Научно-исследовательская работа "Актуальные проблемы энерго- и ресурсосбережения на урбанизированных территориях Донбасса"

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ЛУГАНСКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 «КРАСНОЛУЧСКИЙ ГОРНО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ»

Научно-исследовательская работа на тему:

Актуальные проблемы энерго- и ресурсосбережения

на урбанизированных территориях Донбасса

Выполнили:

студенты 4 курса гр. 1РИП-18

ГОУ СПО ЛНР «КГПК»

Направление подготовки:

Техносферная безопасность и

природообустройство

Научный руководитель:

Гончаренко О.М.,

социальный педагог, преподаватель-методист дисциплин профессионального цикла ГОУ СПО ЛНР «КГПК»

г. Красный Луч, 2022

Содержание

	стр.
Введение	3
Основные направления исследований в области энерго- и ресурсосбережения в горнодобывающей промышленности	4
1.     Получение угольного концентрата из угольных шламов	4
2.     Водно-угольное топливо (ВУТ)	7
Заключение	10
Литература	11

Введение

Природно-ресурсный потенциал нашего региона богат различными природными ресурсами, среди которых особое место для промышленности занимают полезные ископаемые. Особое значение имеют залежи высококачественного каменного угля Донбасса, запасы которого оцениваются в 15 млрд. тонн. По подсчетам ученых, при рациональном использовании каменного угля, его запасов хватит на ближайшие 250 лет. Около одной трети всех запасов каменного угля Донбасса находится на территории нашего региона, 2/3 запасов угля края составляют антрациты и другие энергетические угли, которые используются в качестве топлива, треть – коксующиеся угли – сырье для металлургической и химической промышленности. Однако военно-политические события последних 8 лет значительно подорвали энергетическую отрасль экономики Республики. Поэтому сегодня вопросы сохранения и экономии энергетических ресурсов с учетом оздоровления окружающей природной среды особенно остро стоят на урбанизированных территориях Донецкого угольного бассейна, где основным видом промышленного производства до недавнего времени оставались горнодобывающие и перерабатывающие предприятия.

Целью данной работы являлось изучение основных направлений исследования в области энерго- и ресурсосбережения для предприятий горнодобывающей промышленности, примеры применения отечественных и зарубежных технологий ресурсосбережения и возможности их реализации.

Основные направления исследований в области энерго- и ресурсосбережения в горнодобывающей промышленности

Основой ресурсосбережения является комплексное использование природных и материальных ресурсов, максимальное устранение потерь, более полное вовлечение в хозяйственный оборот вторичных ресурсов и попутных продуктов. Энергосбережение – одно из приоритетных заданий. Это связано с дефицитом основных энергоресурсов, возрастающей стоимостью их добычи, и с экологическими проблемами. Экономия энергии представляет собой эффективное использование энергоресурсов за счет применения инновационных решений, которые осуществимы технически, обоснованы экономически и приемлемы с экологической и социальной точек зрения. В нашем регионе это особенно актуально для предприятий горнодобывающей и перерабатывающей промышленности.

Около каждой крупной шахты или угольно-обогатительной фабрики пейзаж разнообразят не только терриконы, а еще и громадные хранилища жидких отходов – шламов, образующихся при бурении горных пород с водой или промывочным раствором, а также при обогащении сырья. Средних размеров углеобогатительная фабрика или шахта ежедневно выдают 300-600 тонн шлама, который хранится в многочисленных шламоотстойниках или хвостохранилищах. Даже после закрытия шахт и фабрик эти отходы остаются в накопителях. Впрочем, отходами их называть не совсем правильно — научно-технический прогресс никогда не стоит на месте и сегодня в некоторых странах появились и уже применяются на практике различные технологии использования шламов.

1.     Получение угольного концентрата из угольных шламов

В шламоотстойниках углеобогатительных фабрик и других угольных предприятий Донбасса на сегодняшний день по самым общим данным хранится около 50 млн. тонн угольного шлама. Даже при его средней зольности 75-80% это может дать до 15-20 млн. т будущего угольного концентрата. А один непрогоревший «антрацитовый» террикон средней массой 2 млн. т содержит до 10-15% угля (т.е. до 300 тыс. т антрацита).

