В.Ю.Скосарь, г. Днепропетровск

*

Здесь я размещаю материалы двух наших статей, опубликованных в материалах Международной конференции: "СОВРЕМЕННЫЕ ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ
ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ ДЛЯ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТРАНСПОРТА 2014" -CITEPTMTI2014- Национальный Горный университет, Днепропетровск, Украина.

*

УДК 622.33; 622.82; 622.272; 631.41

СОВМЕСТНОЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ УГЛЕЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ И ПРОМЫШЛЕННОГО ЭНЕРГОПАРКА

С.В. Тарасов, кандидат технических наук, заведующий отделом технической механики и энергетических систем

Институт транспортных систем и технологий НАН Украины "Трансмаг", г. Днепропетровск, Украина, e-mail: tsv@westa-inter.com

А.А. Буряк, научный сотрудник отдела сверхпроводящ. магнитных систем

Институт транспортных систем и технологий НАН Украины "Трансмаг", г. Днепропетровск, Украина, e-mail: alexander.buryak@gmail.com

В.Ю. Скосарь, кандидат физико-математических наук, ст. научный сотрудник отдела электротехнических комплексов транспортных средств

Институт транспортных систем и технологий НАН Украины "Трансмаг", г. Днепропетровск, Украина, e-mail: svu@westa-inter.com

Аннотация. Предложено направление в решении задач энергообеспечения и энергосбережения путем создания автономных промышленных энергопарков вблизи угольных месторождений. В энергопарк интегрированы углеэнергетическое предприятие и товаропроизводящие заводы, управление энергопарком осуществляется за счет "Smart Grid".

Ключевые слова: энергообеспечение, энергосбережение, автономный промышленный энергопарк, углеэнергетическое предприятие, аккумуляторный завод, Smart Grid.

AN COMBINED FUNCTIONING OF THE COAL-BASED ENERGY PLANT AND THE INDUSTRIAL ENERGY PARK

S. Tarasov, Candidate of technical Science, Head of the Department of Technical Mechanics and Energy Systems

Institute of Transport System and Technologyes NAN of Ukraine "Transmag", Dnepropetrovsk, Ukraine, e-mail: tsv@westa-inter.com

A. Buryak, Scientific Researcher of Department of Superconducting Magnetic Systems

Institute of Transport System and Technologyes NAN of Ukraine "Transmag", Dnepropetrovsk, Ukraine, e-mail: alexander.buryak@gmail.com

V. Skosar, Candidate of physical-mathematical Science, Scientific Researcher of electrotechnical complexes means of transport

Institute of Transport System and Technologyes NAN of Ukraine "Transmag", Dnepropetrovsk, Ukraine, e-mail: svu@westa-inter.com

Abstract. A solution to the energy-supply and energy-saving problems is proposed based on the creation of the autonomous industrial energy parks near coal deposit fields. The energy park integrates the coal-based power plants and manufacturing plants, and is managed based on the "Smart Grid" system.

Keywords: energy-supply and energy-saving problems, autonomous industrial energy park, coal energy concern, accumulator works, Smart Grid.

Введение. Учитывая, что обеспеченность мировой экономики запасами угля значительно больше, чем по нефти и газу, то перспективным направлением в решении задачи энергообеспечения может быть создание углеэнергетических предприятий высокого технологического уровня. Такие предприятия способны также внести существенный вклад в решение задач ресурсо- и энергосбережения (комплексного использования угля, углепластового метана, серы и др.), способны минимизировать загрязнение окружающей среды в процессе производства электроэнергии (э/э) [1]. Для Украины это - первоочередные задачи. В углеэнергетических предприятиях добыча и переработка угля, а также выработка э/э локализованы в одном месте и рационально объединены. Это позволяет повысить интегральный КПД (от извлечения угля до выработки э/э) по сравнению с тем интегральным КПД, который реально задавался цепью отдельных операций на отдельных предприятиях: угледобычи, переработки угля, транспортировки угля, производства э/э. Опытно-промышленные установки первых углеэнергетических предприятий были реализованы в США [1, 2]. Для нас может представлять интерес проект "Вэбэш Ривер" (Wabash River) в штате Индиана (США), углеэнергетическое предприятие, ориентированное на переработку высокосернистого угля за счет его газификации. Побочными продуктами являются жидкая сера и угольный шлак. КПД достигает 50%, выбросы сернистого газа уменьшаются на 99%, оксидов азота - на 95% по сравнению с обычной ТЭС [1].

Другим важным мировым направлением решения задач энергообеспечения и энергосбережения являются разработки в области энергетики, объединяемые общим термином "Smart Grid", причем некоторые проекты обсуждаются в Украине. Интеллектуальная сеть "Smart Grid" есть система подключённых к генерирующим источникам э/э и потребляющим электроустановкам различных программно-аппаратных средств, информационно-аналитических и управляющих подсистем с целью обеспечения надёжной передачи э/э от источника к потребителю в нужное время, в необходимых количестве и качестве. Преимущества "Smart Grid": существенное уменьшение потерь при передаче э/э от генератора к потребителю, увеличение надежности энергоснабжения, расширение возможности оптимально перераспределять энергетические потоки, уменьшая пиковые нагрузки, а также появление возможности потребителю интерактивно работать на рынке э/э, выбирая среди генерирующих компаний. Важным преимуществом умной сети является и то, что она может интегрировать в себя возобновляемые источники энергии (ВИЭ), которыми сложно управлять, поскольку они зависят от силы ветра, яркости солнца и др. факторов [3, 4]. Конкретным полем применения системы "Smart Grid" может стать разработка наших специалистов - промышленный энергопарк, включающий силовую подстанцию, группу энергоустановок, работающих от ВИЭ, и аккумуляторный завод [5].

