Пути расширения масштабов использования углепромышленных отходов и решения экологических проблем угольных станций

В статье дается характеристика накоплений углепромышленных отходов и процесса роста объемов их образования. Приводятся методологические основы определения ценности углепромышленных отходов и условий вовлечения их в хозяйственную деятельность. Предлагается механизм экологоэкономической оценки и выбора вариантов использования углепромышленных  отходов. Раскрываются пути решения экологических проблем угольных станций. Делается вывод, что внедрение водоугольного топлива может стать одним из шагов в построении экологически чистой и экономически эффективной энергетики Казахстана. 

Роль углепромышленных отходов в жизнедеятельности общества

Минерально-сырьевой комплекс имеет для Республики Казахстан стратегическое значение, так как составляет до 70 % ВВП и дает значительную часть валютных поступлений. Казахстан является крупным экспортером энергетического сырья, черных, цветных и благородных металлов [1; 16].

При этом образование и накопление твердых отходов в горнодобывающих отраслях РК было и остается неотъемлемой частью процессов разработки большинства природных месторождений полезных ископаемых. Значительная часть их суммарного объема приходится на угольную отрасль. Добываемые угли стали источником накопления твердых отходов у его потребителей.

Для накоплений твердых отходов, образовавшихся в результате процессов угледобывающего или углепотребляющего производства, характерным является то, что большая их часть обладает свойствами, определяемыми присутствием в них углеводородов и (или) продуктов их окисления. Таким образом, накопления этих отходов можно рассматривать как часть горнопромышленных отходов, характеризующихся качественно однородными свойствами, приобретаемыми при промышленном производстве и потреблении углей, или как углепромышленные отходы.

В настоящее время углепромышленные отходы в жизнедеятельности общества — это, с одной стороны, техногенные накопления различных минеральных ресурсов, а с другой — источники негативного воздействия на окружающую природную среду. Поэтому вовлечение таких отходов в хозяйственную деятельность может представлять большой интерес как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Практика использования минеральных ресурсов отдельных накоплений углепромышленных отходов началась еще в первой половине прошлого века. В то же время, несмотря на возрастание значимости отходов, преимущественно связанной с истощением и удаленностью природных месторождений, их большая часть по-прежнему остается невостребованной.

Переход на рыночные методы хозяйствования также не привел к кардинальному изменению роли отходов в жизнедеятельности общества. В то же время условия рыночного ведения хозяйства позволяют более гибко использовать индивидуальный потенциал отдельных накоплений отходов для удовлетворения спроса в различных видах продукции, которые могут быть созданы на их основе на территории отдельных локальных рынков, а также для нахождения компромисса интересов всех субъектов этого процесса. В пользу целесообразности такого подхода к использованию отдельных накоплений углепромышленных отходов свидетельствуют и имеющие место диспропорции в развитии хозяйственной деятельности и в состоянии окружающей природной среды, как между отдельными регионами, так и внутри них.

Развитие процессов образования и накопления углепромышленных отходов (в дальнейшем — отходы) имеет глубокие исторические корни, связанные с началом освоения угольных месторождений, расположенных в различных регионах Казахстана.

Распределение по территории страны ежегодного прироста отходов соответствует расположению основных угольных бассейнов РК и пропорционально объему добываемого в них угля. При этом доминирующая роль в образовании отходов принадлежит Карагандинскому угольному бассейну.

В результате перехода отрасли к преимущественно открытому способу разработки угольных месторождений (Экибастузский бассейн, Шубаркольское месторождение и др.) наблюдается последовательный рост объема отходов, приходящегося на 1 т добываемого угля.

В настоящее время известно около 60 технологических решений по использованию отходов в качестве минеральных ресуров для производства продукции для строительной индустрии, сельского хозяйства, металлургии, производства керамики, лакокрасочной промышленности, химической промышленности, потребителей вторичных топливных ресурсов и т.п. При этом только очень незначительная их часть апробирована на практике.

Кроме той ценности, которую отходы могут представлять как накопления минеральных ресурсов, известна практика их использования для решения различных задач социального значения.

