Введение к работе
Актуальность проблемы. Переход к рыночным отношениям выдвигает необходимость рационального использования топливно-энергетических ресурсов. Запасы разнообразных по качеству углей России делают возможным обеспечение твердым топливом энергетического комплекса страны.
Заметную роль в выходе страны из кризисного состояния может сыграть Канско-Ачинский бассейн, который в отличие от известных на сегодня перспективных топливно-добывающих баз, имеет значительно лучшие условия разработки - мощные до 90 м пласты почти горизонтального залегания при коэффициенте вскрыши 0,5-2,5 мЗ/т, без заметного ухудшения в течение длительного периода развития ( более 100 лет ). Сочетание благоприятных условий с наличием огромных запасов углей -более 112 млрд. т., пригодных к разработке прогрессивным открытым способом, определили во всех ранее принятых программах и планах создание крупнейших - 40-60 млп.т/год - высокомеханизированных разрезов, обеспечивающих высокие удельные экономико-экологические показатели на тонну условного топлива. Низкая зольность канско-ачинских углей ( 8-12%), незначительное содержание серы ( 0,3-0,5% ) , а также отсутствие других вредных элементов , в том числе и естественных радионуклидов, при относительно высокой теплоте сгорания рабочего топлива ( 15-16 МДж/кг), позволяют весьма эффективно использовать их для получения тепло- и электроэнергии, причем себестоимостью в 3-4 раза ниже отраслевой.
Вместе с тем, в условиях ориентации регионов на самобаланс ранее принятая стратегия использования канско-ачинских углей на местах их добычи за счет строительства большого ( до 27 штук ) количества ТЭС оказалась нереальной. Уже сегодня возникли серьезные диспропорции в развитии угольной часта КАТЭКа и предприятий, использующих канско-ачинские угли. Это прежде всего касается разреза "Березовский-1" и Березовской ГРЭС.
Обеспечение надежной работы разрезов и вовлечение добытых канско-ачинских углей в народное хозяйство других регионов России требуют своевременного решения вопросов гарантированного вывоза этих углей. Однако рост затрат на транспортирование и трудности с передачей электроэнергии на большие расстояния делают проблематичным и этот вопрос.
Кроме того, традиционная ориентация использования канско-ачинских углей только на сжигание в энергетических целях значительно снижает их ценность и сферы возможного применения. Развитие подотрасли глубокой переработки, в том числе за счет фазового преобразования углей, создание углепроводных систем для транспортирования угля в виде суспензий позволяет уменьшить
зависимость работы угледобывающих предприятий от работы объектов тепло- и электроэнергетики, а также обеспечить конкурентноспособность продукции и стабильное развитие Канско-Ачинского бассейна в условиях рыночных отношений.
Не менее важным в жизни страны является сельскохозяйственный аспект преобразования углей в направлении получения органо-минеральных удобрений, в том числе из некондиционных углей и отходов углепроизводства, что позволяет решать и социальный аспект создания высокоэффективного производства за счет снижения загрязнения окружающей среды, создание методов и средств улучшения экологической обстановки в бытовых и производственных условиях. Поэтому рациональное использование ископаемых энергоносителей, в частности угля, является актуальной первоочередной научной, технической и экологической (социальной) проблемой, диктующей необходимость комплексного подхода к созданию экологически чистых безотходных технологий угледобычи и углепользования топливного И нетопливного назначения.
Цель работы - создание способов и средств преобразования углей
для повышения конкурентноспособности за счет экономической и
экологической эффективности, на базе которой возможно расширение
области их применения. .
Идея работы - многоцелевое использование органических, минеральных и органоминеральных компонентов углей путем целенаправленного преобразования их состояния.
Методы исследований - для достижения поставленной цели использован комплекс методов, включающий анализ и обобщение данных научно-технической литературы по исследуемому направлению, математическое описание задач и математическое моделирование процессов, методы математической статистики, экспериментальные работы в лабораторных и производственных условиях, анализ промышленной эксплуатации разработанного оборудования.
Основные научные положения, представленные на защиту:
1. Фазовое преобразование бурых углей в жидкие, твердые и
газообразные продукты вместе с изменением физико-технических свойств
обеспечивает комплексное использования этих углей. ( 1,3,16,17,18,22)
2. Использование бурых углей в процессе подготовки,
транспортировки и сжигания водоугодьных суспензий в смесях с
каменными углями улучшает физико-механические, гидродинамические
и энергетические свойства этого вида топлива.( 2,4,5,11,13,15,19)
З.Процесс фазового преобразования углей путем прямой биотехнологической трансформации является регулируемым и зависит от качественных показателей углей, степени их метаморфизма, подбора штаммов микроорганизмов и режимов биоконверсии для
целенонаправленного получения из бурых углей продуктов топливного и нетопливного назначения^ 1,14,20,23,25,32,34,35,36,37 )
4. Фазовое преобразование углей возможно как в специальных
установках, так и непосредственно в пласте, что повышает экологичность
извлечения кондиционных и некондиционных запасов. ( 6,12,30,32)
5. Регулируемая биоконверсия низкосортных бурых углей и отходов
углеобогащения обеспечивает вовлечение их в добычу для получения
органоминеральных удобрений с одновременным обезвреживанием
органических отходов в сельском хозяйстве. Пригодность исходного
сырья для выпуска удобрений можно прогнозировать по качественным
характеристикам и элементному составу углей. (7,37,38 )
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается :
высокой сходимостью лабораторных исследований с практическими показателями при реализации новых технологий в промышленных условиях;
- методическими предпосылками работы, основанными на
корректном использовании математического аппарата;
сопоставимостью данных численного моделирования и аналитических расчетов с фактическими данными;
- большим объемом экспериментальных исследований в натурных и
лабораторных условиях;
использованием результатов исследований в практике проектирования и в промышленности.