И третье. Угольная промышленность во многих странах, в том числе, в Украине вынуждена применять меры на закрытых и закрывающихся шахтах для обеспечения охраны окружающей среды, извлечения запасов полезных ископаемых (например, метана) инновационными способами, а также вводить совокупность экономических и социальных мер на депрессивной территории - post-mining. Новым научным вкладом можно считать разработку концепции предупреждения всех перечисленных проблем горнодобывающей промышленности, которую предложено обозначить понятием synchro-mining. В случае synchro-mining речь идет об активных инженерно-технических, экономических и социальных мероприятиях в зоне угольных разработок и всей окружающей территории еще на стадии проектирования и начала эксплуатации месторождений, и вплоть до их закрытия. К инженерно-техническим мероприятиям, известным по мировому опыту эксплуатации старых шахт, можно отнести: подземную газификацию угля, очистку и обессоливание шахтных вод для их дальнейшего использования, создание тепличных комплексов и пр. [6, 7].

Представляется актуальным такое направление решения задач энергообеспечения и энергосбережения, которое включает передовые достижения: создание углеэнергетических предприятий; применение "Smart Grid" в промышленных энергопарках; проведение мероприятий synchro-mining.

Цель работы. Предложить решение задач энергообеспечения и энергосбережения на пути совмещения передовых достижений в области углеэнергетических предприятий; управления потоками ресурсов и энергии за счет внедрения интеллектуальной сети; проведения мероприятий synchro-mining.

Материал и результаты исследований. Нами предлагается следующее решение: интегрирование углеэнергетического предприятия с товаропроизводящими заводами, которые за счет этого будут обеспечены э/э и продуктами переработки угля. Указанный интегрированный комплекс станет автономным промышленным энергопарком, который не только обеспечит э/э интегрированные в него заводы, но и будет способен производить э/э для внешних потребителей. Энергопроизводящим предприятием должно стать предприятие по типу "Вэбэш Ривер" мощностью 265 МВт, способного ежесуточно перерабатывать 2544 тонн сернистых углей Донецкого бассейна Украины (и РФ), или бурых углей с большим количеством серы и золы Днепровского бассейна Украины (и Подмосковного бассейна РФ). Товаропроизводящим предприятием можно считать аккумуляторный завод мощностью 7 млн. свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в год (19178 штук в сутки), потребляющий порядка 12 МВт (как, например, аккумуляторное производство МНПК "ВЕСТА", г. Днепропетровск). Другим товаропроизводящим предприятием можно предложить завод по изготовлению строительных материалов из угольного шлака. На углеэнергетическом предприятии добывают уголь, газифицируют его, топливный газ сжигают в газовой турбине, полученный пар высокого давления подают на паровые турбины, на электрогенераторах вырабатывают э/э, которую подают во внешнюю электросеть и на аккумуляторный завод (а также на завод строительных материалов). Аккумуляторный завод интегрирован с углеэнергетическим предприятием в единый комплекс. Множество энергоустановок, работающих от ВИЭ, функционально разделено на две группы: первая группа расположена на территории энергопарка и включает преимущественно солнечные коллекторы, тепловые насосы и солнечные батареи; вторая группа в виде ветроустановок поставлена по территории отвалов угольных пород и шлаков и дополнительно выполняет ветрозащитную функцию, уменьшая интенсивность разноса пылевых фракций и уменьшая эрозию отвалов. Углеэнергетическое предприятие и товаропроизводящие заводы соединены каналами массопереноса, по которым транспортируются серная кислота для заводов, а также топливный газ и горячий пар. Система управления автономным промышленным энергопарком должна быть исполнена в виде "Smart Grid", и включать специализированные датчики (температуры, давления, расхода и пр.), встроенные в соответствующие узлы энергопарка и соединенные с центральным процессором, который оценивает текущую информацию и подает управляющие команды узлам энергопарка, регулируя энергетические и материальные потоки внутри энергопарка. На рис. представлена схема автономного промышленного энергопарка. Добытый уголь 1 поступает на углеэнергетическое предприятие 2, где проводится его газификация, с выработкой э/э и получением серной кислоты (H2SO4) и угольного шлака. Основная часть э/э подается в региональную энергосеть, а часть э/э, топливного газа и горячего пара подаются на аккумуляторный завод 3. Угольный шлак может быть направлен на завод строительных материалов (на рис. не обозначен). В состав энергопарка также входят энергоустановки, работающие от ВИЭ, изображенные в виде солнечных батарей и ветроустановок (ВЭУ), размещенных на территории отвалов 4.

