Механическая-

• процеживание – сита, решётки,

• отстаивание,

• фильтрование,

Рис. Схема промышленного микрофильтратора:

1 — входная секция; 2 — мотор; 3 — узел промывочных форсунок;

4 — барабан; 5 —ткань из стальной проволоки; 6 — корпус;

7 — выходная секция

• выделение твёрдой взвеси при помощи центрифуг и гидроциклонов.

Рис. Вертикальная (а); горизонтальные с кольцевым движением

воды (б,в) и аэрируемая (г) схемы песколовок:

1 — подача сточной воды; 2 — выдача очищенной воды; 3 — воздухоотвод;

4 — воздухораспределитель; 5 — сборник всплывающих веществ;

6 — отвод всплывающих веществ

Рис. Схема горизонтального отстойника: 1 - камера хлопьеобразования; 2 — водосборный желоб; 3 — камера накопления осадка

Рис. Схемы радиального (а) и вертикального (б) отстойников:

1 — водосборный канал; 2 — гаситель; 3 — вращающаяся металлическая

гребковая ферма со скребками; 4 — труба для удаления осадка

Рис. Схемы гидроциклонов напорного (а) и с внутренним цилиндром

и конической диафрагмой (б): 1 — корпус; 2 — внутренний цилиндр; 3 — кольцевой лоток; 4 — диафрагма, а также блок напорных гидроциклонов (в)

и многоярусного гидроциклона с наклонными патрубками для отвода

очищенной воды (г): 1 — конические диафрагмы; 2 — лоток; 3 — водослив;

4 — маслосборная воронка; 5 — распределительные лотки;

6 — шламоотводящая щель

Физико-химическая –

• коагуляция – слипание мелкодисперсных частиц под воздействие коагулянта (соли аммония, железа, магния, известь, шламовые отходы и др.),

• флокуляция – вид коагуляции, коагулянт – природные органические и синтетические в-ва (полиакриламид, белки, полиэтилнамин и др.)

Рис. Схема вертикального сепаратора для флокуляции тонких осадков:

1 — коллектор отстоя; 2 — труба для слива отстоя; 3 — фильтрующие лотки;

4 — резервуары для выхода отработанной жидкости

• флотация(вакуумная, напорная) – прилипание к поверхности радела двух фаз – воздуха и воды – применяют поверхностно-активные в-ва (нефть, мазут, смолы, керосин и др.) + пенообразователь (тяжёлый пиридин, крезол, фенолы и др.),

• сорбция – поглощение вредных в-в твёрдым телом или жидкостью – сорбентом (зола, коксовая мелочь, торф, глины и др.),

• абсорбция – переход поглощённого в-ва с поверхности абсорбента в его объём с образованием раствора,

• адсорбция – поглощение в-ва в газообразном или твёрдом состоянии поверхностью адсорбентов (твёрдых или жидкостных) – активированный уголь, опилки, торф, шлак и др.

• хемосорбция – химическое взаимодействие растворённых в-в с твёрдым телом,

• диализ – способ отделения находящихся в растворе коллоидных частиц и макромолекул от солей и др. низкомолекулярных в-в,

• осмос – диффузия в-ва (растворителя) через непроницаемую перегородку (мембрану), разделяющую раствор и прницаемую для растворителя.

• ионный обмен – используется для извлечения из растворов металлов, др.

• эвапорация – отгонка с водяным паром, загрязняющих воду в-в.

Химическая очистка.

- нейтрализация – химическая реакция между в-ми с кислотными с-ми и щелочными (растворы кислот, щелочей, кальцинированной соды, аммиака, извести, мрамора, доломита и др.).

- окисление – воды обезвреживаются хлором, гипохлоридом кальция или натрия, хлорной известью, озоном, кислородом и др. Озонирование – окислительно-восстановительный потенциал – озона – 1,8, а хлора – 1,36. Озон получают в озонаторах, в которых воздух пропускают между двумя проводящими эл.ток поверхностями. Для смешивания жидкости с озонированным воздухом применяют – барботирование озоновоздушной смеси чрез фильтросы, - эжектирование в поток воды, - диспергирование пузырьков озоновоздушной смеси в воде импеллерами (мешалками). Дорог, большие затраты энергии.

Электрохимическая очистка –

- электролиз – химический процесс, происходящий при пропускании эл.тока через раствор электролита или расплавленный электролит,

- электрохимическое окисление – процесс присутствия в обрабатываемой жидкости неорганического электролита, который в результате электролиза и побочных реакций образует сильный окислитель,

- электродиализ – процесс разделения ионизированных в-в с помощью электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его пористой перегородки (мембраны).

Безусловное преимущество - одновременно с очисткой извлекается масса ценных в-в – при электролизе отработанных растворов после травления углеродистых сталей можно регенерировать 90 % использованной при травлении серной кислоты и несколько десятков грамм порошкового железа из 1 куб. м. сточных вод.

Биохимическая очистка –

Биохимическая очистка состоит в окислении органических примесей в водах с помощью микроорганизмов, способных в процессе своей жизнедеятельности разлагать их на на минеральные составляющие. В процессе брожения выделяется метан, который можно использовать как топливо.

Рис. Схема полной биохимической очистки сточных вод:

1 — решетка; 2 — песколовка; 3 — отстойник;

4 — резервуар с перегородками; 5 — отстойник; 6 — хлораторная;

7 — емкость с очищенной водой; 8 — илосборник; 9 — илонакопитель;

10 —камера брожения; 11 — камера сбора и дренажа осадка;

12 — газовый перегниватель

Термическая очистка –

- дистилляция (выпаривание) – получают концентрированные растворы, из которых выделяют сухой остаток для сжигания, захоронения или повторного использования,

- кристаллизация (вымораживание) – чистая вода при низких температурах образует кристаллы а оставшийся рассол с растворёнными в нём солями размещается в ячейках между этими кристаллами.

• Устройства и сооружения для очистки сточных вод горных предприятий.

Состав и св-ва шахтной воды – пять групп –

- главные (ионы - хлористые, сульфатные, гидрокарбонатные, карбонатные, натрия, калия, магния, кальция),

- растворённые газы – кислород, азот, диоксид углерода, сероводород и др.,

- биогенные элементы – соединения фосфора, азота, кремния,

- микроэлементы – соединения всех остальных хим.элементов,

- органические вещества.

Первичная очистка – вода поступает в систему решёток и сеток (процеживание, задержание крупных предметов), затем в песколовку и далее в отстойник.

Вторичная очистка – очистка от веществ в растворе.

Третичная очистка – удаляются элементы питания растений – соединения содержащие азот и фосфор – содержание их даёт бурный рост водорослей. Фосфор удаляется с помощью извести, солей железа и аммония. Доочистка активированным углём.

Рис. Общая схема очистки сточных вод

Рис. Схема завода по переработке сточных вод

Рис. Схема завода третичной очистки воды:

1 — миксер; 2 — первый сепаратор; 3 — страйнер; 4 — второй сепаратор;

5 — угольная колонка (две параллельно); 6 —хлораторы;

7 — бункер для угольной суспензии; 8 — резервуар для отработанного угля;

9 —печь для восстановления угля; 10 — резервуар гашения;

11 — хранилище регенерированного угля

Шахта "Байдаевская" закрылась около десяти лет назад. Проектом ликвидации пред­приятия были предусмотрены сооружение комплекса водоотлива с использованием погружных насосов, а также очистные сооружения шахтных вод. В 2004 году, как свидетельствуют официальные данные, Правительство РФ прекратило финан­сирование работ. После того, как затоп­ление остановленной шахты превысило критический уровень, забеспокоилось руководство "Южкузбассугля", поскольку начался переток воды с затопленных про­странств "Байдаевской" в шахту "Юби­лейная" (объем составил от ста до двухсот кубометров в час). Кроме того, возникла угроза аварийного прорыва воды, безопас­ности горняков "Юбилейной" и "Абашевской".

После грозного предупреждения Ростехнадзора о привлечении к ответственности конкурсный управляющий ГП "Шахта "Байдаевская" заключил договор с ОАО "ОУК Южкузбассуголь" нa обслуживание и эксплуатацию комплекса водоотлива. В середине 2007 года водоотлив был пущен в работу и началось понижение уровня затопления шахты - при недоде­ланной и потому бездействующей очистке стоков.

Сегодня погружные насосы выдают на земную поверхность ежечасно 500-600 тонн воды из ликвидируемой шахты. Это сотни тысяч кубометров инертной пыли, использованной в свое время для "осланцевания" горных выработок, а теперь постепенно вымываемой. Это остатки взрывчатки и прочей химии, остающейся в недрах, не говоря уже об угольной пульпе, которая выбрасывается

в ручей Байдаевку и самотеком идет в реку Томь. Между тем сама по себе Байдаевка пред­ставляет собой речушку разве что весной, во время интенсивного снеготаяния: в другое время она пересыхала бы естест­венным порядком, когда бы не шахта... То есть по руслу ее идут стопроцентные промстоки. Получается открытая канали­зация, прямотоком идущая к водозабору.

