Совершенствование природоохранных работ в угольной промышленности

В последние годы ведутся исследования по использованию омагниченных шахтных вод для орошения, что способствует повышению растворимости солей. Вследствие этого происходит общее рассоление черноземных почв при одновременном увеличении содержания водорастворимых солей натрия. Активизация иона натрия под влиянием магнитного поля приводит к более интенсивному его внедрению в почвенный поглощающий комплекс. Растворение почвенных минералов, активизация микробиологических и биохимических процессов в почве способствуют улучшению питательного режима почвы, повышают обеспеченность растений зольными элементами, что в свою очередь ведет к росту урожайности сельскохозяйственных культур.

Заслуживает внимания опыт применения рудничных вод предприятий черной и цветной металлургии. В Южном Казахстане на руднике «Миргалимсай» 90 млн. м3 рудничных вод подается ежегодно для обеспечения питьевых и коммунально-бутовых нужд населения. Кроме того, эти воды используются для водоснабжения кирпичных заводов, автобаз, предприятий по производству серной кислоты.

В отличие от отечественной угольной промышленности в зарубежных странах широкое распространение получила практика селективной откачки шахтных вод с учетом их качества, обеспечивающая в отдельных случаях возможность их использования для хозяйственно-бытовых и питьевых нужд. Шахтные воды в Польше применяются для охлаждения машин (компрессоров, снабжающих сжатым воздухом двигатели шахтных механизмов), коммунально-бытовых нужд, пылеподавления, гидродобычи, производства пара (для приводов машин и питания паровых локомотивов), питьевых целей (после соответствующей водоподготовки), охлаждения турбин электростанций, для подпитки оборотных систем обогатительных фабрик. Изучена возможность рыбоводства в соленых шахтных водах из каменноугольных шахт в Рыбницком угольном бассейне при следующих показателях качества этих вод: в сухом остатке содержится 82--92% хлорида натрия, 1,6% хлорида калия, 1--3% хлорида кальция и 0,8--2,5% хлорида магния.

Угольная промышленность Германии объединяет не только шахты, разрезы, обогатительные фабрики, но и коксохимические заводы, электростанции, а иногда заводы по переработке угля, в связи с чем область применения шахтных вод более широкая. Практикуется каскадное использование охлаждающей воды от установок кондиционирования шахтного воздуха и электростанций на нужды обогатительных фабрик, а затем -- коксовальных установок. Для тушения кокса на коксохимических заводах, охлаждения шлака на электростанциях используются как шахтные, так и хозяйственно-бытовые сточные воды, прошедшие механическую очистку.

В США (штат Пенсильвания) накоплен положительный опыт использования воды из затопленных шахт для отопления и охлаждения зданий. При этом обеспечивается экономия 25--60% средств, затрачиваемых на обычный обогрев и охлаждение. Кислая шахтная вода используется для обогащения угля методом отсадки. В Западном угольном бассейне (штат Кентукки) осуществляется повторное использование очищенных шахтных вод для ускорения и улучшения рекультивации породных отвалов.

В бывшей ГДР сточные воды угольной промышленности использовались на заводах гидрирования, газовых, коксовых и полукоксовых заводах и для сельскохозяйственного орошения. Для питьевых нужд предусматривалось использование карьерных вод с солесодержанием до 2 г/л после очистки от железа, углекислого газа и нормализации рН.

В Боршодском угольном бассейне (Венгрия) применяется селективная откачка шахтных вод, позволяющая использовать их после очистки для питьевых нужд населения, а также после накопления в оставленных выработках -- для нужд промышленности и сельского хозяйства. В Южной Африке (Трансвааль и Натале) кислые шахтные воды после нейтрализации известью используются для хозяйственно-бытового водоснабжения и для орошения сельскохозяйственных угодий.

В условиях хозрасчета и перехода к рыночным отношениям отечественным предприятиям угольной промышленности необходимо внедрять зарубежный опыт использования шахтной воды.



3. ОЧИСТКА МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ШАХТНЫХ ВОД

3.1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ

Годовой объем минерализованных шахтных и карьерных вод составляет около 1,4 млрд. м³. Минерализованные воды сбрасывают 336 предприятий угольной промышленности. По солесодержанию они распределяются следующим образом: 1-2 г/л -- 608 млн. м³; 2-7 г/л --764,8 млн. м³; 7-20 г/л -- 14,8 млн. м³; более 20 г/л -- 12,4 млн. м³.

Можно выделить две основные группы шахтных вод -- хлоридно-натриевые, имеющие, как правило, солесодержание свыше 7 г/л (3,3%) и сульфатно-хлоридно-натриевые воды с различными соотношениями сульфата и хлорида натрия, имеющих солесодержание до 7 г/л (96,5%). Каждая из этих групп требует особой технологии обработки.

Для устранения вредного влияния минерализованных сточных вод на природные водоемы на практике применяется ряд мер, в том числе строительство прудов-накопителей и прудов-испарителей, регулируемый сброс в водотоки, максимальное использование на производственные нужды предприятий угольной и других отраслей промышленности, а также в сельском хозяйстве. Однако применяемые методы недостаточно эффективны. Радикальное решение проблемы обезвреживания минерализованных вод, особенно с солесодержанием свыше 2--3 г/л, заключается в строительстве деминерализационных установок с комплексной переработкой образующихся рассолов на товарные солепродукты. На основании изучения мирового опыта и выполнения научно-исследовательских работ определены основные способы деминерализации и область их применения: электродиализ -- солесодержание 2--7 г/л (96,5% объема минерализованных вод), обратный осмос -- 7--20 г/л (2%), дистилляция -- более 20 г/л (1,5%).

В 1988 г. ВНИИОСуголь разработана комплексная программа работ по созданию и освоению технологий и оборудования для деминирализации шахтных вод на 1989--1995 гг. Программой предусмотрены:

- создание нормализованного ряда электродиализных установок производительностью 50--100 м³/ч и мембран нового уровня с улучшенными электрохимическими свойствами и заряд-селективных мембран;

- разработка нормализованного ряда комплектных энергоэкономических установок для концентрирования и переработки рассолов;

- проведение исследований по применению дистилляционных опреснителей нового типа -- горизонтально-трубчатых пленочных испарительных аппаратов (ГТПА), увязке с узлом концентрирования и переработки технологии опреснения с их применением.

