Горнопромышленные и энергетические предприятия Германии

С 04 июня 2016 г. по 16 июня 2016 г.

Санкт-Петербург

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Санкт-Петербургский Горный Университет

ПРОГРАММА РАЗВИТИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ОТЧЕТ

о повышении квалификации и участии в стажировке

на базе Фрайбергской горной академии

(Technische Universitat Bergakademie Freiberg)

С 04 июня 2016 г. по 16 июня 2016 г.

Научный руководитель:

зав. каф. ВД, профессор Г.П. Парамонов

Выполнил:

аспирант каф. ВД А.В. Мысин

Санкт-Петербург

ЗАДАНИЕ

на прохождение стажировки во

Фрайбергской горной академии, Германия

С 04.06.2016 по 16.06.2016

Выдано аспиранту 1 года обучения кафедры ВД Мысину Алексею Владимировичу.

Тема диссертации: «Обоснование параметров специальных взрывных работ на основе компьютерного моделирования разрушения объектов с различными физико-техническими свойствами».

Цель стажировки: участие в работе 11 Freiberg – St. Petersburger Kolloquium junger Wissenschaftler; ознакомление с инновациями, применяемыми зарубежными компаниями в области энергетики и добычи полезных ископаемых.

Задачи стажировки:

1. Участие в работе международной конференции молодых ученых;

2. Ознакомление с научно-исследовательской базой Фрайбергской горной академии;

3. Консультация с ведущими специалистами в области использования взрывных технологий в энергетическом и гражданском строительстве и установление научных контактов для дальнейшего сотрудничества.

4. Посещение ведущих горных и энергетических предприятий восточной Германии.

Руководитель стажировки:В.Т. Борзенков.

Дата и форма предоставления отчета: 20.06.2016, в письменной форме.

Заведующий кафедрой _______________ Парамонов Г.П.

Оглавление

Введение. 5

Фрайбергская горная академия (Bergakademie Freiberg) 6

Горнопромышленные и энергетические предприятия Германии. 12

Угольный карьер Nochten. 12

Акционерное общество Verbundnetz Gas (VNG AG) и станция подземного хранения газа USG Bernburg. 17

Культурная программа. 22

Введение

В рамках реализации программы «Национальный исследовательский университет» с 4 июня по 16 июня 2016 г делегация аспирантов и молодых ученых Горного университета прошла стажировку во Фрайбергской горной академии (г. Фрайберг, Германия).

Основной целью стажировки аспирантов и молодых ученых Горного университета являлось активное участие в работе 11 Freiberg – St. Petersburger Kolloquium junger Wissenschaftler, ознакомление с научно-исследовательской базой Фрайбергской горной академии, а также посещение следующих ведущих горных и энергетических предприятий восточной Германии:

· завод по производству биогаза компании WELtec BioPower;

· буроугольный карьер Nochten;

· завод по газификации угля;

· учебная шахта;

· газотранспортная компания Verbundnetz Gas AG.

Индивидуальной целью стажировки автора отчета было знакомство с направлениями научных исследований, проводимых на базе факультета геонаук, геотехники и горного дела, консультации с ведущими сотрудниками факультета по теме диссертации.

Фрайбергская горная академия (Bergakademie Freiberg)

Фрайбергская горная академия (Bergakademie Freiberg) (рис.1) основана 13 ноября 1765 в г. Фрайберг (Саксония) по инициативе советников саксонской горнозаводской администрации Ф. А. Хейница и Ф. В. Оппеля. и является старейшим горнотехническим университетом.

Рис.1 Делегация Горного Университета у одного из учебных корпусов академии

С Академией связаны имена Эйбрахама Вернера, Александра Гумбольдта и многих других выдающихся ученых. Здесь учился М.В. Ломоносов в металлургической лаборатории горного советника Й.-Ф. Хенкеля. В XVIII веке, когда при Петре Первом и его наследниках (особенно Екатерине II) в Россию приглашали немецких специалистов по горному делу и металлургии, именно специалисты, прошедшие школу работы на месторождениях Гарца и Рудных гор, составили основу технических кадров, работавших на шахтах и заводах Урала. Неудивительно, что вся российская горнотехническая (и геолого-петрографическая) терминология базируется на терминологии немецкой школы.