Водозабор Кузнецкой ТЭЦ находится в нескольких сотнях метров ниже по течению, и львиная доля стоков, попа­дающих из Байдаевки в Томь, попросту засасывается в систему водоподготовки и после очистки идет на подпитку системы горячего водоснабжения, попадает в краны горожан.

«То, что качество воды резко ухудши­лось, мы почувствовали прошлым летом, -сообщила замначальника по эксплуатации химического цеха Кузнецкой ТЭЦ Олеся Колесникова - Анализы показали содер­жание щелочной среды в два раза выше уровня, допустимого проектной документа­цией (строительство теплоэлектроцентрали завершилось в 1944 году). Для примера: в водозаборе Западно-Сибирской ТЭЦ этот показатель в пять раз ниже, чем у нас, за счет того, что загрязнитель размывается. Сегодня химводоподготовка Кузнецкой ТЭЦ работает на пределе возможностей. Но если процесс будет усугубляться - летом уровень воды в Томи снизится, а концент­рация химзагрязнителей вырастет. Даже не знаю, как мы сможем обеспечивать норма­тивное качество воды».

Данные химанализа поступающих в Томь сточных вод шахты "Байдаевская" свиде­тельствуют о значительном превышении предельно допустимых концентраций по целому ряду показателей. Так, мине­рализация в 2,2 раза выше ПДК, содер­жание алюминия превышает ПДК в 9 раз, железа - в 6 раз, натрия - в 7 раз, меди - в 3,5 раза. В целом сухого остатка в 2,24 раза больше допустимого.

Сброс сточных вод в Томь грозит главной артерии нашего региона и даже может вызвать изменение ее режима, снизить концентрацию кислорода до уровня, при котором может происходить гибель рыб, изменить РН в такой степени, что пострадает водная флора и фауна, а водоток станет непригодным для исполь­зования.

Сегодня на ТЭЦ в обра­батываемую воду для разрушения карбо­натной жесткости вводят двойную норму серной кислоты. При подкислении зна­чительно вырастает содержание сульфат-иона, что увеличивает агрессивность подпиточной и сетевой воды и, естественно, усиливает коррозионные процессы - как оборудования ТЭЦ, так и сетевых тру­бопроводов. В результате в воде, которой мы с вами моемся, стираем белье и моем посуду, увеличивается количество железа и растет цветность.

Кроме того, что если ситуацию с повышенной щелочностью не предот­вратить, то неизбежно появление и развитие сульфаторедуцирующих бак­терий в городских сетях (сульфат-ионы для этих микроорганизмов - питательная среда). Как следствие - затхлый, боло­тистый запах, который наблюдался и в прежние годы, когда ситуация с качеством водоисточника была не такой аховой, как сегодня...

Лекция № 9, ( 2 часа ).

Возраст планеты более 4,5 млрд. лет.

Площадь суши = 148 млн. км.кв. – 10 % ледники.

- 33,1 % - сельскохозяйственные угодья, - 30,1 % леса, - 36,8 «прочие земли».

Нарушение водного режима и неблагоприятные природные условия приводят к обеднению почвы питательными веществами, ухудшению её структуры и развитию водной и ветровой эрозии. Процесс эрозии разрушает самый плодородный (гумусовый) горизонт и весьма быстро – за годы или десятки лет ( на восстановление требуются тысячелетия).

Нерациональное воздействие человека на природу проявляется –

а) - деградации пастбищной растительности, в результате выпаса скота,

б) - дефляции (развеивании) лёгких песчаных почв, чему способствует вспашка земель. Гумусовый слой разрушается.

в) – дефляция закреплённых растительностью песков из-за вырубки кустарников для топлива, вырубке лесов и корчёвке корней при земляных работах – строительство дорог (вырубка леса на площади 1 – 1,5 ГА на 1 км дорог), строительные площадки при разработке месторождений, жилищном и подземном строительстве, прокладка трубопроводов, электрических коммуникаций, транспортных и оросительных каналов, больших водохранилищ, отходов призводства, горных отводов, при геологоразведке – транспортные коммуникации, аэродромы, перевалочные базы, промплощадки буровых и геологоразведочных работ и др.

г) – вторичное засоление почв и грунтовых вод из-за неправильного орошения земель. Так мелиоративные мероприятия, направленные на улучшение водного режима и почвенных условий, часто приводят к негативным последствиям. Осушение почв, создающее благоприятный режим аэрации почвы для растений, резкое понижение грунтовых вод на значительных территориях может вызвать гибель водораздельных лесов, корневая система которых развивалась при определённом уровне грунтовых вод. Переосушенные торфяники быстро теряют плодородие и могут стать материалом для «чёрных бурь».

д) – загрязнение воздуха и изменение водной среды.

е) – тундра,

• Охрана земель на горных предприятиях.

• Виды нарушения земель при разработке и обогащении полезных ископаемых.

-- Открытые – канавы ( дренажные работы ограждения пром площадок от затопления), -- траншеи – проходка подготовительных выработок, - отвалы.

-- Подземные – впадины и провалы.

-- Физическое – изменение режима почвенных и подземных вод, изменение ландшавта, деформация поверхности.

-- Механическое – загрязнение отвалов, шламохранилищ, пыль.

-- Химическое – технологические отходы, выброс в атмосферу вредных газов, естественное выщелачивание вредных элементов из отвалов и хвостохранилищ, радиоактивные руды.

Лекция № 10, ( 2 часа ).

• Рекультивация нарушенных земель.

-- Горнотехническая,

- селективное формирование отвалов с покрытием их поверхности плодород-

ным слоем.

- планирование поверхности отвалов, формирование террас.

- приведение в устойчивое состояние откосов, отвалов и бортов карьеров, их

террасирование.

- упрочнение поверхности отвалов от водной и ветровой эрозии (мелиориро-

вание, химукрепление).

- утилизация пород отвалов в промышленности и строительстве в качестве стройматериалов и наполнителей бетонов.

- ремонт нарушенных земель, их уплотнение и планировка.

-- Биологическая,

- временное озеленение, нанесение на поверхность биологически активного

слоя.

- нанесение на поверхность отвалов и других рекультивируемых земель плодородного слоя почвы, внесение удобрений.

- озеленение, подбор наиболее благоприятных пород деревьев, кустарников, трав.

- полное восстановление биологического потенциала нарушенных земель.

- постоянное проведение противоэрозийных мероприятий.

- восстановление эстетической ценности нарушенных территорий.

-- Экономические,

-- Другие.

Лекция № 11, ( 2 часа ).

• Экономика природопользования.

• Экономический ущерб от загрязнения окружающей среды – 1 часть.

Лекция № 12, ( 2 часа ).

• Экономический ущерб от загрязнения окружающей среды – 2 часть.

• Экономическое регулирование охраны окружающей среды.

По своей внутренней сущности товаропроизводитель сегодня не заинтересован в охране природы, т.к. экономически и технически он может произвести продукции больше и с меньшими затратами, если он не будет затрачивать средства на цели охраны окружающей среды.

Расходы на борьбу с загрязнением окружающей среды требуют больших затрат. В развитых странах они составляют до 3 % ВВП. В основном это государственные затраты.

Экономические механизмы могут решать две задачи:

- влиять на источник загрязнения, создавая положительные и отрицательные стимулы;

- формировать фонды, которые можно использовать для финансирования природоохранной политики.

Наилучший способ достижения требований качества окружающей среды заключается в совместном применении принудительных и экономических методов природоохранного регулирования.

Экономические методы воздействия.

- Ресурсное ценообразование.

- Дотации ( поощряются минимизация отходов, установка очистного оборудования, ресурсосбережение (земли, воды, почв и др.), повторное использование ресурсов, охрана ландшафтов и мест обитания животных, малоотходные технологии и пр.

- Правительственные дотации, субсидии,

- специальные фонды ( фонд помощи при разливах нефти США, Япония, в России в 1991 г. – создан Федеральный экологический фонд – источниками финансирования которого являются – платежи за загрязнение ОС + штрафы + иски за нарушение Законов по охране ОС). Фонд финансирует работы по созданию производств с утилизацией отходов, создание заповедников и их обустройство, экологическое воспитание и просвещение населения.

- льготные, низкопроцентные займы,

- налоговые кредиты,

- ускоренная амортизация очистного, ресурсосберегающего оборуд.

- Платежи и налоги:

- административные платежи – плата за лицензии, например на пользование на пользование участками для свалки мусора, на контроль за химикатами и др. Используется на содержание контрольных органов.

- платежи пользователей - в России платежи установлены за любые загрязнения. За те загрязнения, которые превышают установленные пределы, плата взимается по увеличенным тарифам.

- плата за стоки и выбросы или платежи за загрязнение – взимаются с учётом величины соответствующих стандартов на выброс.

- платежи за продукты с высокой степенью экологического риска ( применение пестицидов в сельском хозяйстве, экологически «грязную» продукцию, продукцию произведённую на экологически «грязном» производстве).

- дифференциация налогов – применение различных уровней налогов на изделия и вещества в зависимости от их экологической чистоты ( стимулирование производства и применение неэтилированного бензина).

- налог на энергоносители с содержанием углерода – применяются главным образом к топливам, используемым в транспортных двигателях.

