Формирование организационно-технологических схем экологически чистых ресурсосберегающих комплексов "Угле-Газ-Электричество" тема диссертации по экономике, полный текст автореферата

Диссертация: текстпо экономике, кандидата технических наук, Воробьев, Сергей Борисович, Москва

¿Г~/ г XI? 1 р /

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВОРОБЬЕВ СЕРГЕЙ БОРИСОВИЧ

• УДК 622.235.012.3

ФОРМИРОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ

«У ГЛ Е-ГАЗ-ЭЛ ЕКТРИЧЕС ТВО»

Специальность 08.00.28. «Организация производства в горной промышленности»

Специальность 11.00.11. - «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

/

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

I

Научный руководитель: Лауреат Государственной премии СССР Профессор Нуждихин Г.И.

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ ..................

4 6

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ КОМПЛЕКСА "УГЛЕ-ГАЗ-ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» И КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ

1.1. Классификация технологических решений комплекса «Угле-Газ-Электричество» и идентификация структурных технологических элементов............................................................................... ^

1.2. Концептуальные принципы.................................................... 31

Выводы.................................................................................. 36

2. СИНТЕЗ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ «УГЛЕ-ГАЗ-ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»

2.1. Синтезирование технологий «Угле-Г аз-Электричество» как больших сложных систем.......................................................... 38

2.2. Моделирование синтеза инновационных технологий комплекса

«У гле-Газ-Э л ектр ич е ств о».......................................................... ¿р

2.3. Локальный у гле-газ-электрический комплекс........................... 59

Выводы................................................................................. 61

3. СИСТЕМНАЯ ОЦЕНКА СОЦИО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ЭКОНОМИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛОКАЛЬНЫХ ИНТЕГРИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ « УГЛЕ-ГАЗ -Э Л ЕКТР ИЧЕСТВ О »

3.1. Социо-экологическая эффективность ЛУГЭК

3.1.1. Уровень экологической чистоты технологии угле-газ-энергетического производства................................................... 63

3.1.2. Методология системной со ц ио -э коло гич е ско й оценки технологии « У г л е -Г аз - Э л е ктр ич е ств о ».......................................... 82

3.2. Оценка энергетической эффективности комплексов «Угле-Газ-Электричество»....................................................................... 98

3.3. Экономическая эффективность локальных уле-газ-энергетических комплексов (нетрадиционная технология УГЭ).............................. ц^

Выводы .................................................................................. 136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................. 139

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................. 141

ПРИЛОЖЕНИЕ: обобщение опыта и анализ технологически решений комплекса «У гле-Газ-Электр ич еств о»

АШ БТЕ ГТУ

1ЩР.

Т0Е

игкц

KRW ДУГ31С

мгд

овос

оэс

ПАВ ПГТУ

ПГУ

пдк

ПРООН

ПСУ ПТУ

сгд

сэн

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ антрацитовый штыб

Британская Тепловая Единица - British Thermal Unit (BTü)

газотур б ин ны е (энергетич е ские) у станов км

Глобальный Экологический Фонд (Global Environmental Facilities • GEF)

двигатель внутреннего сгорания

Министерство Энергетики США (DOE - Départaient of Energy)

интегрированная газификация в установках комбинированного цикла (IGCC - Integrated Gasification Combined Cycle)

(Kellog-Rust-Westinghouse) Келлог-Раст-Вестингхауз

локальный угле-газо энергетический комплекс

Mагнито-гидродинамический преобразователь / генератор

оценка воздействия на окружающую среду

объединенная энергетическая система

поверхностно-активные вещества

п ар о - газ о т ур бинныеус т ан о в к и

подземная газификация угля

предельно допустимая концентрация (поллютанта)

Программа Развития Организации Объединенных Наций - United Nations Development Programme (UNDP)

подземное сжигание угля

паротурбинные (энергетические) установки

скважинная гидродобыча угля

система экологического надзора

TV.т. - тонна условного топлива

ТЭК - топливно-энергетический комплекс

тэо - технико-экономическое обоснование

ТЭР - топливно-энергетические ресурсы

ТЭС - тепловая электростанция

УГЭ - технология «Угле-Газ-Электричество»

цкс - сжигание в циркулирующем кипящем слое

ЭПРИ научно-исследовательский институт электроэнергетики (США)

(EPRI) /Electric Power Research Institute/

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Объект исследования. Цели и задачи исследования. Методы исследования.

