Оценка возможности использования бурых углей Магаданской области в производстве водорода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геологоразведочный техникум Иркутского национального исследовательского технического университета

Оценка возможности использования бурых углей Магаданской области в производстве водорода

Е.Ю. Чемезова

Аннотация

В статье сделан обзор запасов бурых углей Ланковского и Мелководнинского месторождений Магаданской области. Предложена концепция создания производства по газификации бурых углей с получением водорода и возможностью его экспорта в Японию.

Ключевые слова: бурый уголь; водород; Магаданская область.

Annotation

The article reviews the brown coal reserves of the Lankovskoye and Melkovodninskoye deposits of the Magadan region. The concept of creating a gas brown coal production plant with hydrogen production and the possibility of its export to Japan.

Keywords: brown coal; hydrogen; Magadan region

В настоящее время перспективы развития экологически чистой энергетики во всем мире приобретает все большую актуальность. Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания (окислами азота и серы, твердых частиц, золошлаковых отходов) и прогнозируемыми изменениями климата в результате парникового эффекта. Экологически чистые процессы трансформации твердого топлива в электрическую и тепловую энергию решают задачу комплексного освоения сырья, значительного сокращения отходов и вредных выбросов в атмосферу. В связи с этим, необходимо применение технологий газификации низкосортного твердого топлива.

Однако на пути к широкому практическому использованию водорода остаются и нерешённые задачи. Самая серьёзная из них -- необходимость уменьшить издержки. Какими бы замечательными свойствами ни обладал водород в качестве источника энергии, до тех пор пока будет оставаться высокой его стоимость, настоящего распространения не произойдёт.

Наиболее верным путём снижения издержек является путь технологических инноваций, использования наиболее дешевого сырья для производства водорода, а также дешевых энергоресурсов [1-3].

Использование инновационных для Магаданской области технологий переработки бурых углей этих месторождений, с начальным уровнем комплексной переработки 2-3 млн т угля в год в целях получения синтез-газа, водорода, энергетического газа, топливных брикетов.

В Ольском районе Магаданской области разведано два крупных буроугольных месторождения - Ланковское и Мелководнинское.

Ланковское месторождение расположено в Ольском районе Магаданской области в 70 км северо-восточнее г. Магадана (см. рис. 1). Его площадь 55 км². Поверхность месторождения типично тундровая и представляет собой слабовсхолмленную заболоченную равнину с абсолютными отметками 80-180 м. В границах бассейна широко развита многолетняя мерзлота, прерываемая сквозными таликами по долинам рек и ручьев. Основные водотоки реки Ола и Ланковая. Ближайшие населенные пункты поселки Ола, Чадея, Барабарка, Клепка. От поселков Олы и Чадеи до г. Магадана проложена грунтовая дорога.

Рис.1. Карта-схема расположения Ланковского и Мелководнинского месторождений Магаданской области

Пластов угля с промышленными характеристиками шесть (сверху): "Приозерный", "Надверхний", "Верхний", "Мощный", "Спутник", "Нижний". Между пластами "Нижний" и "Мощный" залегает слой мелкогалечниковых конгломератов мощностью до 20 м. Конгломераты-достаточно надежный маркирующий горизонт для параллелизации основного на месторождении пласта "Мощного" (см. рис. 3.1). Краткая характеристика пластов приводится в таблице 1. Из охарактеризованных пластов на Ланковском месторождении по параметрам строения, мощности, условиям залегания для открытого способа добычи пригодным является в основном пласт "Мощный". На большей части месторождения пласт характеризуется мощностью 16-25 м и простым строением. В юго-восточном направлении на южном фланге месторождения пласт имеет сложное строение, расщепляется и расщепленные пачки постепенно выклиниваются.