Специфика технологии деминерализации шахтных вод в отличие от известных технических решений получения пресной воды заключается в необходимости их комплексной переработки с получением товарных продуктов, продуктов, подлежащих дальнейшей утилизации или подготовленных к захоронению. Это диктуется в первую очередь экологическими требованиями. Сдерживающим фактором при внедрении станций деминерализации является их высокая стоимость и значительные эксплуатационные затраты.

3.2 ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА ВОДЫ ПЕРЕД ОПРЕСНЕНИЕМ

Предварительная подготовка воды перед опреснением может осуществляться различными методами (реагентным, ионного обмена и др.) и заключается в удалении взвешенных частиц и тех ионов, которые снижают эффективность выбранного метода опреснения. Указанные методы могут использоваться и как самостоятельные в случае очистки маломинерализованных шахтных вод от сульфатов, нитратов и других примесей перед их сбросом в водоемы или использованием.

Перед деминерализацией важно удалить катионы жесткости из-за накипи, образующейся на внутренней поверхности аппаратов, которая снижает теплопередачу и ведет к закупориванию трубопроводов. При электродиализе существуют два технологических барьера -- присутствие карбонат- и сульфат-ионов из-за отложений на мембранах. Особую опасность представляют железо и марганец из-за осаждения соответствующих гидроксидов. Поэтому концентрация железа не должна превышать 0,1 мг/л. Для предотвращения биологического обрастания мембран необходимо поддерживать остаточную концентрацию хлора в воде 0,3-0,5 мг/л. Содержание взвешенных веществ не должно превышать 1,5 мг/л.

Реагентные методы обработки воды, широко применяемые в настоящее время в практике водоподготовки, заключаются в корректировке состава и рН обрабатываемой воды таким образом, чтобы удалить ионы кальция и магния. Однако лучшие результаты по остаточным концентрациям этих ионов (до 1 мг-экв/л) часто оказываются недостаточными. Наиболее эффективным считается введение фосфат-ионов, что дает возможность снизить концентрацию кальция и магния до 0,06 мг-экв/л.

Предложен способ очистки сточных вод от сульфат-ионов реагентной обработкой, который заключается в том, что к обрабатываемой воде добавляют известь до рН=11,2--11,7 и при рН-статировании и интенсивном перемешивании вводят AI₂O₃, содержащий реагент. (AI₂O₃, алюминат кальция, глинозем и др.), в результате чего происходит образование кристаллов алюминатсульфата кальция.

Особую группу методов водоподготовки представляют электрохимические методы. Наиболее известным и широко применяемым методом является электрокоагуляция, однако для предварительной подготовки шахтной воды перед деминерализацией наибольший интерес представляет электролиз. Было исследовано влияние основных факторов (плотности тока, химического состава, удельного расхода воды) на общую жесткость, рН и концентрацию активного хлора в отработанной воде. Исследования показали, что обработка воды при плотности тока 6,1-6,9 А/дм² позволяет достигнуть рН 12,3--12,6 и снизить жесткость католита до 0,06--0,09 мг-экв/л. Затраты электроэнергии при этом составляют 60--72 кВт*ч/м³.

Таким образом, анализ отечественных и зарубежных научно-технических достижений показывает, что для предварительной подготовки шахтных вод перед опреснением могут быть использованы известные методы реагентной обработки, ионного обмена и электрохимические методы. Однако применение их в каждом конкретном случае должно производиться с учетом особенностей физико-химического состава и требований охраны окружающей среды.

3.3 ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕСНЕНИЯ

В настоящее время наиболее распространенным методом опреснения вод с солесодержанием более 7 г/л следует считать термический, обеспечивающий получение опресненной воды и концентрата с солесодержанием 150--180 г/л, который может быть переработан в товарные солепродукты.

Выпарные установки широко применяются для опреснения морской воды с целью получения питьевой воды и высококачественного дистиллята, для концентрирования растворов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности.

Впервые в отечественной практике опреснение минерализованных шахтных вод осуществлено в 1971 г. на адиабатной опытно-промышленной установке на шахте «Терновская» ПО "Павлоградуголь" производительностью 24 м³/сутки. Установка представляет собой четырехступенчатый агрегат с предварительным нагревом рассола вторичными парами и последующим нагревом его паром (t=115°) при расходе 350 кг/ч. Выход дистиллята составляет 800 кг/ч.

В настоящее время завершена реконструкция этой опытной установки, где предусмотрен дополнительный узел утилизации сбросных рассолов хлоридно-натриевого типа.

Учитывая накопленный опыт применения опреснительных установок в нашей стране и за рубежом, а также положительные результаты исследований по утилизации рассолов, образующихся при термической деминерализации шахтных вод хлоридно-натриевого типа, разработана технология для головной промышленной установки на шахте «Красноармейская-Западная» № 1 ПО «Красноармейскуголь» по безотходной термической деминерализации шахтных вод производительностью 7200 м³/сутки.

Технологическая схема установки включает в себя очистку шахтных вод от взвешенных веществ с солесодержанием 30 г/дм³, подкисление соляной кислотой и декарбонизацию, подогрев в системе подогревателей, меловую заправку и опреснение в 10-корпусной прямоточной испарительной установке. Образующийся при испарении водяной пар конденсируется и в виде дистиллята направляется потребителю, а рассол подается на кристаллизацию хлорида натрия в выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора. Годовой выход продуктов: дистиллята 2,2 млн. м³, хлорида натрия 45 тыс. т, хлорида кальция 5 тыс. т, оксида магния 560 т, мела и гипса 1,5 тыс. т.

