Экологические проблемы угольной промышленности

Энергетические и экологические проблемы развития угольной промышленности Анализ состояния природоохранных мероприятий по регионам добычи и переработки угля показывает, что в настоящее время основная масса технических решений и мероприятий направлена на нейтрализацию и устранение последствий деятельности производств, а не на исключение первопричин и их источников. Снижение отрицательного влияния на природную среду предприятий угольной промышленности осуществляется посредством частичного восстановления нарушенного природного состояния, которое достигается путем рекультивации земель, осветления и очистки сточных вод, пыле — и газоулавливания теплоэнергетическими и другими установками. Природоохранная деятельность при добыче и переработке угля, связанная с достижением установленных нормативов, сегодня требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат.

Применяемые на практике технологии очистки воды и воздуха, водоочистные сооружения и пылегазоулавливающие установки несовершенны и малоэффективны. Поскольку нет комплексных технологий очистки, в очистных сооружениях улавливаются из нескольких десятков вредных веществ единицы, а остальные вновь поступают в природу.

Данные меры малоэффективны, т. к.

они не ликвидируют причины, порождающие негативные явления, а только частично ликвидируют последствия, что приводит к резкому ухудшению экологической обстановки в регионах и большим экономическим затратам.

При существующем положении даже при самых больших масштабах работ по ликвидации этих последствий, значительных объемах капитальных и текущих затрат на их осуществление невозможно полностью или хотя бы удовлетворительно решить проблему исключения вредного влияния угледобычи на окружающую среду.

Для решения энергетических и экологических проблем нужны кардинальные меры, необходимо развивать малоотходные производства на базе комплексного использования попутных минеральных и энергетических ресурсов шахт, разре зов и других предприятий угольной отрасли, создав эколого-технологические процессы, взаимосвязанные не только с основной технологией добычи угля, но и с получением конечного продукта — электрической и тепловой энергии.

Добыча и обогащение угля являются составными частями производства тепловой и электрической энергии, поэтому и угольное предприятие должно входить в состав энергетического предприятия, при этом конечным продуктом становится электрическая и тепловая энергия. Самым рациональным способом совместить интересы партнеров является создание межотраслевых холдингов, где все цепочки — от добычи угля до производства металла и электроэнергии — координируются в одной управленческой системе. Уже сегодня обеспокоенность существующими проблемами надежной поставки электроэнергии и ценовыми изменениями заставляет крупных потребителей электроэнергии развивать собственную генерацию. Угроза конкуренции со стороны крупных потребителей электроэнергии оценивается менеджментом энергетических компаний как высокая. Проблему повышения энергоэффективности и охраны окружающей среды следует рассматривать в рамках угольно-энергетического предприятия комплексно по всем звеньям технологической цепи: добыча и переработка топлива — производство энергии и ее потребление. Технологические процессы угольно-энергетического предприятия, дополняя друг друга, позволят эффективно использовать природные ресурсы, создавать и применять безотходные и энергосберегающие технологии с учетом преимуществ сквозного производственного цикла. Органичная связка «ТЭС — угольное предприятие» даст возможность значительно снизить потери в се тях энергоснабжения источника топлива, с максимальной отдачей использовать утилизированную энергию отходов добычи угля (метан, низкотемпературные шахтные воды, вентиляционная струя, дымовые газы, оборотная вода и т. д.).

Кроме того, использовать в качестве топлива отходы обогащения угля. Поскольку твердых отходов от сжигания угля на ТЭС гораздо больше, чем в шахтной котельной, имеет смысл использовать их для закладки выработанного пространства в шахте, что позволит не изымать для складирования отходов дополнительные земельные угодья и исключить неизбежные при этом рекультивационные работы. Эффективность такого комплексного подхода доказана в технико-экономическом обосновании создания ТЭС на промплощадке шахты «Обуховская» ОAO «Ростовуголь».

Иметь собственные источники энергии сегодня выгодно, так как их экономичность, как правило, не ниже, чем на электростанциях АО-энерго, а иногда и выше. Такие энергоисточники полностью исключают транспортную составляющую тарифа, которая в составе общего тарифа на электроэнергию достигает 45-50 %, а в составе общей платы за тепловую энергию иногда и выше ее стоимости в коллекторах ТЭЦ.