Система возврата взносов ( налог – залог ) – пользователи платят завышенную плату, которая возмещается им после того, как продукт возвращен в систему сбора и утилизации (возврат бутылок, банок, шин, батарей и пр.) ,

Создание нового рынка:

- продажа лицензий на выбросы (прав на загрязнение), принцип заключается в ограничении суммарно допустимых выбросов в пределах географического района. Лицензии предоставляются предприятию или компании, которой разрешено продавать их другим компаниям или возмещать более высокие выбросы на своих предприятиях. Рынки разрешений (прав) на выбросы образуют конкурентную систему распределения прав на выбросы, создаваемую посредством купли-продажи прав после их начального распределения между участниками рынка. Цена определяется спросом и предложением.

- рынки воды (может стимулировать снижение расхода воды и сохранить её истощающиеся источники). Приватизация водоснабжения и введение цены на водопользование, уменьшает потери воды.

Экономическое принуждение:

- штрафы за невыполнение природоохранного законодательства,

- облигации, погашаемые при функционировании предприятий.

Страхование гражданской ответственности, компенсационные фонды:

- строгая ответственность,

- страхование гражданской ответственности за экологический ущерб,

- создание компенсационных фондов.

Экономические методы стимулирования носят принудительный и поощрительный характер.

Одним из направлений стимулирования природоохранной деятельности являются налоги. Налог – часть дохода предприятия (известная заранее), изымаемая в пользу государства. Это стимулирует максимально снижать уровень загрязнений, чтобы не платить налоги. Однако при этом предприятия с высокой себестоимостью борьбы с загрязнением предпочитают платить налоги, нежели заниматься охраной окружающей среды.

К одной из форм налоговой системы относятся прямые платежи, представляющие денежные выплаты источников загрязнения государству. В отличие от налогов платежи, устанавливаются для любого источника выбросов и взимаются только в случае, если выбросы превышают определённый, заранее установленный уровень.

Экономические методы ОС при правильном выборе дешевле и лучше.

Лекция № 13, ( 2 часа ).

-- Рациональное использование земных недр.

Россия занимает лидирующее место в мире по разведанным запасам природного газа, цинка, железной руды, никеля, кобальта, алмазов, устойчиво держит второе место по запасам нефти, апатитовых руд, золота, платины, калийных солей и третье место по запасам угля и меди.

В результате горных работ в природной среде возникают геохимические, гидрогеологические, химические, физико-химические, температурные изменения.

Также работы, связанные с добычей полезных ископаемых, подземным строительством, эксплуатацией подземных сооружений различного назначения, приводят к образованию и существованию свободного подземного пространства, наличие которого может иметь катастрофические последствия.

Земные недра используются; - для разработки МПИ и геологоразведки.

Особенностью горных работ является временный их характер; при истощении месторождения их производство прекращается.

В связи с этим горные работы целесообразно вести так, чтобы формируемые при этом новые ландшафты, выемки, отвалы, инженерные поверхностные и подземные комплексы могли бы в последующем с максимальным эффектом использоваться для других целей. Это обеспечит снижение вредного воздействия на окружающую среду и уменьшит затраты на её восстановление.

При разработке МПИ все минеральные ресурсы подразделяются на три группы

-- главные – те минеральные ресурсы, добыча которых – основная цель.

-- сопутствующие – те минеральные ресурсы, входящие в состав добытого минерального сырья, отделение которых на стадии добычи технически невозможно или экономически невыгодно.

-- попутно извлекаемые – те минеральные ресурсы, извлечение которых из недр осуществляется вынужденно при выполнении определённых технологических операций. В ряде случаев после их накопления они могут стать сырьевой базой для ряда производств, в будущем. Они могут оказать существенное экологическое влияние на ОС. Поэтому их рациональное использование и охрана – важная задача.

Одна из важнейших характеристик при оценке эффективности использования месторождений полезных ископаемых – кондиции на минеральное сырьё, которые представляют собой совокупность требований к качеству полезных ископаемых в недрах ( запасы, качество, доступность и т.д.).

-- Комплексная разработка месторождений полезных ископаемых.

Все месторождения полезных ископаемых являются комплексными: они содержат основные и попутные (сопутствующие, совместно залегающие) полезные ископаемые. Под комплексным использованием месторождения понимается извлечение из недр, в пригодном для употребления состоянии основных и совместно сними залегающих полезных ископаемых.

Использование отходов горного предприятия.

Твёрдые – для улучшения химических, физических, биологических свойств почв,

при рекультивации, восстановлении ландшафтов, в дорожном строи-

тельстве, в строительстве, в качестве сырья в промышленном произ-

водстве, извлечение полезных ископаемых при переработке породних

отвалов.

Жидкие – (ограниченно) для бытовых нужд, для седьскохозяйственных нужд,

для промышленного водоснабжения.

Газообразные – для выработки электроэнергии, для отопления.

-- Геотехнологии.

Это - химические,

• физико-химические,

• биологические

• и микробиологические

методы извлечения полезных ископаемых на месте их залегания.

Лекция № 14, ( 2 часа ).

-- Комплексное использование минерального вещества.

Новокузнецкий цементный завод был создан в 1943 году как помольная установка для производства цемента на основе доменных шлаков КМК.

В отдельные годы перерабатывалось до полутора миллионов тонн шлаков в год, а в среднем миллион. Ежегодно забирается четверть от выпускаемых шлаков городских металлургических производств.

Завод работает практически полностью на отходах, то есть товарного сырья, как такового, нет. Доменные шлаки КМК поступают на цементный завод после выпуска из доменной печи огненно-жидкими, минуя все отвалы.

Остывший шлак металлурги перерабатывают на строительный щебень.

Одной из составляющих многокомпонентной сырьевой смеси для производства цементного клинкера является известняк. Он поступает на НЦЗ с Гурьевского месторождения в виде отсевов, которые образуются при производстве сырья для металлургии.

С ферросплавного завода поступают отсевы кварцитов, с ЭСПЦ-2 КМК – колошниковая пыль, улавливаемая в газоочистках цеха.

Сейчас изучается возможность утилизации сталеплавильных шлаков, чтобы как можно меньше отходов отправлять в отвалы.

Согласно отчёта Красноярского научно-исследовательского института «СибНИИцемент», по исследованию и подбору оптимальных технологических параметров производства цемента с использованием горелых пород в качестве минеральной добавки – возможно использование горелых пород с террикоников шахт, которых в Кузбассе десятки миллионов тонн. Так как по «химии» подходят, содержат до 15% окислов алюминия, до 60% кремнезёма.

Таким образом, НЦЗ является единственным цементным заводом в РФ, который работает полностью на отходах, не имея своих карьеров и разработок, нарушающих природную среду.

Информация к размышлению – в России производится чуть больше 50 млн. тонн в год, а потребность строительного комплекса России – около 80 млн. тонн.

Лекция № 15, ( 2 часа ).

-- Использование попутно добываемого минерального вещества.

-- Утилизация отходов обогащения и шламов.

Лекция № 16, ( 2 часа ).

-- Добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов.

Океан может служить дополнительным источником получения минерального сырья. Во всем объеме воды Мирового океана, равном 1,37 млрд км², содержится 5 • 10¹⁶ различных элементов и соединений, или столько твердого вещества, что оно покрыло бы всю поверхность суши слоем толщиной до 200 м.

В настоящее время треть поваренной соли, добываемой во всем мире, получают из морской воды. Помимо нее из морской воды до­бывают бром, магний, другие элементы. Поскольку около 99 % бро­ма сконцентрировано в морской воде, разработана технология прямо­го осаждения брома непосредственно из нее без предварительного его концентрирования.

Всего в морской воде находится 60 % химических элементов, но большинство из них в малой концентрации, что затрудняет их из­влечение. Однако некоторые живые организмы способны накапли­вать в миллионы раз больше химических элементов, чем их содер­жится в морской воде на единицу массы. Выяснение механизма по­глощения организмами отдельных элементов позволит в будущем извлекать из морской воды медь, ванадий, золото, олово, серебро и другие металлы, что представляет собой одну из увлекательнейших проблем бионики.

В океане золото находится в чрезвычайно рассеянном состоя­нии. Его среднее содержание в океанской воде составляет около 0,005 мг/т; в различных типах донных отложений - в тысячи раз боль­ше (1... 8 мг/т); и только в металлоносных осадках, обогащенных гидроксидами железа и марганца, содержание золота достигает 10...20 мг/т. Поэтому его можно эффективно извлекать только после предвари­тельного концентрирования вод, например в процессах опреснения (с помощью атомного опреснителя, как на Мангышлакском заводе в Казахстане).

Основным видом руд глубоководной зоны океана являются железомарганцевые конкреции, ресурсы которых достигают 10¹²т. Их глав­ное богатство — никель, кобальт и медь. В качестве сопутствующего металла может извлекаться и золото (его содержание в отдельных пробах достигает 50... 70 мг/т).

В 60-е годы во впадинах осевой части Красного моря были откры­ты рудные рассолы и рудные илы, состоящие из чередующихся гид­рооксидных и сульфидных прослоев, обогащенных железом, цветны­ми металлами, а также золотом (гидрооксидные - до 0,6 г/т, сульфид­ные—до 1,1 г/т).