Современное состояние научных разработок и практики в использовании техногенных ресурсов отходов дает основание говорить о наличии в них огромного потенциала для создания разнообразных видов продукции в различных сферах жизнедеятельности. В то же время расширение использования отходов может быть осуществлено только при условии соответствия имеющегося у них    потенциала с заинтересованностью в его освоении всех субъектов этого процесса [2–4].

На современном этапе развития РК производство различных видов минеральных ресурсов из отходов на предприятиях угольной отрасли, как правило, может представлять только сопутствующий вид деятельности.

Необходимость разработки эколого-экономического механизма вовлечения углепромышленных отходов в хозяйственную деятельность

Для расширения масштабов использования углепромышленных отходов должны быть разработаны комплекс рекомендаций и эколого-экономический механизм, позволяющие своевременно и рационально принимать решения по вовлечению углепромышленных отходов в хозяйственную деятельность регионов. На рисунке приведен рекомендуемый нами экологоэкономический механизм вовлечения углепромышленных отходов в хозяйственную деятельность.

Представленный механизм состоит из анализа имеющихся в регионах условий для использования находящихся там отходов, установления цели их применения, выбора направлений, формирования оценки и выбора вариантов использования отходов, а также реализации выбранных вариантов.

Как мы полагаем, механизм эколого-экономической оценки и выбора вариантов использования углепромышленных отходов должен предусматривать:

• проведение анализа экономических, экологических и социальных условий для использования отдельных накоплений отходов;
• формирование целей для возможного использования отдельных накоплений отходов;
• формирование направлений возможного использования отдельных накоплений отходов в соответствии с выбранными целями;
• процедуру последовательной оценки и выбор варианта использования отдельных накоплений отходов, состоящую из формирования, оценки вариантов использования отходов на основе разработанной экономико-математической модели, выбора приоритетного варианта, реализации выбранных вариантов использования накоплений отходов.

Рисунок. Предлагаемый механизм эколого-экономической оценки и выбора вариантов использования углепромышленных отходов

Приоритетные направления решения экологических проблем угольных станций

Угольные тепловые электростанции (ТЭС) — источник не только всех парниковых, но и других опасных газов, а также твердых частиц. Так называемые элементы-примеси, которые содержатся в выбросах ТЭС, по степени отрицательного воздействия на живые организмы относятся к токсичным и реально опасным. В их числе бериллий, ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, медь, мышьяк, селен, кадмий, сурьма, ртуть, свинец, торий, уран.

Углекислый газ С02 на ТЭС образуется в результате окисления (сжигания) угля. При неполном окислении могут образоваться монооксид углерода СО и некоторые органические соединения, в том числе полициклические ароматические углеводороды, обладающие высокой токсичностью и способствующие разрушению озонового слоя атмосферы.

Есть несколько путей решения экологических проблем угольных станций [5; 31–35].

1. Снизить содержание в топливе компонентов — потенциальных источников образования токсичных веществ при сжигании. Это минеральные примеси в углях, и прежде всего сульфидные минералы. Именно они, разлагаясь при высоких температурах, образуют оксиды серы. Снижение содержания сульфидных минералов достигается обогащением углей.

Однако обычные методы обогащения снижают выброс в атмосферу минеральных компонентов, но не оказывают влияния на выброс парниковых газов.

2. Для снижения вредных выбросов парниковых газов можно также использовать технологию сжигания с относительно низкими температурами. К числу таковых относится сжигание в «циркулирующем кипящем слое» (ЦКС), которое происходит при температуре около 900 °С. Для сравнения: наиболее распространенная пылеугольная система сжигания имеет температуру до 1500–1800 °С. Технология ЦКС характеризуется высоким уровнем смешения топлива и окислителя, интенсивной теплоотдачей к погруженным поверхностям нагрева, отсутствием движущихся частей в топочном объеме, возможностью сжигания в одном агрегате топлива различного состава и качества. Применение топок с кипящим слоем повышает КПД горения низкосортного топлива и создает возможность комплексной механизации и автоматизации технологического процесса.