В реализации и усовершенствовании дистилляционного метода основные усилия направлены на повышение эффективности различных типов выпарных аппаратов и снижение тепловых затрат за счет использования вторичного тепла и дешевой тепловой энергии, вырабатываемой атомными электростанциями. Анализ современных тенденций в технологии опреснения морской воды показывает, что многостадийные испарители с вертикальными трубами работают надежнее других и более предпочтительны в отношении предотвращения образования накипи. Испарители мгновенного вскипания наиболее эффективны для высоких производительностей. Интенсивно развиваются методы дистилляции, основанные на применении пленочных испарителей в восходящем и нисходящем потоках, а также горизонтально-трубчатых пленочных испарителей. Сжатие пара, использование тепла вторичного пара применяется в условиях ограниченных ресурсов тепловой энергии для средних и малых установок.

Важной проблемой при дистилляционном методе опреснения минерализованных вод является необходимость предотвращения отложений сульфата кальция (сульфатной накипи) на поверхности теплообмена выпарных аппаратов. Методы борьбы с накипеобразование по принципу их воздействия на пересыщение можно разделить на 2 группы.

Первая группа -- методы, не допускающие кристаллизацию вещества, предупреждающие возникновение пересыщения или ограничивающие его в пристенном слое аппаратуры метастабильной зоной, в которой невозможно гомогенное зародышеобразование. Это - ионообменная и химическая очистки растворов, определенные режимные методы проведения технологических процессов: концентрационные, температурные, тепловые (пузырьковое кипение, конвективный теплообмен, пленочное испарение), гидродинамические (турбулентный, ламинарный), ввод ПАВ, тормозящих зародышеобразование, методы специальной обработки или подбора материала поверхности аппаратуры, улучшающие ее микрогеометрию, коррозионное состояние, придающие свойство гидрофобности и, таким образом, воздействующие на пристенный пограничный слой. Вторая группа -- методы проведения технологических процессов в условиях кристаллизации накипеобразующих веществ. Образующая при этом твердая фаза действует как затравка и определяет многие особенности этапов процесса кристаллизации: возникновение пресыщения, зародышеобразования, роста кристаллов. К методам 2-й группы относятся ввод специально получаемых затравочных кристаллов, электромагнитная и УЗ-обработка растворов, ввод ПАВ, сдвигающих процесс кристаллизации в сторону зародышеобразования и роста кристаллов, изменения их формы.

3.4 МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕСНЕНИЯ

Высокие технико-экономические показатели мембранных методов опреснения (электродиализа и обратного осмоса) вызвали в последние годы их бурное развитие. По ориентировочным данным при опреснении солоноватых вод капитальные затраты и себестоимость опреснения электродиализом соответственно в 6,9 и в 6,3, а обратным осмосом в 5,9 и в 4,6 раза меньше, чем при дистилляции.

В прогнозах развития мировой экономики мембранные технологии характеризуются как технологии будущего. Объем использования мембранных технологий в экономически развитых странах возрастая ежегодно на 20--25%.

Применение метода обратного осмоса, обеспечивающего одновременную очистку воды от органических, неорганических и бактериальных загрязнений, в настоящее время в нашей стране сдерживается из-за отсутствия обратноосмотических установок опреснения-концентрирования большой производительности, а также недостаточной термо- и химостойкости обратноосмотических полимерных мембран.

Наиболее крупные обратноосмотические установки построены в местах с засушливым климатом; самая большая из них эксплуатируется в США для обессоливания воды реки Колорадо в одну ступень с 2,4 г/л до 0,3 г/л. Установка укомплектована элементами рулонного типа производства фирм UOP и Hydronatics (США). Мощность ее -300 тыс. м³/сут (планируется увеличить до 700 тыс. м³/сут.). Образующийся концентрат захоранивается в подземные горизонты. В число ведущих стран в развитии обратноосмотического метода опреснения кроме США входят также Япония и ФРГ.

Другой мембранный метод опреснения -- электродиализ -- основан на явлении переноса диссоциированных ионов растворенных в воде соединений через полупроницаемые ионоселективные мембраны под действием постоянного электрического тока. Преимущества этого метода заключаются в простоте аппаратуры, сравнительно легкой автоматизации, малой энергоемкости, экономичности, резком снижении потребления химических реагентов и возможности осуществления процесса в режиме опреснения-концентрирования. Отечественные серийные электродиализные аппараты (табл. 10) и комплектуемые на 1 основе на Алма-Атинском электромеханическом заводе (АЭМЗ) и в ПО «Тамбовмаш» электродиализные установки имеют низкую производительность. Самый крупный электродиализатор ЭДА-1500х1000 производительностью до 70 м³/ч имеет 300 рабочих ячеек, три электрода из платинированного титана (один электрод промежуточный), широкоформатные мембраны -- 992x1492 мм (сварены из двух стандартных мембран), корпусные рамки из полиэтилена толщиной 1,2 мм, максимально допускаемое напряжение -- 500 В, съем соли за один проход -- 30%. В процессе его испытаний было выявлено, что потоки между камерами аппарата распределяются неравномерно, имеются перетоки. Кроме того, аппарат обладает рядом недостатков: ограниченные возможности для опреснения -- концентрирования (низкий солесъем и низкая концентрация рассола), нетехнологичность изготовления, недопустимость повышения рабочих температур, использование нестандартных мембран и т. д. По этим причинам они не могут быть использованы в составе комплектных электродиализных установок опреснения -- концентрирования шахтных вод.

Современные электродиализные установки с целью повышения надежности работы снабжаются системой переполюсовки электродов и переключения трактов. Фирма «Айоникс» (США) разработала высоконадёжные клапаны переключения трактов и автоматизировала электродиализные установки. В 1976 г. эта фирма построила самую крупную опреснительную установку на острове Корфу в Греции производительностью 15000 м³/сут. Установка работает без химических реагентов и имеет следующие характеристики: производительность по исходной воде 21500 м³/сут., концентрация солей в исходной воде 1400 мг/л, концентрация солей в пресной воде 500 мг/л, извлечение солей до 65%, выход пресной воды 75%, расход электроэнергии 2,1 кВт*ч/м³. При переключении полярности электродов 3--4 раза в час с поверхности ионообменных мембран почти все отложения удаляются и выводятся из системы со сливом.

