XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Бездымное топливо, как одно из решений экологических проблем в Кузбассе
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Вопросы экологии уже давно стали одной из основных тем, обсуждаемых руководителями крупнейших предприятий России. Практика показывает, что на местном уровне состояние окружающей среды больше зависит не от каких-то громких международных соглашений и деклараций, а от ответственного отношения промышленных компаний к производственной деятельности и населения к своему поведению в быту.
По оценкам экспертов, российские компании потратили на техническое перевооружение порядка 30 триллионов рублей за последние 20 лет. Это помогло бы снизить затраты энергии на производство продукции и сократить вредные выбросы, угрожающие здоровью жителей крупных городов. По сокращению эмиссии парниковых газов Россия является безоговорочным мировым лидером.
Изменилось и поведение граждан России, которые все чаще требуют вести раздельный сбор мусора, стараются не использовать впустую свет и воду, высказываются против незаконных свалок и неочищенных промышленных стоков. [1].
Об экологических проблемах сибирских регионов указывают в своих статьях: Золотарев И.И., Иванова Ю., Крышкина В., Соян Ш. Г. и др. [3-6].
Над решением вопроса утилизации угольной мелочи с целью получения экологически чистого бытового топлива с высокими энергетическими показателями и потребительскими свойствами работают наши ученые. Среди них: Богоявленская О.А., Ким С. В., Кударинов С.Х., Орлов А.С., Орлова В.В. и др. [2-8].
Проблемы экологии в нашем регионе стоит очень остро.
Исходя из этого, целью нашей работы является изучение возможности производства и применения бездымного топлива для снижения вредных выбросов в атмосферу и улучшения экологии региона.
Нами поставлены следующие задачи:
-
Рассмотреть технологию бездымного топлива;
-
Оценить технический результат;
-
Проанализировать востребованность бездымного топлива;
-
Обобщить и систематизировать полученные данные;
-
Создать информационный буклет.
Для достижения цели и реализации поставленных задач предполагается поэтапная работа:
I этап. Теоретический. Рассмотрение экологических проблем Сибири. Изучение технологии получения бездымного топлива.
II этап. Практический. Подтверждение целесообразности применения брикетного бездымного топлива. Стратегия развития комплекса: «глубокая переработка угля с целью получения топливного (бездымного) брикета в кемеровской области – Кузбассе». Создание информационной брошюры.
Объектомданного исследования является экологический аспект.
Предметом исследования является брикетное топливо.
При написании настоящей работы использованы методы анализа и синтеза, систематизации и обобщения информации.
Основная часть
I. Загрязнение атмосферы Сибири
Территориально вся площадь Сибири поделена на области:
Западная, Восточная, Южная, Северо-Восточная.
В каждом из этих регионов ведется добыча нефти или газа. Залежи каменного и бурого угля, железной руды в Красноярском крае, золото в Якутии и на Алтае. Западная Сибирь лидирует по количеству железной руды, имеет большие запасы поваренной и глауберовой соли. Алмазы Восточной Сибири – одно из главных ее достояний.
Топливная и лесная промышленность, добыча драгоценных металлов, цветная металлургия, машиностроение и металлообработка изнашивают почву, загрязняют атмосферу, создают частые кислотные дожди. Основные экологические проблемы Южной и Восточной Сибири – загрязнение воды, почвы, атмосферы – требуют незамедлительного решения.
Проблема загрязнения воздуха – одна из самых серьезных в городах Сибири. В перечне городов России с очень высоким и высоким уровнем загрязнения 78% – города СФО.
Восточная Сибирь является индустриально развитым регионом РФ. Здесь расположены крупнейшие предприятия, которые выбрасывают в атмосферу большое количество загрязняющих веществ. Дополнительный вклад в загрязнение воздушного бассейна вносят большое количество мелких котельных, жилой сектор с печным отоплением и автотранспорт, лесные и торфяные пожары (Приложение 1).
Сразу несколько регионов Сибири оказались в списках субъектов с наиболее неблагоприятной экологической ситуацией в 2020 году. Чаще всего эксперты указывают на загрязненный воздух. В частности, Красноярский край, Новосибирская, Омская и Кемеровская области по итогам зимы 2020 года заняли последние строчки национального экологического рейтинга общественной организации «Зеленый патруль».
