КВт · г/кг

Паливо Енергетична цінність

МДж/кг

Паливо Питома теплота горіння

Дрова 8,3-15,5

Пальний сланець 8,4-20

Торф 8,4-21

Буре вугілля 10,5-21

Кам’яне вугілля прибл. 29,4

Антрацит 32,8-32,6

Природний пальний газ на 1 куб. м 25,2-46,2

Нафта 42

За енергетичною цінністю види палива характеризуються таким чином:

Дрова 2,33- 4,32

Пальний сланець 2,33- 5,82

Торф 2,33- 4,66

Буре вугілля 2,92- 5,82

Кам’яне вугілля прибл. 8,15

Антрацит 9,08- 9,32

Природний пальний газ на 1 куб.м 6,98-12,82

Нафта 11,63

Для обчислення загальних запасів палива різноманітні його види умовно заміняють так званим умовним паливом із питомою теплотою горіння 29,4 МДж/кг. Якщо зазначити питому теплоту горіння даного палива через Q, а його кількість (у кілограмах або тоннах) через Т, знайдемо еквівалентну йому кількість Х умовного палива за однією з таких формул:

Х = ТQ / 29,4 або Х = ТQ / 8,15,

залежно від того, в яких одиницях (МДж/кг або кВт·г/кг) задано Q.

Практично при відповідних розрахунках приймають:

1т кам’яного вугілля = 1 т умовного палива.

1т бурого вугілля = 0,4 т умовного палива.

1т нафти = 1,4 умовного палива.

1000 м3природного газу = 1,3 т умовного палива.

До складу усіх видів палива входить пальна маса (органічна маса і пальні неорганічні речовини: сірка, її з’єднання і т. ін.) і непальна маса (зола, волога). Чим більше в паливі золи, вологи, тим нижче його теплота горіння. Чим вище в органічній масі вміст вуглецю й водню і чим нижче вміст кисню й азоту, тим більше теплота горіння палива.

Одним із найважливіших видів рідкого палива є нафта, що містить в органічній частині 83-87% вуглецю і 12-14% водню. Питома теплота горіння нафти коливається в межах 35,8-44 МДж/кг.

Природний газ містить до 98% метану і є найефективнішим видом палива. На теренах України є практично усі види палива, у тому числі нафта і газ.

1.6.5. Основні джерела і характеристики води

Якість води визначається її хімічними і фізичними характеристиками, такими як жорсткість, загальний солевміст, прозорість, окислюваність і т. ін. Для питних потреб велике значення має кількість токсичних домішок (миш’як, стронцій, радій, радіактивний уран), вміст мікробів, запах, колір і смак. Для технічних потреб важливі показники жорсткості, утримання солей, механічних домішок.

Жорсткість води характеризується вмістом у ній солей кальцію і магнію. Розрізняють жорсткість води трьох видів: тимчасову, постійну і загальну.

Тимчасова (переборна) жорсткість характеризується вмістом у воді бікарбонатів кальцію і магнію, що легко видаляються з води простим кип’ятінням. Бікарбонати переходять у нерозчинні вуглекислі солі і випадають у виді щільного осадку.

Постійна жорсткість води пов’язана з присутністю в ній хлоридів, сульфатів, нітратів кальцію і магнію. Ці солі не видаляються при кип’ятінні води. Тимчасова і постійна жорсткість у сумі дають загальну жорсткість. Вода має жорсткість, рівну одиниці, якщо в літрі її вміщуються 1 мг-екв іонів кальцію або магнію. Жорсткість викликає агресивність стосовно бетону. При утриманні 250 млг/л сульфатних іонів наступає руйнація бетонного каменю.

Загальний солевміст або сухий залишок – маса речовини, що залишилась після випару води і висушування отриманого залишку при 105...110°С до постійної маси. Сухий залишок виражається в міліграмах на 1 літр води.

Прозорість води визначається товщиною прошарку води, через який можна розрізнити хрест або шрифт визначеного розміру (без або за допомогою фотоелемента). У відкритих районах Чорного моря вона дорівнює 24...28 м.

Окислюваність води визначається масою (у міліграмах) перманганата калію, що взаємодіє з 1 л води при кип’ятінні протягом
10 хвилин.

Кислотність або лужність води характеризується концентрацією водневих іонів або величиною pH = – 1g [H+, моль/л].

При pH = 6,5 – 7,5 вода вважається нейтральною, при pH < 6,5 воду називають кислотною, при pH > 7,5 – лужною.

1.6.6. Класифікація вод

Природні води розподіляються на три види, що різняться за наявністю домішок: атмосферні, поверхневі та підземні.

Атмосферна вода – це вода дощових і снігових опадів, вона характеризується порівняно невеличким вмістом домішок, головним чином розчинених газів: кисню, вуглекислого газу, сірководню, оксидів азоту, кисневих з’єднань сірки, органічних речовин, що визначають атмосферу в промислових районах. Атмосферна вода майже не містить розчинених солей, зокрема, солей кальцію і магнію.

Поверхневі води – річкові, озерні, морські містять, крім домішок, наявних в атмосферній воді, різноманітні речовини. В них є двовуглекислі солі кальцію, магнію, натрію і калію, а також сірчанокислі й хлорні солі. Якщо вода містить солей менше 1 грама на літр, вона називається прісною, а якщо більше одного грама – солоною.

Підземні води – артезіанських свердловин, криниць, ключів, гейзерів – характеризуються різноманітним вмістом солей, склад яких залежить від виду і структури грунтів і гірських порід, через які просочуються атмосферні води і води поверхневих водойм, створюючи водойми підземні. Фільтруюча спроможність грунтів і гірських порід обумовлює високу прозорість підземних вод і відсутність у них домішок органічного походження. Унікальною сировиною для хімічної промисловості є мінеральні води, насичені різноманітними солями. Так, води насичені хлористим натрієм, служать сировиною для виробництва соди, їдкого натру і хлору. З підземних роп одержують також йодисті, бромисті з’єднання й інші солі.