Создание собственных источников энергии на промышленных предприятиях объясняется целым рядом преимуществ мини-ТЭЦ:

— значительным снижением потерь электрической и тепловой энергии за счет их приближения к потребителям;

— уменьшением в 2-3 раза затрат предприятий на электроэнергию и тепло и, соответственно, снижением себестоимости выпускаемой промышленной продукции;

— существенным повышением надежности электроснабжения и независимостью роста мощности предприятий от потенциала энергосистем.

Кроме того, в настоящее время электрический КПД мини-ТЭЦ достигает 40 %, а тепловой — 50 %, т. е. их полный КПД находится в пределах 80-90 %, что даже выше, чем крупных ТЭЦ [5].

Сооружение мини-ТЭЦ обходится в 35 раз дешевле, чем строительство крупных электростанций. Срок сооружения мини-ТЭЦ в зданиях не превышает одного года, а при контейнерной поставке ее элементов и оборудования может быть сокращен до 1-2 мес. К тому же такие ТЭЦ весьма привлекательны для инвестиций, так как окупаются за 1-4 года.

Существующие шахтные котельные имеют большой срок эксплуатации, работают в неэкономичных режимах, имеют сверхнормативные выбросы в атмосферу, требуют реконструкции. Реконструк цию их необходимо производить с установкой паровых турбогенераторов в модульном исполнении, работающих на угле собственной добычи с целью обеспечения необходимых нужд шахты и прилегающих поселков в тепловой и электрической энергии.

Мини-ТЭЦ на основе паровых турбогенераторов позволяет получать в промышленных котельных кроме тепловой еще и электрическую энергию.

Турбина включается в тепловую схему котельной так, что используется перепад между давлением на выходе из котла и давлением, которое необходимо для работы системы отопления и для обеспечения нужд промышленного производства. Использование паровых турбогенераторов позволяет наращивать потребление электрической мощности без введения дополнительных энергогенерирующих мощностей в централизованной системе.

Довольно широкие возможности использования мини-ТЭЦ на основе паровых турбогенераторов имеются не только на угольных предприятиях, но и на промышленных предприятиях, удаленных от городской черты, это связано прежде всего со значительными затратами на эксплуатацию, ремонт и резервирование электрических сетей.

Исходя из этого, Ассоциацией энергетиков Западного Урала была разработана Концепция решения проблемы надежности, экономичности энергоснабжения потребителей путем строительства собственных источников энергии, которая активно внедряется на предприятиях Западного Урала и уже дала хорошие результаты.

Одним из главных направлений значительного сокращения затрат и, соответственно, снижения себестоимости выпускаемой продукции является энергосбережение, имеющее огромный потенциал, достигающий 40 % современного потребления. Повышение энергетической эффективности угольноэнергетического предприятия — особо актуальная задача.

Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что резервы экономии ТЭР в настоящее время имеются практически во всех звеньях технологического процесса угольного производства. В первую очередь это касается сокращения потерь энергии и энергоресурсов, достигающих значительных величин, и оптимизации технологических процессов топливно-энергетического комплекса.

Реализация данного потенциала энергосбережения является высшим приоритетом государственной энергетической политики, которая позволяет решать не только экономические, но и экологические проблемы.

Угольная промышленность характеризуется одновременно наличием возобновляемых и вторичных источников энергии, к которым относится теплота шахтных вод, вентиляционных выбросов, хозяйственно-бытовых стоков и породных отвалов. Использование этих источников энергии, утилизация низкопотенциального тепла одновременно с использованием шахтного метана для теплоснабжения и горячего водоснабжения потребителей шахты являются весьма актуальной задачей.

Для получения дополнительной энергии необходимо предусматривать утилизацию всех имеющихся вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), обладающих определенным тепловым потенциалом, а также использование попутного газа метана. По оценкам «Газпрома», запасы метана только в Кузбассе составляют примерно 13 трлн м3.

К источникам таких ВЭР относятся дымовые газы котельных, оборотная вода компрессорных установок, тепло шахтной вентиляционной струи, шахтных вод.