По данным последнего экологического рейтинга сразу несколько регионов Сибири оказались на последних строчках. Всего исследовалось 85 регионов, и хуже всего дела обстоят в Иркутской области – 85-е место. Рейтинги других регионов тоже не радуют: Красноярский край – 82, Омская область – 81, Республика Тыва – 65, Новосибирская область – 54, Кемеровская область – 48. Из восьми федеральных округов России, приведенных в рейтинге, Сибирь заняла седьмую строчку. Кроме Красноярского края, который является антирекордсменом по уровню загрязнения атмосферного воздуха среди всех субъектов Российской Федерации, с проблемой загрязнения атмосферного воздуха вынуждены бороться также жители Иркутской, Кемеровской, Омской, Новосибирской областей. Основные загрязнители в этих регионах — крупные заводы и угольные котельные. [1, 3]
Согласно данным Росстата только на два региона – Красноярский край и Кемеровскую область – приходится более 60% от всего объема выбросов в атмосферу загрязняющих веществ в Сибири.
Экологи надеются, что общими усилиями переломить ситуацию в ближайшие годы получится. Этому должны способствовать не только активная позиция населения, но и нацпроекты по улучшению экологической ситуации в регионах. Улучшения должны произойти еще и по причине газификации регионов, на которую сейчас местные власти делают ставку.
В частности, это может быть возможно в рамках программы по расширению мощностей газопровода «Сила Сибири». Так, в конце марта 2020 года глава «Газпрома» Алексей Миллер на встрече с президентом России Владимиром Путиным сообщил о готовности «буквально в ближайшей перспективе» газифицировать Красноярский край, Иркутскую область, Республику Бурятия и Забайкальский край. То, что эти намерения имеют в том числе и экологическую повестку, на встрече отмечалось не раз. [1, 6]
II. Экологическое топливо
Самый большой эффект снижения экологического вреда можно ожидать от совместных усилий промышленных компаний и населения.
Действенный способ снизить негативную нагрузку на окружающую среду таких регионов Сибири, как Красноярск, Кемеровская область, Новосибирская область и др., лежит не в плоскости «альтернативной» энергетики, а в использовании обычного угля. Это один из важнейших ресурсов регионов как в экономическом, так и в научно-исследовательском аспекте. Возможности углехимии открывают широкие перспективы, в том числе в части сжигания полезного ископаемого без вреда для природы.
Один из ярких примеров – производство бездымного топлива по цене обычного угля, которое в 2020 году запустила Сибирская угольная энергетическая компания (СУЭК) в Красноярском крае. СУЭК – крупнейшая в России и пятая в мире по добыче угля. Проект СУЭК был высоко оценен Министерством экологии и рационального природопользования края и является инновационным продуктом. Ведь по подсчетам специалистов, около 10 % выбросов приходится на печное отопление. Сажа и зола из низких труб загрязняют важный для человека, самый нижний слой атмосферы.
СУЭК первой начала производить бездымные брикеты из термообработанного бурого угля для коммунально-бытовых нужд. Для термообработки угля применяется новейшая отечественная технология, основанная на частичной газификации угля в котлах с кипящим слоем и имеющая высокий уровень экологической безопасности. [7]
III. Бездымное бытовое топливо:
опыт применения в Красноярске
В 2019–2020 гг. по вышеуказанной технологии на промплощадке АО «Разрез Березовский» (Шарыповский район Красноярского края) на базе производственной котельной сооружен промышленный комплекс по переработке угля в коксовую продукцию (30 тыс. т в год) с одновременной генерацией тепловой энергии. В данной технологии из энергетического цикла выводится приблизительно две трети углерода в виде твердого продукта, а для генерации тепловой энергии сжигаются в основном летучие вещества угля (в них преобладает водород), поэтому по сравнению с классическим сжиганием угля снижается удельная эмиссия СО2.
