Источник: Ground Woter Protection Council Forum www.netl.doe.gov
Большинство электростанций используют большие объемы воды для конденсации пара. Во многих местах по всей стране, запасы поверхностных вод не достаточно большие, чтобы разместить дополнительные резервы для новых электростанций. Эта статья описывает части анализа, Аргоннской национальной лаборатории АНЛ, который позволяет оценить возможность использования шахтных вод бассейна в качестве источника охлаждающей воды на электростанции. Если вода угольного бассейна может быть использован на электростанциях, он будет предлагать двойную выгоду. Прежде всего, электростанции будут иметь большую гибкость в выборе площадки, а во—вторых, использование воды поможет избежать или уменьшить нежелательные загрязнения поверхностных водных объектов от шахтных вод бассейна.
Сколько воды имеется в наличии?
Уголь лежит примерно на одной трети штата Пенсильвания. Большая часть Западной Вирджинии подстилается битуминозными угольными пластами. По оценке Пенсильванского департамента охраны окружающей среды (ПДООС) в штате Пенсильвания около 10000 — 15000 заброшенных шахт. Геологические и экономические исследования Западной Вирджинии (ГЭИЗВ) предполагают такое же число заброшенных шахт в Западной Вирджинии.
Качество шахтных вод бассейна
Природа и качество шахтных вод бассейна угольных месторождений Пенсильвании и Западной Вирджинии широко изучается как результат воздействия этой воды, во время сброса в окружающую среду.
Вода угольного бассейна становится кислой от реакции кислорода и воды с железом, сульфидных минералов в угле, таких как пирит (FeS2). Есть много факторов, которые влияют на химический состав шахтных вод бассейна. Предполагается, что следующие факторы будут влиять на рН, кислотность и концентрацию металлов в сбрасываемой воде:
— минералогия угля и вскрышных пород;
— количество воды, протекающей через шахту;
— время пребывания, длина пути и глубины циркуляции воды через шахту;
— наличие кислорода и растворенного кислорода в шахтных водах;
— угольная конструкция (например, против или по падению);
— активные насосные установки в шахте или в пределах влияния соседних угольных шахт;
— внешней поверхности сульфидных минералов.
В свете повышенного уровня ПДС, твердость и изменчивый характер рН большинства вод угольных бассейнов должны рассматриваться в определенной степени, до использования в системе охлаждения воды на электростанции. Технологии очистки для корректировки рН, удаления ПДС, растворенных ионов металла, и переменные, находящиеся в шахтных бассейнах, хорошо известны.
Например, системы очистки, которые могут быть использованы для очистки шахтных вод замкнутой системы охлаждения:
— очистки от декантирующих вещества
— корректировка рН, горизонтальный фильтр, коагуляция и флокуляция для удаления металлов
— мультимедийная фильтрация, ионной обмен и адсорбция активированным углем.
Любая вода, которая будет использоваться для подачи воды в котельные, требует дополнительное очистки. С помощью фильтра с картриджем можно удалить субмикронных частиц, с помощью обратного осмоса и / или ионного обмена можно обеспечит дополнительную полировку.
Использование воды для охлаждения
На паровой электростанции, электричество получают путем нагрева очищенной воды для создания высокого давления пара. Пар расширяется во время прохода через турбины генераторов, которые производят электричество. После ухода из турбины, пар проходит через конденсатор, который имеет несколько трубок и большую площадь поверхности. Большой объем холодной воды циркулирует по трубам, поглощая тепло от пара. Вода угольных бассейнов может использоваться для прямоточноо или замкнутого циклом охлаждения. По меньшей мере, как описано ниже, мыслимо четыре режима работы.
Прямоточное охлаждение: прямоточные системы охлаждения извлекают большие объемы воды — обычно в диапазоне от десятков миллионов до миллиардов галлонов в день из рек, озер, устьев, или океанов.
Вода прокачивается через конденсатор в один подход и возвращается в тот же или похожей вид воды. Угольные бассейны предлагают два возможных режима для прямоточного охлаждения. В режиме 1, прямоточный со сбросом, вода, выведенная из шахтного бассейна, проходит через конденсатор, а затем сбрасывается в близлежащий водоток. В режиме 2, прямоточный с возвратом в бассейн, вода, выведенная из шахтного бассейна, проходит через конденсатор, а затем возвращается в шахтный бассейн либо в поверхностный бассейн или на меньшую глубину. Поскольку режим 2 не уменьшает объем шахтного бассейна, значит, существует мало шансов, что такое использование будет способствовать оседанию земли на шахте.