Рис. Схема автономного промышленного энергопарка

Можно говорить о двух вариантах автономного промышленного энергопарка: 1) углеэнергетическое предприятие вырабатывает э/э с избытком, и этот избыток передает во внешнюю электросеть; 2) добыча угля и производство э/э ограничены и рассчитаны только на внутренних потребителей - товаропроизводящие предприятия энергопарка и жилой массив для работников. Второй вариант интересен тем, что отсутствуют потери э/э, неизбежные при передаче на большие расстояния, а также тем, что добычу угля можно вести низкими темпами, например, на малых шахтах и бедных месторождениях. Электрогенераторы, вырабатывающие э/э, разделены на две группы: высоковольтную, для отдачи э/э в региональную энергосеть через ЛЭП; низковольтную, для снабжения э/э товаропроизводящих предприятий (и жилого массива). В нашей разработке предлагается некоторое количество топливного газа, вырабатываемого на углеэнергетическом предприятии, подавать на аккумуляторный завод, где газ используется в котлах литейного цеха и на сборочных линиях для сварки токоведущих деталей аккумуляторов. Часть горячего пара, вырабатываемого на углеэнергетическом предприятии, можно подавать для целей отопления товаропроизводящим предприятиям энергопарка и жилому массиву.

Применение ВЭУ в комплексах, которые полностью обеспечивают себя э/э, оправдано тем, что ВЭУ создают сопутствующие полезные эффекты, которые трудно или нерентабельно получить другими техническими средствами. Речь идет о ветрозащитной функции. Рациональнее использовать вертикально-осевые ВЭУ малой (до 30 кВт) и средней (30-500 кВт) мощности для выработки э/э прямо на территории отвалов и рекультивируемых земель, чтобы э/э на месте использовать для проведения работ по рекультивации территории [8]. Поскольку, например, для Донбасса мы имеем проблему наличия огромных территорий отвалов, то планомерная рекультивация этих земель и обеспечение соответствующих работ э/э являются актуальными, как для закрытых шахт, так и для действующих шахт. Относительно небольшие ВЭУ не требуют особых мер для создания фундамента под их опорами и укрепления грунта, а вертикально-осевая их конструкция позволит лучше всего улавливать ускоренные турбулентные потоки ветра в условиях холмистого рельефа отвалов. Схему рациональной расстановки ВЭУ можно разработать, учитывая конкретику рельефа. Аэродинамическое обоснование уменьшения темпов ветровой эрозии отвалов состоит в том, что ВЭУ на территориях отвалов будут создавать аэродинамически теневую зону, поскольку порядка 50% мощности ветрового потока, проходящего через ротор, отбирается каждой ВЭУ. А так как опоры у ВЭУ малой и средней мощности имеют, как правило, высоты не более 40 м, то заметно снизится скорость ветра и у поверхности земли [8]. Наши соображения насчет эффективного снижения мощности ветрового потока за счет размещения ВЭУ недавно получили обоснованное подтверждение. Работами ученых Стэнфордского университета (США) установлено, что ряды и поля ВЭУ способны эффективно гасить зарождающиеся ураганы. На имитационной математической модели ими доказана достаточно высокая степень влияния работы полей ВЭУ как на распространение приземных воздушных потоков, так и на формирование крупномасштабных воздушных вихрей. Эффективность торможения потоков определяется тем, что ВЭУ являются для них не просто препятствиями, а энергопоглотителями, так что воздушные массы теряют мощность как раз в слоях энергетической подпитки свободных вихрей [9].

Энергоустановки, работающие от ВИЭ, в составе энергопарка могут быть размещены следующим образом: солнечные батареи - в основном, на крышах корпусов; солнечные коллекторы - вблизи освещенных солнцем боковых стен корпусов и зданий жилого массива; тепловые насосы - вблизи мест вывода бросового тепла из производственных помещений. Э/э, вырабатываемая солнечными батареями, будет обеспечивать работу автопарка внутренних транспортных средств (электрокар, электропогрузчиков) на свинцово-кислотных тяговых батареях, которые будут заряжаться на станциях подзарядки аккумуляторов. Солнечные коллекторы и тепловые насосы будут включены в контур теплоснабжения производственных корпусов и жилых зданий. Сумма энергетических поступлений от всех ВИЭ в нашем примере может реально достичь доли 7-10% от общего поступления энергии для товаропроизводящих предприятий энергопарка. Но этот сектор комплекса привлекает своей открытой долгосрочной перспективой с тенденцией к быстрому увеличению.

Наша разработка предусматривает использование ряда побочных продуктов углеэнергетического предприятия, в первую очередь, серы. Причем серу не нужно транспортировать на большие расстояния, как в проекте "Вэбэш Ривер". Мы предлагаем синтезировать из серы топливного газа серную кислоту для аккумуляторного завода непосредственно в пределах комплекса. Сера в топливном газе содержится преимущественно в виде сероводорода (H2S), в отличие от дымовых газов, получаемых при обычном сжигании угля, где сера окислена до сернистого газа. В нашем предложении получение серной кислоты сводится к улавливанию сероводорода из топливного газа аминными способами абсорбции, например, с помощью раствора моноэтаноламина. При аминных способах очистки раствор абсорбента в поглотителях связывает сероводород из топливного газа путем образования нестабильного соединения с H2S, а при последующей десорбции (при нагреве) H2S освобождается за счет разложения нестабильного соединения в десорберах. Таким образом, из десорберов выделяется H2S и регенерированный раствор абсорбента, например, моноэтаноламина [10]. Далее производится синтез серной кислоты из сероводорода известным методом "мокрого катализа". На первом этапе синтеза сероводород окисляют в потоке воздуха с образованием стехиометрической смеси SO2 и H2O, на втором этапе на ванадиевых катализаторах (на основе V2O5) окисляют SO2 до SO3, после чего на третьем этапе проводят конденсацию паров воды с SO3, в результате чего образуется серная кислота [11]:

H2S + 2О2 = H2SO4 (1)

В нашей разработке возникает необходимость в управлении энергетическими и материальными потоками, а также в синхронизации множества взаимозависимых процессов. Система "Smart Grid", адаптированная под указанную задачу, будет наилучшим решением. Это позволит превратить углеэнергетическое предприятие и товаропроизводящие заводы в гибкую производственно-энергетическую структуру с общей системой мониторинга и управления, с устойчивостью к отказам.

