Утилизация низкопотенциального тепла шахтных вод – перспективное направление энергосбережения в угольной отрасли

Сложное экономическое положение, в котором сейчас находится угольная промышленность России, обусловлено рядом объективных факторов, связанных с общим состоянием экономики страны и энергетической стратегией, ориентированной на преимущественное использование газообразного и жидкого топлива. Многие страны мира уже признали уголь стратегическим топливом из-за его огромных запасов и уже сейчас ведут активные работы по повышению эффективности его добычи и использования. Недалека от этого и Россия. Нерентабельность большинства шахт, связанная с высокой себестоимостью добычи угля, большие непроизводительные расходы и сложная экологическая ситуация в этих регионах – вот основные проблемы угледобывающих предприятий.

Достаточно большая часть непроизводительных расходов любого предприятия – теплообеспечение своих объектов, поэтому использование нетрадиционных источников энергии в этой области является очень перспективным направлением в энергосбережении.

Угольная промышленность характеризуется наличием возобновляемых источников энергии, к которым относится теплота шахтных вод, вентиляционных выбросов, хозбытовых стоков и породных отвалов. Предприятиями отрасли ежегодно сбрасывается в открытые водоемы около 2,4 млрд.куб.м шахтных вод, из которых около 50% являются нейтральными и температура по некоторым доходит до 25°С. С этими водами в окружающую среду сбрасывается более 50 млн. ГДж низкопотенциальной теплоты, которая может быть при благоприятных условиях утилизирована.

Отведение грунтовых вод для предотвращения затопления шахт при добыче угля является обычной практикой. Так, в ОАО «УК «Прокопьевскуголь» каждое из 9 угледобывающих предприятий (шахт) ежегодно откачивает на поверхность и сбрасывает в естественные водоемы от 400 до 7000 тыс.куб.м шахтной воды с температурой от 10 до 16°С. С этими водами в окружающей среде рассеивается огромное количество низкопотенциальной энергии, которая может быть утилизирована. Однако ни в России, ни в мире нет опыта работы с такими технологиями.

С другой стороны, на многих шахтах существуют и с каждым годом обостряются проблемы обеспечения теплом. Старое котельное оборудование изнашивается, вследствие чего ряд предприятий испытывает большой недостаток тепловой энергии. При работе такого оборудования в зимних условиях весь объем подаваемого в шахту воздуха не подогревается до требуемой температуры, возникают аварийные остановки вентиляторов главного проветривания, которые приводят к выводу рабочих из шахты, простою шахты, потерям добычи угля. Для реконструкции существующей котельной и приобретения необходимого котельного оборудования нет достаточных финансовых средств. При этом получение тепловой энергии традиционным способом (сжиганием твердого топлива) наносит непоправимый ущерб окружающей среде и создает неблагоприятную экологическую обстановку.

Отдел энергосберегающих технологий и природоохранного оборудования института МНИИЭКО ТЭК занимается проблемой использования вторичных энергоресурсов с 1986 г. В 1988 г., впервые в СССР, разработана и внедрена технология утилизации тепла оборотной воды компрессоров на шахте «Ключевская» ПО «Кизелуголь» (Пермская область) с применением тепловых насосов. Московским заводом «Компрессор» на базе передвижной холодильной установки ПХУ-50 были изготовлены 2 машины, предназначенные для работы в режиме теплового насоса. В 1990 г. эти машины были смонтированы в здании компрессорной станции шахты «Ключевская» с целью охлаждения и утилизации теплоты оборотной воды. Испытания и процесс эксплуатации подтвердили экономическую целесообразность утилизации ранее сбрасываемого тепла и улучшение экологической обстановки на прилегающих территориях за счет снижения нагрузки на промышленные котельные. По результатам измерений, на 1 кВт-ч затраченной электроэнергии на привод теплового насоса получено 3-3,5 кВт-ч эквивалентной тепловой энергии.