Кроме того, могут быть использованы кинетическая энергия шахтной вентиляционной струи и химическая энергия шахтного метана. Для получения высокоэффективного топлива необходимо предусматривать объекты улучшения качества угля, т. е. его обогащения, брикетирования, а также создания водоугольного топлива. Эти вопросы нами хорошо освещены в работе????? Реализация этих принципов обеспечит большой экономический результат, поскольку эффективное использование топливно-энергетических ресурсов, в том числе вторичных ресурсов и минимизация экологических платежей за счет внедрения природоохранных технологий значительно снизят издержки основного производства на природоохранную деятельность, сделают его прибыльным. С оптимизацией всех технологических звеньев топливно-энергетического процесса, конечной продукцией которого является электрическая и тепловая энергия, выполняется и другая цель — создание интенсивного горного производства с получением дополнительной (и дешевой) энергии.

Для реализации направления безотходной добычи угля, по нашему мнению, должны создаваться технологии переработки и размещения породы в выработанных пространствах шахт и разрезов без складирования и хранения ее на поверхности. Для сокращения объема откачиваемых и очищаемых шахтных и карьерных вод должны быть созданы соответствующие технологии — снижения водопроницаемости пород, разделения технологических и дренажных водопотоков, предотвращения поступления по верхностных вод, захоронения высокоминерализованных вод в геологических структурах и т. д.

Выполнение указанных задач может быть достигнуто при комплексном использовании отходов угольной промышленности при условии, что отходами следует считать продукты производства, не являющиеся целью данного производства и различающиеся по технологическим стадиям их образования; агрегатному состоянию, в котором они находятся; содержанию в них ценных компонентов; степени наносимого ущерба природной среде; по затратам для их использования.

При оценке воздействия отрасли на природную среду необходимо использовать системный подход. При этом природный комплекс и производство рассматриваются как единая система, состоящая из ряда взаимодействующих подсистем, включающих атмосферу, гидросферу, литосферу и биосферу. Зона влияния системы очерчивается границей взаимодействия всех ее подсистем.

Главным направлением достижения этой цели является использование достижений научно-технического прогресса. При этом кардинальным направлением создания экологически чистых технологий и предприятий является ориентация на безотходное производство на всех стадиях технологического процесса добычи и переработки угля.

Экологизация угольного предприятия зависит от организации технологических процессов добычи и переработки угля, обеспечивающих рациональное использование и охрану недр, комплексное использование отходов с получением товарной продукции, полное исключение или уменьшение до санитарных норм загрязнения окружающей среды отходами добычи и переработки угля, исключение нарушения земельных угодий, замкнутые водооборотные циклы и замкнутые топливно-энергетические структуры. Требования представляют собой систему ограничений (экологических и экономических), целесообразных технологических направлений и возможных технических решений добычи и переработки угля, обеспечивающих рациональное природопользование и охрану природной среды.

Кроме того, методологические направления экологизации следует различать по сферам воздействия угольного производства на окружающую среду. Так, для уменьшения вредного воздействия на водные и земельные природные ресурсы базовым направлением следует считать применение безотходных технологий добычи угля, а для снижения загрязнения биосферы основное направление — переход к безотходному произ водству или к безотходным технологиям, а также применение энергосберегающих технологий и технологий очистки и пылегазоулавливания. Основные принципы экологизации непосредственно добычи угля заключаются в размещении пород вскрыши, а также пород от проведения и ремонта горных выработок и от обогащения в выработанных пространствах разрезов и шахт, исключая складирование их на поверхности; максимальном ограничении техническими и технологическими приемами притоков воды в горные выработки, исключении дренажных вод из процесса смешения с технологическими и их загрязнения; очистке загрязненных шахтных и карьерных вод непосредственно в шахте или разрезе, позволяющей использовать их для технологического водоснабжения; минимальном отчуждении земель для застройки путем размещения инженерных объектов в заглубленных и полузаглубленных полостях; сохранении подрабатываемого массива с применением закладки и других способов поддержания массива пород выработанного пространства.