Проведем предварительную оценку целесообразности создания автономного промышленного энергопарка. В качестве примера возьмем за основу свойства углей Донецкого бассейна с 3% серы [12]. При переработке тонны угля будет выделено 30 кг серы, из которой получено ок. 90 кг серной кислоты (100%). Для изготовления одной свинцово-кислотной батареи типа 6СТ-60АЗ с электролитом необходимо потратить 1,925 кг серной кислоты. Углеэнергетическое предприятие перерабатывает ежесуточно 2544 т угля. Полученной серной кислоты хватает на производство свыше 114 тыс. батарей в сутки, что на порядок превосходит мощность аккумуляторного завода. Очевидно, что серной кислоты, полученной из угля, с избытком хватает для аккумуляторного производства. Вырабатываемой э/э (265 МВт) с избытком больше, чем требуется аккумуляторному заводу (12 МВт), так что львиную долю электроэнергии можно отдавать в региональную энергосеть.

Вывод. Авторами предложен путь решения задач энергообеспечения, ресурсо- и энергосбережения за счет создания автономных промышленных энергопарков в районах угольных месторождений. В энергопарк интегрируются углеэнергетическое предприятие и товаропроизводящие заводы, а также предусмотрено активное использование ВИЭ. Управление энергетическими и материальными потоками в энергопарке, синхронизация множества техпроцессов лучше всего могут быть обеспечены системой "Smart Grid", адаптированной под указанную задачу. В качестве примера предложен автономный промышленный энергопарк с углеэнергетическим предприятием на углях Донецкого бассейна Украины (или РФ), и включающий завод по производству свинцово-кислотных аккумуляторов, а также группу энергоустановок, работающих от ВИЭ, для проведения мероприятий, согласно synchro-mining. В перспективе планируется сосредоточить внимание на разработках в области эффективного использования ВЭУ на территории отвалов рудных месторождений, например, Кривбасса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воробьев Б.М. Уголь мира / Под общей редакцией Л.А.Пучкова. - М.: Изд-во "Горная книга", Изд-во МГГУ, 2007. - Т.1: Глобальный аспект. - 309 с.

2. Перспективы развития угольной отрасли в мире / Сайт "Металлургический бюллетень РФ" [Электронный ресурс] // Режим доступа к публикации: http://www.metalbulletin.ru/publications/2992/

3. Перспективы развития технологии "smart grid" в Украине / Сайт "ЭлектроВести" [Электронный ресурс] // Режим доступа к публикации: http://elektrovesti.net/16327_perspektivy-razvitiya-tekhnologii-smart-grid-v-ukraine

4. Системи smart-grid: проблеми та актуальнiсть для України. Presentation Transcript [Электронный ресурс] / Режим доступа к публикации: http://www.slideshare.net/greencubator/smartgrid

5. Пат. 99396 Україна, МПК (2012.01) H02J 9/00, 3/00; МПК (2006.01) H02J 3/28, F24D 3/08. Промисловий енергопарк i спосiб його експлуатацiї / Дзензерський В.О., Дзензерський Д.В., Тарасов С.В., Бурилов С.В., Буряк О.А.; Заявитель и патентообладатель Дзензерський В.О., Дзензерський Д.В., Тарасов С.В., Бурилов С.В. - ? а 201107721; заявл. 20.06.2011; опубл. 10.08.2012, Бюл. ? 15. - 12 с.: ил.

6. Пивняк Г.Г. Post mining: технологический аспект решения проблемы/ Г.Г. Пивняк, А.Н. Шашенко, П.И. Пилов, М.С. Пашкевич // Труды международного симпозиума "Неделя горняка - 2012": Сборник статей. Отдельный выпуск Горного Информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала) Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). - М.: Горная книга. - 2012. - ?ОВ1. - С. 20-31.

7. Пiвняк Г.Г. Synchro-mining: цивiлiзоване вирiшення проблеми сталого функцiонування гiрничодобувних регiонiв / Г.Г.Пiвняк, П.I.Пiлов, М.С.Пашкевич, Д.О.Шашенко // Науковий вiсник НГУ. - 2012. - ?3. - С. 131-138.

