к водороду (С:Н) в углях указывает на то, что в их структуре преобладают ароматические соединения, которых больше всего в антраците (табл. 3).
Таблица 3
Средний элементный состав и степень
ароматичности углей__
Вид угля Состав, % Соотношение
С Н О+К+8 С:И
Антрацит 96 3 1 32
Каменный уголь 80 5 15 16
Бурый уголь 65 5 30 13
Поэтому органическая часть угля состоит из конденсированных ароматических ядер, которые связаны в пространственный полимер боковыми алифатическими группами, образованными атомами углерода, водорода, кислорода, серы, азота. Возможной причиной образования пространственных слоев является также ассоциация молекул посредством межмолекулярных связей.
Таким образом, отношение углерода к водороду в углях характеризует способность к самовозгоранию и воспламенению.
Самовозгорание бурых и каменных углей наблюдается в шахтах, терриконах и породных отвалах при содержании органические веществ более 10 %.
Самовозгорание антрацитов в пластах не наблюдается, а в штабелях не отмечено.
Кислород характеризует склонность углейк термической деструкции, к образованию летучих газообразных и жидких химических соединений, так как кислородсодержащие соединения менее устойчивыкповыше-нию температуры. Количество кислородауменьшается от бурых углей (10.30 %) к антрацитам (1.2 %). Кислород может входить в состав гетероциклических колец, кислотных и альдегидных групп. Чем больше кислорода в угле, тем меньше теплота сгорания.
Кислородсодержащие группы способствуют образованию связей между органической и неорганической составляющими угля. С ростом степени углефикации и, следовательно, уменьшения концентрации кислорода в угле происходит замена в боковых радикалах мостиковых связей «углерод - кислород» на связи «углерод - углерод» и склонность к самовозгоранию уменьшается.
Образование токсичных летучих веществ (802, ИСК, С82, МИ3, И28) связано с присутствием в углях гетерогенных(неуглеродных) атомов. Чем больше массовая доля элемента в угле (табл. 4), тем больше из него образуется летучих, которые загрязняют шахтный воздух.
Содержание фосфора и органической серы характеризует и экологические свойства углей, так как при горении образуются оксиды Р и 8, которые являются вредными веществами.Например, сера органических соединений и сульфидов при горении топлива окисляется в токсичный оксид серы 80. Образующиеся из него диоксид серы (802) взаимодействует в
атмосфере с водяным паром и превращается в серную кислоту, что приводит к выпадению кислотных дождей, которые повреждает растительность, вызывает коррозию металлов, вредны для здоровья человека.
Содержание серы в углях, как правило, невелико - в углях Кузнецкого, Канско-Ачинского, Минусинского месторождений колеблется в пределах 0,2.0,6 %. В углях других месторождений, например, Иркутского бассейна содержание серы - более 10 %.
Серосодержащими функциональными группами угля являются тио-лы, сульфиды и производные тиофена (гетероциклические соединения).
Азот содержится в углях в количестве 1.3 %, а по мере повышения степени углефикации уменьшается. Азотсодержащие группы находятся в угольном веществе в виде производных пиридина и пиррола.
На выход летучих влияют химический состав, температура, структура и другие свойства углей. С увеличением степени углефикации количество летучих веществ уменьшается (табл. 2, 4).
Для бурых углей он составляет 65.45 %, каменных углей -45.10 %, для антрацита - менее 10 %.
Таблица 4
Содержание некоторых гетерогенных атомов в углях_
Вид угля %, масс
О N Б
Бурый уголь 15.30 0,5. 1,2 0,1.2,0
Каменный уголь 2. 17 1,2.1,8 1,0.2,5
Антрацит 1.2 0,1.1,3 1,0. 1,5
Большой выход летучих веществ и температура начала процесса свидетельствует о высокой реакционной способности, термической устойчивости углей (табл. 5) [15].
Между выходом летучих веществ и температурой воспламенения бурых углей существует закономерность - с увеличением выхода летучих веществ температура воспламенения уменьшается.
