CC BY
15
- © С.А. Прокопенко, 2014
УДК 658.387:622.8:331.87
С.А. Прокопенко
ВОЗМОЖНОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ОБЪЕДИНЕНИЯ ДВУХ ПЕРЕДЕЛОВ УГЛЯ В ОДИН ПРИ ОСВОЕНИИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Показаны принципиальные недостатки нынешней угольной энергетики в России. Предложено объединение двух промышленных переделов угля в один с размещением его в недрах. Показаны преимущества новой концепции организации угле-энергетического производства в сравнении с традиционной угольной энергетикой. Ключевые слова: энергетика, уголь, шахта, безопасность, газификация, сжигание, печь.
Концепция нынешней угольной энергетики основана на добыче угля шахтами или разрезами, транспортировке его на ТЭЦ, дроблении, измельчении и сжигании с получением электричества и тепла. Каждый из указанных процессов включает в себя много операций, требующих для выполнения затрат материальных, человеческих, людских, энергетических ресурсов. Каждый из процессов оказывает отрицательное влияние на окружающую среду и масштабы этого влияния растут ежегодно, ставя уже вопрос об экологической угрозе нынешних углеэнергетических комплексов. Специалисты-экологи давно бьют тревогу по вопросам загрязнения выбросами больших территорий, ухудшения качества поверхностных и подземных вод, нарушения земной поверхности...
Совершенствование российской угледобычи идет по пути концентрации горных работ, закупки за границей и внедрения мощной и производительной техники, совершенствования технологий и схем отработки пластов, строительства современных обогатительных фабрик и т.д. Энергетическое производство улучшается совершенствованием конструкций котлов, топок, электрогенераторов,
дробильно-размольных комплексов. Как на добычных, так и на перерабатывающих производствах занимаются внедрением пыле-газоулавливающего оборудования, строительством водных очистных сооружений, рекультивацией нарушенных территорий, улучшением санитарных условий труда.
Но, все это идет в рамках существующей системной концепции. Радикальных, принципиальных изменений в российской углеэнергетике не происходило и пока даже не предвидится.
В 1954 г. академик П. Л. Капица написал Н. С. Хрущеву: «Сейчас Академия наук по заданию Совета Министров отбирает ведущие проблемы во всех областях науки. Сперва казалось, что будут отбирать как раз эти передовые проблемы, которых в каждой области науки на очереди не больше двух-трех. Но на деле оказалось иначе. Уже принято 80 проблем, и самых разнообразных по характеру. Большинство из них не относятся к тому роду ведущих проблем, о которых я говорю. Ряд ведущих проблем среди них даже отсутствует. Например, среди [принятых] проблем есть такая важная, но не принципиальная проблема: «Борьба с браком на электровакуумных заводах»,- однако отсутствует проблема прямого превра-
щения энергии сгорания угля в электроэнергию. Эта фундаментальная проблема современной электрохимии сейчас, в связи с возможностью эффективной кислородной газификации угля, приобретает более актуальное значение. Я лично думаю, что не пройдет и нескольких десятков лет, как она будет решена, и тогда это революционизирует энергетику, так как изменит облик современных электростанций...» [ 1 ].
Прошло с той поры 60 лет, а наша угольная энергетика совершенствуется лишь по пути модернизации, не меняясь качественно. Несомненно, что локомотивом здесь должен был выступить главный угольный регион страны. Однако Кузбасс не стал примером в новых подходах к использованию энергии угля. Много говорилось о глубокой переработке угля в новые виды топлива, химическое сырье, о газификаторах угля разных конструкций, о подземной газификации угольных пластов. Было принято постановление коллегии администрации Кемеровской области № 87 от 05.04.2006 г. «О стратегии развития кузбасской энергосистемы до 2015 года», намечались высокие цели:
• реконструкции действующих и строительства новых ТЭЦ вблизи шахт и карьеров с прогрессивными технологиями сжигания качественного угля и сокращения вредных выбросов;
• создания энерготехнологических комплексов по добыче и переработке угля, выработке электрической и тепловой энергии, производству минеральных удобрений;
• строительства восьми станций «Подземгаз», общей производительностью 25 млрд куб. м в год газа, для снабжения топливом новых электростанций суммарной электрической мощностью 1000 МВт и объемом тепловой энергии порядка 10,0 млн Гкал.