8. С.В.Бурылов, В.А.Дзензерский, В.Ю.Скосарь, С.В.Тарасов. Применение ветроустановок и аккумуляторов для решения энергетических и экологических вопросов использования земных недр [Электронный ресурс] // Научный вестник Московского Государственного Горного Университета, 2013. - ? 2 (35). - C. 64-71. - Режим доступа к журн.: http://vestnik.msmu.ru/authors/author500.html#

9. Ветряки могут защитить от ураганов / Раздел сайта "Технологии" [Электронный ресурс] // Режим доступа к публикации: http://telegraf.com.ua/tehnologii/1153677-vetryaki-mogut-zashhitit-ot-uraganov-video.html

10. Луговской С.А., Лаврентьев И.А., Савилов С.И., Балашов А.Л. Современные отечественные абсорбенты для аминной очистки технологических и природных газов [Электронный ресурс] / М/н форум "Топливно-энергетический комплекс: региональные аспекты", 8-11 апреля 2003, С-Пб // Режим доступа к публикации: http://www.himsorbent.ru/res/site/pdf_docs/doklad20.pdf

11. Новые технологии BAYER получения серной кислоты [Электронный ресурс] / Аналитический портал химической промышленности. - Режим доступа к публикации: http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=5442

12. Голицын М.В. Мир солнечного камня: Сегодня и завтра ископаемого угля / М.В.Голицын, А.М.Голицын. - М.: Жизнь и мысль, 2010. - 224 с.

УДК 622.33; 622.82; 622.272; 631.41

УГЛЕЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ И ПЕРЕРАБОТКА УГОЛЬНОГО ШЛАКА

В.А. Дзензерский, доктор технических наук, профессор, зав. отделом сверхпроводящ. магнитных систем, директор Института

Институт транспортных систем и технологий НАН Украины "Трансмаг", г. Днепропетровск, Украина, e-mail: itst@westa-inter.com

А.А. Буряк, научный сотрудник отдела сверхпроводящ. магнитных систем

Институт транспортных систем и технологий НАН Украины "Трансмаг", г. Днепропетровск, Украина, e-mail: alexander.buryak@gmail.com

В.Ю. Скосарь, кандидат физико-математических наук, ст. научный сотрудник отдела электротехнических комплексов транспортных средств

Институт транспортных систем и технологий НАН Украины "Трансмаг", г. Днепропетровск, Украина, e-mail: svu@westa-inter.com

Аннотация. Предложено направление в решении задач энергообеспечения и ресурсосбережения путем интегрирования углеэнергетического предприятия и завода по переработке угольного шлака.

Ключевые слова: энергообеспечение, ресурсосбережение, углеэнергетическое предприятие, переработка угольного шлака, аккумуляторный завод.

THE COAL-BASED ENERGY PLANT AND THE TREATMENT COAL DROSS

V. Dzenzersky, Doctor of technical Science, Professor, Head of the Department of Superconducting Magnetic Systems, Head of The Institute

Institute of Transport System and Technologyes NAN of Ukraine "Transmag", Dnepropetrovsk, Ukraine, e-mail: itst@westa-inter.com

A. Buryak, Scientific Researcher of Department of Superconducting Magnetic Systems

Institute of Transport System and Technologyes NAN of Ukraine "Transmag", Dnepropetrovsk, Ukraine, e-mail: alexander.buryak@gmail.com

V. Skosar, Candidate of physical-mathematical Science, Scientific Researcher of electrotechnical complexes means of transport

Institute of Transport System and Technologyes NAN of Ukraine "Transmag", Dnepropetrovsk, Ukraine, e-mail: svu@westa-inter.com

Abstract. A solution to the energy-supply and resource-saving problems is proposed based on the integration of the coal-based power plants and plants for treatment coal dross.

Keywords: energy-supply and resource-saving problems, coal energy concern, treatment coal dross, accumulator works.

Введение. Создание углеэнергетических предприятий высокого технологического уровня является одним из перспективнейших решений задач энергообеспечения и ресурсосбережения. Во-первых, это обусловлено гораздо более богатыми запасами угля, чем других горючих ископаемых (нефти, газа); во-вторых, переработка угля на углеэнергетических предприятиях позволяет не только производить электроэнергию (э/э), но также использовать содержащиеся в угле минеральные составляющие (угольный шлак) и серу, которые ранее рассматривались как примеси [1]. Очевидно, что для Украины это - первоочередные задачи. Опытно-промышленные установки первых углеэнергетических предприятий были реализованы в США, после чего по их типу стали создавать аналогичные проекты в Китае и Индии. Для нас может представлять интерес проект "Вэбэш Ривер" (Wabash River) стартовавший в штате Индиана (США), - углеэнергетическое предприятие мощностью 265 МВт э/э, ориентированное на переработку угля с высоким содержанием серы и золы за счет его газификации. Новейшая технология дает следующие преимущества: прямые выбросы сернистого газа уменьшаются на 99%, оксидов азота - на 95% по сравнению с обычной ТЭС [1, 2]. Побочными продуктами таких технологий являются жидкая сера и угольный шлак.

Однако, вывод углеэнергетических предприятий на режим полноценной работы пока что сталкивается с определенными трудностями, особенно, если требуется улавливание углекислого газа от сжигания топливного газа. Так, проект в штате Иллинойс, предусматривающий улавливание углекислого газа, столкнулся с проблемой депонирования углекислого газа, причем предложенные решения по его закачке в подземные пласты значительно удорожали технологию, делая ее нерентабельной. Между тем, именно удаления углекислого газа из газовых выбросов, как главного виновника парникового эффекта, требуют "лобби зеленых" в США и др. развитых странах. Потому строительство новых углеэнергетических предприятий в США было временно прекращено [3].