Академия состоит из шести факультетов: геонаук, геотехники и горного дела; исследования материалов и техники материалов; математики и информатики; химии и физики; машиностроения, производственной техники и энерготехники; экономических наук. В 2008 году в замке Фройденштайн под руководством Института минералогии открылась крупнейшая в мире частная экспозиция минералов «Terra Mineralia».

В настоящее время на факультете геологии, геотехники и горного дела обучаются около 1400 студентов. Фрайберг предлагает своим студентам широкий выбор возможных форм обучения — получение степени бакалавра или магистра, традиционный диплом, а также защита кандидатской и докторской диссертаций. Факультет ежегодно выпускает в среднем 100 студентов и около 20 аспирантов и докторантов.

Факультет включает в себя следующие институты:

- институт геологии;

- минералогии;

- геофизики и геоинформатики;

- институт горного дела и гражданского строительства;

- институт буровых установок и скважинных методов добычи;

- институт геотехники;

- институт маркшейдерского дела и геодезии.

Нами была посещена учебная шахта

Основной целью стажировки было участие в конференции молодых ученых «Freiberg-St.Petersburg Colloquium of young scientists». Аспирантом кафедры ВД Мысиным А.В., был представлен доклад на тему «Die Verbesserung von Hohlladungsaufbau für die Behandlung verschiedener Stahlsorten für den Bau» (рис 4). Также по материалам конференции одноименная статья была опубликована в сборнике «Scientific Reports on Resource Issues 2016».

Нами была посещена учебная и научно-исследовательская шахта «Райхе Цехе», которая не только дает представление о вековой истории горных работ Фрайберга, но и является уникальным местом для обучения и проведения экспериментов.(рис 2,3)

На значительном расстоянии от шахты можно увидеть сооружение горнотехнического типа, расположенное над шахтным стволом и входящее в шахтную подъемную установку - стальной надшахтный копёр. Он предназначен для установки направляющих (копровых) шкивов, направляющих проводников, разгрузочных кривых для скипов и опрокидных клетей, а также крепления посадочных устройств, клетей и другого оборудования. Для проведения экскурсии клеть подъемной машины в шахте опускается на глубину 150 м.

Начало экскурсии сопровождал спуск клети на глубину 150 метров. После чего начался рассказ о истории шахты и горного дела во Фрайберге.

Во Фрайберге (который в то время был ещё маленьким селением Кристиансдорф) в 1168 году, было найдено первое серебро. Купцы, которые перевозили соль из Западной Европы в Восточную, случайно наткнулись на непонятный блестящий камень, который они отвезли показать в г. Гослар (расположенный в земле Нижняя Саксония у подножия горного массива Гарц), в котором уже 100 лет добывалось серебро. Горные мастера обнаружили в привезённом образце 87% чистого серебра (что являлось редкостью по тем временам), после этого они отправились добывать серебро в Кристиансдорф. Чистое самородное серебро находили до глубины 40 метров. Особенностью добычи во Фрайберге являлось то, что самородное серебро залегало близко к поверхности, чем глубже горизонт добычи, тем меньше содержание серебра. На глубине 150 метров содержание составляло 0,6%, а на глубине 800 метров 0,1%. Кроме серебра в шахте добывался свинец, цинк, олово, медь и пирит. Работа горняков была в 2 смены по 10-12 часов. В начале 19 века один горняк за смену выбивал 2 углубления глубиной 30-40 см под заряд ВВ. Для этого использовалось кайло, по которому били молотком 30-60 ударов в минуту. В последние годы работы шахты буровая установка бурила шпуры глубиной 2,5 м за смену, при этом создавая шум в 120 дБ. Основные производственные процессы: бурение, взрывание, уборка отбитой массы.

Для транспортирования руды первоначально использовали вагонетки венгерского производства, которые передвигались по деревянным настилам, затем в 19 веке перешли на английские железные вагонетки, которые двигались по рельсам, а в 20 веке они были заменены на немецкие вагонетки шириной 60 см.