В последние годы в нашей стране и за рубежом начаты работы по использованию биполярных мембран, что позволит получать растворы кислоты и щелочи из рассолов и тем самым снизить, а в некоторых случаях совсем исключить расход привозных реагентов на предподготовку исходной воды. Развитие этого типа электродиализа в нашей стране сдерживается отсутствием серийного выпуска мембран типа МБ-3 и специальных электродиализных аппаратов.



3.5 ПЕРЕРАБОТКА КОНЦЕНТРАТОВ ОПРЕСНЕНИЯ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД СУЛЬФАТНО-ХЛОРИДНО-НАТРИЕВОГО ТИПА

При опреснении шахтных вод сульфатно-хлоридно-натриевого типа (96,5% минерализованных шахтных вод) образуются рассолы (концентраты), обезвреживание которых может быть решено захоронением, переработкой в товарные солепродукты или сухие соли, направляемые на захоронение. В нашей стране и за рубежом практически отсутствуют сведения по обезвреживанию концентратов опреснения этого типа вод на предприятиях угольной промышленности. При рассмотрении данной проблемы приходится ориентироваться на опыт утилизации аналогичных рассолов в химической и других отраслях промышленности.

Известны три альтернативных решения: глубокое концентрирование и сброс упаренных рассолов в соленакопители или закачка их в глубокие подземные горизонты; глубокое концентрирование и обезвоживание их до сухих смешанных солей методом сушки с последующим захоронением в солемогильниках; раздельное выделение солей с получением товарных продуктов, отвечающих требованиям ГОСТов.

Закачка минерализованных стоков в глубокие горизонты возможна при наличии соответствующих геологических условий. Однако в большинстве районов расположения шахт и разрезов в настоящий момент горизонты для приема стоков не обнаружены.

Выделение из рассолов смеси солей -- наиболее простой вариант с технологической точки зрения, но реализация смешанной соли затруднена из-за отсутствия потребителей. В связи с этим встает вопрос о их захоронении, что является дорогостоящим мероприятием, значительно увеличивающим себестоимость угля.

Раздельное выделение солей товарного качества, соответствующего требованиям ГОСТов, позволяет не только ликвидировать их вредное воздействие на природу, но и частично снизить затраты на обезвреживание рассолов за счет реализации получаемых продуктов, таких как декагидрат сульфата натрия (мерабилит Na₂SO₄*10H₂O), сульфат натрия технический (тенардит Na₂S0₄), хлорид натрия технический (галит NaCl).

Сырьем для производства хлористого натрия в ряде случаев являются рассолы, получаемые подземным выщелачиванием каменной соли. Промышленное производство выварочной соли освоено на Славенском солевыварочном комбинате и Аванском солекомбинате. Получаемый при этом хлорид натрия соответствует ГОСТу на соль «экстра». Рассол, образующийся после выделения и обезвоживания выварочной соли, содержит 3,6--5% сульфата натрия и направляется на стадию очистки от сульфат-иона. Для очистки применяется реагентный хлор-кальциевый метод с выделением сульфат-иона в виде гипса CaS04*2H20, который подлежит захоронению. Очищенный рассол хлорида натрия (24,5%) возвращается на стадию выпарки.

Большинство ведущих стран-производителей сульфата натрия используют для его получения как природное, так и вторичное сырье в виде рассолов различного состава. В зависимости от состава, физико-химических свойств перерабатываемых рассолов и получаемых продуктов применяются различные методы их переработки.

Для ускорения практического решения вопроса деминерализации шахтных вод с солесодержанием 7--20 г/л в 1991--1992 гг. предусмотрено строительство головной промышленной установки с обратноосмотическим узлом опреснения на шахте «Октябрьская-Южная» ПО «Ростовуголь» производительностью 7200 м³/сутки. Технология разработана фирмой «Пройсаг» (ФРГ) и отделом деминерализации шахтных вод института ВНИИОСуголь. Комплекс включает узел реагентной обработки воды с целью удаления взвешенных веществ и умягчения, отстаивание в радиальном осветлителе, фильтрование на скорых напорных фильтрах, двухступенчатое опреснение обратным осмосом с получением пресной воды и концентрата, переработку концентрата выпариванием и низкотемпературной кристаллизацией с получением товарных солей. Выход товарных продуктов: опресненной воды 295 т/ч; сульфата натрия 850 кг/ч (99,5%); хлорида натрия 330 кг/ч (99,5%).

Для концентрирования сульфатно-хлоридных растворов до 100-- 120 г/л многие зарубежные фирмы используют выпарные аппараты пленочного типа с турбокомпрессией вторичных паров.

Для концентрирования сульфатно-хлоридных растворов до минерализации выше 100--120 г/л с выделением кристаллических солей в промышленной практике как в СНГ, так и за рубежом применяются циркуляционные выпарные аппараты с вынесенной камерой нагрева. Однако разработанный к настоящему времени ряд серийных аппаратов Укрниихиммаша и Свердловниихиммаша превышает по производительностям требуемые для деминерализационных установок шахтных вод. Кроме того, уменьшение типоразмера и опыт эксплуатации выявил необходимость их конструкторской доработки и последующих испытаний в реальных условиях.

3.6 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ ШАХТНЫХ ВОД

Анализ информационных материалов, современного уровня техники опреснения и результатов проведенных исследований позволил определить основные направления решения проблемы деминерализации шахтных вод, включая переработку концентратов опреснения в товарные солепродукты.

Минерализованные шахтные воды хлоридно-натриевого типа с солесодержанием более 7 г/л в ближайшее время целесообразно опреснять термическим (дистилляционным) методом. Базовая технология разработана институтом ВНИИОСуголь при участии ряда научно-исследовательских и проектных организаций (Свердловниихиммаш, ВНИИВОДГЕО, Днепрогипрошахт). Дальнейшее совершенствование технологических схем на базе дистилляционных методов опреснения основано на использовании аппаратов горизонтально-трубчатого типа, низкопотенциального тепла и вторичного пара, а также комбинированной выработки дистиллята, электрической и тепловой энергии.