Хотя углеэнергетические предприятия еще не достигли необходимой рентабельности с учетом требований по снижению выбросов парниковых газов, но зато заметно превосходят традиционные угольные ТЭС по другим параметрам области энергетики и экологии. Можно указать на следующие основные преимущества: высокий интегральный КПД (минимизация потерь ресурсов), существенно меньшие выбросы в атмосферу сернистого газа и оксидов азота, лучшие условия труда работников (за счет применения новейшего оборудования), а также возможность получать побочные продукты стабильного качества, пригодные для использования некоторыми потребителями. Речь идет, во-первых, о сере и об угольном шлаке, который могут использовать строительные предприятия. Во-вторых, о топливном газе и о паре высокого давления, часть которых могут найти применение не только в пределах углеэнергетического предприятия. Потому в ряде стран поднимаются вопросы о строительстве углеэнергетических предприятий (и даже ведутся соответствующие работы) на тех или иных месторождениях угля с учетом их специфики и хозяйственных потребностей регионов и стран, например, в Китае, в Российской Федерации (в Сибири и на Дальнем Востоке), в Австралии, в Казахстане и др. [1, 4].

И еще один важный аспект комплексной экологической политики. Угольная промышленность во многих странах, в том числе, в Украине вынуждена применять комплекс инженерно-технических мер на закрытых и закрывающихся шахтах для обеспечения охраны окружающей среды, извлечения запасов полезных ископаемых инновационными способами, а также вводить совокупность экономических и социальных мер на депрессивной территории - post-mining. Новым научным вкладом можно считать разработку концепции предупреждения всех перечисленных проблем горнодобывающей промышленности, которую предложено обозначить понятием synchro-mining. В случае synchro-mining речь идет об активных инженерно-технических, экономических и социальных мероприятиях в зоне угольных разработок и всей окружающей территории еще на стадии проектирования и начала эксплуатации месторождений, и вплоть до их закрытия [5, 6].

К мероприятиям по извлечению запасов полезных ископаемых на старых шахтах инновационными способами можно отнести углубленную переработку угля, шахтного метана и отходов углеобогащения на месте их добычи путем производства тепловой и электрической энергии. Ведь на шахтах и обогатительных фабриках скопились сотни миллионов тонн отходов углеобогащения, которые сформировали обширные территории шламохранилищ. Эти отходы фактически представляют собой горючее ископаемое с большой зольностью, которое или требует обогащения перед сжиганием или применения новейших технологий газификации, приспособленных под угли высокой зольности [7].

Представляется актуальным такое направление решения задач энергообеспечения и ресурсосбережения, которое включает:

- создание углеэнергетических предприятий, перерабатывающих высокозольные угли и отходы углеобогащения, и производящих э/э;

- выгодное использование побочных продуктов переработки (минеральных составляющих, серы) на производстве, интегрированном с углеэнергетическим предприятием.

Цель работы.

Предложить решение задач энергообеспечения и ресурсосбережения на пути интегрирования углеэнергетического предприятия в районе шахт или больших шламохранилищ с заводом по переработке угольного шлака.

Материал и результаты исследований.

Нами предлагается следующее решение: создание и размещение углеэнергетического предприятия по типу "Вэбэш Ривер" вблизи угольных шахт (сернистый уголь с высоким содержанием золы) или больших шламохранилищ, и сопряжение с ним завода по переработке угольного шлака в строительные материалы. Таким образом, переработка угольного шлака будет обеспечена э/э, тепловой энергией и серной кислотой. Углеэнергетическое предприятие мощностью 265 МВт, способное ежесуточно перерабатывать 2544 тонн сернистых или высокосернистых углей средней или высокой зольности, окажется подходящим для углей Донецкого бассейна Украины (и РФ), или бурых углей с большим количеством серы и золы Днепровского бассейна Украины (и Подмосковного бассейна РФ). При использовании высокосернистых углей произведенного объема серной кислоты может быть достаточно не только для переработки угольного шлака, но и для снабжения второго товаропроизводящего завода - аккумуляторного производства мощностью 7 млн. свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в год (19178 штук в сутки), как, например, аккумуляторное производство МНПК "ВЕСТА", г. Днепропетровск. На углеэнергетическом предприятии добывают уголь, газифицируют его, топливный газ сжигают в газовой турбине, полученный пар высокого давления подают на паровые турбины, на электрогенераторах вырабатывают э/э, которую подают во внешнюю электросеть и на завод по переработке угольного шлака в строительные материалы (а также на аккумуляторный завод). Завод по переработке угольного шлака интегрирован с углеэнергетическим предприятием в единый комплекс. На рис. представлена схема углеэнергетического предприятия и интегрированного с ним завода по переработке шлака. Углеэнергетическое предприятие включает шахту или шламохранилище (не показаны), кислородный завод 1, накопитель угля 2, углепомольную установку и пульпосмеситель 3, камеры газификации 4, магистраль 5 выхода топливного газа (смеси водорода, угарного газа и метана, а также газов-примесей), теплообменник-охладитель 6 топливного газа, циклонный пылеочиститель топливного газа (не показан), сероулавливатель 7, магистраль 8 передачи пара, магистраль 9 передачи топливного газа, высоковольтные электрогенераторы 10, 11 с приводами от паровой 12 и газовой 13 турбин, ЛЭП 14, парогенератор 15, магистраль 16 подачи воды, узел вывода шлака 17.