Залежно від призначення вода умовно підрозділяється на промислову і питну. Питна вода в першу чергу звільняється від бактерій; до неї висуваються особливі вимоги стосовно смаку, кольору, запаху. Промислові води не повинні містити домішок більше припустимої норми, що встановлюється залежно від виду виробництва.

Вода для прямоточних парових котлів не має містити окисів вуглецю і кисню, що спричіняють корозійну руйнацію труб, і може містити сухий залишок не більш 0,2...0,3 мг/л. Солі в парових котлах відкладаються на внутрішніх поверхнях труб у виді накипу, знижують теплопровідність їхніх стінок, призводять до перегріву і передчасного їхнього зносу. Підвищених вимог стосовно чистоти води дотримуються при виробництві напівпровідників, люмінофорів і деяких інших матеріалів.

1.6.7. Очищення і знешкодження води

Очищення води від домішок, тобто підготовка, складається з таких операцій: освітлення, знебарвлення, знезаражування, зм’якшення, дегазація.

Освітлення і знебарвлення природної води провадиться з метою видалення з неї механічних домішок. Це досягається відстоюванням її в бетонованих резервуарах великої місткості (відстійниках) із наступним пропусканням через пісчані фільтри з зернистим фільтруючим про­шарком.

Знезаражування води – обов’язковий процес її очищення, що використовується для побутових потреб. Знищення хвороботворних мікробів і окислювання органічних домішок досягається хлоруванням – введенням газоподібного хлору, хлорного вапна, гіпохлориду кальцію, а також озонуванням і кип’ятінням.

Видалення з води всіх солей (усіх катіонів і аніонів) називається знесоленням, але тільки солей кальцію і магнію – зм’якшенням. Засоби зм’якшення води розділяються на фізичні, хімічні та фізико-хімічні.

Залежно від застосовуваних реагентів розрізняють засоби: а) вапняний – обробка гашеним вапном; б) содовий – діють кальцинованою содою; г) натровий – обробка їдким натром; д) фосфатний – впливають тринатрійфосфатом.

Дегазація води – видалення з неї розчинених газів – здійснюється хімічним і фізичним засобами.

Фізичні засоби видалення газів полягають в аерації або нагріванні води у вакуумі.

Засоби очищення і знешкодження стічних вод підрозділяються на механічні, фізико-хімічні, хімічні та біологічні.

Механічні засоби очищення стічних вод від домішок полягають у їхньому відстоюванні і фільтруванні, зокрема, через полупроникаючі мембрани під тиском.

Фізико-хімічні методи засновані на застосуванні флотації, екстрак­ції й адсорбції шкідливих домішок, відгонки їх із водяною парою. Хіміч­ні методи очищення стічних вод засновані на використанні окислю­вально-поновлюючих, електрохімічних процесів, реакцій нейтралізації і переводу шкідливих речовин у неактивну нешкідливу форму. Біологічний метод полягає у розкладанні й окислюванні шкідливих домішок за допомогою мікроорганізмів.

1.6.8. Повітря у технологічних процесах

Поряд із природною водою широко використовується і повітря в різноманітних технологічних процесах.

Насамперед повітря витрачається в енергетичних агрегатах під час горіння органічних енергоносіїв (вугілля, газу, мазуту, бензину) – на теплових електростанціях і у двигунах внутрішнього згорання. Великі об’єми повітря використовують у металургії: на виробництво 1т сталі його витрачають біля 15 · 103 м3; на 1т міді – приблизно 60 · 103 м3. Повітря широко використовується для транспортування матеріалів (пневмотранспорт).

Кисень інтенсифікує хімічні процеси багатьох виробництв. У доменному процесі при збагаченні киснем дуття підвищується продуктивність плавки, у виробництві сірчаної й азотної кислот, у процесі полімеризації этилену. Суміш зрідженого кисню з органічною речовиною (вугіллям, деревиною) має сильні вибухові властивості, і тому застосовується в гірничодобувній технології для вибухових робіт.

На противагу кисню, другий компонент повітря – молекулярний азот – хімічно малоактивний газ. Атмосферний азот у великих кількостях застосовується як вихідна речовина для синтезу аміаку і деяких з’єднань а також як інертне середовище.

Аргон широко застосовується як інертний газ у спецметалургії, зварюванні, як робоче тіло в плазмотронах. Важливе значення для нових технологій мають й інші інертні гази.

Змістовий модуль 2. Система технологій в енергетиці

2.1. Система технологій теплових електростанцій

На теплових електростанціях (ТЕС) джерелом енергії є органічне паливо, насамперед вугілля, а також пальні сланці, нафтовий мазут, газ. Система технологій теплоенергетики складається з таких ланок (при роботі на вугіллі).

1. Видобуток вугілля (підземним або відкритим засобом).

2. Збагачення і підготовка до спалювання.

3. Спалювання вугілля й одержання пари високого тиску.

4. Конверсія теплової енергії пари послідовно в механічну енергію турбоелектрогенератора й електричну (в одному блоці турбоелектро­генератора).

Основне устаткування паротурбінних ТЕС:

1. котлоагрегат (паровий котел, пароперегрівник).

2. турбогенератор (парова турбіна, сполучена з електрогенератором).

Теплові електростанції, на яких у ролі приводу електрогенераторів застосовують так звані конденсаційні турбіни, називають конденсаційними електростанціями (КЕС).

Паротурбінні електростанції, що виробляють і відпускають споживачам одночасно 2 види енергії: електричну і тепло (одержуване в результаті часткового використання відпрацьованої пари), називають теплоелектроцентраллю (ТЕЦ).