Производство включает три стадии:
– дробление и рассев угля 2БР с подачей класса 5-15 мм в основной технологический процесс;
– термообработку угля в энерготехнологических установках на базе типового отопительного котлоагрегата с получением мелочи коксовой (МК);
– брикетирование МК со связующим согласно запатентованному способу.
Промышленный комплекс отличается гибкостью технологии, благодаря которой он способен выпускать продукцию разных типов в зависимости от спроса и цен на рынке.
К настоящему времени освоен выпуск МК и двух видов брикетов: металлургических и бездымных коммунально-бытового назначения (Приложение 4). Коксовая мелочь является как исходным сырьем для брикетов, так и самостоятельной товарной продукцией при поставках в металлургию.
Бездымные брикеты СУЭК удостоены Всероссийской премии в области экологии и ресурсосбережения в номинации «Инновация года», премии «Время инноваций 2019» в номинации «Экология и ресурсосбережение», победы на Всероссийском конкурсе «Развитие регионов. Лучшее для России» в номинации «Продукт года», а сама компания получила благодарность Совета Федерации за внимание к сохранению окружающей среды. [7], (Приложение 2).
IV. Тестирование бездымного топлива на экспериментальном стенде
Для сравнительного тестирования твердого топлива в Экспериментальном центре филиала ООО «Сибнииуглеобогащение» в
г. Красноярске (предприятие входит в группу СУЭК) был создан специальный испытательный стенд, который представляет собой набор обычных бытовых котлов для сжигания твердого топлива на колосниковой решетке (Приложение 5), оснащенных датчиками и приборами для определения концентраций ЗВ в дымовых газах, а также для определения основных параметров работы бытовых котлов: теплопроизводительности, КПД, температуры колосниковой решетки и т.д. Котлы и печи такого типа используются в большинстве домов частного сектора.
Для решения задачи: определить, во сколько раз удельные вредные выбросы на бездымном топливе ниже, чем на традиционном, был поставлен эксперимент на серийно выпускаемом бытовом водогрейном котле теплопроизводительностью 12 кВт, конструкция и конфигурация топки которого максимально близки к типичным отопительным устройством частного сектора.
В ходе экспериментов соблюдались следующие условия:
– сжигание топлива производилось в одинаковых условиях: при номинальной нагрузке отопительного устройства в фазе горения с максимальным тепловыделением;
– инструментальные измерения и отбор проб осуществлялись на всем протяжении сжигания порции топлива по стандартизированным методикам для промышленных выбросов при непрерывном мониторинге параметров пылегазового потока.
Инструментальные измерения были выполнены специалистами аккредитованных лабораторий: Экологической лаборатории филиала АО «СУЭК-Красноярск» «Разрез Бородинский имени М.И. Щадова» и лаборатории Минэкологии края.
Результаты измерений показали, что при сжигании бездымных брикетов удельные выбросы по оксидам азота и серы снижаются на порядок, по оксиду углерода – в 1,5 - 2 раза, по взвешенным веществам (это видимый дым) – на два порядка, а по бенз(а)пирену – более чем в 40 раз по сравнению со сжиганием бурых углей 2Б и 3Б, типично поставляемых частным домовладениям Красноярска.
Оценка суммарного вредного воздействия с учетом фактора вредности показала, что при сжигании бездымного топлива (брикетов) вредное воздействие снижается более чем в 30 раз по сравнению со сжиганием бурого угля и на порядок – по сравнению с древесным топливом.
В ходе стендовых испытаний было установлено, что при использовании бездымных брикетов коэффициент использования топлива (отношение величины полезной тепловой энергии к теплоте сгорания загруженного топлива) в 1,5 раза выше (57 - 60% против 35 - 40%), чем при сжигании угля. Температура в топке практически такая же, как при сжигании бурого угля, поэтому при использовании бездымных брикетов с более высокой, теплотой сгорания исключается выход отопительного устройства из строя из-за прогорания колосников или стенок топки. [4]
V. Магазин экологического топлива «Сибирский брикет»
В сентябре 2022 г. в Красноярске открылся интернет-магазин по продажам «Сибирского брикета». Стоимость 20-килограммового мешка на сегодняшний день составляет 165 рублей.