Основные технические направления по реализации принципов экологизации предприятий угольной отрасли сформулированы в [4], а именно:

— создание подземного породохозяйственного комплекса, включающего в себя: технологические процессы размещения породы в выработанном пространстве очистных забоев, в погашаемых выработках и в околоштрековых охранных полосах; технологию обогащения угля непосредственно в шахтах и разрезах с использованием тяжелосредных сфер и гравитационных установок; рациональную компоновку и расположение зданий и сооружений поверхностного комплекса, транспортных, подъемных и вентиляционных сооружений в заглубленных и подземных полостях;

— создание водохозяйственного комплекса, исключающего сброс неочищенных шахтных и карьерных вод во внешние водоемы и включающего в себя реализацию ряда технических и технологических решений, таких как разделение технологических и дренажных водопотоков, снижение фильтрационных свойств пород водоносных горизонтов введением гелеобразующих растворов, применение полной закладки выработанного пространства с минимальным нарушением пород водоносного горизонта, рациональное ориентирование линии очистного забоя относительно трещиноватости пород;

— оборотные технологические циклы, осветление загрязненных шахтных и карьерных вод дренированием через обрушенные породы отработанных горизонтов и породных отвалов, захоро нение высокоминерализованных вод в геологических структурах, не являющихся проводниками питания водоносных горизонтов;

— очистка технологических вод без смешения с дренажными и размещение твердого осадка в выработанных пространствах шахт и разрезов;

— откачка избытка чистых (дренажных) шахтных и карьерных вод и передача их потребителям.

Создание комплекса по защите атмосферы на базе теплоэнергетического хозяйства включает в себя следующие технические и технологические решения:

— технологию сжигания метановоздушных смесей из дегазационных систем в двигателях внутреннего сгорания, в теплофикационных газотурбинных установках, в топках котлов на границе зеркала горения слоя угля при содержании метана от 25 % и выше;

— технологию извлечения метановоздушных смесей из вентиляционных систем вихревыми мембранными или сепарационными газоразделительными установками;

— технологию использования низкопотенциальной теплоты компрессоров, кондиционеров, вентиляторов и других энергетических установок для обогрева стволов шахт, теплиц и парников, зданий и сооружений, жилого фонда с использованием тепловых насосов и теплотрансформаторов;

— системы пылеподавления и снижения пылеобразования, основанные на эффективных технических решениях;

— технологию защиты окружающей среды от вредного влияния шума и вибрации с размещением источников шума в заглубленных полостях, со звукоизоляцией и совершенствованием обору В связи с изложенным, предприятия угольной промышленности должны рассматриваться в составе комплекса производств, расположенных на одной промплощадке и выпускающих конечную продукцию в виде товарного угля, стройматериалов, электрической и тепловой энергии и др.

Создание такого комплекса производств обеспечит минимальное отчуждение земли, возможность размещения в горных выработках невостребованных отходов всех производств комплекса, использование очищенных сточных вод для технологического водоснабжения, покрытие нужд тепла и электроэнергии за счет собственных источников, сокращение перевозок, совмещение ряда служб и вспомогательных объектов. Снижение вредного воздействия на окружающую среду обеспечивается как на уровне отдельных производств, так и всего комплекса в целом.

С целью снижения или исключения вредного влияния на окружающую среду необходимо создавать оборудование и технологии утилизации сопутствующих ресурсов и отходов угледобычи и переработки. Цель может быть достигнута за счет следующих технических и технологических решений:

— создания замкнутых водохозяйственных комплексов, обеспечивающих полное использование шахтных и карьерных вод для технологического водоснабжения собственных нужд производства и смежных отраслей;

— создания замкнутого теплоэнергетического хозяйства, обеспечивающего потребности предприятий производственного комплекса собственным теплом и электроэнергией, получаемых от утилизации метана, и использующего отходящую низкопотенциальную теплоту энергетических установок, вентиляционных и дегазационных систем и других источников;

— создания комплекса по переработке твердых отходов, включающего в себя сбор и переработку шахтной породы и отходов углеобогащения и энергетических объектов, обеспечивающего сохранность поверхности, ликвидацию отчуждения земель и складирование отходов, исключение загрязнения атмосферы, водоемов и почвы;

— создания систем заглубленных и подземных объектов для размещения части поверхностного комплекса, обеспечивающих устранение шума и вибрации стационарного оборудования;

— создания короткозабойной комплексно-механизированной технологии для отработки особо экологически чувствительных участков, обеспечивающей охрану отрабатываемого массива, водоносных горизонтов, тепловых, газовых, электрических, магнитных, силовых и других полей; совершенствования трубопроводного транспорта твердых отходов.