Проблемам устойчивого развития энергетики в России, как и во всем мире придается большое значение [1].

В частности была выдвинута «Концепция новой энергетической идеи на XXI век», определяющая пути, цели и средства развития топливно-энергетического комплекса России на первую половину нового столетия [2]. В рамках этой концепции формулируются этапы и стратегические решения, а также определяется долевое участие и конкурентоспособность отдельных видов органических топ лив в энергобалансах различных уровней на длительную перспективу. Например, для угольной промышленности прокламируется наступление «Новой угольной волны» и «Газовой паузы» наряду с осуществлением программы «Уголь России».

Устойчивое развитие энергетики выдвигает необходимость создания комплексных топливно-энергетических производств в виде го р н о -у тле -э н ер гет ич ее ки х предприятий с конечным выходом продукций в виде электричества.

Уголь продолжает оставаться одним из основных нев о'¿обновляемых источников энергии на длительную перспективу. В 1994 г. доля угля в топливно-энергетическом балансе РФ упала до 13 %, а в электроэнергетике - до 26 % ( по сравнению с 60 % в США). Из общего о бьем а добытого угля в 246,5 млн. т электростанциям было поставлено 105,6 млн. т, т.е. 42,8 %. По данным Международного Энергетического Агентства (International Energy Agency) прогнозируется, что уголь на 95 % обеспечит дополнительные глобальные энергетические потребности до 2020 г.

При двукратном увеличении суммарной добычи расчетная обеспеченность угольными ресурсами будет в два раза выше, чем ресурсами природного газа (180 лет для угля и 80 лет для природного газа) [3].

Угольная промышленность России отличается особенно низкой эффективностью производства энергоресурсов. Себестоимость добычи угля в мире составляет 12 - 15 долл. США за 1 т, по сравнению с 20 - 28 долл. в России. В перспективе рост-добычи угля в значительной мере будет зависеть от экономических и экологических показателей конкурирующих с ним видов топлива (природного газа, нефти). При этом особенно важно учитывать падение мировых цен на нефть.

Проблема использования возрастающих объемов потребляемого угля для энергетики встала весьма остро в связи с общим ужесточением природоохранного законодательства при сжигании угля как внутри отдельных индустриально развитых стран Европы, так и в глобальном масштабе. Все это заставляет искать технологические решения, при которых существенно сокращаются выбросы особенно парниковых газов в атмосферу и достигается более высокий уровень эффективности электроэнергетики, т.е. обеспечивается энергосбережение. Осуществляется целевая программа «Энергосбережение России», рассчитанная на 1998 -2005 гг., в рамках которой активизируются разработки инновационных технологий углеэнергетики. Предусматривается, что такие инновационные технологии обеспечат существенное снижение техногенного воздействия угле-энергетического производства на окружающую среду.

Проблеме эффективного использования угля в энергетике придается большое значение, так как уголь играет важную роль в

топливном балансе электроэнергетики России, где была яровозглаш ена ГАЗ О УГО ЛЬНАЯ ТО ПЛИВНАЯ СТРАТЕГИЯ развития тепловой энергетики. В соответствии с этой стратегией ожидается, что к 2010 году в балансе топливоиспользов ан ия ТЭС доля газа составит 68%, угля 27%, доля нефтяного топлива - мазута снизится до 5% [4]. Топливно-энергетическая стратегия РФ ориентирована на преимущественное потребление угля, хотя в настоящее время его доля в топливно-энергетическом балансе страны составляет около 12-13 %, в то время как в мире его доля составляет 25%, а в Западной Европе - 50 %. Доля электроэнергии, вырабатываемой из угля, в России составляет 26 %, тогда как эта величина для США превышает 56 % [5].

