1.7 Выбор цели и постановка задач исследования

Обобщая всё вышесказанное, следует отметить, что в настоящее время актуальной проблемой теплоэнергетики России является повышение эффективности энергетического использования углей Канско-Ачинского бассейна

Несмотря на несомненные успехи в развитии современной теплоэнергетики до настоящего времени не предложена такая технология сжигания, которая могла быть приемлемой для комплексного решения вышерассмотренных вопросов энергетического освоения углей Канско-Ачинского бассейна.

Цель работы состоит в разработке методов и средств повышения эффективности работы котельных агрегатов современных тепловых электростанций при сжигании канско-ачинских углей.

Основные задачи исследований:

1. Провести комплексные физико-химические исследования особенностей вещественного состава канско-ачинских углей по высоте пласта и глубине его залегания.

2. Усовершенствовать технологию сжигания канско-ачинских углей, обеспечивающую надежность, экономичность и экологическую безопасность энергетических систем и комплексов.

3. Разработать технологические схемы и устройства по термической подготовке КАУ в условиях тепловых электростанций.

4. Выполнить трехмерное математическое моделирование аэродинамики топочной камеры котла, оборудованного системой термической подготовки углей.

5. Разработать мероприятия по практическому использованию технических предложений по применению усовершенствованной технологии сжигания КАУ на действующих ТЭС.

6. Обосновать эффективность использования технологии предварительной термической подготовки канско-ачинских углей в условиях ТЭС и на основе модифицированной энергетической модели России; определить рациональные масштабы тиражирования и приоритетные регионы России по внедрению этой технологии на долгосрочную перспективу.

2 Особенности вещественного состава и свойств углей канско-ачинского бассейна по высоте пласта и глубине залегания

2.1 Оценка величины запасов сажистых и окисленных углей Канско-Ачинского бассейна

Вследствие неглубокого и почти горизонтального залегания пластов КАбасса их верхний слой представлен так называемым сажистые углем, превратившимся в результате сильного окислительного выветривания в рыхлую пылевидную массу. Этот уголь по всем месторождениям отнесен к забалансовому и по мере отработки пластов выбрасывается с пустой породой в отвал.

Для определения запасов сажистых углей КАбасса проанализированы отчеты геологоразведочных партий Красноярского геологического управления, материалы производственного объединения АО «Красноярскуголь», результаты исследований лаборатории «Термическая подготовка углей» Политехнического института Сибирского федерального университета, работы СибВТИ и другие литературные источники [55-60].

Из отчетов геологоразведочных экспедиций следует, что наличие сажистых углей на всех разведанных участках бассейна определялось в процессе бурения и описания керна, но только по выходам угольного пласта под наносы. По скважинам определялись в основном лишь зольность, влажность и выход летучих веществ. Химический анализ проб угля проводился по каждой из 10 – 15 скважин, для чего брался усредненный состав керна. Однако при таком подходе нельзя произвести оценку углей с разделением пласта по степени окисленности.

Оценка запасов сажистых углей КАбасса довольно разнообразна. По данным работы [60] их запасы оцениваются в 188,5 млн.т.

Отмечается, что значительные запасы таких углей сосредоточены на детально разведанных участках действующих и строящихся разрезов бассейна: по Назаровскому месторождению – 21,4 млн. т; Бородинскому – 30,9 млн. т; Березовскому (участки № 1 и 2) – 36,7 млн. т.

В более поздних работах [41] запасы сажистых углей, оцененные по шести месторождениям бассейна, составляют 463,8 млн. т. Результаты подсчета запасов сажистых углей представлены в табл. 1.1. Запасы сажистых углей подсчитывались в указанных работах с целью определения возможности их применения в качестве удобрений для сельского хозяйства региона, при этом учитывались следующие условия: минимальная мощность 3 м; предельный коэффициент вскрыши 4 (на Абанском месторождении 2); производительность разреза 30 – 50 тыс. т/год; продолжительность работы 10 – 15 лет; максимальная дальность перевозок 50 км. Цели, поставленные в этих работах, а также накладываемые при этом ограничения не позволяют точно оценить запасы сажистых углей ни по одному из участков. Кроме того, вызывает сомнение проведенная оценка запасов сажистых углей по Абанскому месторождению (80,9 млн. т). В работе [61] отмечается, что Абанское месторождение представлено в основном окисленными (сажистыми) углями. В ряде других работ [55,62-63] запасы сажистых углей в целом по бассейну оцениваются в размере 6 % от подлежащих открытой разработке (8,5 млрд. т).