К 2009 г. планы были существенно умерены до одной станции подземной газификации угля в г.Киселевске в районе шахты «Дальние горы». Администрация области известила (газета «Кузбасс» № 191(24911) от 15.10.2009 г.) о создании совместного с ЗАО ИК «ЮКАС-Холдинг» предприятия ОАО «Промгазэнерго» производительностью 1 млрд куб. м газа в год. Обещались: создание новых рабочих мест, улучшение экологии, ежегодная выработка 151 296 МВт-ч электрической и 415 516 Гкал тепловой энергии. Однако, 28 декабря 2012 г. стало известно о ликвидации проектного отдела этого предприятия и свертывании проекта. Ни одной угольной ТЭЦ по прогрессивным технологиям в Кузбассе построить так и не удалось. Технологический уклад угольной энергетики все также продолжает оставаться дву-стадийным. Между угольным пластом и проводом под напряжением сохраняются два промышленных передела -механический и химический.
На первом переделе пластовый уголь преобразуется в поток его от-дельностей для удобства перемещения на земную поверхность и затем к ТЭЦ. Для этого передела человек строит в большом количестве шахты и разрезы, высокозатратные и опасные горные производства. На функциональном уровне разницы между шахтами и разрезами нет. Функция извлечения угля, будучи объективированной в шахту, несет больше опасностей для человека, а при объективации в разрез - больше опасностей для окружающей природной среды.
На втором переделе отдельности угольного энергоносителя измельчаются в пыль, которая подвергается реакции окисления в топках ТЭЦ с получением перегретого пара, преобразованием его движения в электрическую энергию и выдачей горячей воды в тепловую сеть.
Оба передела высокозатратны и опасны для человека и окружающей природной среды, что определяет высокую стоимость российского угольного электричества. В ряду атомной, газовой, гидравлической, ветряной, геотермальной и т.п. энергетики угольная занимает последнее место по конкурентоспособности. Низкая конкурентоспособность и у нынешнего дорогого кузбасского угля при вывозе его за пределы страны. В условиях происходящего падения спроса на уголь в США и Европе в связи с активным развитием добычи сланцевого газа перспективы кузбасского угля на зарубежных ранках еще более усугубляются. Более того, они все больше усугубляются даже в Кузбассе и в соседних регионах, где увеличивается количество территорий и объектов, переходящих на пользование природным газом. Электроэнергии же дешевой и в избытке Кузбасс не имеет и не предлагает, экспортируя за свои границы лишь каменноугольный энергоноситель, возиться с которым даже в Кемеровской области желающих становится все меньше.
Недавно стало известно, что в Новокузнецке начался монтаж оборудования новой ГТЭС. И даже в этом угольном городе электростанцию строят на газе и уже закуплены в Санкт-Петербурге две газовые турбины. Ввод электростанции в эксплуатацию позволит ликвидировать энергодефицит на юге Кузбасса, кроме того, здесь будет создано около ста новых рабочих мест, сообщает ИА «Энергоньюс». Две газотурбинных установки суммарной мощностью 298 МВт будут работать в пиковом режиме, компенсируя повышенные потребности региона в электрической энергии и мощности [2].
Оценка специалистов показывает, что подземная угледобыча к настоящему времени подошла к пределу возможностей повышения уровня без-
опасности горных работ. Накопился целый ряд противоречий между техническими средствами и способами, организационно-техническими, конструктивными и проектными решениями. Используемые организационно-технические решения в отношении средств и способов обеспечения промышленной безопасности угольных шахт во многом устарели и не соответствуют современному уровню развития техники и технологии работ по выемке и транспортировке угля [3]. Сложившиеся требования нормативных документов по обеспечению пы-левзрывобезопасности, защите выработок от возникновения эндогенных пожаров, вентиляции, креплению выработок и т.п. не соответствуют современному уровню развития техники и технологии угледобычи: многоопе-рационны, трудоемки, неэффективны. Принцип шахтной вентиляции, предусматривающий разбавление метана и вынос его по выработкам на поверхность, по мнению авторов [3], практически себя исчерпал. По многим направлениям требуется безотлагательное обновление методических пособий и нормативных требований на методологическом уровне [3].
Аварии в шахтах все чаще стали перерастать в катастрофы. Всем памятна катастрофа на шахте «Распад-ская» в 2010 г., унесшая жизни 91 человека. Эта шахта была флагманом российской подземной угледобычи. Совсем недавно в январе 2013 г. произошел взрыв метана на «Шахте № 7» (входит в ОАО «СУЭК-Кузбасс») при котором погибли 8 горняков. Двумя неделями ранее там же произошло обрушение кровли выработки, в результате чего погиб горнорабочий.