Таблица 5
Пожароопасные характеристики углей_
Вид горючего Выход летучихвеществ, % об. Температура начала выхода летучих веществ, °С
Бурые и молодые каменные угли 30.60 150. 170
Старые каменные угли 10. 15 380.400
Антрациты 2.9 400
Угли с высоким выходом летучих веществ обладают более низкой теплотой сгорания и, как правило, более высоким процентом химического недожога, образуют больше золы. Зольность углей колеблется от 3 до 30 %.
В составе золы в основном содержатся нетоксичные оксиды алюминия, кремния, железа (III), кальция и магния, так как неорганические соединения этих металлов находятся в углях. В золе также присутствуют микроколичества тяжелых металлов и радионуклидов, а каких именно -зависит от их содержания в угольных месторождениях (табл. 6, 7, рис. 8) [9, 16, 17].
Концентрация тяжелых металлов в шлаке и золе значительно выше, чем в угле.
Таблица 6
Среднее и максимальное (в скобках) содержание тяжелых металлов
Бассейн Zn As Cr Co Ni Pb Sb
Канско-Ачинский 14,2 (300*) 0,7 (200) 22,3 (3320*) 8,1 (320*) 15,9 (300*) 2,2 (60*) 0,28 (9,1*)
Кузнецкий 55,7 (2000*) 7,21 (589*) 21,3 (375*) 8,2 (60,7) 32,1 (400*) 15,8 (300*) 0,45 (14,5*)
* - опасные значения локальных концентраций токсичных элементов в углях.
К токсичным элементам в угле и золе относятся сера, мышьяк, ртуть, бериллий при концентрациях выше 2 %, 300 г/т, 1 г/т, 50 г/т соответственно. К потенциально токсичным относятперечисленные выше химические элементы при более низких концентрациях, а также марганец, ванадий, селен и другие, образующие токсичные соединения при переработке и использовании угля.
Рис. 8. Средние значения удельной активности радионуклидов 40К, 226Яа, 232ТН: а - в углях различных месторождений:1- среднемировые
концентрации; 2 - Интинское; 3 - Воркутинское; 4 - Кузнецкое; 5 - Хакасское; 6 - Райчихинское; 7 - Нерюнгринское; 8 - Ургальское;
9 - Харанорское;10 - Чегдомынское; 11 - Лучегорское; Ь - в угле Интинского месторождения и продуктах его сжигания
В процессе добычи, переработки радиоактивные элементы, содержащиеся в углях в субмикроколичествах, могут накапливаться в окружающей среде и представляют опасность для шахтеров и населения прилегающих территорий.
Хотя «в некоторых месторождениях в углях и вмещающих породах повышенные концентрации германия, галлия, урана, скандия, молибдена, свинца, цинка и других позволяют организовать их промышленное извлечение, повысить экономический потенциал этих месторождений» [18], необходимо учитывать долговременные последствия загрязнения ими окружающей среды. Обеспечение безопасности, отвечающей мировым экологическим нормам - важнейшая задача [1].
Таблица
Среднее содержание урана и тория в каменных и бурых углях
Элементы Каменный уголь Бурый уголь Среднее для углей
сухое вещество зола углей сухое вещество зола углей сухое вещество зола углей
Th 3,2±0,1 23±1 3,3±0,2 19±1 3,3 21
U 1,9±0,1 15±1 2,9±0,3 16±2 2,4 16
Th/U 1,7 1,5 1,1 1,2 1,4 1,3
Есть основание полагать, что в случае пожаров и взрывов при добыче угля на таких месторождениях высокотоксичные радионуклиды и активные соединения ртути, мышьяка, бериллия, фтора, урана, тория и др. будут находиться в виде аэрозоля (летучей золы) в продуктах горения и взрыва, так как они присутствуют в угольной золе ТЭС, работающих на этих углях.Таким образом, при загрязнении ими шахтного воздуха и окружающей среды, здоровье шахтеров и населения подвергается риску в значительно большей степени, чем принято считать. Для справки: нижний концентрационный предел воспламенения каменноугольной пыли 114г/м3:
Угленосные отложения обычно газоносны и в составе газов преобладает метан. Поэтому безопасность шахтеров, в первую очередь, связана сколичеством газа, выделяющегося на единицу массы или объёма (газообильностью) угля при его добыче. Газообильность во много зависит от особенностей структуры углей, которая определяет количество свободных и сорбированных газов, содержащихся в единице массы (или объема) угольных пластов в природных условиях (газоносность).