Позднее в океане были обнаружены и вполне кондиционные сульфидные руды, близкие по составу к континентальным. Они представлены в основном пиритом, халькопиритом и сфалеритом с примесью золота (0,1 ...0,2 г/т) и серебра (до 300 г/т). В этих рудах золото находится в самородном виде и имеет форму мельчайших (доли микрометра в поперечнике) округлых частиц. Микрозондовые анализы показали наличие в них серебра (до 23 %) и платины (до 1 %).

В ходе дальнейших исследований были выявлены участки суль­фидных руд с повышенным содержанием золота. При детальном ана­лизе их оказалось, что участки, обогащенные медью и молибденом, содержат до 0,2 г/т золота; обогащенные цинком, барием и крем­неземом - до 0,8 г/т; свинцом, серебром, мышьяком и сурьмой - бо­лее 1,2 г/т. Таким образом, максимальные концентрации золота свя­заны с сульфосолями Pb, Ag, образующимися в кремнистой массе.

Минеральное сырье добывают также на морских побережьях, в зоне шельфа и со дна океана. Например, более 80 лет ведется добыча золота на пляжах близ Нома на Аляске. На юго-западном побережье Африки со дна моря добывают алмазы, принесенные рекой Оранже­вой, текущей через алмазоносные провинции континента. На неко­торых побережьях встречаются ракушечные пески, которые исполь­зуют для производства цемента или извести.

В зоне шельфа или материковой отмели имеется значительное количество полезных минералов, разрабатываемых во многих странах. Довольно часто в этой зоне встречаются фосфориты, пригодные для изготовления фосфорных удобрений.

В настоящее время фосфориты добываются исключительно на суше, но при исчерпании их запасов можно перейти к получению минералов из океана.

Добыча песка и гравия превращается для многих городов в серь­езную проблему, поскольку сооружение песчаных и гравийных карь­еров в прилегающих к городу районах весьма нежелательно (порча ландшафтов, зон отдыха, уменьшение территории пригородных сель­скохозяйственных предприятий, запыление воздуха и т.п.). В буду­щем морское дно может служить основным источником песка и гра­вия для строительной промышленности прибрежных областей. Это­му способствуют как сравнительно низкие издержки на транспорт, так и прогрессирующее истощение залежей материалов на континен­тах близ центров потребления.

Под морской водой в глубинах шельфа во многих местах найдены запасы нефти: около берегов Калифорнии, в Мексиканском заливе, в Персидском заливе, в России — в Каспийском море, Охотском море, континентальном шельфе Северного ледовитого океана. Основное вни­мание следует уделять тому, чтобы не повредить окружающей среде при добыче нефти в море, в противном случае может быть нанесен колоссальный ущерб рыбному хозяйству. Область шельфа стала ис­точником и других минеральных ископаемых. В Англии, Японии, Канаде, Финляндии, Австралии из подводных шахт добывают камен­ный уголь, руды железа, меди, никеля, олова; из недр дна Мексикан­ского залива— серу.

Дно глубинного моря может дать человеку очень много ценного минерального сырья.

Биогенные илы подразделяются на две группы:

— известковые, покрывающие около 128 млн км² океанского дна. Темпы накопления известковых илов в океане — 1,5 млрд т/год, что в 8 раз превышает ежегодное мировое потребление известняка;

— кремнистые.

Если 10 % залежей илов на океанском дне окажутся пригодными для эксплуатации, то их запасов хватит на 10 млн лет. Кроме того, илы океана представляют собой огромные и возобновимые ресурсы..

С экономической точки зрения важны также другие возобновимые ресурсы — марганцевые конкреции, в которых помимо марганца со­держится никель, кобальт, медь, молибден, свинец, цинк, цирконий, ряд редких металлов, железо, алюминий, титан, магний, ванадий. Если только 10 % этих конкреций окажутся экономически рентабель­ными для разработки, то количества металлов будет достаточно для обеспечения потребностей человека в течение многих лет.

Тщательное изучение возможностей извлечения возобновляемых ресурсов недр из Мирового океана позволяет найти способы предот­вращения истощения ценных ресурсов и таким образом защитить природную среду от негативных последствий антропогенного вмеша­тельства в биосферу.

Глубоководная добыча – добыча конкреций, руд, металлоносных илов и рассолов с морского дна при глубине воды свыше 2000 м.

Для глубоководной добычи применяют добычные установки и плавсредства водоизмещением в десятки тысяч тонн, на которых размещены грузоподъёмные средства, энергоисточники, склады полезных ископаемых, помещения для обслуживающего персонала и др.

При глубоководной добыче сбор конкреций, илов, рудных отложений, отделение их от вмещающих пород (или всасывание металлоносных илов, рассолов) и подача в бункер подводной установки осуществляются агрегатом сбора, черпаками или драгой-волокушей.

Агрегат сбора включает: собирающий механизм (гидравлический, шнековый, роторный, вибрационный, качающийся, сгребающий, черпаковый, комбинированный собирающий), приводы, устройства для наблюдения, управления и контроля, осветительную аппаратуру, систему аварийного всплытия, коммутационные сети, кабельные линии, а также шасси (гусеничное, колёсное, цепное, шагающее, комбинированное и др.).

Для подъёма добываемого материала используются гидравлические,

механические, а также автономные и комбинированные установки.

Подъём пульпы гидравлическими установками осуществляется за счёт прокачки воздуха (эрлифтные установки); перекачивающими грунтовыми насосами, размещёнными последовательно по длине трубопровода (землесосные установки); перемещение загруженных контейнеров по трубопроводам (трубопроводно-контейнерная установка); заполнением заглублённого полого элемента пульпой, которая разделяется на твёрдую и жидкую фазы, перекачиваемые соответственно на транспортное судно и за борт (установка с подводной камерой). Уменьшение скорости движения пульпы достигается увеличением диаметра трубопровода у поверхности. Для выделения воздуха из пульпы служат воздухоотделители. Отличительной особенностью добычных установок при глубоководной добыче является значительная длина транспортных магистралей. Поэтому при гидравлическом подъёме устанавливают движители, спрямляющие линию трубопровода, на который влияют подводные течения, движение добычного судна и агрегата сбора.

При механическом подъёме используются главным образом тяговые канатные устройства с канатами, снабжёнными черпаками или тралами (канатно-скиповая установка).

Глубоководная добыча с автономными установками подъёма основана на применении различных аппаратов переменной плавучести, которые совершают челноковые рейсы между добычным судном и дном или агрегатом сбора, осуществляя подъём добытого материала в своих трюмах ( тип подводных лодок).

Осложняющие факторы при глубоководной добыче; тонкая дисперсность глубоководных отложений, их малая несущая способность и прочность на сдвиг, значительное давление на большой глубине, взмучиваемость донного грунта, волнение, течения, перепады температур от поверхностных до придонных слоёв воды и др.

Промышленная эксплуатация глубоководных месторождений твёрдых полезных ископаемых требует решения не только технических проблем, но разработки и соблюдения международных норм и правил с учётом экологических аспектов глубоководной добычи в Мировом океане.

• Технология извлечения –

• россыпей,

Разработка россыпей производится преимущественно открытым способом (дражный, скреперно-бульдозерный и гидравлический). По эффективности добычи золота из россыпей лучшим является дражный способ, менее экономичны скреперно-бульдозерный и гидравлический.

Подземная разработка россыпей в 1,5 раза дороже дражного способа; в России её применяют на глубоких россыпях в долинах бассейнов рек Лена и Колыма.

Россыпные месторождения – образовавшиеся в процессе физического выветривания коренных горных пород и химического воздействия на них различных факторов, в результате чего коренные породы распались на отдельные куски различной крупности или превратились в глину.

Из россыпей золото извлекали промывкой песков на щитах, поверх которых укладывали шкуры животных с подстриженной шерстью (для улавливания крупинок золота), а также при помощи примитивных желобов, лотков и ковшей.

По характеру образования россыпные месторождения разделяются на;

• Элювиальные – образуются на месте разрушенных коренных пород и перекрывают их – характеризуются несортированным материалом, состоящим из крупных обломков коренных пород и глины.

• Делювиальные – слагаются из материалов, перемещённых на некоторое расстояние от коренного месторождения.

• Аллювиальные – образуются в результате переноса разрушенного материала коренных пород водными потоками на значительные расстояния.

• Береговые – образуются в результате обрушения берегов, в недрах которого находилось коренное месторождение полезного ископаемого

• Ледниковые – образуются в горных породах путём переноса и накопления обломочного материала сползающего с гор ледниками.

• Эоловые – образуются в результате переносе элювиальных россыпей силой ветра.

Основными ценными минералами в россыпных месторождениях ранее считалось самородное золото и платина, в настоящее время разрабатываются также россыпи, содержащие алмазы, касситерит, ильменит, монацит и др.

Перечисленные месторождения образуют или самостоятельные россыпи или находятся в качестве спутников в золото-платиновых россыпях.

Кроме этих минералов часто в качестве спутников встречаются циркон, гранат, киноварь, шеелит, вольфрамит, рутил, магнетит, хромит и др. В отдельных случаях содержание этих минералов может представлять промышленный интерес.

- конкреций,

Это минеральные образования округлой или эллипсоидальной формы в осадочных горных породах или современных осадках.