Первое время разработка шла сверху вниз, но этот способ создавал проблемы с откачкой воды, а также с транспортированием отбитой руды и породы, которые приходилось заново поднимать наверх. Поэтому со временем было принято решение перейти на разработку снизу вверх, при этом вода стекала под собственным весом, а отработанную руду спускали по желобам в вагонетки. Производительность от перехода на разработку снизу вверх повысилась на 80%.

Консервация шахты началась в 1908 году и закончилась в 1915 году. В 1935 году разработка снова началась, в виду того, что требовалось сырьё для подготовки к войне, в частности возросла потребность в цветных и драгоценных металлах. После войны добыча велась до 1969 года, т.к. в дальнейшем стала нерентабельна.

О профессионализме работы маркшейдеров может говорить тот факт, что в 1952 г. при проходке с двух противоположных направлений навстречу друг другу западного квершлага длиной 350 метров с уклоном составлял 10^о на 100 метров, стыки выработки совпали с точностью до нескольких сантиметров.

Крепь в шахте деревянная (меняется каждые 3-4 года), редко металлическая штанговая, большая часть участков не нуждалась в крепи в виду достаточной крепости и прочности вмещающих пород. Стоит отметить, что даже по прошествии 60 лет штанговая крепь выполняет свою функцию. Крепление ставилось только на кровлю выработок, в то время как борта считались устойчивыми.

Большая часть жил залегает под углом 45 ^о. Минеральный состав: гнейс (шпат, кварц и слюда), сульфат бария (тяжелый шпат), цинк, пирит, свинец, флюорит. Подземные воды содержат свинец, цинк, мышьяк.

Можно сделать вывод о том, что шахта, реставрация которой заняла 21 месяц и была открыта к июню 2015 года, является одной из лучших для проведения исследований и обучения горняков. Безопасность и оснащение шахты находится на высоком уровне. Шахта является открытым музеем, частью истории горного дела в Германии и города Фрайберга, который раньше называли «Серебряный город». Для любого горного инженера посещение данной шахты, послужит примером того, как организовать образцово- учебную/исследовательскую деятельность на базе горного предприятия. Студенты Технического университета Фрайбергской горной академии, обучающиеся по специальности горного профиля, проходят практику и проводят научные исследования на базе данной шахты.

Рис.2 Квершлаг в шахте «Райхе Цехе».

Рис.3 Пункт выдачи ВВ и СВ

Рис.4 Доклад аспиранта Мысина А.В. на конференции молодых ученых

Горнопромышленные и энергетические предприятия Германии

Угольный карьер Nochten

Карьер Nochten является структурным подразделением концерна Vattenfall Europe Mining AG, осуществляющего добычу угля, его переработку на энергетических станциях и доставку электроэнергию потребителям в Восточной Германии.

Месторождение бурого угля находится на юго-западе от г. Weißwasser. В настоящее время разрабатываются два угольных пласта. Верхний пласт имеет среднюю мощность порядка 5 м при глубине залегания 20-40 м. (рис.5)

Рис.5 Выход буроугольного пласта на поверхность

Второй пласт залегает на глубине от 65 до 100 м от уровня поверхности и имеет мощность 12 м. Разработка месторождения началась в 1973 г. Запасы угля в настоящее время составляют порядка 19 млн. тонн.

Вскрышные работы на карьере производят при помощи экскаватора с помощью транспортно-отвального моста Abraumförderbrücke AFB 33 F60. Длина, ширина и высота основного моста составляет соответственно 464, 160 и 76,5 метра, масса – 12 тыс.тонн, производительность – 19 тыс. м³/ч. Мощность, потребляемая этим технологическим комплексом составляет 160 МВт, и при всем этом количество обслуживающего его электротехнического персонала составляет всего 13 человек.

Рис.6 Делегация Горного Университета на фоне роторного экскаватора

Для разработки угольного пласта применяют роторный экскаватор производительностью - 1510-1610 м³/ч., длиной, шириной и высотой соответственно 80, 20 и 31 метр (рис.7).

Рис.7 Роторный экскаватор

После отработки пластов на землях производят рекультивацию. Она включает горнотехнический и биологический этапы. Первый этап осуществляется параллельно с вскрышными работами. После выравнивания поверхности отвала и выхолаживания откосов нерабочих бортов сверху укладывается плодородный почвенно-растительный слой.