Загальний ККД сучасних КЕС досягає 35-42%. Зазвичай КЕС працюють на місцевих твердих паливах, мазуті та природному газі.

Конденсаційні електростанції є основним типом потужних теплових електростанцій.

Теплові конденсаційні електростанції часто називають ДРЕС, тобто державні районні електростанції. Але зараз ця назва застаріла і не відповідає дійсності. Раніш, коли не було енергосистем, кожна ТЕС забезпечувала споживачів у межах того району, де сама розміщувалась. В даний час за наявності єдиних енергосистем країни слово “районна” втратило сенс.

Приклад. Щоб усвідомити екологічну проблему ТЕС, варто проаналізувати кількісні характеристики відходів у ланцюзі потоку енергії від видобутку вугілля до одержання електроенергії.

Для більшої наочності розглянемо ситуацію, що склалась біля потужної сучасної електростанції з установленою потужністю 3000 МВт.

За добу, тобто за 86400 с, викиди складають:

СO2 (81270 т;

SO2 1290 т;

NO2 860 т і поглинання O2

60270 т.

2.2. Система технологій АЕС і проблеми радіаційного захисту

В Україні зараз експлуатуються 4 атомних електростанції: Ровенська, Хмельницька, Південо-Українська і Запорізька (табл. 3.1). Атомна електростанція (АЕС) – складна технічна споруда, в якій атомна (ядерна) енергія перетворюється в електричну.

У загальному виді це відбувається в такий спосіб (рис. 3.2). Тепло, яке виділяють при розщеплені ядра радіоактивних речовин (ядерне пальне – на сьогодні це – уран (ізотопи, плутоній та торій), нагріває теплоносій, який прокачують через активну зону реактора (рідина /вода, що містить 16% борної кислоти або газ), який відбирає тепло від ядерного пального. Ця замкнена система з теплоносіями називається першим контуром. У теплообміннику тепло першого контуру нагріває до кипіння воду другого контуру. Пара, що утворюється, надходить до звичайної турбіни, за допомогою якої виробляється електрика, а також використовується для обігріву будинків. Отже, атомні електростанції відрізняються від інших тільки засобом перетворення води в пару, що використовується для виробництва електроенергії.

У реакторі відбувається керована ядерна реакція. Вона відрізняється від ланцюгової реакції в атомній бомбі тим, що за допомогою спеці­альних регулюючих стрижнів із речовини, добре поглинаючої нейтрони, кількість нейтронів, що вступають у реакцію, підтримується на безпечному рівні.

Чим глибше занурені стрижні в активну зону реактора, тим менше там нейтронів, спроможних продовжувати реакцію і виділяти тепло, і навпаки.

Природна радіоактивність урану незначна (період піврозпаду урану 3600 років), проте в процесі роботи, завдяки накопиченню продуктів поділу ядерного палива, що є джерелом потужного гама-випромінювання, у ТВЕЛів з’являється дуже висока радіоактивність, порівняна з активністю декількох кілограмів радію. Тому вивантаження з реактора відпрацьованих ТВЕЛів здійснюється дистанційно, за допомогою спеціальних механізмів, за товстою захисною стіною, що охороняє від згубного випромінювання.

До 1986 року вчені і розроблювачі систем технології атомної енергетики особливо підкреслювали виняткову екологічну чистоту, технічну безпеку і низьку собівартість енергії, порівняно з тепловими електростанціями. Поряд з атомними реакторами з графітною кладкою типу РВПК-1000 (реактор великої потужності канальний) були впроваджені в реактори ВВЕР-1000.

Такі оцінки були до 26 квітня 1986 року, коли в Україні трапилася катастрофа – вибухнув атомний реактор РБМК-1000 Чорнобильської АЕС. Це була перша і єдина аварія такого великого масштабу. Всіма державами світу була переглянута і значно скорочена програма подаль­шого будівництва АЕС.

Сьогодні науковий потенціал економічно розвинених країн у галузі енергетики спрямований на вирішення проблем за рахунок потужнішого джерела – ядерного синтезу.

2.3. Біохімічні джерела енергії

Ресурси біомаси як відходи в лісовому і сільськогосподарському виробництві значно і щорічно відновлюються, що і привертає увагу до їхнього використання. В Україні вони еквівалентні 30 млн т вугілля.

Існує два основних засоби конверсії біомаси в пальний газ: термохімічний і біохімічний. При першому засобі біомаса (деревина або відходи сільгоспвиробництва) піддаються піролізу (розкладання без доступу повітря) у реакторі при 400... 500оС.

При використанні методу біохімічної конверсії біомаса піддається шумуванню з утворенням пального газу (70% СН4і 30% СО2), питома теплота згоряння близька до умовного палива (29,3 МДж/кг). При цьому на кожну тонну умовного палива одночасно виробляється до 1,5...1,8 т високоякісних органічних добрив. Особливо ефективний цей процес у випадку біохімічної переробки відходів тваринницьких ферм.

2.4. Екологічно чисті нетрадиційні системи

технологій енергетики

Сьогодні природних екологічно чистих джерел енергії відомо чимало. Основна проблема – низька якість (концентрація) усіх відомих на сьогодні альтернативних видів енергії і, відповідно, низька економічна ефективність її конверсії у висококонцентровану форму.