Наиболее экономически оправдано повторное обогащение шламов, угля, особенно коксующегося, для получения угольного концентрата, поскольку стоимость конечного продукта – «вторичного» кокса – достаточно высокая – св. 100 $/т. Обогащение же шламов энергетического угля – дело гораздо менее рентабельное.  

Рассмотрим реальный пример. На рис. 1 приведена схема шламонакопителя цеха углеподготовки Ясиновского коксохимического завода (ЯКХЗ), а в таблице 1 приведен примерный гранулометрический состав пробы угольного шлама из этого шламонакопителя.

Рисунок 1. Шламонакопитель Ясиновского КХЗ

Таблица 1

Гранулометрический состав угольного шлама ЯКХЗ

Класс, мм	Мас. % класса	Зольность, мас. %
+1	1,3	10,6
1-0,5	4,6	29,2
0,5-0,3	10,7	41,8
0,3-0,14	11,4	58,6
-0,14	72,0	62,4
Итого:	100,0	Средн.53,6

Как видно из табл. 1, чем выше размер частицы, тем ниже ее зольность, но – увы – тем меньше таких частиц в общей массе пробы. Основную массу шлама (72%) составляют очень мелкие частицы (менее 140 микрон) с очень высокой зольностью (62,4%). Проблема еще и в том, что поверхность этих мелких и долго лежащих в накопителе частиц пассивирована и очень медленно реагирует почти на все технологии обогащения.

Поэтому целесообразно переработку таких шламов (и тем более антрацитовых породных отвалов) проводить по месту складирования (без транспортных расходов, которые в сумме составляют до 5000 руб./т!) в мобильных комплексах (рис. 2), где шлам сжигается в котле-газификаторе, а газ пускается на турбогенератор для получения электроэнергии: 1 т необогащенного шлама дает 1,2 МВт электроэнергии (с учетом всех потерь) достаточно низкой себестоимости – около 0,25 руб./кВт^.ч. Один такой мобильный комплекс стоимостью 500 тыс.$ будет давать 25 млн. кВт^.ч/год электроэнергии, причем может раз в 2-3 года «кочевать» от одного шламонакопителя к другому.

Рисунок 2. Технологическая схема утилизации угольного шлама

В правом нижнем углу на рис. 1 также показаны точки отбора проб шлама из шламонакопителя ЯКХЗ и результаты анализа его зольности. Как видно из приведенных цифр, на данном участке накопителя в шламах содержится 44,6-53,5% угля! Не на всякой шахте «свежедобытая» угольная масса имеет такую хорошую зольность! И еще этот шлам из шламонакопителя не нужно «добывать», вывозить на поверхность и т.д., то есть фактически мы имеем «техногенное» месторождение угля (причем бесплатное!).

Как видно из рис. 2, первая операция — это выемка шлама из накопителя экскаватором и складирование его на отдельной площадке (в объеме хотя бы недельной нормы переработки). Это делается как с целью «усреднения» состава шлама, так и с целью его естественной сушки (в зимнее время работы по утилизации не ведутся). Далее есть два варианта.

1) Необогащенный шлам поступает в гранулятор, а затем гранулы поступают в котел-газификатор (типа «Лурги», то есть в котле имеется давление 10-15 МПа и нет достаточного количества воздуха). Далее полученный «синтез-газ» проходит очистку и подается на турбину электрогенератора (еще лучше — газодизеля); электроэнергия используется для внутренних нужд (для продажи ее потребителям предприятие должно иметь специальную лицензию, а ее получать сложно и дорого!). Зола из котла возвращается в чашу накопителя.

