Экологические аспекты добычи и утилизации шахтного метана Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

4. С у р ж и к о в Д.В., П а в л о в и ч Л.Б. и др. Загрязнение приземной атмосферы как экологический фактор риска для здоровья // Вестник Карагандинского университета. Серия биология, медицина, география. 2013. № 2. С. 64 - 70.

5. М а к а р о в А.В., Р а д а е в А.В. Расчет экологического риска от организованных источников выбросов агломерационного производства / Науч. рук. С.Г. Коротков // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения. Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 13 - 15 мая 2014 г. -Новокузнецк : изд. СибГИУ, 2014. Вып. 18. Ч. 2 : Технические науки. С. 82 - 84.

6. П а в л о в и ч Л.Б., Ш у б и н а АО. Оценка экологического риска от выбросов в атмосферу аглоизвесткого производства // Вестник СибГИУ. 2014. № 1. С. 47, 48.

7. П а в л о в и ч Л.Б., C а д ы х о в а В.В., Ш а д р и н ц е в а Д.А. Оценка экологического риска от выбросов в атмосферу литейного производства // Вестник Сиб-ГИУ. 2014. № 1. С. 47, 48.

8. Руководство по оценке профессионального риска для здоровья работников. Организационно-методические основы,

принципы и критерии оценки (Р. 2.2.1766-63). -М.: Гигиена труда, 2003. -12 с.

9. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. - М. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 97 с.

10. Бланк инвентаризации источников загрязнения атмосферного воздуха пром-площадки ОАО «ЗСМК». - Новокузнецк: изд. ЗСМК, 1987. - 97 с.

11. Основы оценки риска для здоровья населения при возействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду / Г.Г. Онищенко, С.М. Новиков, Ю.А. Рахманин и др. - М.: НИИЭЧиГОС, 2002. - 408 с.

12. А б а с е е в В.К. Термическое и каталитическое обезвреживание отходящих газов, содержащих бенз[а]пирен // Химическая промышленность. 1973. № 1. С. 25, 26.

13. С и г а л И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - Л.: Недра, 1988. - 312 с.

© 2015 г. Л.Б. Павлович, А.М. Каневская Поступила 5 октября 2015 г.

УДК 669.18

С.Г. Коротков, Н.Е. Козлова

Сибирский государственный индустриальный университет

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДОБЫЧИ И УТИЛИЗАЦИИ ШАХТНОГО МЕТАНА

Подземная разработка угольных месторождений осложняется, наряду с другими факторами, ростом газообильности пластов и вмещающих пород, что сдерживает добычу угля, повышает его себестоимость, создает угрозу безопасности труда шахтеров.

Угленосные формации - крупнейшие источники и места накопления метана в земной коре. С одной стороны, метан угольных пластов - это самостоятельное полезное ископаемое, рентабельную добычу которого можно организовать на основе скважинных технологий. С другой стороны, метан - опасный спут-

ник угля, который извлекается методами шахтной дегазации пластов для обеспечения газобезопасности работ. Газ, содержащийся в угольных пластах, по качественным показателям незначительно отличается или даже превосходит традиционный природный газ; одним из главных положительных качеств является отсутствие в нем вредных газов, например сероводорода. Переработка и использование шахтного метана возможна в двух направлениях: энергетическом (для получения тепловой и электрической энергии) и химическом (для получения химических продуктов и жид-

кого топлива) [1]. Утилизация шахтного метана имеет большое экологическое значение. Метан является вторым по действенности антропогенным парниковым газом после диоксида углерода. Ежегодные выбросы его в атмосферу на шахтах с нагрузкой 1 млн. т угля в год достигают 20 - 50 млн. м3. Шахтный газ является значительным, но практически не освоенным ресурсом с основными запасами, находящимися в таких странах, как Китай, Россия, США, Австралия, ЮАР, Индия, Польша, Германия, Великобритания и Украина. Оценка геологических ресурсов метана угольных пластов в мире представлена на рисунке.

Эти страны являются крупнейшими «загрязнителями» атмосферы, совместно отвечая за почти три четверти от всего мирового выброса шахтного газа. По прогнозам количество выбрасываемого шахтного газа увеличится на 2 % к 2020 г. в основном за счет роста угольной добычи в Китае [1, 2].