Биологическая рекультивация включает посадку деревьев, кустарника и другой растительности, устройство водоемов, зон отдыха.

Общая площадь рекультивированных земель составляет 3000 га и является зоной культурного отдыха, где представлены различные виды флоры и фауны.

Предприятие по производству биогаза

В ходе стажировки группа аспирантов и преподавателей СПГУ посетила завод по производству биогаза компании WELtec BioPower. Это направление является в настоящее время перспективным для развития и несмотря на достаточно высокую себестоимость продукции данное производство получает большую поддержку со стороны правительства страны.

Технология производства основана на переработке отходов сельскохозяйственной промышленности различными видами бактерий. Полученные в процессе уборки урожая сельскохозяйственными компаниями отходы поступают на первый этап производства – консервацию (рис. 8). В течении этого этапа происходит первичная обработка сырья.

Рисунок 8. Консервация сырья

Спустя некоторое время, когда сырье преобретает необходимые энергетические свойства (рис. 9), оно поступает на следующий этап – обработку бактериями (рис. 10). Этот этап длится в течении шести месяцев в ходе которых последовательно сменяется вид бактерий.

Рисунок 9. Готовое к переработке сырье

Рисунок 10. Переработка сырья бактериями

По истечению указанного срока газ поступает на очистительную установку и далее по газопроводам следует напрямую к поставщикам

Акционерное общество Verbundnetz Gas (VNG AG) и станция подземного хранения газа USG Bernburg.

В Лейпциге делегации Горного Университета удалось побывать в штаб-квартире одного из крупнейших энергетических предприятий Германии - акционерное общество Verbundnetz Gas (VNG AG) (рис.11).

Рис.11 Делегация Горного Университета с Mr. Bernhard Kaltefleiter

Как предприятие газовой индустрии VNG существует уже больше чем 50 лет. Сегодня VNG является третьим по величине в Германии импортером газа и входит в первую десятку Европейских газовых компаний.

Компания была основана в 1990 году и за последние двадцать лет активно развивалась. Если в начале девяностых около 75% газа компании поступала из России, то к концу прошлого года доля российского газа составила лишь 32% от общего.

Помимо закупки и продажи импортного газа компания VNG является владельцем 8-ми километров газопровода на территории Германии.

Компания также активно развивает газодобывающую деятельность в Северном море. Сегодня VNG является владельцем 26 лицензионных участков у побережья Норвегии.

Основная задача СПХГ - закачка газа в подземное хранилище с последующим отбором его в осенне-зимний период для стабилизации сезонной неравномерности газоснабжения Германии. Также в процессе подземного хранения газа могут быть решены следующие основные задачи:

· удовлетворение спроса на газ в период наибольшего газопотребления (пиковые нагрузки), связанного с отопительной нагрузкой в зимнее время;

· уменьшение капитальных вложений в магистральный газопровод и компрессорные станции;

· обеспечение благоприятных условий для наиболее экономичного режима работы источников газа и магистрального газопровода с постоянной пропускной способностью;

· создание необходимых запасов газа в определенных районах страны;

Компания «Verbundnetz Gas» эксплуатирует 5 подземных газохранилищ общей полезной емкостью 2,5 млрд. м³ газа.

Подземные хранилища подразделяются на два типа:

· естественного происхождения – в пористых породах, перекрытых непроницаемыми глинистыми породам;

· искусственно созданные выработки (каверны) – месторождения соли, разрабатываемые скважинным способом (геотехнология).

Искусственно созданные каверны получаются благодаря растворению с помощью воды и реагентов части соляного пласта. Образуются цилиндрические полости диаметром до 100 метров и высотой от 50 до 500 метров. Каверны располагаются от нескольких сотен метров до 1600 метров (Etzel) ниже поверхности земли.

СПХГ проектировалось на объём 670 млн. м³, в том числе активного газа – 440 млн. м³, буферного – 230 млн. м³. Максимальное пластовое давление – 122 бара, минимальное – 45 бар. Максимальная суточная производительность хранилища – 5,7 млн. м³. Фонд эксплуатационных скважин – 14.