Большая часть минерализованных шахтных вод с солесодержанием 2--7 г/л должна опресняться электролизом и обратным осмосом. Сложность создания деминерализованных установок для предприятий отрасли на основе применения современной мембранной технологии обусловлена отсутствием промышленного выпуска электродиализных и обратноосмотических установок большей производительности, обеспечивающих получение на выходе концентрированных сбросных рассолов. Необходимы также установки и оборудование для переработки сбросных рассолов опреснения на товарные солепродукты.

С целью частичного покрытия расходов на деминерализацию шахтных и карьерных вод предполагается там, где это целесообразно, осуществить выделение из них или рассолов опреснения редких и рассеяных элементов.

В качестве альтернативных вариантов переработки концентратов опреснения будут прорабатываться вопросы их закачки в подземные горизонты и складирования в пруды-испарители, а также переработки в смесь солей с обработкой водорастворимыми добавками и последующим ее захоронением.

Необходимо отметить, что угольная промышленность не имеет подготовленных квалифицированных кадров и опыта проектирования строительства и эксплуатации станций деминерализации. Для ликвидации имеющегося отставания необходимо провести в отрасли ряд организационно-технических мероприятий: расширить исследовательские, конструкторско-технологические и проектные подразделения, обеспечить их вычислительной техникой и экспериментальной базой, укомплектовать квалифицированными кадрами соответствующих специальностей, создать необходимые мощности для выпуска отдельных видов оборудования, организовать пусконаладочные подразделения для освоения промышленных деминерализационных установок и центры подготовки специалистов для их обслуживания.



4. ОХРАНА АТМОСФЕРЫ

Охрана атмосферного воздуха неразрывно связана с разработкой новых перспективных методов и средств борьбы с загрязнением воздушного бассейна, таких как пылеподавление, пылегазоочистка, совершенствование технологического оборудования, контроль за выбросами в атмосферу.

В настоящее время в отрасли 24,7 тыс. источников загрязнения атмосферного воздуха, из которых 9,4 тыс. (38%) оборудованы очистными сооружениями.

На пылегазоочистных сооружениях улавливается и обезвреживается свыше 3,9 млн. т вредных веществ (доля улавливания 73,6%).

Основными процессами на предприятиях отрасли, загрязняющими воздушный бассейн, являются погрузочно-разгрузочные работы и сжигание топлива в котельных установках.

Для борьбы с пылью при погрузочно-разгрузочных работах на разрезах используются гидроорошение, механические устройства и аппараты для пылеподавления (укрытия, оснащенные аспирацией, и ограждения), физико-химические методы (пена, искусственный снег, пылесвязующие вещества, смачиватели и т.п.).

Основными направлениями снижения выбросов загрязняющих атмосферу веществ при сжигании топлива в котельных установках и работе аспирационных систем являются совершенствование пылегазоочистного оборудования и технологии сжигания топлива, создание нового технологического оборудования (топок, горелок), перевод действующих котлов на сжигание высокозольных топлив, газификация угля и т.п., внедрение систем автоматического контроля за выбросами.



4.1 ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЕ ПРИ ПОГРУЗОЧНО-РАЗГРУЗОЧНЫХ РАБОТАХ НА РАЗРЕЗАХ

При проведении погрузочно-разгрузочных работ на разрезах во время транспортировки, пересыпки угля с конвейера на конвейер, а также при сдувании угля с открытых складов происходит интенсивное пылеобразование.

Гидроорошение. Система пневмогидроорошения (ПГО) для предотвращения пылеобразования или пылеподавления может быть применена как водовоздушная завеса на узлах пересыпки сыпучих материалов.

Применение системы ПГО при пылеподавлении в местах перегрузки угля с конвейера на конвейер не всегда эффективно, так как при длительных остановках конвейерных линий уголь или, если порожний конвейер, конвейерная лента переувлажняются, что приводит к пробуксовке и преждевременному износу конвейерной ленты.

Применение ПГО требует больших расходов воды, которая оказывает влияние на влагосодержащие угля, что нежелательно. Чрезмерное использование воды может привести к слипаемости угольной ныли, прилипанию ее к ситам, что ведет к их засорению. В жаркое время года вода очень быстро испаряется и эффект предотвращения пыления будет краткосрочным.

Поэтому, несмотря на относительную простоту и достаточно высокую эффективность, способ гидроорошения не сможет найти широкого применения на разрезах в районах с преобладанием отрицательных температур воздуха и с ограниченностью водных ресурсов.

Аспирационные укрытия и ограждения узлов перегрузки позволяют локализовать источники пыления, проанализировать состав воздуха и его запыленность с последующей его очисткой. Существует множество конструкций подобного назначения.

Применение аспирационных укрытий в угольной промышленности влечет за собой ряд нежелательных последствий: в самих укрытиях и отводящих газоходах создаются повышенные, а порой взрывоопасные концентрации угольной пыли; наблюдается значительный абразивный износ воздуховодов, возникают сложности с дальнейшей утилизацией уловленной пыли.

Кроме того, при хранении угля в открытых складах невозможно сооружение укрытий, оснащенных системами аспирации. Предотвращение сдувания пыли с открытых штабелей угля необходимо осуществлять с помощью специальных ограждений.

Проблему предотвращения уноса пыли с больших поверхностей угля на разрезах без значительного повышения его влагосодержания частично может решить сооружением ветрозащитных барьеров.

Физико-химические методы. Возможным путем снижения пылеобразования, а также очистки воздуха от взвешенной пыли на разрезах является использование воды в твердом агрегатном состоянии в виде снега и мелких ледяных кристаллов.

Малый объемный вес снега, большая площадь поверхности, определяющая высокую пылеемкость, отсутствие смерзания материала, коррозии металлических частей оборудования и дополнительного загрязнения окружающей среды являются достоинствами метода пылеподавления при низких температурах воздуха. Одним из перспективных направлений борьбы с пылью является пылеподавление с помощью воздушно-механической пены.

Однако применение пенного способа для борьбы с пылью в настоящее время сдерживается рядом технических и технологических при чин, затрудняющих широкое внедрение способа в угольную промышленность.