бурый уголь газификация водород

Таблица 1. Сведения об угленосности (в м) Ланковского месторождения

Угли - бурые, витринитовые (1БВ) по ГОСТу25543-88. Их кодовый номер 0215005. Угли месторождения мало-, среднезернистые. Уголь пласта "Мощного" характеризуется средней зольностью около10 % при колебаниях от 3,7 до 18, остальных пластов 13-42 при средних значениях 25-27. Содержание летучих веществ 58-61 %, серы общей до 0,3. Максимальная влагоемкость 42-56 %, рабочего топлива в среднем 50. Высшая теплота сгорания углей 25 МДж/кг, рабочего топлива 10-12. Содержание гуминовых кислот 17-75 % (среднее 48).В целом угли месторождения могут являться энергетическим топливом при условии сжигания их в соответствующих типах топочных устройств.

Таблица 2. Основные показатели качества (в %) углей Ланковского и Мелководнинского месторождений [7]

Примечание: Q_s^daf и Q_i^r в МДж/кг

Пласт "Мощный" на Северной и Южной брахисинклиналях, в основном, пригоден для отработки открытым способом. Углы падения пласта не превышают 10°. Он характеризуется большой мощностью, низкой зольностью и малыми глубинами залегания. Породы, подлежащие вскрыше, сложены в основном мерзлыми песками и глинами. По физико-механическим свойствам они удовлетворяют требованиям к открытой разработке угольных месторождений и особых осложнений при вскрытии пласта не вызовут. Мощность многолетнемерзлых пород на юго-востоке месторождения 38-40 м, на северо-западе она увеличивается до135-160 м. Под руслами рек Ланковой и Збыанмандыкан развиты сквозные талики. Минимальная температура на подошве сезонных ее колебаний минус 1,5-1,7°С. Для предотвращения прорыва подмерзлотных вод в горные выработки отработка запасов угля должна осуществляться с оставлением на нулевой изотерме предохранительного целика размером не менее 26 м.

Балансовые запасы (в тыс.т) по пласту "Мощному" на площади, охваченной разведкой в пределах Северной и Южной брахисинклиналей, по сумме категорий А+В+С₁ составляют 136720, по категории С₂- 828700. Из них запасов, пригодных для открытой разработки спредельным линейным коэффициентом вскрыши 5:1 на разрезе"Ланковский-1" в Северной брахисинклинали по сумме категорий А+В+С₁- 84660. Объем вскрыши 153610 тыс.м³

Из-за сложных горно-геологических условий открытой добычи угля, связанных с высокой обводненностью месторождения, влагоемкостью угля и невозможностью его перевозки в зимнее время при низких температурах, региональной межведомственной комиссией принято решение-отнести запасы угля Ланковского месторождения к бесперспективным для добычи. Кроме того, одна из важнейших причин нецелесообразности добычи угля - наличие на площади открытых работ нерестилищ высокоценных видов рыб.

Мелководнинское буроугольное месторождение расположено на побережье бухты Мелководной в восточной оконечности Тауйской губы в 120 км к юго-востоку от г. Магадана. Его границами являются: на западе - береговая линия бухты Мелководной, на востоке - р. Омчуг, на севере -граница распространения угленосной толщи, на юге - крайняя линия разведанных скважин. В административном отношении месторождение находится на территории Ольского района. Транспортное сообщение с месторождением возможно морским путем и автозимником (120 км до пос. Ола). В районе месторождения населенных пунктов нет.