Всего в мире запасы метана оцениваются в 240 трлн. м3.

На шахтах отдельных стран утилизируется свыше 80 % каптированного метана (табл. 1) [1].

Теплота сгорания угольного метана и природного газа практически одинакова. Эти газы взаимно заменяемы в качестве как химического сырья, так и источников энергии. С учетом

90

Ж 80

^ 70

Й 60

о к 50

? 40

30

§ 20

$ 10

О 0

I I I I >

л* > #

I I

З7"

Страна

того, что уголь - естественный сорбент, как следствие, угольный метан имеет более высокое качество (например, отсутствует сера).

По оценкам многих российских специалистов одним из перспективных местных источников энергии является именно угольный метан, который считается высококачественным и экологически чистым энергоносителем. Многие ассоциируют угольный метан как опасный спутник добычи угля. Действительно, главной опасностью для горняков был и остается метан угольных пластов. Взрывы и выбросы метана являются наиболее опасными и крупномасштабными авариями на угольных предприятиях во всем мире. Однако при правильной утилизации он становится перспективным и ценным видом топлива. Необходимо отметить, что в отличие от России, угольный метан уже используется во всем мире, превращаясь из проблемы, связанной с безопасностью, в ценный источник энергии [2, 3].

Следует отметить также, что для добычи метана пригодны далеко не все месторождения. Так, длиннопламенные бурые угли бедны этим газом. В свою очередь, антрацит отличается высокой концентрацией газа, но его очень трудно извлечь из-за высокой плотности и чрезвычайно низкой проницаемости залежи. Угли, занимающие промежуточное положение между бурыми и антрацитом, относятся к самым перспективным для добычи метана. На территории России наиболее газоносными являются пласты угля Воркутинского месторождения и Кузнецкого бассейна.

В Кузбассе наибольшей плотностью ресурсов угольного метана (от 2,0 до 1,0 млрд. м3/км2) характеризуются следующие геолого-промышленные районы: Ерунаковский, Томь-Усинский, Бунгуро-Чумышский, Прокопьев-ско-Киселевский, Араличевский, Кондомский, Мрасский и Титовский.

Извлекаемый из угольных месторождений газ по содержанию чистого метана можно подразделить на 3 группы:

Геологические ресурсы метана угольных пластов в мире

Т а б л и ц а 1

Уровень утилизации шахтного метана, извлекаемого системами дегазации

Значения показателя по странам

Показатель Польша Чехия Германия Великобритания Россия

Количество дегазированного метана, млн. м3/год 241 210 650 500 480

Процент утилизации 85 95 70 50 8,5

- угольный метан с концентрированным содержанием чистого СН4 до 100 %;

- шахтный метан (метановоздушные смеси) с концентрацией СН4 до 60 - 70 %;

- вентиляционные выбросы, содержащие до 0,75 % СН4.

В зависимости от источников и способов промышленная добыча метана подразделяется на:

- промысловую из неразгруженных угольных пластов;

- попутную с применением технологических схем подземной дегазации и газоотсоса, осуществляемую на горном отводе действующей шахты в процессе ведения горных работ по добыче угля;

- извлечение (добычу) из подработанного массива на горных отводах закрытых угольных шахт [4].

Развитие промышленной добычи метана из угольных месторождений нашей страны определено «Энергетической стратегией России на период до 2020 года». Кроме того, в Федеральном законе от 29 декабря 2012 г. № 278-ФЗ «О внесении изменений в статьи 336 и 337 части второй Налогового кодекса Российской Федерации и статьи 6 Федерального закона «О внесении изменений в Бюджетный кодекс Российской Федерации» и отдельные законодательные акты Российской Федерации» уточнен перечень полезных ископаемых, не признаваемых объектом обложения НДПИ. В их число добавили метан угольных пластов [5]. Такая мера стимулирует интерес угледобывающих компаний в освоении неперспективных мета-нообильных, взрывоопасных угольных месторождений. Попутная добыча метана в ближайшие годы перерастет в отдельную отрасль.