Отметим, что процесс горения в топках низкотемпературного кипящего слоя ведется в активном аэродинамическом режиме с повышенными скоростями, что приводит к увеличению выноса твердых частиц из топочного пространства, поэтому традиционные методы очистки газов с применением сухих инерционных пылеуловителей не обеспечивают требуемой эффективности золоулавливания. Важной является и проблема утилизации шлака и золы, накопленных в пылеуловителях.

Сегодня системы ЦКС внедрены на многих угольных ТЭС за рубежом. Необходимо отметить, что строительство угольных станций такого типа требует значительных капитальных затрат. Это, вероятно, главным образом и сдерживает соответствующее перевооружение отечественной энергетики. Между тем на казахстанских ТЭЦ сжигание угля не всегда производится эффективно. Например, механический недожог на котельных со слоевым сжиганием может превышать 30 % (т.е. только 70 % угля выгорает, остальное уходит в неутилизируемый угольный шлак). Устаревшее котельное оборудование казахстанских ТЭЦ и применяемые в отечественной энергетике технологии пылеугольного и слоевого сжигания угля не могут в полной мере удовлетворять современным требованиям  энергоэффективности и экологическим нормам по эмиссии вредных веществ.

Таким образом, для развития угольной энергетики необходимы новые экологически чистые и экономически выгодные технологии использования углей. Главными задачами внедрения таких технологий в энергетику страны являются снижение механического недожога угля и уменьшение эмиссии вредных веществ.

3. Одной из перспективных программ развития энергоэффективной экологически чистой угольной энергетики является использование водоугольного топлива (далее — ВУТ) [6, 7]. ВУТ представляет собой мелкодисперсную смесь измельченного угля, воды и в ряде случаев стабилизирующей добавки (пластификатора). Характеристики ВУТ представлены в таблице.

Характеристики ВУТ

Т а б л и ц а

По внешнему виду ВУТ является жидким топливом с вязкостью, близкой к мазуту, и может быть использовано для выработки тепла и электричества как на угольных, так и на газомазутных котлоагрегатах взамен газа и мазута.

Водоугольное топливо обладает рядом существенных преимуществ: возможность изготовления из угольных шламов, бурого угля, сланцев и торфа; высокая глубина выгорания (не ниже 98 %); горение с газификацией (образование и горение СО + Н2); простота транспортировки и хранения (необходимый нагрев емкостей с ВУТ составляет 10 °С против 70 °С для мазута); взрывои пожаробезопасность; снижение эмиссии оксидов азота и серы; возможность полной утилизации отходов; исключение шлакообразования, снижающего теплопроводность трубной части котлов, и эффективность сжигания топлива [8; 89].

На наш взгляд, учитывая эти преимущества ВУТ, необходимо создать комплексную научнотехническую программу, включающую развитие НИР и ОКР с применением имеющихся в Казахстане углей и отходов производства. Программа должна предусматривать [9; 345, 346]:

а) создание физико-химических основ получения высококонцентрированных водоугольных топлив на базе казахстанских месторождений угля;

б) исследование структурно-механических и деформационных свойств ВУТ и разработку методов стабилизации и управления их реологическими свойствами;

в) создание способов и технологий получения ВУТ в промышленных масштабах для прямого сжигания в котлоагрегатах;

г)  испытания ВУТ на стендах и опытных энергетических установках;

д) разработку эффективных способов обогащения углей в целях получения экологически более чистых ВУТ;

е) создание систем транспортирования ВУТ по углепроводам и разработку теплотехнических решений и технологии сжигания ВУТ различных составов;

ж) проектирование, строительство и пуск в эксплуатацию промышленных комплексов по приготовлению и транспортированию ВУТ, а также энергетических установок, работающих на них.

Важно отметить то, что эффективность сжигания водоугольного топлива была многократно проверена и апробирована за более чем полувековую историю развития и применения водоугольных суспензий за рубежом. Однако начиная с 1993 г., ввиду низких цен на основной энергоноситель (газ), развитие ВУТ было практически приостановлено во всем мире. С ростом цен на нефть и газ в конце 90-х и начале XXI в. произошло внедрение ВУТ в ряд приоритетных программ угольной промышленности развитых стран. Ожидается, что внедрение водоугольного топлива может стать одним из шагов в построении экологически чистой и экономически эффективной энергетики Республики Казахстан.