Здесь также отсутствуют природоохранные зоны. Граница ближайшего заповедника проходит в 30 км к западу от месторождения. Мелководнинское месторождение достаточно хорошо изучено. В период с 1943 по 1946 гг. в его границах производились разведочные работы с одновременной добычей угля из двух мелких шахт для снабжения г. Магадана. Всего было добыто 83,4 тыс. т. С 1951 г. по 1953 г. месторождение вновь детально разведывалось. В результате разведано шахтное поле площадью 5 кв. км и установлена угленосность на площади 40 кв. км. Мелководнинское месторождение входит в состав Сигланского угленосного района Охотской площади. Оно сложено осадками мелководнинской свиты неогенового возраста, подставленных нижним горизонтом базальных конгломератов (до 120 м ) и верхним продуктивным горизонтом (80-400 м). Последний сложен песчано-глинистыми породами с пластами бурого угля. Для отложений характерна невыдержанность литологнического состава как в разрезе, так и по площади. В продуктивном горизонте геолого-разведочными работами установлено присутствие следующих четырех пластов бурого угля (снизу вверх). Пласт "Талый". Залегает в основании угленосного горизонта. Его мощность изменяется о 14,0 до 41,0 м. Уголь находится в талом состоянии. Пласт "Мерзлый". Расположен в 0,2 - 37.0 м выше пласта Талого. Мощность пласта 19,0 - 48,0 м. Он полностью залегает в толще многолетнемерзлых пород. Пласты "Верхний" и "Надверхний". Их мощность соответственно равна 2.2 - 7,1 м и 0,3 - 10,5 м. Эти пласты имеют сложное строение, невыдержанны по мощности и площади распространения. В пределах месторождения основное промышленное значение имеют пласты Талый и Мерзлый, заключающие в себе 94,5 % разведанных запасов. Эти пласты известны на всей площади месторождения. В юго-западной его части, прилегающей к берегу побережья бухты Мелководной, они сливаются и образуют компактную угольную залежь суммарной мощностью до 54 м. В залежи встречаются до 9 прослоев породы мощностью от 0,1 до 5,8 м. Они невыдержанны по простиранию и часто выклиниваются. По мере удаления от берега моря в юго-восточном направлении одновременно с увеличением мощности угленосных отложений происходит постепенное расщепление угольной залежи на отдельные пласты.

В крайней юго-восточной части месторождения уже насчитывается до 32 пластов угля, из которых 12 имеют мощность не свыше 2,5 метра и только отдельные пласты достигают мощности 5-7 метров. Тектоническое строение месторождения простое. Угленосные отложения и угольные пласты залегают спокойно с пологими углами падения (3-12^о) и только в прибрежной полосе встречаются отдельные плавные складки с углами падения пород на крыльях до 15-25^о. Здесь же отмечаются редкие дизъюнктивные нарушения небольшой амплитуды. Мелководнинские угли бурые, марки Б1. Их объемная масса 1,20-1,26 г/см³, влажность 49,4-53,1 %, зольность 10-21 %, теплотворная способность 5116-6940 ккал/кг, содержание серы общей 0,28-0,73 %, содержание битума 5,0-6,5 %, выход гуминовых кислот около 47%, а смолы полукоксования - 13,4 %.

Лабораторными исследованиями по изучению способности к газификации угля с применением паровоздушного дутья получен горючий газ с низшей теплотворной способностью 950-1000 ккал/кг. Выход газа составил 1,8-1,9 м³/кг. Часовая производительность газогенератора - 20-30 тыс. м³. Экспериментальными опытами по брикетированию установлено, что мелководнинские угли относятся к категории хорошо брикетируемых углей без связующей добавки при содержании влаги в угле от 7 до 18 %. Брикеты обладают хорошей механической прочностью и удовлетворительной водоустойчивостью. Ресурсный потенциал бурых углей Мелководнинского месторождения составляет 593 млн т. Из них запасы, разведанные по категориям А+В+С1 - 160 млн т. (27 % общего потенциала), а по категории С2 - 345 млн т. (58 %). Прогнозные ресурсы месторождения оценены по категории Р1 в количестве 88 млн т. Условия залегания угольных пластов позволяют производить добычу угля открытым способом. Общий ресурсный потенциал Сигланского угленосного района, в состав которого входит и Мелководнинское месторождение, оценивается в 945 млн т. Гидрогеологические условия Мелководнинского месторождения являются достаточно сложными. Они характеризуются развитием многолетней мерзлоты и наличием на его площади мощных таликовых зон вдоль побережья бухты Мелководной, в долинах рек Сиглан и Омчуг. Максимальной мощности толща многолетнемерзлых пород дости-гает в центральной части месторождения (116 м). Нижняя ее граница повсеместно расположена между пластами Мерзлый и Талый. Подмерзлотный водоносный горизонт мощностью до 55 м сложен рыхлыми песчано-галечными и песчано-глинистыми отложениями. Он развит на всей площади месторождения и имеет гидравлическую связь с таликовыми зонами долины р. Сиглан и бухты Мелководной. Воды напорные. Величина напора колеблется от 17 до 63 м. (примерно на уровне моря). Мелководнинское месторождение рассматривается как один из объектов первоочередного освоения в связи с его значительным ресурсным потенциалом и благоприятными условиям отработки. Разведанные здесь запасы достаточны для строительства карьера производственной мощностью 200 тыс. т. в год. Снабжение углем г. Магадана предпочтительно морским путем, а поселков Ольского района по автозимнику протяженностью 120 км.