Проблема конверсії енергії вітру не така вже й проста. Насамперед постає питання якості вітрової енергії та її ресурсу. Вважається, що на території в 1 млн км2енергетичні ресурси вітру складають біля 0,5 ГВт. Але з погляду концентрації її використання для конверсії сучасною технікою в електричну недостатнє. Потужність сучасних вітрових турбоелектрогенераторів складає 50...100 кВт. Такі установки широко застосовують, наприклад, у Данії, де є підхожі кліматичні умови з постійними вітрами від 9,5 до 24 м/с. Безумовно, широке застосування вітрових турбогенераторів значною мірою дозволяє вирішити проблему постачання електроенергії на різні господарські об’єкти у сільській місцевості й у побуті. У Приазов’ї зараз відбувається монтаж турбоелектрогенераторів загальною сумарною потужністю 50 МВт. Що стосується вирішення проблеми промислового енергопостачання, то порушувати такі питання поки що нереально.

2.5. Сонячні електростанції

Сьогодні люд­ство намагається збільшити використання сонячної енергії, безпосередньо перетворюючи променеву енергію в теплову і електричну, хоча кількість її замала (концентрація не перевищує 1кВт на 1м2 поверхні Землі). В Україні функціонує експериментальна соняч­на електростанція (ЕСЕ) у Криму. Принцип її роботи – концентрація сонячної енергії з відбитком променів Сонця з великої площі на меншу за допомогою дзеркал. Така система містить 1600 так званих геліостатів, кожний із яких складається з 45 дзеркал загальною площею 25 м2. Отже сумарна площа дзеркал 1600 х 25 = 40 000 м2. Вся система дзеркал за допомогою автоматики і ПЕОМ націлюється на Сонце і відбиває його промені на порівняно невеличку площу панелі парогенератора, із якого пара (250ºС і 4 МПа) спрямовується в парову турбіну, змонтовану в блоці з електрогенератором. Потужність такої ЕСЕ – 5 МВт, ккд ледве більше 10%, собівартість електроенергії значно вища в порівнянні з ТЕС.

2.6. Геотермальні електростанції

В Україні приділяється значна увага геотермальній енергетиці, яка базується на нетрадиційних поновлюваних джерелах енергії, тобто на теплових джерелах Землі. Ресурси цього виду енергії складають в Україні 150 млрд т умовного палива.

Геотермальна електростанція – це теплова електростанція, що використовує теплову енергію гарячих джерел Землі для вироблення електроенергії і теплопостачання. Температура геотермальних вод може досягати 200ºС і більше.

В Україні в даний час об’єднання “Укренергоресурси” замовило передпроектні роботи над двома геоТЕС – у Криму і Львівській області. Опрацьовування ведеться за комбінованою технологією – геотермальна енергія попередньо підігріває воду, яка потім при спалюванні органічного палива перетворюється на пару. Крім того, українські спеціалісти намагаються використовувати тепло води у вироблених нафтових і газових свердловинах (міні-геоТЕС потужністю 4-5 кВт).

За рубежем – в Італії, Новій Зеландії, США, Японії, Ісландії – геоТЕС використовуються головним чином як теплофікаційні.

Змістовий модуль 3. Система технологій у видобувній промисловості

3.1. Визначення видобувної промисловості

Видобувна промисловість –це сукупність галузей виробництва, що займаються видобуванням різноманітної сировини і палива з надр Землі, з лісів і вод. Основні галузі: видобування корисних копалин (вугілля, нафта, торф, природний газ, руда, нерудна сировина й ін.), заготів­ля деревини. Гірська порода, що може бути використана людиною для різноманітних цілей, називається корисною копалиною. Видобуток корисних копалин становлять процеси витягання твердих, рідких і газоподібних корисних копалин із надр Землі за допомогою технічних засобів. Процес видобутку складається з витягання цінного компонента у відносно чистому виді (наприклад, нафта, природний газ, кам’яне вугілля, дорогоцінні камені й ін.) або у виді гірської маси (наприклад, руди металів), яка надалі піддається переробці.

На суші видобування корисних копалин здійснюють у шахтах, кар’єрах і на свердловинах; у морських акваторіях – свердловинами, драгами і спеціальними автономними апаратами, що збирають конкреції з дна.

Слід зазначити, що зі збільшенням видобутку підвищуються непродуктивні втрати корисних копалин у надрах. Губиться біля половини калійних солей, до 15-20% вугілля, руд чорних і кольорових металів.

3.2. Різновиди природних ресурсів і способи експлуатації

Гірські породи і мінерали мають осадове, магматичне і метаморфічне походження. Аналогічним чином формуються і корисні копалини, тому що вони є або гірськими породами, або скупченням мінералів.

Промислова класифікація містить 60 найважливіших видів мінеральної сировини.

Паливно-енергетична сировина: нафта, газ, вугілля, пальні сланці, уран.

Метали: руди заліза, марганцю, хрому, титану, ванадію, нікелю, кобальту, вольфраму, молібдену, цирконію, танталу, ніобію, алюмінію, магнію, міді, свинцю, цинку, олова, вісмуту, ртуті, сурми, літію, берилію, германію, кальцію, кадмію.

Благородні метали: золото, срібло, платина, метали платинової групи (паладій, іридій, родій, осмій, рутеній).

З 82 металів таблиці Д.І. Менделєєва до промислово важливих належать тільки 34.

Хімічна й агрономічна сировина: калійні солі, фосфатна сировина (фосфорити й апатити), борні руди, сірка, бром, йод, плавиковий шпат (флюорит).

Технічна або індустріальна сировина: діаманти, азбест, графіт, п’єзооптична сировина (п’єзокварц, ісландський шпат), слюди (мусковіт, флогопіт).

Флюси і вогнетриви: вапняки і доломіти, магнезит, вогнетривкі глини, кварцити.

Будівельні матеріали: цементна сировина, кам’яні будівельні матеріали.

Україна має потужну мінерально-сировинну базу різноманітних корисних копалин, які значною мірою визначають рівень розвитку її продуктивних сил.