4. В будущем для удержания концентрации С02 в атмосфере на допустимом уровне на угольных электростанциях совершенно необходимо использование так называемых CCS-технологий.
5. По мнению специалистов [10; 37], совокупность методов, которые можно использовать в энергетике для предотвращения попадания С02 в атмосферу, называют улавливанием и удержанием С02 (С02 capture and storage, CCS) или геологическим секвестром углерода. CCS включает в себя отделение большей части углекислого газа, образующегося в ходе преобразования угля в полезную энергию, и транспортировку С02 в места, где его можно хранить глубоко под землей в пористых средах, в основном в истощенных месторождениях нефти и газа или в проницаемых геологических пластах, насыщенных соленой водой.

За рубежом многие производители электроэнергии уже осознали, что требования по защите окружающей среды рано или поздно вынудят их внедрять CCS, если они по-прежнему будут использовать уголь. Однако пока большинство энергетических компаний планируют строить новые электростанции без систем улавливания и удержания С02, но готовые к улавливанию С02, т.е. такие, которые могут быть оборудованы средствами CCS, когда это станет необходимо.

Видимо, отсрочка внедрения CCS на угольных электростанциях до тех пор, пока цена выброса С02 в масштабах всей экономики не станет больше затрат на CCS, недальновидна. По ряду причин и угледобывающая промышленность, и энергетика, и общество в целом выиграют, если применение CCS технологий на угольных электростанциях начнется уже сегодня.

Известно, что рамочная конвенция по изменению климата от 1992 г. ООН призвала к обеспечению стабилизации концентрации С02 на безопасном уровне. Это означает, что для предотвращения катастрофических изменений климата мировая энергетика (включая и энергетику Казахстана) должна уже в ближайшие годы начать разработку CCS-проектов промышленного масштаба и в дальнейшем активно внедрять их. Хотя одно только применение CCS-технологий не сможет обеспечить стабилизацию уровня С02  в атмосфере. Ее, возможно, удастся достичь, сочетая их с другими мерами,    включая интенсивное внедрение энергосберегающих технологий и использование возобновляемых источников энергии.

Список литературы

1. Айтжанова Д. Зеленые ориентиры устойчивого функционирования горно-металлургического механизма Казахстана// Промышленность Казахстана. — 2015. — № 3 (90). — С. 16–18.
2. Казаков В.Б., Попов С.М., Стоянова И.А., Харченко В.В. Методологические основы оценки ценности углепромышленных отходов для расширения масштабов их использования в хозяйственной деятельности // Уголь. —— № 4. — С. 50–52.
3. Попов С.М. Эколого-экономическая эффективность освоения техногенных месторождений: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГГУ, 2010. — 227 с.
4. Каренов Р.С. Эколого-экономическая и социальная эффективность геотехнологических методов добычи полезных ископаемых: Монография. — Караганда: Изд-во КарГУ, 2011. — 366 с.
5. Бекишев К.Б., Каренов Р.С. Эколого-экономические проблемы рекультивации нарушенных горными работами земель: Монография. — Караганда: Изд-во КарГУ, 2013. — 178 с.
6. Демидов Ю.В. Глубокая переработка — основа повышения роли угля // Уголь. — 2004. — № 5. — С. 19–20.
7. Измалков А.В. Экологически чистые технологии использования угля // Уголь. — 2004. — № 10. — С. 46–48.
8. Архипкин О., Морозов А. Современные подходы к использованию водоугольного топлива в энергетике //Промышленность Казахстана. — 2011. — № 3 (66). — С. 88–91.
9. Каренов Р.С. Приоритеты стратегии индустриально-инновационного развития горнодобывающей промшленности Казахстана. — Астана: Изд-во КазУЭФМТ, 2010. — 539 с.
10. Лашоф Д., Уильямс Р., Хокинс Д. Что делать с углем? // Мир науки. — 2007. — № 1. — С. 37–43.