Использование новых прецизионных физических методов исследования минералов, позволяютпредставитьструктуру органической массы угля как жесткую трехмерную молекулярную сетку, образованную макромолекулами, связанными между собой поперечными связями, внутри которых находятся подвижные молекулярные компоненты.
Макромолекула угля состоит из десятков циклогексановых и цик-лопентановых ароматических колец с более 600 атомами углерода, 500 водорода и 70 кислорода и незначительного количества атомов азота и серы. Ядра макромолекулы у всех каменных углей отличается лишь числом цик-
логексановых и циклопентановых ароматических колец и в процессе механического разрушения почти не изменяется. При таком строении внутри сетки существует множество пор различного диаметра.
Многочисленными исследованиями доказано, что форма и параметры микропор, а также их удельная поверхность зависят от элементного состава и структуры углей.
Структура углей остается не до конца ясной, но она расширила представления о природе их пористости, пустотности, трещиноватости, сорбционных и адгезионных свойств. Это дает возможность глубже понимать процессы, связанные со скоплением адсорбированного, абсорбированного, растворённого метана (метаноностностью) угольных пластов, механизмом его поступления из вмещающих пород и газовыделения под воздействием внешних факторов.
Эти представления важны для обеспечения промышленной, пожарной и экологической безопасности шахт, расположенных в районах много-летнемерзлых пород угля и в аналогичных гидрогеологических услови-ях.Так, в северных регионах страны при сезонном оттаивании угольных пластов происходит изменение температурного режима пород, их физических и механических свойств и газообильности, что провоцирует пожары и взрывы.
Справка. Оценка выбросоопасности угольных пластов и пород производится в соответствии с «Инструкцией по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля(породы) и газа», утвержденной ГГТН РФ 04.04.2000 №14.
Склонность углей к пылеобразованию и взрываемости угольной пыли, самовозгоранию и обогатимости оцениваются по рекомендациям ВостНИИ и ИГД им. Скочинского.
Опасность для окружающей среды при штатном режиме эксплуатации шахт представляют недостаточно очищенные выбросы и сбросы. Почву и водоемы загрязняют шахтные промстоки, в которых присутствуют различные вредные загрязняющие вещества. Шахтный воздух загрязнён различными вредными химическим соединениями и поступает в атмосферу из систем вентиляции
Если в шахте при поступлении метана возникает пожар, то в шахтный воздух попадает бенз(а)пирен, образующийся при горении: 20СН4 ^10 С2Н2 + 30Н2 ^ С20Н12 +34 Н2.
Если известна скорость поступления метана, то можно заранее предсказать концентрацию бенз(а)пирена в забое.
Бенз(а)пирен и другие токсичные полиароматические углеводороды (ПАУ) также образуются при горении пластового угля. При охлаждении продуктов горения пары бенз(а)пирена и ПАУ конденсируются на поверхностях золы. Абсорбция бенз(а)пирена и ПАУ происходит в основном на мелкодисперсных частицах летучей золы, у которых большая удельная поверхность. Летучая зола вызывает поражение слизистой трахеи и бронхов.
138
Каждая авария сопровождаетсячеловеческими жертвами. Это, конечно же, результат отсутствия автоматизации труда и низкийконтроль требований безопасности. Все нормы безопасности труда в этой отрасли -это результат опыта, в том числе полученного при авариях и несчастных случаях.
Наиболее распространенными причинами аварий на современных шахтах являются неисправность горного оборудования, выброс горючих газов, самовозгорание угля и нарушение норм и требований пожарной безопасности.
