Ископаемые угли имеют широкий диапазон генетических, технологических свойств и качеств, которые позволяют использовать их не только в виде топлива, но и как технологическое сырье. Примерно 25 % поставляемых потребителям углей используют для технологических целей на предприятиях, где они перерабатываются или применяются в качестве сырья. При этом основная доля углей идет на производство кокса. Остальной уголь расходуется на энергетические цели. Свыше половины углей, направляемых на энергетические цели, используется на тепловых электростанциях, значительная часть – для коммунально-бытовых нужд, меньшая – в промышленных и районных котельных. Остальная часть энергетических углей направляется для нужд сельского хозяйства, производства строительных материалов и т.д. [1].
Использование отходов добычи и обогащения угля – одна из важных задач, определяющих пути рационального развития всей угледобывающей промышленности. Существует большое количество различных методов, технологий и оборудования, позволяющих достигнуть до 95 % оптимизации этапов вышеприведенной концепции. Но, в этом случае важно ориентироваться не на «сиюминутное» снижение затрат на каждом этапе взаимодействия с недрами, а на поиск оптимального сочетания затрат и прибыли на каждом этапе работ [2]. В качестве примера можно привести существующие ныне подходы. Так, при изучении качества углей следует руководствоваться не маркой угля, а его технологической ценностью. При геологическом изучении строения угольного пласта необходимо устанавливать не только его мощность, наличие угольных и породных пачек, горнотехнические условия для отработки, но и возможность получения товарной продукции на всех стадиях вскрытия угольного пласта.
На стадии проектирования угледобывающего предприятия необходимо изначально рассмотреть возможность применения комплексной схемы разработки угольного пласта, состоящую из открытой и подземной добычи угля. Это позволяет снизить затраты на развитие подземных горных работ, дает возможность более детального изучения строения угольного пласта, технологических свойств и качества.
При глубоком залегании угольных пластов необходимо предусматривать технологии использования горной массы с целью получения полезных компонентов или продуктов. Большое внимание должно уделяться глубокой очистке карьерных и шахтных вод, которая позволит рационально использовать водные ресурсы и снизить их дефицит. Для того, чтобы использовать уголь более рационально, эффективно и результативно, уголь должны быть обработаны и дробят на различные размеры, 0 ~ 25 мм, размер частиц угля газовой плитой, 25 ~ 8 мм для паровоза, 25 ~ 6 мм для промышленного печи, и завод угольных электростанций требует зерна угля 0 ~ 25 мм. Так, переработки угля в угольных заводах подготовки включает в себя – дробление угля и угольных измельчений. Общая жесткость угля равна 1–4. После крупного дробления в щековой дробилке, мелкого дробления в роторной дробилке, и рассеивания на вибросите, уголь распределяется в различные размеры [3]. Додрабливание продукта и отходов крупных классов позволит повысить выход концентрата и снизить выход породного отхода. Прессование тонкодисперсного породного продукта позволяет получать строительные кирпичи и блоки, а также материал для дорожного покрытия. Угольная отрасль республики обеспечивает выработку в Казахстане 78 % электроэнергии, практически стопроцентную загрузку коксохимического производства, имеет возможности полностью удовлетворять потребности в топливе коммунально-бытового сектора и населения. В целях надежности работы угольной отрасли 50 % акций крупнейшей компании ТОО «Богатырь Аксес Комир» выкуплены АО «Фонд национального благосостояния «Самрук-Казына». Динамика добычи угла по РК и поставок угольной промышленности на внутренний и внешний рынки, млн. тонн. На отдельных угледобывающих предприятиях достигнута высокая степень концентрации производства и управления [4].