Для жителей частного сектора Красноярского края при предоставлении всех необходимых подтверждающих документов стоимость мешка составляет 150 рублей.
Рекомендации от производителя по применению бездымного топлива «Сибирский брикет» представлены в ниже приведенной инструкции. (Приложение 3). [7-8]
VI. Против смога
Повышенное загрязнение атмосферного воздуха в Кемеровской области обусловлено чрезвычайно высокой концентрацией на небольшой площади в 95,7 тыс. кв. км различных производств: угледобычи и углепереработки, предприятий черной и цветной металлургии, химии, предприятий машиностроения и металлообработки, стройиндустрии и т.д. Вклад частного сектора в загрязнение воздуха заметен без всяких приборов: черный налет на сугробах возле домов и характерный запах от печных труб.
Жители частного сектора отапливаются углем или (очень редко) дровами. Около 14% выбросов в Кемерове приходятся на частный сектор, чуть больше – на транспорт, около 25% – на энергетику (в городе три тепловых станции) (Приложение 5), остальное – на промышленные предприятия.
Кузбасс является крупнейшим угледобывающим бассейном России, где добывается более 60 % угля (каменный уголь) от общего объема по стране.
На сегодняшний день новосибирскими учеными создана технология производства бездымного угля на термолизе каменного. Опытно-промышленные установки уже размещены в институте.
Данная разработка посвящена комплексному изучению угля при его термической, химической и механической обработке с целью организации технологии переработки и получения угольных бездымных брикетов, снижающих образование смога и загрязнения воздуха из частных домов с угольным отоплением.
Обычные каменные угли после прохождения процесса термолиза на данной установке могут быть использованы для создания бездымных брикетов, поскольку из них удаляются газовые фракции. Для термолиза необходимо использовать мелкую фракцию местных углей, так как они имеют меньшую стоимость, чем кусковой уголь. Остаточные жидкие продукты установок – смолу и битум – можно продавать переработчикам. Для этого необходимо поставить установки термолиза в районы с большим процентом частного сектора.
Предположительно реализовывать угольные топливные брикеты можно будет по цене ниже, чем стоит уголь на местном рынке. Скорее всего, для этого потребуются финансовая поддержка. На первом этапе она могла быть организована за счет местных бюджетов, так как установки термолиза и брикетирования будут обеспечивать только население местных районов. Такая организация работ не потребует больших финансовых затрат и в короткие сроки обеспечит снижение экологической нагрузки от сжигания углей на местах. [6-8]
VII. Получение брикетного бездымного топлива из термообработанной мелочи энергетических углей
Кузбасс – угольное «сердце» России. Большая часть топлива извлекается открытым способом. На 01.01.2021 работает 56 разрезов.
На угольных разрезах добыча энергетических углей ведется открытым способом. В этой связи угли обладают существенно меньшей стоимостью и дефицитностью. Переработка образующейся мелочи в брикеты принесет угледобывающим предприятиям значительно больший чистый доход, чем ее прямая реализация потребителю. Помимо утилизации в результате брикетирования повышаются качественные и теплотехнические характеристики топлива, увеличивается теплота сгорания и полнота использования при горении. Другой немаловажной причиной переработки углей в брикеты является сглаживание ежемесячных объемов добычи по разрезу для ликвидации так называемых сезонных колебаний спроса. В этом случае не возникает проблемы пролеживания угля в штабелях и возгорания.
Реализация способа и отработка основных технологических параметров процесса брикетирования угольной мелочи с предварительным ее полукоксованием проводились на смонтированной опытной установке в лабораторных условиях.
Такую термообработку – полукоксование большинства энергетических углей можно производить более интенсивно в компактных аппаратах периодического действия – ретортах с применением метода термоокислительного коксования. Процесс полукоксования в реторте относится к автотермическим способам переработки угля, в которых существенно выше интенсивность подвода тепла к углю, а «огневое обезвреживание» летучих продуктов осуществляется непосредственно в процессе переработки угля внутри основного технологического аппарата.