Сверхдолгосрочный прогноз (до 2060 г.) Всемирного Угольного Института (World Coal Institute, London, UK) определенно указывает на существенное повышение роли угля в сравнении с природным газом и особенно с нефтью за пределами 2010 - 2015 гг.

В связи с общим ростом энергопотребления в мире проблемы добычи, переработки и утилизации угля становятся все более актуальными, т.к. в стратегическом плане именно уголь является наиболее надежным и конкурентоспособным видом топлива. Запасы угля могут на протяжении столетий даже при увеличивающихся объемах мировой добычи. обеспечивать потребность энергетического сектора мировой экономики.

Уголь - это базовое стратегическое топливо, ресурсы которого настолько велики, что позволяют строить долговременную политику развития угольной энергетики России. В этом контексте на первый план выдвигается требование ресурсосбережения - максимально возможное использование угольных ресурсов и ресурсов углепластового метана.

Вторым, но не менее важным является требование обеспечения экологической безопасности угле-энергетического

производства. Современные ныне используемые традиционные технологии угле-энергетического производства вызывают значительные отрицательные воздействия на окружающую среду в результате выбросов поллютантов в атмосферу, сброса сточных вод, нарушения поверхности и почвенно-растительного слоя обезвоживания или заболачивания земель.

Особо остро стоит вопрос экологической чистоты выбросов электростанций, питающихся углем. Никакие из ныне используемых технических средств снижения выбросов газов и пыли в атмосферу -продуктов прямот сжигания угля на ТЭС - не могут кардинально решить экологическую проблему угольной электроэнергетики. Только переход на новые технологии комплексной эксплуатации и использования угля позволит решить эту проблему. В частности, одним из таких технологических решений является отказ от прямого сжигания угля и переход на газификацию угля с последующим использованием генераторного газа в паро-газотурбинных установках комбинированного цикла. В связи с этим возникает проблема создания новых нетрадиционных технологий угле-энергетического комплекса нового поколения, отвечающих требованиям XXI века.

В России в настоящее время действуют отраслевые научно-технические программы "Стратегия развития электроэнергетики5', "Уголь России", Государственная научно-техническая программа "Экологически чистая энергетика" и Федеральная целевая программа "Топливо и энергия". Разработка и развитие концепции Угле-газ электричество логически вписываются в эти целевые но о граммы.

4 I

В настоящее время развитие угледобычи, особенно в индустриально развитых странах (США, Австралия, Канада и др.) сдерживается постоянно усложняющимися горно-геологическими условиями залегания угольных пластов и повышающимися требованиями по охране окружающей среды. Дальнейшее совершенствование существующей технологии добычи угля и его использования в энергетике не сможет привести к качественно новым результатам в экономическом, экологическом и социальном аспектах. Значительное повышение производительности труда, частичное и даже полное устранение труда шахтеров в подземных условиях, наряду с эффективной системой природопользования и охраной окружающей среды могут быть достигнуты только путем перехода на нетрадиционные принципиально новые чистые к ресурсосбережающ ие технологий.

В углеэнергетике научно-технический потенциал должен быть переориентирован на создание новых энергоэффективных и экологически чистых технологий с вовлечением в энергобаланс нетрадиционных источников энергии.

Экологическая эффективность технологий не может быть достигнута без интенсивной реализации принципа ресурсосбережения. Ресурсосберегающая технология добычи и утилизации угля и метана проявляется в увеличении полноты извлечения угле-метановых ресурсов (вовлечение в эксплуатацию забалансовых запасов, сокращение эксплуатационных потерь и повышение степени извлечения угля-метана и др.). По энергетическому циклу ресурсосбережение должно материализоваться в виде энергосбережения, которое рассматривается как новый нетрадиционный вид энергоресурса. Его использование требует создания и перехода на энергоэффективные

технологии выработки электроэнергии в электроэнергетике, использование эколого-энергоэффективных технологий, внедрение принципиально новых высокоэффективных энерготехнологических

тч **

систем. В этим контексте одним из наиоолее перспективных направлений в углеэнергетике является газификация угля как альтернатива прямому сжиганию углей вообще, и многобалластных высокозольных углей в особенности.