Центрами стяжения могут быть зёрна минералов, обломки пород, раковины, зубы и кости рыб, остатки растений и др.

Из разнообразных форм конкреций преобладают широковидные (реже эллипсоидальные, дискообразные) и неправильные – сростковые.

По строению чаще встречаются концентрически-слоистые (скорлуповатые), грубополосчатые, радиально-лучистые (сферолитовые) и глобулярные конкреции.

Они состоят обычно из карбонатов кальция (кальцита, реже арагонита), оксидов и сульфитов железа, фосфатов кальция, гипса, соединений марганца, а в известняках часто из кремнекислоты (кремнёвые желваки).

Размеры конкреций колеблются от долей мм (микроконцентрации) до десятков см и даже 1м.

Конкреции встречаются в отложениях различных геологических систем и в осадках современных озёр, морей и океанов.

На поверхности дна Тихого, Атлантического и Индийского океанов установлены значительные скопления ЖЕЛЕЗО-МАРГАНЦЕВЫХ конкреций (около 10% всей площади океанического ложа), представляющих важный ресурс минерального сырья.

- илов и др.

Лекция № 17, ( 2 часа ).

• Тепловые ресурсы земных недр.

Окружающий мир меняется. Сегодня пре­обладающее влияние на него оказывает человек со своим промышленным развитием и острой потребностью в энергии. В то время как в новых промышленных и развивающихся странах потребление энергоносителей, в осо­бенности таких традиционных видов, как уголь, нефть и газ, возрастает, в давно сложившихся промышленно развитых государствах начина­ется процесс постепенного переосмысления. На нижеприведённом примере видны возможности использования в будущем высвобождающихся промышленных площадей с учетом их конкрет­ного местонахождения и близости к городским застройкам для производства энергии на базе новых экологически приемлемых источников энергии. Рассмотрим такие виды энергоресур­сов, как геотермальная энергия, метан, биомас­са, энергия ветра и солнечная энергия.

Более ста лет добыча каменного угля была гарантом надежного энергоснабжения Герма­нии. В условиях постепенного сворачивания камен­ноугольной промышленности и с учетом принятого теперь решения о завершении в 2018 г. субсидиро­вания отрасли, независимо от результатов пересмо­тра этого решения в 2012 г., процесс структурных изменений в регионах бывших горных разработок пойдет более ускоренными темпами, чем раньше.

До сих пор придерживались и сейчас придержи­ваются стратегии размещения предприятий логи­стики, промышленных предприятий, предприятий малого и среднего бизнеса на бывших горнопро­мышленных территориях. В центре внимания на­ходятся также варианты создания рекреационной инфраструктуры или современных жилых комплек­сов. Новым является вопрос использования возоб­новляемых видов энергии в регионах бывших гор­ных разработок.

Все условия для этого есть, так как в 2007 г. ни одной теме в мире не было уделено столько вни­мания в средствах массовой информации, сколько проблеме изменения климата и растущей во всем мире потребности в энергии. Толчком к такому об­суждению, с одной стороны, послужила информа­ция, содержащаяся в отчете по проблеме измене­ния климата IPCC (Межправительственной группы экспертов по изменению климата), в соответствии с которой катастрофа вряд ли предотвратима, если сохранятся тенденции развития последних лет. С другой стороны, в таких развивающихся странах, как Китай и Индия, потребность в энергии растет. Уже в течение долгого времени сохраняются высо­кие темпы роста экономики Китая, а вместе с нею возрастает и энергетический голод страны. Экспер­ты считают особенно тревожным в связи с глобаль­ным потеплением тот факт, что Китай, хотя и присо­единился к Киотскому протоколу о защите климата, тем не менее, еще не взял на себя конкретных обя­зательств по сокращению эмиссии парниковых га­зов. Это же утверждение справедливо и для других густонаселенных развивающихся стран, таких как Индия. Бесспорно, что в мире тема «Защита клима­та» имеет наивысший приоритет, хотя этот вопрос в научных кругах вызывает острые дискуссии.

Совместно действуют два фактора: с одной сто­роны, необходимость сокращения объемов эмиссии СО₂ и, с другой стороны, рост выбросов двуокиси углерода именно в развивающихся странах. Есть на­стоятельная потребность в комплексном подходе к проблеме.

В так называемых старых промышленных странах происходит процесс переориентиров­ки взглядов в сторону активизации использования новых, т.е.возобновляемых видов энергии. Герма­ния и ЕС должны стать первопроходцами в деле принятия современных решений в области сокра­щения эмиссии СО2.

Использование традицион­ных энергоносителей должно быть признано пока уступкой развивающимся странам, которые явля­ются в некотором роде «рабочими мастерскими» мира. Только стремительное экономическое разви­тие этих стран обеспечит достаточный потенциал для того, чтобы применить и там, в обозримом бу­дущем, экологически чистые и экологически при­емлемые решения.

В течение последующих лет более пристальное внимание будет сосредоточено на такой теме, как возобновляемые виды энергии. Однако фактором, ограничивающим использование этих видов энер­гии, будет фактор наличия достаточных площа­дей. На организованной Энергетическим агентством земли Северный Рейн-Вестфалия, Дюссельдорф, специализированной конференции Fachkongress Zukunftsenergien, почти в каждом докладе указыва­лось, что, особенно при использовании биомассы, наибольшей проблемой может стать доступность такого ресурса, как площадь. В Германии, чтобы обеспечить долю биотоплива на уровне 10 %, по­требовалось бы около половины имеющихся в на­стоящее время сельскохозяйственных площадей засадить только так называемыми энергетически­ми растениями первого поколения.

Уже теперь возобновляемые виды энергии явля­ются неотъемлемой составной частью экономики. В прошлом году примерно 16 млрд евро в Герма­нии были инвестированы в развитие этого направ­ления. По оценкам представителей отрасли, в период до 2010 г. только в Германии будет создано дополнительно 60 000 новых рабочих мест. Не по­следнюю роль в обеспечении финансовой под­держки со стороны государства, а также земель, городов и общин играет, в частности, Закон о сти­мулировании использования возобновляемых энер­горесурсов (EEG).

Бывшие горнопромышленные площади в Рурском и Саарском бассейнах, а также в других традицион­ных регионах угледобычи в Германии, должны стать интегральной частью этого развития. Такие класси­ческие направления развития, как промышленное производство, логистика или жилищная сфера от­ходят на второй план. Необходимо усилить внима­ние к вопросам иного использования этих площадей для освоения регенеративных видов энергии. Пред­посылки для этого весьма благоприятны. Зачастую имеются в наличии хорошие транспортные соеди­нения - дороги, рельсовые пути или каналы. Речь идет в большинстве случаев об участках большой площади, которые предназначаются для интенсив­ного использования, например, для выращивания биомассы. Потребительский потенциал находится при этом в непосредственной близости или может быть создан на месте. Жилые районы или районы развития малого бизнеса не в последнюю очередь за счет использования возобновляемой энергии по­лучат заметные выгоды. Также нельзя еще раз не сказать о неоднократно упоминавшемся синергетическом эффекте, так как этот эффект охватывает как производителя электроэнергии и поставщика сырья, так и покупателя энергии, а также, конечно, проектировщика и собственника используемой площади (рис. 1).

Возможности для применения разнообразны. Пе­ревод земель, занятых ранее горнопромышленны­ми предприятиями с «черного» на «зеленое золо­то» - не просто благочестивое желание, а реальная практическая деятельность.

В основном можно выделить пять различных форм (рис. 2):

-- использование теплоты земных недр (геотер­мальная энергия);

-- утилизация метана;

-- выращивание биомассы на больших площадях;

-- производство солнечной энергии и энергии ве­тра.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия, или теплота земных недр, представляет собой тепло, аккумулированное в доступных частях Земли. Так как оно удовлетво­ряет критерию устойчивости, оно относится к реге­неративным видам энергии. Геотермальная энергия - это энергоресурс, пригодный к использованию в течение долгого времени. Теоретически за счет за­пасов тепла, аккумулированного в верхней трехки­лометровой зоне земной коры, можно было бы обе­спечивать современные потребности мира в энергии в течение более 100 000 лет (рис. 3).

Геотермальная энергия может использоваться для выработки тепловой и электрической энергии. Различают в основном близкое к поверхности и глубокозалегающее тепло.

Геотермальная теплота с глубины примерно 5 – 10 м имеет однородную температуру и в боль­шинстве случаев с помощью тепловых насосов подается непосредственно для обогревания или охлаждения.

Геотермальная энергия глубокого залегания де­лится на энергию с высоким и низким теплосодер­жанием.

Месторождения с высоким теплосодержанием приурочены к тепловым аномалиям, как правило, связанным с вулканической активностью; это тепло используется во всем мире для выработки электро­энергии. Месторождения с низким теплосодержа­нием, которые, к примеру, имеются в Руре и Сааре, можно разделить в соответствии со следующими ви­дами использования геотермальной энергии.

Гидротермальные системы, в которых термаль­ная вода циркулирует в грунтовом слое между дву­мя скважинами.

Петротермальные системы, так называемые су­хие нагретые породы, в которых специально вве­денный теплоноситель циркулирует по трещинам и разломам между двумя глубокими скважинами.

