Глобальное изменение климата и утилизация шахтного метана

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Одним из важнейших механизмов обеспечения жизни на нашей планете является парниковый эффект, за счет которого обеспечивается её оптимальный температурный режим. Без парникового эффекта температура воздуха на поверхности Земли была бы равна -18С. Природный парниковый эффект подогревает атмосферу на 33С, за счет чего на Земле существует вода в жидком виде, а следовательно и жизнь в современном ее проявлении.

В 60-х годах учёные, занимающиеся проблемами теплового баланса в атмосфере, на основе сравнительного анализа имевшихся данных наблюдений пришли к выводу о повышении средней глобальной температуры в приземном слое атмосферы Земли. Это заключение пробудило новый интерес к прогнозу шведского учёного Аррениуса, сделанному в конце XIX века, о тенденции роста концентрации парниковых газов в атмосфере Земли, в первую очередь углекислого газа, и усилении парникового эффекта (аккумуляции инфракрасного теплового излучения атмосферными газами, главным образом водяным паром и углекислым газом). В качестве одного из практических последствий увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере указывалось глобальное потепление климата Земли.

Проблема изменения климата и её решение. Значительный вклад в изучение проблемы климатических изменений и глобального потепления был сделан академиками М.И. Будыко, А.М. Обуховым, Г.И. Марчуком, Г.С. Голицыным, Ю.А. Израэлем, П. Лаверовым, В.П. Дымниковым, К.Я. Кондратьевым, профессорами А.С. Мониным, Г.В. Груза, И.А. Шикломановым, В.П. Мелешко и другими.

Основанием для разработки и заключения первого международного соглашения, затрагивающего вопросы изменения климата - Рамочной конвенции ООН об изменении климата - явились две Всемирные конференции по изменению климата, проведённые по инициативе и под эгидой Всемирной метеорологической организации. Они заложили фундамент для разработки и последующего подписания на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в 1992 году в Рио-де-Жанейро Рамочной конвенции, которая вступила в силу 21 марта 1994 года. В настоящее время Сторонами Конвенции являются 186 государств.

Наиболее весомыми обязательствами, содержащимися в Рамочной Конвенции, являются:

1. Стабилизация развитыми странами - членами Конвенции объёмов своих антропогенных выбросов парниковых газов к 2000 году на уровне их эмиссии в 1990 году.

2. Представление Сторонами в Секретариат Рамочной конвенции необходимых информационных материалов (Национальных сообщений, инвентаризаций и кадастров антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов) и их проверка специальными экспертными группами в целях контроля выполнения странами своих национальных обязательств.

3. Разработка, осуществление, публикация и регулярное обновление национальных программ, содержащих меры по смягчению последствий изменения климата.

В период 1992 по 1996 годы проходило активное изучение положений Рамочной Конвенции, в результате было установлено следующее.

1. Гипотеза существенного влияния на глобальный климат антропогенных выбросов парниковых газов, на которой основывается Конвенция, нуждается в дальнейшем научном изучении.

2. Предупредительные меры, предпринимаемые в Конвенции по адаптации к изменениям климата, вне зависимости от причин, их повлёкших, предоставляют возможность своевременного и адекватного реагирования экономики и социальных сфер деятельности на меняющиеся условия в окружающей среде, что является положительным моментом.

3. Мероприятия по Конвенции, формально являющиеся природоохранными в долгосрочной перспективе, по сути оказывают влияние на все сферы производственной деятельности в странах, в первую очередь на энергетику, и предполагают существенные затраты.

4. Рамочная конвенция стимулирует развитие энергоэффективных технологий.

5. Обязательства по Конвенции не обеспечивают достижения поставленной в ней, но количественно не определённой цели.

6. Конвенция не в полной мере учитывает истинные социально - экономические, климатические, научно - технические и другие условия Сторон.

Однако только несколько стран оказались в состоянии обеспечить выполнение обязательств Конвенции по сокращению выбросов парниковых газов к 2000 году до уровня 1990 года. К числу этих стран относятся: Голландия, Франция (за счёт ядерной энергетики); Великобритания (за счёт сокращения угольной промышленности в связи с добычей углеводородов в Северном море); Германия (за счёт сокращения производства и использования бурых углей в Восточной Германии); Россия и Украина (в связи со структурной перестройкой экономики, сокращением нерентабельных промышленных производств, вытеснения с ряда традиционных рынков сбыта продукции, введения плавающих рыночных цен на энергоресурсы и т. д.). Другие страны Западной Европы, США, Канада, Япония и Австралия своих обязательств по Рамочной конвенции выполнить не смогли, поскольку там, в первую очередь в Соединённых Штатах, во второй половине прошедшего десятилетия вместе с ростом производства происходил стремительный рост эмиссий парниковых газов.