Работа теплотехнического оборудования с полным дожиганием отходящих горючих газов, получаемых при карбонизации, предопределяет бездымность технологического процесса. В процессе карбонизации все органические соединения угля расщепляются и газифицируются внутри агрегата. Отходящий горючий газ не содержит пыли и смолистых веществ.
Процесс полукоксования осуществляется следующим образом. В реторту через загрузочный люк загружают угольную мелочь фракции 0-15 мм. В слой угля вводят термопары для фиксирования температуры в процессе термоокислительной карбонизации. Через подвижную колосниковую решетку, которая вмонтирована в нижней части реторты, подают воздушное дутье. Поджигают слой угля со стороны, противоположной подаче дутья, с целью образования фронта газификации угольной загрузки.
Карбонизация угля происходит сверху вниз, причем в слое топлива можно выделить зоны сырого угля и готового карбонизата, между которыми существует граница раздела. Использование в процессе (при необходимости) дозированной подачи в реторту паров воды обеспечивает достаточно точное регулирование температурного режима для достижения требуемых качественных характеристик получаемого полукокса. После достижения зоной горения угля уровня колосниковой решетки прекращается подача воздуха, и процесс завершается.
Готовый продукт – полукокс охлаждается паром в реторте до 50-100°С. Продолжительность процесса составляет порядка 5,5-6 ч при продвижении фронта горения по высоте реторты со скоростью 0,15-0,20 см/мин. Выход полукокса из бурого угля составляет 50-60 %, из длиннопламенного угля – 65-70 %. Полученный карбонизованный продукт выгружается через разгрузочное отверстие в нижней части реторты и подвергается брикетированию. От ходящие газы полукоксования используются для поддерживания температурного режима в сушильной проходной печи при сушке брикетированного полукокса. Технологически предусматривается обеспечение температуры сушки в интервале 150-300°С.
В шихту для брикетирования к полукоксу, составляющему 65-80 % массы, в качестве связующего добавляется меласса плотностью 1,32-1,5 г/см3 в количестве 5 % массы и в качестве упрочняющей добавки – угольный шлам в количестве 15-25 % массы. Подготовленная посредством перемешивания до однородного состояния брикетная шихта через шнековый питатель подается для формирования брикетов на штемпельный пресс при давлении прессования – 20-30 МПа. Сформованные сырые брикеты подвергаются сушке продолжительностью 2-2,5 ч в проходной сушильной печи. Температура сушки посредством отходящих газов полукоксования поддерживается в интервале 200-250ºС. Готовые брикеты охлаждают при температуре окружающего воздуха.
Удаление в процессе термообработки большей части наиболее вредных токсичных соединений обеспечивает экологическую чистоту брикетированного топлива по сравнению с углем в сфере потребления, а также бездымность процесса горения и высокий коэффициент полезного действия топлива на уровне 99 %. [2, 4]
Практическая часть
Стратегия развития комплекса: «Глубокая переработка угля с целью получения топливного (бездымного) брикета в Кемеровской области-Кузбассе»
Стратегической целью развития комплекса является усиление конкурентоспособности региональной экономики, привлечения инноваций и мирового опыта в сфере комплексной переработки угля (включая глубокую переработку), технологическое перевооружение предприятий, технологическая и экологическая безопасность, вопросы логистики.
Сильные стороны работы:
• практически неограниченная обеспеченность сырьем;
• присутствие в регионе крупных национальных и международных холдингов;
• принципиальная заинтересованность органов региональной исполнительной власти в развитии углехимии, угольных технологий;
• готовность инвесторов, реализующих проекты угледобычи, реализовывать проекты по переработке угля при наличии технологических возможностей.
Строительство комплекса предполагается в моногороде Ленинск-Кузнецкий с общей стоимостью проекта около 1 млрд рублей. Ленинск-Кузнецкий расположен в центре Кемеровской области, экономика города монопрофильна и зависит от работы угольной отрасли.
Проект планируется реализовать за 24 месяца.
Производственная мощность предприятия – 12 млн тонн готовой востребованной продукции в год с возможностью дальнейшего наращивания мощностей. Визуализация комплекса представлено в приложении 13-17.
Штатная численность-200 человек без учета привлекаемых по договорам.