Рядом с сероулавливателем 7 размещен блок 18 синтеза и накопления серной кислоты. Блок 18 с помощью трубопровода 19 снабжает завод 20 по переработке угольного шлака и аккумуляторный завод (не показан). Преобразователи энергии разделены на две группы - на высоковольтную для выдачи э/э во внешнюю энергосеть через ЛЭП 14, и на низковольтную трехфазную. Последняя группа включает паровую турбину 22, служащую приводом для электрогенератора 23, который через электролинию 21 обеспечивает э/э завод 20 по переработке угольного шлака и аккумуляторный завод.

Рис. Схема углеэнергетического предприятия и интегрированного с ним завода по переработке шлака

Возможны два основных варианта интегрирования углеэнергетического предприятия с заводом по переработке угольного шлака (и аккумуляторным заводом): 1) углеэнергетическое предприятие вырабатывает э/э с избытком, и этот избыток передает во внешнюю электросеть; 2) добыча угля и производство э/э ограничены и рассчитаны только на внутренних потребителей - товаропроизводящие предприятия, инфраструктуру и жилой массив для работников. Во втором варианте стоит обратить внимание на такие преимущества: отсутствуют потери э/э, неизбежные при передаче на большие расстояния; добычу угля можно вести низкими темпами, например, на бедных месторождениях. В нашей разработке часть горячего пара, вырабатываемого на углеэнергетическом предприятии, можно подавать для целей отопления товаропроизводящим предприятиям и жилому массиву.

Важным преимуществом нашей разработки является использование побочных продуктов углеэнергетического предприятия: угольного шлака и серы. Мы предлагаем из серы топливного газа, входящей в газ в виде сероводорода, синтезировать серную кислоту для завода по переработке угольного шлака (и аккумуляторного завода). Сероводород топливного газа может быть уловлен известными аминными способами абсорбции, а серная кислота может быть синтезирована из сероводорода известным методом "мокрого катализа". Угольный шлак - минеральная негорючая компонента - неизбежно образуется как при обычном сжигании угля, так и при его газификации. Особенно много шлака будет получаться при переработке шламохранилищ, поскольку они являются отходами углеобогащения. Углеэнергетическое предприятие отличается выгодным преимуществом: характеристики и качество угольного шлака будут относительно стабильны за счет единой технологии переработки угля на одном предприятии, связанном с одним месторождением. Тогда как при сжигании угля на различных ТЭС или использовании угля на промышленных предприятиях характеристики и качество угольного шлака будут сильно варьироваться в зависимости от типа оборудования и сорта сырья. Такое положение дел усложняет и затрудняет обработку угольного шлака ввиду большого разброса его характеристик. В нашем предложении характеристики угольного шлака могут быть достаточно стабильны за счет единого техпроцесса газификации угля и его химического состава, что позволит унифицировать технологические заводские циклы. Результатом переработки может стать производство строительной керамики, цемента, бетона, каменного литья, пористых заполнителей, зольного гравия, материалов для дорожного покрытия и пр. Но использование в строительной промышленности шлака сдерживается таким негативным фактором, как избыток радиоактивных изотопов в сопутствующей минеральной породе. Например, в угольных шлаках Донбасса наблюдается значительное содержание радиоактивных тория, калия, радия и даже цезия. При избытке радиоактивных изотопов и непродуманном применении такого угольного шлака, например, в бетонах, возможен вариант, когда наступит многократное превышение среднего допустимого по СНГ значения фона излучения от строительных материалов. Понятно, что в жилых зданиях и производственных помещениях, где будет использован подобный строительный материал, образуется повышенный радиационный фон [8].

Поэтому мы предлагаем дезактивировать угольный шлак за счет выщелачивания радиоактивных элементов серной кислотой. Дезактивацию предлагается осуществлять в несколько стадий. Поскольку частицы шлака в значительной мере могут пассивироваться слоем стекла, образующегося при высоких температурах газификации, то это уменьшает гидросорбцию материалов, содержащих соединения тория, калия, радия и цезия. Потому необходимо произвести помол угольного шлака, что разрушит защитный слой стекла и создаст "рваную" форму частиц шлака, а это, в свою очередь, существенно увеличит удельную поверхность частиц и способность шлака к химическим реакциям с водными растворами серной кислоты. В качестве оборудования для помола можно подобрать известные агрегаты типа шаровых мельниц, вибромельниц или прочих измельчителей, которые широко представлены на рынке. Грануляцию помола угольного шлака нужно подбирать, исходя из условий экономии энергозатрат на помол и ограничения времени просачивания раствора серной кислоты через слой шлака, а также из требования эффективности вывода радиоактивных изотопов. Первоначально мы предлагаем проводить грануляцию частиц шлака до величины 12-15% (остаток на сите ? 008 - размер ячейки в свете 0,08 мм). После помола угольный шлак необходимо подвергнуть выщелачиванию раствором серной кислоты в смесителях в условиях непрерывного перемешивания. Условия выщелачивания: температура смеси шлака и кислоты 18-90?С; концентрация раствора серной кислоты 50-200 г/л; соотношение массы угольного шлака и объема раствора 1 : 4-7 г/мл; времена перемешивания 3-5 ч, как в патенте РФ [9], при этом должна быть достигнута степень выщелачивания радиоактивных элементов 69-89%. После выщелачивания обработанный угольный шлак отделяют от раствора, шлак направляют на строительный завод, входящий в состав промышленного комплекса, а раствор концентрируют и направляют предприятиям, которые извлекают из него редкие, редкоземельные и радиоактивные элементы, как описано в патенте РФ [9]. В качестве оборудования для выщелачивания и перемешивания шлака можно подобрать реакторы-смесители для химической промышленности; для отделения угольного шлака от раствора можно использовать тканевые фильтры; для концентрации использованного раствора можно использовать выпариватели, концентраторы для химической промышленности и смежных областей. Все указанное оборудование широко представлено на рынке.