Головне місце в паливно-енергетичному балансі України займає кам’яне вугілля, промислові запаси якого зосереджені у Донецькому і Львівсько-Волинському басейнах. Родовища бурого вугілля зосереджені в Дніпровському вугільному басейні.

3.3. Видобувні підприємства та їхні відмінні риси

У видобувній промисловості розрізняють такі видобувні підпри­ємства: шахта, рудник, кар’єр.

Шахта – гірничопромислове підприємство з видобутку корисних копалин підземним засобом. Складається з наземних споруд і гірських виробок.

Рудник – гірниче підприємство з видобутку корисних копалин (переважно руди) відкритим і підземним засобами.

Кар’єр – гірниче підприємство з видобутку корисних копалин відкритим засобом. Стосовно кар’єру з видобутку вугілля використовується термін “ розріз ”.

Роботи з проходки і підтримки гірничих виробок, виїмки гірничих порід називають гірничими. Для розробки родовища за допомогою гірничих робіт за визначеним планом проводять мережу підземних або відкритих гірничих виробок, у яких здійснюються виробничі процеси. У практиці гірничих робіт виділяють два основних способи розробки родовищ твердих корисних копалин: підземний і відкритий.

До особливостей видобувних підприємств варто віднести:

1. Обов’язкове проведення пошуків і розвідки родовища корисних копалин.

2. Повний взаємозв’язок із природним середовищем характерний для технологічних процесів, які є джерелами впливу на природне середовище.

3. Мобільність основних засобів праці.

Очисне, прохідницьке й інше устаткування під час роботи постійно переміщується, потрапляючи в різноманітні гірничогеологічні умови, в той час як в інших галузях промисловості засоби праці встановлюються і працюють у стаціонарних умовах.

3.4. Технологічний і життєвий цикли

видобувних підприємств

Розрізняють життєвий і технологічний цикли видобувних під­приємств.

Життєвий цикл – період від дня проектування підприємства до його закриття.

Технологічний цикл – період від початку використання визначеної технології до зміни її іншою.

3.5. Гірничогеологічні умови розробки

корисних копалин

На ефективність ведення гірничих робіт впливають такі основні гірничогеологічні чинники:

1. Глибина розробки. Зі збільшенням глибини розробки зростає шкідливий вплив гірського тиску; інтенсивніше виявляються пластичні властивості гірничих порід, збільшується їх температура на глибині 1000 м до 36-40°С; підвищується інтенсивність гірничих ударів, раптових викидів вугілля, порід, газу й ін. При поглибленні гірничих робіт на кожні 30 м для вугленосних і 45-50 м для рудоносних відкладень температура підвищується на 1°С.

2. Форма родовища.

3. Фізичні й механічні властивості корисної копалини.

4. Склад і будова порід. Гірничі породи за складом і структурою дуже різноманітні. Нараховується понад 4000 різноманітних порід, влас­тивості яких залежать від їхнього мінералогічного складу і структури. Властивості порід враховуються при виборі устаткування, типу вибухових речовин, схем розташування свердловин і шпурів. На методи висадження впливають тріщинуватість і шпаристість, грузькість, пластичність, пружні показники, межі тривкості (міцності) гірських порід.

5. Обводненість родовищ – це насиченість масиву гірських порід підземними водами, що визначає розмір очікуваного притоку води у виробки й ускладнює виконання гірничих робіт.

6. Екологічні умови. При будівництві й експлуатації гірничих підприємств порушується рельєф місцевості, змінюються склад і режим поверхневих і підземних вод, забруднюється водяний і повітряний басейни і змінюється продуктивність грунтів. У результаті цього початкова (природна) екологічна система навколишнього регіону зазнає значних змін.

7. Газовиділення при розробці родовищ. При виконанні гірничих робіт відбувається виділення газів в атмосферу шахти або кар’єру. У ву­гіль­них шахтах джерелами газовиділення є: розроблювальні, суміжні підроблювальні або надроблювальні пласти вугілля і прошарки, що вміщують породи. Виділяються гази (в основному метан і вуглекислий газ) через вільну поверхню пласта і з відбитого вугілля.

Основні джерела газовиділення в кар’єрах: вміщуючі породи і корисні копалини, гірниче устаткування і вибухові роботи. Газовиділення з корисних копалин і вміщуючих порід пов’язано в основному з окисними процесами, особливо при розробці родовищ сульфідних руд і вугілля.

3.6. сучасні технології видобутку енергоносіїв

(вугілля, нафти, газу)

3.6.1. Викопне вугілля, його марки і властивості

Викопне вугілля – бурі, кам’яні й антрацити – є продуктом метаморфізації рослинної маси, що у величезних кількостях накопичувалася в сприятливих місцях за часів минулих геологічних епох.

Викопне вугілля відрізняється одне від другого насамперед ступенем метаморфізації або ступенем зрілості. Найбільш метаморфізовані антрацити. Найменш зрілим є буре вугілля. Кам’яне вугілля посідає проміжне місце.

Кам’яне вугілля буває чорного, рідше бурувато-чорного кольору, блискуче або матове. Воно характеризується крихкістю.

Одне вугілля при нагріванні без доступу повітря (до 950-1100оС) спікається в повний, твердий і пористий кокс – це коксівне вугілля. Інше вугілля слабко спікається, і його називають слабкококсівне.

У Донбасі добувається 12 марок, основні з них такі:Д (довгополум’яне), Г (газове), ГЖ (газове жирне), Ж (жирне), К (коксове), ОС (пісне спікливе), Т (пісне) і А (антрацити). Вихід летючих у них знижується від 35% у марці Д до 8% у марці А. Антрацит не схильний до самозаймання і тому може тривалий час зберігатися в штабелях. Енергетичне вугілля розподіляється на класи відповідно до розмірів шматків, мм: П (плит­ковий) – 100-200 (300); К (крупний) – 50-100; О (горіх) – 25-50; М (мілкий) – 13-25; С (семечко) – 6-13. Після виділення цих гатунків залишається штиб (Ш) крупністю 0-6 мм. Нерозсортоване вугілля крупністю 0-200(300) називається рядовим. Вугілля марки Д може застосовуватися також і для виробництва рідкого палива.