Тем временем угледобывающие компании РФ наращивают добычу угля, который заранее законтрактован за рубежом. Одна из причин «газового» дисбаланса в энергетике - в отсутствии современных технологий сжигания и переработки угля, позволяющих не только использовать в полной мере преимущества востребованных на мировом рынке энергетических углей РФ, но и находить адекватное применение для низкокачественных углей и угольных отходов, превращая минусы в плюсы.
Производство электроэнергии на угле в России составляет около 200 миллиардов кВт-ч (примерно одна пятая в структуре производства). Структура производства электроэнергии по видам генерации в разных регионах России неоднородна. Если в европейской части, включая Урал, тепловая энергетика ориентирована в основном на газ и доля угля незначительна (менее 10 процентов), то в Сибири и на Дальнем Востоке каждый второй киловатт-час производится на угле. В то же время уголь постепенно проигрывал на внутреннем рынке межтопливную конкуренцию газу. Так, себестоимость производства электроэнергии угольной генерацией в европейской части России составляет примерно 1,6 рубля за киловатт-час, а газовой генерацией - примерно 1,1.
Когда речь идёт о сохранности природных ресурсов, защите окружающей среды и путях развития экономики роль тепловых электростанций на угольном топливе является ключевой. Эти аспекты рассматриваемой проблемы не обязательно являются конфликтующими. На основепримене-ния новых конструктивных решений итехнологических процессов сжигания угля можно модернизировать существующие и строить новые тепловые электростанции и одновременно решать проблемы безопасности, охраны окружающей среды и снижения стоимости электроэнергии [19].
Альтернативным способом, который, правда, уже существовал в более простом виде еще в середине XIX в., является газификация каменного угля с получением «чисто горящего» газа. Такой газ пригоден для освещения и отопления и широко использовался в США до второй мировой войны, пока не был вытеснен природным газом.
Газ, полученный газификацией каменного угля и освобожденный от серы и твердых частиц, является прекрасным топливом для газовых турбин и, как и природный газ, сгорает почти без отходов. Высокий КПД комби-
нированного цикла компенсирует неизбежные потери, связанные с превращением угля в газ. Более того, станция с комбинированным циклом потребляет значительно меньше воды, так как две трети мощности развивает газовая турбина, которая не нуждается в воде в отличие от паровой турбины.
Станции с комбинированным циклом, помимо более высокого кпд и меньшего загрязнения окружающей среды, имеют еще одно преимущество: они могут сооружаться в несколько очередей, так что установленная мощность наращивается блоками. Такая гибкость строительства уменьшает экономический риск чрезмерных или, наоборот, недостаточных капиталовложений. В перспективе такие предприятия будут перерабатывать местные виды природных ресурсов и производить электроэнергию, тепло и различные продукты с учетом потребностей местной экономики.
Заключение. Высказанные соображения о связи химического состава и структуры углей с их пожароопасными и экологически опасными свойствами дают возможность заранее представить масштабы ЧС во времени и пространстве.
Таким образом, при несомненной экономической целесообразности добычи угля и попутных компонентов, необходимо учитывать, что шахты относятся к опасным производственным и экологическим объектам. Эти обстоятельства, вероятно, явились одной из причин, по которым при реконструкции отрасли в период с 1992 по 2013 год было закрыто 188 шахт и 15 разрезов, ликвидировано более 5000 километров горных выработок, снесено 14 727 тыс. кв. метров зданий и сооружений, рекультивировано 5627,7 тыс. гектаров нарушенных земель, потушено и ликвидировано 36 пожаров на породных отвалах и в подземных выработках, построено 53 водоотливных комплекса и 10 очистных сооружений шахтных вод [19].
К сожалению, при осуществлении программы развития угольной промышленности, во многих регионах при подземной добыче угля по-прежнему не решен рядэкологических и технологических проблем [1,19].
При существующей технологии добычи угля и развитии средств пожаро- и взрывозащиты в угольных шахтах по-прежнему существует высокая вероятность спонтанного развития пожара и взрыва пылегазовой среды.
Применение автоматизированных систем при обеспечении безопасности горных работ, в частности: обнаружения пожара, автоматические установки пожаротушения, контроля концентрации веществ в воздухе позволит снизить количество пожаров, взрывов с массовой гибелью людей.