Направления переработки углей и ассортимент получаемых продуктов предопределяется в первую очередь наличием в них двух групп компонентов: органических и минеральных. Добываемые угли являются комплексным сырьем, из которых можно получать большую гамму продуктов энергетического и химического назначения. Газификация угля позволяет получать не только тепловую энергию, но и синтез-газ, из которого можно получать высоколиквидные продукты, например, бензин. При этом практически отсутствуют выбросы, а неорганические отходы подлежат более дешевой дальнейшей их переработки в сравнении с золой и шлаком, продуктов прошедших высокотемпературное воздействие. Что касается таких компонентов как сера, окись алюминия и др., содержащиеся в углях, то они составляют прямые потери для народного хозяйства, а будучи выброшенными с продуктами сгорания в окружающую среду, превращаются в источник их загрязнения.
В то же время следует констатировать, что к настоящему времени разработаны и в опытно-промышленных условиях прошли проверку технологии, обеспечивающие более качественное использование органической части углей, ныне сжигаемых в энергетических установках. Внедрение технологий позволит вовлечь в сферу промышленного потребления, содержащиеся в угле полезные компоненты, утилизировать газообразные и твердые отходы и на этой основе добиться расширения сырьевой базы некоторых отраслей промышленности. Снизятся загрязнения окружающей среды, что одновременно сопровождается сокращением потребности капитальных вложениях для строительства промышленных объектов в регионе и увеличением прибыли предприятий, занимающихся комплексной переработкой углей. Существуют два основных вида добычи угля – подземный и открытый. Подземный способ добычи в шахтах – более трудоёмкий и дорогой. Но основные запасы угля находятся на большой глубине, и поэтому подземный способ наиболее распространён. Для того чтобы добраться до глубоко залегающих угольных пластов, пробивают вертикальные и наклонные шахты. Диаметр их обычно равен нескольким метрам, а глубина может достигать 1 км и более. От шахт к пластам угля ведут горизонтальные горные выработки – квершлаги. Внутрь пластов идут штреки (тоже горизонтальные горные выработки, не имеющие выхода на поверхность земли), а вдоль пластов вверх и вниз – наклонные подземные выработки: уклоны (для подъёма различных грузов) и бремсберги (для спуска полезных ископаемых на более низкий уровень). В результате каждый пласт рассекается на «панели» или «столбы», из которых и добывают уголь [4].
Таблица 1
Добыча угля в Республики Казахстан (по способам добычи) [5], млн т.
|
Годы |
Подземный способ (млн т.) |
Открытый способ (млн т.) |
Общая добыча (млн т.) |
|
2004 |
90,9 |
164 |
257,9 |
|
2005 |
95,2 |
174,1 |
269,3 |
|
2006 |
86,6 |
166,8 |
253,4 |
|
2007 |
93,3 |
183,1 |
276,4 |
|
2008 |
101,7 |
182,7 |
284,4 |
|
2009 |
104,7 |
195,1 |
299,8 |
|
2010 |
108,7 |
201,3 |
310 |
|
2011 |
109,6 |
204,5 |
314,1 |
|
2012 |
104,9 |
224 |
328,9 |
|
2013 |
107,4 |
195,2 |
302,6 |
|
2014 |
102,1 |
220,9 |
323 |
Таблица 2
Калькуляция себестоимости добычи 1 тонны угля
|
Элементы затрат |
На 1 т. угля, тыс. тенге |
На 1 т угля, тенге |
Структура затрат к итогу, % |
|
Расходы на оплату труда |
4 569822 |
136,31 |
27,87 |
|
Отчисления на социальные нужды |
108 622 |
28,5 |
7,02 |
|
Отчисления в страховой фонд от несчастного случая |
217 218 |
4,75 |
0,53 |
|
Амортизационные отчисления |
1 025485 |
32,5 |
6,73 |
|
Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования |
502 000 |
12,5 |
2,7 |
|
Энергетические затраты |
4 356898 |
124,3 |
28,33 |
|
Расходы на материалы |
6 221 225 |
120,3 |
25,33 |
|
Затраты на воду |
173 290 |
4,35 |
0,96 |
|
Цеховые затраты |
217 384 |
3,75 |
0,53 |
|
Цеховая себестоимость |
18 213 369 |
472,2 |
100 |
Наиболее дешёвый и безопасный способ добычи угля – открытый. Сначала огромные экскаваторы (драглайны) с ковшами ёмкостью 100 м3 срывают горные породы, закрывающие угольные пласты. Затем мощные роторные экскаваторы высотой с 13-этажный дом сразу грузят уголь со скоростью 5 тыс. м3/ч в вагоны. Проектируются экскаваторы производительностью 15 тыс. м3/ч. Средний по величине угольный карьер (разрез) даёт 5–10 млн т угля в год, крупный – десятки миллионов тонн. Глубина некоторых разрезов превышает 400 м. Открытым способом в мире добывается больше половины угля, в некоторых странах – весь уголь. Добыча угля в Республики Казахстан (по способам добычи) представлена в табл. 1.