Научная новизна рабогьг:
-
На основе использования физических и химических свойств бурых углей обосновано их использование в смесях с каменными углями и антрацитом для улучшения реологических и энергетических свойств водоугольных суспензий и разработан критерий для оценки качества ВУС
-
Селективным скринингом выделен комплекс штаммов, под воздействием которого в аэробных условиях происходит частичное окисление угольных макромолекул с разрывом ряда химических связей и с разрушением угольной псевдорешетки, что превращает уголь в горючую суспензию с регулируемыми свойствами.
З.Установлены зависимости скорости взаимодействия
микроорганизмов на границе раздела фаз уголь-жидкость с целью фазового преобразования угля в промышленных установках, а также угольных пластах.
4. Глубокой жидкофазной переработкой угля получен продукт, по агротехническим свойствам аналогичный природному почвенному гумусу, который способствует рекультивации земель, нарушенных
горными работами и может служить связующим при брикетировании бурых углей.
5. Сформулированы направления фазового преобразования бурых углей с целью их комплексного использования.
Практическая ценность работы :
разработана технология и режимы получения высококоицентрированных водоугольных суспензий из бурых углей для гидротрансгюртирования и сжигания их;
разработана технология и режимы " получения высококонцентрированных водоугольных суспензий из углей различной степени метаморфизма;
- разработана технология биотрансформации углей с целью
получения котельного и моторного топлива и связующего для брикетов;
разработана технология и режимы биопереработки углей с целью получения жидко- и твердофазных удобрений и обезвреживания животноводческих стоков;
разработана технология биотрансформации углей в массиве, что способствует эффективности извлечения угля и разработке месторождений в целом;
- разработана технология получения газообразных продуктов и
адсорбентов из углей путем их биопереработки.
Реализация работы. Результаты исследований реализованы в ряде промышленных установок, государственных и отраслевых документах:
- проектирование, строительство и эксплуатация комплекса
приготовления и транспортирования водоугольной суспензии на
Ачинском глиноземном комбинате;
- установки по производству удобрений на основе биосуспензий на
разрезе "Назаровский", в Кузбассе и фирме "Северо-венгерский Центр
(Парк) Инноващш"(Венгрия); і
государственные стандарты на "Удобрение органоминеральное "Биогум" и "Удобрение комплексное органоминеральное";
проект промышленной установки для фазового преобразования углей непосредственно в пластах применительно к разрезам Канско-Ачинского угольного бассейна;
опытно-промышленная установка по брикетированию угля со связующим на основе биосуспензий;
научные положения и практические рекомендации использованы при разработке Концепции развития открытого способа добычи угля в Российской Федерации на период до 2010 года.
используются проводимые под руководством автора разработки по направлению "Энергетика и технология угольных суспензий"
Государственной научно-технической программы "Экологически чистая энергетика" на опытно-промышленном углепроводе Бслово-Новосибирсі;.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всесоюзної! конференции "Проблемы использования канско-ачинскип углей в энергетике" ( Красноярск, 1991 г. ), отраслевых научно-технических совещаниях по повышению эффективности работы ОПУ " Белово-Новосибирск" ( Новосибирск, Белово, 1992, 1994 г.г. ), в РАО "ЕЭС России" и Комитете электроэнергетики Минтопэнерго РФ по оценке роли К А ТЭКа в энергетике России ( Москва, 1993 г. ), секции открытых разработок НТС компании "Росуголь" ( Люберцы , 1993 г., п.Ильинское Московской обл.,1994 г. ), научно-техническом совещании по вопросу глубокой переработки бурого угля месторождения "Кара-Жыра" ( Семипалатинск, 1993 г. ), ХУ Менделеевском съезде по общей и прикладной химии ( Минск, 1993 г. ), Международной деловой встрече "Уголь - стратегия развития и деловое.партнерство" ( Москва, 1993 г. ), конференциях "Неделя- горняка" и "Экологические проблемы горного производства"в МГГУ ( Москва, 1994, 1995 г.г. ), совещаниях экспертов по чистым технологиям Европейской экономической комиссии ООН ( Женева, 1994, 1996 г.г. ), XI1 Международном конгрессе по обогащению угля ( Краков, 1994 г. ), ХУ1 Всемирном горном конгрессе ( София, 1994 г.), Международной встрече ІЕА - CLM Workshop , 94 по водоугольным суспензиям ( Цукуба, Япония, 1994 г. ), Международном Симпозиуме по вопросам устойчивого развития районов открытых угольных месторождений (Красноярск, 1995 г. ), Международной научно-практической конференции "Переработка углей КАТЭКа в жидкое топливо (Красноярск, 1996 г. ), 11 Международной конференции по открытым горным работам ( Москва, 1996 г. ), У1 Международной энергетической конференции Energex 96 (Пекин, 1996 г.).
Публикации, По теме диссертации опубликовано 52 научных работ, включая изобретения.
Автор выражает искреннюю благодарность академику РАН Трубецкому К.Н. и д.т.н., академику РИА и РАЕН Щадову М.И. . за ценные советы и консультации, которые способствовали проведению и подготовке работы. Глубокую признательность за практическую помощь в работе, техническое оснащение экспериментов и активное внедрение результатов в практику автор выражает сотрудникам института "КАТЭКНИИуголь", специалистам разрезов Канско-Ачинского бассейна и Кузбасса, Опытно-промышленного углепровода "Белово-Новосибирск", компании"Росугопь", Алешину Б.Г., Бруеру Г.Г., Бирюкову А.С., Гуськову В.А..Русскому В.А. и др.