Необходимо шире осуществлять техногенный и экологический мониторинг на действующих и ликвидированных шахтах и вокруг них для предупреждения метанопылеобразования, пожаров, взрывов в соответствии с требованиями Федеральных законов и нормативов [16-18], а также
для выявления факторов, оказывающих негативное влияние на окружающую среду и здоровье населения при штатном функционировании шахт (радиоактивность, токсичночноть, геотермические условия и др.).
Необходимо принять меры к тому, чтобы новые процессы сжигания угля развивались и внедрялись рационально и сбалансировано, при сотрудничестве с энергетическими компаниями.
Угольные бассейны на территории России многочисленны, а пласты доступны для разработки. Освоение последних не имеет практически никаких ограничений. Ко всему прочему добываемое у нас в стране твердое топливо в большинстве случаев отличается очень хорошими качествами, а поэтому ценится на европейском рынке. Уголь, характеристики которого выше, чем у российского, поставляется только из Северной Америки и Австралии.
Определяя политику и перспективы развития угольной промышленности, нужно сформировать эффективный механизм государственного регулирования, а также разработать систему экономических мер, способствующих активному движению инвестиций. Помимо этого, должен быть принят комплекс организационных и законодательных мер, направленных на гармонизацию структуры топливно-энергетического баланса государства [19 - 21].
Список литературы
1. Распоряжение Правительства РФ от 13.11.2009. № 1715-р «Об Энергетической стратегии России на период до 2030 года» [Электронный ресурс]. URL: http://minenergo.gov.ru/node/1026 (дата обращения: 10.09.2019).
2. Российский статистический ежегодник. 2003: Стат. сб. / Росстат [Электронный ресурс]. URL: http://www.gks.ru/bgd/regl/b03 13/Main.htm (дата обращения: 10.09.2019).
3. Российский статистический ежегодник. 2012: Стат. сб. / Росстат [Электронный ресурс]. URL: http://www.elstb.ru/other/files/RSE2012.pdf (дата обращения: 10.09.2019).
4. Экономика России, цифры и факты. Часть 5 Угольная промышленность [Электронный ресурс]. URL: http://utmagazine.ru/posts/10449-ekonomika-rossii-cifry-i-fakty-chast-5-ugolnaya-promyshlennost (дата обращения: 10.09.2019).
5. Запасы угля в России [Электронный ресурс]. URL: http://newsruss.ru/doc/index.php/Запасы угля в России (дата обращения: 10.09.2019).
6. Гражданкин А.И., Кара-Мурза С.Г. Белая книга. Промышленность и строительство в России 1950-2014. ТД Алгоритм, 2016. 544 с.
7. Килимник В.Г., Радионовский В. Л., Григорьев А.В. Уголь в экономике России // Горная Промышленность, 2004. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://www.mining-media.ru/ru/article/ekonomic/1409-ugol-v-ekonomike-rossii (дата обращения: 10.09.2019).
8. Химическая энциклопедия [Электронный ресурс]. URL: http://studopedia.ru/3 191375 kamennie-ugli.html (дата обращения: 10.09.2019).
9.Алехнович А.Н. Влияние минеральной части на показатели и характеристики энергетических углей [Электронный ресурс]. URL: http://www.chipk.ru/data/conf4/k07pokazateli.pdf (дата обращения: 10.09.2019).
10. Воробьёв А.П., Белецкий В.С. Исследование и усовершенствование технологии первичной переработки и окускования бурого угля при его гидротранспортировании [Электронный ресурс]. URL: http://uran. do-netsk.ua/~masters/2012/igg/vorobiev/diss/index.htm (дата обращения: 10.09.2019).
11. Яговкин А.К., Миронова Ю.В., Миронов А.А. Развитие представлений о молекулярной организации сложныхорганических систем -гуминовых кислот [Электронный ресурс]. URL: http://wwwold. ugrasu.ru/ science/journal/14/12/documents/80-86.pdf (дата обращения: 10.09.2019).