Экономическая целесообразность использования брикетов для населения Кемеровской области
Ориентировочная стоимость брикетов (20-килограммовый мешок) будет составлять 235 рублей. Мешок сортового угля стоит 135 рублей. Но двухнедельный расход бездымного топлива составляет около 300 кг, а угля каменного – около 500 кг. Затраты денежных средств в первом случае составят 3525 рублей, а во втором 3375 рублей. Таким образом, разница минимальна. Реализуемая в Кемеровской области социальная поддержка граждан, зарегистрированных в домах с печным отоплением, в форме частичной денежной компенсации на приобретение твердого топлива, в том числе может быть распространена и на приобретение брикетов.
Заключение
Бездымный брикет из угля – без преувеличения, топливо будущего. Инновационный продукт открывает новые возможности применения угля – при высокой теплотворности он не дает дыма и сводит к минимуму вредные воздействия на окружающую среду.
Наши расчеты экономической целесообразности перехода на экологичное топливо доказывают возможность его широкого применения в нашем регионе.
С целью популяризации применения экологичного топлива жителями нашего региона для отопления своих домов нами разработана информационная брошюра, в которой описаны все преимущества его использования (Приложение 6).
Очевидные преимущества: энергоэффективность, экологичность, удобство в применении.
Следует учесть, бездымное топливо – вклад не только в экологию, но и в новые инновационные возможности применения угля, что особенно актуально для «угольного» региона – Кузбасса.
Что нужно сделать дальше?
1. Необходимо разработать областную программу замещения традиционного топлива бездымным в частных домовладениях и локальных котельных малой мощности с обеспечением мер социальной поддержки населения.
2. Провести мониторинг воздуха при реализации программы для подтверждения оздоровления экологической обстановки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Экологические проблемы сибирских регионов [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ekologicheskie-problemy-sibirskih-regionov
2.Технологию производства бездымного угля создали новосибирские ученые[Электронный ресурс]. URL:https://news.rambler.ru/ecology/47108238/?utm_content=news_media&utm_medium=read_more&utm_source=copylink
3. Ученые разработали бездымное угольное топливо [Электронный ресурс]. URL:https://plus-one.ru/news/2021/08/30/uchenye-razrabotali-bezdymnoe-ugolnoe-toplivo
4. Получение брикетированного бездымного топлива из термообработанной мелочи энергетических углей [Электронный ресурс]. URL:https://cyberleninka.ru/article/n/poluchenie-briketirovannogo-bezdymnogo-topliva-iz-termoobrabotannoy-melochi-energeticheskih-ugley
5. На угольной игле: как в Кемерове борются с «черным небом» и почему безуспешно [Электронный ресурс]. URL:https://prmira.ru/article/na-ugolnoj-igle-kak-v-kemerove-boryutsya-s-chernym-nebom-i-pochemu-bezuspeshno/
6. Уголь будущего – фокус на экологичность [Электронный ресурс]. URL:https://vestsnab24.ru/investment-projects/ugol-budushhego-fokus-na-ekologichnost/
7. Производство бездымного топлива - один из главных социальных проектов года компании СУЭК [Электронный ресурс]. URL:https://24rus-ru.turbopages.org/24rus.ru/s/news/economy/181567.html
8. Экологическое топливо. Как правильно пользоваться бездымными брикетами?[Электронный ресурс]. URL:https://krsk.aif.ru/ekologiya/ekologicheskoe_toplivo_kak_pravilno_polzovatsya_bezdymnymi_briketami
Приложение 1
Стационарные источники (предприятия,
Передвижные источники (транспорт)
Приложение 2
Бездымное топливо (брикеты)
Приложение 3
Экспериментальный стенд на базе бытового котла для тестирования топлива: слева – сжигание угля, справа – сжигание бездымных брикетов
Снижениеприземныхконцентрацийбенз(а)пиренапризамещениитрадиционного топлива (уголь, дрова) бездымными брикетами в Красноярске вмарте 2019г.(поданнымМинэкологиикраяот11.03.2019)
Приложение 4
Приложение 5
Ново-Кемеровская ГРЭС (основное топливо – каменный уголь)
Приложение 6