Велика розмаїтість кам’яного вугілля дозволяє в кожному випадку вживати найбільш підхожі гатунки, що більше відповідають вимогам виробництва.

3.6.2. Засоби видобутку вугілля

Вугілля, як й інші тверді корисні копалини, добувають двома засобами: відкритим і підземним.

Видобуток вугілля відкритим способом здійснюють за допомогою глибоких траншей (завглибшки до 150 м і більше), якими прорізають шари породи, що покривають вугільний пласт. Утворюваний в результаті цього кар’єр,називають розрізом. Вугільним кар’єром називають також і самостійне підприємство, що розробляє вугільне родовище відкритим способом.

При підготовці кар’єру насамперед знімають і видаляють породи, що вкривають вугільний пласт. З цією метою застосовують новітні землерийні та транспортувальні машини – екскаватори, у тому числі най­більші роторні безупинної дії, транспортно-відвальні мости й ін. Потім безпосередньо по вугіллю прокладають рейкові шляхи, по яких пересувають опори транспортно-відвального мосту і рухаються ешелони, що вивозять вугілля з кар’єру.

Економічна ефективність відкритої розробки вугілля тим вище, чим нижче коефіцієнт розкривних робіт, тобто чим менше об’єм видаленої покриваючої породи, на одиницю видобувного вугілля.

Видобуток вугілля відкритим способом має великі переваги. На відкритих розробках гігієнічні умови для робітників кращі, ніж у шахтах (чисте повітря, менше шкідливих газів, природне освітлення в денний час і т. ін.). Продуктивність праці на відкритих розробках, завдяки застосуванню надпотужних машин, у шість-сім разів вища, ніж у шахтах, а собівартість тонни вугілля відповідно нижча.

Будівництво вугільних кар’єрів виконують у два-три рази швидше, ніж будівництво шахт, і воно коштує приблизно у 1,5 рази дешевше. Нарешті, втрати вугілля в надрах, неминучі при підземному видобутку, на відкритих розробках майже виключаються.

Підземний спосіб видобутку вугілля, що потребує будівництва шахти, більш трудомісткий, ніж відкритий.

Вугільне родовище, якщо воно достатньо велике, поділяють на декілька ділянок – шахтних полів. Запаси вугілля кожного шахтного поля, призначеного для будівництва окремої шахти, мають бути достатні для експлуатації протягом 40-50 років.

3.6.3. Технологія очисних робіт

Під технологією очисних робіт слід розуміти сукупність технологічних процесів з видобутку вугілля, пов’язаних між собою в просторі й часі.

Основними технологічними процесами з видобутку вугілля є: виїмка вугілля в очисному забої, навантаження його на транспортний засіб і транспортування лавою, провітрювання очисного забою, зведення або пересування кріплення, управління гірничим тиском і т. ін.

Виїмка вугілля складається з відбійки і навантаження відбитої корисної копалини.

3.6.4. Комплексна механізація видобутку вугілля

На основі пересувних механізованих кріплень створені й широко застосовуються в очисних забоях механізовані комплекси устаткування й агрегати, до складу яких, крім кріплення, входять вузькозахватні комбайни або стругові установки, нерозбірні пересувні конвеєри, кріплення сполучення лави з виїмковими виробками та інші машини і механізми, що забезпечують механізацію всіх процесів і операцій з виїмки корисних копалин. Очисні забої, обладнані такими комплексами, називаються комплексно-механізованими, і їх навантаження досягає від 500 до 3000 т на добу.

Типова технологічна схема виїмки вугілля очисним механізованим комплексом на пластах положистого і похилого падіння полягає в наступному (рис. 3.1). Уздовж очисного забою встановлюється механізоване пересувне кріплення 1, що, як вказувалося, охороняє призабійний простір від завалення породою. Під кріпленням уздовж забою розташовується гнучкий скребковий конвеєр 2. На рамі конвеєра встановлюється вузькозахватний вугільний комбайн 3, що на опорних лижах може переміщуватися по рамі конвеєра туди й назад уздовж забою. Переміщення комбайна досягається за допомогою спеціального ланцюга, зв’язанного з механізмом подачі комбайна, або безлан­кової системи подачі. Ланцюг розтягнутий по лаві і прикріплений кінцями до натяжного устрою і натяжного домкрата, встановлених на кінцевих частинах забійного конвеєра. Кожна секція механізованого кріплення за допомогою гідродомкрата зв’язана з конвеєром.

Комбайн переміщується по конвеєру і своїми робочими (виконавчими) органами 4 (шнеками) руйнує смужку вугілля шириною до 1 м. Навантажувальний устрій комбайна виконано у виді щитків, шарнірно закріплених по обидва боки робочого органа. З його допомогою вугілля опиняється на конвеєрі, який скребками переміщує його до конвеєра на штреку 5 (просік, вуглеспускні печі, цілики вугілля на схемі не показані).

Рис. 3.1. Технологічна схема виїмки вугілля

очисним механізованим комплексом:

1 – механізоване пересувне кріплення;

2 – скребковий конвеєр;

3 – вугільний комбайн;

4 – виконавчі органи; 5 – конвеєр

В міру переміщення комбайна конвеєр 2 за допомогою гідродом­кратів механізованого кріплення слідом за комбайном (із відставанням на 12-15 м) пересувається до призабійного простору, при цьому він плавно згинається.