4.2 ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЕ ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА В КОТЛОАГРЕГАТАХ И РАБОТЕ СИСТЕМ АСПИРАЦИИ

В отрасли разработана комплексная программа охраны атмосферы, включающая рекомендации по техническим решениям с учетом особенностей источников выбросов и эффективности пылеулавливающего оборудования: котельные -- циклонами, сушильные установки обогатительных фабрик -- двух- и трехступенчатыми системами сухого и мокрого пылеулавливания.

Разработан и осваивается параметрический ряд пылеуловителей типа ПЦ производительностью от 5 до 40 тыс. м³/час.

По техническим характеристикам отечественные аппараты (МПР-75, МПР-СОО и батарейные циклоны БЦУ-М, ПБЦ) могут обеспечить очистку до 95--98 %, что соответствует лучшим зарубежным образцам.

Значительное снижение суммарных выбросов пыли достигается за счет эффективного улавливания крупнодисперсных твердых взвешенных частиц диаметром более 10 мкм в аппаратах сухой очистки. Мелкодисперсные твердые взвешенные частицы диаметром менее 10 мкм улавливать сложнее, поэтому проблеме улавливания таких частиц в последнее время уделяется особое внимание. При этом сохраняется тенденция более широкого применения газоочистного оборудования сухого типа, имеющего известные преимущества перед оборудованием мокрого типа аналогичного назначения. Этому способствуют работы по улучшению конструкций, режимов эксплуатации и экономических показателей таких распространенных аппаратов, как рукавные фильтры.

При пропускании запыленного газа через тканевый фильтр пыль собирается на материале, а очищенный воздух проходит через него.

Различают три температурных уровня работы фильтровальных материалов: 121--204°С; 204,4--260°С; 260--815,6°С.

Для очистки горячих и агрессивных газов в промышленных системах в качестве фильтрующей среды рекомендуется использовать материалы на основе синтетических минеральных или натуральных волокон.

При выборе фильтровального материала помимо теплостойкости необходимо учитывать коррозионное воздействие газа на ткань. Как правило, плотность фильтровальной ткани в рукавных фильтрах, работающих при высоких температурах, должна быть больше, чем в фильтрах, работающих при температуре окружающей среды. Это объясняется тем, что чем выше плотность газоносителя, тем легче осуществляется его очистка рукавными фильтрами; плотность газов с повышением температуры уменьшается и при использовании более плотной ткани требуются меньшие эксплуатационные затраты.

В последние годы разработаны и рекомендованы к промышленному применению гидродинамические пылеуловители пенного типа.

Принцип их работы основан на фильтрации запыленного воздуха через слой высокотурбулизованной пены, образующейся на газораспределительной решетке. Пылеуловитель обеспечивает высокую степень очистки (99,1--99,96%) и может очищать выбросы с различными параметрами запыленности и температуры.

4.3 ГАЗООЧИСТКА НА КОТЕЛЬНЫХ И ТЭЦ

Очистка дымовых газов от оксидов серы и азота. Основными источниками загрязнения атмосферы являются котельные и ТЭЦ, на которые приходится 70% (960 тыс. т) всего количества выбросов. Из 4 тыс. котельных около 50% имеют производительность от 1 до 10 т пара в час.

Источники и характеристика выбросов представлены в табл. 11.



Превышение максимальных приземных концентраций без учета фонового загрязнения для диоксида серы наблюдается на 120 источниках, для оксидов азота -- на 81.

Одним из путей снижения выбросов загрязняющих атмосферу веществ является очистка дымовых газов.

Всего известно около 200 способов удаления диоксида серы, промышленное использование нашли лишь 25.

Один из наиболее распространенных и освоенных методов -- известняковый, основанный на связывании диоксида серы суспензией известняка с получением гипса. В ФРГ 75% энергоустановок, в США 50% работают по данному методу.

В настоящее время ведутся работы по совершенствованию аппаратурного оформления, доведению до кондиции отходов и их использованию.

Надежную длительную эксплуатацию установок, работающих по мокрому способу очистки, обеспечивает защита внутренних поверхностей оборудования гуммированием или применение части оборудования в коррозионном исполнении.

За рубежом работа всех современных сероулавливающих установок практически полностью автоматизирована. Это гарантирует поддержание параметров установки в заданном диапазоне, что исключает зарастание абсорбера и суспензионных трубопроводов солевыми отложениями.

Наряду с известняком в качестве реагента может быть применена известь.

Промышленные установки для сероочистки дымовых газов в стране серийно не выпускаются. Не производится серийно и основное оборудование, предназначенное для работы в условиях воздействия коррозионной и абразивной сред.

В последнее время за рубежом широкое распространение получил метод сухой абсорбции, сущность которого заключается в диспергировании в потоке горячих топочных газов водного раствора щелочного поглотителя, взятого в таком количестве, чтобы вся содержащаяся в растворе вода полностью испарилась. Образующийся продукт реакции вместе с золой отделяется в фильтрах. Этот метод отличается меньшим количеством отходов, причем в сухом виде, не требует дополнительного оборудования, что снижает монтажную стоимость и площадь территории, занятой под установку. Применение метода сухой абсорбции оправдано только для дымовых газов с исходным содержанием диоксида серы 1--2 г/м3. Для достижения высокой степени очистки (90%) следует подавать большой избыток сорбента. Степень использования сорбента при этом не превышает 30%. Для успешной эксплуатации требуется достаточно сложная и надежная система автоматизации.

Прогрессивным методом для сероулавливания является использование щелочных свойств летучей золы топлива или щелочных отходов других производств.

Сокращение выбросов оксидов азота может осуществляться специальной организацией процесса сгорания топлива и очисткой дымовых газов от оксидов азота. Усовершенствование технологии сжигания топлива позволяет снизить содержание оксидов азота на 10--40%. Это целесообразно проводить в котельных, работающих на жидком и газообразном топливе или сжигающих угольную пыль.

Основными методами очистки дымовых газов от оксидов азота являются селективные каталитическое и некаталитическое высокотемпературное восстановление аммиаком.