Установки получения синтез-газа и его переработки (институт энергосберегающих и химических технологий)

У делегации специалистов и аспирантов университета представилась уникальная возможность побывать на ведущем предприятии Германии по газификации угля, данное предприятие сотрудничает с Фрайбергской горной академией.

Получение синтез-газа – это первая стадия превращения угля и природного газа в химические продукты и жидкие топлива (дизельное топливо, бензин и т.д.). Кроме ранее упомянутых продуктов, из синтез-газа возможно произвести: метанол, ароматические соединения, аммиак, уксусную кислоту, олефеины и другие соединения, которые используются в качестве сырья в химической промышленности.

Синтез-газ – это смесь окиси водорода и углерода. Способов производства синтез-газа существует множество, например, путем окисления метана или же путем паровой конверсии. Данным способам присуща высокая себестоимость конечного продукта.

Германия обладает незначительными нефтяными запасами, но имеет крупные месторождения бурого угля в Нидерлаузицком (Дрезден и Котбус), Нижнерейнском, Магдебургском, Среднегерманском (Лейпциг и Галле) и других бассейнах. Запасы бурого угля, которыми располагает Германия, составляют 160 млрд. тонн, а запасы каменного угля - 35 млрд. тонн. В условиях текущей угледобычи данных запасов должно хватить на на несколько столетий. С данным фактом связано бурное развитие на территории Германии газификации угля.

В настоящее время синтез-газ из угля в Германии образуется благодаря воздействию кислорода или парообразной среды. Для получения синтез-газа используется угольный газогенератор. Его работа поддерживается мелким углем диаметром до 8 см. Данная установка увеличивает синтез-газ из угля, скорость и интенсивность реакции.

Широкое распространение получения синтез-газа из угля объясняется экологической безвредностью данного способа получения топлива. По сравнению с традиционным сжиганием природного ископаемого, синтез-газ из угля позволяет достичь 20% - ой экономии топлива. В пользу экологичности производства синтез-газа свидетельствует тот факт, что угольный газогенератор позволяет регулировать выбросы и фактически свести к нулю загрязнение окружающей среды. С помощью угольного газогенератора можно получить Н2, СО, СН4 и т.д. из угля, торфа и дров.

Рис. 12. Комплекс установок получения синтез-газа и его переработки на метанол и бензин Фрайбергской горной академии

С 2010 года в Фрайберской горной академии в режиме практических испытаний новой технологии работает экспериментальная установка по производству из синтез-газа высококачественного бензина. Данный проект представляет собой результат успешного Российско-Германского сотрудничества, поскольку проектирование, строительство и эксплуатация этой пилотной установки – итог совместной работы технологических предприятий из России и Саксонии.

Культурная программа

Кроме специализированных экскурсий по подразделениям академии и по промышленным предприятиям была предложена и богатая культурная программа, включающая экскурсии по таким городам как Лейпциг, Дрезден, Фрайберг. Также были посещены замок Кенигштайн (рис.14), Национальный парк «Саксонская Швейцария» (рис.15), Дрезденская галерея (рис.16), и выставка Terra mineralia в замке Freudenstein г.Фрайберг. (рис. 13).

Рис. 13. Друза горного хрусталя, Terra Mineralia

Рис.15. Национальный парк «Саксонская Швейцария»

Заключение

В ходе стажировки во Фрайбергской горной академии был получен бесценный опыт выступления с научным докладом на международной конференции, общения и обмена опытом с иностранными коллегами, в том числе по теме диссертационной работы. По итогам консультаций с ведущими специалистами академии получены ценные рекомендации по вопросам диссертационной работы.

Также была изучена лабораторная база института геомеханики Фрайбергской горной академии. Лаборатории Фрайбергской академии являются современными, компьютеризированными и не уступают по оснащению лабораториям Горного Университета.

В результате стажировки автор ознакомился с современным зарубежным опытом разработки и эксплуатации предприятий горнодобывающей и энергетической отраслей, а также организации различных процессов производства изнутри на примере крупнейших предприятий Германии:

- угольная электростанция Kraftwerk-Boxberg компании VATTENFALL;

- завод по газификации угля;

- учебная шахта;

- буроугольный карьер Nochten;

- газовая компания Verbundnetz Gas AG.