Система глубоких геотермических зондов, в кото­рой среда-носитель циркулирует в замкнутом кон­туре внутри скважины.

Добыча геотермальной энергии при строитель­стве туннелей (широко распространенный способ в Швейцарии и Австрии), а также из глубоких шахт.

Сочетание геотермальной энергии с возможно­стями использования участков бывших горных раз­работок можно рассматривать как идеальное.

При использовании рудничной воды в качестве тепло­носителя главными объектами затрат являются ин­вестиционные затраты, например, связанные с бу­рением глубоких геотермических скважин, а также текущие эксплуатационные расходы. Энергия сама по себе поступает в распоряжение, казалось бы, бес­платно. Если для доступа к рудничной воде восполь­зоваться бывшими шахтными стволами, то можно за­метно снизить объем капиталовложений. Разумеется, уже при засыпке или санировании шахтных стволов необходимо обеспечить доступ к рудничной воде и, таким образом, сохранить их для возможного геотер­мического использования. Помимо экономии затрат на вскрытие и эксплуатацию дополнительные преи­мущества состоят в том, что за счет обширных под­земных гидравлических соединений в пределах ка­менноугольных бассейнов обеспечивается доступ к практически неограниченному геотермическому по­тенциалу, температура которого остается постоян­ной круглый год.

Геотермальная энергия существует всегда, независимо от времени дня и сезона, а также независимо от погоды. Геотермальная энергия может служить, таким образом, в качестве базового энерго­носителя. Рудничная вода с температурой от 25 до 40 °С насосами подается на поверхность. В теплооб­меннике вода отдает свое тепло. Затем вода через вторую находящуюся на достаточном удалении сква­жину снова закачивается в массив. Старые шахтные стволы идеально для этого подходят. Относительно небольших затрат требует использование уже име­ющихся трубопроводов, либо разбуривание старых трубопроводов или засыпанных стволов.

Еще одна возможность состоит в том, чтобы ис­пользовать воду из имеющихся систем рудничного водоотлива в энергетических целях, отбирая теп­ло с помощью теплообменника. В качестве приме­ра можно привести открытие недавно Школы ме­неджмента и дизайна на шахте «Цолльферайн» в Эссене. Хотя шахта «Цолльферайн» закрыта еще в 1986 г., здесь ведется добыча энергии будуще­го. Энергия, необходимая для работы помещений школы, производится на базе тепла, забираемого из рудничного водоотлива, и используется зимой в отопительных системах, а летом для кондициони­рования помещений.

В развивающемся промышленном районе на ме­сте бывшей шахты «Реден» в Сааре предпочтение теперь отдается геотермической энергии. Здесь должна быть реализована концепция «близкого» тепла, предусматривающая снабжение теплом, от­даваемым рудничной водой, которая подается с по­мощью надежных и дешевых тепловых компресси­онных насосов. Для защиты от пиковой нагрузки должны использоваться котел на древесной щепе и котел на жидком топливе. Такая система теплоснаб­жения, которая устанавливается на трех надежных стойках, после завершения строительства сможет обеспечить непрерывное местное теплоснабжение в объеме нескольких мегаватт.

Кроме того, в бывших ахенском и нидерландском каменноугольных бассейнах уже есть конкретные планы по использованию геотермальной энергии. В нидерландском городе Геерлене реализуется так на­зываемый проект «Шахтная вода» (Minewater-Project) силами международного партнерства, в которое вхо­дят нидерландские, французские, английские и не­мецкие организации. Цель проекта - показать, что добыча геотермальной энергии из бывших шахт яв­ляется надежным и экологически приемлемым спо­собом получения энергии. Первый реальный пилотный проект уже реализуется в настоящее время в Геерлене. Новый городской жилой квартал пример­но на 700 квартир будет снабжаться геотермальным теплом, добываемым на бывшей голландской камен­ноугольной шахте. В настоящее время на ней ведут­ся необходимые буровые работы.

В задачи MGG входит поиск тех, кто заинтересо­ван в использовании участков, занятых в прошлом горнодобывающими предприятиями в Руре и Саа­ре, которые пригодны для создания системы энер­госнабжения на базе геотермической энергии. К ним относятся энергоемкие предприятия, которые испытывают круглогодично высокую потребность в энергии, такие, например, как тепличные хозяйства или объекты, предназначенные для организации досуга, например, бассейны. Следует учесть также теплоснабжение сельскохозяйственных площадей, что уже практикуется в Нидерландах.

Использовать геотермическую энергию планиру­ется также на шахте «Хаус Аден 1/2» в Бергкамене. Уже сейчас здесь для производства электроэнергии применяется метан, но все же без утилизации ге­нерируемого тепла. В будущем производство этой энергии можно было бы совместить с получени­ем геотермальной энергии из системы водоотли­ва шахты «Ост», принадлежащей компании «Дойче Штайнколе АГ» (ДСК). В рамках реализации программы «Wasserstadt Haus Aden» теплом будет снабжаться не только запланированный городской жилой массив на 400 квартир, но и центр водолаз­ного спорта, спортивный зал на побережье, а также спацентр с термальным источником.

Геотермаль­ная энергия для таких энергоемких потребителей, связанных с организацией досуга, является прак­тически идеальным вариантом, так как она имеется почти в неограниченном объеме, а температура по­стоянна. В настоящее время готовится инженерно-техническое и экономическое обоснование проек­та геотермического использования рудничной воды в районе шахты «Хаус Аден».

В целом, помимо чисто энергетических преиму­ществ, использование геотермальной энергии обеспечивает улучшение имиджа энергетики, так как не вызывает эмиссии вредных веществ. В сочетании с другими возобновляемыми видами энергии, такими как биомасса или пластовый метан, геотермальная энергия представляет собой недорогой, экологиче­ски целесообразный и надежный первичный энерго­носитель для производства электроэнергии с отбо­ром и использованием тепла, например, в системах централизованного теплоснабжения.

Метан

Выделение метана (СН₄) происходит в процессе добычи каменного угля. До сих пор метан всегда был врагом горняков. Сегодня метан находит свое полезное применение. Выделяющийся из закрытых шахта метан влияет на окружающую среду, способ­ствуя созданию сильного парникового эффекта, по­этому он входит в состав парниковых газов, пере­численных в Киотском протоколе. Роль этих газов в решении проблемы защиты климата уже хорошо известна, поэтому в течение десятилетий благо­даря каптажу и сжиганию метана обеспечивается не только более эффективная отработка каменно­угольных месторождений, но и вносится существен­ный вклад в охрану окружающей среды.

Извлекаемый через засыпанные шахтные ство­лы метан сжигается в блочных теплоэлектростан­циях и превращается в электрическую энергию. В настоящее время тепло отработавших газов отби­рается только на нескольких предприятиях, так как прогнозы относительно возможных объемов извле­чения СН₄, а также срока службы установок по ути­лизации метана в основном ненадежны.

Уже сейчас в эксплуатации находится 58 блоч­ных теплоэлектростанций в бывших районах горно­добывающей деятельности в земле Северный Рейн-Вестфалия, которые ежегодно производят почти 500 млн кВт-ч электроэнергии. Это соответствует потребности примерно 170 000 домовладений. На упоминавшейся уже шахте «Хаус Аден» в Бергкамене можно было бы использовать метан в сочета­нии с геотермальной энергией.

Биомасса

Биомасса рассматривается как негласная звезда среди возобновляемых видов энергии. Она - един­ственная из этих энергоносителей - может стать

первичным энергоносителем для производства как электрической и тепловой энергии, так и жидкого топлива. Кроме того, ее можно изготовить тогда, когда потребитель в ней нуждается (рис. 4).

Понятие биомассы охватывает все материалы органического происхождения, к которым относят­ся растения и животные, их остатки, отходы и по­бочные продукты, которые получены в результа­те одного или нескольких превращений.

Биомасса - это наиболее часто используемый и универсаль­ный регенеративный энергоноситель. Биомасса считается старейшим источником энергии в исто­рии человека, и еще не все ее значительные воз­можности изучены.

Продукты биомассы можно подразделить в зави­симости от происхождения на следующие классы:

-- органические отходы, такие как биомусор, опил­ки или осадок сточных вод;

-- органические побочные продукты, например, навозная жижа;

-- остатки урожая, такие как солома или остатки лесной древесины;

-- энергетические растения, например, китайский камыш (или мискантус китайский).

Выработка электроэнергии происходит либо в процессе сжигания, либо в процессе производства биохимического газа.

Каковы же возможности использования биомас­сы в бывших горнопромышленных районах? Су­ществует большое разнообразие отраслей, кото­рые связаны с производством и сбытом, а также выработкой электроэнергии из биомассы. Поэто­му производители электроэнергии могут самосто­ятельно выбрать места, пригодные для размеще­ния биоэнергетических установок. Дополнительные возможности появляются при размещении пред­приятий, занимающихся торговлей лесом или дере­вообработкой. Более того, обширные бывшие про­изводственные площади, для которых невозможно найти более полезного применения, могут исполь­зоваться для выращивания дополнительных объ­емов сырья. Далее, бывшие усреднительные или круговые склады являются идеальным решением для организации процессов сушки, складирования и перемешивания биогенного топлива, предназна­ченного, например, для производства древесных гранул, древесной щепы или каминной древесины. Возможностей много, при этом логическая увязка всей цепочки создания стоимости от производства биомассы вплоть до выработки электроэнергии на некоторой площади создает дополнительный синергетический потенциал.