Потім по черзі до конвеєра підтягуються секції кріплення. Одно­часно відбувається завалювання порід у виробленому просторі (тобто здійснюється управління покрівлею).

Комбайн працює над виїмкою в обох напрямках, без холостих переміщень.

Комплекси дозволяють цілком усунути ручну працю в забої, різко підвищити продуктивність праці шахтарів.

Приблизна розстановка робітників у видобувну зміну, коли зайнято 13-15 чол.: машиніст комбайна і його помічник управляють комбайном, двоє або четверо робітників (залежно від стану покрівлі) зачищають основи секцій кріплення перед комбайном; двоє пересувають секції кріплення за комбайном; двоє пересувають конвеєр із відставанням від комбайна на 12-15 м, один зайнятий на розштибовці нижньої приводної голівки конвеєра, двоє або троє підготовлюють верхнє сполучення і засувають конвеєрну голівку. Троє або четверо виконують аналогічні роботи на протилежному сполученні лави з підготовчою виробкою.

Продуктивність праці робітника очисного забою на малопотужному пласті понад 44 т/зміну, що в 5-6 разів вище, ніж при широкозахват­ній виїмці вугілля комбайном “Кіровець-2К”.

3.7. Видобуток нафти і газу

3.7.1. Особливості нафти та її використання

Нафта – це природна суміш вуглеводів із домішкою сірчаних, азот­них і кисневих з’єднань і являє собою масляну рідину звичайно чорного або темно-коричневого, іноді червонуватого, жовтого кольору (рідко-безколірна). При сонячному освітленні колір нафти змінюється (нафта флюоресцує) і набуває то синюватого, то зеленуватого вилиску. Нафті властивий характерний запах.

Однією з найважливіших фізичних властивостей нафти є її в’язкість, що впливає на якість одержуваних із нафти продуктів, особливо мастильних масел.

Найціннішими видами палива є деякі продукти переробки наф­ти – бензин, газ, газойль, солярове масло, причому усі вони використовуються в двигунах внутрішнього згорання, що мають відносно високий коефіцієнт корисного використання палива. Одержуваний при перегонці нафти мазут є високоцінним котельним паливом.

З нафти та її продуктів у даний час, крім паливної групи (бензину, газу й ін.) і мастильних масел, одержують також парафін, нафталін, вазелін, речовини для насичення деревини від гниття, дезінфекційні речовини, сажу для гумової промисловості і для виготовлення типографської фарби, барвники для текстильної промисловості, вибухові речовини, фармацевтичні препарати, запашні речовини, смоли, що у свою чергу, служать вихідним матеріалом для виробництва різноманітних пластмас, фотоплівок, синтетичного волокна і т. ін.

3.7.2. Умови залягання нафти і буріння свердловин

За сприятливих умов нафта накопичується у відповідних гірничих породах (колекторах), що відрізняються тріщинуватістю або шпаристістю, спроможних уміщати величезну її кількість. Одиничне скупчення нафти в колекторі називають покладом нафти, а їхня сукупність в якій-небудь ділянці земної кори утворює нафтове родовище. Через тріщини і пори гірничих порід нафта може переміщуватися, що створює можливість її припливу до місць видобутку.

Нафту добувають із свердловин – вузьких отворів, пробурених у гірничих породах до нафтоносного шару.

В даний час велику актуальність має задача надглибокого буріння, тому що, за новітніми уявленнями нафтової геології, на глибинах від 5 до 10 тис. м концентруються найзначніші запаси нафти.

Сучасна техніка буріння дозволяє бурити не тільки вертикальні й прямі свердловини, але також похилі й криві. Це має дуже важливе значення в тих випадках, коли безпосередньо над місцем залягання нафти неможливо закласти свердловину. У результаті проходження похилих або кривих свердловин створюється можливість для видобутку нафти, розташованої під важливими будівлями, видалення котрих недоцільне, і навіть під морським дном.

Для одержання нафти, що залягає під морським дном, буріння свердловин здійснюють і у відкритому морі зі штучно споруджених платформ. На них розташовують не тільки бурові вишки, але й упоряджені селища нафтовиків. Такі острівці створені, наприклад, на Каспійському морі в районі Баку (Азербайджан).

3.7.3. Підняття нафти на поверхню

За наявності в нафтовому шарі достатнього тиску, утворюваного нафтовими газами і шаровою водою, нафта піднімається свердловиною і виливається на поверхню. При сильному тиску свердловина фонтанує, причому фонтани нафти іноді визначаються величезною силою і викидають за добу тисячі тон нафти. Якщо фонтан приборкати і спрямувати нафту по трубах у резервуари, то експлуатація такої свердловини є найдешевшою, тому що в такому разі необхідно тільки регулювати надходження нафти зі свердловини. Така технологія видобутку найбільш широко застосовується в країнах Близького Сходу.

1 – усмоктувальний клапан; 2 – нагнітальний клапан; 3 – насосні штанги; 4 – тройник; 5 – сальник; 6 – балансир; 7, 8 – кривошипно-шатунний механізм; 9 – двигун.

Рис. 3.2. Схема установки для видобування нафти з використанням

штангових глибинних насосів

Коли тиск у шарі падає і свердловина перестає викидати нафту, то в таких випадках використовують глибиннонасосний спосіб. У свердловину опускають поршневий або електричний насос до занурення його в нафту (рис. 3.2).

Поршень (плунжер), що приводиться у вертикально-поступальний рух за допомогою системи усмоктувальних 1 і нагнітальних клапанів 2 засмоктує нафту в циліндр насоса і виштовхує її нагору в насосну трубу, по якій вона піднімається на поверхню. Рух поршня здійснюється за допомогою насосної штанги 3, що сполучена з балансиром 6 станка-качалки. Коли станок-качалка працює, його балансир робить рухи вгору-вниз; разом із балансиром такі ж рухи робить і насосна штанга, що рухає поршень насоса. Станок-качалка і насос працюють автоматично, піднімаючи нафту цілодобово протягом декількох місяців, до чергового ремонту. Таким способом видобувається найбільша кількість нафти в країнах СНД.