12. Стефанчук Б.М, Сенкус В.В., Лукин В.В. Влияние добычи угля на шахтную атмосферу. [Электронный ресурс] URL: http://cyberleninka.ru/ article/n/vliyanie-obemov-dobychi-uglya-na-shahtnuyu-atmosferu (дата обращения: 10.09.2019).
13. Химическая энциклопедия [Электронный ресурс]. URL: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/345.html (дата обращения: 10.09.2019).
14. Клочко Ю.И. Белецкий В.С. Исследованию полезных ископаемых на обогатимость [Электронный ресурс]. URL: http://www.uran. do-netsk.ua/~masters/2010/igg/klochko/library/tez4 .htm (дата обращения: 10.09.2019).
15. Информационный ресурс Studfiles. Материалы автора Белоусова В.Н. [Электронный ресурс]. URL: http://www.studfiles.ru/preview/1800218/ (дата обращения: 10.09.2019).
16. Крылов Д.А., Сидорова Г.П. Пути снижения экологического воздействияна окружающую среду угольных ТЭС России [Электронный ресурс]. URL: http://www.giab-online.ru/files/Data/ 2015/11/277 285 11 2015.pdf (дата обращения: 10.09.2019).
17. Основные источники радиационного загрязнения биосферы [Электронный ресурс]. URL: http: //nuclphys. sinp.msu .ru/ecology/ecol/ ecol04.htm (дата обращения: 10.09.2019).
18. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторожденийи прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Угли и горючие сланцы (утверждены распоряжением МПР
России от 05.06.2007 г. № 37-р) [Электронный ресурс]. URL: http://www. geokniga.org/ bookfiles/geokniga-ugligkz.pdf (дата обращения: 10.09.2019).
19. Программа развития угольной промышленности России на период до 2030 года. Распоряжение Правительства РФ от 21.06.2014 г. № 1099-р [Электронный ресурс]. URL: http://government.ru/media/files/ 41d4eab427ce44a21148.pdf (дата обращения: 10.09.2019).
20. Азаров В.Н., В. А. Грачев, Спиридонов В.П. и др. Безопасность жизнедеятельности. Учебник для ВУЗов. Минобрнауки РФ / под общ.ред. В.В. Гутенева. М.-Волгоград: ПринТерра, 2009. 512 с.
21. Промышленная экология. Учебник для ВУЗов. Минобрнауки РФ / А.И. Ажгиревич [и др.]; под общ.ред. В.В. Гутенева. М.-Волгоград: ПринТерра, 2009. 840 с.
22. Сообщение ТАСС. Заглавие с экрана. Медведев: вопросы безопасности при добыче угля должны быть в приоритете [Электронный ресурс]. URL: http://tass.ru/ekonomika/3173824.
Исаева Людмила Карловна, д-р техн. наук, профессор, ecolis@,mail.ru, Россия, Москва, Академия государственной противопожарной службы Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий,
Спиридонов Валерий Петрович, д-р техн. наук, профессор, svp-vak@mail. ru, Россия, Москва, Академия государственной противопожарной службы Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий
INFLUENCE OF THE COAL PROPERTIES ON THE EFFICIENCY AND SAFETY OF ELECTRIC ENERGY GENERA TION
L.K. Isaeva, V.P. Spiridonov
The problem of safety during standard and emergency situations in coal mines is considered. It is shown that the safety state of operating and closed mines is associated with underground coal mining technology, with physical properties, chemical composition, structure of coal seams and host rocks for objective reasons, although the influence of the socioeconomic situation in the country is certainly very significant. To reduce the environmental consequences of regular and emergency situations, first of all, it is necessary to take into account the properties of coal and the human factor. The ways of development of coal generation of electric energy are noted.
Key words: coal mine, emergency, safety, coal, methane, coal dust, fire, explosion, radionuclides, environment, coal generation, coal gasification.
Isaeva Lyudmila Karlovna, doctor of technical sciences, professor, ecolis@,mail.ru, Russia, Moscow, Academy of GPS MES,
Spiridonov Valery Petrovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Moscow, Academy of GPS MES