Известно, что в запасах каменных углей Кузбасса ниже слоя сажистого угля имеется зона угля с высокой степенью окисленности. Калорийность угля этой зоны на 25 % ниже рядового, и он не пригоден для энергетических целей. При оценке запасов угля по месторождениям КАбасса весь уголь, лежащий ниже сажистого, считался специалистами геологоуправления плотным неокисленным и был намечен к энергетическому использованию. В некоторых отчетах геологов по разведке запасов имеются данные о наличии окисленных углей (участки № 1 и 2 Березовского месторождения, Ачинский участок № 9 Назаровского месторождения и др.). Однако ни степень окисленности, ни мощность высокоокисленного слоя пластов не определялись, и все угли отнесены к энергетическим.

Таблица 2.1

Запасы сажистых углей основных месторождений Канско-Ачинского бассейна [13]

Месторожде- ние	Марка угля	Общие геологические запасы, млн. т	Разведанные запасы, млн. т	Запасы сажис- тых углей, млн. т	Выход свобо-дных гуми- новых кислот
Абанское	Б2	40298	13600,3	80,9	49,1
Березовское	Б2	41419	16706,6	51,5	50,3
Бородинское	Б2	23442	3334,8	30,9	35,0
Назаровское	Б2	6038	1974,4	21,4	63,1
Барандатское	Б2	21720	17371,2		
Итатское	Б2	55080	13184,7	260,5	
Переясловскоее	Б3	1008	1008,0	18,6	

Изучение углей из зоны окисления проведено на Устьянском участке Абанского месторождения [64]. Окисленные угли изучались по 32 скважинам (325 проб) в зоне выхода пласта под наносы. Все пробы анализировались на содержание гуминовых кислот, зольности и влажности. По степени окисленности угли разбиты на четыре группы в зависимости от содержания гуминовых кислот. Результаты анализов приведены в табл. 2.2. По нашему мнению, из-за отсутствия полных теплофизических характеристик окисленные угли, кроме сажистых, относятся к энергетическому топливу. В период с 1981 по 1991 гг. сотрудниками лаборатории «Термическая подготовка углей» Политехнического института Сибирского федерального университета отобраны пробы углей с бортов разреза «Березовский» по вертикальному сечению пласта в соответствии с ГОСТ 9815–75.

Таблица 2.2

Характеристика проб угля Устьянского участка Абанского месторождения [64].

Глу-бина отбо-ра, м	Содер- жание гумино- вых кислот %	Количество проб по интер-валам глубин, шт.	Частота встречаемых проб с различной степенью окисленности
			неокис-ленные менее 35 %	незначительно окисленные, 35 %	слабо-окисленные, %, 45 – 50 %	Окисленные более 50 %
	61,7	66	5	10	5	46
15	50,6	64	20	15	3	26
20	43,3	68	27	21	6	14
25	35,9	64	33	19	6	6
30	34,5	40	25	11	1	3
40	31,6	22	17	3	2	–