Согласно данным статистических исследований, проведенных специалистами, выявлено, что котельные установки выбрасывают в атмосферу значительно большее количество СО на единицу теплоты, чем ТЭЦ. Ущерб, причиняемый вредными выбросами в атмосферу мелкими котельными установками в силу их размещения в зоне проживания людей и ограниченных возможностей использования технических средств для обезвреживания выбросов, в 5 раз выше, чем от ТЭЦ [2]. Предлагаемый подход составляет основу концепции создания теплоэнергетических комплексов на базе использования метана угольных шахт, который позволит решить следующие задачи: улучшение экологической безопасности, в том числе создание безопасных по газовому фактору условий для добычи угля, и снижение загрязнения окружающей среды за счет уменьшения

выбросов в атмосферу метана - одного из газов, участвующих в создании парникового эффекта, а также уменьшение вредных выбросов в атмосферу от шахтных котельных при их переводе на сжигание метана вместо угольного топлива. При этом существенно сокращаются выбросы в атмосферу оксидов азота NOx [6], серы SO2, углерода СО и пыли, являющихся основными вредными веществами, образующимися при сжигании угля в шахтных котельных. Кроме того, при этом имеет место косвенный экологический эффект, заключающийся в уменьшении количества сжигаемого угля в котельных при замещении части электрической и тепловой энергии из энергосистемы собственной электроэнергией шахты, вырабатываемой при сжигании метана; получение дополнительного энергетического и технологического сырья [5].

Рассмотрим возможность утилизации шахтного метана на примере котельной шахты «Полыса-евская». В настоящее время для выработки тепловой энергии используется котельная, работающая на угле. Она будет модернизирована установкой на котлах горелок для сжигания метана. Предполагается, что тепловая мощность переоборудованной котельной будет соответствовать мощности старой. При применении такой технологии затраты на электроэнергию и отопление возможно снизить в несколько раз и, как следствие, снизить себестоимость 1 т добычи угля. При той же цене прибыль увеличится в разы [2]. Это позволит шахте повысить безопасность труда шахтеров, эффективность отработки угольных месторождений, комплексно использовать полезное ископаемое и улучшить экологическую обстановку. Сокращение выбросов метана снизит выплаты предприятия за загрязнение атмосферы. Технические характеристики котлоагрегатов, установленных на котельной шахты «Полысаевская», представлены в табл. 2.

Отопление котельной осуществляется углем марки Г Ленинского каменноугольного месторождения. Состав горючей массы угля представлен ниже:

Вещество

С

Н О N 8

Содержание, % 70,4 7,72 20,0 1,1 0,78

Зольность и влажность топлива составляют 23,4 и 7,6 % соответственно. Для очистки газов от взвешенных частиц при работе котлов на угле установлены батарейные циклоны марки БЦ - 7. Расчет эффективности показал, что ее значение составляет 72,5 %. При начальной запыленности газов 0,68 г/м3 конечная концентрация пыли составит 0,182 г/м3. Для нетоксичной пыли рекомендуемое значение не долж-

Т а б л и ц а 2

Характеристики котлов

Заводское обозначение котла Вид топлива Паропроиз-водитель-ность, т/ч Давление пара, МПа 2 (кгс/см ) Температура пара, °С КПД котла,%

Котлы типа Е-Р (КЕ-С) со слоевыми топочными устройствами

КЕ-10-14С (лето) Каменный или бурый уголь 10 1,4 (14) 194 82,5

КЕ-25-14С Каменный или бурый уголь 25 1,4 (14) 194 87,9

П р и м е ч а н и е. Характеристики котлов представлены согласно техническому отчету за 4 квартал 2014 г. и Проекту нормативов предельно допустимых выбросов ОАО «СУЭК-Кузбасс» ПЕ «Спецналадка» г. Ленинск-Кузнецкого.

но превышать 0,1 г/м3. Для достижения установленного уровня необходима дополнительная ступень очистки или принятие другой схемы пылеулавливания. Расчет образования вредных выбросов при работе котельной на твердом топливе и шахтном метане произведен по известной методике [7] при условии равной тепловой мощности установки от разных сортов топлива. В табл. 3 приведены результаты расчета.

Расчет максимальной концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе выполнен в соответствии с методикой [7] при высоте существующей дымовой трубы 30 м. Результаты приведены в табл. 4.