2) Шлам поступает на пульпо-подготовку, затем пульпа — в сепаратор на первичное обогащение крупных фракций («зернистые» фракции более 3мм); далее — на вторичное обогащение наиболее мелких (а это самое сложное!) фракций (фракции «ила» менее 1,5мм, которые составляют 70% массы шлама — табл. 1); для этого используется обогатительный комплекс «СМА» (селективное масляное обогащение). Обогащенный шлам может поступать как на сжигание в тот же котел «Лурги» (но теперь теплота сгорания шлама будет в 2-3 раза выше, а зольность — в 2-3 раза ниже), так и на брикетировочный пресс, где будут производиться топливные брикеты. Они являются товарным продуктом со следующими стандартными параметрами:

-       размер 48 х 46 х25 мм, вес 40 г;

-       зольность до 25 %; сера до 1,3%; летучие: до 10 %;

-       механическая прочность при сбросе до 90%;

-       рабочая теплота сгорания 5000-6500 ккал/кг.

Следует напомнить, что теплопроизводительность хорошего угля равна 25 ГДж/т или 6000 ккал/кг.

2.     Водно-угольное топливо (ВУТ)

Водно-угольное топливо представляет собой мелкодисперсную смесь (суспензию) измельченного угля (60-70%), воды (29-39%) и стабилизирующих добавок – пластификаторов (1%), которые не позволяют суспензии расслаиваться на составляющие компоненты и поддерживают ее однородность.

Идея использования водно-угольных суспензий в качестве топлива зародилась еще в 1950-х годах в Институте горючих ископаемых АН СССР.

Развитие такого эффективного и безопасного способа добычи угля, как гидродобыча, приводит к образованию колоссального объема отходов в виде взвеси из угля и воды. Откачанные из шахт на поверхность отходы и образуют огромные мертвые "хвосты" возле шахт и углеобогатительных фабрик. На базе разработок института в конце 1980-х годов был построен опытно-промышленный продуктопровод, по которому ВУТ доставлялось в Новосибирск из небольшого кемеровского городка Белово. Впрочем, главной целью этого проекта было не использование углешламов, а применение нового вида транспортировки угля для разгрузки железнодорожного Кемеровского узла, поэтому в трубу закачивались не шламы, а смесь угля с водой. Планировалось, что по трубопроводу будет ежегодно транспортироваться 3 млн. тонн суспензии. В ходе испытаний в течение 1989-1993 годов на Новосибирскую ТЭЦ-5 было доставлено более 350 тыс. тонн ВУТ. Однако из-за начавшегося экономического кризиса проект развития этой гидротранспортной системы был свернут.

Новый этап в истории водно-угольного топлива начался лишь спустя десятилетие. За это время использование ВУТ в масштабах, сравнимых с промышленными, было освоено в Японии; водно-дисперсионные угольные смеси стали использоваться и в США. Мировой опыт последнего времени особенно впечатляет: решения, принятые на углепроводе Белово-Новосибирск, были вначале скопированы, а затем внедрены с помощью наших специалистов в Китае, где ВУТ теперь сжигается по нескольку миллионов тонн ежегодно. В последнее время технология сжигания ВУТ более уверенно развивается и в России – именно там была изобретена технология, позволяющая сжигать ВУТ без предварительного обезвоживания и, главное, использующая для приготовления горючей смеси не уголь, а отходы его добычи и обогащения.

В настоящее время разработкой технологий приготовления водно-угольного топлива и проектированием установок для его использования занимаются несколько предприятий РФ. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в этой области ведут, например, новокузнецкая компания "Сибэкотехника", московские "Компомаш-ТЭК" и "Гидротрубопровод". В России на водно-угольном топливе уже работают несколько энергоустановок: с 2000 г. – в котельной с. Ульяново Московской области, с 2002 г. – в одной из котельных малой мощности компании «Кузбассэнерго». «Сибэкотехника» модернизировала имеющуюся котельную на шахте «Тырганская» в городе Прокопьевске для работы на ВУТ всех ее паровых котлов (КЕ-10/14).