Япония является единственной страной в мире, где осуществляется промышленная эксплуатация денитрификации уходящих газов. В I настоящее время в Японии очистные установки позволяют удалить 80% оксидов азота, а в ближайшие годы предполагается увеличить степень их удаления до 90%.

В угольной промышленности котельные оборудованы в основном котлоагрегатами производительностью не более 25 т пара в час. Сокращение выбросов оксидов азота путем газоочистки на таких котельных нецелесообразно. Использование газоочистных установок от оксидов I дзота возможно для ТЭЦ, оснащенных котлоагрегатами производительностью не менее 75 т пара в час.

В последнее время наблюдается тенденция развития методов одновременной очистки дымовых газов от оксидов серы и азота.

Большой интерес вызывает способ очистки дымовых газов от оксидов серы и азота с применением аммиака и облучения потока очищаемого газа пучком электронов, разрабатываемый фирмой «Эбара» (Япония). Способ обеспечивает эффективность улавливания оксидов серы и азота до 90%, а получаемые при этом сульфат и нитрат аммония могут быть использованы в качестве удобрений.

За рубежом разработаны пылеугольные горелки с пониженным выходом оксидов азота и серы.

Разработана конструкция вращающейся печи для сжигания газообразного, жидкого или твердого топлива. Данная печь обеспечивает I полное сгорание топлива и минимальные потери тепла. Снижение содержания в дымовых газах диоксида серы достигается подачей в печь высокодисперсных известняка или извести. Постадийная подача воздуxa, частичная рециркуляция дымовых газов позволяют снизить содержание оксидов азота в дымовых газах.

Одним из наиболее перспективных и удобных для применения в малой энергетике является способ сжигания твердого топлива в низко-температурном кипящем слое (НТКС), при этом многие авторы утверждают, что псевдоожиженный слой позволяет уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу.

Для снижения выбросов диоксида серы в кипящий слой вводят известняк, известь или доломит. При использовании доломитизированного известняка диоксида серы выделяется на 40% меньше, чем при использовании известняка. Эффективность от введения известняка возрастает с увеличением его дисперсности, однако при этом растет унос. Повышение эффективности очистки взаимосвязано с низкой степенью утилизации сорбента.

Известны десятки способов очистки дымовых газов от сернистого ангидрида, которые, в основном, сводятся к восстановлению окислов азота на блочном твердом катализаторе в виде «сот» (процесс СКР).

В мировой практике (Германия, США, Япония) для очистки дымовых газов от окислов серы широко используется комбинированный метод (процесс СКР с мокрым известняковым способом) с получением гипса. Однако известняковый метод, несмотря на кажущуюся простоту процесса, имеет ряд серьезных недостатков, главными из которых являются большие объемы циркулирующей коррозионной активной жидкости, образование сточных вод, шламов и нетоварного гипса, что характерно при нейтрализации газов от сжигания бурых углей или углей с соединениями мышьяка и тяжелых металлов.

Каталитический метод, выгодно отличающийся от рассмотренных, разработан фирмой «Халдор Топсе А/О» (Дания). Катализатор и технология очистки дымовых газов от окислов азота аналогичны процессу СКР, однако очистка от окислов серы производится в газовой фазе путем каталитического окисления диоксида серы до триоксида с дальнейшим получением товарной серной кислоты.

Технология позволяет осуществлять четыре основных процесса газоочистки:

каталитическое сжигание растворителей и других горючих веществ, содержащихся в воздухе и отходящих газах (КАТОКС);

каталитическая десульфация промышленных отходящих газов (ВСА). Сера извлекается в виде концентрированной серной кислоты, при этом не создается новых источников загрязнения;

удаление окислов азота из дымовых газов и других промышленных отходящих газов (ДЕНОКС). Окислы азота извлекаются селективно с помощью аммиака на катализаторе «Топсе»;

процесс, сочетающий технологии ВСА и ДЕНОКС.

Применительно к экологическим проблемам на территории СНГ предпочтительным является Процесс СНОКС, обеспечивающий одновременную очистку от диоксида серы на 95--96% и от оксидов азота -- около 90%. Важным является и то, что с увеличением содержания серы в дымовых газах уменьшаются эксплуатационные расходы.

Для широкого внедрения данной технологии в СНГ и за рубежом с участием фирмы «Халдор Топсе» организовано СП «Вита СТ» для производства, сбыта, монтажа и эксплуатации указанных установок.

Перспективным способом снижения выбросов котлов высокой пари производительности могла бы служить газификация угля.

В Германии разработана технология, позволяющая осуществлять газификацию углей практически любого состава и практически полностью ликвидировать выбросы соединений серы и пыли, а также значительно снизить выбросы оксидов азота.

Совершенствование технологии сжигания топлива в котельных установках. Применяющиеся в настоящее время топочные устройства для сжигания угля в котлах паропроизводительностью от 4 до 25 т пара в час снабжены слоевыми топками. Сжигание рядовых углей с высокой зольностью и большим содержанием мелких фракций в серийных топочных устройствах затруднительно, КПД котельных установок нередко составляет 60--65% и обеспечить паспортную производительность котла практически невозможно. Это обстоятельство обусловило необходимость разработки новых способов сжигания углей с повышенной (до 70--80%) зольностью.

Существует ряд способов снижения выбросов путем совершенствования процессов сжигания.

К таким способам можно отнести слоевое сжигание угля с предварительным отделением угольной мелочи перед подачей топлива пневмомеханическим забрасывателем (ПМЗ).

При сжигании угля в факельно-слоевых топках значительная доля золы и оксидов азота образуется при сгорании мелочи, которая при подаче угля ПМЗ горит во взвешенном состоянии во время падения на слой угля. При отделении от угля мелочи содержание летучей золы в дымовых газах уменьшается в 6 раз, содержание оксидов азота заметно снижается. Предложено отделять мелочь от угля в специальном сепараторе до его сжигания. Возможен вдув мелочи в топку непосредственно над слоем или добавка его в систему возврата уноса. Этот способ может быть использован для слоевых топок и топок кипящего слоя, оснащенных ПМЗ.