Анализ результатов произведенных расчетов позволяет сделать следующие выводы: использование шахтного метана в качестве топлива позволяет существенно сократить массу выброса вредных веществ в атмосферу воздуха. В том числе выброс диоксида азота сокра-

щается на 40,291 т/год, оксида азота - на 6,542 т/год, оксида углерода - на 306,81 т/год и бенз(а)пирена - на 0,000273 т/год. При сжигании метана отсутствуют такие вредные выбросы, как зола и сажа, а также оксиды серы.

Выбросы вредных веществ сокращаются на 88,66 %. Значительное сокращение выбросов оксида углерода наблюдается благодаря использованию меньшего количества топлива и полному сгоранию газообразного топлива.

Выводы. Объединение в единый комплекс процессов добычи и переработки топлива в электрическую и тепловую энергию открывает возможность существенного повышения экономической эффективности всего комплекса, позволяет улучшить экологическую обстановку, повысить безопасность труда шахтеров, а также позволяет комплексно использовать полезное ископаемое не только на собственные нужды, но и на отопление ближайшего жилого района города Полысаево.

Т а б л и ц а 3

Количество образующихся вредных веществ при сжигании твердого и газообразного топлива

Компонент Выброс вредных веществ при сжигании угля, т/год Выброс вредных веществ при сжигании метана, т/год Сокращение, т/год

Диоксид азота 68,218 27,927 -40,291

Оксид азота 11,08 4,538 -6,542

Ангидрид сернистый (802) 245,138 - -245,138

Оксид углерода 384,113 77,303 -306,81

Твердые частицы 259,378833 - -259,378833

Бенз(а)пирен 0,000413 0,00014 -0,000273

Всего: 967,933 109,768 -858,16486

Сокращение выбросов, % 88,66

Т а б л и ц а 4

Расчетные значения максимальных концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе

Расчетные значения концентрации выбросов, мг/м

Вещество Сжигание угля Сжигание метана

Оксид азота 0,00125748 0,0001386

Диоксид азота 0,003888 0,000846

Оксид углерода 0,01386 0,00441

Бенз(а)пирен 0,0234-10-6 0,002628-Ш-6

Оксид серы 0,021924 -

Твердые частицы 0,014796 -

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

Р у б а н А.Д., З а б у р д я е в В.С. Опыт извлечения и использования шахтного метана в России и ФРГ // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. № 9. С. 153 - 158. К а л и н к и н А.В., Н о в и к о в В.И. и др. Результаты и перспективы реализации инновационного проекта по добыче метана из угольных пластов в Кузбассе. -В кн.: Основные направления стратегии развития ОАО «Газпром» промышленной добычи метана из угольных пластов / Под ред. А.М. Карасевич, Н.М. Сторон-ского, В.Т. Хрюкина, Е.В. Швачко // Газовая промышленность. 2012. № 672. С. 6 - 10.

К о р о т к о в С.Г., С т е р л и г о в В.В. Подготовка шахтного метана для использования в качестве металлургического топлива. Научное наследие И.П. Бардина: Труды научно-технической конференции. - Новокузнецк: изд. Сиб-ГИУ, 2008. С. 72 - 75.

З о л о т ы х С.С., К а р а с е в и ч А.М. Проблемы промысловой добычи метана в Кузнецком угольном бассейне. - М.: ИСПИН, 2002. - 540 с. Постановление совета федерации федерального собрания Российской Федерации [Электронный ресурс]. URL: http: //council .gov.ru/activity/documents /9699 (Дата обращения: 16.10.2015 г.). К о р о т к о в С.Г., В о л ы н к и н а Е.П. Образование термических оксидов азота при сжигании газообразного топлива. Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе: Сб. докладов Второй Между-нар. науч-практич. конф. / Под ред. Е.П. Волынкиной. - Новокузнецк: изд. Сиб-ГИУ, 2008. С. 159 - 162. Рекомендации по оформлению и содержанию проекта нормативов предельно-допустимых выбросов (ПДВ) для предприятия. - М.: Госкомприрода, 1989.

© 2015 г. С.Г. Коротков, Н.Е. Козлова Поступила 19 октября 2015 г.