И это все самые передовые угольные производства, спроектированные по прогрессивным технологиям на основе последних представлений и оснащенные новым импортным обо-
рудованием. Вероятно, сопротивление Земли техногенному вторжению человека в недра нынешними технологиями угледобычи приближается к уровню исчерпания возможностей их безопасного применения и требуются качественно новые подходы к освоению пространства литосферы.
Вышеотмеченные обстоятельства определяют острую необходимость существенного и активного преобразования российской угольной энергетики на основе прорывных идей и решений, дающих новое качество системе «уголь-электричество». Концептуально новые подходы к освоению угольных залежей (с различным уровнем новизны) разработаны ведущими учеными страны [4-6]. Однако в силу разных обстоятельств их претворение в практику угольной энергетики не происходит.
Принципиальным обновлением технологического уклада кузбасской (и российской) угольной энергетики может служить объединение двух ее промышленных переделов в один с размещением его in situ энергетического ресурса. Нужна печь под землей! Без людей. Это позволит разрешить целые комплексы проблем, тисками сдавивших нынешние производства углеэнергетической отрасли.
Первым устройством человека для эффективного преобразования угля в тепловую энергию была каменная, а затем кирпичная печь. Это было сооружение для направленного отвода тепла и отходов (дым, зола) сгорания дров и угля. Если представить угольный пласт расположенным на земной поверхности с максимально облегченными условиями доступа к нему, то наверняка человек не стал бы разрабатывать и перевозить энергосо-держащую горную массу на ТЭЦ. Он бы расположил ТЭЦ вблизи энергетического сырья, разделил бы его на блоки, изолировал от атмосферы для
исключения потерь и стал бы выжигать и газифицировать на месте, передавая потоки газа и пара на турбины. Транспортировать газ, пар, электричество много дешевле, чем горную массу вагонами и самосвалами.
Природа не дала нам в Кузбассе такого идеального примера размещения угольных пластов. Все пласты расположены в толще литосферы, будучи перекрытыми слоями пород различной мощности. Следовательно, нужно научиться готовить печь под землей. Для этого требуется лишь нарезать наклонными выработками столб угля в пласте и изолировать его от остального массива, так как главные стены у такой печи уже имеются - кровля и почва пласта, а выход пласта из коренных пород перекрыт слоем рыхлых отложений. Столб нарезают длиной 600-1000 м по падению и шириной 30-60 м по простиранию пласта. В нижней части столб оконтуривают горизонтальной выработкой, пространство которой соединяют с атмосферой скважинами, пробуренными с поверхности. Затем в выработках возводят из кирпича или другого негорючего и жаростойкого материала изолирующие стенки. Таким образом сооружают печь под землей. Подземная угольная печь - это природно и инженерно изолированный столб угля в недрах, газифицируемый и выжигаемый для выдачи на земную поверхность горючего газа и водяного пара с оставлением твердых отходов на месте их залегания. Выдача газа и пара на мини-ТЭЦ представляется через скважины и наклонные выработки. Таким образом, можно будет отказаться от нынешней двойной переработки угольной массы, а получать из нее энергию не разрабатывая пласт.
Для реализации такого подхода требуются: проведение теоретических и экспериментальных научных исследований; апробация представ-
лений на испытательных стендах; разработка оборудования и технологии, обоснование параметров ее и т.д. Затраты, связанные с созданием новой технологии подземной энергодобычи, окупаются высокой экономией собственника углеэнергетических активов, которую он получает при создании такого энергокомплекса вследствие избавления от необходимости расходования средств на:
• отбойку и выдачу угля из недр и решение сопутствующих проблем (дорогостоящие очистные комплексы, конвейеры, большое количество подземных рабочих, высокие аварийность и травматизм, большой расход электроэнергии подземными механизмами и т.п.);
• строительство транспортных выходов с угольных месторождений;
1. «...Требуется смелость, размах и дерзание». Пять писем академика П.Л. Капицы Н.С. Хрущеву / Знамя. - 1989. - № 5. -С. 200-208.
2. http://www.kuzpress.ru/city/04-02-2013/ 25927.html. Дата обращения 04.02.13 г.
3. Павлов А.Ф., Голоскоков С.И., Шати-ров С.В., Сурков А.В. Анализ и управление риском крупных аварий на угольных шахтах России // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2012. - № 2. - С. 125-135.