Уже сейчас в энергетике Германии ощущается все возрастающая ограниченность сырья, в част­ности, для производства древесной, а также зла­ковой биомассы. С одной стороны, важно то, что спрос на древесину для ее непосредственного ис­пользования заметно возрос, что повлекло за со­бой значительное повышение цен на это сырье. По прогнозам ожидается дальнейшее повышение цен. Еще одна причина состоит в том, что из-за транс­портных расходов биомассу можно перевозить до потребителей, например, до электростанций, нахо­дящихся только на небольшом удалении. В плот­но заселенных регионах, таких как Рурский район, более ощутима проблема доступности сырья, чем в сельских, богатых лесом регионах.

На этот дефицит сырья уже откликнулись многие сельские хозяйства, которые в последние годы пере­ориентировали свое производство на выращивание биомассы для применения ее в энергетике. Кроме того, все большую роль в сельском хозяйстве играет выращивание древесной биомассы, например, ивы или тополя. В целом складывается впечатление, что сельскохозяйственное производство биомассы по­служит дальнейшему развитию рынка.

Однако такая переориентация рынка ведет к усилению конкурентной борьбы за производствен­ные площади и к вытеснению производства кормов и продуктов питания в сельском хозяйстве. В ка­честве иллюстрации такого развития можно приве­сти заметное повышение цен на кукурузу и зерно в течение прошедших 12 месяцев и текущую дискус­сию о повышении цен на молоко в Германии. Уже в этом году посевная площадь для производства биомассы увеличится примерно на 2 млн га. Это соответствует почти 17 % всей площади пахотных угодий в Германии, при этом ожидается расшире­ние еще примерно на 4 - 5 млн га. Предел расши­рения должен быть достигнут к 2020 г. Таким об­разом, в течение последующих 10 - 15 лет спрос на свободные площади для выращивания биомассы будет продолжать расти. Увеличится также спрос на площади для размещения электростанций, ра­ботающих на биомассе.

В противоположность этому в общую номенкла­туру площадей входят бывшие горнопромышленные площади, для которых вследствие низкого уровня спроса на отраслевые производственные площади в среднесрочной перспективе не намечается ника­кого экономически целесообразного использования. Хотя эти площади обладают многочисленными пре­имуществами, такими как размеры, раскройка или наличие транспортных соединений, в нынешней рыночной ситуации в регионе вследствие превы­шения предложения над спросом нет возможности обеспечить последовательное развитие этих площа­дей для создания жилых массивов, организации до­суга, размещения предприятий малого бизнеса или промышленных предприятий. Эти площади прямо-таки созданы для выращивания биомассы.

Совместно с энергетическим бизнес-сегментом «Эвоник Индастриз АГ» (Evonik Industries AG), Эс­сен, бывшей компанией «Штеаг», MGG на производ­ственной площади бывшей шахты «Варндт» в Сааре создает биоэнергетический комплекс. В состав ком­плекса будут входить теплоэлектростанция, работа­ющая на древесине, тепловой мощностью 8 МВт и электрической мощностью 1,7 МВт, склад дровяной древесины, предназначенный для подготовки всего ассортимента дров, а также цех по производству дре­весных брикетов. Впоследствии на территории быв­шей шахты можно будет создать учебный центр по подготовке и повышению квалификации специали­стов в области возобновляемых энергоресурсов.

В настоящее время MGG готовит в рамках плана заключительных работ вывод зданий и сооружений поверхности шахты «Варндт» из сферы действия горного надзора. Весной 2008 г. начнется строитель­ство теплоэлектростанции, работающей на биомас­се. Ввод в эксплуатацию предприятия по производ­ству тепловой и электрической энергии намечен на начало 2009 г. (рис. 5).

Предприятие «СаарФорст Ландесбетриб», Саар-брюккен, под производство дров и древесной щепы занимает на поверхности шахты самую большую площадь. Кроме того, в помещении бывшего склада организовано производство древесных брикетов.

В Рурском бассейне уже есть конкретные пла­ны использования биомассы на территории бывших шахт. На шахте «Хьюго 2/5/8» в Гельзенкирхене MGG реализует пилотный проект по использованию воз­обновляемых видов сырья. В рамках этого пилотного проекта необходимо изучить потенциал развития и

создания стоимости продукта короткого цикла оборо­та для древесной биомассы на участке бывшей шах­ты, как для варианта временного, так и длительного использования. Наряду с исследованием различных территориальных и земельных отношений, а также пригодности разнообразных древесных энергетиче­ских культур и методов уборочных работ, необхо­димо проанализировать и способность к генерации энергии в рассматриваемом месте. Кроме того, мож­но ожидать повышения привлекательности приле­гающих площадей за счет улучшения окружающих условий и повышения имиджа.

Еще один проект - это развитие площадей, за­нимаемых бывшей шахтой в городе Оэр-Эркеншвик (Oer-Erkenschwick). Здесь должен быть создан центр регенеративных энергий с переводом сюда предпри­ятий, специализирующихся по направлениям «Энер­гия, электрический ток и тепло». Наряду с пред­приятиями, которые предлагают тепловые насосы, гелиотехнику, установки для производства биохими­ческого газа или отопительные установки для произ­водства древесных гранул, здесь же будут построены блочная теплоэлектростанция и установка для про­изводства растительных масел. Кроме того, строяща­яся система теплотрасс, которая должна обеспечить снабжение центра города Оэр-Эркеншвик, может ис­пользоваться для одновременной подачи тепловой энергии, производимой, например, из метана.

Солнечная энергия

Тема «Солнечная энергия» - не нова. Использо­вание солнечной энергии для выработки электро­энергии с помощью элементов солнечных батарей уже реально практикуется.

Для бывших районов горнопромышленной де­ятельности солнечная энергия открывает, тем не менее, новые перспективы. На площадях, для ко­торых не предусмотрено более ценного использова­ния, могут быть созданы солнечные энергоцентры и организовано энерготехническое их применение. К числу таких земельных участков относятся, напри­мер, вскрышные отвалы, а также бывшие шламо­вые отстойники или флотационные пруды. Допол­нительные возможности обеспечивает оформление отвалов с целью рекультивации ландшафта.

Например, на месте бывших коксохимических за­водов в настоящее время, с целью рекультивации ландшафта, для оформления отвалов укладывается грунтовая масса с герметизацией. В качестве уплот­нения в большинстве случаев служит герметизиру­ющая полимерная пленка или водонепроницаемый грунтовый слой. Такие полигоны предусматривает­ся использовать в большинстве случаев только в ка­честве парковых зон или мест для организации до­суга. Представляется разумным оснастить эти места складирования отходов солнечными модулями для выработки электроэнергии.

Необходимым условием является достаточная инсоляция. В Рурской области этого, к сожалению, нет. Тем не менее, в Сааре инсоляция достигает значительно более высокого уровня. На площади бывшего шламового отстойника шахты «Гёттель­борн», примерно в 15 км к северу от Саарбрюккена построена солнечная электростанция. Такое реше­ние принято, потому что грунт на данном участке в течение десятков лет будет оставаться по-прежнему мягким и едва ли будет пригоден для иного приме­нения. На площади примерно 16,5 га установлены и сданы в эксплуатацию в августе 2004 г. 25 000 сол­нечных модулей. Потребность в энергии примерно 1 600 немецких средних домовладений покрывает­ся за счет выработки электроэнергии на базе сол­нечной энергии. С номинальной мощностью 4,0 МВт электростанция к началу эксплуатации была одной из самых крупных в мире электростанций данного типа. Строительство в историческом месте являет­ся символом поворота энергетики к возобновляе­мым видам энергии (рис. 6).

Еще одним примером комбинированного исполь­зования солнечной энергии и метана является быв­шая шахта «Монт-Сени» (Mont Cenis) в городе Хер­не в Рурской области. Здесь создана современная Академия повышения квалификации с интегриро­ванным энергетическим центром. Интегрированная солнечная электростанция вырабатывает ток, кото­рый может аккумулироваться мощной батареей. Од­новременно блочная теплоэлектростанция произво­дит тепловую и электроэнергию на базе метана. Этот пилотный проект отчетливо показывает, что именно на территориях бывших горных предприятий может получить свое развитие высокая технология.

Энергия ветра

Варианты использования энергии ветра анало­гичны использованию солнечной энергии. Предпо­чтительные места размещения таких установок - от­валы, вследствие их высокой доступности для ветра, как, например, отвал «Хоппенбрух» (Hoppenbruch) в Рурской области. Кроме того, объединение обоих энергоносителей - ветра и биомассы - создает но­вый синергетический эффект. Места, пригодные для размещения ветряков, одновременно могут служить и для выращивания растений на биомассу. Тем не менее, следует учитывать отрицательный фактор - высокую потребность в площадях для ветросиловых комплексов. Кроме того, в последние годы для ве­тросиловых комплексов установлены более жесткие требования для получения разрешений.