Себестоимость продукции представляет собой стоимостную оценку используемых в процессе производства продукции природных ресурсов, трудовых ресурсов, а так же других затрат на ее производство и реализацию. Себестоимость является экономической формой возмещения потребляемых факторов производства. На основании ранее проведенных экономических расчетов (зарплаты, основных и оборотных фондов) определена себестоимость добычи тонны угля при годовых объемах добычи 50 тыс. т. [3].
Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Важнейшим решением для угольной энергетики должен стать переход от прямого сжигания угля в различных топочных устройствах на приготовление водоугольного топлива (ВУТ) из углей различного качества, в том числе из отходов угольного обогащения. ВУТ – это новое искусственное композиционное топливо, полученное в процессе кавитации и диспергации компонентов, на базе угля, воды и композиционных составляющих. Это не механическая смесь компонентов, а коллоидно-дисперсная топливная система. В этой системе нет по отдельности ни угля, ни воды, ни других компонентов: все компоненты топлива активны. В основе процесса его производства лежит механохимическая активация участвующих компонентов, при котором практически полностью разрушается структура угля с разделением на отдельные органические и минеральные компоненты с химически активной поверхностью частиц. Участвующая в процессе производства топлива вода также претерпевает ряд превращений, при которых образуется химически активная дисперсионная среда с компонентами ионного и анионного вида [6].
Перспективность новой кавитационной технологии приготовления данного топлива предопределена особенностью получаемой суспензии, характеризующейся высоким уровнем местного динамического компрессионного и температурного воздействия на исходный отрабатываемый материал (до 2000 °С и 25000 атм). Твердый компонент смеси (уголь) измельчается до заданной степени дисперсности, а суспензия приобретает новые свойства, отличающие ее от приготовления традиционным способом, прежде всего: экологической чистотой, взрыво- и пожаробезопасностью процессов хранения, транспортировки и сжигания ВУТ.
Применение суспензионного угольного топлива – реальная возможность замены не только высокозольного угля и низкоэффективных методов его сжигания в слоевых топках, но и дорогостоящих жидких и газообразных видов топлива. В принципе, при соответствующем задании на его изготовление топливо, полученное по водоугольной технологии, в перспективе может быть использовано как моторное топливо в дизельных двигателях (при максимальном размере частицы не более 25 мкм), а также в газогенераторных установках для газификации водоугольное топливо-стабильное, экологически чистое на всех стадиях производства и использования, пожаро – и взрывобезопасное топливо из угольных шламов с концентрацией твердых веществ не менее 60 %, воды – 39 % и органического пластификатора – 1 % [7].
Сооружение мини-ТЭЦ обходится в 35 раз дешевле, чем строительство крупных электростанций. Срок сооружения мини-ТЭЦ в зданиях не превышает одного года, а при контейнерной поставке ее элементов и оборудования может быть сокращен до 1–2 мес. К тому же такие ТЭЦ весьма привлекательны для инвестиций, так как окупаются за 1–4 года. Существующие шахтные котельные имеют большой срок эксплуатации, работают в неэкономичных режимах, имеют сверхнормативные выбросы в атмосферу, требуют реконструкции. Реконструкцию их необходимо производить с установкой паровых турбогенераторов в модульном исполнении, работающих на угле собственной добычи с целью обеспечения необходимых нужд шахты и прилегающих поселков в тепловой и электрической энергии. Мини-ТЭЦ на основе паровых турбогенераторов позволяет получать в промышленных котельных тепловой и электрическую энергию.