Алтатской геологого разведочной партией по договору с Политехническим институтом Сибирского федерального университета пробурено 34 скважины с разделением керна на несколько проб по высоте пласта (рис. 2.1). Пробы отбирались по следующей схеме: первая – сажистый уголь, затем 5 проб через 1 м, остальные – через 5 м. В итоге керновая проба делилась на 10 – 15 проб в зависимости от толщины пласта. В конечном итоге исследовано около 500 керновых проб. Мощность пласта в местах отбора проб изменялась от 26 до 55,6 м, мощность вскрыши – от 6,2 до 29 м; 29 скважин из 35 показали наличие сажистого угля. Первые пробы из остальных скважин представлены высокоокисленным углем. Мощность слоя сажистого угля колебалась от 0,5 до 9,4 м. Его запасы, подсчитанные в зоне отбора скважины, составляли около 5 % от суммарных. Окисленность угля определялась петрографическим методом по ГОСТ 8930–70. Петрографический анализ углей выполнен старшими геологами геологосъемочной экспедиции Иркутского геологического управления М. Г. Сусловой, Э. Э. Горбуновой, Я. Шевченко.

Рисунок 2.1 – План угольного разреза «Березовский»

Проведенные исследования показали, что окисленность проб угля изменяется от 43 до 89 %. Верхний слой пласта представлен так называемым сажистые углем. Мощность слоя этого угля колеблется по Березовскому месторождению от 0,3 до 16 м и в среднем составляет 4 м [57].

Установлено, что ниже слоя сажистого угля находится зона угля со степенью окисленности более 70 % с теплотехническими характеристиками, близкими к сажистому забалансовому углю. На рис. 2.2 показана зависимость степени окисленности угольных проб по высоте пласта, которая носит нелинейный характер.

Рисунок 2.2 – Степень окисленности проб березовского угля

по глубине пласта

Таким образом, с учетом этой зоны окисления запасы высокоокисленных углей увеличиваются практически вдвое.

На основе анализа изученных материалов и проведенных исследований следует сделать следующие выводы:

– на всех месторождениях КАбасса имеются сажистые и окисленные угли;

– сажистые угли расположены в основном по выходам пластов под насосы в виде «линз», мощность которых колеблется от 0,2 до 16 м;

– не исключено попадание сажистых углей под коренными породами;

– запасы сажистых углей подсчитаны по наиболее освоенным участкам месторождений;

– запасы сажистых углей отнесены к вскрышным породам;

– под слоем сажистых углей имеется значительная по протяженности зона углей со степенью окисленности более 70 %, которые по своим характеристикам близки к сажистому углю.

Ориентировочные запасы угля из верхней зоны окисления только по первому участку Березовского месторождения составляют примерно 1 млрд. т. Оценить запасы в целом по бассейну в настоящее время не представляется возможным. Поскольку отработка угольных пластов начинается, как правило, с его выходов под наносы, т. е. с мест с наибольшими запасами сажистых и окисленных углей, в первые 10 – 15 лет эксплуатации разрезов будет происходить разубоживание рядового угля. Степень влияния окисленного угля на рядовой при разубоживании не изучалась ни по одному из участков месторождений КАбасса.

Рассмотрим возможность попадания в товарный уголь окисленного по действующим и строящимся разрезам КАТЭКа. По оценкам специалистов объединений «Красноярскгеология» и «Красноярскуголь», отработка пласта в зоне выхода под наносы на разрезе Березовский-1 должна производиться не менее 15 лет (при ежегодном продвижении на 75 – 100 м). На Назаровском участке одноименного месторождения основное поле сработано, остались для отработки выходы пласта под наносы, поэтому примеси окисленных углей в ближайшие годы будут значительными. На Ачинском и Чулымском участках разрезные траншеи проложены по выходам пласта, значит, в первые 10 – 15 лет эксплуатации будет поступать уголь со значительными примесями окисленного. На Бородинском разрезе идет отработка основного поля, следовательно, изменений качественного показателя угля не ожидается. Для новых разрезов: Урюпского, Бородинского-2, Итатского-1, Итатского-2, Назаровского-3, еще не определены направления разрезных траншей, значит, невозможно предсказать изменения характеристик угля по мере отработки пласта.

Проведенный анализ показывает, что качество угля на всех разрезах, кроме Бородинского-1, будет изменяться. Наибольших примесей окисленных в товарном угле следует ожидать в ближайшие 20 – 30 лет, что объясняется наращиванием мощностей действующих разрезов и строительством новых.