В этой связи представители многих западноевропейских стран предложили рассмотреть возможность принятия дополнительных обязательств по сокращению выбросов парниковых газов за пределами обязательств до 2000 года, которые предусмотрены Конвенцией. На Третьей Конференции Сторон Рамочной конвенции в Киото (Япония) 10 декабря 1997 года был принят в качестве дополнения к Конвенции Киотский протокол.

Особенность Киотского протокола в том, что он является инструментом для выполнения каждой Стороной РКИК конкретных количественных, определённых во времени обязательств и контроля за их выполнением, предусматривающего определённые санкции в случае несоблюдения странами своих обязательств [1].

Прежде всего, Киотский протокол зафиксировал количественные обязательства по снижению выбросов ПГ по сравнению с объёмом выбросов в 1990 г. для каждой промышленно развитой страны в первый период выполнения обязательств - 2008 - 2012 гг.

Во-вторых, он предусматривает выполнение обязательств не только за счёт реализации внутренних мер и мобилизации национальных ресурсов, но и путём международного сотрудничества с использованием "механизмов гибкости" Протокола. К этим механизмам относятся:

- режим международной торговли квотами на выбросы парниковых газов между развитыми странами, позволяющий в случае перевыполнения какой - либо страной своих обязательств по сокращению их выбросов продать "недовыброс" другой стране, испытывающей трудности с выполнением своих обязательств собственными силами;

- проекты совместного осуществления между развитыми странами, позволяющие на основе достигнутых договорённостей распределять между собой результаты сокращений выбросов парниковых газов или их абсорбции поглотителями, полученных в ходе совместной реализации энергоэффективных промышленных или лесо- и сельскохозяйственных проектов соответственно;

- проекты по снижению выбросов парниковых газов между развитыми и развивающимися странами, предусматривающие передачу развивающимися странами достигнутых в ходе реализации проектов сокращений инвестирующим эти проекты развитым странам.

Своей целью Киотский протокол ставит достижение общего сокращения выбросов парниковых газов всеми промышленно развитыми странами к 2012 г. в размере 5,2 % от их общих выбросов в 1990 г. Для этого ведущие страны должны сократить эмиссии соответственно: США - на 7%, страны ЕС - на 8%, Япония - на 6%, Канада - на 6%. За Украиной закреплено право выброса парниковых газов на уровне базового 1990 г.

США, принимавшие активное участие в разработке Киотского протокола, в марте 2001 года резко изменили свою позицию, и вышли из переговорного процесса по Протоколу. При этом США заявили, что они не намерены препятствовать другим странам в достижении согласия по Протоколу, если это не будет затрагивать национальные интересы США.

Вслед за США покинула ряды Сторон Киотского протокола Австралия, заверив мировое сообщество, что она выполнит свои обязательства по Протоколу, и объясняя свой выход специфическими экономическими условиями.

В создавшейся ситуации дальнейшая судьба этих международных соглашений зависит от позиций России. Её участие или неучастие в Киотском протоколе решает, вступит он в действие или нет. Только при участии России выполняется одно из главных условий введения Протокола в действие - суммарный выброс парниковых газов стран участников Протокола должен составлять более 55% общего выброса парниковых газов развитых стран.

Обязательства Украины, как Стороны Конвенции включают инвентаризацию антропогенных выбросов парниковых газов, разработку мероприятий по стабилизации антропогенного влияния на изменение климата, прогноз выбросов парниковых газов, оценку уязвимости и адаптации экологических и экономических систем к новым глобальным условиям. Лимит выбросов парниковых газов для Украины определен в следующих размерах: углекислый газ - 645,3 млн.т, метан - 9,45 млн.т, закись азота - 20 тыс.т. Всего лимит выбросов парниковых газов в эквиваленте к углекислому газу составил 854,1 млн.т.

Роль метана в изменении климата. Доля метана в увеличении парникового эффекта составляет около 20%, углекислого газа - 52%, фтористых углеродов - 27%, оксидов азота - 11%, озона - 14%.

Источники метана разнообразны. В донных отложениях болот и других водоёмов, в процессе пищеварения животных при активной деятельности бактерий образуется бактериальный метан. При погружении осадочных пород в результате геологических процессов на глубины 3-10 км, в условиях высоких температур и давлений образовался термогенный метан. На больших глубинах в мантии земли в результате химических реакций неорганических соединений образовался абиогенный метан [2].