Для примусового підйому нафти зі свердловини застосовують найменш поширений компресорний або ерліфтний метод. Сутність його полягає в тому, що в свердловину опускають дві труби (одну в другу), через одну з яких у свердловину нагнітають нафтовий газ. Прямуючи нагору по іншій трубі, газ створює додаткову піднімальну силу, під дією якої нафта виливається зі свердловини і направляється до резервуарів (рис. 3.3).

Як уже відзначалося, приплив нафти до свердловини і її фонтанування є результатом існуючого шарового тиску.

Коли нафтовий шар частково відпрацьований, шаровий тиск падає і нафта перестає надходити до свердловини, застосовують так називані вторинні методи видобутку – методи пожвавлення свердловин. Сутність їх полягає в штучному підвищенні шарового тиску, у наданні нафтовому шару додаткової енергії, під дією якої знову починається приплив нафти до свердловини і навіть її фонтанування. Для цієї цілі по старих свердловинах або по свердловинах, спеціально закладених у нафтовий шар під великим тиском закачують воду.

3.7.4. Технологія видобутку газу

Види пальних газів. В Україні створена і розвивається нова велика галузь промисловості – газова, що використовує величезні запаси природних пальних газів Прикарпаття і Південного Сходу України (Шебелинка), а також штучні (промислові) пальні гази.

До природних газів відносять насамперед гази, своїм походженням пов’язані з нафтою. Разом із нафтою завжди добувають нафтові або побіжні гази. У багатьох випадках насиченість нафти газом дуже висока: на одну тонну нафти попутно видобувають 100-150 м2газу. Родовища, у яких нафта має високий вміст газів, називають нафтогазовими.

Склад природних газів і їхнє використання. Природні гази – це суміш різноманітних газоподібних вуглеводнів, із яких до 98% складає метан СН4. У попутних нафтових газах вміст метану нижче (50-90%) і відповідно вищий вміст інших вуглеводнів: метану, пропану і бутану.

Крім вуглеводнів, у природному газі міститься деяка кількість азоту, кисню, водню, окису вуглецю, вуглекислого газу, сірководню й інших речовин у газоподібному стані.

Видобуток, транспортування і збереження природного газу. Простота передачі газів на великі відстані дозволяє значну їх частину використовувати вдалині від місць видобутку. Для цієї цілі споруджують магістральні газопроводи протяжністю в сотні й тисячі кілометрів.

Видобуток, транспортування і збереження природного газу здійснюють таким чином. Для розкриття газоносного шару пробурюють свердловини, через котрі, завдяки шаровому тиску (що сягає іноді 20-24 МПа і більше), газ викидається на поверхню. Якщо на газовому родовищі є декілька свердловин, то їх зв’язують спеціальним газозбірним кільцем, до якого залучені окремі газові свердловини. Газ з усіх свердловин надходить на головну компресорну станцію. Тут його сушать і очищають від сірководню.

Протягом перших 2-5 років відбувається дослідно-промислова експлуатація газового покладу, в процесі якої уточнюють властивості шару, запаси газу, продуктивність свердловини, ступінь рухливості шарових вод. У цей час бурять свердловини і ведуть освоєння газового промислу. Для вилучення з надр, його збирання, урахування і транспортування готують до експлуатації свердловини і наземне устаткування. Одночасно добувають 10-20% від загальних запасів газу.

Протягом другого періоду тривалістю до 10 років йде промислова розробка, при якій добувають біля 60% запасу газу. Для підтримки обсягу видобутку на визначеному рівні бурять нові експлуатаційні свердловини, тому що відбір газу з раніше пробурених поступово зменьшується. При зниженні тиску в свердловині вводять у дію додаткову компресорну станцію, яка підвищує тиск газу, що відбирається з покладу.

Третій період розробки родовищ не обмежений у часі і триває до вичерпання запасів. У цей період здійснюють заходи щодо збільшення видобутку газу із свердловин: розширюють канали свердловин за допомогою обробки соляною кислотою або гідропіскоструменевим методом; роблять зворотну закачку газу, з якого видалені важкі вуглеводні, у поклади по нагнітальних свердловинах закачують воду (обводнювання).

Загальна розробка газового покладу триває 15-20 років. На відміну від твердого і рідкого палива природний газ необхідно відразу направляти безпосередньо до споживача. Тому видобуток газу являє собою комплексний процес, що складається з його видобутку і транспортування.

Очищений газ під тиском у 5,5-7,5 МПа, що створюється компресорами головної станції (якщо шаровий тиск недостатньо великий), спрямовують у магістральний газопровід. Компресорні станції розташовують на газопроводі через кожні 100-150 км. Пройшовши цю відстань, газ має тиск уже тільки в 3-4 МПа. Чергова компресорна станція знову піднімає тиск газу в магістралі. Так від однієї компресорної станції до іншої газ передається на тисячі кілометрів.

На підході до великого міста газопровід звичайно розгалужується на два півкільця, що покращує розподіл газу по міських газових мережах і сприяє підтримці в них рівномірного тиску. Перед надходженням у міську газову мережу природний газ, що не має запаху, проходить через спеціальну установку, в якій він набуває визначеного запаху. Це необхідно для швидкого виявлення випадків витоку газу з мережі, що робить безпечним користування ним. Іноді одорування здійснюють на промисловій газорозподільній станції.

Змістовий модуль 4. Система технологій в металургії

Дата добавления: 2014-01-04