Угольная компания «Южкузбасс-уголь» модернизирует котельные на центральных обогатительных фабриках (ЦОФ) «Абашевская» и «Кузнецкая» и строит новую котельную с утилизацией вырабатываемого пара в электрическую энергию с суммарной мощностью 25МВт. Такая электрическая мощность покрывает полностью потребности ЦОФ, а сравнительная оценка применительно к ЖКХ этой электрической мощности, утилизированной из пара котлов, сопоставима с потреблением электроэнергии 25 тыс. отдельных домов (квартир) или примерно 75 тыс. жителей при среднем потреблении. Разработки применены и на заводе горно-шахтного оборудования в городе Белово Кемеровской области, а также на новосибирском предприятии «Хлеб», где ВУТ, заменившее мазут на котельной, позволило предприятию всего лишь за первые 20 дней работы сэкономить миллион рублей.

Данные таблицы 2 подтверждают, что водно-угольное топливо гораздо дешевле газа или мазута и не уступает им в экологической безопасности.

Таблица 2

Сравнительные характеристики различных видов топлива

Вид топлива	Процент сгорания	Стоимость (руб./Гкал)
ВУТ	95	112
Уголь	60	152
Газ	99	210
Мазут	99	430

Таким образом, главные достоинства ВУТ – дешевизна и экологичность. Водно-угольное топливо также пожаро- и взрывобезопасно. Технологии его хранения и транспортировки достаточно просты и могут быть полностью автоматизированы, перекачка может осуществляться по трубопроводам аналогично нефти. Переработка шламов в ВУТ позволит решить разные проблемы отраслей угледобычи и ЖКХ. Рекультивация земель, занятых отвалами и отстойниками, улучшит экологическую обстановку. Перевод котельных на автоматизированные процессы сжигания водно-угольного топлива позволит наконец отказаться от тяжелого ручного труда кочегаров.

Заключение

Разработка техногенных месторождений в нашем регионе позволит перейти к рациональному природопользованию с обеспечением взаимосвязей различных экологических и социально-экономических факторов с целью энерго- и ресурсосбережения и снижения негативного влияния последствий деятельности горнодобывающих предприятий на окружающую среду.

Создание предприятий по комплексной переработке техногенных месторождений (на примере Республики) позволит организовать рабочие места для уволенных шахтеров, очистить территорию шахтерских районов от отходов угольной промышленности (снизив при этом и загрязнение окружающей среды) и начать производство нескольких видов продукции, конкурентоспособной на рынке (топливных брикетов, щебня разных марок, энергоносителей, глинозема, силуминов, шлакоблока), а также возможность создания территориально-производственных комплексов с целью организации комплексной переработки сырья, что является одним из приоритетных направлений государственной энергоресурсосберегающей политики.

Литература

1.        Краснянский М.Э. Утилизация и рекуперация отходов: Учебное пособие. Изд. 2-е, исп. и доп. – Харьков: Бурун и К, Киев: КНТ, 2007.

2.        Новоселов А.Л. Экономика и управление природопользованием. Ресурсосбережение: учебник и практикум. – М.: Издательство Юрайт, 2016.

3.        VII Международный Российско-Казахстанский Симпозиум «УГЛЕХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ КУЗБАССА» 7-10.10.2018 г., Кемерово [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://science.kuzstu.ru/wp-content/Events/Conference/energ/2018/energ/pages/Articles/_003.pdf

4.        https://www.vnedra.ru/tehnologii/ugolnyj-shlam-vtoraya-zhizn-13710/

5.        https://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=1655

6.        https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2610

Краткое описание документа:

Энерго- и ресурсосбережение – это производство продукции при минимальных затратах сырья, различных вспомогательных материалов, топлива и других энергетических ресурсов. Вопросы сохранения и экономии энергетических ресурсов с учетом оздоровления окружающей природной среды сегодня остро стоят в нашем регионе - в Донбассе, где основным видом промышленного производства до недавнего времени оставались горнодобывающие и перерабатывающие предприятия.Целью данной работы являлось изучение основных направлений исследования в области энерго- и ресурсосбережения для предприятий горнодобывающей промышленности, а также примеров применения отечественных и зарубежных технологий ресурсосбережения и возможности их реализации в реальных условиях.