В период с начала 60-х годов по настоящее время произошло удвоение прироста концентрации метана. В настоящее время концентрация атмосферного метана составляет 1,8 ррм. Концентрация метана мало зависит от высоты в интервале 0-12 км, что обусловлено большой скоростью перемещения по высоте. Время жизни метана в атмосфере 8-12 лет.

Метан угольных пластов. Угледобывающая отрасль Украины вносит существенный вклад в глобальное загрязнение парниковыми газами, следовательно, и ее ответственность за выполнение Украиной международных обязательств также велика.

Извлечение и утилизация шахтного метана наряду с созданием безопасных условий труда в шахтах, улучшением экономических показателей работы (снижением себестоимости добычи углей) будет сопровождаться существенным вкладом в решении глобальной экологической проблемы, связанной с изменением климата на планете.

Ресурсы угольного метана в угольных пластах до глубины 1800 м превышают по предварительной оценке 1600 млрд. м3 [3]. Ежегодно шахтами Донбасса при угледобыче извлекалось более 3 млрд. м3 метана, из них специальными дегазационными установками от 530 (1998 г.) до 825 млн.м3 (1990 г.). Использовалось для разных целей до 200 млн.м3 газа с содержанием метана 30-36%.

Практика показала, что метановоздушная смесь с содержанием метана в пределах от 2,5 до 30% является некондиционной, так как она взрывоопасна, а свыше 30% - безопасной при сжигании. Особенный интерес с точки зрения утилизации метана представляет некондиционная метановоздушная смесь. Техническое решение этой задачи, исходя из мировой практики, заключается в доведении содержания чистого метана до кондиционного уровня (свыше 30%). Это может быть осуществлено за счёт совершенствования технологии дегазации, добавлением в смесь природного газа, обогащением смеси в адсорбционных установках.

Можно выделить следующие пути поступления метана в атмосферу, с вентиляционными выбросами, при дегазации пластов, а через нарушенный горными работами массив, при выходе на поверхность метановмещающих пластов, фоновое поступление из недр через ненарушенную толщу пород. Количество поступающего в атмосферу метана через вентиляционные стволы и дегазационные скважины контролируется и фиксируется.

Дегазация применяется для обеспечения допустимых концентраций метана в шахтных выработках. В Донбассе сверхкатегорийные по метану шахты составляют 65 %. При существующем техническом уровне систем дегазации угольных шахт концентрация метана в каптируемой смеси, как правило, невысока. Основное количество метана (более 80%) добывается с концентрацией 15-55% (в среднем 25%), что затрудняет его использование в качестве бытового топлива без увеличения его концентрации [4].

Шахтные вентиляционные выбросы содержат 0,2-0,8% метана. Однако данный метан практически совсем не используется. Выполненные исследования показали, что при соответствующей реализации процесса окисления бедных метано-воздушных смесей можно не только полностью компенсировать затраты на газоочистку вентиляционных выбросов, но и получить дополнительную энергию уже при содержании метана 0,15%.

При существующей в Украине системе утилизации шахтного метана пока используется лишь ничтожная его часть (12-15% каптажного газа) в шахтных котельных и единичных компрессорных станциях по заправке газобаллонных автомобилей. Даже близлежащие шахтные поселки и города не используют шахтный метан для энергетических целей. Причиной этого является нестабильность концентрации и дебита метано-воздушной смеси, отсутствие газовых коммуникаций вблизи шахт, жесткие требования правил безопасности газовой промышленности, слабая заинтересованность местных властей, недостаточное нормативно-правовое урегулирование данного вопроса и др. На шахтах отдельных стран (Польша, Бельгия, Германия, Япония) утилизируется свыше 80% каптированного метана.

Угли, при всей их значимости в генерации горючих газов, всё же составляют только 2-3,5% объёма угленосных отложений, тогда как основная масса нарушаемой при отработке толщи пород представляется пористыми и проницаемыми разностями пород, аккумулирующими природные газы [5].

Исследования, посвящённые распределению ресурсов метана, в пределах пачки угольных пластов показывают, что в тонких прослоях (менее 0,5 м) содержится примерно 20-30% метана, в рассеянном углистом веществе около 30-45% [6].

Обрушение углевмещающих пород после отработки угольных пластов приводит к высвобождению из слабо проницаемых, но пористых и газонасыщенных пород огромной массы динамически свободных газов, которые при наличии соответствующих геологических условий могут мигрировать к поверхности и поступать в атмосферу.