4. Воробьев Б.М., Васючков Ю.Ф., Быкова М.Ю. Инновационная синергетиче-
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
• транспортирование угля к ТЭЦ и его потери;
• складирование угля, его дробление и измельчение на ТЭЦ;
• отвалообразование и рекультивацию земель;
• улавливание выбросов от сжигания угля и плату за загрязнение окружающей среды;
• и т.д.
Таким образом, объединение двух переделов угля в один с размещением его в недрах угольного месторождения открывает новые экономические возможности производства электроэнергии, устраняет целый ряд нынешних природных и технических опасностей (чем на порядок снижает аварийность и травматизм в угольной энергетике), повышает инвестиционную привлекательность угольных активов Кузбасса.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ская высокоадаптивная концепция развития углегазовой энергетики России // Уголь. -2012. - № 2. - С. 62-66.
5. Черных Н.Г. Обоснование новой концепции и принципов обеспечения технологической и организационной устойчивости получения угольного топлива // Уголь. -2012. - № 6. - С. 34-36.
6. Крейнин Е.В. Нетрадиционные термические технологии добычи трудноизвлекае-мых топлив: уголь, углеводородное сырье. -М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. - 302 с. ЕЕЭ
Прокопенко Сергей Артурович - доктор технических наук,
профессор Юргинского технологического института НИ ТПУ,
ведущий научный сотрудник Института угля СО РАН, e-mail: [email protected].
UDC 658.387:622.8:331.87
CAPACITIES AND BENEFITS OF INTEGRATION OF TWO COAL CONVERSION STAGES IN COAL MINING
Prokopenko S.A., Doctor of Technical Sciences, Professor,
Yurga Institute of Technology of National Research Tomsk Polytechnic University,
Leading Researcher, Institute of Coal, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, e-mail: [email protected].
The article highlights key shortcomings of current coal power engineering in Russia. Two industrial coal conversion stages are analyzed: the firsts stage conversion is transformation of coal in flow of coal fragments to be hauled to the daylight surface and, then, to a heat power plant; the second stage conversion is pulverizing of coal fragments for oxidation in heat power plant furnaces, generation of superheated steam, conversion of the superheated steam motion to electric energy and hot water supply in heating network. The drawbacks of the conversion stages are emphasized. It is proposed to integrate the two conversion stages underground. An underground carbon furnace is a naturally and technologically isolated coal column in the subsoil, that is gasified and burned, with combustion gas and water steam supplied to the daylight surface and the hard waste left in place. The gas and steam supply to heat power mini-plants is implemented using boreholes and inclined openings. In such a manner, it is possible to avoid current technology of double processing of coal and obtain energy from coal without coal extraction. The article illustrates advantages of the new concept of coal energy production as against conventional coal power engineering.
Key words: power engineering, coal, mine, safety, gasification, combustion, furnace.
REFERENCES
1. «...Trebuetsja smelost', razmah i derzanie». Pjat' pisem akademika P.L. Kapicy N.S. Hrushhevu («...Wanted: Courage, spacious mind and daring.» Five letters of Academician P.L. Kapitsa to N.S. Khrushchev), Znamja, 1989, no 5, pp. 200-208.
2. http://www.kuzpress.ru/city/04-02-2013/25927.html, accessed 04.02.13.
3. Pavlov A.F., Goloskokov S.I., Shatirov S.V., Surkov A.V. Vestnik Nauchnogo centra po bezopasnosti rabot v ugol'noj promyshlennosti. 2012, no 2, pp. 125-135.
4. Vorob'ev B.M., Vasjuchkov Ju.F., Bykova M.Ju. Ugol'. 2012, no 2, pp. 62-66.
5. Chernyh N.G. Ugol'. 2012, no 6, pp. 34-36.
6. Krejnin E.V. Netradicionnye termicheskie tehnologii dobychi trudnoizvlekaemyh topliv: ugol', uglevo-dorodnoe syr'e (Unconventional thermal technologies to extract hard-to-recover fuel: coal, hydrocarbon raw material), Moscow, OOO «IRC Gazprom», 2004, 302 p.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА СИГНАЛА
(№ 1020/07-14 от 20.03.14, 7 с.)
Сон Сергей Федорович - студент, e-mail: [email protected], МГИ НИТУ «МИСиС».
SIGNAL ANALYSIS WHITH USING THE WAVELET TRANSFORM FOR
Son S.F., Student,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS».
_ РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