Оба месторождения имеют схожие географо-экономические условия, однотипное геологическое строение и характеристики качества углей, поэтому рассматриваются в составе единой сырьевой базы. На каждом месторождении установлено по одной крупной угольной залежи. На Ланковском месторождении она вмещает до 10-ти рабочих пластов с мощностью основного из них до 43 м (средняя 17,3 м), на Мелководнинском месторождении 4 рабочих пласта с мощностью основного до 65 м (средняя 28,3 м).

Общий ресурсный потенциал бурых углей Ланковского и Мелководнинского месторождений составляет 2,8 млрд тонн. Из них по балансовым кондициям разведано 1,7 млрд тонн, в том числе 124 млн тонн промышленных запасов на подготовленных к разработке участках. Поэтому возможно строительство разреза мощностью 3 млн т. угля в год. Также необходимо оценить возможность газификации бурого угля и производства водорода.

Сопоставление эффективности различных промышленных процессов получения синтез-газа и водорода и полученных экспериментальных данных показывает, что процесс прямоточной газификации водно-угольных суспензий на основе низкосортных углей Ланковского бассейна является перспективным методом промышленного производства как топливного, так и технологического газов по методу Фишера-Тропша.

Прогнозные оценки стоимости получения газообразного и жидкого водорода даны в таблице 3. Как видно, из приведенных расчетов, при крупномасштабном производстве (около 100 т/сут.) наиболее перспективными технологиями будут метод паровой конверсии метана (ПКМ) и газификация угля.

Таблица 3. Прогнозные оценки стоимости газообразного и сжиженного водорода при различных способах его производства в период 2020-2030 гг., долл./кг Н₂

Наличие дешевых низкокачественных бурых углей Магаданской области позволит создать эффективное производство водорода с возможностью его экспорта в Японию [4].

Библиографический список

1. Тальгамер Б.Л., Чемезов А.В., Чемезова Е.Ю. Эффективность использования бурых углей Магаданской области при производстве водорода // Тезисы научных докладов II Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика», 11-17 сентября 2017 г., Республика Крым, Ялта. С. 144.

2. Cтефановская О.М., Чемезов А.В. Технико-экономические аспекты развития водородной энергетики // Научно-практическая конференция с международным участием «Технико-экономические проблемы развития регионов» 26-28 апреля 2017 г. Иркутск : Изд-во ИРНИТУ. 2017. С. 34-38.

3. Cтефановская О.М., Чемезов А.В. Вода и водород в энергетике // Молодежный вестник ИРГТУ, № 2, 2017. С. 24-26.

4. Чемезов А.В., Яковлев И.А. Анализ зарубежного опыта внедрения водородной энергетики на примере Японии // Научно-практическая конференция с международным участием «Технико-экономические проблемы развития регионов» 26-28 апреля 2017 г. Иркутск : Изд-во ИРНИТУ. 2017. С. 38-42.

5. Шпильрайн Э.Э. Введение в водородную энергетику / Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов; под ред. В.А. Легасова. М.: Энергоатомиздат, 1984. 264 с.

6. Strategic Road Map for Hydrogen and Fuel Cells [Электронный ресурс]. URL: http://www.meti.go.jp/english/press/2014/0624_04.html (1.10.2017).

7. Угольная база России. Том V. Книга 2. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока (Республика Саха, Северо-Восток, о. Сахалин, п-ов Камчатка). М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1999. 638 с.

Размещено на Allbest.ru