Другой перспективный способ снижения выбросов котлоагрегатов со слоевыми топками малой мощности (до 5 МВт) разработан в Германии. В топливо перед сжиганием добавляют известковые препараты (кусковая жженая известь или известковое молоко). Связывание диоксида серы происходит непосредственно в топке. Степень очистки составляет около 50%.

Уменьшить Образование оксидов азота и серы в продуктах сгорания можно рациональной организацией топочного процесса. Если выбросы диоксида серы удается сократить введением присадок, то выбросы оксидов азота можно существенно уменьшить ступенчатым вводом воздуха и топлива в зону горения, сжиганием с малыми избытками воздуха, рециркуляцией газов, вводом в топку водяных паров. Однако при этом необходимо следить, чтобы недожог топлива был в допустимых пределах.



4.4 КОНТРОЛЬ ЗАПЫЛЕННОСТИ ВОЗДУХА

Для защиты атмосферы от загрязнения, а также для обеспечения высокой эффективности работы пылегазоулавливающего оборудования необходима система контроля за промышленными выбросами в атмосферу с применением современных приборов. Задачей данной системы является контроль за соблюдением нормативов допустимых выбросов в атмосферу и выдача информации о вкладе конкретных источников в общий фон загрязнения окружающей среды.

Измерение концентрации пыли является трудной метрологической задачей. Пыль почти всегда полидисперсна (размер частиц от 10^-2 до 10² мкм). Интервал концентраций является еще более широким. Форма и физико-химические свойства частиц пыли могут быть самыми разнообразными. Все это затрудняет разработку и создание универсальных методов и средств измерения концентрации пыли.

Анализ показывает, что наиболее широко применяются в последнее время приборы, работающие по принципу определения пыли в воздухе с применением фильтров. Этот метод основан на протягивании определенного объема исследуемого воздуха через фильтры АФА с последующим определением содержания пыли в пробе по массе фильтра (весовым методом).

Для измерения запыленности воздуха может быть использована зависимость между интенсивностью радиоактивного излучения и массой слоя пыли. Приборы, использующие эту зависимость, работают по принципу отбора запыленного воздуха от основного потока и протягивания его через высокоэффективный фильтрующий материал, помещенный между источником в-измерсния и детектором (счетчиком в-частиц).

Для определения содержания пыли в воздухе предназначен также электроприципитатор -- прибор, работающий по принципу осаждения пыли в электрическом поле высокого напряжения.

В зарубежной практике наибольшее распространение получили гравиметрические преобразователи, принцип действия которых заключается в том, что с помощью диафрагменного воздушного насоса с приводом от двигателя через дисковый фильтр протягивается исследуемый воздух с определенной скоростью. Общее количество протянутого через фильтр воздуха регистрируется расходомером, вмонтированным в насосе.

Все перечисленные приборы не лишены недостатков. Главными из них являются значительные затраты труда на обслуживание аппаратуры периодического действия для измерения запыленности воздуха и постоянного наблюдения со стороны технического персонала. Точность измерения этих приборов во многом зависит от физико-химического состава пыли, состояния воздушной среды, окружающей обстановки и многих других факторов. Кроме того, данные приборы совершенно непригодны для автоматизированных систем контроля и управления.

Автоматизированная система контроля позволяет получить динамику запыленности воздуха в течение всего производственного цикла, выявить периоды интенсивного пылевыделения и получить объективную картину, отражающую уровень запыленности в любой момент работы технологического оборудования.

Некоторые модели приборов для определения запыленности воздуха, разработанные в последнее время, получили пока ограниченное применение и нуждаются в доработке.

Трудности прямого автоматического определения массы пыли, содержащейся в воздушном потоке, т. е. взвешивание на заключительном этапе определения запыленности воздуха, требуют разработки косвенных методов, которые позволили бы пользоваться автоматическими приборами, например, оптическими.

Существенным фактором, ограничивающим длительное использование оптических пылемеров, является запыление оптики.

Разработка и установление предельно допустимых выбросов (ПДВ), загрязняющих атмосферу веществ, для каждого источника загрязнения на предприятиях угольной промышленности возможны при наличии надежной быстродействующей аппаратуры. Однако создание ее существенно задерживается.

Институтом ВНИИОСуголь разработан и прошел межведомственные испытания фотоэлектрический датчик оптического пылемера ФДОП и разрабатывается датчик переносного оптико-волоконного пылемера ДПОВД 20280, предназначенные для контроля запыленности газов в дымовом тракте котлоагрегатов.

Датчик ФДОП положен в основу разрабатываемой ВНИИОСуглем системы авторегулирования процесса горения САПГ, предназначенной для регулирования процесса горения топлива в котлоагрегате и поддержания его на заданном уровне за счет изменения подачи топлива в топку при неизменной подаче воздуха.

Специализированным трестом «Средазцветметэнерго» разработан и внедрен переносной радиоизотопный концентратомер пыли «Приз-2», предназначенный для определения массовой концентрации нерадиоактивной пыли в атмосфере, не содержащей паров кислот и щелочей. Преимуществами данного прибора являются: полуавтоматический режим работы; наличие цифровой индикации результатов измерения непосредственно в мг/м3; возможность выбора источника питания (автономный или сетевой); малые габариты и масса.

Прибор обеспечивает измерение концентраций пыли в диапазоне от 1,0 до 500,0 мг/м3 при температуре окружающей среды от -- 10°С до +40 С и относительной влажности воздуха до 80%.

К недостаткам прибора относится то, что при наличии в атмосфере диспергированного масла он измеряет суммарное массовое содержание в ней пыли и масла.

Основные технические характеристики некоторых отечественных и зарубежных пылемеров приведены в табл. 12.

4.5 КОНТРОЛЬ СОДЕРЖАНИЯ ГАЗОВ В ВОЗДУХЕ

Одной из важных тенденций, прослеживающихся в последние годы в газоаналитическом приборостроении за рубежом, является создание комбинированных приборов, предназначенных для одновременного или последовательного определения концентраций нескольких ингредиентов и имеющих несколько датчиков в одном корпусе.

...