Перспективы

В старых промышленных регионах существует избыточное предложение по площадям. Здесь тре­буются новые идеи и новые способы решения про­блем. Если будет взят курс на развитие возобнов­ляемых видов энергии, то в течение последующих лет эти районы будут обладать большим маркетин­говым потенциалом.

Так замыкается круг. Тяжелая промышленность в последние 100 лет потребляла первичные ре­сурсы, а также земельные площади. Теперь эти площади могут начать новую жизнь, обеспечивая производство новых, регенеративных видов энер­гии.

Раньше была черная углеводородная цепоч­ка, теперь - зеленая.

• Гидрогеотермальные и петрогеотермальные ресурсы.

- запасы глубинного тепла Земли, эксплуатация которых экономически целесообразна современными техническими средствами. Потенциальная доля Г.Р. в общем топливно-энергетическом балансе промышленно развитых стран оценивается в 5-10 %. С совершенствованием техники и технологии эксплуатации этот процент может быть увеличен до 50 % и более.

Различают гидротермальные ресурсы (термальные воды), заключённые в естественных подземных коллекторах, и петрогеотермальные ресурсы, аккумулированные в блоках нагретых (до 350С и более) практически безводных (так называемых сухих) горных пород.

Технология извлечения петрогеотермальных ресурсов основана на создании искусственных циркуляционных систем (так называемых тепловых котлов).

Практическое значение имеют гидрогеотермальные ресурсы, устойчивый режим которых относительная простота добычи и значительные площади распространения позволили использовать эти воды для теплоснабжения (при Т от 40 до 100-150С) и выработки электроэнергии (150-300С).

Гидрогеотермальные ресурсы приурочены к трещинным водонапорным системам, развитых в районах современного вулканизма и в складчатых областях, испытавших воздействие новейших тектонических движений; пластовым водонапорным системам, расположенным в депрессионных зонах, выполненных мощными толщами осадочных отложений мезозойского и кайнозойского возрастов. Трещинные водонапорные системы развиты локально в крупных зонах тектонических разломов.

В России наибольшее значение имеют пластовые гидрогеотермальные ресурсы и в меньшей степени трещинные. Перспективные районы пластовых гидрогеотермальных ресурсов – Западно-Сибирская, Скифская, Туранская эпиплатформенные артезианские области; Куринский, Рионский, Ферганский, Джаркентский, Северо-Сахалинский и ряд других более мелких межгорных артезианских бассейнов. В этих районах глубина залегания вод 1500 – 5000 м., Т – 40 - 200*С, минерализация 1 – 150 г/л. Районы развития трещинных термальных вод – Камчатка и Курильские острова, где продуктивные зоны вскрыты на глубинах 500 – 2000 м., температура вод изменяется от 40 до 200 – 300*С, минерализация 10 – 20 г/л.; Байкальский рифт, Тянь-Шань, Памир, Кавказ, где глубина вод 500 – 1000 м., Т – 40 – 100*С, минерализация 1 – 2 г/л.

В России общие запасы тепловой энергии в водах с минерализацией до 35 г/л (при насосной эксплуатации скважин и коэффициентом теплового потенциала – 0,5) оценены в 850 – 1200 млн. ГДж/год, что эквивалентно 30 – 40 млн. тн. условного топлива; при эксплуатации методом поддержания пластовых давлений путём обратной закачки использованных термальных вод – экономия топлива может составить 130 – 140 млн. тн. в год.

Геотермальная энергия используется для теплоснабжения и горячего водоснабжения гг. Грозный, Махачкала, Черкесск; для теплоснабжения тепличных комбинатов на Северном Кавказе, Камчатке; для выработки электроэнергии (Паужетская геотермальная электростанция на Камчатке, мощностью свыше 10 МВт) и др.

За рубежом используются гидрогеотермальные ресурсы, сосредоточенные в районах современного или недавнего вулканизма, где воды имеют Т 200 – 300*С и могут непосредственно использоваться для выработки электроэнергии. К таким районам относятся Тоскана в Италии, Калифорния в США (месторождение БОЛЬШИЕ ГЕЙЗЕРЫ), Новой Зеландии, Японии – острова Хоккайдо, Кюсю, Хонсю, Нижняя Калифорния в Мексике, область Ауачапан в Сальвадоре, месторождения Юге и Севере Исландии и др.

Глубина скважин в этих районах в основном до 1500 м., редко более. На базе выведенного подземного пара пароводяных смесей построены ГеоТЭС, самые крупные в мире – на месторождении БОЛЬШИЕ ГЕЙЗЕРЫ общей мощностью до 900 МВт. Перспектива увеличения гидрогеотермальных ресурсов связана с открытием новых месторождений , искусственным их стимулированием, усовершенствованием методов производства электроэнергии. Например в США за счёт этого предполагается повысить суммарную мощность ГеоТЭС к 1990 г. до 35 ГДж, к 2000 г. – до 75 ГДж.

При использовании гидрогеотермальных ресурсов за счёт коррозийной активности вод происходит химическое и тепловое загрязнение окружающей среды. С целью охраны среды термальные воды после их использования закачивают обратно в продуктивные пласты (трещинные зоны). Борьба с коррозийным воздействием естественных теплоносителей на оборудование, приборы, конструкционные материалы решается на стадии эксплуатации конкретных месторождений путём добавок химических реагентов в теплоноситель, предварительной дегазации, а также подбором соответствующих коррозийно-устойчивых металлов и покрытий.

• Фонтанный и циркуляционный способы добычи тепла.

Фонтанный метод – способ эксплуатации скважин, при котором подъём нефти на поверхность осуществляется за счёт пластовой энергии. Различают естественное (за счёт природной энергии пласта) и искусственное (при поддержании пластового давления путём закачки в пласт жидких и газообразных агентов) фонтанирование. Скважина, эксплуатирующаяся таким способом, называется фонтанной и оборудуется лифтовой колонной труб и фонтанной арматурой, а также в некоторых случаях пакерами и автоматическими или управляемыми клапанами- отсекателями для предотвращения аварийного фонтанирования.

Лифтовая колонна может быть оснащена пусковыми муфтами с отверстиями для аэрирования столба жидкости, а также клапанами для освоения скважины, ввода химических реагентов (ингибиторы коррозии, солее и парафиноотложения и др), циркуляции жидкости и другим оборудованием.

Освоение скважин при фонтанной добыче нефти (вызов притока продукции из пласта после бурения или ремонта) производится путём снижения давления столба жидкости за счёт уменьшения её плотности или уровня. Снижение уровня столба жидкости производится свабированием или тарганием желонкой. Для снижения плотности последовательно замещают тяжёлый буровой раствор на солёную, пресную воду и нефть, а также газируют (аэрируют) жидкость.

Эксплуатация фонтанной скважины регулируется с помощью поверхностных и глубинных штуцеров (диафрагм с отверстиями). Чтобы получить меньший дебит, увеличивают устьевое давление, для чего на устье устанавливают штуцер соответствующего диаметра либо уменьшают диаметр лифта, либо (в редких случаях) устанавливают забойный штуцер.

Режим работы фонтанной скважины (дебиты нефти, газа и воды, давление забойное и устьевое) зависит от характеристик самой скважины, лифта, штуцера и давления в нефтесборной системе. Для определения характеристики скважины и обоснования режима её эксплуатации при фонтанной добыче нефти проводятся специальные исследования скважин. При этом темп отбора жидкости изменяется последовательной сменой диаметра штуцера, забойное давление замеряется глубинным манометром. В результате этих исследований определяют параметры установившихся технологических режимов при разных диаметрах штуцера (устьевых давлениях) и строят график зависимости дебита скважины и газового фактора от диаметра штуцера (индикаторную кривую).

Обводняющиеся и выносящие песок скважины исследуются дополнительно для установления процентов выноса воды и песка при различных штуцерах. Технологический режим эксплуатации фонтанной скважины устанавливается на определённый промежуток времени исходя из её характеристики, принятой системы разработки нефтяного месторождения, а также максимального дебита нефти, минимальной обводнённости и газового фактора, выноса песка, опасности повреждения эксплуатационной колонны и других факторов.

Различают фонтанные скважины с устойчивым постоянным дебитом (свыше 30 – 50 т/сутки), эксплуатирующиеся постоянно с пульсирующейся подачей продукции и работающие периодически с фазами накопления и подачи продукции.

Продукция фонтанной скважины по выкидной линии направляется в ёмкости (газовые сепараторы, трапы), где происходит отделение нефти от газа. При высоком устьевом давлении проходит через систему трапов с постепенным снижением давления. Поддерживая в трапе определённое давление, можно в ряде случаев создавать на устье скважины противодавление и без применения штуцеров. Иногда газ, выделяющийся в трапах высокого давления, используется для эксплуатации других скважин, уже прекративших фонтанирование (бескомпрессорный способ эксплуатации).

В зависимости от условий разработки, характеристики продуктивного пласта и других факторов геологического, технического и экономического характера фонтанная добыча нефти может вестись на протяжении всего периода эксплуатации данного месторождения или только его части с последующей заменой её на механизированный способ добычи.

Лекция № 18, ( 2 часа ).

• Использование подземного пространства земных недр.