Проблема метановыделения после закрытия шахты не исчезает, а приобретает новые аспекты. Метан, который ранее выделялся через организованные источники (вентиляционные стволы и дегазационные скважины) теперь по техногенным трещинам проникает на земную поверхность и зачастую создаёт угрозу населению и разного рода объектам, размещённым на территории горного отвода шахты. Опасность проявляется в виде вспышек метановоздушной смеси или отравления людей в непроветриваемых помещениях.

Проблема площадного метановыделения в атмосферу в пределах горного отвода как функционирующей, так и закрытой шахты изучена очень слабо.

Естественная фильтрация метана через вмещающие и покрывающие горные породы определяется газопроницаемостью, газовым давлением угольных пластов и вмещающих пород. Нарушение, в процессе угледобычи, равновесного состояния массивов горных пород различных газов и рассолов, приводит к большому разнообразию взаимосвязанных механических, физических и химических процессов в этих массивах. Сдвижение массива горных пород в сторону выработанных пространств изменяет напряженное состояние массива, увеличивает его трещиноватость за счет раскрытия естественных трещин и образования новых, в результате разломов монолитных блоков.

Об интенсивности фильтрации метана через ненарушенный горными работами массив можно судить по исследованиям, приведенным в [7]. Исследования проводились путём прямых замеров содержания метана в атмосфере непроветриваемых старых горных выработок. В результате установлена плотность потока метана из недр в размере 50-100 см3/м2 за год.

При выходе на поверхность пластов песчаника известняка, зон тектонических нарушений часто наблюдается постоянное выделение газа со взрывоопасным содержанием метана, что приводит к аварийным ситуациям в погребах, подвалах, домах. Концентрация метана в этих случаях колебалась от 0,3 до 47,1%.

После поступления на дневную поверхность метан, из-за того, что он легче воздуха, поднимается в верхние слои атмосферы (на высоту 12-15 км). Скорость поднятия зависит от метеорологических условий и изменяется в пределах 250-500 м/сутки. Метан малорастворён в воде и удаление его с осадками не происходит. Его преобразование в атмосфере происходит в основном за счёт химических реакций (80%). Из других путей вывода из атмосферы некоторое значение имеют поглощение метана почвенными бактериями (10%) и его уход в стратосферу (10%) [2].

Таким образом, роль метана, как в стабилизации жизненных процессов, так и в их дестабилизации на Земле исключительно велика. В настоящее время насущной задачей многих стран, в том числе и Украины, является уменьшение выбросов метана. Согласно Киотского протокола по изменению климата резерв выбросов в пересчёте на СО2 в нашей стране в 2008-2012 годах может составить 565 млн. тонн, а потенциальный доход от продажи квот на выбросы - около 2,8 млрд. долларов США [8]. Поэтому, проблема метана - это проблема, которую нужно решать не только с экономических позиций целесообразности его использования, но и с точки зрения выполнения Украиной своих международных обязательств по участию в решении глобальных экологических проблем. Риск глобального потепления делает проблематичным широкое применение в будущем ископаемых углей без эффективного решения проблемы метана.

Литература

климат экологический метан шахтный

1. Израэль Ю.А, Назаров И.М., Гитарский М.Л. и др. Киотский протокол - проблемы его ратификации // Метеорология и гидрология, 2002. - № 11. - С. 15-19.

2. Бажин Н.М. Метан в атмосфере // Химия, 2000, № 12, - С. 131-137.

3. Айруни А.Г., Галазов Р.А., Сергеев И.В. и др. Газообильность угольных шахт СССР. Комплексное освоение газоносных угольных месторождений. - М.: Наука, 1990. - 216 с.

4. Булат А.Ф. Создание индустрии шахтного метана в топливно-энергетическом комплексе Украины. Геотехнічна механіка. Зб. наук. праць ІГТМ НАН України, 1998. - Вип. 10. - С. 3-12.

5. Орлов А.В. Природные и техногенные залежи метана угольных месторождений северо-восточного Донбасса. Геотехнічна механіка. Зб. наук. праць ІГТМ НАН України, 2000. - Вип. 17. - С. 132-136.

6. Твердохлебов В.Ф., Колесник В.Я., Зимаков Б.М. Количественная оценка газа угольных месторождений // Уголь, № 4, 1986. - С. 53-55.

7. Войтов Г.И. К оценке интенсивности потоков из пород кристаллического основания в породы осадочного чехла и атмосферу. Тезисы докладов на республиканском совещании «Происхождение нефти и газа и закономерности образования и размещения их залежей». - Львов. 1997. - С.56-58.

8. Касьянов В.В., Ламберт Ст. Перспективы развития метановой отрасли в Украине. Геотехнічна механіка. Зб. наук. праць ІГТМ НАН України, 2000. - Вип. 17. - С. 7-10.

Размещено на Allbest.ru