Ефим Крейнин - Нетрадиционные углеводородные источники: новые технологии их разработки. Монография

• Название: Нетрадиционные углеводородные источники: новые технологии их разработки. Монография
• Автор: Ефим Крейнин
• Жанр: Химия

Современные тенденции развития мировой энергетики направлены на вовлечение в топливно-энергетический баланс нетрадиционных углеводородных источников: метансланцевых, угольных и газогидратных месторождений, а также высоковязкие нефти и битумы, извлечение которых пока проблематично. В монографии изложены инженерные и научные основы разработки нетрадиционных трудноизвлекаемых углеводородных источников, добыча которых стала приоритетной задачей современного мирового топливно-энергетического комплекса. Предлагаемые технические решения подтверждены многочисленными патентами Российской Федерации. Особый интерес представляет перспектива производства синтетических углеводородов (жидких и газообразных) из угля при его подземной газификации. Практическая реализация разработанных технологий позволит существенно расширить ресурсную базу экологически чистых органических топлив.

---

Нами были изучены многочисленные источники информации по выбросам, образующимся при сжигании различных видов органического топлива (табл. 3), в соответствии с которыми наиболее экологически грязным является твердое топливо [8].

При этом самым экологически чистым энергоносителем (при применяемых в настоящее время общепринятых технологиях сжигания топлива) является природный газ. Результаты исследований показывают, что при используемых в настоящее время технологиях, в случае сокращения объемов применения газа и замены его углем, на тепловой электрической станции значительно возрастут объемы выбросов не только газообразных веществ, но и токсичных микроэлементов.

Однако это не означает, что твердое и жидкое топливо целесообразно заменять газообразным. С учетом того, что запасы природного газа и нефти – на порядки меньше запасов угля, природный газ следует использовать главным образом в сферах его максимальной эффективности.

Таблица 3

Удельные выбросы основных компонентов отходящих газов при сжигании различных видов органического топлива, кг/т у. т.

Примечания:

1) тяжелый мазут;

2) легкий мазут.

Доля твердого топлива в топливно-энергетическом балансе страны должна непрерывно возрастать, причем его добычу и применение необходимо осуществлять на экологически чистой основе [9]. В мировой теплоэнергетической практике уже внедряются прогрессивные угольные технологии: внутрицикловая газификация угля, создание циркулирующего кипящего слоя угольной мелочи, водоугольные суспензии и т. д. В электроэнергетике Российской Федерации эти достижения пока не используются.

• Природные угли всех видов, в особенности малоценные породы (бурый уголь и др.), содержат минеральные компоненты, соединения серы, азота, тяжелых металлов и т. д. Их присутствие сдерживает перспективы применения угля в качестве топлива в связи с возможностью загрязнения окружающей среды [10]. В атмосферу при переработке угля попадают газообразные продукты окисления содержащихся в угле примесей. В частности, только при энергетическом сжигании угля ежегодно в атмосферу попадает 90 млн т оксидов серы и 30 млн т оксидов азота. Вместе с золой в атмосферу ежегодно попадают 60 тыс. т свинца, 50 тыс. т никеля, 30 тыс. т мышьяка, 300 т ртути и 60 т кадмия. Все эти вещества могут вызывать болезни органов дыхания. Соединения тяжелых металлов могут становиться причиной болезней почек. Ароматические соединения обладают канцерогенным и мутагенным действием. Серьезной проблемой является и относительно высокая доля углекислого газа, образующегося при сжигании угля, по сравнению с другими видами топлива. Парниковый эффект, вызываемый большими количествами диоксида углерода, попадающими в атмосферу, является одной из серьезнейших и пока еще нерешенных мировых проблем [11].

На современном этапе лишь с очень большой степенью приближения можно говорить об экологически чистых угольных технологиях. Однако мнение, что применение угля вообще неприемлемо, с точки зрения его воздействия на окружающую среду, является ошибочным. Уже сейчас существует широкий спектр технологий по переработке и утилизации угля, которые совместимы с окружающей средой. Эти технологии основаны на меньшем потреблении энергии и ресурсов, рециркуляции части отходов и продуктов, получении меньшего количества отходов, к тому же более приемлемых для окружающей среды. Развитие таких технологий способствует продвижению угля в качестве конкурентоспособного и безопасного источника энергии.

Только такие угольные технологии, которые позволят резко снизить выбросы в атмосферу вредных примесей, а также уменьшить эмиссию диоксида углерода при увеличении энергетической и технологической эффективности, можно рассматривать как экологически чистые угольные технологии, совместимые с окружающей средой.