С отработкой запасов угля в сравнительно мощных и малозольных пластах, залегающих в относительно благоприятных горно-геологических условиях, возникает необходимость добычи угля из тонких и весьма тонких высокозольиых угольных пластов на все более глубоких горизонтах, что отрицательно сказывается на технико-экономических показателях. В этих условиях возрастают потери угля е пластах близких к. кондиционным, которые оказываются экономически недосягаемыми для разработки традиционными методами подземной разработки.

В связи с возникшими международными обязательствами по охране окружающей среды и в частности по стабилизации вредных выбросов в атмосферу парниковых газов (Рамочная Конвенция ООН об изменении климата, 1992 г.) остро встала проблема экологической безопасности в электроэнергетике [1]. Существующие устройства очистки газов на угольных электростанциях хотя и могут обеспечить предельно допустимые нормы выбросов поллютантов, но являются весьма дорогостоящими системами.

Транспорт угля на большие расстояния от мест его добычи до тепловых электростанций также существенно удорожает стоимость угля, а, следовательно, и стоимость вырабатываемой злектчоэнеогии. Особенно значительно тванспортная составляющая.

оказывает влияние на цену угля при сверхдальних ж/д перевозках. При железнодорожном транспорте угля кроме экономических издержек возникают существенные потери угля и загрязнение окружающей среды.

Ко всему вышесказанному добавляется высокая потенциальная опасность и дискомфортность подземного труда на угольных шахтах.

Существенные результаты в экономическом, экологическом и социальном аспектах могут быть достигнуты только путем создания и внедрения в производство нетрадиционных инновационных технологий добычи и использования угля и угле пластов о го метана как топлива для выработки электроэнергии.

Социально-экономическая обстановка в России остро ставит вопрос о необходимости создания реальных технологий угле-энергетического производства нового поколения - экономически эффективных, экологически чистых, ресурсосберегающих к социально приемлемых.

В нынешних условиях интеграция электроэнергетики и угольной отрасли становится стратегическим направлением в развитии топливно-энергетического комплекса (ТЭК) [б].

Создание интегрированных предприятий с непосредственно сопряженными го р н о -т ех н о до г ич е с к и м и процессам! добычи угля/метана и физико-энергетичеекими процессами выработки электроэнергии является основой концепций «Угле-Газ-Эле ктричество», Прямых аналогов таким интегрированным комплексам нет ни в отечественной, ни в зарубежной практике. Такие зарубежные индустриально развитые страны, как США, Германия, Англия, Япония и др. создали ряд технологически пионерных решений в области энергосберегающих и экологически

чистых технологий углеэнергетнки. Здесь, прежде всего, следует указать на технологии промысловой добычи угле пластов о го метана, внутрицикловой угле газификации, интегрированной с паро-газотурбинным и электроэнергетическими установками

комбинированного цикла.. С другой стороны, в России имеются проектно-конструкторские и технологические разработки в области углеэнергетнки, не имеющие аналогов в мировой практике. Это подземная газификация угля, скважинная гидродобыча, дегазация угольных пластов, технология «Угле-Газ», концепция «Угле-Газ-Эле ктричеств о».

Ключевой проблемой повышения эффективности использования энергетических углей в электроэнергетике России является ускоренное завершение разработки и освоения инновационных концепций, базирующихся на апробированных отечественных и зарубежных технологических решениях по добыче и использованию энергетических углей, обеспечивающих экономическую, экологическую и социальную эффективность.

Одна из таких концепций предложена академиками Васючковьш Ю.Ф. и Воробьевым Б.М. , известная под названием " Угле-Газ-Электричество" [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]. Основная идея этой концепции заключается в интегрировании горного и электроэнергетического производства в единую