В последние годы отделом энергосберегающих технологий и природоохранного оборудования института МНИИЭКО ТЭК разработана классификация вторичных энергетических ресурсов в угольной промышленности, определен возможный потенциал утилизации низкопотенциальных источников тепла, разработаны ряд технологий и оборудования. Разработана также методология поэтапной экологизации предприятий угольной промышленности путем внедрения энергоресурсосберегающих технологий, в том числе с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии и с утилизацией вторичных энергетических ресурсов, позволяющих одновременно повышать экологичность и эффективность использования энергии на предприятиях угольной отрасли. В 1994 г. был разработан рабочий проект технологического комплекса утилизации низкопотенциального тепла шахтной воды для шахты «Зенковская» АО УК «Прокопьевскуголь» с применением тепловых насосов производства фирмы «Herco KUHLTECHNIK» (Германия). Данной теплонасосной установкой мощностью 2,4 мВт предполагалось покрывать круглогодичную нагрузку ГВС и базовую нагрузку отопления. Но продолжения финансирования не последовало. Проект так и остался только на бумаге.

В 1995 г. был разработан рабочий проект применения тепловых насосов для шахты «Степановская» АО «Ростовуголь» для утилизации низкопотенциального тепла хозбытовых стоков. Однако обещанные инвестиции для внедрения проекта так и не были выделены.

Потенциальная возможность использования дешевого тепла шахтных вод, необходимость проведения исследований в этом направлении и разработки технологии были осознаны как на уровне руководства шахт и угольной компании «Прокопьевскуголь», так и на государственном уровне. В 1998 г. научно-исследовательская работа «Разработка высокоэффективной технологии и самоочищающихся аппаратов утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод» (технология утилизации тепла) включена в государственную научно-техническую программу «Экологически чистая энергетика».

Технология основана на использовании теплонасосных установок (ТНУ), позволяющих трансформировать низкотемпературную возобновляемую природную энергию до более высоких температур, пригодных для использования. При этом действующий тепловой насос непосредственно на месте его работы не дает никаких вредных выбросов в атмосферу, что особенно важно для экологически неблагоприятных регионов. В развитых зарубежных странах тепловые насосы находят широкое применение, однако в угольной промышленности России ТНУ сегодня практически не используются.

В настоящее время институтом проведены необходимые исследования и разработана технология утилизации низкопотенциального тепла шахтной воды, конструкторская документация на теплосъемное оборудование, технический и рабочий проекты на внедрение технологии применительно к шахте «5-6» УК «Прокопьевскуголь». Разработанная технология защищена рядом патентов РФ. Внедрение данной технологии на шахте «5-6» АО УК «Прокопьевскуголь» позволит получать более 25 тыс. Гкал в год экологически чистым способом за счет утилизации сбросного тепла шахтных вод.

В октябре 1999 г. рабочий проект на внедрение технологии и бизнес-план в составе необходимого пакета документов по данной технологии был направлен на конкурс в Комитет по угольной промышленности для получения инвестиций на внедрение проекта.

Учитывая огромный потенциал откачиваемых шахтных вод в масштабе страны, демонстрация эффективности технологии даст дополнительный стимул развитию применению тепловых насосов в угольной промышленности России, сократив тем самым сильное отставание от развитых стран, где тепловые насосы интенсивно вытесняют традиционные способы теплоснабжения.

В последние годы, когда проводится реструктуризация угольной промышленности, закрываются нерентабельные шахты, остро встает вопрос обеспечения теплом объектов социальной инфраструктуры. В 2000 г. разработано технико-экономическое обоснование применения тепловых насосов для утилизации тепла шахтных вод на закрывающейся шахте «Глубокая» АО «Ростовуголь», которое снова подтвердило экономическую целесообразность такого способа получения тепла. Утилизация низкопотенциального тепла шахтных вод и использование его для теплообеспечения поселков представляется экологически чистой и безопасной альтернативой традиционным источникам.

Будущее в угольной промышленности – за экологически чистыми технологиями, интенсивным использованием вторичных ресурсов для самообеспечения предприятий и повышения их рентабельности.