Традиционные методы добычи и потребления угля обусловливают превращение угольных регионов в зоны экологического бедствия. Особенно это характерно для производств, на которых сжигают уголь. Так, на каждый киловатт установленной мощности угольной электростанции ежегодно выбрасывают в атмосферу 500 кг золы и шлаков, 75 кг окислов серы и 10 кг окислов азота. В результате небольшая электростанция мощностью 200 МВт в течение года выбрасывает в атмосферу 100 тыс. т твердых частиц, 15 тыс. т сернистых соединений и 2 тыс. т окислов азота.

В связи с этим отечественной топливной энергетике крайне необходимы новые современные экологически чистые угольные технологии!

К нетрадиционным экологически чистым технологиям разработки угольных пластов и сжигания угля в первую очередь следует отнести подземную газификацию угля. При подземной газификации уголь на месте залегания превращают в газообразный горючий энергоноситель путем подвода к раскаленной угольной поверхности (через систему дутьевых скважин) окислителя и отвода (через другую систему газоотводящих скважин) образовавшегося горючего газа.

Теплота сгорания газа, полученного при подземной газификации угля на воздушном дутье, может достигать 4,6–5,4 МДж/м3. При применении дутья, обогащенного кислородом (концентрация кислорода в дутье – 65 %), теплота сгорания газа достигает 6,7 МДж/м3, а на чистом техническом кислороде (концентрация кислорода в дутье – 98 %) – до 10–11 МДж/м3.

Новые технологические приемы и конструктивные решения существенно превосходят уровень подземной газификации угля семидесятых годов двадцатого века, когда СССР была продана лицензия на технологию подземной газификации угля в США. Новые конструкции дутьевых и газоотводящих скважин, а также управляемая система выгазования угольного пласта позволяют получить следующие преимущества:

• устойчиво получать газ с теплотой сгорания 4,6–5,4 МДж/м3 на воздушном дутье и 10–11 МДж/м3 на кислородном дутье;

• повысить степень выгазования угольного пласта до 90–95 %;

• снизить утечки газа из подземного газогенератора до 5 %;

• повысить коэффициент полезного действия газификации до 80 %;

• минимизировать экологическое воздействие на подземную гидросферу;

• отрабатывать оставленные запасы угольных шахт, в том числе закрывающихся, методом нагнетательно-отсосной технологии подземной газификации угля;

• разрабатывать глубоко залегающие угольные пласты и учитывать при этом проявление горного давления;

• уменьшить количество буровых скважин и снизить расходы на бурение в себестоимости газа с 30 до 10 %;

• получать газообразный энергоноситель, себестоимость которого в 1,5–2 раза ниже, чем себестоимость условного топлива на соседних угольных шахтах;

• получать из газа подземной газификации угля заменитель природного газа, себестоимость которого – $60–70/1000 м3.

Для предприятия подземной газификации угля оптимальным является выгазование 400–500 тыс. т у. т. / год, при этом размер инвестиций на строительство такого предприятия составляет 2500–2600 руб. / т у. т. [9]

Подземная газификация угля, в отличие от традиционных способов его добычи, не создает экологические ущербы при добыче, хранении и транспорте угля, а главное – при его сжигании, т. к. в отходящих продуктах не содержатся твердые частицы (зола и несгоревший уголь) и существенно меньше экологически вредных компонентов (NОх, SО2 и СО). Поэтому одновременно с разработкой экологически чистых угольных технологий необходимо активизировать разработку эффективных технологий добычи нетрадиционных углеводородных ресурсов, о которых было сказано выше (рис. 1).

Большинство каменноугольных месторождений Российской Федерации – газоугольные. Метаноносность высокометаморфизованных угольных пластов таких месторождений возрастает с увеличением глубины их залегания и достигает 45–50 м3/т. Сорбированный метан угленосной толщи, а также метан свободных скоплений, с одной стороны, становится причиной взрывов в угольных шахтах, которые приводят к гибели шахтеров, а с другой стороны – ценным газообразным энергоносителем.

Задача заключается в изыскании экономически выгодных и эффективных технологий извлечения угольного метана. Дегазация угольных месторождений возможна как из существующих шахтных горных выработок, так и заблаговременно, до начала строительства шахты. На наш взгляд, наиболее целесообразна и безопасна предварительная дегазация угольных пластов.

Существующая в настоящее время в Российской Федерации традиционная технология дегазации угольных пластов [12, 13] экстенсивна и малоэффективна. Она основана, прежде всего, на бурении из горных выработок и с поверхности большого количества различных скважин (веерных, кустовых, параллельных, перекрещивающихся и др.). Диаметр дегазационных скважин, как правило, составляет 50–100 мм, а их длина колеблется от 5 до 40 м. Иногда через эти скважины осуществляют гидроразрыв угольного пласта.