Турбина включается в тепловую схему котельной так, что используется перепад между давлением на выходе из котла и давлением, которое необходимо для работы системы отопления и для обеспечения нужд промышленного производства. Использование паровых турбогенераторов позволяет наращивать потребление электрической мощности без введения дополнительных энергогенерирующих мощностей в централизованной системе.
Экологизация угольного предприятия зависит от организации технологических процессов добычи и переработки угля, обеспечивающих рациональное использование и охрану недр, комплексное использование отходов с получением товарной продукции, полное исключение или уменьшение до санитарных норм загрязнения окружающей среды отходами добычи и переработки угля, исключение нарушения земельных угодий, замкнутые водооборотные циклы и замкнутые топливно-энергетические структуры [8]. Требования представляют собой систему ограничений (экологических и экономических), целесообразных технологических направлений и возможных технических решений добычи и переработки угля, обеспечивающих рациональное природопользование и охрану природной среды [9]. Основные технические направления по реализации принципов экологизации предприятий угольной отрасли:
– создание подземного природохозяйственного комплекса, включающего в себя: технологические процессы размещения породы в выработанном пространстве очистных забоев, в погашаемых выработках и в около штрековых охранных полосах; технологию обогащения угля непосредственно в шахтах и разрезах с использованием тяжелосредных сфер и гравитационных установок; рациональную компоновку и расположение зданий и сооружений поверхностного комплекса, транспортных, подъемных и вентиляционных сооружений в заглубленных и подземных полостях;
– создание водохозяйственного комплекса, исключающего сброс неочищенных шахтных и карьерных вод во внешние водоемы и включающего в себя реализацию ряда технических и технологических решений, таких как разделение технологических и дренажных водопотоков, снижение фильтрационных свойств пород водоносных горизонтов введением гелеобразующих растворов, применение полной закладки выработанного пространства с минимальным нарушением пород водоносного горизонта, рациональное ориентирование линии очистного забоя относительно трещиноватости пород;
– оборотные технологические циклы, осветление загрязненных шахтных и карьерных вод дренированием через обрушенные породы отработанных горизонтов и породных отвалов, захоронение высокоминерализованных вод в геологических структурах, не являющихся проводниками питания водоносных горизонтов;
– очистка технологических вод без смешения с дренажным размещением твердого осадка в выработанных пространствах шахт и разрезов;
– откачка избытка чистых (дренажных) шахтных и карьерных вод и передача их потребителям [10].
Исходя из описания химического состава и физических свойств угля, можно заключить, что существующие методы использования угля не позволяют в полной мере реализовать его сырьевой и энергетический потенциал. Так, в Республики Казахстан недостаточно применяются методы экстракции, полукоксования, гидрогенизации, хотя угли Карагандинского бассейна предоставляют для этого прекрасную сырьевую базу. Развитие методов низкотемпературного сжигания позволило бы утилизировать богатейшие, не используемые в настоящее время залежи углей. Рациональное использование золы и шлака электростанций дало бы возможность решить проблему сырьевой базы при получении алюминия, урана, германия, кремния и других ценных элементов. Одной из наиболее перспективных является идея комплексной энерготехнологической переработки угля. Сущность ее заключается в том, чтобы уголь перед сжиганием подвергать предварительному пиролизу с получением газообразного, жидкого топлива и химического сырья. Также, важно расширить требования к комплексной переработке минерального сырья, при этом снижать экологическую нагрузку на окружающую среду в сфере угольного производства, способствовать ее сохранению и улучшению условий проживания населения в угледобывающих регионах страны.