Замкнутый цикл охлаждения: Вторая категория охлаждения использует систему замкнутого цикла охлаждения, в которой вода, используемая для охлаждения конденсатора, не сбрасывается, а используется для рециркулируется в отдельную структуру для охлаждения (например, градирни или пруд—охладитель), а затем возвращается в конденсатор.
В режиме 3, замкнутый цикл с мокрой градирней, подпиточная вода удаляется из шахтного бассейна и добавляется к рециркуляционной системе охлаждения, которая используется в мокрой градирне. Некоторая вода теряется на испарении и продувке, как правило, она попадает в близлежащие потоки. Поскольку объем подпиточной воды значительно ниже, чем у воды прямоточного охлаждения, объем и гидрологическая скорость перезарядки для шахтного бассейна не должны быть столь же высоки, как они будут в режиме 1.
Способ 3, скорее всего, режим использования шахтных вод бассейна. По крайней мере, шесть небольших ТЭЦ работают в области антрацита в Пенсильвании в течение более десяти лет и используют шахтные воды бассейна в качестве основного водоснабжения. Пять из шести заводов работают в режиме 3, тогда как шестой завод использует конденсатор с воздушным охлаждением для его основных потребности в охлаждении и использует шахтный бассейн, как структуру для вспомогательной градирни.
В режиме 4, с замкнутым циклом с охлаждающей спиралью, в которой мало или почти нет воды, откаченной из шахтного бассейна. Вместо этого, длинные, непрерывные катушки теплообменных труб помещаются в бассейн шахты. Теплая вода или некоторые другие теплообменные жидкости распространяются от конденсатора через охлаждающую спираль, а затем обратно в конденсатор. В отсутствие утечек, жидкости в системе охлаждения никогда не вступают в контакт с угольным бассейном. Теплообмен через стенки трубы охлаждающего контура. Этот тип системы по существу — гигантский тепловой насос.
Условия окружающей среды
Экологические преимущества могут возникнуть в результате использования шахтных вод бассейна в некоторых местах. На протяжении угольных регионов Пенсильвании и Западной Вирджинии, в настоящее время большое количество углей выгружается в потоки и реки, которые скоро переполнятся. Большая часть этой воды нежелательных качеств (низкий рН, высокое содержание железа, марганца и ПДС) и приводит к ухудшению состояния полученных водоемов. Любой шахтный водный бассейн, который удален от бассейна, энергетическая компания представляет воды, которые не будут загрязнять часть этого потока или реки вниз по течению. Авторы не знают о различных обстоятельствах, при которых правительство водных ресурсов или экологические учреждения предложили финансовые стимулы для потенциальных пользователей воды в шахтных бассейнах. Но, для нескольких крупных загрязненных шахтных бассейнов, почти достигших предела, стимулы могут стать частью стратегии по защите качества воды. В любом случае, концепция использования нежелательного товара (слишком много загрязненной воды) в качестве ресурса весьма привлекательна.
Заключительные мысли
Так как запасы пресной воды становятся все более ограниченным, энергетические компании будут искать альтернативные источники воды для расположения новых электростанций. Угольные бассейны представляют почти неиспользованный ресурс, который предлагает некоторый потенциал для использования на электростанциях и других отраслях промышленности. В настоящем документе излагаются основные сведения о ресурсах и как они могут быть использованы. Многие вопросы остаются без ответа. АНЛ планирует продолжить исследование угольных бассейнов.
Cravotta, C.A., Brady, K.B.C., Rose, A.W., and Douds, J.B., 1999, "Frequency Distribution of the pH of Coal Mine Drainage in Pennsylvania", in Morganwalp, D.W., and Buxton, eds., U.S. Geological Survey
Toxic Substances Hydrology Program — Proceedings of the Technical Meeting, Charleston, South Carolina, March 8—12, 1999: U.S. Geological Survey Water Resources Investigations Report 99—4018A.
Feeley, T.J., III, 2003, "Electric Utilities and Water: Emerging Issues and R&D Needs", presented at the Water Environment Federation’s 9th Annual Industrial Wastes Technical and Regulatory Conference, San Antonio, TX, April 13—16.
Wood, C.R., 1995, "Water Quality of Large Discharges from Mines in the Anthracite Region of Eastern Pennsylvania", Water Resources Investigations Report 95—4243, U.S. Geological Survey, Lemoyne, PA.