Проведем предварительную оценку целесообразности предложенного решения. В качестве примера возьмем за основу свойства углей Донецкого бассейна с 3% серы и 15% золы [10]. При переработке тонны угля будет выделено 30 кг серы, из которой получено ок. 90 кг серной кислоты (100%), и 150 кг шлака. Возьмем для выщелачивания шлака минимальное количество серной кислоты, т.е. при минимальной концентрации 50 г/л и минимальном расходе 4 мл на 1 г шлака (диапазон величин см. выше). Тогда для обработки 150 кг шлака достаточно 30 кг серной кислоты (100%-ой). Остальное количество кислоты (60 кг) можно направить на аккумуляторный завод. Для изготовления одной свинцово-кислотной батареи типа 6СТ-60АЗ с электролитом необходимо потратить 1,925 кг серной кислоты. Углеэнергетическое предприятие перерабатывает ежесуточно 2544 т угля. Полученной серной кислоты хватает на выщелачивание всего шлака и производство свыше 66 тыс. батарей в сутки, что в 3 раза превосходит мощность аккумуляторного завода. Итак, вырабатываемой э/э (265 МВт) и серной кислоты с избытком хватает для товаропроизводящих заводов (порядка 25 МВт), так что львиную долю электроэнергии можно отдавать в региональную энергосеть.

Вывод.

Авторами предложен путь решения задач энергообеспечения, ресурсосбережения за счет интегрирования углеэнергетического предприятия и товаропроизводящих заводов. В качестве примера предложено интегрировать углеэнергетическое предприятие на углях Донецкого бассейна Украины (или РФ) с заводом по переработке угольного шлака и производством свинцово-кислотных аккумуляторов. В перспективе планируется сосредоточить внимание на разработках в области эффективного использования шахтного метана в автономном промышленном энергопарке.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воробьев Б.М. Уголь мира / Под общей редакцией Л.А.Пучкова. - М.: Изд-во "Горная книга", Изд-во МГГУ, 2007. - Т.1: Глобальный аспект. - 309 с.

2. Перспективы развития угольной отрасли в мире / Сайт "Металлургический бюллетень РФ" [Электронный ресурс] // Режим доступа к публикации: http://www.metalbulletin.ru/publications/2992/

3. Чистый уголь: проблемы внедрения технологии [Электронный ресурс] / Всеукраинская газета профсоюза работников угольной промышленности "Шахтер Украины" - 2009. - Режим доступа к публикации: http://shu.prupu.org/post/4242/

4. Пучков Л.А. Углеэнергетические комплексы будущего / Л.А.Пучков, Б.М.Воробьев, Ю.Ф.Васючков - М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2007. - 245 с. [Электронный ресурс] // Режим доступа к публикации: http://do.rulitru.ru/v364/?cc=7&view=pdf

5. Пивняк Г.Г. Post mining: технологический аспект решения проблемы/ Г.Г. Пивняк, А.Н. Шашенко, П.И. Пилов, М.С. Пашкевич // Труды международного симпозиума "Неделя горняка - 2012": Сборник статей. Отдельный выпуск Горного Информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала) Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). - М.: Горная книга. - 2012. - ?ОВ1. - С. 20-31.

6. Пiвняк Г.Г. Synchro-mining: цивiлiзоване вирiшення проблеми сталого функцiонування гiрничодобувних регiонiв / Г.Г.Пiвняк, П.I.Пiлов, М.С.Пашкевич, Д.О.Шашенко // Науковий вiсник НГУ. - 2012. - ?3. - С. 131-138.

7. Булат А.Ф. Перспективы создания энергетических комплексов на базе угледобывающих предприятий / А.Ф.Булат, И.Ф. Чемерис // Уголь Украины. - 2006. - ?2. - С. 3-6.

8. Хоботова Э.Б., Уханева М.И., Сапада А.В., Белай С.Ю. Радиационно-химическая оценка угольных шлаков [Электронный ресурс] / Сайт www.rusnauka.com. - Режим доступа к публикации: http://www.rusnauka.com/20_PRNiT_2007/Chimia/23966.doc.htm

9. Пат. 2138339 РФ, МПК7 B03B 9/06; C04B 7/28, 18/10. Способ подготовки золы-уноса от сжигания углей для использования в производстве строительных материалов / Борбат В.Ф.; Адеева Л.Н.; Нечаева О.А.; Михайлов Ю.Л.; Заявитель и патентообладатель Омский государственный университет. - ? 98107053/03; заявл. 06.04.1998; опубл. 27.09.1999. - Режим доступа: http://ru-patent.info/21/35-39/2138339.html

10. Голицын М.В. Мир солнечного камня: Сегодня и завтра ископаемого угля / М.В.Голицын, А.М.Голицын. - М.: Жизнь и мысль, 2010. - 224 с.

Выложено в интернет 4 июля 2014 года.